淺析淺水對(duì)港內(nèi)船舶操縱的影響

朱正雷 天津港引航中心

港內(nèi)船舶在運(yùn)輸行駛過(guò)程中，遇到淺水域的概率相對(duì)較高，駕引人員需要通過(guò)科學(xué)完善的操縱措施，全面發(fā)揮出車(chē)、舵、錨等相關(guān)設(shè)備的價(jià)值效用，并依靠港內(nèi)拖輪的協(xié)作，不斷提高船舶在淺水域中操縱的安全性、可靠性及穩(wěn)定性。

1.淺水域的基本概念

眾所周知，船舶有規(guī)格大小的區(qū)分方法，然而精準(zhǔn)判斷此區(qū)域是否為淺水域需要結(jié)合水域的具體深度以及船舶的吃水比例h/d而進(jìn)行判定，雖然在國(guó)際上并沒(méi)有針對(duì)淺水域給予明確統(tǒng)一的概念定義，但是對(duì)于一般運(yùn)輸船舶，一般將水深分為如下四個(gè)范圍：深水（h/d＞3.0），中等水深（1.5＜h/d＜3.0），淺水（1.2＜h/d＜1.5），超淺水（h/d＜1.2）。另外，從一水域?qū)Υ皩?shí)際操縱和船舶運(yùn)動(dòng)的影響分析，可以根據(jù)船舶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)明確此水域是否屬于淺水域。根據(jù)淺水域?qū)Υ暗膶?shí)際航行所產(chǎn)生的影響，本文重點(diǎn)分析以下幾個(gè)方面。其一，分析船舶橫向航行運(yùn)動(dòng)中受到橫向水動(dòng)力及橫向水動(dòng)力距值大小。其二，分析船體在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中受到的阻力大小。其三，分析船舶操縱性能的影響大小。

2.淺水對(duì)港內(nèi)船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和船舶操縱的具體影響

2.1 增加橫向水動(dòng)力和水動(dòng)力力矩

港內(nèi)船舶在淺水領(lǐng)域的航行過(guò)程中，整個(gè)船體附近水系的流動(dòng)性與在深水域當(dāng)中存在一定的差異性。在深水域航行期間，船體的首部和尾部附近水系流動(dòng)具有三維空間流動(dòng)的特征。船首位置水系流動(dòng)通常會(huì)向兩旁分散開(kāi)并直至后方向，具有顯著向下的流動(dòng)特性；而在船尾位置水系的流動(dòng)則由兩側(cè)向縱中剖面，又向后移動(dòng)，可以直接看出其具有顯著向上的特征。在淺水域中，船體的首部位置與尾部位置流動(dòng)性往往會(huì)受到外界因素的干擾和影響，比如空間、地點(diǎn)的約束等等，在這些因素的影響下，結(jié)合深水域的三維運(yùn)動(dòng)特征，相對(duì)水流從三維流動(dòng)及時(shí)轉(zhuǎn)化為二維平面化流動(dòng)，這可以為操作人員呈現(xiàn)出船體附近不同的水壓變化趨勢(shì)。

通常情況下，淺水域的船舶底部位置與河床間在無(wú)形當(dāng)中營(yíng)造出一條水道，這會(huì)增加水的流動(dòng)速度，也會(huì)因水系自身的粘性特點(diǎn)而在河床、船底位置形成界面，使得船舶的底部水流速越來(lái)越快，這種附加形式的速度增加通常被稱作回流速度。回流速度產(chǎn)生后會(huì)不斷加強(qiáng)船舶行駛過(guò)程中底部位置的水體流速，船體壓力在短時(shí)間內(nèi)下降，導(dǎo)致整個(gè)船底不斷下沉，而且船底與河床之間的邊界厚度也會(huì)逐漸增加，進(jìn)而出現(xiàn)縱傾狀況。另外，回流造成船體下沉，船體濕面積大幅度增加，會(huì)使摩擦阻力也隨之而提高。在相對(duì)速度加快的基礎(chǔ)上，船體壓力也會(huì)立刻下降，導(dǎo)致船體首部與尾部壓力差過(guò)大，產(chǎn)生渦流。在淺水域中，由于船體周?chē)骷铀?，船體濕面積增大等因素的變化，船舶所受到水動(dòng)力及水動(dòng)力力矩隨之增大。隨著水深逐漸變淺后，橫向水動(dòng)力及橫向水動(dòng)力力矩隨著水深的變淺而增大。尤其是在h/d＜2之后，隨著相對(duì)水深變淺，水動(dòng)力系數(shù)和水動(dòng)力力矩系數(shù)增大更加明顯。橫向水動(dòng)力及力矩的增大對(duì)船舶操縱的影響主要體現(xiàn)在靠離泊時(shí)不易橫移和不易轉(zhuǎn)船，造成船舶靠離泊或回旋掉頭困難增加。

