摘? 要：在受限水域中航行的船舶其操縱性除與船舶本身的船型、噸位、裝載狀態(tài)有關(guān)外，還同受限水域的水深、寬度及風(fēng)流等因素有著密切的關(guān)系，在船舶操縱實(shí)踐中船長較難運(yùn)用某一項(xiàng)船舶操縱理論來判斷船舶當(dāng)時(shí)所受到上述哪個(gè)因素的影響及其大小的。作者經(jīng)過多年的調(diào)查、研究、實(shí)踐、總結(jié)得出，船舶在受限水域中航行時(shí)，影響其操縱的各種內(nèi)外力作用的大小用受限水域船舶操縱臨界點(diǎn)評(píng)價(jià)參數(shù)（以下簡稱“臨界點(diǎn)評(píng)價(jià)參數(shù)”）來衡量，以便航海人員操縱船舶時(shí)可快速判斷是否即將處于或處于操縱困難狀態(tài)，能及時(shí)采取正確的措施減少或避免險(xiǎn)情和事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：受限水域;船舶操縱臨界點(diǎn);評(píng)價(jià)參數(shù);應(yīng)用

0 引 言

多年來，船舶在長江上海段水域航行期間一旦操縱困難或航向把定不牢時(shí)，船長的第一反應(yīng)往往是舵機(jī)失靈了（或故障了），其實(shí)除了有的船確實(shí)是舵機(jī)發(fā)生故障（本文不做研究）外，還有一些船是在受限水域中航行受到包括淺水效應(yīng)、側(cè)壁效應(yīng)、伴流、風(fēng)、流等多種外力的作用引起的，其大小還與船舶本身的特性包括舵的性能、阻力、主機(jī)功率和推力、螺旋槳致偏以及吃水差、縱傾和橫傾等因素有關(guān)，由于部分操縱者對(duì)上述的淺水效應(yīng)的反應(yīng)有些遲鈍，甚至壓根兒沒有這概念，因此，錯(cuò)失了挽回危險(xiǎn)局面的時(shí)機(jī)。筆者使用調(diào)查法對(duì)近幾年的案例（除舵機(jī)故障外）進(jìn)行分析研究得出用“臨界點(diǎn)評(píng)價(jià)參數(shù)”指標(biāo)來衡量船舶是否處于或即將處于難以駕馭的臨界狀態(tài)，可幫助船舶操縱人員正確認(rèn)識(shí)和快速評(píng)價(jià)船舶當(dāng)時(shí)是否受到淺水效應(yīng)的影響，可以使船舶提前化解風(fēng)險(xiǎn)，并且非常簡便實(shí)用。

1 定 義

（1）受限水域：受限水域是指相對(duì)不同吃水和船寬的船舶而言，水深相對(duì)較淺和航道寬度相對(duì)較窄的水域。

（2）受限水域操縱臨界點(diǎn)：在受限水域中，當(dāng)船舶的舵轉(zhuǎn)船總力矩（Mx）與船舶所受外界的總力矩（Mo）方向相反時(shí)，且Mx與Mo的絕對(duì)值差接近零的過程中，船上的舵即將失去控向能力，即出現(xiàn)船舶操縱臨界點(diǎn)。

（3）淺水效應(yīng)：由于水域的水深相對(duì)較淺而使船舶運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)發(fā)生的變化，稱之為淺水效應(yīng)。

（4）側(cè)壁效應(yīng)：由于水道的寬度相對(duì)較窄而使船舶運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)發(fā)生的變化，稱之為側(cè)壁效應(yīng)。

2 受限水域中船舶操縱性以及影響的主要因素

某一艘特定的船舶其操縱性除了與船舶本身的舵力有關(guān)外，還與風(fēng)、流、淺水效應(yīng)和側(cè)壁效應(yīng)等外力大小有關(guān)。一旦作用在船上外部的總力矩（Mo）大于或等于舵轉(zhuǎn)船總力矩（Mx）時(shí)，船舶就很難駕馭，反之，船舶操縱性尚可。

2.1 受限水域中影響船舶操縱的外力

作用在船體上的外力矩（Mo）等于風(fēng)動(dòng)壓力轉(zhuǎn)船力矩（Ma）、流壓力轉(zhuǎn)船力矩（Mω）、淺水效應(yīng)的合力距（MQ）、側(cè)壁效應(yīng)的合力距（MC）、船舶所受到的其他外力矩（MB）之和（見圖1）。

