【技术解析】受限水域安全航行要素分析

CPI 资讯 No. 548

作者：王勇

摘要

近期，长赐轮苏伊士运河搁浅事故成为了全球航运的一个焦点，在业界普遍关注长赐轮将要面对的一系列巨额索赔的同时，船舶在受限水域内的航行安全其实也是非常值得关注的一个问题。近年来，在全球各港口、河道、运河及海峡等受限水域发生的船舶搁浅、触碰和碰撞案例屡见不鲜，这些案件往往带来重大的经济损失和严重的社会影响。船舶在受限水域内航行，其操控性能下降，影响船舶航行稳定性的外界因素增多，船舶周围的安全物理空间减少，驾管人员的工作压力增大，船员的疲劳程度增加，这些不利因素都极易导致航行事故的发生。随着船舶的建造尺寸越来越大，速度越来越快，在受限水域的自然环境和通航环境不能轻易得以改善的情况下，船舶安全通行则是对驾管人员在船舶技术和管理上提出了更大挑战。

1 受限水域

通常情况下，受限水域指由于船舶的尺度和吃水与可航行水域的宽度和水深的关系，致使其不能自由进行变向和变速等操作都受到严重限制的水域。诸如进出港航道、狭水道、港口附近的分道通航带和锚地、狭窄的海峡、运河、江河、大桥下通航区以及养殖区附近水域都可能成为船舶自由航行的受限水域。

除了上述从船舶操纵的角度对受限水域给予的一些基本的解释外，业内也有一些量化的参考标准。

1992年，世界水上运输基础设施协会（PIANC）针对船舶的操纵性能，结合水深H和吃水D的比对值，对相对水深提出了一个划定。当H/D＞3时，被视为深水区；

当1.5＜H/D＜3时，被视为中等水深区；

当1.2＜H/D＜1.5时，被视为浅水区；

当H/D＜1.2时，则被视为非常浅的区域。

另外，根据荷兰学者Hooft. J.P更早对船体前进时受到阻力的影响来划分，低速船当H/D≤4，高速船当H/D≤10时，即可作浅水域对待。从水流对船体横向运动的影响来区分，以H/D≤2.5时可作浅水域对待。同时，一般将吃水比为2.5数值作为对船舶前进中的操纵性有影响的水深界限。当H/D≤1.5时，则是对船舶操纵性有较明显影响并能够被驾驶人员容易发现和感知的水深界定。

航道宽度对船舶的变向和旋回影响是最大的，考虑到船舶的触碰和岸壁效应，通常以航道的有效宽度W与船长的比值来划定。当W/L≤2时，应视为狭窄水域，则岸壁效应可能会出现；当W/L≤1时，受限水域对船舶的操纵性影响明显，驾驶人员能容易发现和感知这种影响，这里所说的航道有效宽度往往是指航道内的最小宽度，一般是在航道的底部，而不是平时驾驶员视力可见的水面上的宽度。

2 船体下沉量增加

由于船舶运动和水流的影响，船体在水下的富裕水深减小的现象就是船体下沉。根据瑞士物理学家伯努利的定律，液体内部的静水压力、重力压力和流动压力应总体保持不变；流体的压强与它的流速有关，流速越大，压强越小；反之亦然。其简单原理是，当船舶在行进当中，船头推开的水将沿着船体两侧向后回流，来填充被船体排出的水的体积。在开阔的深水水域中，被船首推开的水量会向周围水域无限传递开来，回填的水速度慢，水量相对少。但到了浅水或狭窄水域，船体周围的水的流速增加了，压力会降低，船体周围的压力差就导致了船体的下沉。同时受到浅水和航道狭窄岸壁阻挡作用力，船首和船体排开的水会快速回填至船体排开水的体积，回填的水流将产生能量，将带动船体一起下沉。

