福姜沙水道船舶交通流量与潮汐关系研究

王小华, 杨 莎，齐林林，杨欣程，白海鹏

(1.长江南京航道工程局，南京 210000；2.东南大学 交通学院，南京 210000)

图1 福姜沙水道航道布置图Fig.1 Arrangement of Fujiangsha waterway channel

船舶交通流研究主要分为海上交通流[1]、内河交通流[2]和港口水域船舶交通流[3]，最为关注的交通流特性参数是交通量、船舶速度、船舶密度3个参数，潮汐对3个参数产生影响[4]。研究方法主要为交通流仿真和预测。Fang Hui[5]构建了一个水上交通网络的船舶航行和交通流仿真系统，分析了新加坡水域各种不同条件下的交通流特征以及通过能力。方祥麟等对海上交通仿真进行了一系列的研究[6-9]。唐月明[10]基于元胞自动机理论构建京杭运河船舶交通流仿真模型，分析了京杭运河中船舶交通流流量-密度与速度-密度关系曲线。张连东[11]运用小波理论对船舶交通流统计数据进行分析，得出了船舶交通流与船舶速度之间的关系式。朱翔宇[12]基于AIS数据的解析对港口服务模型进行了仿真。徐武雄[13]提出了基于Multi-Agent的建模和仿真方法，模拟了武汉长江多桥航道的船舶交通流。感潮河段船舶交通流与潮汐的关系研究以乘潮水位计算[14]与船舶调度[15]为主，Zeyuan Shao[16]根据潮汐河段的水流动力学特征，结合操船特性，提出安全航行的措施。长江南京以下12.5 m深水航道工程实施以来，通航船舶数量显著增多，船长增加，维护性疏浚期间通航风险增高。福姜沙水道为感潮河段，船舶乘潮过境现象明显，本文采用实际观测数据，分析福姜沙水道船舶流量特征及船舶流与潮汐关系，为船舶交通安全和航道维护疏浚施工方案制订提供支持。

1 福姜沙水道航道情况

福姜沙水道内主要航道有福姜沙北水道、福姜沙中水道、福姜沙南水道，如图1所示。

福姜沙北水道为上行通航分道，深水航道最窄处航宽260 m，维护水深为理论最低潮面下12.5 m。福姜沙中水道为下行通航分道，供下行船舶通过使用，禁止上行船舶通过该水道，船长150 m以上的上行大型船舶和自身操纵能力受到限制的其他上行船舶除外。深水航道最窄处航宽350 m，维护水深为理论最低潮面下12.5 m。福姜沙南水道为双向通航分道，按各自靠右航行原则实行分道通航，禁止过境船舶通过该航段，维护水深为理论最低潮面下10.5 m。

福姜沙水道通航船舶多样化，船舶种类包含货船、油轮、拖轮、过驳船等；船型既有30 m以下的小船，也有180 m以上的大型船只，大型船舶数量有逐年增长趋势。福姜沙水道为典型的分汊航道，船舶交通流密集。福北水道日均流量为800～1 400艘次，福中水道日均400～700艘次，福南水道日均200～1 000艘次，各水道交通流量总体保持平稳的状态，洪季流量均大于枯季。

2 福姜沙水道船舶交通流现场观测

2.1 观测位置

图2 福姜沙水道各观测点位置示意图Fig.2 Schematic diagram of the locations of the observation points of the Fujiangsha waterway

福姜沙水道主要疏浚区位置共有6处，分别是福北维护区、福左维护区、福中维护区、浏海沙维护区和如皋中汊维护区。维护性疏浚施工期间，过往船舶与施工船舶通航矛盾增加，因此对福姜沙水道船舶交通流特性进行研究，可为制定施工期安全通航方案提供参考依据。参考福姜沙水道维护性疏浚区位置及分汊航道特点，共进行2次现场观测，第一次观测地点为黑浮#9附近；第二次观测共设5个观测点，观测点1位于万福港附近，观测点2位于双狮码头附近，观测点3红浮#48与红浮#49之间，观测点4位于如皋通用码头附近，观测点5位于越洋码头附近。具体位置如图2所示。

2.2 观测方法

第一次现场观测时间为2018年5月29～30日，起始时刻为29日18:00，第二次观测为2018年10月15～16日，起始时刻为15日14:00～17:00，每次时长均为连续24 h。每个观测点3名观测人员，设三班倒机制，每8小时轮一班，每班2名人员，其中1人借助望远镜目视计数，1人同步查看“船讯网”校核。观测船型为通过该断面的所有在航船舶，在《船舶流量观测记录表》上记录观测船长(在“船讯网”同步查到的船舶记录实际船长，核查不到的船舶根据判断记为船长≥80 m或船长<80 m)、船型(货船、油轮、拖轮等)航行状态(上行、下行)，观测结束后交给相关负责人员进行后期统计与分析。