2.2 增加船舶的縱向阻力

船舶在淺水域航行階段中，整個(gè)船體附近的壓力產(chǎn)生動(dòng)態(tài)性變化，船底水流因速度的增快而不斷加大摩擦阻力，同時(shí)船體周?chē)鷫毫档?，引起船體下沉，吃水增加，增加了濕水面積。這也反映出水域深度與吃水以及航行速度之間的相互關(guān)系，當(dāng)水深越來(lái)越淺，航行速度越大的情況下，船體的摩擦阻力便會(huì)越來(lái)越大。船舶在淺水域航行，船中的低壓力區(qū)逐漸朝向尾部位置擴(kuò)張，引起船舶整體下沉，整體縱傾的狀況加劇。淺水域中出現(xiàn)興波增強(qiáng)便增大了興波阻力，淺水使螺旋槳周?chē)臏u流增加而降低推進(jìn)器的工作效率。所以這些因素的疊加結(jié)果使船舶航行速度逐漸下降。由此可以看出，增加的阻力或降低推進(jìn)器的效率都會(huì)導(dǎo)致船舶出現(xiàn)降速現(xiàn)象。

2.3 加劇船體下沉和縱傾

在船舶的前進(jìn)階段中，將船首部的水流逐漸向左側(cè)和右側(cè)兩個(gè)方向排開(kāi)，船首和船中的流態(tài)出現(xiàn)劇烈變化，導(dǎo)致整體水流的速度也出現(xiàn)變化，船首和尾部形成高壓區(qū)域，而船中位置形成低壓區(qū)域。在船體加速的過(guò)程中，整體水流速度比船舶航行的速度要快許多，這就導(dǎo)致船體周?chē)乃徊粩嘞陆?，產(chǎn)生船體下沉現(xiàn)象。然而在淺水域中船體下沉的程度更加嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)船底與海底接觸摩擦的狀況。淺水中船體縱傾的變化，也比深水中明顯。淺水中船體下沉和縱傾的特點(diǎn)如下：1）較低船速時(shí)就開(kāi)始出現(xiàn)船體下沉。2）隨著船速增加，下沉量增加率比深水中大。3）船體達(dá)到首傾最大值及有首傾變?yōu)槲矁A所需船速低。

從整體上來(lái)看，深水域中的船舶會(huì)在航行過(guò)程中因周?chē)鷫毫ο禂?shù)的改變促使兩側(cè)水位逐漸下降，便導(dǎo)致整個(gè)船舶下沉，原本的縱傾狀態(tài)也有一定的改變，這種下沉和縱傾的程度主要取決于船型和船速，肥大型船舶船體下沉和縱傾變化劇烈，航速越快，船體下沉和縱傾變化越激烈。淺水中船體出現(xiàn)下沉和縱傾狀況比在深水域中出現(xiàn)的這種情況更嚴(yán)重，所以會(huì)直接影響到船舶的操縱。在商船允許的航行速度標(biāo)準(zhǔn)下，淺水域中始終維持不變速度航行會(huì)造成船體下沉，隨著不斷提升航行速度后，下沉的概率也會(huì)越來(lái)越大。所以，當(dāng)進(jìn)出港船舶通過(guò)淺水域期間，相關(guān)人員需要重點(diǎn)關(guān)注船體下沉和縱傾狀況的發(fā)生，結(jié)合相關(guān)計(jì)算方法，將剩余水深和相關(guān)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)計(jì)算出來(lái)，避免船舶出現(xiàn)擱淺現(xiàn)象，為了保障船舶上人員安全和船舶安全，需要及時(shí)降低航行速度通過(guò)淺水域。在實(shí)際操縱船舶期間，盡可能采用備車(chē)航行，并在航行過(guò)程中全程開(kāi)啟測(cè)深儀器，及時(shí)推算出剩余水系的深度，確保進(jìn)出港船舶航行的穩(wěn)定、安全。

2.4 旋回性能降低，航向穩(wěn)定性提高

進(jìn)入淺水域后，在舵力初始回旋力矩的影響下，船舶進(jìn)入旋回，船舶整體的旋回阻尼矩會(huì)隨之增大，便出現(xiàn)旋回性指數(shù)K不斷減小，旋回性能也會(huì)因此而降低。在淺水域航行期間，船舶的旋回直徑與深水域旋回直徑相比，前者稍大一些，當(dāng)水深吃水比小于2的情況下，旋回直徑將會(huì)不斷增大；當(dāng)水深吃水比超過(guò)4的情況下，便不會(huì)對(duì)船體旋回直徑造成較大的影響。所以當(dāng)港內(nèi)船舶駛?cè)霚\水域后，即便采用舵或增大舵角，仍會(huì)出現(xiàn)船頭始終保持不轉(zhuǎn)動(dòng)的狀況，如果發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)后又非常困難精準(zhǔn)掌控其自身的船首向。

