海港錨地使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)研究

谷文強(qiáng)，謝華東，覃杰

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

1 海港錨地使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)研分析

通過(guò)走訪全國(guó)沿海主要港口錨地的使用和管理單位，對(duì)海港錨地的使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)研。調(diào)研成果如下：

1） 廣州港8 級(jí)風(fēng)以上海事部門啟動(dòng)二級(jí)響應(yīng)，要求所有船舶離開(kāi)碼頭，船舶具體防臺(tái)方式由船長(zhǎng)決定，一般10 級(jí)風(fēng)以上（主要看遮蔽條件）船舶就會(huì)選擇離開(kāi)錨地去避臺(tái)。

2）上海洋山港區(qū)一般規(guī)定10 級(jí)風(fēng)要求所有在港船舶和錨地船舶離開(kāi)。吳淞口港區(qū)則根據(jù)不同等級(jí)風(fēng)提前發(fā)出預(yù)警，具體是否離港由船方和港口運(yùn)營(yíng)方?jīng)Q定。

3）寧波港臺(tái)風(fēng)期間漁船進(jìn)江防臺(tái)，3 級(jí)防臺(tái)時(shí)禁止250 m 以上船舶進(jìn)港，2 級(jí)防臺(tái)250 m 以上船舶必須離港避臺(tái)。

4）寧波港過(guò)駁錨地使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)為夜間兩船不得相靠（但可以過(guò)駁）、風(fēng)速不超過(guò)6 級(jí)、流速不超過(guò)2.5 kn（15 萬(wàn)噸級(jí)流速可3 kn）、波浪要求不超過(guò)1.5 m。

5）舟山港過(guò)泊錨地使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)為流速不超過(guò)1.5～2 kn，風(fēng)速不超過(guò)6 級(jí)。

6） 美國(guó)洛杉磯港和長(zhǎng)灘港規(guī)定當(dāng)風(fēng)速超過(guò)40 kn（蒲福級(jí)8 級(jí)）時(shí)船舶應(yīng)立即備車，并準(zhǔn)備下另一只錨。

2 國(guó)內(nèi)外規(guī)范中海港錨地使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比研究

2.1 中國(guó)規(guī)范海港錨地使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)JTS 165—2013《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，航道寬度計(jì)算中船舶漂移倍數(shù)和風(fēng)、流壓偏角的取值一般都是基于橫風(fēng)≤7 級(jí)，由此可以推斷船舶在航道中通航的極限限制風(fēng)速一般應(yīng)為7 級(jí)，因此港內(nèi)錨地中的船舶在大風(fēng)預(yù)警時(shí)，如需離開(kāi)錨地，理論上應(yīng)在達(dá)到7 級(jí)風(fēng)之前通過(guò)航道離開(kāi)。

根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，風(fēng)力7 級(jí)是單錨系泊錨地半徑計(jì)算的分界點(diǎn)，對(duì)于按照風(fēng)力≤7級(jí)對(duì)應(yīng)公式計(jì)算半徑的錨地，則錨地使用的極限風(fēng)速應(yīng)為7 級(jí)；按照風(fēng)力＞7 級(jí)的對(duì)應(yīng)公式計(jì)算半徑的錨地，則錨地使用的極限風(fēng)速理論上應(yīng)更高。然而根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]的對(duì)應(yīng)條文說(shuō)明，“船舶在錨地的出鏈長(zhǎng)度與當(dāng)?shù)厮罴帮L(fēng)力有關(guān)。根據(jù)我國(guó)部分港口錨地船舶抗風(fēng)實(shí)踐資料和計(jì)算結(jié)果表明，8 級(jí)以上大風(fēng)單錨系泊多數(shù)發(fā)生走錨現(xiàn)象，必須采用八字錨系泊，若風(fēng)力再大，則需借助船舶頂風(fēng)開(kāi)車才能制止走錨?！庇纱丝梢钥闯?，按照中國(guó)規(guī)范，8 級(jí)以上大風(fēng)時(shí)仍在錨地錨泊的船舶應(yīng)采用其他措施防止或制止走錨。

中國(guó)規(guī)范中對(duì)于錨地使用的流速和波浪沒(méi)有提出具體的限制條件，僅在錨地水深設(shè)計(jì)時(shí)說(shuō)明波浪累積頻率為4%的波高超過(guò)2 m 時(shí)，尚應(yīng)增加波浪富裕深度。在《海港工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版）[2]中，當(dāng)波浪累積頻率4%的波高超過(guò)2 m 時(shí)，波浪富裕深度一般可按0.5～0.7 倍波高估算。

2.2 日本規(guī)范（ROM）海港錨地使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)日本P&I CLUB 規(guī)范《Preventing an anchor from dragging》[3]，船舶錨泊時(shí)的錨鏈長(zhǎng)度計(jì)算如表1 所示，中國(guó)規(guī)范中對(duì)于單錨系泊錨地尺度的計(jì)算方法就是參考日本規(guī)范而選取的。需要說(shuō)明的是，在20 世紀(jì)90 年代，日本P&I CLUB 規(guī)范中并沒(méi)有給出表1 中計(jì)算公式的環(huán)境限制條件。而中國(guó)規(guī)范JTJ 211—99《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》在20 世紀(jì)90 年代編制的時(shí)候以7 級(jí)風(fēng)速作為兩個(gè)公式的使用分界，在2014 年發(fā)布的《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中關(guān)于錨地設(shè)計(jì)的內(nèi)容沒(méi)有變化。

