（交通运输规划与管理专业论文）航道通过能力及服务水平研究.pdf

摘要 航道中连续行驶的船舶可视为船舶交通流，论文引入交通工程学中的交通流 理论，对航道通过能力进行了深入研究，将航道通过能力细化为航道基本通过能 力、可能通过能力与设计通过能力( 即航道通过能力的理论值、实际值与设计值) ， 对三种通过能力分别给出计算模型。分析前人研究的成绩与不足，对影响航道通 过能力的因素进行探讨，并据此提出增加航道通过能力的方法与措施。 参考、借鉴道路交通工程中的服务水平，提出航道服务水平概念。对航道服 务水平进行定义，并初步确定速度、交通流密度、服务交通量和交通量负荷比等 四项度量指标。根据不同的船舶交通状况对内河水上交通进行航道服务水平划 分，为航道规划、设计、建设及水上交通管理提供理论依据和决策支持。 由京杭运河徐扬段1 9 9 0 2 0 0 4 年的交通运输统计资料，计算2 0 0 4 年该段航 道通过能力，进而对该航道不同区段的航道服务水平进行评价。评价的结果与实 际营运状况相符，根据不同的现状服务水平等级，提出相应的改进办法与建议。 关键词：航道通过能力，服务水平，船舶领域，交通流 a b s t r a c t t h ec o n t i n u ev e s s e l sv o y a g i n gi nt h ew a t e r w a yc o u l db es e e na st h ev e s s e lf l o w f h et h e s i si n t r o d u c e dt h et r a f f i cf l o wt h e o r yo ft h et r a f f i ce n g i n e e r i n g ，c l a s s i f i e dt h e w a t e r w a yc a p a c i t y a st h eb a s i cc a p a c i t y , t h ep o s s i b l e c a p a c i t ya n dt h ed e s i g n i n g c a p a c i t y ( i ti sm e a nt ot h er o u t ec a p a c i t y st h e o r e t i c a lv a l u e ，a c t u a lv a l u ea n dd e s i g n v a l u e ) a n dp r o d u c e dt h et h r e ec a l c u l a t i o nm o d e l so ft h ed i f f e r e n tc a p a c i t y b y a n a l y z i n gt h ef o r m e rr e s e a r c h e r s a c h i e v e m e n t sa n ds h o r t c o m i n g s ，d i s c u s s e dt h e f a c t o r sa f f e c t i n gt h ef a i r w a yc a p a c i t ya n dp r o p o s e dt h em e t h o d sa n dm e a s u r e st o i n c r e a s et h ew a t e r w a yc a p a c i t y l a u n c h e dt h el e v e lo fs e r v i c eo fi n l a n dw a t e r w a yc o n c e p t i o nb yr e f e r e n c i n gt h e r o a dt r a f f i ce n g i n e e r i n gl e v e lo fs e r v i c e i n i t i a l l ys e tv e l o c i t y ，d e n s i t yo ft r a f f i cf l o w , t r a f f i cv o l u m eo fs e r v i c ea n dt h er a t eo ft r a m c1 0 a da st h em e a s u r e m e n ti n d i c a t o r s a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tv e s s e lt r a f f i cc o n d i t i o ni ni n l a n dw a t e r w a yt oc a r r yo nt h e l e v e lo fs e r v i c ed i v i s i o n w h i c hc a np r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sa n dp o l i c y - m a k i n g s u p p o