船体下沉可能是平行下沉，还可能出现局部下沉的首倾或尾倾现象。实践证明，当船舶在平吃水时，当方形系数等于0.7时，船体基本是平行下沉；当方形系数大于0.7时，船舶首倾下沉；当方形系数小于0.7时，船舶尾倾下沉。如果船舶在原始状态就存在吃水差，则一般情况下船体下沉态势将保持原来的首倾或尾倾。根据船体下沉量简易计算公式得知，S=CB·V2/100（宽敞水域）或S=CB·V2/50（狭窄水域）。船体下沉量和船舶的方形系数和船速有关，随着船舶尺寸越来越大，速度越来越快，船舶的最大吃水越来越接近于港口航道的通航水深，船体下沉也愈发受到航运公司和船舶的关注。船舶在受限水域的船体下沉将直接影响到船舶的富余水深，并可能导致船舶擦底或搁浅事故的发生。

3 船速下降

导致船速下降的主要原因是船舶的移动阻力增加、摩擦力增加以及兴波阻力增大，当船舶在水里移动后，船会带动周围的水一起发生位移，简单说就是船首一直推着一部分水，而船体上也一直会附带着一部分水移动，这就相当于增加了船舶自身的重量。船舶开敞的深水区，一般船速较快，水比较清洁杂质少，而一旦船舶进入窄而浅的受限水域后，出于港口规则或者安全考虑，船舶会主动降速，船舶不仅如深水中推着一部分水带动一部分水，同时船舶自身质量排开的水传递到较窄和浅的周围后会迅速回返，使船舶首尾和左右两舷的纵向和横向附加质量增加。

同时，在相同主机转数下，由于船体周围空间受限，如果不考虑水流的变化差异，与船体接触的水流速度在受限水域会增加，船舶航经受限水域或带起水底或岸边的泥沙等杂质，这都会增加船体的摩檫力。另外，船舶在受限水域船体会下沉，型排水体积增加，这也是会增加摩擦力和附加阻力。越是方形系数大的船舶，船体在受限水域附加的质量和摩擦大越大，船速下降的就越多。

船舶在水面上运动会推开周围的水，带动水的扰动，这就是形成兴波的基本原理，扰动的水对船体的水平方向的反作用力就是兴波阻力，由于船舶兴波和兴波阻力较为复杂不进行展开讨论，那么船舶在进入窄浅水区后，兴波阻力将增加，这也会导致船速的下降。

主机相同转数下的船速下降，导致船舶的滑失增加多消耗一些燃油，但是对于船舶的舵效影响不大，但随着船速的下降，船舶受风和流的影响将增加，有可能被风流压向危险的区域或者使船舶失控。

4 岸壁效应

在受限制水域中，船舶的动态将受到航行区域的横向限制，如河岸和码头墙壁的影响。这些限制将会影响船舶周围水的流场和压力场，从而影响作用在船体上的水动力和力矩。如果一艘船沿着具有恒定、对称横截面的航道中轴线航行，船舶将只受到阻力作用，不会受到任何侧向力或偏航力矩。然而，如果一艘船是在偏心的路线上移动，或者如果航行区域是不对称的，那么在船体周围的水流将会引起一个不对称的压力场，从而产生一个侧向力和一个偏航力矩。

一般情况下，相对于远岸的一侧，船舶周围的水流速度在近岸的一侧会加快，水压会降低，水面有所下降，由此产生的力量将推船体向近岸侧，尤其以在船中后部明显，这种现象常被称为岸吸。同时船首在前进过程中推开水在近岸侧回返的快，将与推开的水量产生叠加产生超压并形成转船力矩，推着船首远离近岸向航道中心转向。当然如前所述，航道内相对狭窄的岸壁也会增加船的阻力和船体下沉量。

根据国际船模拖曳水池会议（ITTC）的试验结果，船舶与岸壁之间的距离越小其岸壁效应越明显，虽然理论上存在一个临界值，但对船舶实操而已是没有意义的；岸壁效应与船速的平方成正比，船速越大，岸壁效应越明显；船舶富余水深的减小将会导致船岸相互作用的增大；此外，船舶螺旋桨的设计和岸壁的几何形状也会对船岸之间的岸壁效应产生影响。

