(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院航海技術(shù)學(xué)院，江蘇南京　211170)

1　問(wèn)題的提出

2016年以來(lái)，隨著南京以下長(zhǎng)江深水航道的開(kāi)通，5萬(wàn)噸級(jí)的大型船舶可以全天候地進(jìn)抵南京長(zhǎng)江大橋下，這固然會(huì)對(duì)江蘇的深度改革開(kāi)放、長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的建設(shè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會(huì)效益。但是就通航安全而言，卻帶來(lái)了一些問(wèn)題，進(jìn)江的深吃水海輪船底的富裕水深不足，出現(xiàn)的淺水效應(yīng)明顯，容易擦淺、擱淺，大型船舶在沿岸航行時(shí)將會(huì)出現(xiàn)明顯的岸壁效應(yīng)，容易造成航向和船位失控。由深吃水海輪引起的巨大的水動(dòng)力會(huì)影響附近船舶的航行安全，即給他船造成明顯的船間效應(yīng)，容易造成船舶間的碰撞。因此，大型船舶在深水航道中航行存在著較大的通航風(fēng)險(xiǎn)，大型船舶在深水航道中通航安全保障是一個(gè)極具研究?jī)r(jià)值的課題。

2　南京以下長(zhǎng)江深水航道通航條件分析

2.1　航道尺度分析

南京以下長(zhǎng)江深水航道,上起南京長(zhǎng)江大橋，下至蘇滬交界處附近的瀏河口，全程約280公里。在南京以下長(zhǎng)江航段，設(shè)置深水航道，在深水航道內(nèi)設(shè)置上、下行通航分道和分隔帶，分別占航道寬度的五分之二、五分之一。在不具備設(shè)置分隔帶條件的深水航道內(nèi)，設(shè)置分隔線(xiàn)。深水航道一般情況下寬度達(dá)500米，不足500米的以實(shí)際航寬為準(zhǔn)但不得低于200米。另一方面，在深水航道外設(shè)置一部分推薦航路(沿岸通航帶)。到2015年底，深水航道二期工程結(jié)束，深水航道最小水深已達(dá)12.5米，推薦航路最小水深已達(dá)4.5米。

2.2　大型船舶航路分析

依據(jù)《長(zhǎng)江江蘇段定線(xiàn)制規(guī)定(2014)》，“大船”指長(zhǎng)度達(dá)到80米的船舶，而文中的“大型船舶”特指5萬(wàn)載重噸以上的任何類(lèi)型的船舶，屬于“大船”的范疇。

深水航道主要供大船使用，大型船舶一般情況下走深水航道，在深水航道內(nèi)，所有船舶一律按各自靠右的航行原則沿規(guī)定的通航分道行駛，并盡可能遠(yuǎn)離分隔帶或分隔線(xiàn)。[1]

大型船舶因追越需要可以短時(shí)間占用分隔帶水域。大型船舶在經(jīng)過(guò)通航條件受到限制的水域前，或自身操縱能力受到限制時(shí)，應(yīng)向主管機(jī)關(guān)設(shè)置的船舶交通管理中心報(bào)告，在無(wú)礙他船行駛且采取必要的安全措施后，可以行駛在左側(cè)分道，但駛過(guò)后應(yīng)及時(shí)恢復(fù)到規(guī)定的右側(cè)分道內(nèi)行駛。大型船舶如果航速低于規(guī)定的通航分道最低航速，應(yīng)進(jìn)入推薦航路航行。小船(長(zhǎng)度不足80米)一般情況下必須按規(guī)定的推薦航路行駛，如果沒(méi)有推薦航路可走，應(yīng)走通航分道，但應(yīng)盡可能沿分道右邊緣行駛。

2.3　大型船舶的限速規(guī)定分析

在不危及他船或設(shè)施安全的情況下，船舶在通航分道內(nèi)正常航行時(shí)，最高航速28公里/小時(shí)；最低航速7.5公里/小時(shí)。

3　大型船舶操縱性能分析

大型船舶單位排水量所分?jǐn)偟闹鳈C(jī)功率要比其他船小得多，因而停船性能差，慣性沖力大。造成其制動(dòng)、控制船舶的能力遠(yuǎn)遜于普通萬(wàn)噸輪。其加速、減速、停船、倒船等需時(shí)較長(zhǎng)。大型船舶在常速中停車(chē)，降速到僅能維持舵效的速度時(shí)，停船距離約為船長(zhǎng)的23倍，大型船舶在常速航進(jìn)中倒車(chē)，停船距離約為船長(zhǎng)的12倍。

