受限水域船舶安全航行要素分析
——以“長賜輪”擱淺事件為例

王 勇

一、引言

近年來，隨著船舶建造尺寸越來越大，在全球各港口、河道、運河及海峽等受限水域發(fā)生的船舶擱淺、觸碰和碰撞事故屢見不鮮，這些事故往往帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。2021年3月23日，超大型集裝箱船“長賜”（Ever Given）輪于蘇伊士運河北向航道擱淺并造成運河雙向通航嚴(yán)重受阻。隨后，在運河管理局、船東和保賠機(jī)構(gòu)等各方的努力救助下，Ever Given輪于擱淺6日后得以脫淺，至此蘇伊士運河慢慢恢復(fù)通航。擱淺事故不僅給運河的正常經(jīng)營帶來損失，還導(dǎo)致其他計劃通行運河的船舶延誤，一時間關(guān)于事故發(fā)生的原因和后續(xù)船舶將要面臨的巨額索賠成為全球關(guān)注的焦點。從目前運河管理局披露的信息分析，此次擱淺事故與外界環(huán)境對船舶操縱的影響關(guān)系密切。

二、受限水域的定義

通常情況下，受限水域指由于船舶的尺度和吃水與可航行水域的寬度和水深的關(guān)系，致使其不能自由進(jìn)行變向和變速等操作，或變向和變速操作受到嚴(yán)重限制的水域。諸如進(jìn)出港航道、狹水道、港口附近的分道通航帶，錨地、狹窄的海峽、運河、江河、大橋下通航區(qū)以及養(yǎng)殖區(qū)附近水域都可能成為船舶航行的受限水域。

除了上述從船舶操縱的角度對受限水域給予的一些基本的解釋外，業(yè)內(nèi)也有一些量化的參考標(biāo)準(zhǔn)。1992年，世界水上運輸基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)會（PIANC）針對船舶的操縱性能，結(jié)合水深H和吃水D的比值，對相對水深提出一個劃定標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)H/D≥3時，被視為深水區(qū)；當(dāng)1.5≤H/D＜3時，被視為中等水深區(qū)；當(dāng)1.2≤H/D＜1.5時，被視為淺水區(qū)；當(dāng)H/D＜1.2時，則被視為非常淺的區(qū)域。

另外，根據(jù)荷蘭學(xué)者Hooft. J.P.更早對船體前進(jìn)時受到阻力的影響來劃分，低速船當(dāng)H/D≤4，高速船當(dāng)H/D≤10時，即可作淺水域?qū)Υ?。以水流對船體橫向運動的影響來區(qū)分，當(dāng)H/D≤2.5時可作淺水域?qū)Υ?。同時，一般將2.5作為吃水比對船舶前進(jìn)中的操縱性有影響的界限。當(dāng)H/D≤1.5時，則是對船舶操縱性有較明顯影響并能夠被駕駛?cè)藛T發(fā)現(xiàn)和感知的水深。

航道寬度對船舶的變向和旋回的影響是最大的，考慮到船舶觸碰和岸壁效應(yīng)，通常以航道的有效寬度W與船長L的比值來判斷。當(dāng)W/L≤2時，應(yīng)視為狹窄水域，則岸壁效應(yīng)可能會出現(xiàn)；當(dāng)W/L≤1時，受限水域?qū)Υ暗牟倏v性影響明顯，駕駛?cè)藛T能夠發(fā)現(xiàn)和感知這種影響。這里所說的航道有效寬度往往是指航道內(nèi)的最小寬度，一般是在航道的底部，而不是平時駕駛員視力可見的水面上的寬度。蘇伊士運河就屬于典型上寬下窄梯形受限水域，Ever Given輪擱淺處水面寬度為291 m，但船體龍骨位置對應(yīng)的水下寬度只有200 m，河底的寬度僅為130 m，而Ever Given輪的船長約為400 m，W/L比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1。因此，這種梯形橫斷面的航道設(shè)計顯然增加了岸壁效應(yīng)對船舶操縱的影響。

