潮平兩岸闊
—— 潮汐助力蘇伊士運河擱淺貨輪脫困

常 皓 楊紹瓊 姜 楠

(天津大學機械工程學院，天津 300350)

2021 年3 月23 日，“長賜” 號大型集裝箱貨輪由紅海北向進入蘇伊士運河時，因船長失誤操作，船身橫向卡在航道中無法動彈，導致運河通行受阻(圖1)。3 月29 日，“長賜”號恢復正常航道，歷時六天的運河堵塞事件宣告結束。據悉，此次擱淺導致的蘇伊士運河封鎖，是自1975 年以來該運河發(fā)生過的最嚴重同類事件，德國保險公司安聯(Allianz) 評估稱其造成的全球貿易日損失高達60 億至100 億美元[1]。

圖1 蘇伊士運河“堵船” 情況衛(wèi)星圖

蘇伊士運河全長190 公里，是世界上使用最頻繁的航線之一，其寬度僅有200～300 米，而“長賜”號長達400 米，輕輕一橫便將蘇伊士運河卡得嚴嚴實實。為什么如此巨大的一艘貨輪會在航行途中意外擱淺、橫轉受困，最終堵塞運河河道呢？救援人員又是如何做到將其扭轉回原本的航道呢？本文借助于幾首中國唐詩，嘗試解答這些問題。

1 貨輪擱淺與“岸壁效應”

涇溪

杜荀鶴(唐)

涇溪石險人兢慎，終歲不聞傾覆人。

卻是平流無石處，時時聞說有沉淪。

《涇溪》是唐代著名現實主義詩人杜荀鶴(約846–904 年) 創(chuàng)作的一首哲理詩。杜荀鶴身逢亂世，一生坎坷，其詩作總蘊含著他對人生深刻的思考。這首詩描述了急流險灘之處鮮有船只失事，反倒是水流平緩處常有船只傾覆的反?，F象，告誡人們要居安思危、處盈慮虧。水流湍急處船只容易失事，是眾所周知的道理，而“平流無石處” 船只傾覆，也并非僅與船員的疏漏有關，其在一定程度上或與“岸壁效應” 也有關聯。

“岸壁效應” 是指船舶在靠近岸壁航行時，其左右兩側流體流動不對稱，使船體受到指向岸壁的橫向力和使船首偏離岸壁的首搖力矩，產生所謂的“岸吸” 和“岸推” 現象[2]，“岸吸力” 和“岸推力” 使船只航行時船體極不穩(wěn)定，容易打轉傾覆，尤其是河道較窄、船只較大時更為明顯。岸壁效應的根本原因是文丘里效應(Venturi effect)。文丘里效應又稱文氏效應，是指高速流動的流體附近會產生低壓，從而產生吸附作用。如圖2 所示，船舶在靠近岸壁行駛時，船身會與岸壁間形成一個狹窄區(qū)域，根據伯努利方程，由于過水斷面變小，此區(qū)域內的水流流速將會增加，形成低壓區(qū)，從而對船身產生吸附，即產生指向岸壁一側的岸吸力；同時船舶航行時，船首將前方的水流推向岸壁，又經由岸壁反射，對船首施加反作用力，即產生指向河心的岸推力。此時，若河道很窄、船首在突遇大風等外力時船長準備不足，進而失誤操作，容易使得船體過于偏離一側岸壁，觸碰淺灘而擱淺，甚至傾覆。正因如此，“平流無石處” 才會顯得危機重重，對船而言，岸邊原本是最為安全的停泊地點，然而靠岸行船時卻是處處需要“人兢慎”。

圖2 岸壁效應示意圖

一般地，船舶航行時，為了保證航行安全，往往不會過于靠近岸壁，若河道過窄，不可避免靠近岸壁，船長也往往會不停調整航向，避免船首方位產生較大變化。在“長賜” 號貨輪尺度下，我們已知運河的寬度是小于貨輪的長度的，對于“長賜” 號來說，蘇伊士運河過于狹窄，極易使船體與岸壁間產生低壓區(qū)，促使船尾進一步向岸壁靠攏。而“長賜” 號貨輪擱淺當天，或突遇沙塵暴強風，貨輪自身方位無法得到有效控制，又因為岸壁效應過于靠近河岸，船首產生偏離河岸的力矩，偏向另一側的河岸；此時，船長或因準備不足，或因可能的失誤操作進一步地加深“岸壁效應”，最終導致貨輪擱淺。

2 貨輪橫轉與“舟自橫” 現象

滁州西澗

韋應物(唐)

獨憐幽草澗邊生，上有黃鸝深樹鳴。

春潮帶雨晚來急，野渡無人舟自橫。

《滁州西澗》是唐代著名山水田園派詩人韋應物(約737–796 年) 所做的一首寫景小詩。唐德宗建中二年，韋應物時任滁州刺史，他時常漫步郊野，對西澗清幽的景色非常喜愛，春景與晚潮相映，野渡與詩意同生，這首詩情濃郁的小詩即孕育在這恬淡而憂傷的氛圍里。郊野渡口栓著的一條孤舟，在春雨晚潮所形成的湍急水流中，會獨自橫在河中(圖3)，為什么自然狀態(tài)下的小舟是垂直于河岸而不是與河岸平行呢？