大型船舶船底富裕水深小，相當(dāng)于航行在淺水區(qū)，與深區(qū)相比，舵力下降得多、應(yīng)舵遲鈍、舵效差，尤其是低速航行時(shí)，很難維持舵效。由于慣性大，反應(yīng)遲鈍，所以轉(zhuǎn)向、避讓、把定時(shí)需早用舵，用大舵角，同時(shí)與普通萬(wàn)噸輪相比還需留有更大的回旋余地。

大型船舶由于長(zhǎng)寬比小、方型系數(shù)大(Cb>0.8)，因而航向穩(wěn)定性差。風(fēng)流作用面積大，風(fēng)流中的保向能力明顯下降，航跡略成S型軌跡，在會(huì)船時(shí)不易穩(wěn)住航向，因此必須與他船保持更大的距離。

大型船舶在受限水域中航行，容易出現(xiàn)的通航風(fēng)險(xiǎn)：(1)由于船底的富裕水深不足，出現(xiàn)的淺水效應(yīng)明顯，容易擦淺、擱淺；(2)大型船舶在沿岸航行時(shí)將會(huì)出現(xiàn)明顯的岸壁效應(yīng)，船頭易被推向江心、船身易向岸邊吸攏，造成航向和船位的失控；(3)大型船舶會(huì)引起的巨大的水動(dòng)力，從而給他船造成明顯的船間效應(yīng)；排斥、吸引他船，致使他船偏轉(zhuǎn)，從而造成碰撞。

4　南京以下長(zhǎng)江深水航道大型船舶防范擦底事故的操控舉措

以吃水10米的大型船舶為例，南京以下長(zhǎng)江長(zhǎng)江深水航道最小水深為12.5米，那么大型船舶的實(shí)際水深與吃水之比H/d為1.25，由于H/d<2的航段就屬于對(duì)船舶的自控能力造成明顯影響的淺區(qū)，因此本航段將對(duì)大型船舶造成明顯的淺水效應(yīng)。[2]

由于大型船舶的船底過(guò)水?dāng)嗝嫘?，引起船底相?duì)水流速度增大，水壓力降低船體下沉，更易擦淺。相對(duì)水深H/d越小、船速越大、方型系數(shù)越大，則下沉量越大。理論研究和實(shí)船試驗(yàn)表明，內(nèi)河航船吃水增量可用下列公式估算：

Δ　 (1)

然而，式1以L(fǎng)/B近似地代表船型，并忽略了水道寬度的影響，僅是個(gè)粗略公式，不能直接用于本航段。

南京以下航段船舶吃水增量公式的推導(dǎo)：參照美國(guó)《船舶操縱》文獻(xiàn)中的大型船舶Δd理論公式和南京長(zhǎng)江油運(yùn)公司Δd經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合南京以下長(zhǎng)江的多年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可得出Δd與Cb成線(xiàn)性關(guān)系的的結(jié)論，進(jìn)而設(shè)定南京以下長(zhǎng)江航船吃水增量公式：

Δd=kCbV2/200

(2)

系數(shù)k由H/d和B0/B(相對(duì)水道寬度)決定(V-公里/小時(shí)，Δd-米)。

表2　船舶吃水增量系數(shù)k表(以B0/B、H/d為引數(shù)查取)

例如：某船船寬B=40米、吃水d=10米、方型系數(shù)大Cb=0 .82、H/d=1.25、航經(jīng)水道寬度B0620米，B0/B=15.5，查表得k=1.8。

大型船舶若行駛船速V=20公里/小時(shí)，算出Δd=2.96米，由于富裕水深才2.5米，船底必將坐底；若行駛船速V=公10里/小時(shí)，算出Δd=0.74米，則船底不會(huì)坐底。

因此，大型船舶必須根據(jù)當(dāng)時(shí)的富裕水深，決定采取的最高船速。盡量慢速航行以減小下沉量。航行在淺水水域中，駕駛員要做到及時(shí)的調(diào)整吃水差，盡量做到平吃水。盡量占據(jù)較深水域，如暫時(shí)使用分隔帶。