Mo=∑（ Ma+Mω+MQ+MC+MB）

式中：

Mo船舶所受外界的總力矩（N·m）;

Ma 風(fēng)動(dòng)壓力轉(zhuǎn)船力矩（N·m）;

Mω 流壓力轉(zhuǎn)船力矩（N·m）;

MQ淺水效應(yīng)的合力矩（N·m）;

MC側(cè)壁效應(yīng)的合力矩（N·m）;

MB船舶所受到的其他外力矩（N·m）;

2.1.1 船舶受風(fēng)的影響

船舶航行時(shí)，其水上部分所受的空氣動(dòng)壓力大小可用下列兩式計(jì)算：

Fa—水線以上船體所受的風(fēng)動(dòng)壓力（N）;

Ma--風(fēng)動(dòng)壓力轉(zhuǎn)船力矩（N·m）

ρa(bǔ)—空氣密度（1.226kg/m3）;

Ca—風(fēng)動(dòng)壓力系數(shù);

Va—相對(duì)風(fēng)速（m/s）;

θ—風(fēng)舷角（°）;

Aa—水線以上船體正面投影面積（m2）;

Ba—水線以上船體側(cè)面投影面積（m2）;

其中Cma為風(fēng)動(dòng)壓力轉(zhuǎn)船力矩系數(shù)，Cma=Ca·sinα （lG-a），其中l(wèi)G為重心至船艏的距離，一般近似為L/2。Cma值的大小也隨船舶種類、載況和船舶受風(fēng)面積的大小與分布情況以及風(fēng)舷角的變化而定。

2.1.2 船舶受流的影響

流對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)的影響大小可用下列兩式計(jì)算：

式中：

Fω—流壓力（N）;

Mω—流壓力矩（N·m）;

ρω—水的密度（海水取1 025kg/m3，淡水取1 000kg/m3）;

Vω—相對(duì)流速（m/s）;

L—船舶兩柱間長（m）;

d—船舶吃水（m）;

Cω—流壓系數(shù);

Cmω—流壓力矩系數(shù)。

2.1.3 船舶受淺水效應(yīng)的影響

淺水效應(yīng)通常用水深與船舶吃水之比H/d表示，該數(shù)值越小淺水效應(yīng)越明顯。

船舶受淺水效應(yīng)的影響，主要表現(xiàn)為：（1）附加質(zhì)量附加慣矩增加;（2）興波發(fā)生變化;（3）船體下沉增加和縱傾變化;（4）船速下降等，影響的程度取決于船型、船長、船寬、船速、水深、吃水等有關(guān)。

2.1.4 船舶受側(cè)壁效應(yīng)影響

受側(cè)壁效應(yīng)的影響船舶出現(xiàn)整體吸向岸壁、船艏轉(zhuǎn)向中央航道的現(xiàn)象，即岸推和岸吸現(xiàn)象，影響的程度是：水道寬度越窄，航速越高、船型越肥大、水深越淺岸壁效應(yīng)越明顯。

2.2 受限水域中舵力及影響舵力的主要因素

舵是船舶操縱的重要設(shè)備之一，是船舶控制方向的重要手段。舵的作用是操某一舵角后利用水流對(duì)舵的作用力使船舶保持或改變航向或進(jìn)行旋回。因此，舵轉(zhuǎn)船總力矩（Mx）是特定舵的力矩（Mp）與影響舵效的其他合力矩（My）之和，見圖1。

Mx=∑（ Mp+My）

式中：

Mx舵轉(zhuǎn)船總力矩（N·m）;

Mp 特定舵的力矩（N·m）;

My影響舵效的其他合力矩（N·m）;

2.2.1 舵的性能

舵力的大小及其作用中心位置，受舵的面積、外形、尺度比、剖面形狀有關(guān)，這些在船舶設(shè)計(jì)和建造中就已經(jīng)固定了，其實(shí)對(duì)特定船舶來說是一個(gè)常數(shù)，作為船長無法將其改變的。

舵力的大小，常采用Beaufoy公式：

式中：

PN—敞水試驗(yàn)中，平板舵正壓力（N）;

AR—舵葉浸水面積（m3）;

VR—舵與水相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度（m/s）;

