港口水域航道合理规划设计探究

◎ 王三才 中交水运规划设计院深圳有限公司

华南地区是中国沿海地区的一个重要经济区域，拥有众多港口和航道资源[1]。随着经济发展和贸易活动的增加，港口水域航道规划设计变得尤为重要。合理规划设计能够提高港口运输效率、降低航行风险、保障船舶安全，并促进区域经济发展[2]，对港口周围的船舶操纵环境作出综合分析考量也是十分必要的，这也是确保航道规划合理性的重要基础[3]。一旦出现航道设计不合理的情况，不仅会导致工程的功能无法达到预期目标，同时还有可能造成巨大的资源浪费[4]，影响地区经济的健康发展。在此基础上，本文提出港口水域航道合理规划设计探究，充分考虑了在航道规划过程中，各因素之间互相关联、互相制约的关系，实现对航道的规划设计，并通过对比测试的方式，分析验证了设计规划方法的应用效果。

1.港口水域航道合理规划设

1.1 航道宽度设计

在开展港口水域航道规划设计阶段，对航道通航宽度进行合理设计是十分必要的[5]。根据《海港总体设计规范（JTS165-2013）》，航道通航宽度由航迹带宽度、船舶间富裕宽度，以及船舶与航道底边间的富裕宽度三部分组成。对单、双线航道，航道通航宽度计算公式如下：

其中，W表示航道通航宽度，A表示船舶在行驶过程中航迹带宽度，c表示以船舶底部为基准，其与航道底边之间距离，也就是二者之间的富裕宽度参数，其一般情况下，该距离不低于行驶船舶的整体宽度值，b表示在航道内行驶时，相邻船舶之间距离，也就是船只之间的富裕宽度参数。

在计算航迹带宽度时，主要需要考虑的因素就是船舶在航道中航行时受客观条件的影响程度。其中，具体的影响因素包括港口海域的自然条件，航道断面形式、行驶船舶自身的特征，以及人为因素。在保持航向的基础上，以导航中线为基础，船舶的实际航行轨迹是呈左右摆动状态的，具有蛇行运动的属性特征。因此，其前进期间所占用的水面宽度计算方式可以表示为：

其中，n表示船舶漂移的倍数，L表示行驶船舶的长度，γ表示船舶行驶阶段的风流压差角参数，B表示行驶船舶的宽度。

对于船舶与航道底边之间的富裕宽度，其主要受航速和船只类型影响，一般情况下，当船舶类型为杂货船或集装箱船时，航速不高于6.0kn条件下的船舶与航道底边之间富裕宽度为行驶船舶宽度的二分之一即可，船速高于6.0kn条件下的船舶与航道底边之间富裕宽度为行驶船舶宽度的四分之三即可；当船舶类型为散货船时，航速不高于6.0kn条件下，船舶与航道底边之间富裕宽度不宜低于行驶船舶宽度的四分之三，船速高于6.0kn条件下，船舶与航道底边之间富裕宽度不宜低于行驶船舶宽度；当船舶类型为油船或其他危险品船时，航速不高于6.0kn条件下，船舶与航道底边之间富裕宽度不宜低于行驶船舶宽度，船速高于6.0kn条件下，船舶与航道底边之间富裕宽度不宜低于1.5倍行驶船舶宽度。

按照上述所示的方式，实现对港口水域航道宽度的合理设计。

1.2 航道水深设计

在对航道水深进行设计时，本文充分考虑了港口海域的基础自然环境条件，结合船型在满载状态下的吃水深度，以满足安全航行的最小深度为导向，结合影响进港航道水深的因素构成情况，对航道的具体水深参数进行设计，具体的设计结果可以表示为：

其中，D0表示航道通航水深情况，T表示通行船只的满载吃水深度，Z0表示船舶航行时，船体的下沉深度，Z1表示船舶航行时，龙骨下最小富裕深度，Z2表示波浪富裕深度参数，Z3表示在船舶装载情况下，纵倾富裕水深度，D表示航道设计水深，Z4表示备淤富裕深度。

根据港口的船舶类型和吃水要求，确定航道的宽度和深度。航道宽度应能够容纳船舶安全通行，并留有适当的余地用于超车或交叉避让。航道深度则要满足船舶的吃水需求，以确保船只在潮汐变化和水深限制下能够安全通行。按照上述所示的方式，实现对航道水深的合理设计，最大限度保障船舶的通行需求能够得到满足，实现其效益的最大化。

