关于大型船舶在浅水中操纵性能的探讨
闫 伟
（上海港引航管理站，上海200082）
摘要：船舶在浅水中航行，会产生浅水效应，出现兴波增大、阻力增加、船速下降、船体下沉等现象，船舶操纵性能变差。为了减小浅水效应对船舶的影响，笔者指出实际操纵中应该注意的要点和相关的预防措施。
关键词：大型船舶 浅水效应 操纵性能
Discussion About manoeuvreability of big vessel in shallow water
YAN Wei
Shanghai Pilot Administration station,Shanghai,200082,China
Abstract:When the vessel sails in shallow water, the shallow effect will appear. For example, Wave and the insistance will increase, the ship body will go down, the speed will fall. In order to educe the shallow effect of the big vessel, it also puts forward some key points and precautions for the safety operation of the ship .
Key words: big vessel the shallow effect manoeuvreability
1.前言
在浅水中操纵船舶，是船长和引航员经常遇到的情况。从某种意义上来说，上海港引航员指挥操船的全部工作，几乎全部是在浅水域中完成的。下面介绍一起以浅水效应为主要诱因所引发的碰撞事故。
“A”轮船长295米，吃水10.8米，经上海港北槽深水航道进口准备至外高桥四期江面向左掉头顶流右舷靠码头。掉头时，风向：西北，风力：3－4级；水深与船舶吃水之比(H/d)约为1.15；与码头横距约0.7海里；约有1Kn的顺流。掉头时无拖轮协助，当艏向转过80°左右时，操纵者发觉转头速度明显变慢，于是加快车欲增加转头角速度，此时纵向速度也随之加快至7Kn，与码头呈较大夹角，眼看无法让清，急令全速倒车并抛锚已无法避免碰撞，最后船首楼碰上岸吊。
虽然这起碰撞事故的发生可能有多方面的因素综合导致的，但有一点可以肯定的，就是该船的操纵者对掉头过程中可能发生的浅水效应缺乏足够的认识和戒备，想仅仅依靠本船的车舵配合来完成船舶掉头操纵的指导思想是导致碰撞发生的根本原因。因此了解和研究船舶在浅水中所表现出的操纵性能方面的变化，对每一位船长或引航员来说都是至关重要的。
2.浅水域的界定
因船舶的吃水有大小之分，故是否属于浅水域应依水深与船舶吃水之比也叫相对水深(H/d)而定。此外，从浅水对船舶运动的影响来看，还应根据船舶的不同运动方式，来判断具有某H/D值的水域是否属于浅水域。
根据对船舶操作运动的实际影响，可按霍夫特（Hooft）的研究对浅水域作如下界定：
2.1按照对船体在前进运动中所受阻力影响来看，低速船情况下当H/d≤4。高速船情况下H/d≤10时，既可作为浅水域对待。
2.2按照对船体横向运动所受阻力的影响来看，当H/d≤2.5时作为浅水域对待。同时，该数值也可作为对船舶航行中的操纵性有影响的水深界限。
2.3对于船舶操纵性有明显的影响，并达到易发现程度的水深则应以H/d≤1.5来界定。
3.大型船舶浅水效应的具体表现
从船舶运动状态来看，由深水水域驶入较浅的水域时则出现如下现象：
3.1兴波发生变化
兴波阻力增大，极易造成浪損。浅水中大型船舶如果高速航行，所兴起的波浪既高又陡，具有很大的能量，对周围的船舶和建筑都会造成威胁，严重时能导致小船翻沉。另外，船舶还会出现首散波变小，水花声减小，尾波增大，船位及其两侧由于螺旋桨流作用致水混浊；船艉伴流增强，螺旋桨上下桨叶推力之差较深水明显，船体振动加剧。
3.2附加质量、附加惯矩增加