三、受限水域船體下沉量增加

受船舶運動和水流影響，船體在水下的富余水深減小的現(xiàn)象就是船體下沉。根據(jù)伯努利原理，液體內(nèi)部的靜水壓力、重力壓力和流動壓力應(yīng)總體保持不變；流體的壓強(qiáng)與其流速有關(guān)，流速越大，壓強(qiáng)越??；反之亦然。其簡單原理是，當(dāng)船舶在行進(jìn)當(dāng)中，船頭推開的水將沿著船體兩側(cè)向后回流，來填充被船體排出的水的體積。在開闊的深水水域中，被船首推開的水量會向周圍水域無限傳遞開來，回填的水速度慢，水量相對少；但到了淺水或狹窄水域，船體周圍的水的流速增加，壓力會降低，船體周圍的壓力差導(dǎo)致船體下沉，如圖1所示。同時受到淺水和航道狹窄岸壁阻擋作用力，船首和船體排開的水會快速回填至船體排開水的體積，回填的水流將產(chǎn)生能量，帶動船體一起下沉。

圖1 淺水區(qū)對船體下沉的影響

船體下沉可能是前后平行下沉，還可能出現(xiàn)局部下沉的首傾或尾傾現(xiàn)象。實踐證明，船舶平吃水時，當(dāng)方形系數(shù)等于0.7時，船體基本是平行下沉；當(dāng)方形系數(shù)大于0.7時，船舶首傾下沉；當(dāng)方形系數(shù)小于0.7時，船舶尾傾下沉。如果船舶在原始狀態(tài)就存在吃水差，則一般情況下船體下沉態(tài)勢將保持原來的首傾或尾傾。船體下沉量（S）和船舶的方形系數(shù)（CB）和船速（V）有關(guān)，船體下沉量可按簡易公式計算：S=CB·V2/100（寬敞水域）或S=CB·V2/50（狹窄水域）。隨著船舶尺寸越來越大，速度越來越快，船舶的最大吃水越來越接近于港口航道的通航水深，船體下沉也愈發(fā)受到航運公司和船舶的關(guān)注。船舶在受限水域的下沉將直接影響到富余水深，并可能導(dǎo)致船舶擦底或擱淺事故的發(fā)生。

Ever Given輪擱淺事故發(fā)生時，船舶吃水為15.7 m，基本上達(dá)到夏季滿載水線，該吃水對應(yīng)的方形系數(shù)約為0.7，擱淺前航速達(dá)到13.5 kn，因此，我們可以大致估算出Ever Given輪在擱淺前的船體下沉量一度達(dá)到2.5 m。當(dāng)時航段的水深約為25 m，增加的船體下沉量雖然不會直接導(dǎo)致滿載的Ever Given輪擦底或擱淺，但浸入水下的船舶體積增大，船舶阻力增加，岸壁效應(yīng)會因此增強(qiáng)，如圖1所示。

四、受限水域內(nèi)船速下降

導(dǎo)致船速下降的主要原因是船舶的移動阻力增大、摩擦力增大以及興波阻力增大。船舶在水中移動時，船體會帶動周圍的水一起發(fā)生位移，簡單說就是船首一直推著一部分水移動，而船體上也一直會附帶著一部分水移動，這就相當(dāng)于增加了船舶自身的重量。船舶在開敞的深水區(qū)時，一般船速較快，水比較清潔雜質(zhì)少。進(jìn)入窄而淺的受限水域后，出于港口規(guī)則或者安全考慮，船舶通常會主動降速，同時排開的水傳遞到周圍后會迅速回返，使船舶首尾和左右兩舷的附加質(zhì)量增加。同時，在相同的主機(jī)轉(zhuǎn)速下，由于船體周圍空間受限，在受限水域船體附近水的流速會增加，水底或岸邊的泥沙被帶起，會增加船體的摩擦力。另外，船舶在受限水域船體會下沉，型排水體積增加。 以Ever Given輪為例，在擱淺的當(dāng)時船體下沉量為2.5 m，其夏季滿載吃水對應(yīng)的TPC（每厘米吃水噸數(shù)）約為212.9 t。因此，我們可近似計算出該輪的排水體積增量為5萬多立方米，毫無疑問這將增加船舶在水下的摩擦力和附加阻力。而且越是方形系數(shù)大的船舶，船體在受限水域增加的附加質(zhì)量和摩擦力越大，船速下降得就越多。

