論南京以下深水航道進江海輪的航行安全

(江蘇海事職業(yè)技術學院航海技術學院，江蘇南京　211170)

1　問題的提出

2016年以來，隨著南京以下長江深水航道的開通，5萬噸級的大型船舶可以全天候地進抵南京長江大橋下，這固然會對江蘇的深度改革開放、長江經(jīng)濟帶的建設帶來巨大的經(jīng)濟效應和社會效益。但是就通航安全而言，卻帶來了一些問題，進江的深吃水海輪船底的富裕水深不足，出現(xiàn)的淺水效應明顯，容易擦淺、擱淺，大型船舶在沿岸航行時將會出現(xiàn)明顯的岸壁效應，容易造成航向和船位失控。由深吃水海輪引起的巨大的水動力會影響附近船舶的航行安全，即給他船造成明顯的船間效應，容易造成船舶間的碰撞。因此，大型船舶在深水航道中航行存在著較大的通航風險，大型船舶在深水航道中通航安全保障是一個極具研究價值的課題。

2　南京以下長江深水航道通航條件分析

2.1　航道尺度分析

南京以下長江深水航道,上起南京長江大橋，下至蘇滬交界處附近的瀏河口，全程約280公里。在南京以下長江航段，設置深水航道，在深水航道內(nèi)設置上、下行通航分道和分隔帶，分別占航道寬度的五分之二、五分之一。在不具備設置分隔帶條件的深水航道內(nèi)，設置分隔線。深水航道一般情況下寬度達500米，不足500米的以實際航寬為準但不得低于200米。另一方面，在深水航道外設置一部分推薦航路(沿岸通航帶)。到2015年底，深水航道二期工程結束，深水航道最小水深已達12.5米，推薦航路最小水深已達4.5米。

2.2　大型船舶航路分析

依據(jù)《長江江蘇段定線制規(guī)定(2014)》，“大船”指長度達到80米的船舶，而文中的“大型船舶”特指5萬載重噸以上的任何類型的船舶，屬于“大船”的范疇。

深水航道主要供大船使用，大型船舶一般情況下走深水航道，在深水航道內(nèi)，所有船舶一律按各自靠右的航行原則沿規(guī)定的通航分道行駛，并盡可能遠離分隔帶或分隔線。[1]

大型船舶因追越需要可以短時間占用分隔帶水域。大型船舶在經(jīng)過通航條件受到限制的水域前，或自身操縱能力受到限制時，應向主管機關設置的船舶交通管理中心報告，在無礙他船行駛且采取必要的安全措施后，可以行駛在左側分道，但駛過后應及時恢復到規(guī)定的右側分道內(nèi)行駛。大型船舶如果航速低于規(guī)定的通航分道最低航速，應進入推薦航路航行。小船(長度不足80米)一般情況下必須按規(guī)定的推薦航路行駛，如果沒有推薦航路可走，應走通航分道，但應盡可能沿分道右邊緣行駛。

2.3　大型船舶的限速規(guī)定分析

在不危及他船或設施安全的情況下，船舶在通航分道內(nèi)正常航行時，最高航速28公里/小時；最低航速7.5公里/小時。

3　大型船舶操縱性能分析

大型船舶單位排水量所分攤的主機功率要比其他船小得多，因而停船性能差，慣性沖力大。造成其制動、控制船舶的能力遠遜于普通萬噸輪。其加速、減速、停船、倒船等需時較長。大型船舶在常速中停車，降速到僅能維持舵效的速度時，停船距離約為船長的23倍，大型船舶在常速航進中倒車，停船距離約為船長的12倍。

大型船舶船底富裕水深小，相當于航行在淺水區(qū)，與深區(qū)相比，舵力下降得多、應舵遲鈍、舵效差，尤其是低速航行時，很難維持舵效。由于慣性大，反應遲鈍，所以轉(zhuǎn)向、避讓、把定時需早用舵，用大舵角，同時與普通萬噸輪相比還需留有更大的回旋余地。

大型船舶由于長寬比小、方型系數(shù)大(Cb>0.8)，因而航向穩(wěn)定性差。風流作用面積大，風流中的保向能力明顯下降，航跡略成S型軌跡，在會船時不易穩(wěn)住航向，因此必須與他船保持更大的距離。

大型船舶在受限水域中航行，容易出現(xiàn)的通航風險：(1)由于船底的富裕水深不足，出現(xiàn)的淺水效應明顯，容易擦淺、擱淺；(2)大型船舶在沿岸航行時將會出現(xiàn)明顯的岸壁效應，船頭易被推向江心、船身易向岸邊吸攏，造成航向和船位的失控；(3)大型船舶會引起的巨大的水動力，從而給他船造成明顯的船間效應；排斥、吸引他船，致使他船偏轉(zhuǎn)，從而造成碰撞。

