寧波漁業(yè)錨地船舶避風能力評價研究

胡云平 劉 陽

(寧波大學海運學院 寧波 315211)

0 引 言

浙江沿海受臺風影響頻繁.漁民和漁船安全避風是關乎民生,保障漁民生命財產(chǎn)安全,維護社會安定的大事.海洋捕撈是寧波的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),全市漁船眾多.寧波所轄石浦港、三門灣、象山港等港灣均為天然避風良港,但對其避風能力從未作過評價.本文對不同水文氣象條件下錨地抗風級能力做出評價,使?jié)O船能最大限度、有序、安全地避臺錨泊,為主管機關指揮漁船進入錨地抗臺提供正確決策的科學依據(jù)具有重要的現(xiàn)實意義.

1 漁船、錨地及避臺概況

1.1 漁船

寧波位于東海之濱,瀕臨我國近海最大的漁場——舟山漁場,漁業(yè)歷史悠久,是傳統(tǒng)海洋漁業(yè)大市.全市海洋漁船9 001艘,主要分布在象山、寧海、奉化三縣(市),其中185 kW以上外海漁船2 537艘(占28%),45～186 kW近岸漁船860艘(占9.5%),45 kW以下及非機動海洋漁船6 165艘(占62.5%).主要有三種類型漁船,見表1.

1.2 錨地

目前全市沿海有漁港34處,涉及錨地18處.主要是桐照錨地、西店、強蛟錨地、大嵩港錨地、梅山港錨地、穿山港錨地、象山1號錨地、象山2號錨地、象山3號錨地、象山4號錨地(中界山錨地)、林門港錨地、小灣港錨地、東門錨地、下灣門錨地、銅錢礁錨地、路林避風錨地、孔浦避風錨地、臨海浦閘、陶家路閘錨地、龍山四灶浦錨地.

表1 三種漁船船型的主要參數(shù)

1.3 避臺概況

全市漁船防臺的重點也是難點.因寧波市漁船避風錨地的自然條件參差不齊,漁船的錨泊設備不規(guī)范,漁民的錨泊操作水平不高等影響,走錨現(xiàn)象時有發(fā)生.另外,在避風條件較差的漁區(qū)和面臨較強臺風時,漁船往往采取擱灘方式進行抗臺,以抵御臺風.這種方式能較好地在臺風正面襲擊時保證漁船的安全,但也受到一定的限制：(1)部分漁船受船體結構限制不能采取擱灘方式,如裝有外龍骨的漁船;(2)風暴潮三碰頭的情況下,采用擱灘方式仍有較大風險;(3)近年來由于標準海塘建設、灘涂養(yǎng)殖和大規(guī)模的圍填海,造成適合漁船擱灘的灘涂面積急劇減少.

2 外界因素影響

2.1 風的影響

風動壓力是指處于一定運動狀態(tài)下的船舶,船體水線以上部分所受的空氣動壓力.船舶受風影響主要表現(xiàn)在,船速發(fā)生變化,船體向下風產(chǎn)生漂移,同時船首將向上風或下風偏轉[1].

式中：ρa為空氣密度,kg/m3;Ca為風動力系數(shù);為相對風速,m/s;θ為風舷角,(°);水線上船體正面投影面積,m2為水線上船體側面投影面積,m2;為風動力,kN.

根據(jù)日本學者荒木浩,升豐治風洞試驗結果報告.漁船的風動力系數(shù)見表2.

表2 風動力系數(shù)表(滿載)

表3 日本漁船與中國漁船對比

從表3兩國漁船對比可知,報告中采用的風動力系數(shù)、流壓力系數(shù)有一定的可比性.

本計算,取空氣密度為1.026 kg/m3,每級風速取其平均值,力的單位為N.從計算可以看出,風對船舶的影響是在風舷角30,140°時,見表4.

