徐湘文 楊傳波

(1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司 武漢 430071； 2.長江航道測量中心 武漢 430010)

長江經(jīng)濟(jì)帶依托長江黃金水道橫跨我國東、中、西三大區(qū)域，中游起著承東啟西的重要作用。長江中游航道貨運(yùn)承載能力是長江開發(fā)與保護(hù)規(guī)劃的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。目前的規(guī)劃中通常采用的內(nèi)河航道通過能力，其實(shí)質(zhì)是指某一航段，某一時(shí)間段內(nèi)，通過航段斷面的船舶數(shù)量[1]，通過能力的應(yīng)用具有一定的局限性[2]，在由不同尺寸的航段連成的多級(jí)航道中，只能用最大流最小分割法確定通過能力。貨運(yùn)承載能力由環(huán)境承載能力衍生而來，是承載能力概念在交通領(lǐng)域的拓展。

環(huán)境科學(xué)的快速發(fā)展為航道貨運(yùn)承載能力的研究提供了新思路。Odum[3]運(yùn)用數(shù)學(xué)公式，將承載力概念用對(duì)數(shù)增長方程表示。Bishop等[4]將環(huán)境承載力定義為在可接受的生活水平條件下，區(qū)域內(nèi)能夠永久承載的人類活動(dòng)的強(qiáng)烈程度。高吉喜[5]提出了生態(tài)彈性系數(shù)的概念，將環(huán)境承載力由原來的一個(gè)固定的值變化為一個(gè)區(qū)間。格日樂等[6]在額濟(jì)納綠洲土地承載力的研究中，建立了土地承載力的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型來預(yù)測土地承載力的變化機(jī)理與因素。長江中游各航段等級(jí)不同，各航段通過能力不同，考慮貨流OD矩陣，形成對(duì)長江中游貨運(yùn)承載能力的表征模型和測算方法。

1 表征模型

長江中游航道承載的貨流量可分為：起運(yùn)港和終點(diǎn)港均在長江中游航道的內(nèi)部貨流；起運(yùn)港和終點(diǎn)港位于上下游港口，貨物只通過長江中游航道的過境貨流；起運(yùn)港在長江中游航道內(nèi)部，終點(diǎn)港為上下游各港口，或者起運(yùn)港的區(qū)間貨流等3類。

長江中游航道貨運(yùn)承載能力是指在單位時(shí)間(以年為時(shí)間周期)內(nèi)的長江中游航道所承載的總貨量(Q)的最大值。長江中游航道貨運(yùn)承載能力的表征方式為

2 貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)OD矩陣

根據(jù)長江干線港口吞吐量數(shù)據(jù)，結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究結(jié)果，推算長江中游貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)OD矩陣。通過港口吞吐量推算貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)OD矩陣。推算采用如下公式

式中：Dj為第j港口的進(jìn)港貨量；Oi為第i港口的出港貨量。

多次迭代，直到

表1 P矩陣

3 航段通過能力

3.1 長江中游航段情況

長江從中游開始進(jìn)入我國地勢第三階梯的長江中下游平原地區(qū)，中游航道兩岸地勢平坦，河道迂回曲折，水位、水流、水深、河床地形等關(guān)鍵航道要素變化復(fù)雜，相較于南京以下12.5 m水深渠化航道，整個(gè)中游航道等級(jí)偏低，通航環(huán)境復(fù)雜，通航能力較差。

中游航道長共955 km，可分為宜昌下臨江坪-大埠街，宜昌大埠街-岳陽城陵磯，城陵磯-武漢長江大橋，武漢長江大橋-江西湖口共4段。其中宜昌下臨江坪-宜昌大埠街-岳陽城陵磯-武漢長江大橋段，長613 km。宜昌下臨江坪-宜昌大埠街段為山區(qū)天然航道向平原航道過渡段、大埠街-城陵磯-武漢長江大橋段為平原航道，河道特性表現(xiàn)為以分汊河道為主，淺灘演變較為劇烈，放寬處有江心洲和江心灘出現(xiàn)，洲灘不穩(wěn)定，主、支汊興衰交替，過渡段水深不足，航道易出淺礙航。武漢長江大橋-江西湖口段，長342 km。武漢長江大橋至湖口為平原航道，河道特性表現(xiàn)為河道寬窄相間、多分汊。

除了不同河段的特征外，長江航道條件還有季節(jié)性特點(diǎn)。洪水期水深提高，但流速增加、流態(tài)紊亂，有些河段洲灘散布，深槽變化劇烈，破壞了既有的航道格局。枯水期，雖然水流歸槽，但水位持續(xù)下降，淺灘航道水深不足，有時(shí)會(huì)因洪沖枯淤的特點(diǎn)而改變整個(gè)河勢，造成適航航槽移位。2015年長江中游航道分月維護(hù)水深見表2。

表2 2015年長江中游航道分月維護(hù)水深

按照《航道養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》，長江中游航道尺度標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 長江中游航道尺度標(biāo)準(zhǔn)

