萊州灣船舶航行富余水深的研究

李成海, 胡甚平, 陳冰君

(1.山東交通職業(yè)學(xué)院 航海系， 山東 濰坊 261206； 2.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院， 上海 201306)

萊州灣位于渤海灣南部，是船舶自黃海西進(jìn)入東營港、黃驊港、天津港的必經(jīng)水域；同時也是天津港、黃燁港東經(jīng)龍口港、煙臺港進(jìn)入黃海水域的必經(jīng)水域。為確保萊州灣水域船舶航行安全和濰坊港泊位正常運(yùn)行，科學(xué)合理地規(guī)劃萊州灣水域安全航路十分必要。近年來，有很多學(xué)者對中國沿岸航路的諸多航道和水域的富余水深進(jìn)行了研究，如劉德新等[1]、李連博等[2]、張?jiān)迄i等[3]、張德勇等[4]，但對萊州灣水域富余水深的研究仍是空白。本文參照芳村公式和Norbin公式，對影響該水域富余水深的因素進(jìn)行了研究，提供了計算方法，確定了富余水深的建議值，希望對制定船舶安全航線以及為主管機(jī)關(guān)確定通航標(biāo)準(zhǔn)具有參考價值。

1 影響船舶航行富余水深的要素

1.1 萊州灣的氣候及潮汐概況

氣候：萊州灣地處山東沿海的西北部，冬季受寒潮影響，比較寒冷，干燥少雨；春季氣溫升高，多風(fēng)、少雨、干燥；夏季比較炎熱；秋季氣溫下降，降水減少，風(fēng)力也是一年當(dāng)中最小的時節(jié)。萊州灣的大陸性氣候特點(diǎn)顯著。另外，萊州灣多輻射霧，霧一般只在夜間形成，日出后消失，特別是在早晨出現(xiàn)幾率較多。

潮汐：域內(nèi)沿海屬不正規(guī)半日潮，理論深度基準(zhǔn)面在黃海零點(diǎn)以下1.05 m。從理論深度基準(zhǔn)面算起，最高高潮位是3.78 m，最低低潮位是1.28 m，平均高潮位是1.61 m，平均低潮位是0.6 m，平均潮差是1.01 m，最大潮差是2.97 m，平均海平面是1.11 m。

漲潮和落潮：一晝夜海水有兩次漲、落潮。高潮和低潮相隔6.75 h，但遇上大風(fēng)則會出現(xiàn)海水大漲大落和潮汐不規(guī)則現(xiàn)象。如遇北風(fēng)時潮早浪大，漲潮時間長；遇南風(fēng)時則潮晚浪小，落潮時間長。

海浪：海浪主波方向由北向東，最大波高為4.5 m。

海流：海漲、落潮時的流速流向不相同，漲潮時流向?yàn)槟衔飨?，落潮時為北東向，潮流橢圓，大部分海區(qū)按順時針方向旋轉(zhuǎn)。萊州淺灘以東，漲潮流向東南向，落潮流向?yàn)闁|北向，流速為0.55 km/h，透明度一般為3～5 m，淺灘以西，漲潮流向?yàn)槲髂舷?，落潮流向?yàn)闁|北向，流速為0.25～0.4 km·h-1。

海冰：萊州灣沿海每年12月下旬開始結(jié)冰，冰期為60～70天。1月底至2月中旬結(jié)冰最為嚴(yán)重。冰情嚴(yán)重時，沿岸淺海固定冰寬度為500 m，有時達(dá)2 km，流冰外緣離岸10 km。冰厚一般為10～20 cm，最厚達(dá)30 cm，一般堆積高度為1 m以內(nèi)，最高達(dá)1.7 m。

1.2 影響富余水深的因素

研究船舶的航行安全，必須考慮船舶在淺水區(qū)航行時船舶操縱困難的問題。因?yàn)樵谔珳\的水域航行時船舶會陷入危險。因此，船舶在此水域和海況條件下的航行，為適應(yīng)當(dāng)時條件下船舶的操縱，船舶龍骨下的水深必須保持一定余量，這個余量稱作富余水深(under keel clearance，UKC)。影響富余水深的因素主要有6點(diǎn)。

(1)船舶航行出現(xiàn)船體下沉和縱傾狀態(tài)。船舶在淺水區(qū)航行，受船體四周水的壓力和船體四周水流速度大于船舶艏艉沿弦側(cè)水流速度的影響，這時船舶過水?dāng)嗝娣e減少，流速增加，導(dǎo)致船舶航行阻力增加，船底水流壓力減少，使整個船體下沉并伴有縱傾。

(2)潮汐預(yù)報差值。天氣和海況良好時預(yù)報允許潮時誤差±20 min，潮高誤差范圍±20 cm。

(3)海圖水深的測量精度。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，水深小于20 m時允許0.3 m左右的誤差,水深在20～100 m時誤差值不大于1.0 m。同時也要考慮資料的可靠程度、測量時間、海圖比例和海圖繪制詳盡程度[5]。