r t f o r f a i r w a yp l a n n i n g ，d e s i g n i n g ， c o n s t r u c t i o na n di n l a n dw a t e r w a y t r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n t c a l c u l a t e dt h ew a t e r w a yc a p a c i t yo fb e i j i n g - h a n g z h o uc a n a lx uy m a gs e c t i o n b yu s i n g19 9 0 2 0 0 4t r a n s p o r t a t i o ns t a t i s t i c a ld a t a ，a n de v a l u a t e dt h el e v e lo fs e r v i c e o fd i f f e r e n ts e g m e n t s t h er e s u l t so fa p p r a i s a la r ec o n s i s t e n tw i t ht h ea c t u a lo p e r a t i n g c o n d i t i o n s b a s e do nt h es t a t u so fl e v e lo fs e r v i c e ，w ec a np r o p o s et h ec o r r e s p o n d i n g i m p r o v e m e mm e a n sa n dt h es u g g e s t i o n s k e yw o r d s ：i n l a n dw a t e r w a yc a p a c i t y , l e v e lo fs e r v i c e ，s h i pd o m a i n ，t r a f f i cf l o w 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不 实，本人负全部责任。、 论文作者( 签名) ：蓬导2 0 0 6 年3 月冲日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 蓬守2 0 0 6 年3 月了驴e t 第一章绪论 1 1 研究意义与目的 水运交通规划的任务就是一方面整合现有的港口、航道、船舶等设施资源的 使用，发现、分析现有的问题与不足，通过各种措施，尽可能发挥现有软硬件的 效能；另一方面，通过预测未来城市及区域社会经济的增长，合理预测未来水路 运输系统的运输量，确立有效的水路发展战略，合理解决航道、港口、船舶运行 等子系统的规模、等级、实施序列等问题，为未来区域社会经济发展提供高效、 合理、优质的水路运输服务。 水运交通系统是一个复杂的系统，它涵盖航道、港口、船舶及大量复杂的硬 件、软件设施。在运输方式上，可分为内河运输和海洋运输。它的三个基本组成 是：航道网、港口及船舶运输组织运输系统。 其中，航道网是水运交通系统的基本组成部分。航道网是天然形成的，沿着 航道往往是自古以来经济发达的地区。航道网是整个水运交通运输系统的基础， 决定整个系统的发展。 航道是内河航运的基础。一条天然河流或运河，其航道通过能力的内容应包 括：该航道的等级和标准、所通航船舶的规模和尺度、全年可通航天数、通过船 舶数量、载重吨及货运量等。通过能力应是上述各因素在一定时空条件下的综合 反映。航道通过能力计算是内河航道规划中重要的基础性工作【2 j 。 内河水上运输是最古老的运输方式，具有投资省、运能大、成本低、能耗少 的优点，随着社会的进步和经济建设的发展，日益显现出它的优势。水上交通运 输飞跃地增长，使船舶交通量不断增大，船舶密度逐年增加，但是，这也给航道 带来了巨大的压力。 本文所进行的研究探讨，试图确定航道的基本通过能力、可能通过能力与设 计通过能力，并引入航道服务水平的概念，对未来航道规划提供参考，对航道交 通现状进行评价，为水上交通管理提供理论依据。 相对于铁路、公路而言，航道的潜在通过能力是比较大的。研究航道通过能 力，主要出于以下几点考虑： ( 1 ) 确定航道在通常条件卜能容纳的最大交通量，可作为铁路、公路、水 路、空运、管道等各种交通运输方式的力案比选与采用的依据；对已有的天然航 道，有时需要研究其利用率，因为它可以在进行匿土规划、综合运输网规划时， 为生产力分布、运输平衡提供依据； ( 2 ) 通过对航道通过能力和设计交通量的分析，可以正确地确定新建航道 的等级，规模，主要技术指标； ( 3 ) 通过对现有通过能力的观测、分析、评定，并与现有交通量对比，t 以确定现有航道系统或某一航段所存在的问题，针对问题提出改进的方案或措 施： ( 4 ) 根据航道某一航段通行能力的计算及通行状况分析，研究并克服已有 航道的薄弱环节，包括狭窄、急弯、滩险河段等的消除或改善，借以提高整个航 段的通过能力，以适应内河航运中船舶运输、港口扩大生产的需要； ( 5 ) 当河流中兴建水利、水电枢纽时，为了使枢纽形成后的航道通过能力 不低于工程前的航道通过能力，并满足规划发展的需要，有必要对工程前后的航 道通过能力进行研究 3 【4 】； 航道通行能力可作为航运交通管理、运营、船舶运输组织及控制方式确定或 方案的依据。 