δ—舵角或水對(duì)舵的沖角（°）;

g—重力加速度（m/s2）。

2.2.2 影響舵力的主要因素

影響舵力的主要因素包括船艉受伴流、滑失比及排出流的影響，日本的岡田、藤井等人給出了實(shí)驗(yàn)表達(dá)式：

式中：VS—船速（m/s）;

ω—伴流系數(shù)，為伴流速度和船速之比，一般取0.4。

λ—舵的縱橫比;

Sr—滑失比;

ρω—水的密度;

PN—舵的正壓力（9.8N）;

影響舵力的大小還與主機(jī)的推力、舵角、船前進(jìn)速度、伴流、螺旋槳排出流、船舶失速、阻力、單螺旋槳橫向力等有關(guān)。

小結(jié)：（1）當(dāng)（Mx- Mo）遠(yuǎn)大于零時(shí)，船舶受上述各種因素影響后船舶仍處于可控狀態(tài);（2）當(dāng)（Mx- Mo）接近零或時(shí)而大于零或時(shí)而小于零狀態(tài)，船舶受上述各種因素影響后屬船舶操縱臨界點(diǎn)狀態(tài);（3）當(dāng)（Mx- Mo）小于零時(shí)，船舶受各種影響后處于難以駕馭的狀態(tài)，甚至是失控狀態(tài)。

3 受限水域船舶操縱臨界點(diǎn)評(píng)價(jià)參數(shù)研究

船舶在受限水域中航行其操縱性大多情況下是可控的，不至于出現(xiàn)無法駕馭的情況，但也有些船舶出現(xiàn)“跑舵”后的確就很難把定，船長甚至?xí)f“做了N年船長從未遇到過這種現(xiàn)象”，便懷疑舵機(jī)出問題了，那么如何判斷其當(dāng)時(shí)的操縱性呢？通過對(duì)幾十艘次船舶相關(guān)案例的研究得出，船舶受上述各種因素影響后（Mx- Mo）值接近零或時(shí)而大于零或時(shí)而小于零狀態(tài)，此時(shí)船舶正處于操縱臨界點(diǎn)狀態(tài)，本文將出現(xiàn)這種狀態(tài)時(shí)的船速、舵角、主機(jī)使用等經(jīng)驗(yàn)值轉(zhuǎn)化為衡量指標(biāo)即受限水域船舶操縱臨界點(diǎn)評(píng)價(jià)參數(shù)，幫助船舶操縱人員正確認(rèn)識(shí)到船舶是否受到淺水效應(yīng)的影響，判斷出船舶操縱性可控與否，以便能及時(shí)采取措施化解風(fēng)險(xiǎn)或避免事故的發(fā)生。以下是對(duì)幾十起類似案例研究中最典型的兩起案例：

實(shí)例1：2014年2月27日，散貨船“XX6”輪（船長189.99 m、船寬32.26 m、吃水12.69 m/12.85 m、總噸32 965、裝載煤炭55 000 t）約0530時(shí)過XX航道D3燈浮進(jìn)口航行，船舶微速前進(jìn)，船長感到舵效很差，0536時(shí)加車航速加至8 kn左右，仍很難把定航向，因此放棄追越前船的意圖，約0750時(shí)，前進(jìn)二，航速7 kn左右，在D22燈浮下游出口航道邊線擱淺。

0536-0750時(shí)，船舶以7 kn左右速度呈蛇形前進(jìn)，船長不斷使用滿舵或大舵角無法把定航向，這時(shí)作用在船上的（Mx- Mo）值接近零或小于零（已到了臨界點(diǎn)），最終使用滿舵也壓不住船艏的偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致沖出航道擱淺。

實(shí)例2 ：2008年5月26日0445時(shí)，散貨船“XX11” 輪（船長185.0 m、船寬32.0 m、吃水9.43 m/9.84 m吃水、總噸26 358、載重噸38 271 t、裝煤35 126 t、上海外高橋電廠碼頭卸貨）0352時(shí)過圓圓沙燈船進(jìn)口，0410時(shí)減車為前進(jìn)二，速度降至6 kn，0414時(shí)因舵效差加車至前進(jìn)三、以增加舵效，0423時(shí)車保持前進(jìn)三、航速8 kn，滿舵才能扼制船艏偏轉(zhuǎn)，0436時(shí)航速8 kn左右、左滿舵，擬穿越航道去靠碼頭，0441時(shí)航速8 kn左右、車改前進(jìn)二、航向258°，接著下令右滿舵、停車、后退二、距碼頭約600 m，0442時(shí)航速7.2 kn，船艏繼續(xù)左轉(zhuǎn)，后退三，0443時(shí)航向252°，航速6 kn，距碼頭約300 m，0445時(shí)左右碰撞碼頭。

