淺水水域航行作為限制水域航行的一種航行狀態(tài)。有其獨(dú)特的航行規(guī)律,諸如船速降低、應(yīng)舵性下降、旋回性下降、船體下沉和縱傾變化的增大等。而在淺水水域航行時(shí),因?qū)Υw下沉量考慮不足造成船舶拖底、觸礁、擱淺和失控等,也是較常見的一種海損事故。如:1992年8月7日,英國(guó)皇家郵船伊麗莎白二號(hào),從OakBluffs到紐約的途中,在Vineyard Sound的出口處,由于船長(zhǎng)和引航員對(duì)船舶高速航行時(shí)的下沉量和富余水深計(jì)算失誤等原因,造成船舶在Cuttyhunk島以南2.5n mail處擱淺,損失慘重。
因此,如何正確認(rèn)識(shí)和確定船舶在淺水域航行時(shí)的船體下沉量及富余水深,確保航行安全,是駕駛?cè)藛T值得重視和認(rèn)真商榷的。
1淺水水域航行中的船體下沉
有學(xué)者實(shí)驗(yàn)研究表明,處于一定狀態(tài)的船舶,在運(yùn)動(dòng)中影響其所受水動(dòng)力大小的重要參數(shù)之一是絕對(duì)水深與吃水之比值(H/d),即相對(duì)水深。H是指海底至水面的高度;d是指船舶吃水。而怎樣確定淺水水域,目前尚無統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。但就從水深影響船體阻力的試驗(yàn)結(jié)果來看,通常用相對(duì)水深(H/d)的比值來區(qū)分淺水與深水,即H/d<4時(shí),可近似的認(rèn)為是淺水水域;反之,當(dāng)H/d>4則為深水水域。
船舶在深水水域航行時(shí),與之相對(duì)運(yùn)動(dòng)的水流是從船體的兩舷和底部由船首流向船尾的三向度水流。當(dāng)船舶駛?cè)霚\水水域時(shí),由于流入船底下面的水流受到限制而被推向船體的左右兩側(cè)時(shí),會(huì)因阻力增加,導(dǎo)致船速下降、船體下沉。船體下沉量與底水深度和航速緊密相關(guān);底水深度愈小,下沉量愈大,船速愈快,下沉量愈大,首下沉量大于尾下沉量。
2下沉量(SQUAT)的確定
對(duì)于大多數(shù)船舶而言,在淺水水域中航行時(shí),為保證航行安全,防止船舶擱淺觸礁等事故的發(fā)生,駕駛?cè)藛T對(duì)船體下沉量需有精確計(jì)算(尤其是大型高速船的船體下沉量),以便留有充分的富余水深。下面有幾種方法以供參考。
2.1經(jīng)驗(yàn)方法
經(jīng)驗(yàn)方法的出處有多種,如出自于“商船航運(yùn)通告(M930)”的經(jīng)驗(yàn)方法是:在淺水水域航行而船速較高的船舶,應(yīng)避免因船體下沉而造成擱淺的危險(xiǎn),10kn速度應(yīng)有吃水的10%的增加量。當(dāng)速度降低時(shí),下沉量也減少。
又如出自于“英版航海手冊(cè)”推薦的三個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式,分別為:
下沉量(Squat)=10%吃水 (1)
下沉量(Squat)=每5kn前進(jìn)速度下沉0.3m (2)
下沉量(Squat)=V2/100(m),式中V=kn (3)
式(1)方法與商船航運(yùn)通告(M930)的經(jīng)驗(yàn)方法相同,一般指船速為10kn的條件下的下沉量估算,但并不適用于所有船速。
式(2)方法說明下沉量與船速的增加呈線性關(guān)系,但下沉量并非與船速一直保持為呈線性關(guān)系,因此,式(2)僅適用于某一速度段范圍內(nèi)。
式(3)方法說明下沉量與船速的平方呈正比關(guān)系,但沒有考慮到船型、水深等因素的影響。
