内河航道宽度的确定方法

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【摘 要】 为确保船舶在内河航道的通航安全，运用概率理论和船舶领域理论研究船间间距、船岸间距确定方法，运用水动力学理论研究弯道流致漂移量和船桥间距确定方法。研究结果表明：运用概率理论、船舶领域理论及水动力学理论研究船间间距、船岸间距及弯道流致漂移量、船桥间距科学合理；内河航道宽度的确立应综合运用各种理论。内河航道宽度的确定，有利于减少船舶交通事故发生的概率。

【关键词】 航道宽度；通航安全；流致漂移量；船桥间距

0 引 言

航道是船舶通航的载体，其主要功能就是为船舶通航服务。相关统计资料表明，大约15%的交通事故是由航道缺陷造成的。因此，合理改造航道、科学布置航道浮标，是确保船舶通航安全的重要前提之一。对于内河航道浮标设置而言，最重要的是航道两边的边界浮标设置问题。航道两边边界浮标之间的间距安排，是与航道宽度密切相关的。如果航道两边边界浮标之间的距离设置较大，就会浪费航道资源；如果航道两边边界浮标间距过小，就会影响船舶的通航安全。因此，航道边界浮标设置力求科学、合理。

众所周知，影响内河航道宽度的主要因素包括代表船型船舶航迹带宽度、船间间距、船岸间距、附加宽度等。目前我国《内河通航标准》对内河航道宽度都有明确的界定。在该标准中，船舶航迹带宽度、船间间距、船岸间距等参数都是以代表船型尺度（船长、船宽）来确定的。毋庸置疑，船舶航迹带宽度与船舶的长度、宽度、偏航角相关，其完全可通过通航船舶的长度和宽度来确定。该标准关于航道的附加宽度并未有明确界定，尤其是天然弯曲航道的附加宽度，只提到应适当加宽，并未明确具体的计算方式和范围。不少学者认为，航道的附加宽度主要是指风、流等因素对船舶造成的漂移量。目前，有关顺直航道的风致漂移量和流致漂移量的研究成果较多，可直接借鉴或用于顺直航道的浮标布置。[1]由于弯曲航道环流流向、流速均随水深的变化而变化，如何确定弯曲航道船舶的流致漂移量，有待于进一步研究。[2]船间间距、船岸间距的大小与船间效应、岸壁效应密切相关，而船间效应、岸壁效应不但与通航船舶的尺度相关，而且还与水流条件密切相关，是两个非常复杂的问题。因此，单纯以船舶尺度确定船间间距和船岸间距，明显不够合理。为此，关于内河航道宽度的确定，重点是要解决船间间距、船岸间距及弯道流致漂移量等问题。由此看来，有必要围绕船舶通航安全讨论船间间距、船岸间距及弯曲航道流致漂移量等问题，以便为内河航道宽度的确定奠定基础，以利于减少船舶交通事故的发生。

1 船间间距和船岸间距的确定方法

1.1 概率论确定法

目前关于船间效应和岸壁效应的研究成果较多，但这些成果多数只限于定性分析层面，尚未有关于数学模型或经验公式的研究。由于船间效应和岸壁效应的复杂性，很难从定量层面确定船间间距和船岸间距的大小。但是，概率论的相关知识为其提供了较好的解决办法。

假设上水船和下水船偏离航道轴线的距离分别为x1和x2（见图1）。由于两船偏离航道轴线的距离不存在关系，因而x1和x2是无关随机变量且服从正态分布。由图1可得：

相关研究表明：均方差 x与船舶的尺度有关，其大小可以根据航道内多年船舶通航观测数据确定；同理可确定船岸间距。

1.2 船舶领域理论确定法

日本学者藤井弥平利用二维频率分布法对日本近海船舶的相对位置信息进行分析和研究，并得出船舶领域模型。此模型外形为椭圆形，本船处于椭圆圆心，椭圆长轴为本船中心线方向，短轴为本船正横方向。船舶领域一般尺寸的具体数值为椭圆长轴是本船船长的7倍，短轴为本船正横距的3倍。在现实船舶追越局面中，由于水域较宽，认为本船可能会被追越船碰撞的船舶领域可以放大，其椭圆长轴一般为8倍船长，短轴为3.2倍正横距。当船舶航行到如港口内部或狭窄水道等需要慢行的水域时，船舶领域取值为椭圆长轴为船长的6倍，短轴为正横距的1.6倍。

