船體下沉量與船舶航行安全

朱建和+王峰

摘要：為了保障船舶航行安全，防止船舶擱淺，對(duì)船舶下沉量的有關(guān)理論，船舶在淺水中的下沉量、吃水及縱傾變化進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：淺水效應(yīng)；船體下沉量；船舶縱傾變化

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）27-0097-02

一、引言

隨著世界造船工藝的不斷進(jìn)步及船東追求效益的最大化，船舶噸位不斷增大，船舶吃水也不斷地增加。近年來(lái)，大型船舶在港口淺水區(qū)域擱淺和觸底等海上事故時(shí)有發(fā)生，其中一個(gè)重要的原因就是對(duì)大型船舶在淺水區(qū)域航行時(shí)的下沉量（squat）估計(jì)不準(zhǔn)，不能事先準(zhǔn)確地確定適合安全航行的富余水深（under keel of clearance），造成了海上事故。本文通過(guò)在淺水水域中航行船舶的船體下沉量的有關(guān)理論，以及船舶在淺水水域中首尾吃水及縱向傾斜量的變化進(jìn)行研究，旨在保障船舶航行安全，防止船舶擱淺。

二、淺水效應(yīng)現(xiàn)象

1.淺水區(qū)的概念。根據(jù)實(shí)際操船經(jīng)驗(yàn)，船舶出現(xiàn)淺水效應(yīng)的水域跟船舶的幾何尺度、船舶速度大小、船舶方形系數(shù)、船舶所經(jīng)航行區(qū)域水深等幾個(gè)因素存在著直接的關(guān)系。以上幾個(gè)因素對(duì)船舶的影響不是單一的，通常是幾個(gè)因素的同時(shí)作用而導(dǎo)致船舶的淺水效應(yīng)十分明顯；吃水較小的船舶，在水深較淺區(qū)域航速較低時(shí)并不一定出現(xiàn)淺水效應(yīng)；吃水較大船舶在較深水域以較高船速航行時(shí)，卻有可能出現(xiàn)淺水效應(yīng)。我們通常所指的淺水區(qū)域是指水域水深與船舶吃水之比小于1.5倍時(shí)，在該比值范圍內(nèi)，淺水效應(yīng)現(xiàn)象明顯，船舶吃水增加，船速下降，負(fù)荷增加，可能造成船殼觸底擱淺，造成事故。

2.船舶產(chǎn)生淺水效應(yīng)的形成原因。淺水中的船舶，其周圍的水體與船體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)與深水水域有很大的不同。深水水域航行時(shí)，無(wú)論船首還是船尾部分水的流動(dòng)具有在三維空間內(nèi)流動(dòng)的特點(diǎn)，船首處水流既有斜向向后，又有明顯向下的特點(diǎn)，船尾處水流既有斜向向后，又有明顯向上的特點(diǎn)；但是當(dāng)船舶航經(jīng)淺水域時(shí)，由于船舶首尾部分水的流動(dòng)因空間受限，水流的流態(tài)發(fā)生明顯的變化，從原來(lái)的三維空間內(nèi)流動(dòng)變?yōu)橄騼蓚?cè)或由由兩側(cè)同時(shí)向內(nèi)的二維平面式流動(dòng)，使在淺水區(qū)域船體外部水壓力的大小和分布情況發(fā)生較大變化，導(dǎo)致淺水效應(yīng)的發(fā)生。

三、船體下沉原因及其影響因素

1.船體產(chǎn)生下沉現(xiàn)象的原因。當(dāng)船舶在靜水中漂浮時(shí)，船舶所受浮力與重力相等，受力平衡，船舶以某一固定吃水漂浮在水面上；當(dāng)船舶向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，被船舶推開(kāi)的水流一部分沿著船舶左右舷的舷側(cè)流動(dòng)，另外一部分水流沿著船舶底殼流動(dòng)，水的流動(dòng)會(huì)引起船殼水下壓力下降，導(dǎo)致產(chǎn)生船體下沉現(xiàn)象。船舶在淺水區(qū)域航行時(shí)，由于淺水效應(yīng)，船體下沉更為明顯。

2.引起船體下沉及縱傾變化的影響因素。前進(jìn)中的船舶，其周圍水的壓力變化及水位高低沿船長(zhǎng)分布情況與船舶形狀密切相關(guān)，此外還與相對(duì)水深（該水域水深與船舶吃水比）、受限水域的范圍、船舶速度等因素有關(guān)，如果船型越肥大，船速越高，相對(duì)水深越小，船體周圍水的壓力變化越劇烈，船體在波動(dòng)的水中，要取得重力與浮力的平衡，會(huì)比船舶在靜水中產(chǎn)生更大的船體下沉。又因?yàn)槭孜泊瑲さ男螤畈煌?，產(chǎn)生的首尾下沉量不一致，于是就導(dǎo)致產(chǎn)生了船舶縱向吃水的變化。