從長江航運(yùn)規(guī)劃工作的梳理情況來看，目前已實(shí)現(xiàn)宜昌至城陵磯河段為內(nèi)河一級(jí)航道、水深為3.5 m，城陵磯至武漢河段的航道水深為3.7 m，武漢至江西湖口河段的航道水深為4.5 m的規(guī)劃目標(biāo)，未來將著力推進(jìn)“645”長江深水航道整治工程，以保證長江干流武漢至安慶航道水深6 m，宜昌至武漢航道水深4.5 m。

3.2 各航段通過能力限制

長江中游航道以中游港口為界，共分為5段，宜昌-荊州，荊州-岳陽，岳陽-武漢，武漢-黃石，黃石-九江航段分別命名為1,2,3,4,5。長江中游航道屬于平原航道，枯水期水流一般流速1.0～1.7 m/s，洪水期流速2.0～3.0 m/s，全年平均水流速度約為1.8 m/s(6.48 km/h)。

對(duì)于長江航道的研究，張俊勇等[7]提出用基建性工程措施提高航道等級(jí)，加大通航能力。航段通過能力是指在不受妨礙的航段中，標(biāo)準(zhǔn)船舶組成的理想船舶交通流，在單位時(shí)間內(nèi)通過該航段斷面的最大船舶貨流量，以載重量(t)表示。長江中游各航段通過能力Ck(萬t/d)為：

Ck=s·w·t·Qmax/10 000 (k=1,2,…,5)

式中：s為航道斷面允許并列航行的船舶數(shù)，根據(jù)船舶航行橫向安全距離的要求，長江中游航道寬度不能滿足船舶并行的要求，s=1；w為標(biāo)準(zhǔn)船舶噸位;t為日通航時(shí)間。根據(jù)長江中游船舶航行情況選取的船型參數(shù)見表4。

表4 標(biāo)準(zhǔn)船型參數(shù)

根據(jù)船舶交通流最大流量Qmax，計(jì)算的航段通過能力Ck=s·w·t·Qmax/10 000。則航段通過能力見表5。

表5 航段通過能力限值

4 航段通過能力

根據(jù)表1所示P矩陣計(jì)算可得：下行經(jīng)過斷面2/3的貨流比例為P13,P14,P15,P16,P17,P18,P23,P24,P25,P26,P27,P28之和；下行經(jīng)過斷面3/4的貨流比例為P14,P15,P16,P17,P18,P24,P25,P26,P27,P28,P34,P35,P36,P37,P38之和；下行經(jīng)過斷面4/5的貨流比例為P15,P16,P17,P18,P25,P26,P27,P28，P35,P36,P37,P38，P45,P46,P47,P48之和；下行經(jīng)過斷面5/6的貨流比例為P16,P17,P18,P26,P27,P28,P36,P37,P38,P46,P47,P48,P56,P57,P58之和；下行經(jīng)過斷面6/7的貨流比例為P17,P18,P27,P28,P37,P38,P47,P48,P57,P58,P67,P68之和。

上行經(jīng)過斷面2/3的貨流比例為P81,P82,P71,P72,P61,P62,P51,P52,P41,P42,P31,P32之和；上行經(jīng)過斷面3/4的貨流比例為P81,P82,P83,P71,P72,P73,P61,P62,P63,P51,P52,P53,P41,P42,P43之和；上行經(jīng)過斷面4/5的貨流比例為P81,P82,P83,P84,P71,P72,P73,P74,P61,P62,P63,P64,P51,P52,P53,P54之和；上行經(jīng)過斷面5/6的貨流比例為P81,P82,P83,P84,P85,P71,P72,P73,P74,P75,P61,P62,P63,P64,P65之和；上行經(jīng)過斷面6/7的貨流比例為P81,P82,P83,P84,P85,P86,P71,P72,P73,P74,P75,P76之和。長江中游貨運(yùn)承載能力計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 長江中游貨運(yùn)承載能力測算結(jié)果

航道承載能力=航段通過能力限制值/經(jīng)過斷面比例和，取最小值，研究結(jié)果表明：長江中游下行航道貨運(yùn)承載能力36.9億t，限制航段4/5斷面，即岳陽到武漢航段。長江中游上行航道貨運(yùn)承載能力21.9億t，限制航段為6/7斷面，即黃石到九江航段，長江中游航道貨運(yùn)承載能力為68.8億t。

5 結(jié)語

本文以長江中游航道貨運(yùn)承載能力為中心，系統(tǒng)研究了長江中游航道貨運(yùn)承載能力的定義、表征模型和計(jì)算方法，并根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)測算出了長江中游航道貨運(yùn)承載能力和指出了限制航段。

后續(xù)研究在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行航道貨運(yùn)承載能力的演化研究，根據(jù)航道開發(fā)的情況，從自然航道，低等級(jí)航道到高等級(jí)航道過程中，研究航道相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)的變化，對(duì)應(yīng)的航道貨運(yùn)承載能力隨時(shí)間的變化情況；也可以航道開發(fā)投資為變量，以現(xiàn)有情況為基礎(chǔ)，探究投資額與航道貨運(yùn)承載能力的定量關(guān)系，為投資決策提供依據(jù)。