1 2 研究现状 1 2 1 已有公式 ( 1 ) 德国公式 上个世纪7 0 年代，曾有杂志介绍过在原联邦德国发表过的航道通过能力计 算公式( 亦称“西德公式”) 。8 0 年代在研究汉江航运开发建设方案时曾用以计 算行通过能力的实际工作【3 】o 该公式的形式如下： = p m n x t x a lx a 2x a s a 4 1 1 式中：航道通过能力( 1 0 4 t ) ； p 标准船队载重吨； m 单位时间内通过的船队数，m = d o v ，其中d o 为运输密度， 以每公里河段上的船队数表示，d o 与航道条件有关， 般 臻= 2 ，v 为舟特队的营运航速( k m h ) ； ，全年呵通航时间( h ) ； q 船舶密度增大使运行阻力增加而产生的折减系数，一般上游河 段取0 7 ，中下游河段取0 9 ； 吼港口工作不平衡而产生的折减系数，一般可取0 6 ； a 3 船舶变吃水而产生的折减系数，一般可取0 6 ： d 。船舶交会、避让使船舶减速而产生的影响系数，一般可取0 8 。 上述公式除在汉江使用之外，其他省区在进行长河段整治研究时也曾引用 过。在京杭运河苏南段的改扩建工程中，还在引用和改进的基础上建立了符合自 身需要的计算公式。 ( 2 ) 长江公式 在第七个五年计划期间，曾将长江航运发展中几个关键技术问题列入国家重 点科技攻关，航道通过能力计算是其中的一个子题0 1 1 【1 2 】。通过长江航务管理局 主持的攻关研究，提出了如下计算公式： = c x3 1 5 3 6 x 1 0 6 w x e e 只只丁 1 2 式中：蹄0 航道通过能力( 1 0 4 t ) ； c 一| f 行货运不平衡撒c _ 1 + 等； 标准船队载重吨； e 年通航时间系数，e = t 8 7 6 0 ，t 为年通航小时数； 只实际运行船队吨级不统一对通过能力的影响系数； 只港口、航道、运行调度产生的运输不平衡影响系数，一般可取0 6 ； 只非货运船队占用航道的影响系数，客船和其他非营运船舶较多的 河段有时可取0 5 ； r 一个标准船队安全通过控制河段的时间( h 队) 。 长江公式在一定程度上借鉴了德国公式，并根据天然河流的实际情况作了某 些改进。该公式在长江、珠江水系一一些氏河段航道建设的前期工作中先后得到过 应用。 ( 3 ) 川江航道通过能力的计算方法 川江滩多流急，弗有不少只能单线通航的控制河段，在制定“三五规划”时 就曾对其通过能力给予了很大关注。当时曾大体依据船舶运行调度的实际计算过 川i 江航道通过能力。在8 0 年代中期，为适应三峡工程论证的需要，又由重庆长 江轮船公司和氏江航道局所属单位等组成课题组重新测算川江通过能力及其扩 大的途径阿13 1 。 该项研究在查阅分析船舶运行的实际纪录，进行典型河段的实地观测，以及 对航道状况的逐段分析研究基础上，提出了“统一调度，成批发行，分段会让， 定点停候”的调度原则，并据此绘制了较详细的运行图。运行图以横坐标表示航 道里程，左端为重庆，右端为宜昌；以纵坐标表示时间，下端为o ，上端为2 4 h ， 充分反映船舶在不同时空条件下应处的位置，做到运行安全、有序和尽可能的快 捷。基于上述研究，课题组提出了川江航道通过能力的计算公式，并计算了川江 当时的通过能力以及经系统整治后可能达到的通过能力。他们推出的计算公式如 下： 4 ( 珥q 形) q = 1 3 式中：q 航道通过能力，以t 年或万t 年计； v 全年通航天数； ”不同船舶或船队的日均可发船密度，次天； 口不同船舶或船队的装载系数，可据实测定，按川江当前实况，下行 约0 9 i 0 ，上行约为0 4 0 5 ； 形不同船舶或船队的可能载货的总吨位，t ； 口因货源、港口或其他延误所形成的运输上的不均衡系数，一般在 1 2 1 4 ： f 1 、2 、3 分别代表大、中、小船队；4 代表客货船。 必须指出：由于川江航道存在某些卡口河段，每天能通过多少船舶或船队是 有限制的。每天各类船舶或船队能够通过某处的总次数，不能超过最火允许值 。，即： + 啦+ 鸭+ + h 5 n 。a x 1 4 式中：”，空船的同均发船密度。 ( 4 ) 苏南运河公式 2 0 世纪8 0 年代，江苏省交通规划设计院和交通部原水运规划设计院在苏南 运河整治工程可行性研究阶段曾结合苏南运河的具体情况，提出了以下公式，简 称苏南运河公式3 1 。 