淺水航行船舶下沉量分析與研究

蘇福亮

摘 要：如果船在淺水中航行，那么船底跟航道底部之間距離較小，水流的運動在水深的制約下，向船體流動的水速增加，導致船長方向的壓力也相應發生改變，船體的浮態也會發生一定的改變。當船航行的速度處于較低狀態時，船會下沉。當船舶從深水區航行到淺水區的時候，船舶的水阻力、船速和操縱性能等都會發生一定的改變。本文針對淺水區船舶的下沉量的影響因素進行了分析，對其測量原理進行了闡述，最后提出了淺水區安全操船的一些具體措施。

關鍵詞：淺水航行 船舶下沉量 研究

在我國境內，港口和內河航道存在一個問題：水深不足，所以船舶在航行的時候會常常引發淺水效應。當產生淺水效應時，船舶的安全操縱受到較大的影響。所以，本文針對船舶淺水航行的下沉量進行了分析和研究，可為船舶駕駛員的淺水區操縱船舶提供一定的參考價值。

1.船舶下沉量

當船舶處于淺水區并且速度也較高的情況下，船舶需要盡力規避船體下沉而導致的擱淺的情況發生。一旦船速降下來后，船的方向可能發生變化，水的壓力也會相應減小。為了實現船舶重力跟水浮力這兩者之間的平衡，船舶會發生整體垂直下沉的現象。與此同時，船體在水下的肥瘦程度存在差異性，這些情況都會使船舶縱傾發生一定的改變。對船舶下沉量產生影響的一些因素包括了以下幾個方面。①船舶的對地速度。通常而言，船舶的下沉量跟船的航速的平方是正比例關系，當船速增加時，船的下沉量也會增加。②方形系數。當方形系數增大，船舶的下沉量也會相應地增大。一般而言，油船的下沉量跟客船比較起來要大一些。③水深和船舶吃水比。一般情況下，如果水深跟吃水比之間的比值在[1.5，2.0]之間，那么，可以這么認為，下沉量對船舶的安全不會產生威脅。④航道地形。具體而言，主要也分為三種：開敞航道，受限航道和運河。⑤船舶會遇或超越。針對該影響因素對船舶下沉量的影響的文獻不多。在上個世紀八十年代之初，Dand針對船舶會遇和超越于下沉量的關系進行了研究，最后得出結論：會遇和超越過程中船首下沉量會增加一半或一倍。

2.船舶下沉量的測量原理

真實測量下沉量是確定船舶富余水深標準的非常重要的一個環節。對于船體下沉量的計算，當前主要有兩種方法：一種是理論計算法，該方法主要包括通過一維理論推出的方法以及根據細長體理論得到的方法，另外一種就是經驗計算法，該方法通過模型和實船的試驗結果分析總結得到。對于大型商船來講，船舶在船艏具有最大下沉量，所以，一般情況下，只需要知道船艏下沉量，就可以確定下沉量的實際數值。

船舶在航行的過程中，船艏會發生下沉的現象，因而其吃水量會有所增加，在這種情況下，船舶艏部至水面的垂直距離會縮短。船艏到水面的垂直距離會發生改變，通過測量這種距離的變化可求算得到不同船速狀態下的船舶下沉量。由于船艏下沉而引起的吃水增加量的變化是長時間的，同時，增量的變化速度是驚人的。因此，為了測量出真實的船舶下沉量數值，收集高動態的測量數據最為關鍵。船舶的航速和船舶的尺度是影響船舶下沉量的重要因素，其中比較關鍵的因素是船舶的航速。此外，另一個較為關鍵的因素是水深，下沉量隨著水深的變小而變大，這兩者成反比關系。通過研究船舶富余水深，我們發現，當水深跟吃水的比例為1.1：1.0的時候，該狀態是一種極限。原因在于，在船舶的形狀不發生改變的情況下，船舶開始下沉，通過測量船艏距離水面的減少量，可以得到船艏的下沉量。對船舶下沉量測定必須包括以下四個方面的物理量：①船艏到水面距離；②船舶航速；③船舶位置；④龍骨下水深高度。另外，船舶升沉和搖蕩產生的船舶吃水變化以及海浪對于測得的船舶下沉量數值有一定的影響。然而，對于港內航行的船舶來說，這些并非關鍵因素，其影響變化的隨機性較大，可借助數學平差方法來妥善解決。

