唐存寶，張 亮，劉敬賢，劉傳潤，李歡歡

(1.廣州航海學(xué)院 海運(yùn)學(xué)院，廣州 510725; 2.武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院，武漢 430063)

40萬t船舶乘潮進(jìn)董家口港水深適應(yīng)性

唐存寶1,2，張 亮2，劉敬賢2，劉傳潤1，李歡歡2

(1.廣州航海學(xué)院 海運(yùn)學(xué)院，廣州 510725; 2.武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院，武漢 430063)

以董家口港為目標(biāo)水域，計(jì)算40萬t船舶抵港最大吃水，考慮航道較長、分段較多等特點(diǎn)，充分運(yùn)用乘潮條件和潮汐規(guī)律，提出針對超大型船舶的富余水深應(yīng)用方法。運(yùn)用該方法分析航道水深、乘潮條件、船舶吃水和富余水深之間的關(guān)系，判定航道水深的適應(yīng)性，提煉航速控制的邊界值。應(yīng)用結(jié)果表明：富余水深按照《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》取值，航速控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，董家口港航道水深適應(yīng)40萬t船舶滿載乘潮進(jìn)港。

40萬t船舶；富余水深；應(yīng)用方法；乘潮；航速控制

當(dāng)前我國青島、大連等多個港口已引入或正在引入巴西“淡水河谷”型40萬t散貨船，并已建成或正在建設(shè)配套的泊位和航道。然而，保障40萬t超大型船舶在受限水域安全航行的關(guān)鍵技術(shù)還未得到有效解決，因此水深適應(yīng)性問題一直制約著40萬t船舶安全進(jìn)出港。

近年來，針對超大型船舶受限水域航行條件的研究較多，主要包括富余水深(Under Keel Clearance,UKC)[1-4]、安全航速[5-6]及限定條件[7]等。文獻(xiàn)[1]通過分析大型礦砂船(Very Large Ore Carrier,VLOC)在淺水域航行時影響富余水深的因素，指出靜態(tài)富余水深和動態(tài)富余水深的計(jì)算方法；文獻(xiàn)[2]分別根據(jù)《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算富余水深，并分析2種方法的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]根據(jù)富余水深、航道尺度和交通流提出船舶安全航速三維限定數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[7]研究渤海海域超大型油船(Very Large Crude Carrier,VLCC)航行安全保障關(guān)鍵技術(shù)，提出富余水深、航速控制及優(yōu)化航路等方面的建議。文獻(xiàn)[8]～文獻(xiàn)[10]在富余水深預(yù)測和動態(tài)富余水深及其應(yīng)用方面有較好的研究成果。目前，專門針對40萬t船舶航行保障條件的研究較少，安全航行的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)尚未達(dá)成共識。

為滿足40萬t船舶進(jìn)港常態(tài)化的需要，交通運(yùn)輸部于2015年發(fā)布《40萬噸散貨船設(shè)計(jì)船型尺度及相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定》作為現(xiàn)行《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[11](以下簡稱《規(guī)范》)的補(bǔ)充，對40萬t船舶富余水深的取值給出標(biāo)準(zhǔn)，但該標(biāo)準(zhǔn)沒有應(yīng)用實(shí)例。40萬t船舶在航道內(nèi)航行受潮位和潮位歷時的雙重限制，從而影響航速和富余水深的取值;同時,在有多段航道時，富余水深不應(yīng)取固定值，可采用類似于“動態(tài)富余水深”的方法分析乘潮條件和潮汐規(guī)律作用下的水深適應(yīng)性。

這里以青島董家口港航道為目標(biāo)，運(yùn)用乘潮條件和潮汐規(guī)律研究40萬t船舶滿載吃水條件下基于《規(guī)范》的多航段富余水深應(yīng)用方法，運(yùn)用該方法分析航道水深的適應(yīng)性，提煉航速控制的邊界值。

1 40萬t船舶抵港最大吃水

這里所指的40萬t船舶為巴西“淡水河谷”型散貨船，滿載吃水為23.0 m，從馬德拉港出發(fā)航行至董家口附近水域，抵港滿載吃水(抵港最大吃水)d0=22.8 m。計(jì)算過程為

1) 耗油量=航行距離(12 523 n mile)×日油耗(75 t)/(航速(12 kn)×24 h)=3 261 t;貨物水分排量約1 500 t(航行中從貨艙污水井內(nèi)排出的貨物水分);到港時的排水量減少值=耗油量+貨物水分排量=4 761 t。