4　南京以下長江深水航道大型船舶防范擦底事故的操控舉措

以吃水10米的大型船舶為例，南京以下長江長江深水航道最小水深為12.5米，那么大型船舶的實際水深與吃水之比H/d為1.25，由于H/d<2的航段就屬于對船舶的自控能力造成明顯影響的淺區(qū)，因此本航段將對大型船舶造成明顯的淺水效應。[2]

由于大型船舶的船底過水斷面小，引起船底相對水流速度增大，水壓力降低船體下沉，更易擦淺。相對水深H/d越小、船速越大、方型系數(shù)越大，則下沉量越大。理論研究和實船試驗表明，內(nèi)河航船吃水增量可用下列公式估算：

Δ　 (1)

然而，式1以L/B近似地代表船型，并忽略了水道寬度的影響，僅是個粗略公式，不能直接用于本航段。

南京以下航段船舶吃水增量公式的推導：參照美國《船舶操縱》文獻中的大型船舶Δd理論公式和南京長江油運公司Δd經(jīng)驗公式，結合南京以下長江的多年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，可得出Δd與Cb成線性關系的的結論，進而設定南京以下長江航船吃水增量公式：

Δd=kCbV2/200

(2)

系數(shù)k由H/d和B0/B(相對水道寬度)決定(V-公里/小時，Δd-米)。

表2　船舶吃水增量系數(shù)k表(以B0/B、H/d為引數(shù)查取)

例如：某船船寬B=40米、吃水d=10米、方型系數(shù)大Cb=0 .82、H/d=1.25、航經(jīng)水道寬度B0620米，B0/B=15.5，查表得k=1.8。

大型船舶若行駛船速V=20公里/小時，算出Δd=2.96米，由于富裕水深才2.5米，船底必將坐底；若行駛船速V=公10里/小時，算出Δd=0.74米，則船底不會坐底。

因此，大型船舶必須根據(jù)當時的富裕水深，決定采取的最高船速。盡量慢速航行以減小下沉量。航行在淺水水域中，駕駛員要做到及時的調(diào)整吃水差，盡量做到平吃水。盡量占據(jù)較深水域，如暫時使用分隔帶。

5　南京以下長江深水航道大型船舶防范失控事故的操控舉措

5.1　大型船舶的岸壁效應定性分析

岸壁效應是指船舶接近岸壁行駛時，岸推船首、岸吸船身，造成船舶偏向和偏位的現(xiàn)象。船距岸越近、船速越高、方型系數(shù)越大、相對水深越淺、相對水道寬度越窄，岸壁效應就越明顯。在上述諸影響因素中，方型系數(shù)、相對水深和相對水道寬度屬于客觀因素，駕駛員無法改變，為預防岸壁效應，在近岸航行時駕駛員所能做的只能是“保持岸距、慢速行駛”。

大型船舶沿岸航行時，由于方型系數(shù)大、相對水深淺、相對水道寬度窄的原因，將會受到明顯的岸壁效應，一旦操縱失誤，很容易導致船舶失控。

5.2　大型船舶的岸壁效應定量分析

所采集的煒倫1號(方型系數(shù)Cb0=0.71)在南京以下深水航道沿岸航行實測數(shù)據(jù)如表3。

表3　岸壁效應明顯時的船岸距DCA與船速V關系表

經(jīng)數(shù)據(jù)擬合得出Cb0=0.71時的DCA與V關系的數(shù)學模型DCA≈1.8V1.5，進而可推出任何船型的船舶明顯出現(xiàn)岸壁效應時的船岸距公式DCA≈1.8mV1.5(m為方型系數(shù)調(diào)節(jié)值)：

m=Cb/Cb0

(3)

例如，煒倫10號(Cb=0.8)，則m=0.8/0.71，DCA≈1.8V1.5×0.8/0.71=2.0V1.5。然后根據(jù)本船的速度大小，確定應保持的船岸距最小值，即確定離岸的船位。

分析表3可以得出如下結論：船速越大、方型系數(shù)越大，保持的岸距應越大。大型船舶屬于方型系數(shù)大的船舶，為防岸壁效應，應控制好速度。

5.3　大型船舶沿岸航行時防范失控事故的操控舉措

壓舵是抵抗岸壁效應進行保向保位的最有效方式。貼近岸壁航行時，通常無法回避岸壁效應，可采取壓舵保向的措施來彌補，向岸壁方向壓一適當?shù)膬?nèi)舵，使F岸吸力與舵力在重心處的橫向反移力P3Y相等，使舵力矩MP與M岸推相等，從而實現(xiàn)“船頭不外偏、船身不內(nèi)吸、航跡平行于岸線”的目標。實踐證明：當船壓某一舵角正好能保向時，往往也是“舵力矩=岸推力矩”之時。