船舶在水中航行時，由于船體掀起波浪，產(chǎn)生與船舶前進(jìn)方向相反的阻力，這就是興波阻力。船舶在進(jìn)入窄淺水區(qū)后，興波阻力將增加，這也會導(dǎo)致船速下降。

主機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)不變，船速下降，船舶滑失率增加，油耗也隨之增加，但是對于船舶的舵效影響不大。隨著船速的下降，船舶受風(fēng)和流的影響將增加，有可能被風(fēng)流壓向危險的區(qū)域或者使船舶失控。

五、岸壁效應(yīng)的產(chǎn)生

在受限水域中，船舶的動態(tài)將受到航行區(qū)域的橫向限制，如河岸和碼頭墻壁的影響。這些限制將會影響船舶周圍水的流場和壓力場，從而影響作用在船體上的水動力和力矩。如果一艘船沿著具有恒定、對稱橫截面的航道中軸線航行，船舶將只受到阻力作用，不會受到任何側(cè)向力或偏航力矩。然而，如果一艘船是在偏心的路線上移動，或者如果航行區(qū)域是不對稱的，那么在船體周圍的水流將會引起一個不對稱的壓力場，從而產(chǎn)生一個側(cè)向力和一個偏航力矩。

一般情況下，相對于遠(yuǎn)岸的一側(cè)，船舶周圍的水流速度在近岸的一側(cè)會加快，水壓會降低，水面有所下降，由此產(chǎn)生的力量將船體推向近岸側(cè)，尤其以在船中后部明顯，這種現(xiàn)象常被稱為岸吸。同時船首在前進(jìn)過程中推開的水在近岸側(cè)回返較快，將與推開的水量疊加產(chǎn)生超壓并形成轉(zhuǎn)船力矩，推著船首遠(yuǎn)離近岸向航道中心轉(zhuǎn)向。當(dāng)然，如前所述，航道內(nèi)相對狹窄的岸壁也會增加船的阻力和船體下沉量。Ever Given輪擱淺航次近乎滿載進(jìn)入運河，其船體受風(fēng)面積可達(dá)2萬多平方米，當(dāng)時受到7級偏西風(fēng)及9級陣風(fēng)的影響，風(fēng)壓推動船舶偏離運河中心線，船體有向運河北岸偏移的趨勢。據(jù)此可以推測船體兩側(cè)產(chǎn)生不對稱水壓場，岸壁效應(yīng)開始顯現(xiàn)并逐漸明顯。后續(xù)的船舶AIS軌跡分析也與岸壁效應(yīng)影響效果相符。

根據(jù)國際船模拖曳水池會議（ITTC）的試驗結(jié)果，船舶與岸壁之間的距離越小其岸壁效應(yīng)越明顯，雖然理論上存在一個臨界值，但對船舶實操而言是沒有意義的；岸壁效應(yīng)與船速的平方成正比，船速越大，岸壁效應(yīng)越明顯；船舶富余水深的減小將會導(dǎo)致船岸相互作用的增大；此外，船舶螺旋槳的設(shè)計和岸壁的幾何形狀也會對船岸之間的岸壁效應(yīng)產(chǎn)生影響，如圖2所示。

圖2 狹水道內(nèi)船舶受到水壓不同產(chǎn)生岸壁效應(yīng)

六、受限水域內(nèi)船吸現(xiàn)象

根據(jù)伯努利原理，流體的壓強(qiáng)與它的流速有關(guān)，流速越大，壓強(qiáng)越小。當(dāng)兩艘船近距離并列行駛時，兩船間水流速度加快，壓力降低；同時兩船外舷的流速較慢，水壓力相對較高，船舶的左右兩舷形成壓力差，推動船舶互相靠攏。船吸現(xiàn)象在船舶對遇、追越和交叉相遇中均會發(fā)生，航行的船舶近距離駛過靠泊船也會發(fā)生船吸現(xiàn)象。

兩船在近距離會遇，剛接觸期間，船首排開的水流互相疊加形成高壓區(qū)，推開兩船的船首向外。隨著兩船逐漸接近，兩船中部的低壓區(qū)越發(fā)明顯，這時會引起并行的兩船靠攏和偏轉(zhuǎn)，也最容易發(fā)生碰撞事故，見圖3（a）。

