浅析浅水对港内船舶操纵的影响

2022-03-06朱正雷天津港引航中心

珠江水运 2022年3期

朱正雷天津港引航中心

港内船舶在运输行驶过程中，遇到浅水域的概率相对较高，驾引人员需要通过科学完善的操纵措施，全面发挥出车、舵、锚等相关设备的价值效用，并依靠港内拖轮的协作，不断提高船舶在浅水域中操纵的安全性、可靠性及稳定性。

1.浅水域的基本概念

众所周知，船舶有规格大小的区分方法，然而精准判断此区域是否为浅水域需要结合水域的具体深度以及船舶的吃水比例h/d而进行判定，虽然在国际上并没有针对浅水域给予明确统一的概念定义，但是对于一般运输船舶，一般将水深分为如下四个范围：深水（h/d＞3.0），中等水深（1.5＜h/d＜3.0），浅水（1.2＜h/d＜1.5），超浅水（h/d＜1.2）。另外，从一水域对船舶实际操纵和船舶运动的影响分析，可以根据船舶的运动状态来明确此水域是否属于浅水域。根据浅水域对船舶的实际航行所产生的影响，本文重点分析以下几个方面。其一，分析船舶横向航行运动中受到横向水动力及横向水动力距值大小。其二，分析船体在实际运行过程中受到的阻力大小。其三，分析船舶操纵性能的影响大小。

2.浅水对港内船舶运动状态和船舶操纵的具体影响

2.1 增加横向水动力和水动力力矩

港内船舶在浅水领域的航行过程中，整个船体附近水系的流动性与在深水域当中存在一定的差异性。在深水域航行期间，船体的首部和尾部附近水系流动具有三维空间流动的特征。船首位置水系流动通常会向两旁分散开并直至后方向，具有显著向下的流动特性；而在船尾位置水系的流动则由两侧向纵中剖面，又向后移动，可以直接看出其具有显著向上的特征。在浅水域中，船体的首部位置与尾部位置流动性往往会受到外界因素的干扰和影响，比如空间、地点的约束等等，在这些因素的影响下，结合深水域的三维运动特征，相对水流从三维流动及时转化为二维平面化流动，这可以为操作人员呈现出船体附近不同的水压变化趋势。

通常情况下，浅水域的船舶底部位置与河床间在无形当中营造出一条水道，这会增加水的流动速度，也会因水系自身的粘性特点而在河床、船底位置形成界面，使得船舶的底部水流速越来越快，这种附加形式的速度增加通常被称作回流速度。回流速度产生后会不断加强船舶行驶过程中底部位置的水体流速，船体压力在短时间内下降，导致整个船底不断下沉，而且船底与河床之间的边界厚度也会逐渐增加，进而出现纵倾状况。另外，回流造成船体下沉，船体湿面积大幅度增加，会使摩擦阻力也随之而提高。在相对速度加快的基础上，船体压力也会立刻下降，导致船体首部与尾部压力差过大，产生涡流。在浅水域中，由于船体周围水流加速，船体湿面积增大等因素的变化，船舶所受到水动力及水动力力矩随之增大。随着水深逐渐变浅后，横向水动力及横向水动力力矩随着水深的变浅而增大。尤其是在h/d＜2之后，随着相对水深变浅，水动力系数和水动力力矩系数增大更加明显。横向水动力及力矩的增大对船舶操纵的影响主要体现在靠离泊时不易横移和不易转船，造成船舶靠离泊或回旋掉头困难增加。

2.2 增加船舶的纵向阻力

船舶在浅水域航行阶段中，整个船体附近的压力产生动态性变化，船底水流因速度的增快而不断加大摩擦阻力，同时船体周围压力降低，引起船体下沉，吃水增加，增加了湿水面积。这也反映出水域深度与吃水以及航行速度之间的相互关系，当水深越来越浅，航行速度越大的情况下，船体的摩擦阻力便会越来越大。船舶在浅水域航行，船中的低压力区逐渐朝向尾部位置扩张，引起船舶整体下沉，整体纵倾的状况加剧。浅水域中出现兴波增强便增大了兴波阻力，浅水使螺旋桨周围的涡流增加而降低推进器的工作效率。所以这些因素的叠加结果使船舶航行速度逐渐下降。由此可以看出，增加的阻力或降低推进器的效率都会导致船舶出现降速现象。