w = w 7 f l v t a l a 2 口3 d 4 1 5 吸= c w 1 6 睨= c 1 7 = 形+ 形 l 8 式中：航道单向船舶通过能力； 船队平均载重量，t ； c ，c 分别为主、次货物流向的实载率： 睨，睨分别为航道单向主、次货物流向通过能力，1 0 4 f w 航道总通过能力，1 0 4 ，； 水运密度( k m ) = 1 0 0 0 l ，l 为标准船组平均长度( 含安 全间隔) ； 矿船队平均营运航速，k m h ； f 全年航运小时，h ； 船流密度增大时，航行阻力增加引起的运量折减系数 口，到发港不均衡影响船舶运量折减系数； 口，船舶因航道水深不足减载引起的损失系数 口。船舶交会时引起的损失系数 口，非货船影响系数； 吼非标准船型影响船队总吨位系数。 ( 5 ) 王宏达公式 2 0 世纪9 0 年代，在江苏省内河航运船舶发展综合研究课题的研究过程中， 交通部原水运规划设计院提出了新的内河航道通过能力计算公式，曾以京杭运河 江苏段和江苏航道网为例试算，计算所得结果与实际调查数据较为接近 ”1 。因 该公式由王宏达同志提出，故可称作王宏达公式。公式分别计算航道控制河段正 向和反向通过量，以不同船型组成的船队完成全年各自承运运输量( 通过量) 为 基础，考虑了各型船舶配置的船队数，占用航道时间、船队营运航速的不同，船 队交会和追越时航速的折减，上、下行船舶载重量利用率的不同等对航道通过量 的影响。 航道正向通过能力估算公式 呢 = ( 跗) ( c g ) ( d 互) ( c 弘) ( b z 只) ( 吸) ( m 1 0 0 0 0 ) 1 9 = 1 式中： e 矗航道正向通过量，1 0 4 t g s t t n 航道年营运时间，h 年； c g 挣港口、航道调度不均衡，航道通过量的缩减系数； d z l 各型船舶每队或艘( 单船运作) 载重量，t 队或艘 b z h , ：善堕堂型塑：# 型坠旦盟 ( f 型船队数占航道时间) ( 观) 【( 厶+ 以) 】 b d = 起型船队完成b s ，份额需船队数b s ，d z n n ( 定型船队完成曰s 份额需船队数)( b s i d z j ) l = 1= l 6 b 口定型船队完成嬲，份额需船队数占总船队数归一比 b s , ：? 塑堕堕， ( f 型船队年承运量) b s , d z j 型船队完成b s ，份额比需要的船队数 ( b p ) 【( 厶+ 彤) k 】趔船队完成b s 份额需占用航道时间 ( 厶+ 以) 型船队每队占用航道时间，h ； 厶趔船队或艘长度，m ； ，理! 船队或艘航行中的最小间距 m ，一一型船队在l k m 河段上的密度( 艘、队k m ) = 1 0 0 0 ( l i + _ ，) ，即每1 0 0 0 m 航段排列的船队数 c z l , 正向载重量利用率； v j z 船队分别在交会和追越过程中折减后航速的平均值，即 1 平均航速= ( v j h i + v z y 3 ，k m h ； 二 眩日船队交会后的航速( k m h ) ，船队交会时，两队船舶航速 都有折减，折减后的航速分别为两船队营运航速乘以 一定比例，此比例称为交会航速折减系数，以c j h i s 表 示。设两船队营运航速分别为k 、，两船队交会时折 减后的航速分别为k 飓= k c j h j s 、 v j h 2 = k c j h j s 。交会航速折减系数c j h s 需经试 验研究确定其值，研究前建议采用0 9 ； 眩f 船队追越后的航速( k m h ) ，船队追越时，首先追越与 被追越船队的航速都发生一次折减，折减后的航速分 别为两船队营运航速乘以一定比例，此比例称为追越 航速折减系数，以c z y j s ，表示。追越船队的航速还要 发生二次折减，折减的速度等于两船队航速差的一定 比例，此比例也称为追越航速折减系数，以c z y j s 2 表 示。设两船队营运航速分别为k 、，k k ，则 馏e = c z y j s l ，而v z y , = 眩匕+ ( k v o c z y j s 2 。 追越航速折减系数c z y j s ) 、c z y j s 2 需经试验研究确定 其值，研究前建议c z y , j s i 采用0 9 ，c z y j s 2 采用0 8 航道逆向通过能力估算公式 ” = ( s h n ) ( c g n ) ( d z , ) ( c n z , ) ( b z h , ) ( v j z , ) ( m , j 0 0 0 0 ) 1 。j o l _ 1 式中：呒航道逆向通过量，t 0 4 f 年 c n l , 逆向船舶载重量利用率， 其他符号说明同前。 航道通过量 。= + 形 式中：d 航道通过总量，1 0 4 r 。 ( 6 ) 新近提出的研究成果 考虑到航道通过能力的计算方法还存在某些较为粗略之处，计算模式也不够 统一，需要进一步完善。中交水运规划设计院闵朝斌基于对船舶运行模式的系统 研究，提出了以下一整套计算方法。该研究成果于1 9 9 9 年和2 0 0 0 年以论文形式 先后在国内和国外发表，可应用于各类水域的通过能力计算，包括敞流航道、设 闸航道、天然河湖和人工运河等【3 】。 敞流航道通过能力，可按双向航道、单向航道两种船舶( 队) 运行模式分别 进行计算： 双向航道 即容许船舶( 队) 在航道中任一断面可同时进行上、下行运行作业的航道。 