基于船舶吨位变化的三峡船闸过货能力分析

丁 涛，张乃宇

(武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063)

0 引 言

长江上航运港口经济的快速发展促使通过三峡船闸的货物量急速增长。长江航务管理局统计数据表明，2018年长江干线年货物通过量达到了26.9亿吨，同比增长了7.6%；集装箱吞吐量完成1 750万TEU，同比增长了6.1%；三峡大坝枢纽货物通过量1.44亿吨，同比增长了3.9%。自2003年6月三峡大坝蓄水通航以来，三峡船闸过货量年均增长14.5%，仅2011年就超过了1亿吨货物的大关，2019年货物通过量达到了1.46亿吨[1]。然而，旺盛的货运需求与三峡船闸过货能力不足的矛盾越来越凸显。目前，三峡船闸的各项运行参数，如：开(关)闸门时间、单向船舶(队)进闸时间、闸室充水与泄水时间等都已经达到或者超过设计标准。国内学者对三峡船闸的过货能力进行了大量研究。郭涛[2]利用结构化与对比方法，对2010—2015年三峡船闸过货能力进行了预测；谈建平[3]运用一元回归模型、弹性系数模型以及综合预测模型预测了三峡船闸最大过货能力；郭子坚等[4]通过建立系统仿真模型研究了不同船型标准化率对三峡船闸过货能力的影响；马奕[5]采用一元回归模型、增长曲线模型、运输弹性系数模型以及组合预测模型预测了2010、2015、2020及2030年三峡船闸的过货能力；郭涛[6]运用结构化与动态化方法预测了2011—2030年三峡船闸过货能力；钮新强等[7]、谢凯等[8]及张义军[9]提出了一系列提升三峡船闸过货能力的措施。

笔者通过测算三峡船闸的极限过货能力，探讨了三峡船闸过货能力可提升的空间。首先，分析了三峡船闸过货的影响因素，如船型、过闸船舶实载率、船闸运营管理模式以及过闸船舶吨位限制等，找出存在问题；然后，根据现有数据对船型比例进行预测，计算船舶到达数量以及过闸船舶容量；最后，运用Anylogic软件建立了三峡船闸过闸通航模型。研究表明，相比2019年1.46亿吨的过货量，三峡船闸还可以提高0.33亿吨过货量，极限过货能力可达1.79亿吨。

1 三峡船闸过货能力现状及存在问题

1.1 过货能力现状

1.1.1 过闸货船船型

从2003—2010年，3 000吨级的船舶比例由0.5%上升到17.7%，说明船舶逐年趋向大型化[2]。三峡船闸按照一级航道标准建造，当通过中、小型船舶时，需逐一分开进出闸室，由此进入的船舶数量较多，但耗费的时间较长，船闸的日平均过闸次数较少，一次过闸平均载重吨位较低；当通过大型船舶时，由于下游航道的水深限制，过闸时不能充分利用闸室的水深，所以船舶的实载吨位较低，装载系数也较低。

1.1.2 过闸货船实载率

根据谈建平[3]的研究，如果船舶实载率能从70%提升到80%，将会大大提高船闸的过货能力。在过闸船舶数相同的情况下，相同体积船舶实载率的提升会大幅度提高船闸过货能力。因此，过闸货船实载率影响着船闸过货量。

1.1.3 船闸运营管理模式

三峡船闸的过货能力与船闸的运营管理水平密不可分，良好的运营管理模式会提高三峡船闸的船舶过货能力。自从2003年三峡船闸通航以来，管理人员对船闸的运营管理已经逐渐熟练并且达到了较高的水平。

1.1.4 过闸船舶吨位限制门槛

为了提高船闸的利用率以及过货能力，三峡船闸自通航以来就设置了船舶吨位的限制门槛，但这个限制门槛会影响船闸的利用率以及过货能力。现阶段，船舶大型化与标准化趋势显著，若能通过逐渐提高三峡船闸的船舶吨位限制门槛，限制一部分小型船舶通过，可总体上提高船闸的过货能力。

1.2 存在问题

1.2.1 船闸方面

1)过闸船舶吃水控制标准局限性

为了实现船舶高效通过船闸的目的，三峡船闸设置了过闸船舶吃水控制。由于船舶的大型化发展，过闸船舶吃水标准还没有进行季节性的放宽。过闸船舶吃水标准不能灵活掌握，导致难以推进三峡过闸标准船型的推广，船舶的实载率难以提升。