如果壓舵角δ壓>15°，說明船岸距過小。所以航線岸距的最小值確定的依據(jù)為保向岸壁效應的作用不致使δ壓>15°。

6　南京以下長江深水航道大型船舶防范船間碰撞的操控舉措

6.1　大型船舶的船間效應定性分析

船間效應主要是指當兩船間距較小時出現(xiàn)的吸引、排斥和轉(zhuǎn)頭現(xiàn)象。船間距DCC越小、船速V越大、船型越肥大、水域越淺窄，船間效應就越明顯；兩船相持時間越長、碰撞危險持續(xù)的時間就越長，因此兩船同向行駛的危險度要大于對駛的危險度；不同大小的兩船互相接近時小船所受影響大。在上述諸影響因素中，船舶大小及形狀、水道條件屬于客觀因素，駕駛員無法改變，為預防船間效應，駕駛員所能做的是“保持船間距、慢速行駛、縮短持續(xù)時間”。

6.2　大型船舶的船間效應定量分析

當(船間距)DCC﹤L1+L2(兩船船長之和)時船間效應出現(xiàn)，當DCC﹤1/2(L1+L2)時船間效應明顯從而出現(xiàn)碰撞危險。以長度均為150 m的兩大型船舶會遇為例，如要完全避免船間效應，那么船間距至少為300 m，在南京以下長江深水航道總寬才500米，航道寬度達不到這一要求，因此兩大型船舶會遇只能做到避免顯著的船間效應，即滿足DCC≥1/2(L1+L2)的條件，保持間距150米。[4]

根據(jù)船速確定最小船間距DCC：運用控制變量法，當影響船間效應的其它因素一定時，分析DCC與船速V的關系。煒倫10號與菱洲輪相遇，出現(xiàn)顯著船間效應時的船間距DCC與速度V的關系如表4。

表4　出現(xiàn)船間效應時的船間距DCC與速度V的關系表

運用Excel軟件進行數(shù)據(jù)擬合，得出DCC與V關系的數(shù)學模型：

DCC≈0.3V2+1.2V

(4)

從式4中可看出：DCC與V2近似地成正比。

根據(jù)方型系數(shù)確定最小船間距DCC：現(xiàn)給定船速15 km/h，其它條件同上,當影響船間效應的其它因素一定時，仍用控制變量法量化分析DCC與船型Cb的關系。實船試驗得出如下數(shù)據(jù)：

表5　出現(xiàn)船間效應時的船間距DCC與船型Cb關系表

經(jīng)數(shù)據(jù)擬合，得出DCC與Cb關系的數(shù)學模型：

DCC≈95Cb+25

(5)

從式5可看出：(1)在船速不變的前提下，Cb每增加0.1，DCC應增加10 m，所以瘦長型船應比粗短型船保持更大的船間距；(2)DCC與Cb近似地成正比。[5]

6.3　大型船舶沿岸航行時防范船間碰撞的操控舉措

船間距至少保持平均船長的1倍，采用最小速度7.5公里/小時，一旦出現(xiàn)船間效應，立即主機突進操舵抑制，抑制效果顯現(xiàn)后降下車速、回舵；盡量保持在較深水域會遇，必要時臨時占用分隔帶或左側分道，會船結束后盡快回到原航路上去。

7　結　語

雖然5萬噸級的大型船舶現(xiàn)在可以全天候進抵南京長江大橋，但是由于大型船舶的船底富裕水深較小、方型系數(shù)較大，與普通萬噸級船舶相比，將會表現(xiàn)出更為明顯的淺水效應、岸壁效應、船間效應，面臨著更大的擦底、碰撞和失控的通航風險。本文基于對南京以下長江深水航道的通航條件、大型船舶的操縱性能的分析，建立了防范通航風險的數(shù)學模型，運用數(shù)學模型提出了化解通航風險的船舶操控技術手段，包括船速的控制、合適船間距的保持、合適船岸距的保持。

1徐言民.12.5米深水航道測量船匹配[J]. 武漢理工大學學報,2015.

2王煒,王華燕.11.5米超吃水船舶進出張家港港安全通航方案研究[J].中國海事,2013.

3黃言平,胡曉東,王金林.大型船舶進出福姜沙南水道操縱注意事項[J].航海技術，2012.

4楊帆.船舶安全航數(shù)的定量模糊研究[J].武漢理工大學學報,2013.

5胡定軍.12.5米深水航道上延到南京存在的問題和對策[J].中國航運,2011.