包括容l ：双向通航的单孔或双孔通航的桥梁。 i 理论通过能力的计算公式 c = 2 4 n 1 0 0 0 v 1 邢觋i ( m + 1 ) t 1 1 2 式巾：c 航道年双向通过能力，l ； ”航道每天工作系数，全天工作n - 1 ；半天工作no 4 0 5 ： v 船舶( 队) 上水航速( k m h ) ： 7 1 年通航日历天； s 同时处于某一航道断面的船舶( 队) 数( 艘，队) ，可按下式计算； s = b h i ( b + 1 5 a b ) ( t + r ) ，当月= f + f 时，s = b ( b + 1 5 a b ) ，s l ； 其中，b ，h 分别为航道宽度和深度( r f l ) ，b 、t 分别为船舶( 队) 宽度和吃水( m ) ，a b 、a t 分别为富裕宽度和深度； q 标准船舶( 队) 的额定载重量，t ； m 船舶( 队) 之间纵向距离系数；上水m = l ；下水m - 2 5 ，视流速 大小而定； l 船舶( 队) 长度，m 。 i i 设计通过能力的计算公式 c 。= p k ，k ，k g g k d 、1 3 式中：c ，航道、发计通过能力； p 通航期保证率( ) ，按航道等级来确定，i 、l i 级9 8 ；i i i 、i v 级9 5 9 8 ；v 级9 0 9 5 ； k 。航行船舶中货船比重，其值约为0 8 5 0 9 5 ； k ，船队平均装载系数，k s l ，它是月不均衡系数与日不均衡系 数的乘积，其中： 月不均衡系数= 最大月到船数平均月到船数； 日不均衡系数= 到船最大月中最大目到船数平均日到船数； k 。船队构成不均衡系数或称标准船队折减系数，这是由于在航道中 航行的不可能全是标准船舶( 队) 而需要进行的折减，可按f 式 计算： 世。= q 半均qk 。 1 。 b 成批下、成批上等 c = 2 4 n 1 0 0 0 k s v t q i ( m + 1 、l c 1 1 5 式中：转向系数， i ； 矿= k ，, 贝l j m = 吼；矿= 咋，m = m 下。 i i 设计通过能力的计算公式 c 。= p k ，k f k g c f k d 1 1 8 1 2 2 现有公式参数总结 ( 1 ) 船队载重吨位w 在式( 1 1 ) 、式( 1 2 ) 、式( 1 5 ) 及式( 1 1 2 ) 中均有标准船队载重吨位 1 0 或船舶甲均载重吨位，它由航道控制段的基本尺寸及相应的船型结构比例确定。 计算时必须先估计未来航道上各种船型的比例结构，再利用加权甲均法求得标准 船队载重吨位： l w = 彬i 1 1 7 j = i 式中：k 一航道上主要船型的种类数；w i 一表示第i 种船舶的载重吨位；p i 一该航道上第i 种船型的比例。 ( 2 ) p ，通航密度 与船k 和船舶间距有关，p = l o o o ( 1 + a ) l ，艘( 队) k i n ( 3 ) t ，通航时间 全年通航时间t ，主要受洪水期封航、枯水期浅滩碍航、船闸检修、航标设 置和气象等因素影响。可结合不j 等级航道的通航保证率计算。 ( 4 ) a l ，船舶航行阻力折减系数 船舶密度增大使运行阻力增加而产生的折减系数，一般上游河段取0 7 ，中 下游河段取o 9 。 船舶航行阻力受损系数，在限制性航道中，可在船舶阻力中考虑，此处不再考 虑，d 1 = 1 。 ( 5 ) a 2 ，到发港不均衡系数 到发港不均衡系数，一般可取0 6 ，对于、v 级航道可取0 6 5 。 ( 6 ) d 3 ，减载系数 船舶因吃水变化引起的减载系数，参考通航保证率，可取口3 = o 9 o 9 5 。 ( 7 ) a 4 ，速度折减系数 船舶交会、追越时引起的航速损失系数，通常可在船舶平均营运航速中考虑。 ( 8 ) f 1 ，年通航期系数 年通航期系数，为全年航行小时数t 与全年小时数之比，可参照t 考虑。 ( 9 ) f 2 ，非标准船队对通过能力的影响系数 由于船型复杂，小马力机动船数量众多，难以确定，可将此值与w 并考虑 【1 5 】，则： 喝= ( 形p ) 1 1 8 ( 1 0 ) f 3 ，港口、航道、运行调度产生的运输不平衡系数 f 3 由于时间上运输量的不均衡性影响船队非均匀通过控制段的系数，同 a 2 。 ( 11 ) f 4 ，非货船占用航道的影响系数 考虑非载重船舶通过控制段的系数，由于各航道控制段卜1 e 载重船舶通过的 比例各不相同，因此个航道段上的1 ：4 也不相同。 ( 1 2 ) t ，船队安全通过控制段时间 t = l v 1 1 9 式中：v 一船舶的平均有效航行速度； l 一船头距离，为标准船舶( 队) 的船长和安全间距之和。 工；圭( 1 + 以) 只 1 2 0 1 t 即是单位时间内通过控制段的船舶数量，交通流量 ( 1 3 ) n ，年通航天数 可参照t 考虑 ( 1 4 ) 口，水运密度 与p 含义相同。 ( 1 5 ) 函，船流密度增大时，航行阻力增加引起的运量折减系数 同d 1 。 ( 1 6 ) d 。