2)持续运行检修碍航

近些年来，由于长江航运的繁荣发展，三峡船闸的运行频次不断提高，所带来的问题就是检修时间增加，包括船闸全面检修和换向检修，这将占用船舶的通行时间，导致碍航现象时有发生。

3)泄洪碍航

在雨水多发季节，长江容易出现洪水，三峡大坝需要泄洪冲沙，从而导致船舶航行困难，到达船舶的分布状况难以确定。

1.2.2 船舶方面

1)船舶大型化、标准化提升空间小

为了增加过闸船舶单闸次运量，大型化船舶受到船方青睐。由于长江下游航道水深的限制、闸内的水深控制，以及不同港口水陆域条件的不同，船舶的大型化已经达到了瓶颈期。由于船闸的闸室面积有限(平面集泊尺度为266 m × 32.8 m)，为了有效利用闸室的面积与水深，过闸船舶必须合理搭配，船舶不可能无限制地大型化；同时，受到市场因素影响，船舶标准化难以全面推进。

2)船舶实载率制约因素较多

限制船舶实载率的因素非常复杂。首先是船型，大船型船舶可以装载更多的货物，然而由于船闸的水深以及上下游航道的限制，大型船舶的实载率实际上并不高，而小型船舶的实载率虽较高，但总体来看，船闸的过货能力也没有得到较大提升；其次是船舶本身的配积载，合理的配积载可以进一步提高船舶的实载率；最后是航运企业的管理和市场因素的调节。上述因素以及其他天气或者不可控因素都影响了船舶的实载率，对三峡船闸的过货能力有一定的制约。

1.2.3 船闸运行组织方面

1)翻坝与分流

翻坝与分流切实解决了三峡船闸过货能力不足的部分问题，然而有些货类运输，如：干散货、集装箱、危险品等大宗货物的船舶却很难在船闸检修以及船舶严重堵塞时进行翻坝运输，而且翻坝运输大件货物的成本较高，时间上也难以把控；同时，大规模修建翻坝设施会对三峡大坝周围的生态环境产生一定影响。

2)通航管理

若要提高日运行闸次数，提升船舶进出闸的效率，加强船闸的操作技术是必不可少的。现阶段船闸的操作技术已经达到较高水平，但还是有一定的提升空间。

2 三峡船闸极限过货能力测算

2.1 仿真模型建立

2.1.1 仿真模型简介

分船型制作仿真模型，包括source、batch、queue、lock、conveyor、speed、sink共7大模块，其中：source为各种船型船舶的到达量模块，batch为过闸批量数模块，queue为锚地模块，lock为闸门模块，conveyor为闸室模块，speed为过闸速度设置模块，sink为最后一个闸门。运行后，通过sink的船舶数量也就是过闸船舶数量，如图1。

图1 船舶过闸仿真模型Fig. 1 Simulation model of ship passing through lock

2.1.2 模型参数设置

1)船舶到达数量设置

根据2010—2017年不同吨位船舶通过三峡船闸的船型比例ω0[10]，可回归得到未来n年份时各船型通过三峡船闸的比例ωi的预测计算式，见表1。

表1 2010—2017年通过三峡船闸船型比例及未来通过三峡船闸船型比例预测计算式Table 1 Ship type proportion of ship passing through the Three Gorges ship lock from 2010 to 2017 and its prediction formula

选择5个代表性船舶吨位i=2 000、3 000、4 000、5 000、7 500 t ，根据表1 的船型比例预测计算式，得到2022—2025年通过三峡船闸各吨位的船型比例ωi；再对其进行归一化处理，可得到归一化后船型预测比例ω′i，见表2。

表2 2022—2025年通过三峡船闸归一化处理前、后的船型预测比例ωi、ω′iTable 2 Prediction proportion of ship type before and after normalization treatment of the Three Gorges ship lock from 2022 to 2025

按式(1)计算通过三峡船闸平均每艘船舶吨位I(单位：吨/艘)：

(1)

式中：ω′i为i吨位船型预测比例，%；k为船舶实载率，取k=0.8。

因此，预测计算得到2022、2023、2024、2025年通过三峡船闸平均每艘船舶吨位分别为4 958.62、5 014.26、5 062.5、5 105.52吨/艘。

