宁波渔业锚地船舶避风能力评价研究

胡云平 刘 阳

(宁波大学海运学院 宁波 315211)

0 引 言

浙江沿海受台风影响频繁.渔民和渔船安全避风是关乎民生,保障渔民生命财产安全,维护社会安定的大事.海洋捕捞是宁波的传统产业,全市渔船众多.宁波所辖石浦港、三门湾、象山港等港湾均为天然避风良港,但对其避风能力从未作过评价.本文对不同水文气象条件下锚地抗风级能力做出评价,使渔船能最大限度、有序、安全地避台锚泊,为主管机关指挥渔船进入锚地抗台提供正确决策的科学依据具有重要的现实意义.

1 渔船、锚地及避台概况

1.1 渔船

宁波位于东海之滨,濒临我国近海最大的渔场——舟山渔场,渔业历史悠久,是传统海洋渔业大市.全市海洋渔船9 001艘,主要分布在象山、宁海、奉化三县(市),其中185 kW以上外海渔船2 537艘(占28%),45～186 kW近岸渔船860艘(占9.5%),45 kW以下及非机动海洋渔船6 165艘(占62.5%).主要有三种类型渔船,见表1.

1.2 锚地

目前全市沿海有渔港34处,涉及锚地18处.主要是桐照锚地、西店、强蛟锚地、大嵩港锚地、梅山港锚地、穿山港锚地、象山1号锚地、象山2号锚地、象山3号锚地、象山4号锚地(中界山锚地)、林门港锚地、小湾港锚地、东门锚地、下湾门锚地、铜钱礁锚地、路林避风锚地、孔浦避风锚地、临海浦闸、陶家路闸锚地、龙山四灶浦锚地.

表1 三种渔船船型的主要参数

1.3 避台概况

全市渔船防台的重点也是难点.因宁波市渔船避风锚地的自然条件参差不齐,渔船的锚泊设备不规范,渔民的锚泊操作水平不高等影响,走锚现象时有发生.另外,在避风条件较差的渔区和面临较强台风时,渔船往往采取搁滩方式进行抗台,以抵御台风.这种方式能较好地在台风正面袭击时保证渔船的安全,但也受到一定的限制：(1)部分渔船受船体结构限制不能采取搁滩方式,如装有外龙骨的渔船;(2)风暴潮三碰头的情况下,采用搁滩方式仍有较大风险;(3)近年来由于标准海塘建设、滩涂养殖和大规模的围填海,造成适合渔船搁滩的滩涂面积急剧减少.

2 外界因素影响

2.1 风的影响

风动压力是指处于一定运动状态下的船舶,船体水线以上部分所受的空气动压力.船舶受风影响主要表现在,船速发生变化,船体向下风产生漂移,同时船首将向上风或下风偏转[1].

式中：ρa为空气密度,kg/m3;Ca为风动力系数;为相对风速,m/s;θ为风舷角,(°);水线上船体正面投影面积,m2为水线上船体侧面投影面积,m2;为风动力,kN.

根据日本学者荒木浩,升丰治风洞试验结果报告.渔船的风动力系数见表2.

表2 风动力系数表(满载)

表3 日本渔船与中国渔船对比

从表3两国渔船对比可知,报告中采用的风动力系数、流压力系数有一定的可比性.

本计算,取空气密度为1.026 kg/m3,每级风速取其平均值,力的单位为N.从计算可以看出,风对船舶的影响是在风舷角30,140°时,见表4.

表4 不同船型风级不同时所受最大风动力 N

2.2 流的影响

船舶与其周围的水有相对运动时,船体就会受到水的作用力,这种作用力统称为水动压力.船水之间的相对运动,是由于船舶本身自力(车、舵、锚、缆)作用,也可能是由于外力(拖轮、风动压力、水流作用)所引起的.由于水流的存在而对船体产生的作用,称为流压力.流压力的计算公式如下[2].

式中：ρ为水密度,kg/m3为流压力系数为相对水流速度,m/s;L为船长,m;d为吃水,m.

在这里不考虑纵向方向也即X轴方向流的影响,根据实验结果,纵向受流压较小.

从实地调查情况来看,所研究的这几个锚地,在台风、强台风、超强台风时,流速一般都不超过4 kn.从3种不同的船型,不同的水深、吃水比的计算结果来分析,特别是在H/D=1.1,漂角为90°时的情况下船舶受流压力更大,见表5.

表5 不同船型在不同流速下受到的最大、最小力

2.3 波浪影响[3]

规则波中的船舶受到的波浪干扰力,采用Froude-Krylov假设：设定船舶的外形为正六面体.

式中：χ为遭遇角,(°);ωe为遭遇频率;h为波高, m;k为波数,2π/λ;L为船长;B为船宽;d为吃水;ρ为水密度,kg/m3;为波浪周期,为风速,m/s;X为纵向受力,N;Y为横向受力,N.

根据相关对石浦港、桐照港、三门湾、镇海、嵊山历年遭遇到12级台风时,对锚地中的波浪影响,波高最大值为5 m,因此以此最大值作为计算标准.波浪要素见表6.

