大型水利樞紐航運(yùn)通過能力適應(yīng)性分析

朱勤 張志堅(jiān)

摘要：為了研究大型水利樞紐通航建筑物建設(shè)規(guī)模，合理擬定建筑物尺寸，建立了通過能力適應(yīng)性分析理論，研究了水利樞紐航運(yùn)通過能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)及分析方法，提出了通過能力適應(yīng)性劃分的建議值，評(píng)價(jià)典型大型水利樞紐通航建筑物服務(wù)水平和通過能力適應(yīng)性。以三峽水運(yùn)新通道為例，研究了運(yùn)輸能力利用率指標(biāo)，各方案通過能力適應(yīng)性分別為38%～100%，推薦方案280 m×40 m;研究了閘室利用率指標(biāo)，基于TOPSI分析法計(jì)算得出280 m×34 m，280 m×40 m方案適應(yīng)性較好;研究了船舶待閘時(shí)間指標(biāo)，有效閘寬40 m船閘方案的船舶待閘時(shí)間相對(duì)較短。綜合分析，推薦280 m×40 m方案，可在未來一段時(shí)間滿足運(yùn)能供給與需求總量適應(yīng)性以及運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量的供需適應(yīng)性要求。研究成果可為樞紐通航建筑物規(guī)模確定提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞： 航運(yùn)通過能力; 大型水利樞紐; 評(píng)價(jià)指標(biāo); 適應(yīng)性分析; 三峽水運(yùn)新通道

中圖法分類號(hào)：U641 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.013

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）02 - 0074 - 05

0 引 言

開展通航建筑物設(shè)計(jì)工作前，必須確定通航建筑物規(guī)模這一重要指標(biāo)?？茖W(xué)制定通航建筑物規(guī)模，將直接關(guān)系到工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)合理性和航運(yùn)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。在通航建筑物規(guī)模研究中，不僅要遵循國(guó)家及地方各級(jí)主管部門制定的河流和區(qū)域的規(guī)劃，也要遵守根據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展需要編制的內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)、船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范等綱領(lǐng)性文件。主要影響因素包括設(shè)計(jì)水平年及其過壩運(yùn)量需求、運(yùn)輸船型與船隊(duì)發(fā)展趨勢(shì)以及通航建筑物有效尺寸和線數(shù)方案等。本文以三峽水利樞紐航運(yùn)擴(kuò)能項(xiàng)目三峽水運(yùn)新通道為對(duì)象，開展大型水利樞紐航運(yùn)通過能力適應(yīng)性研究，提出船閘通過能力適應(yīng)性分析評(píng)價(jià)指標(biāo)、計(jì)算方法與建議值，在過閘運(yùn)量預(yù)測(cè)與不同船閘設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)船閘通過能力適應(yīng)性，合理確定新建船閘規(guī)模。

本文研究船閘通過能力適應(yīng)性分析的評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算方法，提出通過能力適應(yīng)性劃分的建議值，綜合分析三峽水運(yùn)新通道預(yù)測(cè)運(yùn)量及船閘通過能力，評(píng)價(jià)船閘通過能力適應(yīng)性。

1 通過能力適應(yīng)性概念與研究方法

水路基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模大、建設(shè)周期長(zhǎng)，并且配套性強(qiáng)，需在時(shí)間上居先于其他直接生產(chǎn)性投資。因此，這類基礎(chǔ)設(shè)施的通過能力供給與運(yùn)量需求互依互存、相互制約、協(xié)調(diào)發(fā)展。通過能力既能抑制運(yùn)量需求，也能刺激運(yùn)量需求，運(yùn)量需求疲軟會(huì)抑制能力供給，活躍會(huì)刺激能力供給，這種供求雙向互動(dòng)關(guān)系稱之為通過能力的適應(yīng)性。從基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的特點(diǎn)看，水路、公路、鐵路項(xiàng)目的供需適應(yīng)雙方都在彼此相互作用的運(yùn)動(dòng)中不斷磨合，形成良性、和諧的共生狀態(tài)，通過能力的適應(yīng)性是動(dòng)態(tài)的、可持續(xù)的。但是，水利樞紐作為具有通航功能的水運(yùn)設(shè)施之一，項(xiàng)目選址條件更為苛刻，對(duì)運(yùn)輸能力供給應(yīng)預(yù)留一定的發(fā)展空間。

