三峡枢纽船闸水域船舶安全航速最小能见度分析

时间：2024-08-31

刘振嘉，程升鹏，张鹏斌

(长江三峡通航管理局，湖北宜昌 443002)

三峡枢纽能见度不良严重制约船舶过闸效率，通过掌握不同船型船舶航行避让相关参数等措施，是提高枢纽通航效率的必要条件。

1 三峡坝区雾的种类及分布特点

1.1 雾的种类

根据雾天三峡枢纽航道原型观测结果，船闸水域的阵雾体现了鄂西山谷地区雾情特点[1]，其形成的条件为温度下降和湿度升高。根据现场观测情况，三峡水域大雾主要有两种：

1)蒸汽雾。长江水面广阔，太阳照射后，水大量蒸发，因四周环山，空气不流通，水蒸气在水面以上积累，空气湿度大。春秋季节，天气变化频繁，遇到冷空气过境，温度下降幅度大，水蒸气凝结成雾。

2)雨雾。当雨水不大时，易在江面形成朦胧的雨雾，造成能见度不良。

1.2 雾的分布特点

1)分布不均匀，多见团雾。长江三峡通航管理局辖区大雾以两坝为界限分为坝上、两坝间、坝下3部分。大雾发生区域分布不均匀，以至于某些水域能见度不足200 m，某些水域能见度又满足通航要求，造成预警发出不及时，各区域联动不协调。

2)持续时间与风雨有关。大雾形成后，如果夜间没有风雨，则持续时间长，直至次日日出时消散。

2 枢纽水域交通管制概况

2.1 船舶交通管制系统(VTS)功能

1)监督管理。对三峡河段重点水域的船舶进行监视、询查，必要时发出强制指令。操作人员能够通过视频图像监视船舶的运动情况，对交通管制区、进出引航道和待闸锚地中船舶进行重点监视和跟踪，预防形成交通紧迫局面，纠正违章、偏航、走锚等；能够通过通信手段接收船舶报告、查询船舶的配备和航行计划等，必要时，通过通信或其他手段向船舶发出强制执行指令；能够对船舶跟踪数据进行记录、回放，便于违章查询和海事调查等。

2)调度指挥和交通组织。根据船舶航行的具体要求，组织坝上船舶进出港区、锚泊待闸、过闸等；组织两坝间船舶通过桥区、进出港区、船舶临时候闸、编解船队等；组织坝下船舶通过桥区、过闸。对进入辖区内的船舶能够识别确认，核实船舶过闸申报，防止船舶“虚报、谎报”船位；跟踪待闸锚地中船舶的动态，为智能调度系统提供前端动态信息采集，以便于及时调整和修改调度计划；建立与待闸锚地中船舶的可靠通信，便于调度指令和信息的播发，有序组织调度计划。

3)信息服务。通过有效的手段为船舶航行提供相关信息。这些信息主要包括辖区水域交通状况信息；管理区域、管理规则修正和变化信息；三峡河段的水文、气象信息；航道封航、冲砂、泄洪、船闸检修等信息；助航标志调整、异常信息，航道变化、交通堵塞或碍航物信息；特种作业船施工或作业情况；其他有关航行安全的事项。

4)应急服务以及与相邻VTS合作等。与应急部门协作，如搜救和防污染，提高应急反应能力。与库区相邻VTS以及长江其他VTS合作，提高管理效率和效果。和港口、船舶公司等信息联网，为港航单位提供相关信息。

2.2 功能应用

1)雷达。在雾天航行时，利用雷达探测可以获得视觉和听觉所不能获得的周边水域船舶信息。就船闸水域通航而言，雷达可提供周边水域是否有其他船舶，且通过距离标尺掌握其大致的方位。

2)船舶自动识别系统(AIS)。过闸船舶均配备了AIS设备，首先，船舶通过设备操作能连续发送本船的静态、动态信息，同时自动接收装有AIS设备的其他船的信息。其次，AIS能提供船舶操纵信息，以供VTS或其他船舶跟踪监视。同一闸次船舶可以通过该设备互通信息，适时掌握相互间动态。

过闸船舶通过雷达与AIS设备的综合应用，既能用雷达观测船舶周围水域的各种水面固定或漂浮物情况，通过系统观察和雷达标绘可以判断船舶间是否存在碰撞风险，获得船舶周围准确、全面的船舶航行信息和环境信息，帮助驾驶员对船舶航行态势进行安全评估。又能用AIS设备在船闸水域自动获得其他船舶信息，而且通过VTS的广播可获得各类航行、通航组织信息。两者互为补充，较好地克服了能见度不良的弊端。

