宁波港LNG船舶航路安全水深的确定

牛佳伟，刘德新，李连博，张　伟 ，乔　林

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)

宁波港LNG船舶航路安全水深的确定

牛佳伟，刘德新，李连博，张伟 ，乔林

(大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)

摘要：分析国内外相关文献中有关船舶下沉量和富余水深的影响因素，结合宁波港附近水域的通航环境特点，建立适合本工程海域LNG船舶航行所需安全水深的计算模型；利用Matlab软件对几种下沉量计算公式进行对比分析，确定能够充分保证航行安全的下沉量计算公式。根据建立的安全水深计算模型，提出LNG船舶在不同航速情况下所需安全水深建议值。

关键词：LNG船舶；开敞浅水域；下沉量；安全水深；航路规划

宁波LNG接收站位于浙江省宁波市北仑区，穿山半岛北侧，LNG船舶进出港需使用宁波-舟山港航道，该水域通航环境比较复杂，部分水域水文、气象条件恶劣，航道淤浅[1]，对LNG船舶的航行安全提出了较高的要求。为了确保进出宁波港LNG船舶的正常营运，充分保障其航行安全，通过对比国内外有关确定安全水深的计算方法，分析影响船舶安全水深的相关因素可知船舶下沉量的计算是确定安全水深的关键。总结不同船舶下沉量计算公式的特点及适用范围，并将基于几种下沉量估算公式得到的安全水深值进行对比，确定适合该水域LNG船舶航行下沉量的计算公式，进而得到LNG船舶航行所需的安全水深。

1设计船型

宁波港工程设计船型参数如表1所示。

由表1可见，宁波港LNG船舶设计船型包含8.0万～26万m3类型船舶。为了确保LNG船舶航行安全充分考虑LNG船舶特点，本文选取26.6万m3船型为研究对象，对其航行过程中船体下沉量及安全水深进行研究。通过在劳氏船级社船舶数据库中提取满载吃水为12.2 m的LNG船舶进行统计分析得出，船舶总吨 175 000 t，满载排水量186 400 t，Loa344.5 m，Lpp330.4 m，B 54.0 m，满载吃水12.2 m，型深27.4 m，方形系数0.78，纵稳心高度352 m，横稳心高度6.6 m，重心距船中距离0.4 m，重心距基线的距离7.6 m。

表1　宁波港LNG船船型尺度

2航路水深标准、规范和相关情况

2.1《海港总体设计规范》

根据交通运输部《海港总体设计规范》(JTS 165-2013)规定，通航水深D0和设计水深D应分别按下式计算[2]：

(1)

(2)

式中：T——设计船型满载吃水，m；

Z0——船舶航行时船体下沉值，m；

Z1——航行时龙骨下最小富裕深度，m，根据船舶吨级和土质特性，取0.6 m；

Z2——波浪富裕深度，m，根据表格规范，当船、浪夹角30°和H4%值为2 m时Z2取值为0.84 m；

Z3——船舶装载纵倾富裕水深，m，杂货船和集装箱船可不计，油船和散货船取0.15 m，本LNG船舶采用油船标准，取为0.15 m；

Z4——备淤富裕深度，m，取0.4 m。

2.2开敞浅水域航行富余水深的确定

富余水深是船舶通过浅滩或在浅水域航行时船底以下必须保留的水深余量，是防止船舶托底、触底、搁浅和失控的基本要素。本文在确定富余水深时主要考虑水深误差、船体静态下沉量、船体动态下沉量、浅水对船速影响以及安全操纵对富余水深的要求等因素，对比分析开敞浅水域各种富余水深估算模型，从中选取船舶及水域富余水深估算模型[3-5]。

2.2.1水深误差

水深误差影响因素主要包括潮高误差δm(m)，海图测量误差δs(m)，海底底质附加值(m)和堆积高度δa(m)，水深最大误差δh为

(3)

其中，潮高误差主要受大气压变化影响，可按下式计算。

(4)

式中：p——实测大气压，100 Pa。

对于测量误差，可按下式进行取值。

(5)

