淺水航行船舶下沉量分析與研究

蘇福亮

摘 要：如果船在淺水中航行，那么船底跟航道底部之間距離較小，水流的運(yùn)動(dòng)在水深的制約下，向船體流動(dòng)的水速增加，導(dǎo)致船長(zhǎng)方向的壓力也相應(yīng)發(fā)生改變，船體的浮態(tài)也會(huì)發(fā)生一定的改變。當(dāng)船航行的速度處于較低狀態(tài)時(shí)，船會(huì)下沉。當(dāng)船舶從深水區(qū)航行到淺水區(qū)的時(shí)候，船舶的水阻力、船速和操縱性能等都會(huì)發(fā)生一定的改變。本文針對(duì)淺水區(qū)船舶的下沉量的影響因素進(jìn)行了分析，對(duì)其測(cè)量原理進(jìn)行了闡述，最后提出了淺水區(qū)安全操船的一些具體措施。

關(guān)鍵詞：淺水航行 船舶下沉量 研究

在我國(guó)境內(nèi)，港口和內(nèi)河航道存在一個(gè)問(wèn)題：水深不足，所以船舶在航行的時(shí)候會(huì)常常引發(fā)淺水效應(yīng)。當(dāng)產(chǎn)生淺水效應(yīng)時(shí)，船舶的安全操縱受到較大的影響。所以，本文針對(duì)船舶淺水航行的下沉量進(jìn)行了分析和研究，可為船舶駕駛員的淺水區(qū)操縱船舶提供一定的參考價(jià)值。

1.船舶下沉量

當(dāng)船舶處于淺水區(qū)并且速度也較高的情況下，船舶需要盡力規(guī)避船體下沉而導(dǎo)致的擱淺的情況發(fā)生。一旦船速降下來(lái)后，船的方向可能發(fā)生變化，水的壓力也會(huì)相應(yīng)減小。為了實(shí)現(xiàn)船舶重力跟水浮力這兩者之間的平衡，船舶會(huì)發(fā)生整體垂直下沉的現(xiàn)象。與此同時(shí)，船體在水下的肥瘦程度存在差異性，這些情況都會(huì)使船舶縱傾發(fā)生一定的改變。對(duì)船舶下沉量產(chǎn)生影響的一些因素包括了以下幾個(gè)方面。①船舶的對(duì)地速度。通常而言，船舶的下沉量跟船的航速的平方是正比例關(guān)系，當(dāng)船速增加時(shí)，船的下沉量也會(huì)增加。②方形系數(shù)。當(dāng)方形系數(shù)增大，船舶的下沉量也會(huì)相應(yīng)地增大。一般而言，油船的下沉量跟客船比較起來(lái)要大一些。③水深和船舶吃水比。一般情況下，如果水深跟吃水比之間的比值在[1.5，2.0]之間，那么，可以這么認(rèn)為，下沉量對(duì)船舶的安全不會(huì)產(chǎn)生威脅。④航道地形。具體而言，主要也分為三種：開(kāi)敞航道，受限航道和運(yùn)河。⑤船舶會(huì)遇或超越。針對(duì)該影響因素對(duì)船舶下沉量的影響的文獻(xiàn)不多。在上個(gè)世紀(jì)八十年代之初，Dand針對(duì)船舶會(huì)遇和超越于下沉量的關(guān)系進(jìn)行了研究，最后得出結(jié)論：會(huì)遇和超越過(guò)程中船首下沉量會(huì)增加一半或一倍。

2.船舶下沉量的測(cè)量原理

真實(shí)測(cè)量下沉量是確定船舶富余水深標(biāo)準(zhǔn)的非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)于船體下沉量的計(jì)算，當(dāng)前主要有兩種方法：一種是理論計(jì)算法，該方法主要包括通過(guò)一維理論推出的方法以及根據(jù)細(xì)長(zhǎng)體理論得到的方法，另外一種就是經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法，該方法通過(guò)模型和實(shí)船的試驗(yàn)結(jié)果分析總結(jié)得到。對(duì)于大型商船來(lái)講，船舶在船艏具有最大下沉量，所以，一般情況下，只需要知道船艏下沉量，就可以確定下沉量的實(shí)際數(shù)值。