表4 不同船型風級不同時所受最大風動力 N

2.2 流的影響

船舶與其周圍的水有相對運動時,船體就會受到水的作用力,這種作用力統(tǒng)稱為水動壓力.船水之間的相對運動,是由于船舶本身自力(車、舵、錨、纜)作用,也可能是由于外力(拖輪、風動壓力、水流作用)所引起的.由于水流的存在而對船體產(chǎn)生的作用,稱為流壓力.流壓力的計算公式如下[2].

式中：ρ為水密度,kg/m3為流壓力系數(shù)為相對水流速度,m/s;L為船長,m;d為吃水,m.

在這里不考慮縱向方向也即X軸方向流的影響,根據(jù)實驗結果,縱向受流壓較小.

從實地調查情況來看,所研究的這幾個錨地,在臺風、強臺風、超強臺風時,流速一般都不超過4 kn.從3種不同的船型,不同的水深、吃水比的計算結果來分析,特別是在H/D=1.1,漂角為90°時的情況下船舶受流壓力更大,見表5.

表5 不同船型在不同流速下受到的最大、最小力

2.3 波浪影響[3]

規(guī)則波中的船舶受到的波浪干擾力,采用Froude-Krylov假設：設定船舶的外形為正六面體.

式中：χ為遭遇角,(°);ωe為遭遇頻率;h為波高, m;k為波數(shù),2π/λ;L為船長;B為船寬;d為吃水;ρ為水密度,kg/m3;為波浪周期,為風速,m/s;X為縱向受力,N;Y為橫向受力,N.

根據(jù)相關對石浦港、桐照港、三門灣、鎮(zhèn)海、嵊山歷年遭遇到12級臺風時,對錨地中的波浪影響,波高最大值為5 m,因此以此最大值作為計算標準.波浪要素見表6.

表6 三錨地不同風級下的波浪要素

3 抗風能力評價

3.1 單錨泊時的錨抓力

單錨泊時的錨抓力由錨的抓力和鏈與海底間的摩擦力兩部分構成,即

錨的種類較多,形狀各異,錨的抓力系數(shù)不同.錨鏈的抓力系數(shù),根據(jù)T.Thorpo實驗在不同的底質中抓力系數(shù)也不同,錨抓力系數(shù)、鏈抓力系數(shù)隨底質軟硬程度的不同,差異較大.為使用方便,當情況不明時,估算可取錨(大抓力錨)抓力系數(shù)為8,鏈抓力系數(shù)取0.7.從單錨泊船錨泊情況看,保證安全錨泊的必要條件使錨泊力等于或大于船體所受外力見表7.因此,在不同外界環(huán)境條件下,出鏈長度是不盡相同的.

根據(jù)P=λaWa+λcWcl≥T0(作用于船體的水平外力),可知即安全錨泊的出鏈長度應為

表7 不同船型在泥質中的系駐力 N

3.2 不同船型的系駐力

從實際調查三個錨地的底質看,都為泥地.根據(jù)式(4)計算求得,海上常用功率為額定功率的90%,一般100 kW能發(fā)出13.33 kN的力,但各船的主機的推進曲線不同,這里必須有個系數(shù),建議90%,見表8.

為了驗證系駐力的計算正確與否,課題組對奉化桐照、象山鶴浦、三門灣錨地進行實測.試驗條件：中國漁政33212(漁船改造)、吃水2.8 m、船長31 m、船寬6.3 m,錨重340 kg、功率222 kW;計量儀采用100 kN拉力器.試驗結果見表8.因拉力器有一定的誤差,表中最后一列下面行的數(shù)據(jù)為校正以后的力.實測與計算數(shù)值接近.

