摘 要

长江横跨我国东西部，一直以来是我国重要的水运通道，影响着我国内陆水路运输行业的发展。航运业的发展也促进着经济的增长，因此促进长江航运业发展是我国发展经济的重要战略。但是长江上游的航道条件比较险峻，急流险滩较多，阻碍了长江的水运发展。2003年开始，三峡大坝开始建设，改善了长江上游航道的条件，使得长江水运通过能力进一步加强，为长江航运做出了卓越贡献。

本篇论文聚焦于三峡大坝船闸，三峡大坝船闸为世界上最大的双线五级船闸。从2003年来，三峡大坝船闸通航之后，其通过的货物逐年增多。由于商业贸易和经济的飞速发展，通过三峡大坝船闸的船舶逐渐趋向大型化，通过的货物数量2015年时就已经超过船闸设计的双向5000万吨过货量，达到了1.2亿吨。据统计，2018年的三峡大坝船闸过货量达到了1.44亿万吨。现阶段，为了更好的利用三峡船闸，深入研究三峡船闸在极限状态下的通过能力，对于长江航运未来发展有重要的理论及现实意义。

本文主要分析了三峡大坝船闸货物通过能力现状和现阶段影响三峡大坝船闸的因素，指出了目前三峡大坝船闸存在的问题。详细说明了三峡大坝船闸运行组织的情况，根据近年来的三峡大坝船闸过货量数据，确定了所需要的参数，最终计算得出三峡大坝船闸的理论过货能力。并利用Anylogic软件，建立分船型的仿真模型，根据预测的不同船型比例，计算出三峡船闸的通过能力，通过对比得出三峡船闸的最大过货能力。文章所得结论为提高三峡大坝船闸的通过能力提供了参考。

关键字：三峡船闸、通过能力、仿真模型

Abstract

The Yangtze river, straddling the east and west of China, has always been an important waterway in China, affecting the development of inland waterway transportation industry. The development of shipping industry also promotes the economic growth, so it is an important strategy to promote the development of Yangtze river shipping industry. However, the waterway conditions in the upper reaches of the Yangtze river are quite steep, with many rapids, which hinder the development of water transport in the Yangtze river. Since 2003, the construction of the three gorges dam has improved the navigation conditions of the upper reaches of the Yangtze river, further strengthening the water transport capacity of the Yangtze river and making remarkable contributions to the navigation of the Yangtze river.

This paper focuses on the ship lock of the three gorges dam, which is the largest double-line five-level ship lock in the world. Since 2003, when the ship lock of the three gorges dam was opened to navigation, the cargo passing through it has increased year by year. Due to the rapid development of commercial trade and economy, ships passing through the lock of the three gorges dam are gradually becoming large. In 2015, the number of goods passing through the lock exceeded the two-way order of 50 million tons, reaching 120 million tons. According to statistics, the number of ship lock orders for the three gorges dam in 2018 reached 144 million tons. At the present stage, in order to make better use of the three gorges lock, in-depth study on the capacity of the three gorges lock under the limit state has important theoretical and practical significance for the future development of Yangtze river shipping.

This paper mainly analyzes the current situation of cargo passing capacity of the three gorges dam lock and the factors affecting the ship lock of the three gorges dam at the present stage, and points out the problems existing in the ship lock of the three gorges dam at present. The operation organization of the ship lock of the three gorges dam is described in detail. According to the data of the ship lock order quantity of the three gorges dam in recent years, the required parameters are ascertained, and finally calculated the theoretical cargo passing ability of the ship lock of the three gorges dam.

Then, Anylogic software is used to build a simulation model of ship type. According to the predicted ship type proportion, the passing capacity of the three gorges lock is also calculated, and the maximum cargo passing capacity of the three gorges lock is obtained by comparison. The conclusion of this paper provides a reference for improving the passing capacity of the ship lock of the three gorges dam.

