浅析浅水对港内船舶操纵的影响

2022-11-26刘春阳

船舶物资与市场 2022年8期

关键词：浅水船体海域

刘春阳

（渤海大学，辽宁锦州 121013）

0 引言

港内船舶在运输行驶过程中，出现在浅水海域的机率相对较高，因此驾引人员必须采取科学完善的控制措施，全面充分发挥出车、舵、锚等有关装置设备的价值，并通过与港内拖轮的协作，进一步增强船舶在浅水海域中运行的安全性、可靠性和稳定性。

1 浅水域的基本概念

船舶有规格尺寸的划分方式，精准地确定此范围内是否为浅水海域，必须根据水面的具体深浅和船舶的标准吃水比例h/d值加以判断。目前，在国际上并不能针对浅水海域给出明确统一的概念界定，针对于普通运输船舶，通常将水深分成以下4种范围：标准深水（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）。此外，从一海域对船舶的操纵以及船体运动的影响考虑，即可通过船舶的运动状况来确定该海域是否属浅水海域。

针对浅水海域对船舶的实际行驶所产生的影响，考虑以下方面：

1）研究舰船横向飞行运动中的横向水动能和横向水运动距值问题；

2）研究船舶在实际运动过程中遇到的阻碍程度；

3）研究舰船控制稳定性的作用问题。

2 浅水对港内船舶运动状况，以及船舶操纵的具体影响

2.1 增加横向水动力和水动力力矩

港内船舶在浅水海域行驶过程中，船舶周围水体的流动性和在深海域中具有一定的区别。在深水海域行驶时，船舶的首部和尾部周围水体流淌具有向三维空间上流淌的特点。船首水体流淌一般是向二侧分散并直至后方向，具有明显向下的流淌特征；而在船尾周围水体的流淌则从二侧向纵中剖面，并向后移动，能够直观发现其带有明显上升的特点。在浅水体上，由于船舶的首部位置和头尾位置的流动性，经常要受外部各种因素的阻碍与冲击，包括空间、位置的制约等，在上述各种因素的共同作用下，根据较深水体的三维运动特性，将相对流动规律由三维空间流转迅速地转变为二维平面式流动，会使作业人员呈现船舶前后方向不同的水流变化[1]。

2.2 增加船舶的纵向阻力

船舶在浅海域行驶阶段，由于整条船体周围的压强形成了动态性改变，船底水流会因航速的提高而进一步增加摩擦阻力，同时由于船体周围压强的减小，导致了船舶速度下降，且吃水深度增加，扩大了湿海域面积。这体现出海域深浅和吃水以及行驶速率之间的互相关联，在水深越浅，行驶速率也越大的状况下，船舶的摩擦阻力便会愈来愈大。当船舶在浅海域行驶时，船中的低压区域逐步朝向尾部区域扩展，从而导致船舶速度总体下降，且总体纵倾的情况逐渐加重[2]。在浅水域中发生兴波的增加便提高了兴波阻力，在浅水中使螺旋桨附近的涡流增加从而削弱了推进器的效能。上述各种因素的叠加结果，使船舶行驶时航速逐步降低，从中发现增加的摩擦力或减少推进器的效能均会使船舶发生降速现象。

2.3 加剧船体下沉和纵倾

在船舶的前进阶段，将船首处的流速逐渐地向左边和右边2个方位排开，船首处和船中的水流态产生了急剧改变，使得整个河流的速度也产生了改变，在船头和车尾处形成了高压区，而在船中部位则形成了低温区。在船舶加速的过程中，由于整个河流速度都比船舶正常行驶的速度要快很多，这也使得船舶附近的水位不断降低，从而形成了船舶沉没现象。但是在浅海水体中船舶沉没的程度也比较剧烈，甚至出现了船底和潜舰接触碰撞的情况。在浅水中船舶纵倾的改变，也较在深水中显著。浅水中船舶沉降和纵倾改变的主要特征如下：