2.3 加剧船体下沉和纵倾

在船舶的前进阶段中，将船首部的水流逐渐向左侧和右侧两个方向排开，船首和船中的流态出现剧烈变化，导致整体水流的速度也出现变化，船首和尾部形成高压区域，而船中位置形成低压区域。在船体加速的过程中，整体水流速度比船舶航行的速度要快许多，这就导致船体周围的水位不断下降，产生船体下沉现象。然而在浅水域中船体下沉的程度更加严重，甚至出现船底与海底接触摩擦的状况。浅水中船体纵倾的变化，也比深水中明显。浅水中船体下沉和纵倾的特点如下：1）较低船速时就开始出现船体下沉。2）随着船速增加，下沉量增加率比深水中大。3）船体达到首倾最大值及有首倾变为尾倾所需船速低。

从整体上来看，深水域中的船舶会在航行过程中因周围压力系数的改变促使两侧水位逐渐下降，便导致整个船舶下沉，原本的纵倾状态也有一定的改变，这种下沉和纵倾的程度主要取决于船型和船速，肥大型船舶船体下沉和纵倾变化剧烈，航速越快，船体下沉和纵倾变化越激烈。浅水中船体出现下沉和纵倾状况比在深水域中出现的这种情况更严重，所以会直接影响到船舶的操纵。在商船允许的航行速度标准下，浅水域中始终维持不变速度航行会造成船体下沉，随着不断提升航行速度后，下沉的概率也会越来越大。所以，当进出港船舶通过浅水域期间，相关人员需要重点关注船体下沉和纵倾状况的发生，结合相关计算方法，将剩余水深和相关数据精准计算出来，避免船舶出现搁浅现象，为了保障船舶上人员安全和船舶安全，需要及时降低航行速度通过浅水域。在实际操纵船舶期间，尽可能采用备车航行，并在航行过程中全程开启测深仪器，及时推算出剩余水系的深度，确保进出港船舶航行的稳定、安全。

2.4 旋回性能降低，航向稳定性提高

进入浅水域后，在舵力初始回旋力矩的影响下，船舶进入旋回，船舶整体的旋回阻尼矩会随之增大，便出现旋回性指数K不断减小，旋回性能也会因此而降低。在浅水域航行期间，船舶的旋回直径与深水域旋回直径相比，前者稍大一些，当水深吃水比小于2的情况下，旋回直径将会不断增大；当水深吃水比超过4的情况下，便不会对船体旋回直径造成较大的影响。所以当港内船舶驶入浅水域后，即便采用舵或增大舵角，仍会出现船头始终保持不转动的状况，如果发生转动后又非常困难精准掌控其自身的船首向。

当船舶于浅水域航行期间，船舶旋回阻矩及虚惯矩均有较大增加，其中旋回阻矩的增加幅度更大，这促使船舶航行的稳定性比在深水水域中获得显著提升。

2.5 提高船舶的停船性能

进出港船舶在浅水域航行阶段中，因受到兴波加强、首部倾斜、船体下沉等因素的影响，整个船舶压力和阻力迅速增加。同时，船舶在浅水中航行，螺旋桨的推进效率降低，船体的附加质量增大。在停船后余留速度较高的时期内，浅水域中航行阻力增加的幅度较大，对缩减冲程和航行速度有一定的帮助。当速度降低到最小化时，因上述几项作用的削弱，减速状况有所迟缓。因此，总得来说浅水对减少冲程有利。但浅水中倒车操纵过程中，螺旋桨横向致偏作用比较明显。

2.6 对舵力及舵效的影响

船舶在浅水域航行期间，因船体的不断下降，造成船底部水断面逐渐减小，整体水系流向过于紊乱，直接对船舶的舵力产生不必要的影响。当船舶进入浅水域后，二维流速度的持续增加会造成船体下沉状况愈加严重，纵倾增加的基础上，船舶尾部位置水流向上扩散，加快了船舶周围涡流，也加强了船尾部的伴流量，涡流和伴流的增加减弱了舵力。另外，当船舶的螺旋桨装置始终保持匀速状态时，滑失比提高，舵力提高。还有，浅水域中船舶的下方位置与海底距离比较近，舵叶下端部受到整流作用，产生了类似增加舵面积的效果，使得舵力降低获得一定的弥补。从整体角度来看，舵力的下降程度不是很严重。但在浅水水中航行舵效变差，这是由于浅水中回转阻力大大增加的缘故。结合相关试验数据可以证明，在h/d=2时，回转角速度会降低到深水的85%左右；而当h/d=1.25时，回转角速度为深水的1/2左右。

