通過(guò)三峽升船機(jī)的船舶排水量校驗(yàn)技術(shù)

鄒 靜，楊 利，南 航

(長(zhǎng)江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

三峽升船機(jī)目前已進(jìn)入試通航階段。三峽升船機(jī)的投入使用，將提高三峽樞紐通過(guò)能力，在一定程度上緩解三峽樞紐通航的緊張局面，并通過(guò)和葛洲壩樞紐聯(lián)合運(yùn)行，發(fā)揮升船機(jī)快速通道功能，最大化發(fā)揮梯級(jí)樞紐的整體通過(guò)能力。

由于受到三峽升船機(jī)船廂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制以及防止進(jìn)出升船機(jī)船舶因總排水量過(guò)大而發(fā)生觸底，為保障通航安全，通過(guò)升船機(jī)的船舶總排水量不能超過(guò)3 000 t。在三峽升船機(jī)的調(diào)度具體工作中，必須對(duì)船舶總排水量進(jìn)行判定或校核，而當(dāng)前并沒(méi)有科學(xué)準(zhǔn)確的方法可供參考。因此，必須盡快提出科學(xué)準(zhǔn)確、方便易行的判定或校核船舶總排水量的方法，以確保升船機(jī)通航安全，維護(hù)升船機(jī)調(diào)度的公正性。

1 不同類型船舶三維尺度與排水量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

為了掌握在總排水量不超過(guò)3 000 t的要求下，通過(guò)三峽升船機(jī)不同類型的船舶對(duì)應(yīng)的吃水及排水量的具體情況，搜集近3年實(shí)際過(guò)壩的4類船舶(客船、商品汽車運(yùn)輸船、集裝箱船、普通貨船)的吃水和排水量數(shù)據(jù)，結(jié)合過(guò)壩船舶申報(bào)信息中船舶的長(zhǎng)、寬、吃水等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以確定適宜通過(guò)三峽升船機(jī)的不同類型船舶在不同的長(zhǎng)、寬、吃水區(qū)間內(nèi)所對(duì)應(yīng)的排水量，分析結(jié)果見(jiàn)表1[1]。

表1 排水量≤3 000 t時(shí)不同類型船舶排水量數(shù)據(jù)

注：排水量數(shù)據(jù)取同型或尺度區(qū)間內(nèi)船舶總排水量最大值。

2 基于船舶三維尺度的排水量計(jì)算公式

從三峽升船機(jī)的運(yùn)行安全以及維護(hù)三峽升船機(jī)的調(diào)度公正考慮，必須采用一種科學(xué)、合理的測(cè)算方法來(lái)判定過(guò)壩船舶能否符合通過(guò)三峽升船機(jī)的技術(shù)要求。

本文針對(duì)通過(guò)三峽河段的過(guò)閘船舶，重點(diǎn)研究基于船舶三維尺度計(jì)算船舶總排水量的方法。

2.1 方形系數(shù)的分布統(tǒng)計(jì)

以2015年過(guò)閘的船舶數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)樣本，篩選出總長(zhǎng)L≤110 m、總寬B≤17.2 m的干散貨船、集裝箱船、客船、商品汽車運(yùn)輸船共1 997艘。在分別計(jì)算這4類船舶的方形系數(shù)CB后，得出CB的最小值、最大值和平均值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及散點(diǎn)分布，見(jiàn)表2及圖1。

表2 過(guò)壩船舶的方形系數(shù)

圖1 4類船舶的方形系數(shù)與排水量對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2 通過(guò)三峽升船機(jī)的船舶排水量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式

由前文各船型CB的分布可看出，根據(jù)船舶型線的特點(diǎn)，同一船舶的CB隨吃水增大而增大。為保證升船機(jī)的運(yùn)行安全，采用船舶滿載吃水時(shí)的方形系數(shù)計(jì)算通過(guò)三峽升船機(jī)的船舶排水量，可保證計(jì)算值不大于實(shí)際排水量，計(jì)算公式為[2]：

Δ=CBfLBd

(1)