5　南京以下長(zhǎng)江深水航道大型船舶防范失控事故的操控舉措

5.1　大型船舶的岸壁效應(yīng)定性分析

岸壁效應(yīng)是指船舶接近岸壁行駛時(shí)，岸推船首、岸吸船身，造成船舶偏向和偏位的現(xiàn)象。船距岸越近、船速越高、方型系數(shù)越大、相對(duì)水深越淺、相對(duì)水道寬度越窄，岸壁效應(yīng)就越明顯。在上述諸影響因素中，方型系數(shù)、相對(duì)水深和相對(duì)水道寬度屬于客觀因素，駕駛員無(wú)法改變，為預(yù)防岸壁效應(yīng)，在近岸航行時(shí)駕駛員所能做的只能是“保持岸距、慢速行駛”。

大型船舶沿岸航行時(shí)，由于方型系數(shù)大、相對(duì)水深淺、相對(duì)水道寬度窄的原因，將會(huì)受到明顯的岸壁效應(yīng)，一旦操縱失誤，很容易導(dǎo)致船舶失控。

5.2　大型船舶的岸壁效應(yīng)定量分析

所采集的煒倫1號(hào)(方型系數(shù)Cb0=0.71)在南京以下深水航道沿岸航行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表3。

表3　岸壁效應(yīng)明顯時(shí)的船岸距DCA與船速V關(guān)系表

經(jīng)數(shù)據(jù)擬合得出Cb0=0.71時(shí)的DCA與V關(guān)系的數(shù)學(xué)模型DCA≈1.8V1.5，進(jìn)而可推出任何船型的船舶明顯出現(xiàn)岸壁效應(yīng)時(shí)的船岸距公式DCA≈1.8mV1.5(m為方型系數(shù)調(diào)節(jié)值)：

m=Cb/Cb0

(3)

例如，煒倫10號(hào)(Cb=0.8)，則m=0.8/0.71，DCA≈1.8V1.5×0.8/0.71=2.0V1.5。然后根據(jù)本船的速度大小，確定應(yīng)保持的船岸距最小值，即確定離岸的船位。

分析表3可以得出如下結(jié)論：船速越大、方型系數(shù)越大，保持的岸距應(yīng)越大。大型船舶屬于方型系數(shù)大的船舶，為防岸壁效應(yīng)，應(yīng)控制好速度。

5.3　大型船舶沿岸航行時(shí)防范失控事故的操控舉措

壓舵是抵抗岸壁效應(yīng)進(jìn)行保向保位的最有效方式。貼近岸壁航行時(shí)，通常無(wú)法回避岸壁效應(yīng)，可采取壓舵保向的措施來(lái)彌補(bǔ)，向岸壁方向壓一適當(dāng)?shù)膬?nèi)舵，使F岸吸力與舵力在重心處的橫向反移力P3Y相等，使舵力矩MP與M岸推相等，從而實(shí)現(xiàn)“船頭不外偏、船身不內(nèi)吸、航跡平行于岸線(xiàn)”的目標(biāo)。實(shí)踐證明：當(dāng)船壓某一舵角正好能保向時(shí)，往往也是“舵力矩=岸推力矩”之時(shí)。

如果壓舵角δ壓>15°，說(shuō)明船岸距過(guò)小。所以航線(xiàn)岸距的最小值確定的依據(jù)為保向岸壁效應(yīng)的作用不致使δ壓>15°。

6　南京以下長(zhǎng)江深水航道大型船舶防范船間碰撞的操控舉措

6.1　大型船舶的船間效應(yīng)定性分析

船間效應(yīng)主要是指當(dāng)兩船間距較小時(shí)出現(xiàn)的吸引、排斥和轉(zhuǎn)頭現(xiàn)象。船間距DCC越小、船速V越大、船型越肥大、水域越淺窄，船間效應(yīng)就越明顯；兩船相持時(shí)間越長(zhǎng)、碰撞危險(xiǎn)持續(xù)的時(shí)間就越長(zhǎng)，因此兩船同向行駛的危險(xiǎn)度要大于對(duì)駛的危險(xiǎn)度；不同大小的兩船互相接近時(shí)小船所受影響大。在上述諸影響因素中，船舶大小及形狀、水道條件屬于客觀因素，駕駛員無(wú)法改變，為預(yù)防船間效應(yīng)，駕駛員所能做的是“保持船間距、慢速行駛、縮短持續(xù)時(shí)間”。