式中：Hc——海图水深。

海底底质附加值主要受底质类型影响，计算时可参照表2标准。

表2　海底底质类型和参数赋值

海底底质附加值按如下取值。

(6)

对于有泥沙淤积和潮流风浪大的航道，应在富余水深估算中计入堆积高度δa，当无淤积时可忽略不计。

2.2.2船体静态下沉量

当船舶在开敞浅水域航行时，由于船速和船舶拱垂变形引起的下沉量随时间变化很小，因此可称为静态下沉量。

1) 航进中船体下沉量。目前，关于船舶下沉量的计算公式很多，且各自的计算原理也有所不同。1974年Hofft基于瘦长体假设并结合Tuck公式提出Hofft公式来计算由船舶纵倾变化引起的艏下沉量，但计算误差较大；Huuska以水动力数学理论为基础，运用拉普拉斯方程、边界条件进行傅里叶变换求取垂向力和纵倾力矩，进而计算船首下沉量[6]，该公式计算结果稳定，适用范围广，但当船速较大时曲线会发生变形；1978年Eryuzlu在开敞水域通过油轮实验提出了Eryuzlu估算公式，之后并不断对该公式进行改进，估算精确度逐渐提高；1979年Barrass通过实船和模型试验提出了船首下沉量简易估算公式，但其考虑因素较少，计算结果准确性有待进一步验证；1986年Norbin 在Tuck和Taylor公式基础上提出了适用于开敞水域Fr<0.4时的船舶下沉量估算公式，该公式适用航行于开敞浅水域中的船舶，计算结果较稳定，能够提供一定参考[7]；1990年Millward基于细长体理论为提出Millward估算公式，根据船模试验结果进行分析，并对该公式进行改进，该公式适用于较大型船舶，但仅以7条船模数据进行验证可靠性不足；芳村在Tuck公式基础上，结合实测数据对其进行变形，得到了芳村计算公式，该公式计算结果与实测数据较为接近，数据相对稳定，适用于各种船型，但估算值普遍偏小[8]。表3给出了以上公式的具体适用范围，根据以上几种下沉量公式的使用范围及其特点，本文选取芳村公式、Eryuzlu修正公式和Norbin公式对LNG船舶的下沉量进行比较计算。

表3　几种估算公式的适用范围

①芳村公式

(7)

②Eryuzlu修正公式

(8)

③Norbin公式

(9)

2) 船舶拱垂变形下沉量计算。在满足强度要求的情况下，船舶拱垂变形一般不超过L/1 200，因此拱垂变形所引起的船体最大下沉量Sd为

(10)

2.2.3船体动态下沉量

当船舶操舵旋回横倾和遭遇波浪横摇时，引起的下沉量随时间不断变化，又称为动态下沉量。

1) 操舵旋回横倾产生的下沉量为

(11)

(12)

式中：Sm——操舵旋回引起的最大下沉量；

Zm——船舶横稳心高度；

Zb——船舶正浮时浮心高度；

Zg——船舶重心高度。

2) 波浪下船舶横摇产生的下沉量[9-10]。在波浪影响下，引起船舶垂荡、纵摇和横摇时可能产生的最大振幅见下式。

(13)

式中：Zg——船舶重心垂荡振幅；

φ——纵摇角振幅；

φ——横摇角振幅；

γh,γp——船舶垂荡和纵摇有效波倾斜系数；

γh，γp，γr——分别为海浪相对船舶垂荡、纵摇和横摇的波长；

1.无限制说。该学说认为监听与搜查均属于干预隐私权的强制处分措施，因此可以类推适用《德国刑事诉讼法典》第108条第1款规定：“在搜查时发现的物品虽与本案侦查无关，但却表明发生了其他犯罪行为的，要将物品临时扣押。扣押后应当通知检察院。”[5]以该条为依据，偶然监听所得材料应当允许作为证据。该观点的理由为，法律虽未对偶然监听所得材料能否作为证据使用作出规定，但由于法律将通讯监听与搜查、扣押并列规定，而监听与搜查、扣押都是对相对人隐私权进行干预或侵害的侦查措施，两者具有相同的法律构造，可作相同的解释，因此，对于偶然监听所得的材料可类推适用搜查、扣押的规定，允许其作为证据使用[7]。

hw——海浪相对于船舶摇荡波高；

C1，C2——横摇系数；

Zg——船舶重心高度。

结合式(13)，船舶在浅水域中波浪所引起摇荡中的船体最大下沉量St为

(14)