3.船舶下沉量的計算方法

通常情況下，如果水深比吃水的七倍要小時，就會發生船體下沉；當水深逐漸減少，水深是吃水的2.5倍的時候，下沉現象會變得很明顯。在船型和吃水固定不變的情況下，下沉量跟航速的平方是正比例關系，船舶航速是影響船舶下沉量最為關鍵的因素。淺水可分為兩種區域，一種是敞開水域，另外一種是限制航道。在敞開水域，我們只需考慮水深，然而在限制航道中，分析水深影響的同時，航道寬度也是不可忽略的因素。船舶處于限制航道中，其下沉量會變得更大。致使該現象的原因的分析方法有很多，其中一個比較方便的方法是使用流體力學的運動轉換原理作分析。當船舶在水中行駛速度不變時，一定速度的水流過靜止的船體與其有著同樣的效果。這表明，船舶在水中前行就相當于船舶靜止時水流以與船舶運動相反方向的速度從船舶周圍流動。在船舶到達淺水區時，船體周圍區域的截面積會減小，流體流速相應增加，流體壓力也減小。進而導致船舶下沉，甚至發生船舶觸底的事故。詳細而言，可根據下列流體的連續性方程分析。

根據流體力學的伯努利方程：

在這個公式中，ρ為流體密度，P為靜壓力，υ為流體速度 h為水深，constant表示常數。根據式子中可得到式子（2）

根據相同的原理，當船舶在運河中航行時，除了可能導致船體下沉事故之外，船舶兩側水流還可能導致水流發生回流，從而形成一定的壓力差，導致岸吸現象的發生，更為嚴重的情況是，一旦船體偏離了原來的航道，就會使得船舶跟河堤發生碰撞事故。所以，為了避免這種事故的發生，我們要計算并分析船舶在不同航速和裝載狀態下的下沉量，并判斷船體是否會觸底，進而有效降低船體和螺旋槳發生損壞的幾率。另外，可以依據航道的特征，分析并計算船舶的安全行駛速度，這樣才能最大程度上保障船舶在航行過程中的安全。

4.淺水區安全操船的措施

4.1減小船舶行駛速度

當主機功率P固定不變且船舶航行于淺水區域時，隨著阻力的增加，船舶的航速也會隨之降低。如果要讓船舶維持原速度不變，那么就需要增加主機功率的大小。然而，在這種情況下，不僅會耗費更多的燃料，還會增加主機的磨損量，對于提升航速而言沒有實際價值。在這種情況下，如果可以降低航速就盡量降低，因為這樣不但可以節省燃料，還能使機器不受到損壞。除外，當船舶到達淺水區域時，吃水量增加，船速越高，吃水量的增幅越大。如果在這個適合降低船速，就能減小船舶碰擦河底的事故發生的幾率。

4.2對船舶進行測深

對船舶的富余水深進行測量，對于探測航路，保障船舶安全行駛的非常有必要的。具體測量方法就是：測量船舶航行于最深位置的富余水深。

4.3盡力提高舵效

船舶在淺水區行駛時，其舵效比較差，容易產生對航行不利的影響。因此，在對船舶進行操作時，就要注意以下事項：用舵要提前轉舵，及早回舵，使用的舵角應較大。

4.4備錨

備錨的作用是預防船舶在淺水區的失控、倒頭等危險局面。當舵效較低或者跑舵時，可通過備錨有效改善這種危險局面。

4.5保持船舶具有適當的尾縱傾

當運輸船處于航行狀態時，船舶的首部的吃水增加幅度是比較大的。所以，為了保障運輸船的行駛安全系數，就需要在船舶啟動之前就保持適當的尾縱傾。

5.結束語

當船舶在淺水區航行時，其情況非常復雜。在這種情況下，如駕駛員不能對淺水效應有充分的了解和及時處理緊急情況，那么船舶擱淺隨時可能發生。所以，要想降低船舶擱淺事故發生的概率，就特別需要加強船員多方面的技術培訓，只有提升了他們的技術素質并增強安全方面的意識，才能真正讓他們更加自覺地投入到船舶安全駕駛工作中去。