(4)風(fēng)對潮汐時間的影響。在大風(fēng)、寒潮、臺風(fēng)等極端天氣作用下，原有的潮汐規(guī)律會發(fā)生變化。例如，11月的寒潮大風(fēng)天氣持續(xù)影響渤海時，在3～5天強(qiáng)勁的西北風(fēng)作用下，渤海的秦皇島港出現(xiàn)潮汐不變化現(xiàn)象；在持續(xù)2～3天強(qiáng)勁的東南風(fēng)的作用下，煙臺港附近海域呈現(xiàn)退水現(xiàn)象，一般降低30～50 cm,最大時降低90～100 cm。

(5)氣壓對水位的影響。氣壓對海平面的影響很大。氣壓每增加100 百帕，水位相應(yīng)降低1 cm,氣壓每減少100百帕,水位上升1 cm。11月份后，中心位置位于蒙古的高壓，中心氣壓多次高達(dá)1 040百帕以上，蒙古高壓對我國渤海海域影響很大，3 400百帕能引起30 cm海平面的變化。

(6)水密度對船舶吃水的影響。當(dāng)船舶駛?cè)氩煌芏人驎r，船舶吃水會發(fā)生相應(yīng)變化，特別是當(dāng)船舶由咸(淡)水水域駛?cè)氲?咸)水水域時，船舶吃水因水域內(nèi)水的密度變化而影響最大[6]。

2 船舶航行于萊州灣水域時

富余水深的確定

富余水深的計算：

UKC=sF+h0+h1+h2+h3。

(1)

式中，sF為航行中船舶的下沉量；h0為船舶航行時龍骨下方最小的富余水深；h1為船舶航行時的波浪水深；h2為船舶航行時縱傾的富余水深；h3為船舶航行時其他富余深度。

2.1 航行狀態(tài)下船舶下沉量的計算

(2)

或者

(3)

式中，Δ為船舶排水量，t；LBP為船長(垂線間長),m；Fnk為水深弗勞德數(shù)；Ks為航道系數(shù)，開敞水域Ks=1,受限水域Ks=2；CB為方形系數(shù)；S為回流速度系數(shù)；V為船速，m·s-1。

2.2 航行中船舶龍骨下方最小富余水深的計算

考慮船舶航行下沉量后，船舶基線至海底之間的富余水深稱為凈富余水深。計算富余水深的主要目的是預(yù)防船舶觸地及擱淺以及提高船舶的操縱性能[7]。

h0與船舶噸位、水深測量誤差、海底障礙物、水密度、冷卻水吸入口直徑、人為因素等有關(guān)，但主要與海底底質(zhì)有關(guān)，實(shí)際工作中一般以海底底質(zhì)條件來確定，一般軟性底質(zhì)(泥沙)取0.25 m,中性底質(zhì)(砂底)取0.60 m,硬性底質(zhì)(巖質(zhì))取0.9 m[8]。

2.3 航行中船舶波浪水深的計算

船舶航行時受波浪的持續(xù)影響，出現(xiàn)橫搖、首搖、橫蕩、縱浪、縱搖和垂蕩等運(yùn)動現(xiàn)象[9]?？v搖、垂蕩和橫搖將引起船舶吃水增大[10]。對于VLOC大型船舶來說，橫搖變化1°，會引發(fā)吃水增大0.5 m左右；縱搖變化1°，吃水會增大2.8 m左右[11-12]。船舶航行波浪影響引發(fā)的吃水變量與船型、航速、排水量、海面波高、波浪周期、波向和水深等因素有關(guān)。由于小型船舶排水量小，波高變化大、船速增加時，航行時波浪引發(fā)的吃水增大現(xiàn)象非常明顯。目前，根據(jù)資料無法準(zhǔn)確判定波浪對航行船舶吃水變化的影響程度，在實(shí)際工作中通常依據(jù)航行水域遮蔽條件來判定波浪的富余水深值[13-14]。波高參考值:全遮蔽水域(港灣內(nèi)水)取值0 m,半遮蔽(垂蕩較小時)水域取值0.15 m左右,無遮蔽水域(港灣外或航道)取值0.30 m左右。

波浪水深h1和船舶龍骨下方最小富余水深h0相加的水深值為船舶操縱深度，大型船舶應(yīng)保證h1+h0>1.0 m。

2.4 航行中船舶縱傾富余水深的計算

(4)

(5)

(6)

(7)

式中，d為船舶吃水量，m。

在開敞淺水水域，船舶下沉量受水深的影響較大，總的來看水深越淺下沉量越大。在受限水域，下沉量受船舶方形系數(shù)、長寬比、長度和水深之比影響較大?？傮w而言，船舶方形系數(shù)越大，船型越短越寬，相對船舶水深越淺、船速越高的船舶，下沉量越大[15]。