2.2.4安全操纵对富余水深的影响

船舶在浅水中航行时，船底与水底应保留一定的水深距离，才能保证船舶具有较好的操纵性。根据我国引航界经验，在船体固定下沉量的基础上，还应保持0.5～1.0 m的船底实际水深，才能保证船舶的安全操纵。通常为保证船舶的安全操纵应考虑通航条件、气象条件和船舶类型等因素。通航条件的等级划分和参数I的赋值见表4。

表4　通航条件等级划分与参数赋值

根据以上要素，将船舶安全操纵所需要的船底与水底的安全距离ε取值为

(15)

从安全操纵角度考虑，船舶在开敞浅水域航行时，为防止因操舵旋回横倾和遭遇波浪摇荡使船舶触底，操舵前船底到水底的最小安全距离为

(16)

2.2.5富余水深估算模型

综合考虑以上富余水深的影响因素，船舶在开敞浅水域的航行的富余水深计算模型如下式

(17)

3下沉量和安全水深计算结果分析

3.1下沉量和安全水深随h/d变化情况

基于Matlab 8.0平台，分别利用芳村公式、Eryuzlu修正公式和Norbin公式计算船舶在开敞浅水域航行中的船体下沉量，并根据本文建立的富余水深和安全水深计算模型求取LNG船舶在不同航速不同水深吃水比情况下所需的水深值，并画出满载LNG船舶在开敞浅水域航行时的下沉量、富余水深、安全水深在不同船速情况下随水深吃水比的变化曲线。

通过对国内外关于开敞浅水域LNG船舶安全航速控制方面的研究，结合宁波港港区附近海域的实际情况[11]，建议本LNG船舶在h/d≤1.5浅水域航行时，船速控制在12 kn下。

3.1.1芳村公式计算模型

选取芳村公式计算并画出满载LNG船舶航行中船体下沉量、富余水深和安全水深的变化，见图1～3。

图1　下沉量随h/d的变化量(芳村)

图2　富余水深随h/d的变化量(芳村)

图3　安全水深随h/d的变化量(芳村)

3.1.2修正公式计算模型

选取修正公式计算满载LNG船舶航行中船体下沉量、富余水深和安全水深的变化见图4～6。

图4　下沉量随h/d的变化量(修正)

图5　富余水深随h/d的变化量(修正)

图6　安全水深随h/d的变化量(修正)

3.1.3Norbin公式计算模型

选取Norbin公式计算LNG船舶满载航行中船体下沉量、富余水深和安全水深的变化，见图7～9。

图7　下沉量随h/d的变化量(Norbin)

图8　富余水深随h/d的变化量(Norbin)

图9　安全水深随h/d的变化量(Norbin)

3.2LNG船舶航路安全水深计算值

根据《海港总体设计规范》 、芳村公式、修正公式和Norbin公式分别计算在开敞浅水域航行中满载LNG船舶在不同航速时下沉量及其安全水深见表5和表6。

表5　26万m3 LNG满载时4种方法下沉量值

表6　26万m3 LNG满载时4种方法安全水深值

利用Matlab画出以上几种计算公式得到的下沉量和安全水深h随船速的变化见图10、11。

图10　不同方法LNG船舶下沉量计算值对比

图11　不同方法LNG船舶安全水深计算值对比

由表5和图10可见，由4种方法得到的该船下沉量值有一定差异，总体来看修正公式和 《海港总体设计规范》得到的下沉量值较芳村和Norbin公式大。海港总体设计规范和修正公式曲线存在交叉，在航速较低(V<7 kn)时，《海港总体设计规范》得出的下沉量大于修正公式算出的下沉量，当V≥7 kn时，修正公式算出的下沉量值较《海港总体设计规范》大。芳村公式和Norbin公式计算得出的下沉量结果较为接近，曲线变化趋势也大致相同。通过表6和图11对满载LNG船舶4种方法计算得出的安全水深值进行比较，修正公式得出的安全水深值最大，芳村公式和Norbin公式得到的水深值居中，而《海港总体设计规范》得到的安全水深值最小。当航速较低时，几种方法得到的安全水深值差异不大，随着航速的提高，所需的安全水深差异越来越大。