船舶在水中运动的同时，会带动周围部分的水一同运动。船舶前进运动、横移运动时，相当于在船舶本身质量上增加一部分质量，增加的质量称为附加质量；船舶作回转运动时，会比船舶本身转动惯矩相应增加一部分惯矩，增加的惯矩部分称为附加惯矩。在浅水域，附加质量和附加惯矩较深水中会又明显增加，而且相对水深H/d越小，增加越大，如图1、图2所示，当H/d≤1.5时，增加倍数将急剧增大，而且增加的倍数还与船体形状及航速和旋转角速度有关。
图1 浅水域中船舶附加质量
由于浅水中附加质量和附加惯矩的增加，船舶在浅水中就很难加速，要使加了速的船舶减速也很困难。同时，船舶在静止中使用同样的拖力的拖轮来转首时，在浅水中的转首运动要比深水中来得慢。
图2 浅水域中船舶的附加惯矩
3.3船速下降
船舶航行于浅水中，与深水相比，船体周围压力剧烈变化，出现船体下降，纵倾增大，兴波增强，向后的流速增加，使船体阻力增加；推进器盘面附近伴流，涡流的增加使推进器效率下降，因而使船速下降。
3.4船体下沉与纵倾
驶入浅水水域后，由于船底水下间隙变小，在空间三维运动的水变得只能平面流动，同时流速增大，这就造成了不但压力变化更为剧烈，而且船体中部的低压区将向船尾扩展，船体下沉增加，并伴随船舶纵倾发生变化。对于同一艘船舶，当速度保持不变时，船体的下沉量将于相对水深H/d成反比；即相对水深越浅，下沉量越大。
3.5操纵性能恶化
主要表现在：用舵后，开始旋回的时间延长，舵效变差，纵距增大；旋回直径增大（见图3），失速和漂角减小，旋回性下降；航向稳定性变好。对于某些大型油轮，在中等水深(H/d为1.6－2.6)时船舶会出现航向稳定性反而下降的特殊情况。
图3 旋回初径与相对水深的关系
4.浅水域中大型船舶操纵应注意的问题
4.1浅水域中航行时吃水差的调整
船舶航行时会出现船体下沉的现象，相对水深H/d越小，首尾下沉量越大。根据有关资料，浅水中航行，船速较低时船体就开始下沉，当傅汝德系数Fn<0.6时，首下沉量大于尾下沉量。大型船舶吃水大，进出港或过浅滩时受实际水深的制约，往往需要通过调节吃水差，尽可能保持平吃水，以满足最大装货量的需要。此时若将船舶调整为平吃水，处于无纵倾的状态，航行时将会出现首倾。
船舶是否具有适当的吃水差，不但对浅水域航行有实际意义，同时对船舶操纵有积极作用。在浅水域、狭窄航道和复杂航区航行时，船舶是否具有良好的航向稳定性和应舵性是首要的，旋回性次之。船舶如保持适当的尾倾，可获得较好的航向稳定性和应舵性，但若船舶产生了首倾，虽然提高了旋回性，却将航向稳定性变差。
4.2浅水域中应备车航行，灵活机动地调节本船航速
船舶备车后，主机输出功率通常为最大持续输出功率的50％～60％，同时便于操纵人员用车，实施船舶机动操纵，能够较好地适应浅水域中船舶云集、交通环境复杂多变的情况，也可避免出现主机过负荷运转的情况。主机较为老旧的船舶更是如此。
当相对水深H/d接近1.1，甚至更小时，称为极浅水域。驶往极浅水域的船舶，尤其是大吨位、长尺度的船舶，必须对本船在极浅水域中航行时出现的船体下沉和纵倾变化确实做到心中有数才行。适当的时候为了减少纵倾和下沉的增加量，采取减速措施是非常必要的，万不可一味为了赶潮水过浅滩而造成高速擦浅和触底，酿成搁浅事故。
4.3对浅水中船舶旋回性变差要有充分的认识
（1）浅水中旋回初径DT变大
大型船舶在浅水中，旋回阻尼力矩增大，而舵力转船力矩却减小，所以旋回初径DT增大，具体关系可参照图3，所以千万不能把深水中的本船旋回圈的大小等同于浅水中的旋回圈大小。在文章开始的案例中，“A”轮的旋回初径在深水中可能小于0.7nmile，但在相对水深H/d只有1.15的浅水中，旋回初径肯定远大于0.7海里。由于缺乏对旋回性变差缺乏足够的戒备，为事故的发生埋下重大隐患。
（2）采取大舵角旋回制动或蛇航制动效果变差。
船长或引航员应该注意到，由于船舶在浅水域中旋回性变差，制动降速的效果因漂角的减小而变差。所以，大型重载船舶在浅水域中上下引航员时应该及早减车控速，不能把希望过多地寄托在大舵角旋回制动减速上，从而避免不必要的紧迫局面的发生。