2.应用测试

2.1 测试环境

针对本文提出的港口水域航道合理规划设计方法应用效果进行分析，选择某个港口作为基础，并以其复式航道规划工程为测试对象。对测试港口的基本情况进行分析，其中，规划通航环境总面积为72.5平方公里，对应的码头岸线长度为29.30公里，港口提供的泊位数量为11 2个，在临港物流产业区，对应的规划面积为65.35平方公里。在此基础上，对基本自然环境条件进行分析，具体如表1所示。

表1 测试环境自然环境信息

结合表1所示的信息，分别采用本文设计的港口水域航道规划设计方法，以及文献[4]提出的以优先队列回溯算法为基础的航路规划设计方法、文献[5]提出的以虚拟AIS航标为基础的航道规划设计方法在相同的环境条件下开展对比测试。

2.2 测试结果与分析

在对不同方法的航道规划效果进行分析时，本文分别从安全性和有效性的角度进行评价，并设置了具体的评价指标，根据实际需求和规范制定相应的百分制评分标准。在安全性评价中，根据风力、能见度、船舶密度、船舶会遇率、渔船和小型船舶对大型船舶航行安全的影响程度，划分不同的得分区间。而在有效性评价中，根据大型船舶待泊时间、能见度不良情况下的可航行天数、大风条件下的可航行天数、船舶交通量以及经济效益和社会效益的大小，划分不同的得分区间。通过量化评估每个指标，并综合计算得到最终的百分制评分结果，可以对航道规划设计的安全性和有效性进行评价。

具体的评价结果如表2 和表3所示。

表2 航道规划设计安全性评价结果

表3 航道规划设计有效性评价结果

结合表2所示的测试结果可以看出，在三种港口航道规划方法下，优先队列回溯规划方法的评价结果相对较低，其中，航道内船舶会遇率达到了30.0%以上，对应船只之间影响也处于较高水平，均达到了40.0以上。在虚拟AIS航标规划方法的测试结果中，航道内船舶密度也达到了36.44%，虽然与优先队列回溯规划方法相比有一定程度的下降，但是仍处于较高水平，渔船对大型船舶航行安全的影响也达到了30.0以上。相对比之下，在本文提出航道规划设计方法的测试结果中，航道内船舶密度仅为20.57艘/海里2，因此航道内船舶会遇率明显偏低，仅为12.13%，分别低于对照组18.11%和13.05%，对应的船只之间影响也处于较低水平，始终低于15。综合上述测试结果可以得出结论，本文设计的港口航道规划方法可以有效保障航道的安全性处于较高水平。

结合表3所示的信息对三种航道规划设计方法对应的有效性评价结果进行分析，其中，优先队列回溯规划方法的评价结果明显相对偏低，不仅大型船舶待泊时间长，恶劣航行条件下的可航行时间也明显较短，这也是导致其船舶交通量较少的主要原因，相关效益也因此偏低。在虚拟AIS航标规划方法的测试结果中，航道整体有效性评价结果与优先队列回溯规划方法相比有明显提升，但是效益仍存在进一步提升空间。相比之下，在本文提出航道规划设计方法的测试结果中，不仅大型船舶待泊时间控制在1小时内，船舶交通量也达到了4.05亿吨，直接经济效益分别高于对照组40.55分和32.44分，间接经济效益分别高于对照组45.18分和34.20分，社会效益分别高于对照组40.86分和33.13分。综合上述测试结果可以得出结论，本文设计的港口航道规划方法可以有效保障航道的有效性处于较高水平。

3.结束语

在开展港口航道规划的过程中，除了最基础的航路选线外，结合具体的宽度限制以及航线水深情况作出适应性设计也是十分重要的。上述影响因素是关系到航道设计能否满足实际应用要求的关键。为了实现合理规划设计航路的目的，本文提出港口水域航道合理规划设计探究，切实提高了对航道规划的合理性，从安全和航道功能性指标两个角度，保障了航道的应用价值。借助本文的设计与研究，希望能够为实际的港口水域航道设计规划提供一定的参考价值，助力海上运输业的长远发展。