煙臺港芝罘灣港區(qū)超大型船舶航行安全富裕水深探究

李江波

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，超大型船舶數(shù)量快速增加。當(dāng)超大型船舶在港灣和進(jìn)出港航道等水域航行時，受港口水深條件制約明顯，若水深條件不足則易引發(fā)船舶擱淺、觸底等事故，造成經(jīng)濟(jì)損失甚至是人員傷亡，因此針對港口水域超大型船舶航行安全富裕水深的研究十分必要。本文以煙臺港芝罘灣港區(qū)為研究目標(biāo)水域，采用定量計(jì)算的方法針對芝罘灣港區(qū)超大型船舶進(jìn)出港富裕水深進(jìn)行研究。研究結(jié)果可為煙臺港超大型船舶的進(jìn)出港航行安全提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：超大型船舶;航行安全;富裕水深

中圖分類號：U676.1 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2020）07-0117-03

1引言

隨著近年來煙臺港的迅猛發(fā)展，煙臺港港口貨物吞吐量大幅增加，以鐵礦石、鋁礬土為主的散貨貨類增長尤為明顯，對于鐵礦石、鋁礬土等貨類的運(yùn)輸主要是利用超大型礦砂船，其船型大、吃水深，對配套航道的要求也較高，隨著超大型船舶到港數(shù)量的劇增，港區(qū)通航安全保障需求將更為迫切。

為保證超大型船舶進(jìn)出港航行安全，增強(qiáng)超大型船舶與港區(qū)航道通航水深方面的適應(yīng)性，利用煙臺港芝罘灣港區(qū)現(xiàn)有航道條件，在滿足船舶航行安全的前提下，充分挖掘航道利用潛力，給出安全、合理的船舶進(jìn)出港富裕水深設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，對于確保船舶進(jìn)港安全以及保證港口經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的意義。

2煙臺港芝罘灣港區(qū)航道及泊位情況

煙臺港芝罘灣港區(qū)位于煙臺市北側(cè)的芝罘灣內(nèi)，芝罘灣為半封閉形的海灣，灣內(nèi)波浪較小，不凍不淤。煙臺港三期工程（#65、#66泊位）碼頭長度為608m，前沿頂高程為4.5m，底高程為-20.0m，碼頭結(jié)構(gòu)按靠泊20萬噸級散貨船設(shè)計(jì)。港池現(xiàn)有回旋水域?qū)挾?00m。經(jīng)碼頭靠泊能力論證，#65、#66泊位碼頭結(jié)構(gòu)可滿足25萬噸級散貨船減載至吃水不超過19.45m的靠泊要求。

船舶進(jìn)靠芝罘灣港區(qū)#65、#66泊位利用現(xiàn)有北航道外段及三港池主航道，北航道外段全長2100m，走向68°～248°;三港池主航道全長2000m，走向98°～278°，均為單向航道。底質(zhì)主要由淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土混砂、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂組成，設(shè)計(jì)底標(biāo)高均為-17.0m，通航寬度180.0m。

3研究代表船型

本文所研究船型為CAPE型超大型礦砂船，選取“韋立自然”為代表船型，由研究船型的吃水參數(shù)可以看出，代表船型通常需要乘潮進(jìn)港。

4富裕水深的確定

4.1富裕水深的定義

富裕水深是指設(shè)計(jì)船舶在標(biāo)準(zhǔn)載重靜浮狀態(tài)時，船底龍骨下至航道底的最小距離。通常情況下等于船舶航行下沉量（也稱船舶動吃水）加船舶觸底的安全富裕量，結(jié)合航道的具體情況還應(yīng)考慮航道淤積，風(fēng)浪所引起的水面下降和船舶的擺蕩等因素。

4.2富裕水深的計(jì)算

《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》中所給出的富裕水深（UKC）計(jì)算公式為：

UKC=S+h0+h1+h2+h3

式中：S為船舶航行時船體下沉量;h0為其它富裕深度;h1為船舶航行龍骨下最小富裕深度;h2為波浪富裕深度;h3為船舶縱傾富裕深度。

4.2.1船體下沉量（S）的確定

船體下沉量與船舶的基本尺度、水深、航速有關(guān)。當(dāng)船行駛在限制航道中時，下沉量還與航道橫截面特征有關(guān)。實(shí)際中，駕駛員最關(guān)心的是船體最大下沉量，發(fā)生在船尾或船首?！逗８劭傮w設(shè)計(jì)規(guī)范》給出的航速與船體下沉量關(guān)系見下圖：

本文在計(jì)算時利用Huuska公式，該公式在1976年提出了較為準(zhǔn)確的計(jì)算船首下沉量的方法，并給出了如下計(jì)算公式：

式中：為排水量;為水深傅汝德數(shù)，，為船舶航速，為水深。

按照當(dāng)前煙臺港安全引航方案，研究設(shè)計(jì)代表船型在主航道航行時船速控制在6kn左右，以此計(jì)算下沉量S值為0.315m。以船速6kn查《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》中船體下沉值曲線表可得S值為0.4m。煙臺港引航員在實(shí)際工作中，通過測深儀和目測水尺總結(jié)此類船舶在航道中的下沉量一般在0.4m左右。為穩(wěn)妥起見，本文下沉量S取值0.4m。