（3）加车增加舵效，减小旋回圈
为了尽量减少船舶掉头或旋回所需水域，许多船长和引航员往往采用加车旋回的操船方法。这就是在船舶掉头或旋回之前，首先尽量降低船速，而在操船掉头和旋回时，则尽可能采用较高的螺旋桨转速，利用增大滑失比以提高舵力的方法。如图5所示，图中曲线C为船在低速情况下加速的旋回轨迹，它说明了船舶在浅水中保持最低速度，在情况需要时加速启动，能够时旋回直径和纵距都大大减小。
图5浅水中某船不同变速的旋回性能比较
4.4注意浅水中的“跑舵”现象
船首自动向某一舷侧偏转的现象，称为“跑舵”。船舶在浅水边缘行驶，船首向两侧排水前进，在首部形成高压区，由于两侧的水深条件不同，排向外侧的深水一侧的水能自由扩散，但浅水一侧水面涌高，产生了一个附加压力，使两侧的反作用力不等，其作用点在重心之前，构成偏转力矩，推动船首向深水侧偏转。因此，浅水一侧水深越小，“跑舵”现象越明显。在实际操船使，当发现跑舵时，操舵者不应将舵压死，这将有利于船舶回到深水中，防止搁浅。
4.5浅水对冲程的影响
（1）停车冲程
浅水行船由于船体周围压力变化剧烈，造成船体下沉，纵倾增加，兴波增大，二维流速增加，从而增大了船体所受到的阻力。同时，由于推进效率降低，总的来看，会使船舶在浅水中的冲程有一定程度的减小，特别表现在刚停车后余速较高的一段时间内，浅水阻力增大得比较显著，对降低速度，减少冲程起重要作用；当降速至较低船速时，因为上述作用因素的减弱，减速情况趋缓，所以对减小冲程的作用也将减小。
表1 相对水深对停车冲程的减少
相对水深H/d 3.0 2.0 1.4 1.2
倒车冲程CSD（Km） 5.4 5.0 4.8 4.5
降低率（％） 100％ 7.4％ 11.1％ 16.7％
（2）紧急停车冲程
在紧急停车冲程方面（即紧急停车），应该说浅水的影响还是比较显著的。
根据某艘20万吨油轮的模拟资料，在不同的相对水深条件下，紧急停车冲程随水深变浅而减小的情况，如表1所示。该表列数据中，以H/d＝3的紧急停车冲程（C.S.D）为100％，而当H/d＝1.2时，则紧急停车冲程降至83％。而且该表列数据还说明，紧急停车冲程是随H/d的减少而减少的。
4.6浅水域中应重视自力操船的极限水深界限
从理论和实践相结合的角度来看待浅水域中的操船问题，通常将H/d≤1.1的相对水深称之为自力操船的极限水深界限。在此类水域中，船舶进行转向、横移等各种操作将面临十分困难的局面；对他船实施避让操纵，也觉得本船动作比较呆滞。越是大吨位的船舶，这种感觉越强烈。大型船舶考虑到极限水深条件下自力操船的困难以及由此带来的较多危险，应果断借助外力帮助自身操纵，如根据当时的环境与条件，综合运用车、舵、锚、缆、风、流及拖轮等外力，不要勉为其难，否则不仅会对本船造成威胁，而且可能会造成堵塞航道，出现更为严重的后果。国内的有些机构也认识到极限水深对船舶操纵的巨大威胁，也采取相应的保障措施。如上海港引航站规定，对进靠宝钢码头、罗泾码头的重载超大型散装船和吃水大于10.2的进出长江上游的船舶派拖轮全程护航。
5.结束语
在文章篇首所列举的案例中，由于操纵人员对船舶的操纵性能在浅水中的变化没有充分的戒备，在没有拖轮协助的情况下仅依靠车舵旋回。即使在紧迫危险出现后，依然只是想加车增加舵效缩小旋回圈，如果这时能够借用外力，开快倒车抛锚则有可能避免事故的发生，至少可以减轻事故的损失。在浅水中航行时，船舶的操纵性能会发生很大的变化，驾引人员应该对这方面的变化有着较为全面的了解，从而更加有效地发挥车、舵、锚、缆绳、和拖轮对船舶操纵的效用，确保船舶的安全。
[1] 龚雪根主编,陆志材主审. 船舶操纵. 人民交通出版社,2000
[2] 上海市航海学会，上海引航管理站.上海港引航实用手册[M].上海远东出版社，2003.138-144.
[3] 王逢辰，古文贤.船舶操纵与避碰[M].北京：人民交通出版社，1992.
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