Goodwin通过对藤井的船舶领域模型进行研究与分析，创立了适用于宽阔水域的船舶领域模型（见图2）。Goodwin认为，船舶领域模型应是不对称的几何图形，藤井的船舶领域模型存在一定的问题，因而基于船舶号灯显示范围，重新划分船舶领域，按照号灯显示范围以扇形区域进行布置。

无论是藤井船舶领域模型还是Goodwin船舶领域模型，均是在分析大量数据的基础上得出的，对船舶安全航行具有指导意义。在确定内河船间间距及船岸间距时，也可以参考船舶领域理论，将船舶横向领域的最大范围作为船间间距及船岸间距的参考量。

2 弯道流致漂移量的确定方法

天然彎曲航道存在弯道环流，这种环流正是引起船舶横向漂移的重要因素。在确定航道宽度时，应考虑弯道环流引起的船舶横向漂移量，这样有利于船舶通航安全。弯道环流与普通横流的不同之处在于：弯道环流的面流流向凹岸，随着水深的增加，环流流速逐渐减小；当水深到达某一深度时，环流开始反向（从凹岸流向凸岸），流速逐渐加大。弯道环流的这一特性，决定了其对吃水不同的船舶产生不同的横向漂移量。

弯道环流流速表达式为

vr=4.8v （y 0.44 y1.268 0.307）（6）

式中：vr为弯道环流流速；v为弯道纵向流速；h为弯道水深；y为相对水深（相对水深的水深起点为河底，y=z/h）；r为弯道曲率。

因为弯道横流与底流流向相反，设船舶吃水为d，则作用于船体上的平均弯道环流流速vd为

式（8）表明，作用在船体上的平均弯道环流流速由弯道曲率、平均纵向流速、弯道水深和船舶吃水共同确定。将式（8）应用到顺直航道船舶流致漂移量计算公式中，即可得弯道船舶流致漂移量。

3 船桥间距的确定方法

内河桥区航道往往也是事故多发地段。对于桥区航道而言，桥墩与航道边界浮标之间的间距也是航道宽度设计时的重要考虑因素。内河航道建桥后，由于桥墩的存在，水流结构变得复杂，船舶航行安全隐患也随之增加。由桥墩附近的水流结构（见图3）可以看出，桥墩紊流漩涡区是船舶通航应回避的区域[3]；因此，也有人认为桥区航道应布置在桥墩紊流漩涡区外，也可以说，桥墩紊流漩涡区的横向最大范围应是船桥之间应保持的最小距离。关于桥墩紊流漩涡区范围的相关研究较多，可选用适当的经验计算模型确定。计算确定的桥墩紊流漩涡区范围完全可应用到桥区航道宽度设计中。

4 结 语

内河航道宽度布置涉及船舶的通航安全。对于内河航道宽度而言，最关键的是如何确定船间间距、船岸间距、弯道流致漂移量及船桥间距，这些参数与多种影响因素相关，难以单纯从定量角度确定。本文结合船舶操纵特性，从概率论和船舶领域理论两个角度提出了确定船间间距和船岸间距的方法，从水动力学角度提出了弯道流致漂移量和船桥间距确定方法。

参考文献：

[1] 刘明俊，艾万政，程志友.苏通大桥桥区水域船舶通航能力研究[J].船海工程，2006（4）：80-82.

[2] 刘明俊，吕习道.船舶过弯道所需航宽建模[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2006（1）：178-179.

[3] 庄元，刘祖源.桥墩紊流宽度的试验研究[J].中国航海，2007（4）：5-9.

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