设置4个到达船舶总数Q=50 000、55 000、60 000、65 000艘，由表2的船型预测比例ω′i，按照式(2)求出2022—2025年平均每小时船舶到达三峡船闸的数量q(单位：艘/h)，计算结果见表3：

(2)

式中：r为船舶除去汛期年航行时间，r=345d× 24h/d=8 280h；其他符号同前。

表3 2022—2025年每小时到达三峡船闸的各吨位船舶量qTable 3 Number of ships of various tonnage arriving at the Three Gorges ship lock per hour from 2022 to 2025

2)过闸时间设置

船舶实际过闸时，开关闸门耗时4 min，船舶进入耗时约20 min，船闸充水耗时12 min，通过每一级闸门耗时为40 min，船舶通过最后一级闸门耗时24 min，共为40 × 5 +24=224(min)。每个闸室长度为266 m，船舶通过三峡船闸速度约为266 × 5/224=5.94 (m/min)。

3)过闸船舶批量设置

船闸平面集泊尺度为266 m × 32.8 m，船舶尺度、一个闸室所能容纳的各吨位船舶数Si和一次过闸载重g见表4。

表4 船舶参数及一次过闸载重Table 4 Ship parameters and load of ship passing through lock atone time

根据预测船型比例ω′i，由p=∑ω′i×Si计算得到考虑权重情况下2022、2023、2024、2025年一次过闸船舶数量，分别为4.87、4.84、4.81、4.78 艘，取整，最终得到每批过闸船舶数量p=4艘/批。

2.2 船闸过货能力计算

取船闸每天运营时间22 h，一年365天除去由于汛期或者船闸检修停止运营20天，实际船闸年运营总时间T=(365-20)× 22 × 60=455 400(min)。按式(3)计算船闸年过货能力D(单位：亿吨)，计算结果见表5：

(3)

式中：t为Anylogic模型仿真船闸运营时间，min；b为仿真运营时间内船闸模型通过的船舶批量，批；其他符号同前。

表5 三峡船闸过货能力预测Table 5 Prediction of cargo handling capacity of the Three Gorgesship lock

从表5可以看出：在理想状况下，2022—2025年，通过55 000艘船舶时，三峡船闸过货量可达到最大值；2022年，到达船舶数量为55 000艘时，三峡船闸过货量约1.79亿吨；2022—2025年，三峡船闸年均过货量超过1.50亿吨。

3 改善措施

三峡船闸设计过货能力为双向1亿吨，而在现有情况下，预测三峡船闸的年双向最大过货能力为1.79亿吨。为了更好地发挥三峡船闸的作用，笔者提出以下改善措施：

1)推广船型标准化。长125～130 m，宽16.2 m船型应用于三峡船闸过闸，可以提高船闸水深利用率和闸室的面积利用率，提高每闸次通过量。

2)改善过闸船舶吃水标准限制。在不影响安全的前提下，可以季节性放宽船舶的吃水标准，从而提高船舶的装载率。

3)提高船闸的闸室面积利用率。合理安排船舶的搭配过闸，充分利用船闸的闸室面积，尽可能增加每闸次过闸船舶数量。

4)提高船舶吨位限制门槛。适当提高船舶吨位限制门槛，限制小型船舶过闸数量，增加大型船舶通过量，可提升三峡船闸的过货量。

5)合理使用升船机。将小型船舶分配给升船机可以减少小型船舶通过三峡船闸的次数，将更多的时间分配给大型船舶，从而提高船闸的货物通过能力。

4 结 语

为探究三峡船闸极限过货能力，分析了货物过闸影响因素及存在问题；利用现有数据预测2022—2025年船型比例；计算了船舶到达量及过闸船舶容量；运用Anylogic软件建立了三峡船闸通航仿真模型，仿真计算得到三峡船闸的极限过货能力为 1.79亿吨；并对船型、过闸船舶吃水标准、闸室面积利用率、船舶吨位限制门槛、升船机使用等方面提出相应改善措施。研究得出以下主要结论：

1)船舶大型化趋势越发明显，但由于船闸利用面积限制，船舶大型化已无法使三峡船闸过货能力达到最大。

2)当不同吨位船舶到达量超过55 000艘时，三峡大坝过货能力将降低。

3)对船型、过闸船舶吃水标准、闸室面积利用率、船舶吨位限制门槛、升船机使用等方面采取有效措施能够使三峡船闸过货能力得以提升。