國(guó)內(nèi)學(xué)者已在通過能力研究方面開展了大量工作，提出通過能力分析計(jì)算原理[1]，對(duì)影響船閘通過能力的諸多因素進(jìn)行了研究[2-3]，而適應(yīng)性理論一般多用于公路和鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)[4-6]，水運(yùn)系統(tǒng)的適應(yīng)性研究較少。本文結(jié)合通航建筑物適應(yīng)性特點(diǎn)，按照代表性、可量化的原則選取了樞紐通過能力與需求總量適應(yīng)性分析量化指標(biāo)、運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量供需適應(yīng)性分析量化指標(biāo)，運(yùn)用隸屬函數(shù)、TOPSIS法等方法對(duì)大型水利樞紐航運(yùn)通過能力適應(yīng)性進(jìn)行了分析研究。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

2.1 評(píng)價(jià)要素

基于樞紐通過能力供給與運(yùn)輸需求之間的相互制約和激勵(lì)彼此適應(yīng)的內(nèi)涵和特點(diǎn)，確定以下供需適應(yīng)性的分析要素。

（1） 樞紐運(yùn)能與需求總量適應(yīng)性分析。樞紐通過能力與需求總量之間的適應(yīng)性是指運(yùn)輸能力供給與運(yùn)輸需求在總數(shù)量上的匹配程度。這種總量的適應(yīng)性從宏觀層面上直觀反映了樞紐通過能力的適應(yīng)性狀態(tài)，也是供需適應(yīng)性的基本體現(xiàn)要素。從促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度出發(fā)，樞紐航運(yùn)通過能力規(guī)模要盡量滿足運(yùn)輸需求的數(shù)量要求。否則，運(yùn)輸需求受到過分抑制，將導(dǎo)致運(yùn)輸需求在各運(yùn)輸方式之間的不合理配置，造成社會(huì)資源的總體浪費(fèi)，致使經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展受限。

（2） 運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量適應(yīng)性分析。對(duì)于水利樞紐而言，運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量指的是船舶通過樞紐通航建筑物系統(tǒng)時(shí)獲得的服務(wù)品質(zhì)，即運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性、時(shí)間性、便捷性、安全性等方面的實(shí)際優(yōu)劣程度。樞紐航運(yùn)供給與需求均包含運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量的要求，而隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量的供給與實(shí)際要求之間必然會(huì)存在不匹配的情況，這種差異在很大程度上反映或說明了運(yùn)能供需適應(yīng)性狀況。因此，從運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量的角度進(jìn)行適應(yīng)性分析是必要的。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.2.1 樞紐通過能力與需求總量適應(yīng)性分析量化指標(biāo)

從運(yùn)輸能力供給與運(yùn)輸需求總量的匹配程度出發(fā)，運(yùn)輸能力利用率和閘室有效利用率這兩項(xiàng)指標(biāo)可充分反映供需總量適應(yīng)本質(zhì)特性，且易于獲取、易于量化。

（1） 運(yùn)輸能力利用率。運(yùn)輸能力利用率是指運(yùn)輸需求量占樞紐通過能力的比率。該項(xiàng)指標(biāo)通過運(yùn)輸需求與通過能力間的相對(duì)偏差來度量運(yùn)能供給與需求總量的適應(yīng)性。運(yùn)輸能力利用率高指運(yùn)輸能力在當(dāng)前運(yùn)輸需求狀態(tài)下得到了充足發(fā)揮，樞紐運(yùn)輸負(fù)荷較大，無能力虛糜現(xiàn)象;反之則說明路網(wǎng)運(yùn)輸能力未得到充分有效利用，存在運(yùn)輸資源閑置狀況，造成運(yùn)輸資源浪費(fèi)。運(yùn)輸能力利用率計(jì)算如下：