2) 滿載時每厘米吃水噸數(shù)=214.4 t/cm，即到港吃水會減少約22.2 cm。

3) 船舶離港時的滿載海上吃水=23.02 m。

4) 到港預(yù)計(jì)吃水=船舶離港時的滿載海上吃水-到港吃水減少量=22.8 m。

2 董家口港航行環(huán)境

2.1航道

40萬t船舶進(jìn)港航道PC由PA,AB和BC等3段組成(見圖1)，PA段、AB段、BC段及BC段后接制動段CD的長度分別為10.8 n mile,4.7 n mile,3.1 n mile和1.08 n mile，航道設(shè)計(jì)底高Z=-23.2 m(以理論最低潮面為基準(zhǔn)面，下同)。

2.2潮汐與靠泊時機(jī)

董家口港的潮汐類型為正規(guī)的半日潮，每天約12 h有1次高潮和1次低潮。40萬t船舶需乘較大的潮位航行，根據(jù)正規(guī)半日潮的特征和董家口港潮汐的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，借鑒已通航的30萬噸級船舶的乘潮經(jīng)驗(yàn)，可利用的乘潮時間應(yīng)限制在高潮前后各3 h，乘高潮頻率統(tǒng)計(jì)表(見表1)給出最高6 h的乘潮歷時。由于受風(fēng)流的影響較大，因此要求40萬t船舶在轉(zhuǎn)流前的高平潮靠泊，靠泊完成的最后時間(轉(zhuǎn)流時間)可推遲到高潮后1 h(見圖2)，即在6 h的乘高潮歷中,只能利用4 h來完成航道內(nèi)航行、轉(zhuǎn)向、制動和靠泊過程(順靠碼頭不計(jì)旋回時間),其中制動和靠泊段乘潮歷時見表2。

圖1 40萬t船舶進(jìn)港航道

表1 董家口港乘高潮頻率統(tǒng)計(jì)表 m

圖2 乘潮進(jìn)港歷時4 h經(jīng)過各點(diǎn)時刻示意

表2 制動和靠泊段乘潮歷時

3 多航段航行富余水深的取值與應(yīng)用

3.1富余水深取值

參照《規(guī)范》，富余水深dUKC,所需通航水深D0,航道設(shè)計(jì)水深D,實(shí)際通航水深D1及乘潮歷時ts的計(jì)算式分別為

式(1)～式(5)中:Z0為航行下沉量，與航速有關(guān)；Z1為龍骨下最小富余深度，與海底底質(zhì)有關(guān)；Z2為波浪富余深度；Z3為裝載縱傾富余深度；Z4為備淤水深；d為吃水；H為乘潮潮位;dep為海圖水深(航道設(shè)計(jì)底標(biāo)高Z的相反數(shù))；Kt為時間富余系數(shù)，取1.1～1.3；t1為航道航行時間；t2為船舶在港內(nèi)轉(zhuǎn)頭的時間；t3為船舶靠離碼頭的時間。

根據(jù)航速、船舶吃水、波浪條件和航道底質(zhì)特征，通過式(1)～式(3)可求得所需通航水深,通過式(4)可求得現(xiàn)有乘潮條件下的實(shí)際通航水深。此外，式(1)反映出dUKC隨航速的變化而變化，這是確定航速控制的主要依據(jù)之一。根據(jù)《規(guī)范》，下沉量與航速的關(guān)系見圖3,由此求得40萬t船舶(d0=22.8 m)在董家口港航行時所需的dUKC和D0見表3。

圖3 下沉量與航速的關(guān)系

3.2富余水深應(yīng)用方法

已知乘高潮頻率統(tǒng)計(jì)表和滿載吃水d0,探求40萬t船舶在吃水為d0時安全航行的水深適應(yīng)性及航速控制的邊界值。

3.2.1求解原理

由于航速、乘潮及所需富余水深相互制約，無法同時確定三者的取值，因此假設(shè)船舶在每段航道內(nèi)的航速為某個經(jīng)驗(yàn)值范圍[12]，取其中的某個值，求得富余水深、滿載航行所需通航水深及乘潮歷時。