4结论

《海港总体设计规范》中航道水深标准主要用于我国港口进出港航道安全水深的确定，其所考虑的安全因素相对较少，对方形系数较小的船舶估算值较为保守，且只适用于非限制性航道[12]，故选择其他3种计算公式较为合适；芳村公式和Norbin公式计算结果稳定，考虑因素也较全面，但计算值偏小，不利于船舶航行的安全；鉴于LNG船舶的特性，一旦发生事故便会引起不可估量的后果，因此从船舶航行安全角度考虑，参考相关研究[13-14]选择修正公式作为计算满载LNG船舶在开场浅水域中航行的下沉量较芳村公式和Norbin公式更加安全合理。

根据修正公式，得到满载LNG船舶在不同航速情况下的安全水深建议值见表7。

表7　进出宁波港LNG船舶安全水深控制标准

参考文献

[1] 汪益兵,王捷,王志军.宁波一舟山港条帚门航道及其航行方法[J].航海技术,2014(3):11-13.

[2] 海港总体设计规范：JTS 165—2013[S].北京：人民交通出版社，2013.

[3] 唐强荣.在开敞浅水域中航行富裕水深的确定方法[J].中国航海,2002,53(4):14-18.

[4] 吴兆阳.浅水影响造成的船舶下沉量分析[J].船舶与海洋工程,2014(2):12-14.

[5] 章文俊,高世龙,朱金善,等.船体下沉导致水尺计重误差的修正方法研究[J].船海工程,2015(1):126-130.

[6] 张云鹏.基于水动力数学理论及统计的船舶航行富余水深的研究[D].大连：大连海事大学,2013.

[7] 洪碧光,于洋.船舶在浅水中航行下沉量的计算方法[J].大连海事大学学报(自然科学版)，2003,29(2):1-5.

[8] 李超,吴明,关宇,等.一种改进的船舶下沉量计算公式[J].舰船科学技术,2013,35(3):52-56.

[9] 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.

[11] 高万龙.大鹏湾LNG船舶通航动态风险研究[D].武汉：武汉理工大学,2012.

[12] 吴澎,曹凤帅,严庆新.船舶航行下沉量计算方法对比分析[J].中国港湾建设,2010(增刊1):38-41.

[13] 戴冉,贾传荧,孙立成.船舶下沉量的实测研究[J].交通运输工程学报，2002(2):59-62.

[14] 孙立成,何易培,贾传荧,等.虾峙门外航道超大型船舶富余水深的研究[J].中国航海,1999(2):4-7.

Determination on Safe Water Depth for LNG Ships in and out of Ningbo Port

NIU Jia-wei, LIU De-xin, LI Lian-bo, ZHANG Wei, QIAO Lin

(Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

Abstract:The calculation model of the safe water depth of LNG ship navigation is established by analyzing the impact factors of the ship squat and the under keel clearance in the domestic and foreign references as well as the navigational environment characteristics of Ningbo port and its nearby waters. A Matlab program is used to analyze several kinds of calculating formula of squat. Combining with the characteristics of LNG ship design, the calculation formula for the squat of navigation is determined. According to the proposed calculation model of safe water depth, the safety depth of LNG ship at different speed is determined.

Key words:LNG ships; open shallow waters; squat; safe water depth; route planning

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.03.034

收稿日期：2015-11-12

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金(3132015007)；国家自然科学基金(51279106)；东港市獐岛码头工程通航安全评估项(80815040-92)；交通运输部应用基础研究项目(2014329225010)

第一作者简介：牛佳伟(1992—)，男，硕士生 E-mail:njiawei@163.com

中图分类号：U674.13；N945

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)03-0152-06

修回日期：2015-11-29

研究方向:水上交通安全保障