不難看出,作為一種經(jīng)驗(yàn)公式,是有局限性的,其所導(dǎo)致的誤差也可能是很大的。但從告戒駕駛?cè)藛T應(yīng)注意船舶在淺水水域航行時(shí)有下沉量,要注意留有足夠的富余水深來說,是起到積極作用的。
2.2簡(jiǎn)化的經(jīng)驗(yàn)公式
在考慮到水深、船速、船型等因素的影響下,有學(xué)者經(jīng)過推導(dǎo)并試驗(yàn)后,得出簡(jiǎn)化公式如下:
受限水域下沉量 S=2Cb·V2/100 (4)
開闊水域下沉量 S=Cb·V2/100 (5)
式中:V為船速(kn);Cb為船舶方型系數(shù)(▽/LppBd);▽為排水量;Lpp為垂線間長(zhǎng);B為船寬;d為吃水。
2.3理論方法
在考慮到影響船體在淺水水域下沉的各種因素后。有學(xué)者提出了一些純理論計(jì)算下沉量的方法,其中具有代表性的是Tuck/Hooft計(jì)算公式。(這些理論計(jì)算公式在船模試驗(yàn)時(shí),下沉量的計(jì)算精度很高,但與實(shí)船做對(duì)比時(shí),還是有一定出入)。
Tuck理論是在細(xì)長(zhǎng)體(瘦形船舶)假定的基礎(chǔ)上,將速度勢(shì)在船體附近及遠(yuǎn)場(chǎng)作漸進(jìn)展開,根據(jù)兩速度勢(shì)的匹配求解,并最終得出淺水航行中船體重心的平均下沉量的計(jì)算公式。
《上海港引航實(shí)用手冊(cè)》中根據(jù)這種理論,也推薦了船舶下沉量計(jì)算公式,即將船體下沉量S分解為兩個(gè)分量分別計(jì)算,其和即為船體下沉量Squat=S1+S2?,F(xiàn)將其公式介紹如下:
(1)求平均下沉量(Tuck/塔克公式)
Sl=1.5Lpp[Cb/(H/d)·(Lpp/B)]·Fr2 (6)
式中:Lpp為垂線間長(zhǎng)(m);B為船舶型寬(m);Cb為方型系數(shù);H為航道水深(m);d為船舶吃水(m);Fr為船長(zhǎng)度佛汝德數(shù)();Vs為船速=V×0.5144(m/s);g為重力加速度(9.807m/s2)。
由此可見.船體下沉量與水深、船舶尺度、船舶方型系數(shù)及船速是有關(guān)的.特別是與方型系數(shù)和船速是緊密相關(guān)的。
(2)求縱傾變化引起的艏傾量(Hooft/霍夫特公式)
式中:Fnh為水深佛汝德數(shù)();Vs為船速(V×0.5144m/s);H為水深(m);g為重力加速度(9.807m/s2);▽為排水體積(Lpp·B·d·Cb)。
當(dāng)然,還有其他學(xué)者導(dǎo)出的求平均下沉量S1的計(jì)算公式,經(jīng)過演算,與上面介紹的Tuck公式計(jì)算結(jié)果基本一致,即:平均下沉量
Sl=lLpp·{1.5·(d/H)·[Cb/(Lpp/B)]·Fr2](m) (8)
式中:Lpp為垂線間長(zhǎng);d為船舶吃水;H為水深;Cb為方型系數(shù),▽/LBd(▽排水量,L垂線間長(zhǎng),B船寬,d吃水);Fr為船長(zhǎng)度佛汝德數(shù)(Froude Number=;Vs為船速(m/s),1kn=0.5144m/s;g為標(biāo)準(zhǔn)重力加速度(9.807m/s2)。
3水深受限制時(shí)的吃水差調(diào)整
船舶航行時(shí)會(huì)出現(xiàn)的船體下沉現(xiàn)象,受相對(duì)水深(H/d)的大小而變化,相對(duì)水深越小,首尾下沉量越大。有資料介紹,當(dāng)佛汝德數(shù)Fn≤0.15時(shí),首下沉量大于尾下沉量。大型船舶因吃水大,進(jìn)出港或過淺灘時(shí)受實(shí)際水深的制約,往往需要通過調(diào)整吃水差,盡可能的保持平吃水,以滿足最大裝貨量的需求。此時(shí),若將船舶調(diào)整為平吃水,處于無縱傾的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài),航行時(shí)將會(huì)出現(xiàn)首傾。