船舶在航行的過(guò)程中，船艏會(huì)發(fā)生下沉的現(xiàn)象，因而其吃水量會(huì)有所增加，在這種情況下，船舶艏部至水面的垂直距離會(huì)縮短。船艏到水面的垂直距離會(huì)發(fā)生改變，通過(guò)測(cè)量這種距離的變化可求算得到不同船速狀態(tài)下的船舶下沉量。由于船艏下沉而引起的吃水增加量的變化是長(zhǎng)時(shí)間的，同時(shí)，增量的變化速度是驚人的。因此，為了測(cè)量出真實(shí)的船舶下沉量數(shù)值，收集高動(dòng)態(tài)的測(cè)量數(shù)據(jù)最為關(guān)鍵。船舶的航速和船舶的尺度是影響船舶下沉量的重要因素，其中比較關(guān)鍵的因素是船舶的航速。此外，另一個(gè)較為關(guān)鍵的因素是水深，下沉量隨著水深的變小而變大，這兩者成反比關(guān)系。通過(guò)研究船舶富余水深，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水深跟吃水的比例為1.1：1.0的時(shí)候，該狀態(tài)是一種極限。原因在于，在船舶的形狀不發(fā)生改變的情況下，船舶開(kāi)始下沉，通過(guò)測(cè)量船艏距離水面的減少量，可以得到船艏的下沉量。對(duì)船舶下沉量測(cè)定必須包括以下四個(gè)方面的物理量：①船艏到水面距離；②船舶航速；③船舶位置；④龍骨下水深高度。另外，船舶升沉和搖蕩產(chǎn)生的船舶吃水變化以及海浪對(duì)于測(cè)得的船舶下沉量數(shù)值有一定的影響。然而，對(duì)于港內(nèi)航行的船舶來(lái)說(shuō)，這些并非關(guān)鍵因素，其影響變化的隨機(jī)性較大，可借助數(shù)學(xué)平差方法來(lái)妥善解決。

3.船舶下沉量的計(jì)算方法

通常情況下，如果水深比吃水的七倍要小時(shí)，就會(huì)發(fā)生船體下沉；當(dāng)水深逐漸減少，水深是吃水的2.5倍的時(shí)候，下沉現(xiàn)象會(huì)變得很明顯。在船型和吃水固定不變的情況下，下沉量跟航速的平方是正比例關(guān)系，船舶航速是影響船舶下沉量最為關(guān)鍵的因素。淺水可分為兩種區(qū)域，一種是敞開(kāi)水域，另外一種是限制航道。在敞開(kāi)水域，我們只需考慮水深，然而在限制航道中，分析水深影響的同時(shí)，航道寬度也是不可忽略的因素。船舶處于限制航道中，其下沉量會(huì)變得更大。致使該現(xiàn)象的原因的分析方法有很多，其中一個(gè)比較方便的方法是使用流體力學(xué)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換原理作分析。當(dāng)船舶在水中行駛速度不變時(shí)，一定速度的水流過(guò)靜止的船體與其有著同樣的效果。這表明，船舶在水中前行就相當(dāng)于船舶靜止時(shí)水流以與船舶運(yùn)動(dòng)相反方向的速度從船舶周圍流動(dòng)。在船舶到達(dá)淺水區(qū)時(shí)，船體周圍區(qū)域的截面積會(huì)減小，流體流速相應(yīng)增加，流體壓力也減小。進(jìn)而導(dǎo)致船舶下沉，甚至發(fā)生船舶觸底的事故。詳細(xì)而言，可根據(jù)下列流體的連續(xù)性方程分析。