（2） 閘室有效利用率。閘室利用率作為船閘運(yùn)行中利用程度的參數(shù)，涉及過閘船舶尺度、閘室規(guī)模和船舶標(biāo)準(zhǔn)化程度，也與船舶到達(dá)的統(tǒng)計(jì)分布及船閘的繁忙程度等有關(guān)，反映了航道（段）上的船舶組成結(jié)構(gòu)及船閘運(yùn)行、調(diào)度和管理的適應(yīng)性。閘室有效利用率計(jì)算公式如下：

2.2.2 運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量供需適應(yīng)性分析量化指標(biāo)

鑒于目前長(zhǎng)江干流的通航建筑物均為免費(fèi)使用，從工程運(yùn)行實(shí)際情況看，可通過船舶待閘時(shí)間來衡量貨運(yùn)能力在供需服務(wù)質(zhì)量上的適應(yīng)性。船舶待閘時(shí)間長(zhǎng)，勢(shì)必會(huì)延長(zhǎng)運(yùn)輸周期，不僅直接給運(yùn)輸需求主體帶來相對(duì)較多的運(yùn)輸費(fèi)用，還會(huì)帶來較大的間接成本，造成運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量差，時(shí)效性和經(jīng)濟(jì)性不佳。反之，船舶待閘時(shí)間越短，則運(yùn)輸需求主體需要支付的運(yùn)輸成本越少、經(jīng)濟(jì)性越好，運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量越高。然而，待閘時(shí)間過短，也會(huì)影響樞紐通航建筑物的調(diào)度運(yùn)用，造成資源浪費(fèi)。

3 應(yīng)用實(shí)例

本文以三峽水運(yùn)新通道工程為實(shí)例，開展相關(guān)分析與模擬計(jì)算。

（1） 船閘尺度方案。三峽水利樞紐已建五級(jí)船閘，設(shè)計(jì)通過能力5 000萬t，因運(yùn)輸需求增長(zhǎng)擬再新建船閘。結(jié)合既有船閘實(shí)際運(yùn)行情況、通航船舶現(xiàn)狀與規(guī)劃等，船閘尺寸方案初擬為：寬度方案34 m和40 m兩類;長(zhǎng)度方案280，320，360 m和400 m四種，由此初擬船閘平面尺度8個(gè)，見表1。

（2） 運(yùn)輸需求預(yù)測(cè)。運(yùn)量預(yù)測(cè)成果采用“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目重大水利樞紐增建和改建通航建筑物關(guān)鍵技術(shù)及示范課題研究結(jié)論，預(yù)測(cè)2030年以及2050年三峽水利樞紐過閘貨運(yùn)量預(yù)測(cè)結(jié)果分別為19 219萬t和27 255萬t。

（3） 設(shè)計(jì)代表船型。考慮三峽水運(yùn)新通道建設(shè)時(shí)機(jī)、中游航道條件改善情況、新船閘尺度（寬度）對(duì)過閘船型的影響、新船閘與既有船閘協(xié)調(diào)運(yùn)行以及江海直達(dá)運(yùn)輸過壩等，擬定4組船舶組合，在研究中推薦船型構(gòu)成方案為：3 500～6 500噸級(jí)，船寬16.3 m的船型約占17%;5 500～7 500噸級(jí)，船寬16.3 m的船型約占42%;7 500～9 000噸級(jí)，船寬19.2 m約占20%;其余船型約占21%。

3.1 既有船閘適應(yīng)性分析

3.1.1 運(yùn)輸能力利用率

借鑒國(guó)內(nèi)外公路服務(wù)水平分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，以運(yùn)輸能力利用率K作為判斷能力適應(yīng)性的標(biāo)準(zhǔn)：K<65%為空閑; 65%≤K≤80%為適應(yīng); K>80%為緊張。

按既有船閘設(shè)計(jì)能力5000萬t分析，自2003年建成以來通過能力分為3個(gè)階段：① 2003～2006年交通流量負(fù)荷比小于60%，船閘通過能力處于空閑狀態(tài);② 2006～2009年交通流量負(fù)荷比為60%～80%，船閘通過能力處于適應(yīng)狀態(tài);③ 2010年以后，交通流量負(fù)荷比大于80%，船閘通過能力處于緊張狀態(tài)。這種階段的劃分情況與實(shí)際情況基本符合。既有船閘能力利用率如圖1所示。