有艘VLCC船模的試驗(yàn)表明,當(dāng)相對(duì)水深(H/d)≥1.3左右時(shí),預(yù)先給船舶以適當(dāng)?shù)奈矁A,則可利用淺水航行時(shí)所引起的首傾,使船舶自然形成平吃水狀態(tài)。(可惜沒有給出一個(gè)大概尾傾的數(shù)值,以供實(shí)際使用時(shí)參考)。但應(yīng)注意的是,當(dāng)駛?cè)胂鄬?duì)水深(H/d)≤1.2的淺水水域時(shí),若預(yù)先有0.3L%的初始尾傾,則不會(huì)自然形成平吃水狀態(tài),反而會(huì)保持并增大尾傾狀態(tài)。
船舶是否具有適當(dāng)?shù)某运?,不但?duì)淺水水域航行有實(shí)際意義,同時(shí)也對(duì)船舶操縱有積極作用。在淺水水域、狹窄航道和復(fù)雜航區(qū)航行時(shí),特別是在狹窄水道航行的情況下,船舶是否具有好的航向穩(wěn)定性和應(yīng)舵性是首要的,旋回性則次之,船舶如保持有適當(dāng)?shù)奈矁A,便可獲得較好的航向穩(wěn)定性和應(yīng)舵性。如船舶產(chǎn)生首傾。雖提高了旋回性,卻降低了航向穩(wěn)定性,不論何種原因產(chǎn)生了首傾,都將使航向穩(wěn)定性變壞。
4船體下沉量的幾種實(shí)例演算
(1)R.E輪(3802TEU)半載出港,分別用式(6)和(8)求船體下沉量
Lpp=259.90m,B=32.20m,d=10.50m,▽=54140MT,H=12.00m,V=12kn;
用式(6)求船體下沉量S1:
S1=lL·{1.5·(d/H)·[Cb/(L/B)]·Fr2}=0.39m
用式(8)求船體下沉量S1:
S1=1.5L·[C6/(H/d)·(L/B)]·Fr2=0.39m
經(jīng)過計(jì)算可以證明,用式(6)或者用式(8),其計(jì)算結(jié)果是一樣的。
(2)ZH輪(1686TEU)滿載出港過淺水水域,用改變船速求船體下沉量
Lpp=187.36m,B=28.40m,d=10.728m,▽=42890MT,H=12.00m,V=15kn。
用式(6)求船體下沉量S1:
Sl=1L·{1.5·(d/H)·[Cb/(L/B)]·(Fr)2}=0.93m
同樣的條件,如改變船速,將其降至7kn,則佛汝德數(shù)Fr=0.084,船體下沉量S=0.20m。
(3)YH輪(5446TEU)用式(6)(7)求滿載情況下的船體下沉量S1及艏傾量S2:
Lpp=267.00m,B=39.80m,d=14.03m,▽=93888MT,H=16.00m,V=12kn。
用式(6)求船體下沉量S1:
Sl=1.5L·[Cb/(H/d·L/B)]·Fr2=0.481m
用式(7)求縱傾變化引起的艏傾量S2:
求YH輪在滿載情況下進(jìn)航槽的船體下沉量S:
S=S1+S2=0.848m
條件不變,僅船速減至7kn,則Fr=0.0704,Sl=0.165;Fnh=0.287,S2=0.113;S=0.278m。
條件不變,僅船速加至15kn。則Fr=0.151,S1=0.752;Fnh=0.616,S2=0.639;S=1.391m。
通過上述實(shí)例計(jì)算.不難看出影響船體下沉量變化的兩大因素是:船舶的方型系數(shù)和船速,而相比之下,船速引起的變量要大于方型系數(shù)的變量。就船舶而言,船速的快慢是直接因素,在一定的條件下(水域條件、裝載狀況和吃水、方型系數(shù)等均不變的情況下)只有船速是可變的,也是唯一的變量,船速快,下沉量大;船速慢,下沉量小。所以控制好船速,是保證船舶順利通過淺灘、淺水水域時(shí)安全航行的關(guān)鍵。