由于追越局面下兩船的作用時間長，船吸現(xiàn)象更加明顯。追越船接觸到被追越船船尾的瞬間，由于兩船內(nèi)外部壓力差導(dǎo)致追越船船首向被追越船偏轉(zhuǎn)，同時被追越船船尾也向追越船偏轉(zhuǎn)，此時容易導(dǎo)致船舶碰撞；隨著兩船逐漸靠近，船中部形成低壓區(qū)，兩船橫距越來越近，被追越船船首向追越船偏轉(zhuǎn)，也容易產(chǎn)生碰撞，見圖3（b）。船吸現(xiàn)象對排水量相對小的和船速相對慢的船影響更大。

圖3 船吸現(xiàn)象原理圖

七、受限水域?qū)Υ安俣娴挠绊?/h2>

船舶在受限水域航行，由于螺旋槳渦流和伴流的增強(qiáng)導(dǎo)致舵力降低，且船底下富余水深越小，舵力下降得越大。在螺旋槳轉(zhuǎn)速保持不變的情況下，由于船速降低而導(dǎo)致螺旋槳滑失增加，螺旋槳排出水流的速度增加，以及淺水中舵的下緣距海底較近導(dǎo)致舵的整流作用加強(qiáng)等因素的影響，又使前述舵力降低得到了補(bǔ)償，總的來看舵力下降不大。雖然舵力下降不大，但是船舶的旋回性有所下降，意味著船舶需要使用更大的舵角來實現(xiàn)變向，但是受限水域留給船舶的安全空間有限，使用大舵角變向需要船舶回舵更及時更敏銳。

八、受限水域內(nèi)航行加重了船長和船員的疲勞與壓力

全球很多船舶必經(jīng)的受限水域往往是位置非常重要且距離較長的河道和運河，諸如我國的長江、珠江和閩江，美國的密西西比河，南美的巴拉那河，歐洲的易北河，日本的瀨戶內(nèi)海，以及蘇伊士運河和巴拿馬運河等，甚至有些港口的進(jìn)港航道也要幾十甚至上百海里。船舶在這些河道或航道內(nèi)航行，需要經(jīng)歷幾個航行班才能完成整個進(jìn)出港航程。船員在此期間，需要不間斷地值班、瞭望、操車、操舵、備車、備錨等。受航道有效水深和寬度的限制，留給駕駛?cè)藛T操控船舶的安全余量不大，任何一個航行命令執(zhí)行不及時或不到位，船舶都可能隨即發(fā)生航行事故。在接連幾個小時的高強(qiáng)度和高壓力的工作下，船舶駕管人員操船責(zé)任重大，精神高度緊張，容易產(chǎn)生疲勞，進(jìn)而導(dǎo)致體力下降，精力不集中，此時船員會出現(xiàn)指令錯誤、口令回復(fù)慢、應(yīng)舵不及時、把定不迅速、艏向不穩(wěn)定、操反舵、誤操車鐘等現(xiàn)象，甚至發(fā)生航行事故。

九、結(jié)語

船舶在受限水域航行，因周圍水流和水量變化，致使船舶的阻力增大，船速降低；船體中部低壓區(qū)向船尾擴(kuò)展產(chǎn)生船體下沉，并伴生縱傾變化；船尾伴流增強(qiáng)，螺旋槳上下槳葉推力之差較深水區(qū)明顯，還將產(chǎn)生較為明顯的船體振動；在淺水區(qū)旋回阻矩增加，旋回性將變差，舵力有所下降；當(dāng)船舶由于風(fēng)流影響或操舵把定一旦沒有航行在航道中心線上，還將出現(xiàn)岸壁效應(yīng)，船首偏向航道中央，船體和尾部被吸向岸壁。良好地理解上述影響船舶在受限水域安全航行的各種要素的原理，能有效幫助船舶駕管人員做好船舶在受限水域的航行計劃，有效控制船位和船速，預(yù)留好富余水深，合理安排船舶值班人員，嚴(yán)格執(zhí)行公司的安全管理規(guī)定，確保船舶在受限水域內(nèi)的航行萬無一失。