朱勤 张志坚

摘要：为了研究大型水利枢纽通航建筑物建设规模，合理拟定建筑物尺寸，建立了通过能力适应性分析理论，研究了水利枢纽航运通过能力的评价指标及分析方法，提出了通过能力适应性划分的建议值，评价典型大型水利枢纽通航建筑物服务水平和通过能力适应性。以三峡水运新通道为例，研究了运输能力利用率指标，各方案通过能力适应性分别为38%～100%，推荐方案280 m×40 m;研究了闸室利用率指标，基于TOPSI分析法计算得出280 m×34 m，280 m×40 m方案适应性较好;研究了船舶待闸时间指标，有效闸宽40 m船闸方案的船舶待闸时间相对较短。综合分析，推荐280 m×40 m方案，可在未来一段时间满足运能供给与需求总量适应性以及运输服务质量的供需适应性要求。研究成果可为枢纽通航建筑物规模确定提供技术支撑。

关键词： 航运通过能力; 大型水利枢纽; 评价指标; 适应性分析; 三峡水运新通道

中图法分类号：U641 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.013

文章编号：1006 - 0081（2022）02 - 0074 - 05

0 引 言

开展通航建筑物设计工作前，必须确定通航建筑物规模这一重要指标。科学制定通航建筑物规模，将直接关系到工程项目的经济合理性和航运的长远发展。在通航建筑物规模研究中，不仅要遵循国家及地方各级主管部门制定的河流和区域的规划，也要遵守根据国民经济建设发展需要编制的内河通航标准、船闸总体设计规范等纲领性文件。主要影响因素包括设计水平年及其过坝运量需求、运输船型与船队发展趋势以及通航建筑物有效尺寸和线数方案等。本文以三峡水利枢纽航运扩能项目三峡水运新通道为对象，开展大型水利枢纽航运通过能力适应性研究，提出船闸通过能力适应性分析评价指标、计算方法与建议值，在过闸运量预测与不同船闸设计方案基础上评价船闸通过能力适应性，合理确定新建船闸规模。

本文研究船闸通过能力适应性分析的评价指标及计算方法，提出通过能力适应性划分的建议值，综合分析三峡水运新通道预测运量及船闸通过能力，评价船闸通过能力适应性。

1 通过能力适应性概念与研究方法

水路基础设施项目建设规模大、建设周期长，并且配套性强，需在时间上居先于其他直接生产性投资。因此，这类基础设施的通过能力供给与运量需求互依互存、相互制约、协调发展。通过能力既能抑制运量需求，也能刺激運量需求，运量需求疲软会抑制能力供给，活跃会刺激能力供给，这种供求双向互动关系称之为通过能力的适应性。从基础设施建设的特点看，水路、公路、铁路项目的供需适应双方都在彼此相互作用的运动中不断磨合，形成良性、和谐的共生状态，通过能力的适应性是动态的、可持续的。但是，水利枢纽作为具有通航功能的水运设施之一，项目选址条件更为苛刻，对运输能力供给应预留一定的发展空间。

国内学者已在通过能力研究方面开展了大量工作，提出通过能力分析计算原理[1]，对影响船闸通过能力的诸多因素进行了研究[2-3]，而适应性理论一般多用于公路和铁路运输系统[4-6]，水运系统的适应性研究较少。本文结合通航建筑物适应性特点，按照代表性、可量化的原则选取了枢纽通过能力与需求总量适应性分析量化指标、运输服务质量供需适应性分析量化指标，运用隶属函数、TOPSIS法等方法对大型水利枢纽航运通过能力适应性进行了分析研究。

2 评价指标研究

2.1 评价要素

基于枢纽通过能力供给与运输需求之间的相互制约和激励彼此适应的内涵和特点，确定以下供需适应性的分析要素。

（1） 枢纽运能与需求总量适应性分析。枢纽通过能力与需求总量之间的适应性是指运输能力供给与运输需求在总数量上的匹配程度。这种总量的适应性从宏观层面上直观反映了枢纽通过能力的适应性状态，也是供需适应性的基本体现要素。从促进社会经济发展的角度出发，枢纽航运通过能力规模要尽量满足运输需求的数量要求。否则，运输需求受到过分抑制，将导致运输需求在各运输方式之间的不合理配置，造成社会资源的总体浪费，致使经济和社会发展受限。

（2） 运输服务质量适应性分析。对于水利枢纽而言，运输服务质量指的是船舶通过枢纽通航建筑物系统时获得的服务品质，即运输经济性、时间性、便捷性、安全性等方面的实际优劣程度。枢纽航运供给与需求均包含运输服务质量的要求，而随着经济社会的发展，运输服务质量的供给与实际要求之间必然会存在不匹配的情况，这种差异在很大程度上反映或说明了运能供需适应性状况。因此，从运输服务质量的角度进行适应性分析是必要的。