圖3 野渡無人舟自橫

無依無憑的小舟在湍急的水流中的狀態(tài)，是一個流體力學相關的平衡性問題。天津大學力學科普專家王振東教授，對于“舟自橫” 現象，早有珠玉在前，其所著《詩韻力學》中《野渡無人舟自橫––漫話流體運動中物體的穩(wěn)定性》篇對這一現象進行了詳細的分析[3-4]。

王先生將小船簡化為一個細長橢圓柱體，通過計算，發(fā)現橢圓柱體所受合力矩與來流同長軸的夾角有關，且當夾角為0 或π/2 時合力矩為零，此時如受到任一擾動，長軸與來流間會產生一個小偏角，若夾角為0，產生的合力矩會使偏角增大，促使橢圓柱體偏離原位，若夾角為π/2，則產生的合力矩會使偏角減小，促使橢圓柱體復歸原位。由此可見，只有當橢圓柱體長軸與來流的夾角為π/2(小船與河岸垂直) 時，才算處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)位置。后來，王先生還在天津大學流體力學實驗室進行了相關實驗，證實了以上分析在實際情況中的適用性[5]。

王先生關于小船平衡穩(wěn)定性的分析，對于航行中的“長賜” 號貨輪(大船) 也是適用的?！度龂萘x》第四十九回“七星壇諸葛祭風，三江口周瑜縱火” 中也曾有過類似描寫：趙云接應諸葛亮撤離時，一箭射斷東吳追船的蓬索，只見“那蓬墮落下水，其船便橫”(圖4)?？梢娡募钡暮恿髦校チ藙恿Χ坏眯旭偟拇?，便會橫在河中。這一現象與意大利NOVA 新聞社所報道的，“在面對沙塵暴強風時，‘長賜號’貨輪船長或因其失誤操作導致該船在完全駛入蘇伊士運河航道時首部嚴重偏離航道并產生劇烈搖擺，最終在運河中擱淺[6]” 的情況高度相似。

綜上，借助“平流無石處多沉淪”、無動力行船時“舟自橫”現象的原因分析，我們對蘇伊士運河貨輪擱淺及其堵塞河道事件進行了科學解釋?！伴L賜”號貨輪在駛進蘇伊士運河后，突然遭遇沙塵暴強風襲擾，惡劣天氣導致水流湍急，強風及急流促使貨輪無法保持航向穩(wěn)定，進而向河岸偏移，并因“岸壁效應”趨于擱淺，此時貨輪船長因為準備不足，或可能失誤操作，導致貨輪失去動力，在強風及急流影響下，船首迅速偏離航向，因“舟自橫” 現象發(fā)生橫轉?！伴L賜”號貨輪全長400 余米，大于蘇伊士運河此時寬度，貨輪因慣性深嵌兩岸淤泥之中，以“橫置”姿態(tài)擱淺受困，最終對運河造成封堵。

3 貨輪脫困與潮汐的“妙用”

次北固山下

王灣(唐)

客路青山外，行舟綠水前。

潮平兩岸闊，風正一帆懸。

海日生殘夜，江春入舊年。

鄉(xiāng)書何處達？歸雁洛陽邊。

《次北固山下》是唐代著名詩人王灣(生卒年不詳) 旅途中暫時停泊北固山下寫就的一篇歌詠山水的詩作。寫就此詩時，映入他眼簾的，是潮水上漲所帶來的河面開闊，此時即將行舟游船，興之所至，無處不達，可謂自在暢快，若碰上潮水回落，河面萎靡，泛舟其上不免束手束腳，甚而有觸礁擱淺的危險(圖5)。

《次北固山下》千古傳唱，詩中所蘊含的關于潮汐的自然科學哲理，非常值得反復體味。潮汐是指海水在天體引潮力作用下所產生的周期性運動，在地球上，潮汐主要受月球和太陽引力作用影響。太陽因距地球太遠，其引潮力僅為月球的46%。如圖6所示，農歷每月的朔(初一) 和望(十五)，月球、太陽和地球的位置大致處于一條直線上，此時月球和太陽的引潮力方向相同，產生的潮汐互相疊加，使潮汐出現極大值。這種極大值每半個朔望月(14.763天) 出現一次，稱為大潮。而農歷每月上弦(初七或初八)、下弦(廿二或廿三) 時，月球和太陽的引潮力方向接近正交，互相削弱情況最顯著，故潮差達極小值，稱為小潮[3，7]。而且每年的春分或者秋分節(jié)氣，地球距離太陽最近，疊加月球的引力作用，還會形成特大潮。