3 观测结果统计与分析

图3 工程河段与天生港水位站位置示意图Fig.3 Schematic diagram of the location of the engineering section and the Tiansheng Port water level station

3.1 福姜沙水道潮汐特征

福姜沙水道位于潮流界以下，水流条件受潮汐影响，潮汐性质属非正规半日浅海潮，潮位每天两涨两落，日潮不等现象较明显，特别是高潮位相差较大。一般涨潮历时约4:09 (h:min)，落潮历时约8:16 (h:min)，福姜沙水道潮流随潮汐涨落具有往复流特征，落潮流流速大于涨潮流，大潮潮流流速大于小潮，船舶交通流受潮汐影响明显。

工程河段临近长期水位站为天生港水位站(经度32°02′05.47″，纬度120°44′49.04″)，两地位置示意图如图3所示。天生港水位站潮位过程线与工程河段距离近潮位变化相近，天生港潮汐资料准确且便于获取，因此采用天生港潮汐过程进行福姜沙水道船舶流量与潮位关系研究。

天生港水位站的潮位特征值如表1所示(1985 国家高程基准)。

表1 天生港潮位特征值统计表Tab.1 Characteristic value statistics of Tiansheng Port tidal level

对2次现场观测的福姜沙水道船舶交通流数据进行统计分析，结合天生港水位站当日潮位，研究船舶交通流量与潮位的内在联系。

3.2 福姜沙水道现场观测船舶流统计结果

图4 各观测断面船长≥80 m和船长<80 m船舶数量统计图Fig.4 Statistical chart of the number of ships with ≥80 m and <80 m in each observation section

现场观测时借助“船讯网”同步记录船舶信息，遇到“船讯网”无法核查的船舶时，根据经验或现场参照物判断船舶长度，将过往船舶按照大船(船长≥80 m)和小船(船长<80 m)进行记录，2次观测6个断面的船型统计结果如图4所示。可以看出，福北水道(FB#9和断面4)大船与小船之比约为1:4，浏海沙水道(断面3)大船与小船之比约为4:5，福南水道(观测点2)大船与小船之比约为1:4，福左水道(观测点1)大船与小船之比约为3:7。福北水道和福南水道航道较窄，通航或进出港船舶以小船为主，浏海沙水道和福左水道航道较宽，通航条件较好，大型船舶数量占比相对较大，观测结果符合实际断面通航条件。

将2018年5月29～30日第一次观测和2018年10月15～16日第二次现场观测的记录表按照各断面船舶总数、各断面上行、下行总船舶数进行统计分析，得出统计表2。

表2 福姜沙水道各观测点船舶数量统计表Tab.2 Statistics on the number of ships at each observation point of Fujiangsha waterway

表2结果表明，福左水道(观测点1)、福南水道(观测点2)和南通水道(观测点5)上下行船舶数量相当，3个水道均为双向通航分道；福北水道(FB#9)和如皋中汊(观测点4)上行船舶占比84%，该水道为上行单向通航分道；刘海沙水道(观测点3)78%，该水道为双向通航分道，但其上游的福中水道为下行单向通航分道，所以刘海沙水道观测船舶主要为下行。这与福姜沙水道航路规则相符，表明了福姜沙水道船舶交通流空间分布特征，同时表明了本次观测结果的准确性。

3.3 福姜沙水道船舶交通流与潮位逐时关系分析

根据3.1节统计结果，观测点2位于福南水道，通航船舶为进出港船舶，船舶数量较少且船舶作业受潮汐影响较小，暂不对该处船舶流进行研究；观测点3下行状态更具研究性；第一次观测点FB#9及第二次观测的测点4上行状态更具研究性，两测点均位于福北水道，相距较近，选取第一次结果进行分析；观测点1上下行船舶数量都较多，船舶数据具有操作性及研究性；观测点5与观测点1航路规则相同，上下行船舶数量和规律相近，篇幅限制故不再赘述。将船舶航行状态分为上行和下行，分别研究船舶数量与潮位逐时变化关系，上行状态分析第一次观测及第二次观测的测点1，下行状态分析第二次观测的测点1、3。

3.3.1 上行船舶流量与潮位关系分析

福姜沙水道第一次观测断面FB#9及第二次观测的断面1上行船舶流量与潮位逐时变化趋势如图5～图6所示。

图5 观测断面FB#9上行船舶数量与潮位关系图Fig.5 Relationship between the number of ships on observation section FB#9 and the tidal level图6 观测断面1上行船舶数量与潮位关系图Fig.6 Relationship between the number of ships on observation section 1 and the tidal level