，到发港不均衡影响船舶运量折减系数 同口2 。 ( 1 7 ) 口，船舶因航道水深不足减载引起的损失系数 同口3 。 ( 1 8 ) 口。，船舶交会时引起的损失系数 可参照d 4 。 ( 1 9 ) 口，非货船影响系数 参照f 4 。 ( 2 0 ) a 。，非标准船型影响船队总吨位系数 同f 2 。 ( 2 1 ) s h n ，航道年营运时间 同t 。 ( 2 2 ) c g h ，港口、航道调度不均衡，航道通过量的缩减系数 同a l 。 ( 2 3 ) d z i ，各型船舶每队或艘( 单船运作) 载重量 参照w 考虑。 ( 2 4 ) m ，i 型船队在l k m 河段上的密度 参照p 。 ( 2 5 ) ”，航道每天工作系数 可结合f 1 考虑。 ( 2 6 ) q ，标准船舶( 队) 的额定载重量 同w 。 ( 2 7 ) m ，船舶( 队) 之间纵向距离系数 p = 1 0 0 0 ( 1 + m ) t 式中：l 为船舶( 队) 长度 ( 2 8 ) 民，航行船舶中货船比重 同f 4 。 ( 2 9 ) k ，船队平均装载系数 1 2 1 可结合d 3 考虑。 ( 3 0 ) k 。，船舶到达不均衡系数 参照d 2 。 综上所述，各个航道通过能力计算公式中的参数有许多共同之处。如a 1 与 ，a 2 、a 2 、f 3 、c g h 与局等。所以经过归纳与适当变换，上述诸公式可总 结为如下的综合公式 c 枷彬器m ) l 冉屈 z ( 1 +：严 式中：c 航道通过能力，吨年； s 航道断面允许并列航行的船舶数； 矿船舶平均载重吨位，吨艘； f 年通航时间，小时； v 船舶营运速度，千米d 时； m 船舶间距系数； 上船舶长度，米； 屈船舶交会、追越时引起的航速损失系数； 屐船舶因吃水变化引起的减载系数； 屈船舶交通流密度增大使运行阻力增加而产生的折减系数； 屁由于港口到发、航道调度不均衡，航道通过量的缩减系数； 屈船舶平均装载系数。 1 3 问题的提出 1 3 1 航道通过能力影响因素 ( 1 ) 航道条件 航道条件包括天然航道区段的通航尺度( 深度、宽度、弯曲半径) 和人工运 河及船闸的尺度与设备；航道通航及枯、中、洪水位的水深，历期的流速；天然 航道的航标设置和过滩设备能力；航道困难地段( 如急流、浅滩、单行水道) 的 长度、数量及分布；跨河建筑物通航净空尺度( 通航净空高度、通航净空宽度) 【9 】【1 0 l 。 ( 2 ) 船型及船舶技术性能 其中包括船舶线型，船舶尺度( 长、宽、吃水) ，船舶的航速，船舶载重吨 位等。 ( 3 ) 自然因素 自然因素，是指风、雨、雾等影响船舶航行的自然气象凶素。 ( 4 ) 运行组织方式 包括所采取的交通管理方法，船舶通过困难区段的方法及驾驶人员的水平。1 1 13 2 影响因素分析 从第二节中町咀看出，船舶平均吨位w ，年通航时间t ，船舶营运速度v 等 要素与航道通过能力正相关。船舶间距与航道通过能力负相关。 对于相应的修正系数，其中船舶交会、追越h , j 引起的航速损失系数m 是考 虑到在双线或多线航道中，船舶对向行驶发生会遇或同向行驶进行追越时，为避 免船吸发生碰撞及减少船行波带来的影响，需要减速航行。 船舶因吃水变化引起的减载系数熙，是由于大吨位船舶受吃水限制，或船 舶受航道枯水期水位的影响，需要减载航行。设闸河流若满足船舶全年满载通航， 该项系数可取1 ，天然河流可结合通航保证率考虑。 本章第二节中，已有公式都将船舶密度与速度当作定值考虑，而实际航道中 船舶交通密度处于变化状态，并且密度与速度都直接影响通过能力，故某些公式 用屈对其进行修正，而这是不尽合理的。 装卸效率、港口到发及航道调度不平衡系数屈影响的是航道的现状船舶( 货 物) 通过量，而不是航道通过能力。故在通过能力计算中，该系数取为1 。 同理，船舶平均装载系数层影响的也是现状航道货物通过量，在通过能力 计算中，该系数不需考虑。 1 3 3 航道通过能力的属眭 国外学者和专家大多数认为：航道通过能力就是单位或特定时段内，能通过 航道某区段( 或某一地点) 的船舶数量或船舶载重吨的最大能力3 1 。 在我国，一般实际工作者都习惯于把航道通过能力界定为一年内某一区段的 航道能通过的最大货运量，即以万吨每年为计量( 客运量也折算成货运量) ，敞 流河段如此，设闸河段也如此。 在此，定义航道通过能力为在一定的船舶技术性能和一定的服务水平下，一 定航道区段在单位时间( 天、月、年或航期) 内可能通过的最大船舶数量或由此 折算的船吨数。 当一条航道内拥挤到几乎不可能进行船舶追越，航道中所有的船舶只能以同 一速度朝一个方向行驶，则可称该航道内的交通量达到该航道的通过能力。若一 条航道内的交通量超过通过能力，则特定的交通流就会停止。 航道通过能力含有菜一极大值的概念，它是航道自身的属性，与有无船舶到 达港l j ，船舶装载情况无关。航道通过能力不同于在某区段内已经实现的实际过 货量和过客量，它反映的是过货和过客的潜在能力，这种能力只能通过计算获得。 1 3 4 航道通过能力划分f 5 】【6 】【7 】【8 l 通过能力可分为基本通过能力、可能通过能力和设计通过能力。 