在流體力學中，涌潮可看作逆水流傳播的水躍(指在海水自由表面，從一個高度在很短的距離內躍升到較大的高度)。一般來說，弗勞德數可用來描述涌潮是否出現，即

漲潮不僅可以帶來開闊的河面，利于行船航行，其所蘊含的能量，更讓人嘆為觀止。我國浙江省錢塘江大潮，素有“天下第一潮” 美譽，古來無數文人墨客為其折服詠贊。北宋著名詞人蘇軾(1037–1101年) 曾在《催試官考較習作》中寫下“八月十八潮，壯觀天下無”，稱贊錢塘江潮威勢天下無對；南宋詞人周密(1232–1298 年) 在《觀潮》一文中寫道：“浙江之潮，天下之偉觀也。自既望以至十八日最盛。方其遠出海門，僅如銀線，既而漸進，則玉城雪嶺際天而來，大聲如雷霆，震撼激射，吞天沃日，勢極雄豪”，其文生動簡練，從色彩、聲響、力量、氣勢各個角度刻畫江潮。而其中猶以唐代著名詩人劉禹錫(772–842 年) 的《浪淘沙》最為雄壯。

浪淘沙

劉禹錫(唐)

八月濤聲吼地來，頭高數丈觸山回。

須臾卻入海門去，卷起沙堆似雪堆。

《浪淘沙》是劉禹錫的組詩，其內容包羅萬象，既有神話傳說的演繹，又有自然風光的描繪，還有對社會不公的揭露、時移事遷的感悟等等。其中第七首，寥寥數筆，寫盡了錢塘江潮的壯闊雄奇，使得“天下第一潮” 奇觀躍然紙上(圖7)。而其九中“流水淘沙不暫停，前波未滅后波生”之句，更道出了潮汐的本質。潮汐有盛有衰，日復一日漲落不息，漲潮時，潮水雖遇阻礙而暫時退去，可下一次到來必將更為強勢。對劉禹錫來說，驅除積弊并不能一蹴而就，而錢塘潮水只會一次比一次迅猛。

圖7 錢塘江大潮航拍圖

2021 年3 月29 日，蘇伊士運河恢復了通航。此次事件，埃及政府派出的救援團隊，主要采用“拖”和“挖” 的方法進行處理，“拖” 即利用拖船從兩側拖拽，把貨輪拖回正確的航道，“挖” 即利用挖掘機將船頭和船尾底下的淤泥清理出來，使船體重新獲得浮力[8]。但無論是“拖” 法還是“挖” 法，都存在巨大的局限性。“長賜” 號長400 米，寬59 米，吃水16 米深，僅僅是其上裝載的18 300 多個集裝箱，就有22 萬噸，常規(guī)拖船根本沒有這樣的動力輸出，哪怕是可以拖動，拖拽期間船體的平衡問題也很難得到保證；而根據測算，如果要通過“挖”法清理泥沙，整個過程大約需要挖2 萬立方的泥沙，挖掘機體積與貨輪對比如圖8 所示，如果單純指望這些挖掘機挖泥，其速度是很難保證的。

圖8 挖掘機正在清理“長賜” 號船頭淤泥

如此棘手的事態(tài)下，運河疏通工作還能在短短幾天內得到解決，其隱藏的“幕后英雄”，便是潮汐。在朔月、望月時期，潮汐的高低差距達到最大，潮水上漲所提供的力量也將最大。據悉，蘇伊士海域屬規(guī)則半日潮，每個潮汐日約為25 小時，這期間將出現兩次高潮和兩次低潮，平均潮差為116 厘米，平均大潮差達142 厘米，平均小潮差也有87 厘米，平均漲潮、落潮歷時分別為6 小時15 分鐘、6 小時10分鐘。而據《紐約時報》報道，2021 年3 月28 日(農歷當月十六)晚上，正值滿月階段(圖6)，潮水上漲，此時借助海水上漲的最大力量，配合救援人員作業(yè)，“長賜” 號貨輪才得以向上浮動，成功脫困[9]。

4 結語

此次蘇伊士運河堵塞事件，導致大量船只停滯在這條全球最繁忙貿易航線上，有部分船只不得不選擇繞道南非好望角，給全球貿易造成了不可估量的影響。雖然整個事件仍充斥著諸多疑點，但基于科學的分析和理性的推斷，我們還是能夠探尋出隱藏在事件背后可能的科學真相。

在探究的過程中，我國古典詩詞的啟發(fā)為我們開拓了新角度。除美學價值外，其中蘊含的科學原理，同樣具有深刻意義。那些詩詞作者用細致入微的觀察，將現實生活既存的自然景觀以雕肝琢腎的態(tài)度，揀其精要展現出來，其理性的思考哪怕在千百年后，依舊能帶給我們啟迪。例如這次蘇伊士運河堵塞事件，其所涉及的大型貨輪“舟自橫” 現象、“卻是平流無石處”的岸壁效應，及救援過程中潮汐的妙用使得“潮平兩岸闊”，早在幾千年前便得到記述。自然界中的許多現象都蘊含著豐富的科學道理，我們認真觀察，理性思考，探求到其原委與真相，從而真正做到認識自然、了解自然，并在這一過程中得到樂趣。

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