在2018 年出版的日本P&I CLUB 規(guī)范《Dragging anchor case studies and preventive measures》[4]中，對(duì)于良好環(huán)境條件的定義是風(fēng)速不超過(guò)40 kn（蒲幅風(fēng)級(jí)8 級(jí)），波高不超過(guò)1 m，但是沒(méi)有關(guān)于水流流速的界定，而流速往往是影響錨泊的最關(guān)鍵因素；其中對(duì)于惡劣環(huán)境條件的定義是風(fēng)速達(dá)到58 kn（蒲幅風(fēng)級(jí)11 級(jí)），波高達(dá)到2 m，但是同樣沒(méi)有關(guān)于水流流速的界定；無(wú)論良好環(huán)境條件界定的波高1 m，還是惡劣環(huán)境條件波高2 m，顯然在開(kāi)敞式海域很難滿足這個(gè)波浪條件，都需要有一定的掩護(hù)才能達(dá)到這些波高要求。此外，對(duì)于船舶拋錨的錨鏈長(zhǎng)度計(jì)算中的90 m 和145 m也沒(méi)有給出選取依據(jù)。

表1 船舶錨泊時(shí)的錨鏈長(zhǎng)度Table 1 The length of anchor chain when the ship is anchoring

2.3 西班牙規(guī)范（ROM）海港錨地使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)

西班牙規(guī)范ROM 3.1-99《Recommendations for the design of the maritime configuration of ports，approach channels and harbour basins》[5]給出的一般錨地常采用的使用環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。表中的風(fēng)速針對(duì)的是普通類型的船舶，對(duì)于受風(fēng)面積較大的船舶（甲烷運(yùn)輸船、集裝箱船、汽車滾裝船、壓載的油輪等），表中的極限風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)降低20%。

表2 錨地使用的極限環(huán)境作業(yè)條件（ROM）Table 2 The limiting environmental condition for anchorage use（ROM）

國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)（PIANC）規(guī)范《Harbour approach channels-design gidelines》[6]給出的錨地使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)與西班牙規(guī)范ROM 3.1-99 一致。

2.4 國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)規(guī)范（IACS）海港錨地使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）規(guī)范《Requirements concerning mooring，anchoring and towing》[7]，船舶錨定設(shè)備的設(shè)計(jì)環(huán)境條件如下：

最大風(fēng)速48.6 kn，最大流速4.9 kn。

可以看出，即使風(fēng)速已經(jīng)達(dá)到了10 級(jí)，但是沒(méi)有給出波浪的限制條件，因此上述極限環(huán)境條件是針對(duì)有掩護(hù)的錨地。

實(shí)際上，很多錨地都位于相對(duì)開(kāi)敞的海域，因此IACS 規(guī)范給出了船長(zhǎng)大于150 m 的船舶的錨定設(shè)備能夠承受的有波浪影響的錨地極限環(huán)境條件如下：

最大風(fēng)速21 kn，最大流速3 kn；最大有效波高2 m。

上述兩種針對(duì)船舶錨定設(shè)備承受極限的環(huán)境條件，均是針對(duì)船舶滿載狀態(tài)，并且船舶在錨地錨泊時(shí)間不長(zhǎng)的情況。

根據(jù)國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)規(guī)范《History files（HF）and technical background（TB）documents for URS concerning mooring and anchoring（URA）》[8]，IACS規(guī)范《Requirements concerning mooring，anchoring and towing》[4]中給出的極限環(huán)境條件是針對(duì)良好底質(zhì)條件的錨地，并且錨鏈長(zhǎng)度與水深比值不應(yīng)小于6。

2.5 國(guó)內(nèi)外規(guī)范規(guī)定對(duì)比分析

各國(guó)規(guī)范中對(duì)于錨地使用的極限環(huán)境條件規(guī)定差異性較大，其中西班牙規(guī)范給出的極限環(huán)境條件均較大，而國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)規(guī)范引用了西班牙規(guī)范的規(guī)定。國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)規(guī)范給出的極限環(huán)境條件明顯較小，但是該極限環(huán)境條件是船舶錨定設(shè)備設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)環(huán)境條件，因此更加具有參考價(jià)值。

錨泊船舶所受到的風(fēng)、浪和流等環(huán)境外力荷載，需要通過(guò)船舶錨的抓力和錨鏈臥底部分的摩擦力來(lái)抵消，如果環(huán)境荷載過(guò)大會(huì)造成走錨現(xiàn)象。錨地使用的環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)在有條件的情況下宜通過(guò)數(shù)值模型試驗(yàn)確定。