2.3 三峡枢纽通航管理实践

自三峡枢纽通航近15年以来的实践表明，船舶安全避碰已有规律可循，且有安全保障。从法规、管理以及技术层面，都有切实可行的措施，如船闸水域中的引航道水域实施的分道航行规则、禁止600 GT以下船舶过闸、过闸船舶须配置雷达和AIS设备、通过船闸水域须由船长和轮机长亲自操作、船舶过闸前须经过安全检查、船闸水域船舶进出闸室的航速不得超过1 ms等强制性规定；VTS在枢纽水域范围内，为航行船舶提供信息、咨询服务，并实施监督控制，必要时做出指令，实施管理措施；船舶配备的雷达及AIS等设备，它们的功能能够相互补充，为船舶遇雾航行、停泊、作业提供了基本的条件。

一般来讲，大雾气象条件下船闸及引航道水域可以通航，须具备通航的充要条件，即通航水域的通航环境与船舶的操纵性能两者满足通航要求：

1)通航环境条件。包括航道尺度、水流条件等航道条件，通航密度、背景亮光、气象条件等。

2)船舶操纵性能。就船舶避碰而言，船舶操纵性能主要指惯性性能(冲程)和回旋性能。这主要与船舶的尺度、载质量、航速等有关。船速越快冲程越大，反之则越小。

3 有关安全航速的原型观测

为进一步探索三峡船闸的过闸方式，缩短船舶进闸时间，提高三峡船闸运行效率，最大限度地发挥三峡枢纽通过能力，适应长江船舶过闸需求，近年来开展了“船舶进闸效率提升技术研究”等工作。基本方法是通过实船测试等原型观测方法，掌握船舶进出闸运行工况，确定船舶安全航速、制动冲程等重要参数,进一步明确了能见度不良时通航组织的工作思路。

成立多个工作小组进行实船测试，其中船舶驾引组负责测试船舶进出闸及移泊过程中的操作指挥及船舶冲程测试。鉴于目前2 000～5 000吨级过闸船舶超过过闸船舶总数量的70%，且将是今后较长时间内过闸船舶的主要船型，故选取2 000、3 000、4 000吨级船舶作为测试船型；为保证最高通航水位流量时船闸引航道口门外连接段航道的航行安全，在纵向流速≤2.50 ms、横向流速≤0.45 ms、水面比降≤0.2‰条件下，满足船舶排水量与主机功率之比≤9.52 tkW的要求；取0.5和1.0 ms作为航速便捷控制工况，用较低的航速换取更高的安全性。

低速航行时，船舶阻力较螺旋桨倒车时的拉力小得多，因此可以近似认为船舶动能消耗于倒车拉力做功。根据《普通物理学》[2]相关公式：

(1)

式中：S为冲程；Δ为排水量；v0为速度；Tp为倒车拉力。

4 代表性过闸船舶安全航速所需能见度估算

根据《山区航道整治》[3]推荐的船舶推力计算公式：

T=mE

(2)

式中：T为有效推力；E为主机功率；m为系数，一般取0.080 0～0.106 6 kNkW,根据不同的取值，推算不同功率时可能具有的有效推力，同时根据船舶操纵经验公式，船舶倒车拉力取15的船舶推力，结果见表1。

表1 有效推力计算值

注：v0取1 ms。

取代表船型船舶为川江及三峡库区干散货船标准船型、液货船(包括油船、化学品船)标准船型船舶，按照式(1)估算了各类船舶倒车自动冲程，即船舶保持进出闸室的航速不得超过1.0 ms，在雷达显示屏上发现障碍物，随即采取停车、倒车的制动措施，从偏安全角度计算相关数据的结果见表2。

从计算结果可看出，船舶在船闸水域以安全航速航行时，其倒车制动冲程一般在40 m以下。根据《船舶碰撞法》[4]，船舶倒车冲程应是船舶驾驶部操作倒车指令后，主机有了倒车车速后产生船舶的惯性冲程，但船舶在顺车行进中从顺车到倒车过程中，必然有顺车到停车的操纵过程，因而应有一个顺车至停车的惯性冲程，即驾驶部操作了顺车到停车的指令后，船舶的停车冲程。

表2 川江及三峡库区标准船型主尺度及计算结果

注：在参考主机功率下,对应船舶设计吃水的设计航速≥18 kmh。

因此，船舶在船闸水域安全航速所需最小能见度应不小于倒车拉力发挥作用后的倒车冲程、船舶自顺车到停车的惯性冲程、安全余量这三者之和。则船舶顺车至停车一般在2 min内，航速取1.0 ms，2 min的惯性冲程为120 m，安全余量取40 m，则最小能见度需求约为200 m。