3.淺水水域中船體下沉量的估算。船舶在受限水域的淺水區(qū)航行，具有獨(dú)特的航行規(guī)律及特點(diǎn)，在常見(jiàn)的航海事故中，因?qū)Υw下沉量及船舶縱傾的估計(jì)不足導(dǎo)致船舶觸底或擱淺等海損事故比較常見(jiàn)。如“APL Vanda”號(hào)集裝箱船離開(kāi)勒阿弗爾，駛往南安普頓港途中，由于船舶動(dòng)力不足，船長(zhǎng)對(duì)船舶的下沉量估計(jì)不足和船舶富裕水深計(jì)算失誤等原因?qū)е隆癆PL Vanda”輪在West Bramble Bank遭遇擱淺，最終該船在8艘拖船的努力之下被轉(zhuǎn)移到深水區(qū)域。

航行在淺水水域的船舶，較為準(zhǔn)確地估算船體下沉量是保證船舶航行安全的重要技術(shù)問(wèn)題。對(duì)于估計(jì)方法有以下四種：第一種是基于流體力學(xué)理論，結(jié)合具體船舶的操作操縱性能，利用計(jì)算機(jī)采用一定的計(jì)算方法進(jìn)行模擬研究，探尋其規(guī)律；第二種是針對(duì)某一具體經(jīng)典船型（如30萬(wàn)噸VLCC），開(kāi)展船模實(shí)驗(yàn)，以船模試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，根據(jù)船舶操縱性的理論，對(duì)船舶下沉量進(jìn)行分析和研究；第三種則是借助現(xiàn)有的實(shí)船，在實(shí)船船首或船尾安裝雷達(dá)液位傳感器、DGPS等先進(jìn)的檢測(cè)儀器，實(shí)際檢測(cè)船舶在不同水域，不同航行狀況下的船舶下沉量，該方法可以得到比較具體的數(shù)據(jù)；第四種是綜合利用現(xiàn)有的理論研究方法和實(shí)驗(yàn)研究成果，給出一些經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

（1）船體下沉量的經(jīng)驗(yàn)公式：①一般當(dāng)船舶船速為10kn及以下時(shí)，船舶下沉量=10%吃水，該方法適宜于船舶速度較低時(shí)的大概估算，并不適用于所有船舶。②在一定的速度范圍內(nèi)，船體下沉量與船速呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，船舶每1kn前進(jìn)速度船體下沉0.06m，船舶在10KN左右速度時(shí)，船體下沉約為0.6米。③由于船舶下沉量影響因素中，船速的影響最大，可以用以下公式估算船舶下沉量，下沉量=V2/100（式中V的單位是kn，此公式說(shuō)明下沉量與船速平方成正比，但并沒(méi)有考慮到船型、水深等問(wèn)題）。

（2）船體下沉量的估算公式，利用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)船舶下沉量的估算可能誤差較大，相比較而言，利用船舶下沉量的估算公式，同時(shí)考慮了船舶的船長(zhǎng)、船寬、船舶吃水、船舶排水量、航道水深、船舶航速、船舶方形系數(shù)、船舶縱向吃水差、水深傅汝德系數(shù)等因素，進(jìn)行定量的數(shù)值計(jì)算更具科學(xué)性和實(shí)用性。幾種常見(jiàn)的船體下沉量估算公式：

四、船體下沉量與船舶航行安全

1.船體下沉量對(duì)船舶航行安全的影響。船舶在淺水水域航行時(shí)會(huì)造成船體下沉和縱向傾斜增大，船速下降、舵效變差、旋回性變差等現(xiàn)象。船舶在淺水水域航行時(shí)，對(duì)船體下沉量數(shù)值考慮不足則可能造成船舶觸礁、觸底、擱淺事故，船舶在淺水區(qū)的操縱性能變差則可能造成船舶失控或者船舶之間的碰撞等海損事故，對(duì)船舶的航行安全產(chǎn)生極大地影響。

2.如何克服船體下沉對(duì)船舶安全造成的影響。通過(guò)分析，船體下沉量與受限水域的寬度、船舶對(duì)水速度、船體形狀、水深及舷外水的密度等有著密切的關(guān)系，其中船舶的方形系數(shù)和船速是影響船體下沉的最主要兩個(gè)因素，通常船舶水域條件，船舶方形系數(shù)因素是不能變化的，只有船舶的裝載狀況，船舶靜態(tài)吃水在裝貨前是可以調(diào)整的，航行中船速是可變的。所以裝貨前，考慮所經(jīng)航行區(qū)域的淺水情況，保持船舶合適的吃水及縱傾，通過(guò)淺水區(qū)域時(shí)控制好船速，是保證船舶順利通過(guò)淺水水域時(shí)安全航行的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)：

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Abstract：In order to ensure ship navigation safety，to prevent the ship ran aground，relevant theories on the sink of ship，the sink of ship in shallow water，the draft and trim changes were studied.

Key words：shallow water effect；the sink of the hull；trim changes