3.1.2 閘室利用率

從國(guó)內(nèi)船閘運(yùn)行情況看，船閘閘室平均利用率多在70%～85%之間，一般大型且特別繁忙的船閘利用率處于這一區(qū)間的上限。按既有船閘運(yùn)輸量、船舶運(yùn)輸調(diào)度等分析，其實(shí)際閘室利用率為70%～77%，如圖2所示。

3.1.3 船舶待閘時(shí)間

結(jié)合已有研究成果，船舶理想的待閘時(shí)間大約為10 h。既有船閘自運(yùn)行以來的船舶待閘時(shí)間統(tǒng)計(jì)情況見圖3。自2008年以來，船舶待閘時(shí)間猛增，由17 h增至2018年的151 h，船舶待閘時(shí)間逐步增長(zhǎng)，船舶服務(wù)水平下降，運(yùn)輸成本增加，對(duì)船舶運(yùn)輸造成極為不利的影響。

3.2 新建船閘適應(yīng)性分析

為適應(yīng)航運(yùn)需求，從前述的船閘閘室利用率和船舶待閘時(shí)間看，既有船閘通過能力已開始滯后于過閘運(yùn)輸?shù)男枨?。為了滿足未來的年單向通過能力8 650萬t，通過分析新建不同尺寸船閘方案的運(yùn)輸能力利用率、閘室利用率和船舶待閘時(shí)間，選擇最優(yōu)的閘室尺寸方案。

3.2.1 運(yùn)輸能力利用率

結(jié)合2020～2050年各年度過閘運(yùn)量預(yù)測(cè)值和不同船閘尺寸下運(yùn)輸能力等，計(jì)算運(yùn)輸能力利用率成果見圖4。

進(jìn)一步引入模糊數(shù)學(xué)有關(guān)隸屬函數(shù)（式（3））的相關(guān)概念，計(jì)算長(zhǎng)系列運(yùn)行適應(yīng)性指標(biāo)（式（4），表2）表明，無論是2020～2050年系列，還是2030～2050年系列，其運(yùn)行適應(yīng)性指標(biāo)均以船閘280 m × 40 m方案適應(yīng)性最好。

式中：x為運(yùn)輸能力利用率;a取值為0.6;b取值為0.8。

長(zhǎng)系列運(yùn)行適應(yīng)性指標(biāo)=[滿足適應(yīng)性的年數(shù)運(yùn)行年數(shù)×100%]

3.2.2 閘室利用率

采用仿真模型分析，依次以2030，2040，2050年的運(yùn)量預(yù)測(cè)成果為基礎(chǔ)，計(jì)算不同尺寸船閘方案的閘室利用率（表3）。然后引入 “逼近于理想值的排序方法” （TOPSIS），分析閘室利用率的適應(yīng)性，即確定各項(xiàng)指標(biāo)的正理想值的歐氏距離（D+）和負(fù)理想值的歐氏距離（D-）（正理想解是一設(shè)想的最好值（方案） ，負(fù)理想解是另一設(shè)想的最壞值（方案）），然后求出各個(gè)方案正理想值、負(fù)理想值之間的加權(quán)歐氏距離，以得到各方案與最優(yōu)方案的接近程度（相對(duì)貼近度C），通過對(duì)其排序（表3）評(píng)價(jià)方案優(yōu)劣。分析中最好的正理想值、最壞的負(fù)理想值是通過參考既有船閘運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)而得到的、結(jié)合既有船閘運(yùn)行服務(wù)經(jīng)驗(yàn)和未來船舶發(fā)展規(guī)劃，并以閘室平均利用率75%作為判別條件[7]。由于運(yùn)量預(yù)測(cè)成果具有一定不確定性，而三峽水運(yùn)新通道建設(shè)周期長(zhǎng)，投資大，因此在確定規(guī)模時(shí)應(yīng)有一定的前瞻性，研究中一般以通過能力的80%作為邊界條件，綜合考慮本文最好的正理想值、最壞的負(fù)理想值分別為60%和47%。