0414-0441時(shí)，因航速低（6 kn左右）舵效差，采取加車以增加舵效航速8 kn，滿舵才能扼制船艏偏轉(zhuǎn)，這段時(shí)間作用在船上的（Mx- Mo）值趨于零（已到了臨界點(diǎn)）。

0441-0443時(shí)，航速從8 kn減至6 kn減速過程中，右滿舵仍無法克服船艏向左轉(zhuǎn)的趨勢，這時(shí)作用在船上的（Mx- Mo）值小于零，當(dāng)時(shí)影響操縱的所有外力中，伴流明顯增大、排出流明顯減小、而作用在船體上的風(fēng)流壓角也在改變，其外力的影響顯著增強(qiáng)，此時(shí)舵的轉(zhuǎn)船力矩明顯減小，幾乎無舵效。

通過以上典型案例的歸納分析可以看出，受限水域中船舶操縱性以及影響的主要因素：當(dāng)船舶的舵轉(zhuǎn)船總力矩（Mx）與船舶所受外界的總力矩（Mo）方向相反時(shí)，且Mx與Mo的絕對(duì)值差接近零的過程中，船上的舵即將失去控向能力，即達(dá)到船舶操縱臨界點(diǎn)。受限水域中船舶操縱臨界點(diǎn)評(píng)價(jià)參數(shù)見表1。

4 受限水域中船舶操縱臨界點(diǎn)參數(shù)的驗(yàn)證和應(yīng)用

2020年2月25日，散貨船“XX212”輪（船長163.3 m、船寬25.6 m、吃水10.4 m/10.8 m、總噸17 167、載重噸27 279 t、裝載黃沙27 000 t），約2030時(shí)左右過XX航道3號(hào)燈浮進(jìn)口、前進(jìn)二、航速8 kn左右，舵角20°以上航向才能把定，船長感覺到操縱比平時(shí)困難（已到了臨界點(diǎn)），2126時(shí)減速、前進(jìn)一，航速8.7 kn，船長感覺舵效特差左滿舵也壓不住船艏偏轉(zhuǎn)，2128時(shí)航速8 kn、加車已無法克服船艏的偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致碰撞長江口北槽深水航道9號(hào)燈浮。

本案例中“XX212”輪2030時(shí)左右參數(shù)1、參數(shù)2、參數(shù)4的特征反映出船舶已出現(xiàn)船舶操縱臨界點(diǎn)，2126時(shí)出現(xiàn)參數(shù)3的特征。如果“XX212”輪船長已經(jīng)掌握了“受限水域中船舶操縱性評(píng)價(jià)參數(shù)”，并且能正確合理的應(yīng)用到船舶操縱實(shí)踐中去，也就是在2030時(shí)左右船長采取以下措施，則可以避免事故的發(fā)生。

（1）迅速派人準(zhǔn)備拋錨;

（2）如果水域足夠，可先掉頭駛離該水域;

（3）如果水域不允許掉頭的話，也可選擇相對(duì)合適的水域拋錨;

（4）聯(lián)系附近的拖輪協(xié)助繼續(xù)前行;

（5）選擇通航條件較好時(shí)機(jī)再駛?cè)?，如選擇緩流、風(fēng)小、富余水深再大一些的時(shí)機(jī)進(jìn)入。

5 總 結(jié)

航行在受限水域中的船舶應(yīng)用好“受限水域中船舶操縱臨界點(diǎn)評(píng)價(jià)參數(shù)”，有助于船長果斷作出調(diào)整航行計(jì)劃，采取合理措施，以避免險(xiǎn)情或事故的發(fā)生。受限水域中船舶操縱課題是一項(xiàng)復(fù)雜且長期的過程，其實(shí)踐性很強(qiáng)，衷心希望廣大的航海人員和研究人員在實(shí)踐中進(jìn)一步論證和探討，由于研究資料有限，不妥之處敬請指正。

參考文獻(xiàn)

[1] 周東平.船舶操縱[M].北京：人民交通出版社，1996.8.

作者簡介：

錢衛(wèi)忠，無限航區(qū)一等船長，從事通航管理研究，（E-mail）captain_qian@shmsa.gov.cn，15316565607