當(dāng)船舶于淺水域航行期間，船舶旋回阻矩及虛慣矩均有較大增加，其中旋回阻矩的增加幅度更大，這促使船舶航行的穩(wěn)定性比在深水水域中獲得顯著提升。

2.5 提高船舶的停船性能

進(jìn)出港船舶在淺水域航行階段中，因受到興波加強(qiáng)、首部?jī)A斜、船體下沉等因素的影響，整個(gè)船舶壓力和阻力迅速增加。同時(shí)，船舶在淺水中航行，螺旋槳的推進(jìn)效率降低，船體的附加質(zhì)量增大。在停船后余留速度較高的時(shí)期內(nèi)，淺水域中航行阻力增加的幅度較大，對(duì)縮減沖程和航行速度有一定的幫助。當(dāng)速度降低到最小化時(shí)，因上述幾項(xiàng)作用的削弱，減速狀況有所遲緩。因此，總得來(lái)說(shuō)淺水對(duì)減少?zèng)_程有利。但淺水中倒車(chē)操縱過(guò)程中，螺旋槳橫向致偏作用比較明顯。

2.6 對(duì)舵力及舵效的影響

船舶在淺水域航行期間，因船體的不斷下降，造成船底部水?dāng)嗝嬷饾u減小，整體水系流向過(guò)于紊亂，直接對(duì)船舶的舵力產(chǎn)生不必要的影響。當(dāng)船舶進(jìn)入淺水域后，二維流速度的持續(xù)增加會(huì)造成船體下沉狀況愈加嚴(yán)重，縱傾增加的基礎(chǔ)上，船舶尾部位置水流向上擴(kuò)散，加快了船舶周?chē)鷾u流，也加強(qiáng)了船尾部的伴流量，渦流和伴流的增加減弱了舵力。另外，當(dāng)船舶的螺旋槳裝置始終保持勻速狀態(tài)時(shí)，滑失比提高，舵力提高。還有，淺水域中船舶的下方位置與海底距離比較近，舵葉下端部受到整流作用，產(chǎn)生了類似增加舵面積的效果，使得舵力降低獲得一定的彌補(bǔ)。從整體角度來(lái)看，舵力的下降程度不是很?chē)?yán)重。但在淺水水中航行舵效變差，這是由于淺水中回轉(zhuǎn)阻力大大增加的緣故。結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以證明，在h/d=2時(shí)，回轉(zhuǎn)角速度會(huì)降低到深水的85%左右；而當(dāng)h/d=1.25時(shí)，回轉(zhuǎn)角速度為深水的1/2左右。

2.7 跑舵

航行中的船舶出現(xiàn)朝向某一方位偏轉(zhuǎn)的狀況被稱為跑舵。船舶在淺水域的邊緣航行期間，首部位置向兩旁不斷排水并加速前進(jìn)，在此期間，首部位置形成高壓區(qū)域，因兩旁水深的條件有所不同，排向較深區(qū)域的水可以立即擴(kuò)散開(kāi)，處于淺水區(qū)的一側(cè)其水面會(huì)在行駛過(guò)程中不斷升高，從而產(chǎn)生額外的壓力，額外的壓力差迫使船舶向深水一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)。在實(shí)際操作過(guò)程中，為了抑制船首朝深水一側(cè)偏轉(zhuǎn)，保持船舶沿航道航行，需向航道邊緣一側(cè)壓舵。航道寬度越窄，船速越快，跑舵現(xiàn)象越嚴(yán)重。

3.在淺水域港內(nèi)船舶操作期間的注意要點(diǎn)

港內(nèi)船舶在航行過(guò)程中，駕引人員需要時(shí)刻關(guān)注螺旋槳轉(zhuǎn)速、回轉(zhuǎn)性能、舵效和船尾的泥沙翻滾等現(xiàn)象，判斷船舶是否已經(jīng)駛?cè)霚\水域。駕引人員為了確保船舶航行的穩(wěn)定及安全，需要結(jié)合船舶的操縱技巧和裝載重量以及水深度、航道情況等因素條件，結(jié)合實(shí)際的交通情況及時(shí)采取科學(xué)有效的操縱措施。

