牛佳偉，劉德新，李連博，張　偉 ，喬　林

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

寧波港LNG船舶航路安全水深的確定

牛佳偉，劉德新，李連博，張偉 ，喬林

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

摘要：分析國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)中有關(guān)船舶下沉量和富余水深的影響因素，結(jié)合寧波港附近水域的通航環(huán)境特點，建立適合本工程海域LNG船舶航行所需安全水深的計算模型；利用Matlab軟件對幾種下沉量計算公式進(jìn)行對比分析，確定能夠充分保證航行安全的下沉量計算公式。根據(jù)建立的安全水深計算模型，提出LNG船舶在不同航速情況下所需安全水深建議值。

關(guān)鍵詞：LNG船舶；開敞淺水域；下沉量；安全水深；航路規(guī)劃

寧波LNG接收站位于浙江省寧波市北侖區(qū)，穿山半島北側(cè)，LNG船舶進(jìn)出港需使用寧波-舟山港航道，該水域通航環(huán)境比較復(fù)雜，部分水域水文、氣象條件惡劣，航道淤淺[1]，對LNG船舶的航行安全提出了較高的要求。為了確保進(jìn)出寧波港LNG船舶的正常營運(yùn)，充分保障其航行安全，通過對比國內(nèi)外有關(guān)確定安全水深的計算方法，分析影響船舶安全水深的相關(guān)因素可知船舶下沉量的計算是確定安全水深的關(guān)鍵?？偨Y(jié)不同船舶下沉量計算公式的特點及適用范圍，并將基于幾種下沉量估算公式得到的安全水深值進(jìn)行對比，確定適合該水域LNG船舶航行下沉量的計算公式，進(jìn)而得到LNG船舶航行所需的安全水深。

1設(shè)計船型

寧波港工程設(shè)計船型參數(shù)如表1所示。

由表1可見，寧波港LNG船舶設(shè)計船型包含8.0萬～26萬m3類型船舶。為了確保LNG船舶航行安全充分考慮LNG船舶特點，本文選取26.6萬m3船型為研究對象，對其航行過程中船體下沉量及安全水深進(jìn)行研究。通過在勞氏船級社船舶數(shù)據(jù)庫中提取滿載吃水為12.2 m的LNG船舶進(jìn)行統(tǒng)計分析得出，船舶總噸 175 000 t，滿載排水量186 400 t，Loa344.5 m，Lpp330.4 m，B 54.0 m，滿載吃水12.2 m，型深27.4 m，方形系數(shù)0.78，縱穩(wěn)心高度352 m，橫穩(wěn)心高度6.6 m，重心距船中距離0.4 m，重心距基線的距離7.6 m。

表1　寧波港LNG船船型尺度

2航路水深標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和相關(guān)情況

2.1《海港總體設(shè)計規(guī)范》

根據(jù)交通運(yùn)輸部《海港總體設(shè)計規(guī)范》(JTS 165-2013)規(guī)定，通航水深D0和設(shè)計水深D應(yīng)分別按下式計算[2]：

(1)

(2)

式中：T——設(shè)計船型滿載吃水，m；

Z0——船舶航行時船體下沉值，m；

Z1——航行時龍骨下最小富裕深度，m，根據(jù)船舶噸級和土質(zhì)特性，取0.6 m；

Z2——波浪富裕深度，m，根據(jù)表格規(guī)范，當(dāng)船、浪夾角30°和H4%值為2 m時Z2取值為0.84 m；

Z3——船舶裝載縱傾富裕水深，m，雜貨船和集裝箱船可不計，油船和散貨船取0.15 m，本LNG船舶采用油船標(biāo)準(zhǔn)，取為0.15 m；

Z4——備淤富裕深度，m，取0.4 m。

2.2開敞淺水域航行富余水深的確定

富余水深是船舶通過淺灘或在淺水域航行時船底以下必須保留的水深余量，是防止船舶托底、觸底、擱淺和失控的基本要素。本文在確定富余水深時主要考慮水深誤差、船體靜態(tài)下沉量、船體動態(tài)下沉量、淺水對船速影響以及安全操縱對富余水深的要求等因素，對比分析開敞淺水域各種富余水深估算模型，從中選取船舶及水域富余水深估算模型[3-5]。