5富余水深(UKC)的確定
富余水深UKC(Under Keel Clearance)是船舶在通過淺灘或在淺水水域航行時(shí)船底以下必須保留的水深余量,是防止船舶拖底、觸底、擱淺和失控的基本要素。當(dāng)船舶航行在淺水水域時(shí),因其周圍流場(chǎng)的變化.使船體下沉、縱傾變化和操縱性能變差,為了避免船舶拖底、觸底、擱淺、和失控等險(xiǎn)情的發(fā)生,船舶在進(jìn)入淺水水域航行前,必須充分地考慮到船底與水底間的安全距離,即富余水深值。由于影響富余水深的因素較多,且具有一定的不確定性,要求精確測(cè)算很難作到,如果富余水深保留過多,在經(jīng)濟(jì)上將會(huì)受到一定的損失。因此用確定船舶過淺點(diǎn)、航道時(shí)的富余水深值來保證船舶航行安全是行之有效的。
富余水深在取值時(shí)還應(yīng)考慮以下因素:
(1)水位誤差:由潮汐預(yù)報(bào)、航道測(cè)量、氣候氣壓等引起的誤差。由于受測(cè)量?jī)x器誤差、測(cè)深點(diǎn)位置的誤差、海水密度變化的影響都會(huì)影響到海圖水深資料的精確度。國(guó)際測(cè)深基準(zhǔn)容許的誤差為:水深0~20m為0.3m,水深20~l00m為1.0m;100m以上的水深為10%。
另外氣壓變化也會(huì)對(duì)水深產(chǎn)生影響,如氣壓上升,海平面受到的壓力加大,水位就比正常情況下降。反之,氣壓下降,水位就升高。
風(fēng)力的大小、風(fēng)向持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短也會(huì)影響潮高和潮時(shí)。
(2)搖擺增量:船舶在風(fēng)浪中左右搖擺,導(dǎo)致單側(cè)瞬間吃水增大,特別是江河人??谔幱杏坷擞窟M(jìn)的港口,必須要考慮到船體縱橫搖擺和升沉的合成運(yùn)動(dòng)所增加的下沉量。
(3)船體下沉量:船舶在航進(jìn)中產(chǎn)生的物理現(xiàn)象,淺水航道更為明顯。因此要根據(jù)本船的實(shí)際情況,求出在不同的水深、吃水、航道寬度、航速、咸淡水密度的變化等條件下的下沉量。
上述三項(xiàng)中以(3)最重要,不但數(shù)值大,變量大,且不易準(zhǔn)確掌握。一旦船體下沉量確定后,應(yīng)怎樣來確定船舶航經(jīng)淺水水域時(shí)的富余水深?
為了方便使用和掌握富余水深的取值,各有關(guān)當(dāng)局都會(huì)依據(jù)本港的具體情況制定標(biāo)準(zhǔn),有的為固定值,有的以吃水的比值定量,也有的以船舶噸位分級(jí)和劃分航區(qū)采用不同標(biāo)準(zhǔn)等。
如歐洲引航協(xié)會(huì)建議采用以吃水的比值定量來確定富余水深值.即:海外水道:船舶吃水的20%;港外航道:船舶吃水的15%;港內(nèi)航道:船舶吃水的10%。
我國(guó)航海界的經(jīng)驗(yàn)是,在考慮了船體下沉量后,再留有0.50m~1.00m的船底水深,即:
富余水深=船體下沉量+(0.50m~1.00m)。
2005年6月開始實(shí)行的《長(zhǎng)江口深水航道(10m)通航安全管理辦法》(滬海通航[2005]345號(hào))第七條富余水深要求:“船舶應(yīng)保留足夠的富余水深,船舶富余水深應(yīng)當(dāng)不小于船舶吃水的12%?!?/SPAN>
作者:董存義 吳東江 來源:航海技術(shù)