3.1 自主降低船速

船舶的降速主要分為兩種類型，分別為自然降速和自主降速，兩者有一定的區(qū)別。自然降速通常是在淺水域受到阻力值超過(guò)船舶螺旋槳的推力數(shù)值的情況下，利用同樣的轉(zhuǎn)速自然降低船舶的前進(jìn)速度。主動(dòng)降速需要做好以下兩方面工作。其一，備車(chē)。船舶備車(chē)后，主機(jī)的輸出功率往往為最大限度輸出功率的50%-60%左右，而且對(duì)于主機(jī)換車(chē)、實(shí)施船舶機(jī)械化操作有一定的幫助，這可以更好的滿足淺水域中交通環(huán)境復(fù)雜多端的情況。另外還可以防止產(chǎn)生主機(jī)超負(fù)荷工作的不良現(xiàn)象。主機(jī)過(guò)于陳舊的船舶更需要做好備車(chē)工作。其二，極淺水域的深度降速。當(dāng)h/d接近1.1的情況或者更小時(shí)，便該水域被稱為淺水域中的極淺水域，在此水域中，規(guī)模較大的船舶需要針對(duì)自身的下沉和縱傾變化情況確切到具體的數(shù)值，在行駛過(guò)程中要始終保持警惕、警醒的心態(tài)，不可因趕潮水過(guò)淺灘而運(yùn)用高速度觸底或擦淺，進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)重的擱淺安全事故。在極淺水域航行的船舶需要在上述備車(chē)處理的前提條件下重點(diǎn)思量船舶自主降速的問(wèn)題。

3.2 注意船舶旋回性能的變差

從整體視角來(lái)看，船舶在淺水域航行期間會(huì)出現(xiàn)旋回性能降低的狀況，為了將船舶掉頭旋回所涉及的水域范圍降低到最小化，大部分駕駛員和引航員會(huì)運(yùn)用最常見(jiàn)的加速旋回操作方法。也就是在船舶進(jìn)行掉頭或旋回動(dòng)作前，第一步降低原本的行駛速度，在開(kāi)始進(jìn)行旋回和掉頭時(shí)，采用高效率的螺旋槳轉(zhuǎn)速，在增加滑失比的基礎(chǔ)上提高船舶舵力。但是，采用這種加速回旋的操縱方法需要全方位考慮到淺水域帶來(lái)的影響。

3.3 改善停船性能

對(duì)于航行于淺水域的船舶而言，因二維流速、船體下沉等原因，其整體阻力也會(huì)有所增加，船體所受到摩擦力也會(huì)增加?？偟膩?lái)說(shuō)，船舶在停船過(guò)程中所發(fā)揮的各項(xiàng)性能也會(huì)有所改進(jìn)。首先，在停船產(chǎn)生沖程過(guò)程中，淺水阻力比深水域的阻力要高，更適用降低速度而減少?zèng)_程。在余速較低的情況下，因各種外界因素的干擾效果減弱，也減少了船舶?？刻幚砥陂g的沖程作用。

在港內(nèi)淺水域操縱船舶期間，駕駛員與引航員需要密切注意淺水域減少停船沖程的實(shí)際效果，避免出現(xiàn)安全事故。在緊急停船期間，緊急停船所具有的沖程效果與水深息息相關(guān)。當(dāng)h/d=3時(shí)，緊急停船沖程為深水域沖程的100%；當(dāng)h/d降低為1.2的時(shí)，緊急停船沖程會(huì)低至83%，由此可以看出，緊急停船的沖程隨著h/d數(shù)值比減少而減少。除此以外，駕駛員和引航員運(yùn)用大舵角旋回方法制動(dòng)時(shí)，他們需要深刻意識(shí)到船舶在淺水域經(jīng)常出現(xiàn)旋回性變差的問(wèn)題，所以要大角度旋回制動(dòng)的降速效果會(huì)無(wú)法發(fā)揮出原有的價(jià)值效用。所以，船舶在航道或港內(nèi)淺水域航行中，除了自力制動(dòng)措施以外，還需要借助拖輪等其他方法的幫助。

淺水域中倒車(chē)操縱過(guò)程中，螺旋槳橫向致偏作用比較明顯。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于試驗(yàn)船型（右旋單槳油船），倒車(chē)過(guò)程中船首向右偏轉(zhuǎn)的角度在深水，中等水深和淺水中的數(shù)值分別為18度、50度和88度。因此，在停船過(guò)程前，淺水域船舶應(yīng)多操偏轉(zhuǎn)相反方向的航向，提前讓拖輪做好協(xié)助，克服船舶顯著偏轉(zhuǎn)。

4.結(jié)論

淺水域是港內(nèi)船舶航行過(guò)程中接觸頻率最高的區(qū)域，在實(shí)際船舶航行過(guò)程中，駕駛員或引航員在發(fā)現(xiàn)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)速度降低、回轉(zhuǎn)性能變差等現(xiàn)象便可以斷定船舶已經(jīng)駛?cè)霚\水域，需要給予足夠的關(guān)注與重視。駕引人員需要全面發(fā)揮出良好的船舶操縱技術(shù)，保證進(jìn)出港船舶可以安全駛過(guò)淺水域。