受限水域安全航行要素分析
作者：王勇
摘要
近期，長賜輪蘇伊士運河擱淺事故成為了全球航運的一個焦點，在業(yè)界普遍關注長賜輪將要面對的一系列巨額索賠的同時，船舶在受限水域內的航行安全其實也是非常值得關注的一個問題。近年來，在全球各港口、河道、運河及海峽等受限水域發(fā)生的船舶擱淺、觸碰和碰撞案例屢見不鮮，這些案件往往帶來重大的經(jīng)濟損失和嚴重的社會影響。船舶在受限水域內航行，其操控性能下降，影響船舶航行穩(wěn)定性的外界因素增多，船舶周圍的安全物理空間減少，駕管人員的工作壓力增大，船員的疲勞程度增加，這些不利因素都極易導致航行事故的發(fā)生。隨著船舶的建造尺寸越來越大，速度越來越快，在受限水域的自然環(huán)境和通航環(huán)境不能輕易得以改善的情況下，船舶安全通行則是對駕管人員在船舶技術和管理上提出了更大挑戰(zhàn)。
1 受限水域 通常情況下，受限水域指由于船舶的尺度和吃水與可航行水域的寬度和水深的關系，致使其不能自由進行變向和變速等操作都受到嚴重限制的水域。諸如進出港航道、狹水道、港口附近的分道通航帶和錨地、狹窄的海峽、運河、江河、大橋下通航區(qū)以及養(yǎng)殖區(qū)附近水域都可能成為船舶自由航行的受限水域。 當1.5＜H/D＜3時，被視為中等水深區(qū)； 當1.2＜H/D＜1.5時，被視為淺水區(qū)； 當H/D＜1.2時，則被視為非常淺的區(qū)域。 2 船體下沉量增加 由于船舶運動和水流的影響，船體在水下的富裕水深減小的現(xiàn)象就是船體下沉。根據(jù)瑞士物理學家伯努利的定律，液體內部的靜水壓力、重力壓力和流動壓力應總體保持不變；流體的壓強與它的流速有關，流速越大，壓強越??；反之亦然。其簡單原理是，當船舶在行進當中，船頭推開的水將沿著船體兩側向后回流，來填充被船體排出的水的體積。在開闊的深水水域中，被船首推開的水量會向周圍水域無限傳遞開來，回填的水速度慢，水量相對少。但到了淺水或狹窄水域，船體周圍的水的流速增加了，壓力會降低，船體周圍的壓力差就導致了船體的下沉。同時受到淺水和航道狹窄岸壁阻擋作用力，船首和船體排開的水會快速回填至船體排開水的體積，回填的水流將產(chǎn)生能量，將帶動船體一起下沉。 3 船速下降 導致船速下降的主要原因是船舶的移動阻力增加、摩擦力增加以及興波阻力增大，當船舶在水里移動后，船會帶動周圍的水一起發(fā)生位移，簡單說就是船首一直推著一部分水，而船體上也一直會附帶著一部分水移動，這就相當于增加了船舶自身的重量。船舶開敞的深水區(qū)，一般船速較快，水比較清潔雜質少，而一旦船舶進入窄而淺的受限水域后，出于港口規(guī)則或者安全考慮，船舶會主動降速，船舶不僅如深水中推著一部分水帶動一部分水，同時船舶自身質量排開的水傳遞到較窄和淺的周圍后會迅速回返，使船舶首尾和左右兩舷的縱向和橫向附加質量增加。 主機相同轉數(shù)下的船速下降，導致船舶的滑失增加多消耗一些燃油，但是對于船舶的舵效影響不大，但隨著船速的下降，船舶受風和流的影響將增加，有可能被風流壓向危險的區(qū)域或者使船舶失控。 4 岸壁效應 在受限制水域中，船舶的動態(tài)將受到航行區(qū)域的橫向限制，如河岸和碼頭墻壁的影響。