由图5～图6可见，上行船舶数量增减与潮位涨落基本同步，两者相关关系明显，但存在时差。观测断面FB#9上行船舶数量高峰期出现在5月30日涨潮时14:00～15:00，潮位峰值时刻为15:00，船舶流高峰先于潮位最高值1 h。观测断面1船舶流高峰期与潮位高峰值出现时刻同步，但在 10月15日落潮时(15日20:00～次日4:00落潮)进入夜间，由于光线下降等原因出现潮位缓落而船舶数量急剧减少的现象。福姜沙水道位于感潮河段，涨潮时潮流流向指向上游，船舶乘潮上行回避坡降阻力降低能耗，所以上行船舶在涨潮时段出现明显的高峰期。

3.3.2 下行船舶流量与潮位关系分析

福姜沙水道观测断面1、3下行船舶流量与潮位逐时变化趋势如图7～图8所示。

图7 观测断面1下行船舶数量与潮位关系图Fig.7 Relationship between the number of ships and the tidal level in observation section 1图8 观测断面3下行船舶数量与潮位关系图Fig.8 Relationship between the number of ships and the tidal level in observation section 3

由图7～图8可以看出，船舶数量变化受光线影响较大，白天数量增多，夜间船舶减少，除偶然高峰值外，其他大部分时段船舶流量变化较小。下行船舶高峰流量出现在落潮的潮流流速较缓时段，说明在潮流流速不大的情况下，船舶更愿意利用落潮流比降减小阻力向下游航行。

3.4 福姜沙水道船舶交通流高峰流量分析

流量是指在单位时间内，通过某一点、某一断面或某一条交通流载体中的交通实体数，它是交通流三大基本交通参数之一，是描述交通流特性的最重要的参数之一。交通流量的大小直接反映交通流载体的繁忙程度，并在一定程度上反映该载体中交通实体的拥挤和危险程度[10]。可根据用下式计算

(1)

式中：q为流量(交通实体数化)；△T为观测时间段长度，h；N为观测时间段内通过交通流载体某断面的交通实体数。

将2次现场观测记录表按照上行船舶数量、下行船舶数量2种状态对船舶的平均小时流量与高峰小时流量分别进行统计分析，结果如表3所示。

表3 不同统计状态船舶流量分析表Tab.3 Ship flow analysis table with different statistical status

注：涨潮可分为初涨、涨急、涨憩； 落潮分为初落、落急、落憩。涨急：涨潮流流速最快的时候；涨憩：潮水涨到最高时出现不涨不落的现象；落急：落潮流流速最快的时候；落憩：潮水落到最低时出现不涨不落的现象。

由表3可以看出，船舶流高峰小时流量为平均小时流量的2～4倍，根据船舶流量定义可知，高峰期航道内的拥挤和危险度加倍，航道繁忙程度剧增。6个观测断面的船舶流高峰期与潮位涨落存在一定关联。对于上行船舶，高峰流量出现时刻均为潮位最高值前后，观测点FB#9、观测点1、观测点4均为涨急时，观测点2为初落时，观测点3为涨憩时，观测点5为初涨时。

对于下行船舶，高峰流量出现时刻大多为潮落时段，观测点FB#9、观测点4、观测点5均为落急时，观测点1为涨急时，观测点2为涨憩时，观测3为落憩时。

由3.3和3.4节的分析，可以初步了解福姜沙水道船舶交通流量与潮位的关系和高峰流量特征，为进一步研究潮位对船舶航行安全的影响问题奠定基础。施工期可根据上、下行船舶流量过程合理安排施工时段，采用错峰施工等方式避开涨潮高峰期，以保障施工期通航安全。

4 小结

笔者及其他工作人员2次对福姜沙水道进行现场观测，总共记录6个断面船舶流量数据。经过统计分析，各个断面船舶流量、上下行船舶数量占比、船型大小均与福姜沙水道航路规则和断面条件相适应。结合天生港潮位数据，分析表明，上行船舶流量曲线与潮位曲线基本同步，存在1 h的时差；下行船舶流量曲线与潮位曲线关系不明显，白天船舶流量增加，夜间流量减小。福姜沙水道上行船舶交通流高峰出现在高潮位前后，下行船舶流高峰一般出现在落潮时段内。船舶高峰小时流量为平均小时流量的2～4倍，高峰期航道繁忙程度剧增。本研究对于福姜沙水道船舶航行安全问题研究与维护性疏浚期间错峰施工方案制定具有一定的借鉴意义。