5 船吸现象

根据伯努利原理，流体的压强与它的流速有关，流速越大，压强越小。当两艘船近距离并列行驶时，两船间水流速度加快，压力降低；同时两船外舷的流速较慢，水压力相对较高，船舶的左右两舷形成压力差，推动船舶互相靠拢。船吸现象在船舶的对遇、追越和交叉相遇中均会发生，航行的船舶近距离驶过靠泊船也会发生船吸现象。

两船在近距离会遇，刚接触期间，船首排开的水流互相叠加形成高压区，推开两船的船首向外。随着两船逐渐接近，两船中部的低压区越发明显，这时会引起并行的两船靠拢和偏转，也最容易发生碰撞事故。

由于追越局面下两船的作用时间长，船吸现象更加明显。追越船接触到被追越船船尾的瞬间，由于两船内外部压力差导致追越船船首向被追越船偏转，同时被追越船船尾也向追越船偏转，此时容易导致船舶碰撞；随着两船的逐渐靠近，船中部形成低压区，两船横距越来越近，被追越船船首向追越船偏转，也容易产生碰撞。船吸现象对排水量相对小的和船速相对慢的船影响更大。

6 操舵影响

船舶在受限水域航行，由于螺旋桨涡流和伴流的增强导致舵力的降低，且船底下富余水深越小，舵力下降得越大。在螺旋桨转速保持不变的情况下，由于船速的降低而导致螺旋桨滑失增加，螺旋桨的排出流的速度增加，以及浅水域中舵的下缘距海底较近导致舵的整流作用得以加强等因素的影响，又使前述舵力降低得到了补偿。总的来看，舵力下降不大。虽然舵力下降不大，但是船舶的旋回性有所下降，这说明船舶需要使用更大的舵角来实现变向，但是受限水域留给船舶的安全空间有限，使用大舵角变向需要船舶回舵更及时更敏锐。

7 疲劳和压力

全球很多船舶必经的受限水域往往是位置非常重要，距离非常长的河道和运河，诸如我国的长江、珠江和闽江，美国的密西西比河，南美的巴拉那河，欧洲的易北河，日本的濑户内海，苏伊士运河和巴拿马运河等，甚至有些港口的进港航道也要几十甚至上百海里。船舶在这些河道或航道内航行，需要经历几个航行班才能完成整个进出港航程。船员在此期间，需要不间断地值班、瞭望、操车、操舵、备车、备锚等。由于航道有效水深和宽度的限制，留给驾驶人员操控船舶的安全余量不大，任何一个航行命令执行不及时或不到位，船舶都可能随即发生航行事故。船舶驾管人员操船责任重大，精神高度紧张，在接连几个小时的高强度和高压力的工作下，人员容易产生疲劳，进而导致体力下降，精力不集中，此时船员会出现指令错误，口令回复慢，应舵不及时，把定不迅速，艏向不稳定，操反舵，误操车钟等现象，甚至导致船舶航行事故的发生。

8 总结建议

船舶在受限水域主要受到周围水流和水量的变化对船舶的影响，致使船舶的阻力增大，船速降低；船体中部低压区向船尾扩展产生船体下沉，并伴生纵倾变化；船尾伴流增强，螺旋桨上下桨叶推力之差较深水明显，还将产生更为明显的船体振动；船舶在浅水域内旋回阻矩增加，旋回性将变差，舵力有所下降；当船舶由于风流影响或操舵把定一旦没有航行在航道中心线上，还将出现偏航和偏转的岸壁效应，船首偏向航道中央，船体和尾部将被吸向岸壁。良好地理解上述影响船舶在受限水域安全航行的外界要素产生原理，能有效帮助船舶驾管人员做好船舶受限水域的航行计划，有效地控制船位和船速，预留好富余水深，合理安排船舶值班人员，从而妥善执行公司在受限水域航行安全管理要求，确保船舶在受限水域内的航行万无一失。

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