Key words: Three gorges lock, passing ability, simulation model

目录

摘要 I

Abstract II

1.绪论 1

1.1研究的目的与意义 1

1.1.1研究目的 1

1.1.2研究意义 2

1.2国内外研究现状 2

1.2.1国内研究现状 2

1.2.2国外研究现状 3

1.3主要研究内容及技术路线 3

2.三峡大坝船闸货物通过现状及影响因素分析 6

2.1三峡大坝船闸货物通过现状 6

2.2影响因素分析 6

2.2.1过闸货船船型 6

2.2.2过闸货船实载率 6

2.2.3船闸运营管理模式 7

2.2.4过闸船舶吨位限制门槛 7

2.3目前存在的问题 7

2.3.1船闸方面 7

2.3.2船舶方面 8

2.3.3船闸运行组织方面 8

3.三峡大坝船闸运行组织分析 10

3.1三峡大坝船闸运行方式 10

3.2三峡大坝船闸调度规则 10

4.三峡大坝船闸理论通过能力的测算 12

4.1三峡大坝理论设计船闸通过能力计算 12

4.2三峡船闸主要运行参数计算 12

4.2.1日均运行闸次数 12

4.2.2一次过闸平均载重吨位 13

4.2.3年通航天数 13

4.2.4船舶的装载系数 13

4.2.5月运量不均衡系数 13

4.3三峡大坝船闸理论通过能力分析 14

4.3.1公式计算 14

4.3.2建立仿真模型 14

5.研究结论与展望 23

5.1研究的结论 23

5.1.1公式的结论 23

5.1.2仿真模型的结论 23

5.1.3结论对比 23

5.2改进的建议 23

参考文献 26

致谢 27

1.绪论

1.1研究的目的与意义

1.1.1研究目的

长江是世界上第三大河流，对中国的水运发展有着重要的意义。长江连接着青海、西藏、四川、云南、重庆、湖北、湖南、江西、安徽、江苏、上海11个省，是横穿我国东西部的大河。被称为“黄金水道”的长江影响我国内陆的水路运输，带动着我国的东西两边的商业贸易发展，是我国交通水路运输的大动脉。而湖北省宜昌市的三峡大坝在航运方面更是为长江水路运输的发展做出了卓越的贡献。长江上游的川江航道有许多浅滩急流，只能通过3000吨级的船队，而三峡大坝船闸修筑后，改善了长江上游的航运条件，使得长江上游的航运能力得到显著提升，可以通过万吨级的船队。与此同时，长江水路运输成本也因此显著下降，水路运输同其他运输方式的竞争能力大大增加，极大地促进了长江航运业的发展。三峡大坝也促进了长江水上运输的结构优化，使得资源合理配置和能源有效利用，节约了土地资源，带动了长江周边城市及地区的社会、经济的可持续性发展。

三峡大坝船闸是双线五级船闸，船闸上下落差能达到113米，世界上最大的船闸。它的设计通过能力为双向5000万吨，总过货能力为1亿吨，2003年起开始通航，随着西部大开发战略的实施以及长江黄金水道作用的充分发挥，过货需求量持续增长，过闸货物通过量逐年攀升。2014年、2015年三峡船闸货物通过量均达到了1.2亿吨，截止到2017年通过货量已达1.3亿吨。长江航运发展的速度之快，远远超出了预期。随着货运量的不断增长，三峡船闸已经处于超负荷运行的状态。现阶段，三峡船闸通航能力不足的问题日益严峻，造成现阶段船只在三峡大坝前排队等候过闸，船舶平均等待的时间越来越长。而等待时间的延长造成船舶过闸拥堵，不仅会给船闸本身运行带来较大压力，而且还会直接影响到航运企业的经营效益，进而影响周边区域经济的发展。导致三峡大坝通航能力不足的原因较多，主要有船舶船型的标准化、船舶的实载率、船闸的营运管理模式和船舶吨位吃水限制。从这些原因的角度去考虑，要满足三峡大坝日益增长的过货需求量，就需要进一步提高三峡大坝船闸的过货能力。研究三峡船闸能够达到的最大过货能力的极限状态，由此才能清晰的认识三峡船闸过货能力究竟还有多大的发挥空间，才能合理调整大坝船闸的运行组织，使得三峡大坝船闸的设施能尽可能发挥最大的作用。

1.1.2研究意义

长江是横贯我国东西的水运大动脉，长江上的三峡工程更是大大改善了航道的航运条件，促进了我国水路运输的发展。三峡工程建成蓄水后，明显改善了重庆到宜昌600多公里川江的通航条件，使得长江航运得以蓬勃发展。航运的快速发展使得每年通过三峡的货运量逐渐攀升，然而货运量的急速增长，让过货量较早地超过了三峡大坝船闸的设计通过能力。如今三峡船闸通过能力已接近饱和，尤其在水运高峰时段船闸通过能力不足的问题表现得十分明显。提高三峡大坝船闸的通过能力，解决水运高峰时期三峡大坝船闸过船的拥堵，可以改善长江的通航状况，进一步繁荣长江的航运事业，同时促进周边区域经济的发展。

目前实际通过货物量远超原来设计通过能力，按照原来设计通过能力的计算，在过闸货物类型的设计上，计算时仅考虑了客船和货船，目前实际上却是客船、公务船、工程船等非货船与货船共同过闸；在每闸次船舶组合时仅设计计算了4*3000吨级船队，而目前实际上是5到8艘不同吨级的船舶混合过闸；运行方式上，设计计算时是按照V级运行不补水，而目前实际是IV级V级不补水及V级补水等多种运行方式；设计计算的接闸地点是导航墙，目前实际是V级运行在靠船墩(比在导航墙远580米)，IV级运行一闸室待闸。由于社会经济的快速发展，目前的船闸运行方式与当初计算设计通过能力时有所改变，实际测算理论通过能力在闸室有效利用面积、船型、货物种类、批量、流向以及船舶到达的不均衡性均与设计通过能力均有所不同。