2.2 评价指标

2.2.1 枢纽通过能力与需求总量适应性分析量化指标

从运输能力供给与运输需求总量的匹配程度出发，运输能力利用率和闸室有效利用率这两项指标可充分反映供需总量适应本质特性，且易于获取、易于量化。

（1） 运输能力利用率。运输能力利用率是指运输需求量占枢纽通过能力的比率。该项指标通过运输需求与通过能力间的相对偏差来度量运能供给与需求总量的适应性。运输能力利用率高指运输能力在当前运输需求状态下得到了充足发挥，枢纽运输负荷较大，无能力虚糜现象;反之则说明路网运输能力未得到充分有效利用，存在运输资源闲置状况，造成运输资源浪费。运输能力利用率计算如下：

（2） 闸室有效利用率。闸室利用率作为船闸运行中利用程度的参数，涉及过闸船舶尺度、闸室规模和船舶标准化程度，也与船舶到达的统计分布及船闸的繁忙程度等有关，反映了航道（段）上的船舶组成结构及船闸运行、调度和管理的适应性。闸室有效利用率计算公式如下：

2.2.2 运输服务质量供需适应性分析量化指标

鉴于目前长江干流的通航建筑物均为免费使用，从工程运行实际情况看，可通过船舶待闸时间来衡量货运能力在供需服务质量上的适应性。船舶待闸时间长，势必会延长运输周期，不仅直接给运输需求主体带来相对较多的运输费用，还会带来较大的间接成本，造成运输服务质量差，时效性和经济性不佳。反之，船舶待闸时间越短，则运输需求主体需要支付的运输成本越少、经济性越好，运输服务质量越高。然而，待闸时间过短，也会影响枢纽通航建筑物的调度运用，造成资源浪费。

3 应用实例

本文以三峡水运新通道工程为实例，开展相关分析与模拟计算。

（1） 船闸尺度方案。三峡水利枢纽已建五级船闸，设计通过能力5 000万t，因运输需求增长拟再新建船闸。结合既有船闸实际运行情况、通航船舶现状与规划等，船闸尺寸方案初拟为：宽度方案34 m和40 m两类;长度方案280，320，360 m和400 m四种，由此初拟船闸平面尺度8个，见表1。

（2） 运输需求预测。运量预测成果采用“十三五”国家重点研发计划项目重大水利枢纽增建和改建通航建筑物关键技术及示范课题研究结论，预测2030年以及2050年三峡水利枢纽过闸货运量预测结果分别为19 219万t和27 255万t。

（3） 设计代表船型。考虑三峡水运新通道建设时机、中游航道条件改善情况、新船闸尺度（宽度）对过闸船型的影响、新船闸与既有船闸协调运行以及江海直达运输过坝等，拟定4组船舶组合，在研究中推荐船型构成方案为：3 500～6 500吨级，船宽16.3 m的船型约占17%;5 500～7 500吨级，船宽16.3 m的船型约占42%;7 500～9 000吨级，船宽19.2 m约占20%;其余船型约占21%。

3.1 既有船闸适应性分析

3.1.1 运输能力利用率

借鉴国内外公路服务水平分级标准，以运输能力利用率K作为判断能力适应性的标准：K<65%为空闲; 65%≤K≤80%为适应; K>80%为紧张。

按既有船闸设计能力5000万t分析，自2003年建成以来通过能力分为3个阶段：① 2003～2006年交通流量负荷比小于60%，船闸通过能力处于空闲状态;② 2006～2009年交通流量负荷比为60%～80%，船闸通过能力处于适应状态;③ 2010年以后，交通流量负荷比大于80%，船闸通过能力处于紧张状态。这种阶段的划分情况与实际情况基本符合。既有船闸能力利用率如图1所示。

3.1.2 闸室利用率

从国内船闸运行情况看，船闸闸室平均利用率多在70%～85%之间，一般大型且特别繁忙的船闸利用率处于这一区间的上限。按既有船闸运输量、船舶运输调度等分析，其实际闸室利用率为70%～77%，如图2所示。

3.1.3 船舶待闸时间

结合已有研究成果，船舶理想的待闸时间大约为10 h。既有船闸自运行以来的船舶待闸时间统计情况见图3。自2008年以来，船舶待闸时间猛增，由17 h增至2018年的151 h，船舶待闸时间逐步增长，船舶服务水平下降，运输成本增加，对船舶运输造成极为不利的影响。

3.2 新建船闸适应性分析

为适应航运需求，从前述的船闸闸室利用率和船舶待闸时间看，既有船闸通过能力已开始滞后于过闸运输的需求。为了满足未来的年单向通过能力8 650万t，通过分析新建不同尺寸船闸方案的运输能力利用率、闸室利用率和船舶待闸时间，选择最优的闸室尺寸方案。