這些限制將會影響船舶周圍水的流場和壓力場，從而影響作用在船體上的水動力和力矩。如果一艘船沿著具有恒定、對稱橫截面的航道中軸線航行，船舶將只受到阻力作用，不會受到任何側向力或偏航力矩。然而，如果一艘船是在偏心的路線上移動，或者如果航行區(qū)域是不對稱的，那么在船體周圍的水流將會引起一個不對稱的壓力場，從而產(chǎn)生一個側向力和一個偏航力矩。 5 船吸現(xiàn)象 根據(jù)伯努利原理，流體的壓強與它的流速有關，流速越大，壓強越小。當兩艘船近距離并列行駛時，兩船間水流速度加快，壓力降低；同時兩船外舷的流速較慢，水壓力相對較高，船舶的左右兩舷形成壓力差，推動船舶互相靠攏。船吸現(xiàn)象在船舶的對遇、追越和交叉相遇中均會發(fā)生，航行的船舶近距離駛過靠泊船也會發(fā)生船吸現(xiàn)象。 6 操舵影響 船舶在受限水域航行，由于螺旋槳渦流和伴流的增強導致舵力的降低，且船底下富余水深越小，舵力下降得越大。在螺旋槳轉速保持不變的情況下，由于船速的降低而導致螺旋槳滑失增加，螺旋槳的排出流的速度增加，以及淺水域中舵的下緣距海底較近導致舵的整流作用得以加強等因素的影響，又使前述舵力降低得到了補償。總的來看，舵力下降不大。雖然舵力下降不大，但是船舶的旋回性有所下降，這說明船舶需要使用更大的舵角來實現(xiàn)變向，但是受限水域留給船舶的安全空間有限，使用大舵角變向需要船舶回舵更及時更敏銳。 7 疲勞和壓力 全球很多船舶必經(jīng)的受限水域往往是位置非常重要，距離非常長的河道和運河，諸如我國的長江、珠江和閩江，美國的密西西比河，南美的巴拉那河，歐洲的易北河，日本的瀨戶內海，蘇伊士運河和巴拿馬運河等，甚至有些港口的進港航道也要幾十甚至上百海里。船舶在這些河道或航道內航行，需要經(jīng)歷幾個航行班才能完成整個進出港航程。船員在此期間，需要不間斷地值班、瞭望、操車、操舵、備車、備錨等。由于航道有效水深和寬度的限制，留給駕駛人員操控船舶的安全余量不大，任何一個航行命令執(zhí)行不及時或不到位，船舶都可能隨即發(fā)生航行事故。船舶駕管人員操船責任重大，精神高度緊張，在接連幾個小時的高強度和高壓力的工作下，人員容易產(chǎn)生疲勞，進而導致體力下降，精力不集中，此時船員會出現(xiàn)指令錯誤，口令回復慢，應舵不及時，把定不迅速，艏向不穩(wěn)定，操反舵，誤操車鐘等現(xiàn)象，甚至導致船舶航行事故的發(fā)生。 8 總結建議 船舶在受限水域主要受到周圍水流和水量的變化對船舶的影響，致使船舶的阻力增大，船速降低；船體中部低壓區(qū)向船尾擴展產(chǎn)生船體下沉，并伴生縱傾變化；船尾伴流增強，螺旋槳上下槳葉推力之差較深水明顯，還將產(chǎn)生更為明顯的船體振動；船舶在淺水域內旋回阻矩增加，旋回性將變差，舵力有所下降；當船舶由于風流影響或操舵把定一旦沒有航行在航道中心線上，還將出現(xiàn)偏航和偏轉的岸壁效應，船首偏向航道中央，船體和尾部將被吸向岸壁。良好地理解上述影響船舶在受限水域安全航行的外界要素產(chǎn)生原理，能有效幫助船舶駕管人員做好船舶受限水域的航行計劃，有效地控制船位和船速，預留好富余水深，合理安排船舶值班人員，從而妥善執(zhí)行公司在受限水域航行安全管理要求，確保船舶在受限水域內的航行萬無一失。