式中：Δ為船舶排水量；d為船舶吃水；CBf為滿載吃水的方形系數(shù)，其值為Δf(LBdf)，其中Δf為滿載排水量，df為滿載吃水。計(jì)算方形系數(shù)時(shí)采用統(tǒng)一的船長(zhǎng)L和船寬B，則經(jīng)驗(yàn)公式為：

Δ=Δfddf

(2)

2.3 經(jīng)驗(yàn)公式的優(yōu)化

為了更準(zhǔn)確地估算通過(guò)三峽升船機(jī)船舶的排水量，需要對(duì)船舶總排水量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。引入?yún)?shù)空載吃水dl和空載排水量Δl，將船舶總排水量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式修改為：

Δ=Δl+(Δf-Δl)(d-dl)(df-dl)

(3)

式中：d為當(dāng)前船舶實(shí)際平均吃水，計(jì)劃編制員在使用該公式時(shí)，d取船舶申報(bào)吃水；df為船舶滿載吃水；Δf為船舶滿載排水量。

2.4 優(yōu)化后的經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證

為了評(píng)估兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算精度，采用船舶靜水力曲線計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證。以2015年實(shí)際過(guò)壩船舶為試驗(yàn)船舶(2015年實(shí)際過(guò)壩船舶中符合三峽升船機(jī)集泊尺度的船舶有893艘，其中干散貨船442艘、集裝箱船292艘、客船121艘、商品汽車運(yùn)輸船38艘)，搜集試驗(yàn)船舶的申報(bào)數(shù)據(jù)以及當(dāng)前航次的船舶總排水量數(shù)據(jù)，將經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與靜水力曲線計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，再計(jì)算誤差，分析結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3的結(jié)果來(lái)看，式(3)較式(2)的計(jì)算精度有了很大提高。因此，式(3)可作為三峽河段過(guò)壩船舶總排水量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)判定過(guò)壩船舶的總排水量是否滿足不大于3 000 t的通過(guò)要求。

表3 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與靜水力計(jì)算結(jié)果的誤差

3 通過(guò)三峽升船機(jī)船舶排水量的校驗(yàn)技術(shù)

經(jīng)過(guò)前文分析，式(2)、(3)是可行的，這為通過(guò)三峽升船機(jī)的船舶總排水量校驗(yàn)技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。但在實(shí)際工作中，作為航運(yùn)調(diào)度部門(mén)，承擔(dān)著安全源頭控制責(zé)任，在判定船舶總排水量時(shí)要確保三峽升船機(jī)的運(yùn)行安全，因此，在計(jì)算船舶總排水量時(shí)采用精度較高的式(3)較為適宜。

從船舶總排水量校驗(yàn)技術(shù)的角度來(lái)說(shuō)，應(yīng)分為兩個(gè)階段進(jìn)行校驗(yàn)，第一階段采用現(xiàn)行的校驗(yàn)方法，第二階段采用理論公式進(jìn)行校驗(yàn)，只有兩個(gè)階段的船舶排水量校驗(yàn)結(jié)果都小于3 000 t時(shí)，則可判斷某艘船舶的總排水量滿足三峽升船機(jī)的技術(shù)要求。

3.1 現(xiàn)行的校驗(yàn)方法

現(xiàn)行的校驗(yàn)方法是按照升船機(jī)的集泊尺度對(duì)過(guò)壩申報(bào)船舶的總長(zhǎng)和總寬以及吃水進(jìn)行初步篩選，對(duì)于符合升船機(jī)集泊尺度的過(guò)壩申報(bào)船舶進(jìn)行總排水量的校驗(yàn)。

現(xiàn)行的船舶總排水量Δ的校驗(yàn)公式是利用三峽航運(yùn)調(diào)度系統(tǒng)中過(guò)壩船舶申報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行船舶總排水量的初步校驗(yàn)，公式為[3]：

Δ=Δl+m+C

(4)

式中：Δl為空載排水量；m為實(shí)際載貨量；C為船舶常數(shù)，取值受船型和尺度的影響，為從源頭上保障三峽升船機(jī)的運(yùn)行安全，在廣泛征求意見(jiàn)后，船舶常數(shù)的取值上采取“從大從嚴(yán)”的原則，按照船舶滿載排水量的5%取值。