3 海港錨地使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

采用Fast-time 船舶操縱模擬器對(duì)錨泊船舶在多種試驗(yàn)工況下的錨泊進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)研究，得出海港錨地的使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 試驗(yàn)原理

Fast-time 模擬試驗(yàn)中，當(dāng)船錨泊時(shí)，除了利用可用的助航設(shè)備、助航標(biāo)志和任何陸上可見(jiàn)參照物監(jiān)測(cè)船的位置之外，不需要任何人為干預(yù)。如果發(fā)現(xiàn)走錨，船員應(yīng)采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)。

Fast-time 模擬試驗(yàn)的重點(diǎn)不是有無(wú)人為干預(yù)或任何可能采取的干預(yù)形式，而是可能導(dǎo)致發(fā)生走錨的環(huán)境荷載條件。因此，F(xiàn)ast-time 模擬試驗(yàn)是一種檢查是否可能發(fā)生走錨的適當(dāng)?shù)姆椒?。在該部分研究中配置? 臺(tái)HR Wallingford 的船舶模擬器模擬大型近岸錨地水域，由于不需要引航員，所以模擬器可以離線使用。

為了使模擬穩(wěn)定，對(duì)大約120 min 的實(shí)時(shí)周期進(jìn)行模擬。該周期使模擬穩(wěn)定，使所有慢速走錨更容易被發(fā)現(xiàn)。為了清晰地表示，航跡圖包括圓心位于放錨位置的同心圓，半徑以250 m 為增量逐漸增加。

3.3 試驗(yàn)工況

Fast-time 模擬試驗(yàn)中采用的試驗(yàn)工況如表3所示。在第一階段進(jìn)行初步模擬，根據(jù)試驗(yàn)的初步結(jié)果再進(jìn)一步增加試驗(yàn)工況。在第二階段利用IACS 規(guī)范中給出的有波和無(wú)波環(huán)境荷載限制條件進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M。

表3 錨泊船舶快速仿真模擬試驗(yàn)的工況Table 3 Test cases of Fast-time ship maneuvering test for anchored ships

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)證明船舶在西班牙規(guī)范給出的錨地使用極限環(huán)境條件下均發(fā)生了走錨。國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)規(guī)范（IACS）中給出的錨地使用極限環(huán)境條件較為準(zhǔn)確，但是國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)規(guī)范給出的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，風(fēng)速很大但卻是針對(duì)有掩護(hù)水域，而第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中有效波高標(biāo)準(zhǔn)為2 m，但是風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)太小。根據(jù)中國(guó)沿海港口的調(diào)研結(jié)果，錨地使用的管理主要是以風(fēng)速來(lái)控制，較小的風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)不利于錨地的使用，因此在試驗(yàn)中針對(duì)試驗(yàn)工況進(jìn)行了調(diào)整，將風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)增大。

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，給出了海港錨地使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）普通錨地

①船舶短時(shí)間或臨時(shí)錨泊、錨鏈長(zhǎng)度取值為設(shè)計(jì)高水位下錨地水深4 倍時(shí)，海港錨地使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)為：風(fēng)速≤15 kn，流速≤2 kn，有效波高≤2 m。

②在錨地半徑計(jì)算中當(dāng)錨鏈長(zhǎng)度取值為6 倍水深時(shí)，海港錨地使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)為：風(fēng)速≤25 kn，流速≤2 kn，有效波高≤2 m。

③錨鏈長(zhǎng)度取值為設(shè)計(jì)高水位下錨地水深10倍時(shí)，海港錨地使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)為：風(fēng)速≤30 kn，流速≤2 kn，有效波高≤2 m。

2）過(guò)駁錨地

錨鏈長(zhǎng)度取值為設(shè)計(jì)高水位下錨地水深10 倍時(shí)，海港錨地使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)為：風(fēng)速≤25 kn，流速≤2 kn，有效波高≤1.5 m。

3）防臺(tái)錨地

當(dāng)風(fēng)速超過(guò)30 kn 時(shí)，在試驗(yàn)中船舶走錨的情況經(jīng)常發(fā)生，船舶走錨的風(fēng)險(xiǎn)大大增加。這時(shí)船舶宜采取進(jìn)車頂風(fēng)等防止走錨的措施，并放出最長(zhǎng)錨鏈長(zhǎng)度錨泊。而避風(fēng)錨地的使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)根據(jù)船舶類型、船舶性能、防臺(tái)措施等具體研究確定。

4 結(jié)語(yǔ)

海港錨地使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)的影響因素包括錨地類型、錨泊方式、船舶類型、船舶尺度、船舶受風(fēng)面積、船舶配置的錨的特性、船舶拋出錨鏈的長(zhǎng)度和錨鏈的特性、底質(zhì)和安全距離要求等因素。

數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)研究證明國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)規(guī)范給出的海港錨地使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)較為合理，但考慮到一般以風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)來(lái)管理錨地使用，因此海港錨地使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)也可參照該數(shù)模試驗(yàn)的結(jié)論。對(duì)于流速和波高較大的錨地的使用環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)需通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步確定。