1）较低行船时间内就开始出现了船舶的沉没现象；

2）随着行船时间上升，沉没率增加率也较在深水中大；

3）当船舶到达首倾的最高点或有首倾后转为末倾，要求船速降低。

从总体上来说，较深海域中的船舶在行驶过程中，由于周围水气压系数的改变而导致二侧水位逐渐降低，使得整个船舶沉降，原本的纵倾状况亦有了相应的改变，而这种沉降和纵倾改变的程度则主要是受船型大小和船速影响，通常肥大型的舰艇船舶沉降和纵倾改变比较急剧，飞行速度越快，船舶沉降和纵倾的改变也越是剧烈。浅水中船舶出现沉没和纵倾状况，比在深海域中所发生的这些状况更加剧烈，从而直接影响着舰艇的正常作业。在商船规定的行驶速率标准下，浅海域中一直保持恒定速率行驶会导致船舶沉没，随着行驶速率持续增加，沉没的几率将会愈来愈大。在进出港船舶经过浅水海域的期间，有关人员必须重点观察船舶沉没和纵倾情况的出现，并结合有关计算方法，把剩余的平均水深和有关数值及时精确计算出来，以防止船舶发生搁浅现象，从而保证船舶上人员安全和船舶安全，同时必须适时减少行驶速度并经过的浅水海域[3]。

2.4 旋回性能明显下降，航向性能增强

驶入浅海域后，在舵力及初始回转扭矩的共同作用下，随着船舶逐渐驶入深旋回，船舶总体的旋回阻尼矩也会随着增加，出现旋回性能指数K不断下降，旋回特性也会由此下降。在深浅海域行驶期间，船舶的旋回直径和深海域旋回直径基本一样，前者会略大一点，在水深吃水比低于2的情况下，旋回直径也会继续上升；在水深吃水比高于4的情况下，不会对船舶旋回直径产生很大的负面影响。但是当港内船舶在驶入深浅水海域后，即使采用舵或加大舵角时，仍会发生舰首继续维持不转向的情况，而且一旦出现转向后就十分难以精确控制其本身的舰首方向。

2.5 提高船舶的停船性能

出入港船舶在浅海海域行驶过程中，由于受兴波增强、首部偏斜、船体沉没等各种因素的直接影响，整个船体荷载和阻力急剧上升。另外，船舶在浅水中行驶，桨的推动效果减弱，船体的附加质量增加。在停船后余留航速变化较大的时间里，在浅水海域中行驶阻力增大的幅度也很大，对减小冲程和行驶加速都有一定的帮助。当航速降至最低时，由于以上几种效果的抑制，减慢情况有所迟缓。总得来说浅水对减小冲程比较有益，在浅水中倒车运行过程中，螺旋桨的侧向致偏效果也较为显著。

2.6 对舵力及舵效的影响

船舶在浅水海域行驶期间，由于船体的高度持续下降，导致船体底部进水断面逐步下降，整个水体流动状态较为混乱，直接对船只的舵力形成了不必要的影响。在船舶进入浅水海域之后，由于二维流动速度的不断加快会导致船体下降情况越来越强烈，在纵倾上升的基底上，由于船体尾端位置流速向前传播，增大了船体周边旋涡数量，也就增大了船体尾端的伴流速，而旋涡和伴流的增多也影响了舵力。此外，当船舶的螺旋桨装置一直维持在匀速水平时，滑失比增大，舵力增大[4-6]。在浅水海域中由于船体的最下方部位和水底相距较近，舵叶底端部受整流影响，形成了类似于扩大船舵面积的效应，从而导致舵力减小并得到了相应的补偿。从整体视角考虑，舵力的减小过程并非很严格，在浅水中行驶时舵效变差，这是因为浅水底旋转摩擦力增大的关系。根据有关实验数据就可证实，当h/d=2时，回转角频率就会减少到水深的85%以下；而当h/d=1.25时，则回转角频率为水深的1/2以下。