6.2　大型船舶的船間效應(yīng)定量分析

當(dāng)(船間距)DCC﹤L1+L2(兩船船長(zhǎng)之和)時(shí)船間效應(yīng)出現(xiàn)，當(dāng)DCC﹤1/2(L1+L2)時(shí)船間效應(yīng)明顯從而出現(xiàn)碰撞危險(xiǎn)。以長(zhǎng)度均為150 m的兩大型船舶會(huì)遇為例，如要完全避免船間效應(yīng)，那么船間距至少為300 m，在南京以下長(zhǎng)江深水航道總寬才500米，航道寬度達(dá)不到這一要求，因此兩大型船舶會(huì)遇只能做到避免顯著的船間效應(yīng)，即滿(mǎn)足DCC≥1/2(L1+L2)的條件，保持間距150米。[4]

根據(jù)船速確定最小船間距DCC：運(yùn)用控制變量法，當(dāng)影響船間效應(yīng)的其它因素一定時(shí)，分析DCC與船速V的關(guān)系。煒倫10號(hào)與菱洲輪相遇，出現(xiàn)顯著船間效應(yīng)時(shí)的船間距DCC與速度V的關(guān)系如表4。

表4　出現(xiàn)船間效應(yīng)時(shí)的船間距DCC與速度V的關(guān)系表

運(yùn)用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出DCC與V關(guān)系的數(shù)學(xué)模型：

DCC≈0.3V2+1.2V

(4)

從式4中可看出：DCC與V2近似地成正比。

根據(jù)方型系數(shù)確定最小船間距DCC：現(xiàn)給定船速15 km/h，其它條件同上,當(dāng)影響船間效應(yīng)的其它因素一定時(shí)，仍用控制變量法量化分析DCC與船型Cb的關(guān)系。實(shí)船試驗(yàn)得出如下數(shù)據(jù)：

表5　出現(xiàn)船間效應(yīng)時(shí)的船間距DCC與船型Cb關(guān)系表

經(jīng)數(shù)據(jù)擬合，得出DCC與Cb關(guān)系的數(shù)學(xué)模型：

DCC≈95Cb+25

(5)

從式5可看出：(1)在船速不變的前提下，Cb每增加0.1，DCC應(yīng)增加10 m，所以瘦長(zhǎng)型船應(yīng)比粗短型船保持更大的船間距；(2)DCC與Cb近似地成正比。[5]

6.3　大型船舶沿岸航行時(shí)防范船間碰撞的操控舉措

船間距至少保持平均船長(zhǎng)的1倍，采用最小速度7.5公里/小時(shí)，一旦出現(xiàn)船間效應(yīng)，立即主機(jī)突進(jìn)操舵抑制，抑制效果顯現(xiàn)后降下車(chē)速、回舵；盡量保持在較深水域會(huì)遇，必要時(shí)臨時(shí)占用分隔帶或左側(cè)分道，會(huì)船結(jié)束后盡快回到原航路上去。

7　結(jié)　語(yǔ)

雖然5萬(wàn)噸級(jí)的大型船舶現(xiàn)在可以全天候進(jìn)抵南京長(zhǎng)江大橋，但是由于大型船舶的船底富裕水深較小、方型系數(shù)較大，與普通萬(wàn)噸級(jí)船舶相比，將會(huì)表現(xiàn)出更為明顯的淺水效應(yīng)、岸壁效應(yīng)、船間效應(yīng)，面臨著更大的擦底、碰撞和失控的通航風(fēng)險(xiǎn)。本文基于對(duì)南京以下長(zhǎng)江深水航道的通航條件、大型船舶的操縱性能的分析，建立了防范通航風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型提出了化解通航風(fēng)險(xiǎn)的船舶操控技術(shù)手段，包括船速的控制、合適船間距的保持、合適船岸距的保持。

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4楊帆.船舶安全航數(shù)的定量模糊研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013.

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