2.2.1水深誤差

水深誤差影響因素主要包括潮高誤差δm(m)，海圖測量誤差δs(m)，海底底質(zhì)附加值(m)和堆積高度δa(m)，水深最大誤差δh為

(3)

其中，潮高誤差主要受大氣壓變化影響，可按下式計算。

(4)

式中：p——實測大氣壓，100 Pa。

對于測量誤差，可按下式進(jìn)行取值。

(5)

式中：Hc——海圖水深。

海底底質(zhì)附加值主要受底質(zhì)類型影響，計算時可參照表2標(biāo)準(zhǔn)。

表2　海底底質(zhì)類型和參數(shù)賦值

海底底質(zhì)附加值按如下取值。

(6)

對于有泥沙淤積和潮流風(fēng)浪大的航道，應(yīng)在富余水深估算中計入堆積高度δa，當(dāng)無淤積時可忽略不計。

2.2.2船體靜態(tài)下沉量

當(dāng)船舶在開敞淺水域航行時，由于船速和船舶拱垂變形引起的下沉量隨時間變化很小，因此可稱為靜態(tài)下沉量。

1) 航進(jìn)中船體下沉量。目前，關(guān)于船舶下沉量的計算公式很多，且各自的計算原理也有所不同。1974年Hofft基于瘦長體假設(shè)并結(jié)合Tuck公式提出Hofft公式來計算由船舶縱傾變化引起的艏下沉量，但計算誤差較大；Huuska以水動力數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，運(yùn)用拉普拉斯方程、邊界條件進(jìn)行傅里葉變換求取垂向力和縱傾力矩，進(jìn)而計算船首下沉量[6]，該公式計算結(jié)果穩(wěn)定，適用范圍廣，但當(dāng)船速較大時曲線會發(fā)生變形；1978年Eryuzlu在開敞水域通過油輪實驗提出了Eryuzlu估算公式，之后并不斷對該公式進(jìn)行改進(jìn)，估算精確度逐漸提高；1979年Barrass通過實船和模型試驗提出了船首下沉量簡易估算公式，但其考慮因素較少，計算結(jié)果準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步驗證；1986年Norbin 在Tuck和Taylor公式基礎(chǔ)上提出了適用于開敞水域Fr<0.4時的船舶下沉量估算公式，該公式適用航行于開敞淺水域中的船舶，計算結(jié)果較穩(wěn)定，能夠提供一定參考[7]；1990年Millward基于細(xì)長體理論為提出Millward估算公式，根據(jù)船模試驗結(jié)果進(jìn)行分析，并對該公式進(jìn)行改進(jìn)，該公式適用于較大型船舶，但僅以7條船模數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證可靠性不足；芳村在Tuck公式基礎(chǔ)上，結(jié)合實測數(shù)據(jù)對其進(jìn)行變形，得到了芳村計算公式，該公式計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)較為接近，數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，適用于各種船型，但估算值普遍偏小[8]。表3給出了以上公式的具體適用范圍，根據(jù)以上幾種下沉量公式的使用范圍及其特點，本文選取芳村公式、Eryuzlu修正公式和Norbin公式對LNG船舶的下沉量進(jìn)行比較計算。

表3　幾種估算公式的適用范圍

①芳村公式

(7)

②Eryuzlu修正公式

(8)

③Norbin公式

(9)

2) 船舶拱垂變形下沉量計算。在滿足強(qiáng)度要求的情況下，船舶拱垂變形一般不超過L/1 200，因此拱垂變形所引起的船體最大下沉量Sd為

(10)

2.2.3船體動態(tài)下沉量

當(dāng)船舶操舵旋回橫傾和遭遇波浪橫搖時，引起的下沉量隨時間不斷變化，又稱為動態(tài)下沉量。

1) 操舵旋回橫傾產(chǎn)生的下沉量為

(11)

(12)