3.2.1 运输能力利用率

结合2020～2050年各年度过闸运量预测值和不同船闸尺寸下运输能力等，计算运输能力利用率成果见图4。

进一步引入模糊数学有关隶属函数（式（3））的相关概念，计算长系列运行适应性指标（式（4），表2）表明，无论是2020～2050年系列，还是2030～2050年系列，其运行适应性指标均以船闸280 m × 40 m方案适应性最好。

式中：x为运输能力利用率;a取值为0.6;b取值为0.8。

长系列运行适应性指标=[满足适应性的年数运行年数×100%]

3.2.2 闸室利用率

采用仿真模型分析，依次以2030，2040，2050年的运量预测成果为基础，计算不同尺寸船闸方案的闸室利用率（表3）。然后引入 “逼近于理想值的排序方法” （TOPSIS），分析闸室利用率的适应性，即确定各项指标的正理想值的欧氏距离（D+）和负理想值的欧氏距离（D-）（正理想解是一设想的最好值（方案） ，负理想解是另一设想的最坏值（方案）），然后求出各个方案正理想值、负理想值之间的加权欧氏距离，以得到各方案与最优方案的接近程度（相对贴近度C），通过对其排序（表3）评价方案优劣。分析中最好的正理想值、最坏的负理想值是通过参考既有船闸运行经验而得到的、结合既有船闸运行服务经验和未来船舶发展规划，并以闸室平均利用率75%作为判别条件[7]。由于运量预测成果具有一定不确定性，而三峡水运新通道建设周期长，投资大，因此在确定规模时应有一定的前瞻性，研究中一般以通過能力的80%作为边界条件，综合考虑本文最好的正理想值、最坏的负理想值分别为60%和47%。

正理想值的欧氏距离[D+]、负理想值的欧氏距离D-的计算公式分别见公式（5）和公式（6）：

从表3中的相对贴近度排序分析可知，有效长度280 m的船闸方案的闸室利用率贴进度高，适应性较好。

3.2.3 船舶待闸时间

借助仿真模型，统计未来长系列中2030，2040，2050年不同闸室尺寸方案的船舶待闸时间（表4），以理想船舶待闸时间小于10 h衡量[8-9]，有效闸宽40 m船闸方案的船舶待闸时间相对较短，适应性较好。

3.3 结果分析

综合运能供给与需求总量适应性分析量化指标（运输能力利用率、闸室利用率）和运输服务质量的供需适应性分析量化指标（船舶待闸时间），分析结果如下：

（1） 从运输能力利用率分析成果来看，不同船闸尺度的通过能力适应性为38%～100%，综合分析，方案280 m×40 m适应性最好。

（2） 从闸室利用率来看，采用TOPSIS法分析，依照相对贴近度的大小对目标进行排序，有效长度280 m船闸方案闸室利用率贴进度高，适应性较好。

（3） 从船舶待闸时间来看，有效宽度40 m船闸方案船舶待闸时间较短，适应性较好。

综上所述， 280 m×40 m船闸方案的适应性最佳，可在未来一段时间内满足运能供给与需求总量适应性以及运输服务质量的供需适应性要求。

4 结 语

本文建立了船闸通过能力适应性分析理论，研究评价指标及计算方法，提出了通过能力适应性划分的建议值。结合三峡水运新通道预测运量及船闸通过能力研究成果，从运能供给与需求总量适应性、运输服务质量的供需适应性等方面来研究枢纽通过能力的适应性。分析了枢纽通过能力适应性的概念、特点以及适应性指标的选取以及评价方法，初步分析选取了运能供给与需求总量适应性分析量化指标——运输能力利用率、闸室利用率和运输服务质量的供需适应性分析量化指标——船舶待闸时间，分析不同尺度船闸的适应性情况。

参考文献：

[1] 胡峰军，张利分. 基于船闸服务水平的通过能力公式的确定[J]. 中国水运（下半月），2016，16（11）：85-87.

[2] 黄岩，王杭州，蔡素文. 船闸理论通过能力原理在京杭运河船闸实际运行中的运用[J]. 中国水运，2017（10）：55-57.

[3] 胡宏. 船闸通过能力影响因素分析[J]. 福建质量管理，2017（8）：279.

[4] 刘奕.高速公路经济适应性理论与评价方法研究[D]. 北京：北京交通大学，2009.

[5] 贾强.公路运输系统适应性研究[D].上海：同济大学，2008.

[6] 陈建华，秦芬芬，吴载斌.基于曲线比较的交通运输与经济社会相互适应性的综合评价[J].发展研究，2013（9）：79-84.

[7] 王振喜. 关于船闸通过能力计算中若干问题探讨[J]. 水运工程，1998（6）：19-22.

[8] 吴玲莉，张玮. 船闸待闸时间的确定及服务水平[J]. 交通运输工程学报，2003，3（3）：117-121.

[9] 廖鹏. 繁忙船闸的船舶待闸时间分析与估算[J]. 东南大学学报（自然科学版），2009，39（2）：408-412.

（编辑：李 慧）