2.7 跑舵

航海中的舰艇若出现了朝向某一方向偏转的情况，被叫做跑舵。在实际行驶过程中，为阻止船首朝深水一侧的偏移，并保证船沿航线正常行驶，往往需要向航线边缘侧压舵。而航线长度越窄，行船速度越快，跑舵现象也越强烈。

3 在浅海水域港内船舶作业期间的注意点

港内船舶在行驶过程中，驾引人必须时时注意螺旋桨速度、旋转性能、舵效以及船尾的泥沙翻腾等迹象，确定船舶是否已经进入浅水海域。驾引人要保证船舶行驶的平稳和安全性，必须根据船舶的操作技巧和装承载能力以及水域深浅、航线状况等因素要求，结合交通状况及时制定合理的作业措施。

3.1 自主降低船速

船舶的降速可以大致分成2个类型，分别是全自动降速和0.5主动降速，但二者存在着一定的差异。自然空速一般指在浅海面的压力数值大于轮船螺旋桨的推力值的情形下，使用同样的速度自然减小轮船的前进速率。主动空速必须进行以下操作：

1）备车。船舶备车后，主机的最大输出功率通常为最高限度输出功率的50%～60%，而且对主机换车、进行船舶等机械性作业都有一定的帮助，这能够更良好地适应深浅海域中交通环境等复杂多端的状况，还能够避免产生主机超负荷工作的不良现象。

2）极浅海域的水深降速最大。在h/d值接近1:1的情况下甚至更小时，规模巨大的船舶必须根据自身的下沉速度和纵倾变动情况精确到最具体的数值，在行进过程中要始终保持着警惕、警觉的态度，切勿为赶潮水过浅滩而用极高速度触底或擦浅，从而形成巨大搁浅等重大安全事故。在极浅水海域行驶的船舶必须在上述备车处理的前提下，重点思量船舶主动减速的问题。

3.2 注意船舶旋回性能的变差

从整体角度考虑，船舶在浅水海域行驶期间会发生旋回性能下降的情况，为使船舶调头旋回所涵盖的海域范围减少至最小，大多数司机和引航员会使用最普通的加速旋回操作步骤。在船舶做出调头或旋回动作之前，先降低原本的前进速率，当开始进行旋回动作和调头时，则利用高效率的螺旋桨速度，在增加滑失比的基础上增加了船舵力。不过，使用这种加速回旋的操作方法必须全面考虑到在浅水面带来的负面影响。

3.3 改善停船性能

对行驶在浅水海域中的船舶来说，由于二维流速、船舶倾斜等因素，其整体摩擦力将会大大增加，因此船舶所受摩擦力也会增大。但总的来说，船舶在停船流程中所实现的各种特性都将会有所改进。在停船形成冲程步骤中，由于浅水航道阻碍比较深水域的阻碍要高，更适合于减小流速以减小冲程影响。在余速较低的情形下，由于各种外部原因的干扰效应减小，也减轻了对船舶在停泊处理期间的冲程影响。

4 大数据在船舶港内操纵避碰方面的应用

随着中国海运和海港事业的蓬勃发展，港口内行驶的船舶愈来愈多，交通运输流日益复杂化，密度也愈来愈大，船舶互相撞击的情况增多，导致船舶在港口内的行驶和作业的危险系数增大，因粗心大意、人为操作失误造成的交通事故频发，由于人力资源成本的持续提高以及导航科技的不断完善，大数据分析的应用、新一代人工智能的应用，辅助船舶操作与避免撞击的方法因此日益成熟。大数据分析辅助操作的应用是个非常复杂和高度智能的集成系统，基于过去的资料与当前的信息自动计算结果，防止撞击是这套体系的核心。安全可信的协助船舶防撞与预报系统需要同时符合下列要求：防止碰撞移动，或者不可移动的障碍物；当多个物标在港口内或同一区域内行驶时，可以帮助避碰，并保持在足够驶出让请的高度上；避碰后可以帮助船舶回归，从原来的航道上走出；创建港口内道路交通流与船舶运动数值模式，精度可靠，有效地贴近实际工作环境；考虑外部的相关要求；快速、高效且精确的提供系统回报[7]。