表6 三锚地不同风级下的波浪要素

3 抗风能力评价

3.1 单锚泊时的锚抓力

单锚泊时的锚抓力由锚的抓力和链与海底间的摩擦力两部分构成,即

锚的种类较多,形状各异,锚的抓力系数不同.锚链的抓力系数,根据T.Thorpo实验在不同的底质中抓力系数也不同,锚抓力系数、链抓力系数随底质软硬程度的不同,差异较大.为使用方便,当情况不明时,估算可取锚(大抓力锚)抓力系数为8,链抓力系数取0.7.从单锚泊船锚泊情况看,保证安全锚泊的必要条件使锚泊力等于或大于船体所受外力见表7.因此,在不同外界环境条件下,出链长度是不尽相同的.

根据P=λaWa+λcWcl≥T0(作用于船体的水平外力),可知即安全锚泊的出链长度应为

表7 不同船型在泥质中的系驻力 N

3.2 不同船型的系驻力

从实际调查三个锚地的底质看,都为泥地.根据式(4)计算求得,海上常用功率为额定功率的90%,一般100 kW能发出13.33 kN的力,但各船的主机的推进曲线不同,这里必须有个系数,建议90%,见表8.

为了验证系驻力的计算正确与否,课题组对奉化桐照、象山鹤浦、三门湾锚地进行实测.试验条件：中国渔政33212(渔船改造)、吃水2.8 m、船长31 m、船宽6.3 m,锚重340 kg、功率222 kW;计量仪采用100 kN拉力器.试验结果见表8.因拉力器有一定的误差,表中最后一列下面行的数据为校正以后的力.实测与计算数值接近.

表8 渔船在不同锚地的系驻力(实测)

3.3 不同船型的抗风能力评价[4-5]

奉化桐照锚地、象山鹤浦锚地、三门湾崇堍锚地,在台风季节时,多数到滩涂搁浅避风.据奉化桐照、象山鹤浦二地二十多位渔船船长多年避台经验介绍,最喜欢、最实用的方法就是滩涂搁浅避台.从严格角度说,此种避台不能称为锚地抗台,一般意义上的锚地抗台,船应该漂浮在海上,以锚为圆心在水中顶风、流的合压力方向进行旋转.据船长们介绍,在以往的避台实践中,有过在鹤浦锚地锚泊避台的经历,但一旦风力超过11级,在鹤浦锚地是无法避台的,常常发生走锚.

以5.5 m船型为例,根据式(5),如果当时受到台风影响,当时港区内有11级风,流速4 kn,当时的H/D=7,相当于当地水深14 m左右,锚泊时,松锚索120 m,海底卧底索长为100 m,则本船系驻力,查表7,为17 806 N,查表4、表6,外力为：8 600.6+13 830.34=22 430.9 N,则外力大于系驻力,发生走锚,如果全速顶风流,则因加上主机推力19 869.3 N,系驻力加推力要大于外力,则不会发生走锚;如果不用主机,抛双锚且成八字锚,两锚链夹角为 600,则船的系驻力17 806×1.73=30 804 N,也能抵御外力,而不发生走锚,这从渔业船船长的调查中也证实,此时船可系留,不会发生走锚.计算结果与实际相符;如果当地的H/D=1.5,相当于当地水深为5 m左右,其他条件同前,按表 4、表 5,此时外力为 8 600.6+27 660.68=36 261.3 N,即时抛双锚且成八字锚,船的系驻力小于外力,船也会发生走锚,如果加主机全速前进,则系驻力有37 675 N,不会发生走锚.这说明水深相对较浅的锚地比水深相对较深的锚地,在强风、急流中更易发生走锚.但如果此时抛一点锚(俗称平行锚),则系驻力为17 806×2=35 612 N,加上主机推力19 869.3 N,大于外力,船不会发生走锚.其它船型、其它情况可依次类推.设定漂角为10°左右、风舷角为0°的理由是：渔船在锚地避台,选择附近有山遮挡之处锚泊,风向与流向基本是同一方向或接近相反方向,而很小发生风舷角为30°,而漂角为90°,所受外力都是最大值的情况.这里计算的值都是按实际风级得出的外力,在锚地里有山的遮档,如果锚地外海上台风风力为12级,实际上在3个锚地中,风力可能达不到12级.

4 结束语

通过锚地实际情况的调查,根据宁波辖区的渔船现有锚泊设备,课题组在分析计算的基础上,认为：在台风正面袭击的情况下,宁波渔业锚地避风最大不超过台风(12-13级),无法抗击强台风(14-15级)和超强台风(16-17级)的台风.象山鹤浦、镇海的锚地,一般能抗击风力11级以下的台风引起的风.但如果在三门湾崇堍披滩避台,可避强台风,特别要注意的是在上述两个地点,风力到达强台风以上时,若遇风暴潮、天文潮,披滩渔船随潮水升高,从而导致走锚.

[1]陆志材.船舶操纵[M].大连：大连海事大学出版社, 1999.

[2]王伟鹏,谢世坚.防止广州港锚泊操纵中断链丢锚的几点浅见[J].珠江水运,2004(11)：35-36.

[3]贾欣乐,杨盐生.船舶运动数学模型[M].大连：大连海事大学出版社,1999.

[4]胡云平.不同气象条件下宁波水域港口锚地需求[J].水运管理,2005(7)：12-16.

[5]胡云平.层次分析法在宁波港锚地选择中的应用[J].中国航海,2005(3)：15-18.