表8 漁船在不同錨地的系駐力(實測)

3.3 不同船型的抗風能力評價[4-5]

奉化桐照錨地、象山鶴浦錨地、三門灣崇堍錨地,在臺風季節(jié)時,多數(shù)到灘涂擱淺避風.據(jù)奉化桐照、象山鶴浦二地二十多位漁船船長多年避臺經(jīng)驗介紹,最喜歡、最實用的方法就是灘涂擱淺避臺.從嚴格角度說,此種避臺不能稱為錨地抗臺,一般意義上的錨地抗臺,船應該漂浮在海上,以錨為圓心在水中頂風、流的合壓力方向進行旋轉.據(jù)船長們介紹,在以往的避臺實踐中,有過在鶴浦錨地錨泊避臺的經(jīng)歷,但一旦風力超過11級,在鶴浦錨地是無法避臺的,常常發(fā)生走錨.

以5.5 m船型為例,根據(jù)式(5),如果當時受到臺風影響,當時港區(qū)內有11級風,流速4 kn,當時的H/D=7,相當于當?shù)厮?4 m左右,錨泊時,松錨索120 m,海底臥底索長為100 m,則本船系駐力,查表7,為17 806 N,查表4、表6,外力為：8 600.6+13 830.34=22 430.9 N,則外力大于系駐力,發(fā)生走錨,如果全速頂風流,則因加上主機推力19 869.3 N,系駐力加推力要大于外力,則不會發(fā)生走錨;如果不用主機,拋雙錨且成八字錨,兩錨鏈夾角為 600,則船的系駐力17 806×1.73=30 804 N,也能抵御外力,而不發(fā)生走錨,這從漁業(yè)船船長的調查中也證實,此時船可系留,不會發(fā)生走錨.計算結果與實際相符;如果當?shù)氐腍/D=1.5,相當于當?shù)厮顬? m左右,其他條件同前,按表 4、表 5,此時外力為 8 600.6+27 660.68=36 261.3 N,即時拋雙錨且成八字錨,船的系駐力小于外力,船也會發(fā)生走錨,如果加主機全速前進,則系駐力有37 675 N,不會發(fā)生走錨.這說明水深相對較淺的錨地比水深相對較深的錨地,在強風、急流中更易發(fā)生走錨.但如果此時拋一點錨(俗稱平行錨),則系駐力為17 806×2=35 612 N,加上主機推力19 869.3 N,大于外力,船不會發(fā)生走錨.其它船型、其它情況可依次類推.設定漂角為10°左右、風舷角為0°的理由是：漁船在錨地避臺,選擇附近有山遮擋之處錨泊,風向與流向基本是同一方向或接近相反方向,而很小發(fā)生風舷角為30°,而漂角為90°,所受外力都是最大值的情況.這里計算的值都是按實際風級得出的外力,在錨地里有山的遮檔,如果錨地外海上臺風風力為12級,實際上在3個錨地中,風力可能達不到12級.

4 結束語

通過錨地實際情況的調查,根據(jù)寧波轄區(qū)的漁船現(xiàn)有錨泊設備,課題組在分析計算的基礎上,認為：在臺風正面襲擊的情況下,寧波漁業(yè)錨地避風最大不超過臺風(12-13級),無法抗擊強臺風(14-15級)和超強臺風(16-17級)的臺風.象山鶴浦、鎮(zhèn)海的錨地,一般能抗擊風力11級以下的臺風引起的風.但如果在三門灣崇堍披灘避臺,可避強臺風,特別要注意的是在上述兩個地點,風力到達強臺風以上時,若遇風暴潮、天文潮,披灘漁船隨潮水升高,從而導致走錨.

[1]陸志材.船舶操縱[M].大連：大連海事大學出版社, 1999.

[2]王偉鵬,謝世堅.防止廣州港錨泊操縱中斷鏈丟錨的幾點淺見[J].珠江水運,2004(11)：35-36.

[3]賈欣樂,楊鹽生.船舶運動數(shù)學模型[M].大連：大連海事大學出版社,1999.

[4]胡云平.不同氣象條件下寧波水域港口錨地需求[J].水運管理,2005(7)：12-16.

[5]胡云平.層次分析法在寧波港錨地選擇中的應用[J].中國航海,2005(3)：15-18.