表3 dUKC和D0取值

根據(jù)乘潮歷時選擇乘潮保證率(盡量選擇≥90%的保證率)的潮位，計(jì)算實(shí)際通航水深。當(dāng)所需通航水深小于實(shí)際通航水深時,說明該水深適應(yīng)安全進(jìn)港，所選擇的經(jīng)驗(yàn)航速符合要求。該原理考慮乘潮潮位和乘潮歷時雙重限制因素，即

(6)

式(6)中:T為航道內(nèi)航行至靠泊完成允許的最大時長。

3.2.2求解過程

(1) 根據(jù)各段航道的長度及距泊位的距離確定每段的經(jīng)驗(yàn)航速范圍v,選取其中一個速度對v1,例如PC段速度對可記為v=(vPA,vAB,vBC)。

(2) 根據(jù)v1確定dUKC和D0(如表3所示)。

(3) 根據(jù)t=S/v計(jì)算航道乘潮時間和,S為航道長度。

(4) 根據(jù)式(5)計(jì)算從航道開始至靠泊完成所用時間ts。

(5) 根據(jù)靠泊時機(jī),從乘高潮頻率統(tǒng)計(jì)表中選擇歷時t′。若在高平潮時靠泊，則t′=2[ts]；若在滿足潮位時對靠泊時機(jī)無要求，則t′=[ts]。[]為>ts的最小整數(shù)。

(6) 從乘高潮頻率統(tǒng)計(jì)表中選擇歷時t′及保證率≥90%對應(yīng)的潮位H(若90%的保證率對應(yīng)的潮位不適應(yīng)滿載進(jìn)港，則可適當(dāng)降低保證率以提高選擇的潮位)。

(7) 根據(jù)式(4)計(jì)算實(shí)際通航水深D1。

(8) 判斷D0≤D1是否成立。若不成立，則根據(jù)dmax=D1-dUKC計(jì)算出可通航的最大吃水；若成立,則吃水為d0的滿載船舶可安全航行，所選擇的航速對符合要求。隨后選擇一對航速，轉(zhuǎn)至步驟(1),最終求得可通航最大吃水和航速控制邊界值。

求解簡要流程見圖4。

圖4 富余水深應(yīng)用流程

3.3潮汐規(guī)律的運(yùn)用

上述富余水深應(yīng)用方法根據(jù)總用時ts選擇乘潮歷時t′，雖然每段航速都可求出控制的邊界值，但這種邊界值并不嚴(yán)格，即指定航段的航速可選擇其他航段的較大航速(僅考慮不觸底)。若考慮到從乘潮開始潮位呈逐漸上漲的趨勢(如圖2所示)，隨著船舶的航行，潮位越來越高，潮位利用價值越來越大，則在富余水深應(yīng)用過程中，可將潮位按航段作離散變化處理，水深和富余水深是離散變化的。

以董家口港航道PC為例，高潮前可利用的乘潮歷時為3 h，在PA段航行時應(yīng)選潮位歷時t′=6 h。假設(shè)在PA段航行1 h,則航至A點(diǎn)時水位處于高潮前2 h的位置，可選4 h的乘潮歷時,而不是6 h。這樣充分利用潮汐規(guī)律，有可能提高可通航的最大吃水。然而,這種方法對航速控制的要求較嚴(yán)格，即在每段的用時不能超過預(yù)期值。假設(shè)在PA段航行1.2 h，航行至A點(diǎn)時未達(dá)到乘潮歷時t′=4 h的潮位，則在AC段繼續(xù)選擇t′=4 h的潮位有可能在A點(diǎn)稍后發(fā)生觸淺。

示例：根據(jù)董家口港航道的乘潮條件，判斷航速對v=(vPA,vAB,vBC)=(9,8,5) kn時水深是否適應(yīng)40萬t滿載船舶(d0=22.8 m)安全航行。

原理：根據(jù)式(6)得到航道水深適應(yīng)40萬t船舶安全航行的限定條件，即

(7)

式(7)中：SPA為PA段的長度;SBC為BC段的長度;Kt取1.1。

計(jì)算過程如下：

根據(jù)表3求得dUKC=(2.56,2.42,2.19) m,D0=(25.36,25.22,24.99) m;ts=(SPA/vPA+SPA/vAB+SBC/vBC+t靠泊+t制動)Kt=3.87 h<4 h。