式中：Sm——操舵旋回引起的最大下沉量；

Zm——船舶橫穩(wěn)心高度；

Zb——船舶正浮時浮心高度；

Zg——船舶重心高度。

2) 波浪下船舶橫搖產(chǎn)生的下沉量[9-10]。在波浪影響下，引起船舶垂蕩、縱搖和橫搖時可能產(chǎn)生的最大振幅見下式。

(13)

式中：Zg——船舶重心垂蕩振幅；

φ——縱搖角振幅；

φ——橫搖角振幅；

γh,γp——船舶垂蕩和縱搖有效波傾斜系數(shù)；

γh，γp，γr——分別為海浪相對船舶垂蕩、縱搖和橫搖的波長；

1.無限制說。該學(xué)說認(rèn)為監(jiān)聽與搜查均屬于干預(yù)隱私權(quán)的強(qiáng)制處分措施，因此可以類推適用《德國刑事訴訟法典》第108條第1款規(guī)定：“在搜查時發(fā)現(xiàn)的物品雖與本案偵查無關(guān)，但卻表明發(fā)生了其他犯罪行為的，要將物品臨時扣押。扣押后應(yīng)當(dāng)通知檢察院?！盵5]以該條為依據(jù)，偶然監(jiān)聽所得材料應(yīng)當(dāng)允許作為證據(jù)。該觀點的理由為，法律雖未對偶然監(jiān)聽所得材料能否作為證據(jù)使用作出規(guī)定，但由于法律將通訊監(jiān)聽與搜查、扣押并列規(guī)定，而監(jiān)聽與搜查、扣押都是對相對人隱私權(quán)進(jìn)行干預(yù)或侵害的偵查措施，兩者具有相同的法律構(gòu)造，可作相同的解釋，因此，對于偶然監(jiān)聽所得的材料可類推適用搜查、扣押的規(guī)定，允許其作為證據(jù)使用[7]。

hw——海浪相對于船舶搖蕩波高；

C1，C2——橫搖系數(shù)；

Zg——船舶重心高度。

結(jié)合式(13)，船舶在淺水域中波浪所引起搖蕩中的船體最大下沉量St為

(14)

2.2.4安全操縱對富余水深的影響

船舶在淺水中航行時，船底與水底應(yīng)保留一定的水深距離，才能保證船舶具有較好的操縱性。根據(jù)我國引航界經(jīng)驗，在船體固定下沉量的基礎(chǔ)上，還應(yīng)保持0.5～1.0 m的船底實際水深，才能保證船舶的安全操縱。通常為保證船舶的安全操縱應(yīng)考慮通航條件、氣象條件和船舶類型等因素。通航條件的等級劃分和參數(shù)I的賦值見表4。

表4　通航條件等級劃分與參數(shù)賦值

根據(jù)以上要素，將船舶安全操縱所需要的船底與水底的安全距離ε取值為

(15)

從安全操縱角度考慮，船舶在開敞淺水域航行時，為防止因操舵旋回橫傾和遭遇波浪搖蕩使船舶觸底，操舵前船底到水底的最小安全距離為

(16)

2.2.5富余水深估算模型

綜合考慮以上富余水深的影響因素，船舶在開敞淺水域的航行的富余水深計算模型如下式

(17)

3下沉量和安全水深計算結(jié)果分析

3.1下沉量和安全水深隨h/d變化情況

基于Matlab 8.0平臺，分別利用芳村公式、Eryuzlu修正公式和Norbin公式計算船舶在開敞淺水域航行中的船體下沉量，并根據(jù)本文建立的富余水深和安全水深計算模型求取LNG船舶在不同航速不同水深吃水比情況下所需的水深值，并畫出滿載LNG船舶在開敞淺水域航行時的下沉量、富余水深、安全水深在不同船速情況下隨水深吃水比的變化曲線。

通過對國內(nèi)外關(guān)于開敞淺水域LNG船舶安全航速控制方面的研究，結(jié)合寧波港港區(qū)附近海域的實際情況[11]，建議本LNG船舶在h/d≤1.5淺水域航行時，船速控制在12 kn下。