基本通过能力，是指航道条件和交通状况都处于理想状态下，由技术性能相 同的一种标准船舶，以最小的船舶间距连续行驶的理想交通流，在单位时间内通 过航道断面的最大船舶数。也称理论通过能力。这种情况实际上并不存在，而是 为了简化研究所抽象出来的理想情况。 可能通过能力，是指在现实的航道条件和交通状况下，航道断面在单位时间 内的最大交通量，实际上是指航道所能承担的最大交通量。显然，一条航道内通 行船舶的尺度、性能和速度是不相同的，恶劣天气、航道的水深、地形以及船舶 会遇、船舶追越等也会对交通量造成影响。因此，可能通过能力在数值上要小于 基本通过能力。 设计通过能力，亦称使用通过能力。它是指根据航道重要程度，以及考虑为 保证各类船舶在航道内安全航行留有一定余地，用来作为航道规划和设计的标准 而要求航道承担的通过能力。设计通过能力在数值上又要小于可能通过能力。 1 4 本文主要工作 航道中连续行驶的船舶可视为船舶交通流，论文引入交通工程学中的交通流 理论，对航道通过能力进行了深入研究，将航道通过能力细化为航道基本通过能 力、可能通过能力与设计通过能力( 即航道通过能力的理论值、实际值与设计值) ， 对三种通过能力分别给出计算模型。分析前人的研究成绩与不足，对影响航道通 过能力的因素进行探讨，并据此提出增加航道通过能力的方法与措施。 参考、借鉴道路交通工程中的服务水平，提出航道服务水平概念。对航道服 务水平进行定义，并初步确定速度、交通流密度、服务交通量和交通量负荷比等 四项度量指标。根据不同的船舶交通状况对内河水上交通进行航道服务水平划 分，为航道规划、设计、建设及水上交通管理提供理论依据和决策支持。将本文 所述航道通过能力计算方法与已有方法进行比较，根据服务水平归纳总结出相互 关系，认为德国公式等方法求得的航道通过能力，相当于不同服务水平下的服务 交通量。 由京杭运河徐扬段1 9 9 0 2 0 0 4 年的交通运输统计资料，计算2 0 0 4 年该段航 道通过能力，进而埘该航道不同区段的航道服务水平进行评价。评价的结果与实 际营运状况相符，根据不同的现状服务水平等级，提出相应的改进办法与建议。 第二章航道通过能力研究 2 1 交通流基本理论 交通流是道路交通工程研究中提出的一个概念。为了从理论上研究一条道路 上连续不断地沿着这条道路朝着同一方向运动的各种交通工具的总体运动特性， 根据物理卜的流体，如连续不断地顺着一条水槽向一个方向流动的水流的相似概 念，提出了交通流的概念，如车流等。同理，在一条道路上朝一个方向行走的行 人的运动总体可称为客流或人流。交通流理论是研究交通流随时间和空间变化规 律的模型和方法体系。船舶在内河航道中运行，航道中连续行驶的船舶构成了船 舶流，可用交通流理论来进行研究【1 7 】【1 8 】【1 9 1 。 交通流理论在道路交通工程学中进行了长期的研究，取得了不少成果。借鉴 和参考道路交通流理论和各项成果，结合水上交通的具体特点，尽可能在定性研 究的同时进行定量研究，是非常重要和必要的。与此同时，部分港口水道及内河 航道交通密度越来越大、交通量迅速上升、交通拥挤程度不断提高的事实，亦从 客观需要上提供了促进研究水上交通流的动力。 21 1 交通设施种类 在交通工程中，一般可将交通设施分为两大类忙o 】 2 1 【2 2 】： ( 1 ) 非间断交通流( u n i n t e r r u p t e df l o w ) ，这类交通流设施，没有像交通信 号那样在交通流外部引起交通流量中断的圃定元素。交通流状况是交通中车辆之 间，以及车辆与道路线型、道路环境之间相互影响的结果。 ( 2 ) 间断交通流( i n t e r r u p t e df l o w ) ，这类交通流设施，有引起交通流周期 性间断的固定元素。这些元素包括交通信号、停车标志和其他类型的管制设备。 不管有多少交通量存在，这些设备都会引起交通周期性停止( 或显著减慢) 。 非间断流和间断流是描述设施类型的名词，不是描述任何给定时间的交通流 性质。因此，一条极端_ ；| 爿j 挤的航道，仍然是“非间断流设施”，是交通流内部而 非外部的干扰导致了交通流停滞。拥挤是交通流的内部问题。 这两类交通设施的分析大不相同。间断流设施的分析必须说明固定中断的影 响。例如，一座船闸，限制了上下行两个流向可利用的部分时间。通过能力不仅 受到所提供的实际空间的限制，而且受到交通流中各种流向有效运行时间的限 制。而非间断流没有固定的间断。因此，在利用航道空间方面，没有时间限制。 在公路上，通常认为信号区间超过：j 2 千米的地方就可能存在非间断流【2 0 。 航道在固定间断点( 如船闸，升船机) 之间的部分长度远大于此，是处于非间断 流的状况下运行。 2 1 2 交通流特性 任何已知交通流的运行状况都是由速度、交通量、密度这三种主要度量指标 来确定。交通流在船舶交通工程学中指船舶流，船舶交通也可以归纳成三个基本 属性2 3 i ： ( 1 ) 两重性，即驾驶人员既受到交通管理的约束，又有改变船速和船舶间 相对位置的自由。 ( 2 ) 局限性，由于受到航道条件、环境条件等的限制，因此会产生船舶间 互相干扰和航道交通阻塞等现象。 ( 3 ) 变化性，即指船舶问的时间和空间的变化属性。 从以上三个基本属性出发，可以将航道上的船舶交通流用交通流量、交通密 度、速度这三个主要的参数来确定。 2 1 3 交通流理论的基本参数 2 1 3 1 交通流量 交通流量，简称流量，一般称为交通量。它是在已知时间间隔内，通过一条 航道或航道某一断面的船舶总数。可分为年交通量，日交通量，小时交通量或不 足一小时的时段交通量。交通量的大小直接反映该航道或水域的船舶交通繁忙程 度。 对船舶交通进行观测调查，可以获得交通量的数据。由于交通量是随时问变 化的，所以一般采用日平均交通量、月平均交通量或年平均交通量来表示。 平均交通量可以写成： 百2 吉善q 2 _ 1 式中：q 平均交通量； q 单位时间间隔内的交通量； 1 9 n 时间间隔数量。 由于航道中行驶的船舶大小差别甚远，交通量的单位只用单位时间内通过的 船舶数目来表示而不考虑通过船舶尺度与吨位，就不能确切地反映一个水域或航 道内船舶交通的规模和该水域或航道的重要程度。不考虑船舶的大小差别，无论 大船或小船都当作1 艘船来考虑，也不能确切地反映出航道内船舶交通的拥挤程 度和危险程度。因此，采用了“换算交通量”的概念【2 3 】。 首先，选择在该水域不间大小的通航船舶中占最大比例的船舶尺度作为标准 船，并假设该船的换算系数为1 ，其他吨位的船舶以此为基础采用不同的换算系 数进行换算。换算系数大都以船长或船舶总吨位为基础。换算系数是采用定量和 定性考虑相结合的方式确定的。因此，换算的结果不是“等于”，而只是“相当 于”。日本海上交通工程学者通常采用的船舶换算系数见表3 1 。我国在采用“安 全指数法”评估海上交通安全时提出的系数见表3 2 【1 6 】【2 4 。 通常是将某时间间隔内通航船舶的总吨数除以通航船舶总艘数，来决定哪种 大小的船舶作为标准船。对于规划设计中的航道，可将规划船型作为标准船。 标准船的尺度不是一成不变的，譬如：以前日本采用全长3 5 m 、2 2 0 总吨的 船舶为标准船，随着船舶的大型化，现在采用全长7 0 m 、1 0 0 0 总吨的船舶为标准 船。这样，1 0 0 5 0 0 总吨的船舶，它的换算系数约为1 2 ，3 0 0 0 2 0 0 0 0 总吨 的船舶约为2 。 停泊中的船舶、航行中的船舶，它们所“占有”的水域面积与r 成比例， 对于进入运河闸室的船舶也是这样考虑的，所以又引入“上2 换算系数”的概念。 表2 1 是日本海上交通二 程学者通常采用的三换算系数和r 换算系数近似值。 表2 2 【1 6 1 是中国在采用“安全指数法”评估海上交通安全时提出的船舶换算系数。 从表2 3 1 6 1 中可以看出，尽管浦贺海峡的交通量不及各赞濑户东部航路和明 石海峡的交通量大，但由于通航船舶的尺度较大，所以浦贺海峡的三换算交通量 和r 换算交通量都居于首位。 交通量进行换算后，便于同一水域不同时期的船舶交通状况纵向比较或同一 时间不同水域、航道之间进行船舶交通状况横向比较。并且，将换算交通量与航 道通过能力比较，可以更精确地衡量航道服务水平。 表21 b 本的l 换算系数和r 换算系数( 以l = 7 0 m 、1 0 0 0 总吨船舶作为标准) 总吨位( t )小丁2 02 0 1 0 01 0 0 5 0 05 0 0 3 0 0 03 0 0 0 - - 2 万2 万l o 万 人于1 0 万 垂线问民( m )1 4 以下 1 4 2 6 2 5 5 】5 1 9 59 5 l7 81 7 8 2 9 62 9 6 以上 上换算系数1 61 41 21246 r 换算系数 l 3 61 1 61 414 1 63 6 表22 中国的船舶换算系数 船舶总 1 0 01 0 0 5 0 0 3 0 0 0 6 0 0 0 1 万 1 5 2 万3 万4 万6 万 吨位 以下5 0 0 3 0 0 0 6 0 0 01 万1 5 万 i 3 万4 万6 万以上 ( t ) 2 万 船长3 03 0 5 0 9 0 1 1 5 1 3 5 1 5 5 1 7 0 1 9 5 2 1 5 2 4 6 ( 1 1 1 ) 以下5 0 9 01 1 51 3 5 1 5 5 1 7 01 9 52 1 52 4 6 以上 换算 系数 0 2 50 5l1 1 814 11 722 2 52 534 表2 34 个海峡通航路线中的交通量、船速( 3 个日本海峡的调查时间是1 9 8 0 年 多佛尔海峡的调查时间是1 9 7 2 年) 水域名称浦贺海峡明石海峡备赞濑户东部多佛尔海峡 日平均交通量( 艘天) 4 2 3 4 7 4 5 5 71 7 4 三换算交通量 4 8 44 1 14 3 33 2 0 r 换算交通量 7 8 15 3 45 1 75 8 6 船速( k n ) 1 2 o 2 11 0 2 2 91 1 8 2 3 1 3 8 4 6 2 1 3 2 速度 是用船舶在单位时问内通过的距离表示，通常