4.2.2其它富裕深度（h0）的確定

其他富裕深度包括水密度減小、潮汐測量誤差和海圖水深誤差氣壓變化等引起的船舶吃水的增加量和水深的變化量。煙臺港附近水域沒有淡水河口，因此受水密度變化影響不大;每年港口均對進(jìn)港航道進(jìn)行掃測，海圖水深誤差在1～2cm左右，可以忽略;對于需要乘潮進(jìn)港的船舶，煙臺港會對潮高進(jìn)行測量并修正，潮高誤差可以忽略。

4.2.3船舶航行龍骨下最小富裕深度（h1）的確定

根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》，船舶航行時龍骨下最小富裕深度的計(jì)算結(jié)果，可以參照下表查?。?/p>

煙臺港芝罘灣港區(qū)航道底質(zhì)主要由淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土混砂、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂組成，查上表得到h1取值0.5m。

4.2.4波浪富裕深度（h2）的確定

波浪會對船舶產(chǎn)生六個自由度的運(yùn)動量，包括縱搖、橫搖、縱移、橫移、垂蕩以及回轉(zhuǎn)。針對波浪富裕深度，本文利用《港口龍骨下富裕水深報告》中估算船舶在波浪作用下運(yùn)動量的方法進(jìn)行分析，該方法利用不同條件下船舶的運(yùn)動響應(yīng)量，乘以設(shè)計(jì)波高即為代表船型在設(shè)計(jì)波高下的運(yùn)動量?？紤]到船位噸級的影響，并綜合考慮航速和船浪夾角，得到相應(yīng)周期下的遭遇波浪周期，根據(jù)航行時間確定遭遇波浪數(shù)，再由遭遇波浪數(shù)確定對應(yīng)的波浪遭遇倍數(shù)，乘以運(yùn)動量即為最終確定的波浪富裕水深。

影響本區(qū)域常浪向?yàn)镹E向，船浪夾角20°，由上圖計(jì)算取值為0.38m，選擇在風(fēng)浪較小的時間進(jìn)港，考慮在波高H4%≤0.5m條件下，波浪富裕水深可取值0.19m，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)航行水域的遮蔽程度來決定波浪富裕深度，煙臺港芝罘灣港區(qū)屬于半遮蔽海域，波浪富裕水深可取0.15m。

4.2.5船舶縱傾富裕深度（h3）的確定

根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》船舶縱傾富裕深度，雜貨船和集裝箱船可不計(jì)，油船和散貨船取0.15m，研究船型為散貨船，取值0.15m。

得出煙臺港芝罘灣港區(qū)CAPE型超大型船舶進(jìn)港富裕水深UKC為：

UKC=S+h0+h1+h2+h3=1.2（m）

由于芝罘灣港區(qū)進(jìn)出港航道的設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-17.0m，代表船舶滿載吃水18.22m，因此設(shè)計(jì)代表船舶滿載進(jìn)港時需要保證乘潮2.42m。

5超大型船舶進(jìn)出芝罘灣港區(qū)安全航行建議

（1）根據(jù)乘潮水位和乘潮時間、氣象、潮汐潮流，制定詳細(xì)的引航計(jì)劃;

（2）引航員應(yīng)在高潮前1.5小時登輪，詳細(xì)了解船舶特性，并詳細(xì)將引領(lǐng)方案和航道水域等情況向船長介紹清楚，引領(lǐng)過程中雙方密切配合。在高潮前1小時進(jìn)入主航道以充分利用高潮水位，并保證富裕水深大于1.2m;

（3）航速越快船舶航行下沉量越大，在航道航行過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制好船舶航行速度，船舶航速一般不超過6節(jié)。

（4）超大型船舶進(jìn)港應(yīng)提前向交管中心申請，并安排拖輪護(hù)航，確保航道清爽。

6結(jié)論

經(jīng)研究表明，現(xiàn)行煙臺港引航作業(yè)限制標(biāo)準(zhǔn)理論上符合超大型船舶進(jìn)港富裕水深的要求，但在具體船舶進(jìn)港時，駕引人員還需充分考慮氣壓、天氣、當(dāng)日潮汐的影響，根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整適用的UKC數(shù)值，根據(jù)實(shí)際潮高的數(shù)值和UKC值保證不同吃水船舶的進(jìn)港安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] JTS165-2013，海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 郭威治，劉敬賢，劉文等.受限水域超大型船舶富裕水深定量計(jì)算研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2018，39（9）： 1491-1497.

[3] 陸軍，夏登柱.40萬噸級VLOC現(xiàn)狀及創(chuàng)新點(diǎn)[J].船舶與海洋工程，2016，32（6）：27-32.

[4] 戴濤，何志水.VLOC船舶航行在淺水域中的富余水深[J]. 航海技術(shù)，2014，02：8-11.

[5] 吳衛(wèi)兵，謝黎明.富裕水深的兩種確定方法[J].航海技術(shù)，2014（4）：37-38.

[6] 郝慶龍;顧祖旭;張鵬飛.超大型船舶港內(nèi)航行的富余水深與下沉量研究[J].航海技術(shù)，2013，（05）.