3.1.1芳村公式計算模型

選取芳村公式計算并畫出滿載LNG船舶航行中船體下沉量、富余水深和安全水深的變化，見圖1～3。

圖1　下沉量隨h/d的變化量(芳村)

圖2　富余水深隨h/d的變化量(芳村)

圖3　安全水深隨h/d的變化量(芳村)

3.1.2修正公式計算模型

選取修正公式計算滿載LNG船舶航行中船體下沉量、富余水深和安全水深的變化見圖4～6。

圖4　下沉量隨h/d的變化量(修正)

圖5　富余水深隨h/d的變化量(修正)

圖6　安全水深隨h/d的變化量(修正)

3.1.3Norbin公式計算模型

選取Norbin公式計算LNG船舶滿載航行中船體下沉量、富余水深和安全水深的變化，見圖7～9。

圖7　下沉量隨h/d的變化量(Norbin)

圖8　富余水深隨h/d的變化量(Norbin)

圖9　安全水深隨h/d的變化量(Norbin)

3.2LNG船舶航路安全水深計算值

根據(jù)《海港總體設(shè)計規(guī)范》 、芳村公式、修正公式和Norbin公式分別計算在開敞淺水域航行中滿載LNG船舶在不同航速時下沉量及其安全水深見表5和表6。

表5　26萬m3 LNG滿載時4種方法下沉量值

表6　26萬m3 LNG滿載時4種方法安全水深值

利用Matlab畫出以上幾種計算公式得到的下沉量和安全水深h隨船速的變化見圖10、11。

圖10　不同方法LNG船舶下沉量計算值對比

圖11　不同方法LNG船舶安全水深計算值對比

由表5和圖10可見，由4種方法得到的該船下沉量值有一定差異，總體來看修正公式和 《海港總體設(shè)計規(guī)范》得到的下沉量值較芳村和Norbin公式大。海港總體設(shè)計規(guī)范和修正公式曲線存在交叉，在航速較低(V<7 kn)時，《海港總體設(shè)計規(guī)范》得出的下沉量大于修正公式算出的下沉量，當(dāng)V≥7 kn時，修正公式算出的下沉量值較《海港總體設(shè)計規(guī)范》大。芳村公式和Norbin公式計算得出的下沉量結(jié)果較為接近，曲線變化趨勢也大致相同。通過表6和圖11對滿載LNG船舶4種方法計算得出的安全水深值進(jìn)行比較，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《海港總體設(shè)計規(guī)范》得到的安全水深值最小。當(dāng)航速較低時，幾種方法得到的安全水深值差異不大，隨著航速的提高，所需的安全水深差異越來越大。

4結(jié)論

《海港總體設(shè)計規(guī)范》中航道水深標(biāo)準(zhǔn)主要用于我國港口進(jìn)出港航道安全水深的確定，其所考慮的安全因素相對較少，對方形系數(shù)較小的船舶估算值較為保守，且只適用于非限制性航道[12]，故選擇其他3種計算公式較為合適；芳村公式和Norbin公式計算結(jié)果穩(wěn)定，考慮因素也較全面，但計算值偏小，不利于船舶航行的安全；鑒于LNG船舶的特性，一旦發(fā)生事故便會引起不可估量的后果，因此從船舶航行安全角度考慮，參考相關(guān)研究[13-14]選擇修正公式作為計算滿載LNG船舶在開場淺水域中航行的下沉量較芳村公式和Norbin公式更加安全合理。

根據(jù)修正公式，得到滿載LNG船舶在不同航速情況下的安全水深建議值見表7。

表7　進(jìn)出寧波港LNG船舶安全水深控制標(biāo)準(zhǔn)

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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

基金項目：中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金(3132015007)；國家自然科學(xué)基金(51279106)；東港市獐島碼頭工程通航安全評估項(80815040-92)；交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(2014329225010)

第一作者簡介：牛佳偉(1992—)，男，碩士生 E-mail:njiawei@163.com

中圖分類號：U674.13；N945

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：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