正理想值的歐氏距離[D+]、負(fù)理想值的歐氏距離D-的計(jì)算公式分別見公式（5）和公式（6）：

從表3中的相對(duì)貼近度排序分析可知，有效長(zhǎng)度280 m的船閘方案的閘室利用率貼進(jìn)度高，適應(yīng)性較好。

3.2.3 船舶待閘時(shí)間

借助仿真模型，統(tǒng)計(jì)未來長(zhǎng)系列中2030，2040，2050年不同閘室尺寸方案的船舶待閘時(shí)間（表4），以理想船舶待閘時(shí)間小于10 h衡量[8-9]，有效閘寬40 m船閘方案的船舶待閘時(shí)間相對(duì)較短，適應(yīng)性較好。

3.3 結(jié)果分析

綜合運(yùn)能供給與需求總量適應(yīng)性分析量化指標(biāo)（運(yùn)輸能力利用率、閘室利用率）和運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量的供需適應(yīng)性分析量化指標(biāo)（船舶待閘時(shí)間），分析結(jié)果如下：

（1） 從運(yùn)輸能力利用率分析成果來看，不同船閘尺度的通過能力適應(yīng)性為38%～100%，綜合分析，方案280 m×40 m適應(yīng)性最好。

（2） 從閘室利用率來看，采用TOPSIS法分析，依照相對(duì)貼近度的大小對(duì)目標(biāo)進(jìn)行排序，有效長(zhǎng)度280 m船閘方案閘室利用率貼進(jìn)度高，適應(yīng)性較好。

（3） 從船舶待閘時(shí)間來看，有效寬度40 m船閘方案船舶待閘時(shí)間較短，適應(yīng)性較好。

綜上所述， 280 m×40 m船閘方案的適應(yīng)性最佳，可在未來一段時(shí)間內(nèi)滿足運(yùn)能供給與需求總量適應(yīng)性以及運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量的供需適應(yīng)性要求。

4 結(jié) 語

本文建立了船閘通過能力適應(yīng)性分析理論，研究評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算方法，提出了通過能力適應(yīng)性劃分的建議值。結(jié)合三峽水運(yùn)新通道預(yù)測(cè)運(yùn)量及船閘通過能力研究成果，從運(yùn)能供給與需求總量適應(yīng)性、運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量的供需適應(yīng)性等方面來研究樞紐通過能力的適應(yīng)性。分析了樞紐通過能力適應(yīng)性的概念、特點(diǎn)以及適應(yīng)性指標(biāo)的選取以及評(píng)價(jià)方法，初步分析選取了運(yùn)能供給與需求總量適應(yīng)性分析量化指標(biāo)——運(yùn)輸能力利用率、閘室利用率和運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量的供需適應(yīng)性分析量化指標(biāo)——船舶待閘時(shí)間，分析不同尺度船閘的適應(yīng)性情況。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡峰軍，張利分. 基于船閘服務(wù)水平的通過能力公式的確定[J]. 中國(guó)水運(yùn)（下半月），2016，16（11）：85-87.

[2] 黃巖，王杭州，蔡素文. 船閘理論通過能力原理在京杭運(yùn)河船閘實(shí)際運(yùn)行中的運(yùn)用[J]. 中國(guó)水運(yùn)，2017（10）：55-57.

[3] 胡宏. 船閘通過能力影響因素分析[J]. 福建質(zhì)量管理，2017（8）：279.

[4] 劉奕.高速公路經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性理論與評(píng)價(jià)方法研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2009.

[5] 賈強(qiáng).公路運(yùn)輸系統(tǒng)適應(yīng)性研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

[6] 陳建華，秦芬芬，吳載斌.基于曲線比較的交通運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)社會(huì)相互適應(yīng)性的綜合評(píng)價(jià)[J].發(fā)展研究，2013（9）：79-84.

[7] 王振喜. 關(guān)于船閘通過能力計(jì)算中若干問題探討[J]. 水運(yùn)工程，1998（6）：19-22.

[8] 吳玲莉，張瑋. 船閘待閘時(shí)間的確定及服務(wù)水平[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2003，3（3）：117-121.

[9] 廖鵬. 繁忙船閘的船舶待閘時(shí)間分析與估算[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，39（2）：408-412.

（編輯：李 慧）