由于高平潮靠泊且靠泊后可利用的時間為1 h,因此選擇乘潮歷時t′=[(ts-1)×2]=6 h。

應(yīng)選歷時6 h，保證率=90%對應(yīng)潮位H=2.8 m?？紤]PA段為天然航道，備淤0 m；AC段為人工開挖航道，備淤0.4 m。由此可得

1)PA段:D1=H+dep=26.0 m。

2)AC段:D1=H+dep=25.6 m。

故D1=(26.0,25.6,25.6) m。

由于D0≤D1,因此在乘潮潮位和乘潮歷時的雙重限制下，40萬t滿載船舶采用航速對(9,8,5)kn時富余水深符合安全航行的要求，即水深適應(yīng)船舶進(jìn)港。

此外，在航行至A點(diǎn)時，已用時Kt(SPA/vPA)=1.32 h，考慮潮位逐漸上升對船舶航行更有利。由于ts-tPA=2.55 h,t′=[(ts-tPA-1)×2]=4 h,因此AC段也可選擇4 h的潮位，同樣符合要求(見表4)。

表4 速度對取(9,8,5) kn時水深適應(yīng)性 m

類似地，可驗(yàn)證v=(8,7,5) kn時水深不適應(yīng)安全航行，因?yàn)槌顺睔v時ts=4.13 h>4 h。

4 航速控制邊界值

由上述分析可知，航道水深適應(yīng)40萬t船舶進(jìn)董家口港，但要求航速控制在合理范圍內(nèi)。受制于潮位和潮位歷時，航速既不能過快(防止觸底)，也不能太慢(不超過允許的乘潮歷時)。根據(jù)富余水深應(yīng)用方法，參照示例，可求得符合條件的經(jīng)驗(yàn)航速對v=(vPA,vAB,vBC)，用矩陣R表示為

(8)

得出航速控制邊界值見表5,進(jìn)而在模擬試驗(yàn)和專家咨詢的基礎(chǔ)上得到建議航速。船舶按建議航速航行，乘潮進(jìn)港和靠泊歷時4.0 h經(jīng)過各點(diǎn)時刻的示意如圖2所示。

表5 航速控制邊界值

5 結(jié)束語

通過分析得到水深適應(yīng)性結(jié)論：董家口港航道長18.6 n mile，航道設(shè)計(jì)底標(biāo)高-23.2 m，40萬t船舶抵港最大吃水22.8 m，若航速控制在邊界值以內(nèi)，則航道水深適應(yīng)40萬t船舶滿載進(jìn)港，乘潮保證率達(dá)90%。

該富余水深應(yīng)用方法以《規(guī)范》作為參考取值，對其他理論取值法或經(jīng)驗(yàn)取值法同樣適用。研究結(jié)果對超大型船舶受限水域安全航行關(guān)鍵指標(biāo)的確定具有重要意義。

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WaterDepthInvestigationforDongjiakouPortReceiving400000tCarrierbyTide

TANGCunbao1,2,ZHANGLiang2，LIUJingxian2，LIUChuanrun1，LIHuanhuan2

(1.Navigation Department,Guangzhou Maritime Institute,Guangzhou 510725,China;2.School of Navigation,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)

Whether Dongjiakou Port is suitable for receiving 400 000 t carriers from the angle of water depth is investigated.The arrival maximum draft of the 400 000 t carrier is calculated.Because the channel is long and is composed of a few sections of different characteristics,the analysis takes the tide condition and pattern into consideration and making full use of the Under Keel Clearance (UKC).Thorough investigation of the relationship among water depth,tidal height,draft,and UKC leads to maximized effective water depth.The boundary value of speed control is also determined.The results of the analysis show that the water depth of Dongjiakou Port channel satisfies the requirements of full load entry of 400 000 t carrier,under the condition that the ship speed is limited within the boundary,and the UKC is to be kept according to the “Design Code of General Layout for Sea Ports”.

400 000 t carrier; UKC; application method; tide-taking; speed control

U658

A

2017-01-15

國家自然科學(xué)基金(51479156)；交通運(yùn)輸部建設(shè)科技項(xiàng)目(2015318J34090)；廣州航海學(xué)院創(chuàng)強(qiáng)工程科研項(xiàng)目(2014E063；2017E20)

唐存寶(1983—)，男，山東菏澤人，講師，博士生，從事交通信息工程及控制研究。E-mail:hellon@qq.com

劉敬賢(1967—)，男，湖北孝感人，教授，博士，從事水上交通環(huán)境與安全保障技術(shù)研究。E-mail:ljxteacher@ sohu.com

1000-4653(2017)02-0060-05