本篇文章计算现阶段三峡大坝船闸的理论通过能力，得出三峡大坝的最大过货能力的极限状态，旨在提供给三峡大坝船闸运营管理者以及相关人员一些参考的数据。让其有针对性、有计划地调整船闸运行的规范性，对航道进行有效整治，对运行船舶进行规范，使三峡大坝船闸的通过能力能够得到最大限度的提升。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

长江是我国重要的内河航运通道，而且三峡大坝又是长江上的一项伟大工程，因此对三峡大坝做相关研究的学者数不胜数，对于三峡大坝船闸研究的学者也大有人在。由于本篇文章着眼于三峡大坝船闸的通过能力研究，据此搜集了解了一些关于三峡大坝船闸通过能力的文献。朱俊、张玮、余劲三人在《三峡船闸通过能力计算研究》中分析了船闸通过能力的主要影响因素，科学地标定了各计算参数数据，同时引进时间保证率的观念，对不同时间保证率下三峡船闸的通过能力分别进行了计算，计算结果解释了船舶的待闸现象^[1]。郭涛在《三峡船闸通过能力分析》一文中指出三峡船闸通过能力将逐渐饱和，难以满足快速增长的过坝运输需求，正确地核算三峡船闸实际通过能力，对于及时研究和决策采取相关措施满足过坝运输需求，保障沿江地区特别是西南地区经济社会平稳发展具有十分重要的意义^[2]。谈建平则分析了三峡大坝船闸的通航现状以及通航能力不足带来的影响，进而预测峡过闸货运量需求，由此得出了加快建设三峡过闸新通道和加快规划和建设长江沿江铁路的对策建议^[3]。

还有学者为充分发挥三峡大坝船闸的通航能力，提出了很多研究措施。钮新强、宋维邦、童迪三人在《充分发挥三峡船闸通过能力的途径》中建议有针对性、有计划地对尚未达到一级航道的河段进行治理，使过坝船舶的组成、尺度与三峡船闸的有效尺度相匹配，同时进行科学调度，是充分发挥三峡船闸通过能力的根本途径^[4]。谢凯、胡亚安、周丰三人则在《提高三峡船闸通过能力的若干措施研究》中认为科学合理地挖掘船闸的富余水深，增加过闸船舶吃水、提高船闸的通过量是当前需要解决的重要问题^[5]。他们实行理论研究与实船测试验证的方式，对三峡大坝船闸的运行方式和过闸船舶、船舶吃水控制标准计算方法、船舶过闸实船试验、过闸船舶吃水控制标准等开展了系统性的研究与分析工作。

1.2.2国外研究现状

国外也有很多学者关注船闸的拥堵问题，Wilson, WW; Dahl, BL; Taylor, RD三人研究了密西西比河上船闸的拥堵问题，并提出由于船闸堵塞而导致密西西比河航运延误的成本非常重要，并且会对该模式的航运产生不利影响，扩大船闸虽然会导致运输方式、河段和港口之间的重新分配，但可以降低成本^[15]。Yu, T. Edward; Sharma, Bijay P和 English, Burton C四人根据密西西比上游的船闸，利用包含船闸与坝之间空间相互依赖关系的空间面板分析，检验所选因素对船闸与坝系统延迟的影响，得出由于密西西比河上游的直接影响和溢出效应，船闸处理时间每增加1%，船闸延迟就会增加2.3%^[16]。Smith, L D; Sweeney, D C; Campbell, J F. 构建了一个离散事件仿真模型，以研究替代决策规则和基础设施改善对缓解密西西比河上游导航系统部分路段交通拥堵的影响^[17]。该模型表明，通过调度船闸活动(特别是在高峰时段)，以平均处理时间最短的船闸为优先级，以船闸设置时间(通过船闸在队列中花费的时间进行调节)，可以实现性能的一些改进。国外没有直接对三峡大坝船闸的研究，但是也为本文提供了一些关于船闸的设施使用以及组织运行的思路。

1.3主要研究内容及技术路线

本文先通过分析三峡大坝船闸的现状以及影响三峡大坝船闸通过能力的因素，得出现在三峡大坝船闸所存在的问题，再对三峡船闸的运行组织过程进行研究，接着确定计算参数，最后根据理论通过能力的公式，测算三峡大坝船闸的理论通过能力。为了对比公式所得出的理论通过能力，利用Anylogic仿真软件在分船型的情况下计算出三峡船闸的理论通过能力，对比得出最终结论。根据所得结论提出一些改善三峡大坝船闸通过能力的建议。具体体现在以下方面：

1）详细分析三峡大坝船闸现在的状态，以及有哪些影响因素导致了三峡大坝船闸的现状，由此得出三峡大坝船闸所存在的问题，可以进一步深入了解三峡大坝船闸并找到改善其通航能力的方法，提高长江三峡大坝船闸的过货能力、使得长江的航运条件更加完善。

2）三峡大坝船闸的运行组织过程也是影响其通过能力的重要原因。三峡大坝船闸的运行方式和调度规则的调整优化可以加强其过货能力，所以要对三峡大坝船闸的运行组织过程进行细致的分析。