2.5 其他富余水深深度h3的計算

其他富余深度包括水密度的變化、水深幅度變化、觀測的潮汐誤差變化、圖深測繪誤差變化等引發(fā)的船舶吃水量值的變化。

因?yàn)榇霸谌R州灣水域航行時受水密度變化影響很小，h3的值可以忽略不計。

綜上，船舶由海水進(jìn)入淡水水域時，其吃水增加變化量由下式計算

Δh=d×CB/CW×(ρ1/ρ2-1)。

(8)

式中，Δh為吃水變化增量，m；d為船舶吃水量，m；CB為船舶的方形系數(shù)；CW為船舶總水線面系數(shù)；ρ1為航行水域海水密度，kg·m-3；ρ2為航行水域淡水密度，kg·m-3。

渤海灣萊州港水域航行船舶以10 kn速度作基準(zhǔn)對象，利用UKC=sF+h0+h1+h2+h3可求得船舶富余水深基準(zhǔn)為7.9d%。

因?yàn)檫M(jìn)出萊州灣的主要船型為散貨船、集裝箱船和油船，經(jīng)查船舶規(guī)范表得到了船型資料，具體如表1～3所示。

表1 散貨船舶的設(shè)計

表2 集裝箱船的設(shè)計

2.集裝箱碼頭設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以船舶噸位對應(yīng)的設(shè)計船型尺度為控制標(biāo)準(zhǔn)。

表3 油船的設(shè)計

從表1查得散貨船2萬噸級和5萬噸級吃水分別為8 m、12.8 m，代入7.9%×d，獲得兩級別船舶富余水深值分別為0.6 m和1.0 m。根據(jù)表2查得1萬噸級、2萬噸級、3萬噸級和5萬噸級集裝箱船吃水分別為8.3 m、10.5 m、12.0 m和13.0 m,同理計算出四個級別集裝箱船舶的富余水深值分別為0.7 m、0.8 m、0.9 m和1.0 m。查表3可得4萬～5萬噸級、6萬～8萬噸級和8萬～12萬噸級油船吃水分別為12.2～15 m、12～13.8 m和9.0～13.0 m,同理可計算出各級別油船富余水深值分別為1.0～1.2 m、0.9～1.1 m和0.7～1.0 m。

萊州灣屬于開敞水域，該水域夏季強(qiáng)勁的東南風(fēng)和冬季強(qiáng)勁的西北風(fēng)會引起船舶縱橫傾角變化?？v橫傾角的變化對船舶航行富余水深影響較大，在計算船舶富余水深時應(yīng)充分考慮風(fēng)浪中航行船舶的最大縱橫傾角。

3 船舶航行于萊州灣時

最大縱橫傾角的確定

在萊州灣航行的船舶應(yīng)保持一定的吃水狀態(tài)航行，從船舶操縱角度分析，在淺水水域航行船首首傾、船體下沉、興波阻力增強(qiáng)，旋回性變差，橫向阻力增加。假設(shè)船速在10 kn的情況下，允許船舶出現(xiàn)適當(dāng)?shù)臋M搖角和首尾吃水差，其估算公式如下:

(9)

(10)

式中，B為船舶寬度，m；θ為船舶橫傾角，(°)；h為航行水域水深，m；d為船舶吃水量,m;Δ為航行狀態(tài)下的船舶吃水差，m。

通常情況下，散貨船舶吃水達(dá)8 m時，允許在航狀態(tài)出現(xiàn)最大值為10°的橫搖角，當(dāng)存在吃水差時，其最大吃水差為0.6 m左右，12.8 m的散貨船允許出現(xiàn)橫搖時最大值為6°的橫搖角，其最大吃水差允許為0.4 m左右。同理，吃水達(dá)到8 m的1萬噸至4萬噸級以下的集裝箱船和4萬噸級以上的油船，分別出現(xiàn)最大值為8°和12°的橫搖角。

4 結(jié)束語

在參考了芳村公式和Norbin公式的基礎(chǔ)上，以萊州灣10 kn船速船舶為研究對象，結(jié)合國內(nèi)外富余水深的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和相關(guān)研究，確定了富余水深值。該標(biāo)準(zhǔn)比萊州灣濰坊港采用的富余水深值10d%的標(biāo)準(zhǔn)小，該建議值是合理可信的。因此在萊州灣進(jìn)出港的船舶，采用該結(jié)論確定引航的富余水深可以增加船舶的最大吃水，減少乘潮船舶的乘潮時間，在一定程度上可為船公司增加效益。同時該結(jié)論可為船舶駕駛員科學(xué)制定安全航線提供合理建議，并可為當(dāng)?shù)睾Ｊ潞透酆街鞴軝C(jī)關(guān)制定通航標(biāo)準(zhǔn)提供重要依據(jù)。