通過(guò)上述校驗(yàn)公式計(jì)算可判斷符合三峽升船機(jī)集泊尺度的過(guò)壩申報(bào)船舶的總排水量是否超過(guò)3 000 t，對(duì)總排水量未超過(guò)3 000 t且符合三峽升船機(jī)集泊尺度的過(guò)壩申報(bào)船舶，許可其通過(guò)三峽升船機(jī)。

3.2 通過(guò)三峽升船機(jī)船舶總排水量的校驗(yàn)方法

由于現(xiàn)行的校驗(yàn)方法只適用于估算過(guò)壩申報(bào)船舶的總排水量，精確度不高，對(duì)于船舶總排水量在3 000 t臨界點(diǎn)附近的申報(bào)船舶，難以準(zhǔn)確判斷其排水量是否符合要求。

據(jù)前文分析，式(3)作為計(jì)算通過(guò)三峽升船機(jī)船舶總排水量的經(jīng)驗(yàn)公式較為合理。結(jié)合現(xiàn)行的校驗(yàn)方法，對(duì)于同一艘船舶，將式(4)與式(3)、船舶總排水量曲線進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖2。其中，式(4)是連接原點(diǎn)和滿載狀態(tài)點(diǎn)的一條直線，表示為控制線1；式(3)是連接空載狀態(tài)點(diǎn)和滿載狀態(tài)點(diǎn)的一條直線，表示為控制線2。

圖2 計(jì)算船舶總排水量對(duì)比

根據(jù)圖2和相關(guān)分析，提出計(jì)算過(guò)三峽升船機(jī)船舶總排水量的校驗(yàn)方法：在船舶總長(zhǎng)、總寬、吃水滿足三峽升船機(jī)限制要求(總長(zhǎng)L≤110 m、總寬B≤17.2 m、吃水d≤2.7 m)的情況下，可按如下步驟進(jìn)行判斷：

1)當(dāng)滿載排水量Δf< 3 000 t、當(dāng)前實(shí)際吃水d≤滿載吃水df時(shí)，可直接判定該船舶總排水量符合升船機(jī)要求。

2)當(dāng)Δf≥3 000 t、d

3)若當(dāng)前船舶總排水量Δ≤3 000 t，則初步校驗(yàn)該艘船舶總排水量符合要求，進(jìn)行二次校驗(yàn)；否則直接判定該船舶總排水量不滿足要求。

4)對(duì)于初步校驗(yàn)通過(guò)的船舶，還必須進(jìn)行二次校驗(yàn)，二次校驗(yàn)利用式(3)重新計(jì)算。

5)若二次校驗(yàn)的總排水量Δ仍然不大于3 000 t，則可判定該船舶總排水量符合升船機(jī)要求。

6)若過(guò)壩船舶不認(rèn)可判定結(jié)果時(shí)，則由船方提供船舶靜水力曲線表數(shù)據(jù)，再次進(jìn)行計(jì)算判斷。

上述校驗(yàn)方法的原則是：初步校驗(yàn)和二次校驗(yàn)結(jié)果必須都在3 000 t以內(nèi)，才能判定船舶總排水量是符合升船機(jī)通過(guò)要求的；任何一次校驗(yàn)結(jié)果不在3 000 t以內(nèi)，都直接判定船舶總排水量不符合升船機(jī)通過(guò)要求。上述船舶總排水量的校驗(yàn)方法是由簡(jiǎn)到繁，初步校驗(yàn)只需要空載吃水dl和載貨量m兩個(gè)數(shù)據(jù)，二次校驗(yàn)需要再增加空載排水量Δl和滿載吃水df等數(shù)據(jù)，其計(jì)算精度也隨之提高。

4 結(jié)語(yǔ)

1)本文利用船舶方形系數(shù)、滿載吃水等參數(shù)，總結(jié)出了快速計(jì)算通過(guò)三峽升船機(jī)船舶的排水量經(jīng)驗(yàn)公式，并對(duì)公式進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，使其精度滿足要求，計(jì)算誤差在150 t以內(nèi)。

2)利用經(jīng)驗(yàn)公式總結(jié)出通過(guò)三峽升船機(jī)船舶排水量初次校驗(yàn)和二次校驗(yàn)的方法，該校驗(yàn)方法快速、準(zhǔn)確。