2.7 跑舵

航行中的船舶出现朝向某一方位偏转的状况被称为跑舵。船舶在浅水域的边缘航行期间，首部位置向两旁不断排水并加速前进，在此期间，首部位置形成高压区域，因两旁水深的条件有所不同，排向较深区域的水可以立即扩散开，处于浅水区的一侧其水面会在行驶过程中不断升高，从而产生额外的压力，额外的压力差迫使船舶向深水一侧转动。在实际操作过程中，为了抑制船首朝深水一侧偏转，保持船舶沿航道航行，需向航道边缘一侧压舵。航道宽度越窄，船速越快，跑舵现象越严重。

3.在浅水域港内船舶操作期间的注意要点

港内船舶在航行过程中，驾引人员需要时刻关注螺旋桨转速、回转性能、舵效和船尾的泥沙翻滚等现象，判断船舶是否已经驶入浅水域。驾引人员为了确保船舶航行的稳定及安全，需要结合船舶的操纵技巧和装载重量以及水深度、航道情况等因素条件，结合实际的交通情况及时采取科学有效的操纵措施。

3.1 自主降低船速

船舶的降速主要分为两种类型，分别为自然降速和自主降速，两者有一定的区别。自然降速通常是在浅水域受到阻力值超过船舶螺旋桨的推力数值的情况下，利用同样的转速自然降低船舶的前进速度。主动降速需要做好以下两方面工作。其一，备车。船舶备车后，主机的输出功率往往为最大限度输出功率的50%-60%左右，而且对于主机换车、实施船舶机械化操作有一定的帮助，这可以更好的满足浅水域中交通环境复杂多端的情况。另外还可以防止产生主机超负荷工作的不良现象。主机过于陈旧的船舶更需要做好备车工作。其二，极浅水域的深度降速。当h/d接近1.1的情况或者更小时，便该水域被称为浅水域中的极浅水域，在此水域中，规模较大的船舶需要针对自身的下沉和纵倾变化情况确切到具体的数值，在行驶过程中要始终保持警惕、警醒的心态，不可因赶潮水过浅滩而运用高速度触底或擦浅，进而产生严重的搁浅安全事故。在极浅水域航行的船舶需要在上述备车处理的前提条件下重点思量船舶自主降速的问题。

3.2 注意船舶旋回性能的变差

从整体视角来看，船舶在浅水域航行期间会出现旋回性能降低的状况，为了将船舶掉头旋回所涉及的水域范围降低到最小化，大部分驾驶员和引航员会运用最常见的加速旋回操作方法。也就是在船舶进行掉头或旋回动作前，第一步降低原本的行驶速度，在开始进行旋回和掉头时，采用高效率的螺旋桨转速，在增加滑失比的基础上提高船舶舵力。但是，采用这种加速回旋的操纵方法需要全方位考虑到浅水域带来的影响。

3.3 改善停船性能

对于航行于浅水域的船舶而言，因二维流速、船体下沉等原因，其整体阻力也会有所增加，船体所受到摩擦力也会增加。总的来说，船舶在停船过程中所发挥的各项性能也会有所改进。首先，在停船产生冲程过程中，浅水阻力比深水域的阻力要高，更适用降低速度而减少冲程。在余速较低的情况下，因各种外界因素的干扰效果减弱，也减少了船舶停靠处理期间的冲程作用。

在港内浅水域操纵船舶期间，驾驶员与引航员需要密切注意浅水域减少停船冲程的实际效果，避免出现安全事故。在紧急停船期间，紧急停船所具有的冲程效果与水深息息相关。当h/d=3时，紧急停船冲程为深水域冲程的100%；当h/d降低为1.2的时，紧急停船冲程会低至83%，由此可以看出，紧急停船的冲程随着h/d数值比减少而减少。除此以外，驾驶员和引航员运用大舵角旋回方法制动时，他们需要深刻意识到船舶在浅水域经常出现旋回性变差的问题，所以要大角度旋回制动的降速效果会无法发挥出原有的价值效用。所以，船舶在航道或港内浅水域航行中，除了自力制动措施以外，还需要借助拖轮等其他方法的帮助。

浅水域中倒车操纵过程中，螺旋桨横向致偏作用比较明显。试验结果表明，对于试验船型（右旋单桨油船），倒车过程中船首向右偏转的角度在深水，中等水深和浅水中的数值分别为18度、50度和88度。因此，在停船过程前，浅水域船舶应多操偏转相反方向的航向，提前让拖轮做好协助，克服船舶显著偏转。