根據(jù)流體力學(xué)的伯努利方程：

在這個(gè)公式中，ρ為流體密度，P為靜壓力，υ為流體速度 h為水深，constant表示常數(shù)。根據(jù)式子中可得到式子（2）

根據(jù)相同的原理，當(dāng)船舶在運(yùn)河中航行時(shí)，除了可能導(dǎo)致船體下沉事故之外，船舶兩側(cè)水流還可能導(dǎo)致水流發(fā)生回流，從而形成一定的壓力差，導(dǎo)致岸吸現(xiàn)象的發(fā)生，更為嚴(yán)重的情況是，一旦船體偏離了原來(lái)的航道，就會(huì)使得船舶跟河堤發(fā)生碰撞事故。所以，為了避免這種事故的發(fā)生，我們要計(jì)算并分析船舶在不同航速和裝載狀態(tài)下的下沉量，并判斷船體是否會(huì)觸底，進(jìn)而有效降低船體和螺旋槳發(fā)生損壞的幾率。另外，可以依據(jù)航道的特征，分析并計(jì)算船舶的安全行駛速度，這樣才能最大程度上保障船舶在航行過(guò)程中的安全。

4.淺水區(qū)安全操船的措施

4.1減小船舶行駛速度

當(dāng)主機(jī)功率P固定不變且船舶航行于淺水區(qū)域時(shí)，隨著阻力的增加，船舶的航速也會(huì)隨之降低。如果要讓船舶維持原速度不變，那么就需要增加主機(jī)功率的大小。然而，在這種情況下，不僅會(huì)耗費(fèi)更多的燃料，還會(huì)增加主機(jī)的磨損量，對(duì)于提升航速而言沒(méi)有實(shí)際價(jià)值。在這種情況下，如果可以降低航速就盡量降低，因?yàn)檫@樣不但可以節(jié)省燃料，還能使機(jī)器不受到損壞。除外，當(dāng)船舶到達(dá)淺水區(qū)域時(shí)，吃水量增加，船速越高，吃水量的增幅越大。如果在這個(gè)適合降低船速，就能減小船舶碰擦河底的事故發(fā)生的幾率。

4.2對(duì)船舶進(jìn)行測(cè)深

對(duì)船舶的富余水深進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于探測(cè)航路，保障船舶安全行駛的非常有必要的。具體測(cè)量方法就是：測(cè)量船舶航行于最深位置的富余水深。

4.3盡力提高舵效

船舶在淺水區(qū)行駛時(shí)，其舵效比較差，容易產(chǎn)生對(duì)航行不利的影響。因此，在對(duì)船舶進(jìn)行操作時(shí)，就要注意以下事項(xiàng)：用舵要提前轉(zhuǎn)舵，及早回舵，使用的舵角應(yīng)較大。

4.4備錨

備錨的作用是預(yù)防船舶在淺水區(qū)的失控、倒頭等危險(xiǎn)局面。當(dāng)舵效較低或者跑舵時(shí)，可通過(guò)備錨有效改善這種危險(xiǎn)局面。

4.5保持船舶具有適當(dāng)?shù)奈部v傾

當(dāng)運(yùn)輸船處于航行狀態(tài)時(shí)，船舶的首部的吃水增加幅度是比較大的。所以，為了保障運(yùn)輸船的行駛安全系數(shù)，就需要在船舶啟動(dòng)之前就保持適當(dāng)?shù)奈部v傾。

5.結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)船舶在淺水區(qū)航行時(shí)，其情況非常復(fù)雜。在這種情況下，如駕駛員不能對(duì)淺水效應(yīng)有充分的了解和及時(shí)處理緊急情況，那么船舶擱淺隨時(shí)可能發(fā)生。所以，要想降低船舶擱淺事故發(fā)生的概率，就特別需要加強(qiáng)船員多方面的技術(shù)培訓(xùn)，只有提升了他們的技術(shù)素質(zhì)并增強(qiáng)安全方面的意識(shí)，才能真正讓他們更加自覺(jué)地投入到船舶安全駕駛工作中去。