船體下沉量與船舶航行安全

朱建和+王峰

摘要：為了保障船舶航行安全，防止船舶擱淺，對船舶下沉量的有關理論，船舶在淺水中的下沉量、吃水及縱傾變化進行了研究。

關鍵詞：淺水效應；船體下沉量；船舶縱傾變化

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）27-0097-02

一、引言

隨著世界造船工藝的不斷進步及船東追求效益的最大化，船舶噸位不斷增大，船舶吃水也不斷地增加。近年來，大型船舶在港口淺水區域擱淺和觸底等海上事故時有發生，其中一個重要的原因就是對大型船舶在淺水區域航行時的下沉量（squat）估計不準，不能事先準確地確定適合安全航行的富余水深（under keel of clearance），造成了海上事故。本文通過在淺水水域中航行船舶的船體下沉量的有關理論，以及船舶在淺水水域中首尾吃水及縱向傾斜量的變化進行研究，旨在保障船舶航行安全，防止船舶擱淺。

二、淺水效應現象

1.淺水區的概念。根據實際操船經驗，船舶出現淺水效應的水域跟船舶的幾何尺度、船舶速度大小、船舶方形系數、船舶所經航行區域水深等幾個因素存在著直接的關系。以上幾個因素對船舶的影響不是單一的，通常是幾個因素的同時作用而導致船舶的淺水效應十分明顯；吃水較小的船舶，在水深較淺區域航速較低時并不一定出現淺水效應；吃水較大船舶在較深水域以較高船速航行時，卻有可能出現淺水效應。我們通常所指的淺水區域是指水域水深與船舶吃水之比小于1.5倍時，在該比值范圍內，淺水效應現象明顯，船舶吃水增加，船速下降，負荷增加，可能造成船殼觸底擱淺，造成事故。

2.船舶產生淺水效應的形成原因。淺水中的船舶，其周圍的水體與船體的相對運動與深水水域有很大的不同。深水水域航行時，無論船首還是船尾部分水的流動具有在三維空間內流動的特點，船首處水流既有斜向向后，又有明顯向下的特點，船尾處水流既有斜向向后，又有明顯向上的特點；但是當船舶航經淺水域時，由于船舶首尾部分水的流動因空間受限，水流的流態發生明顯的變化，從原來的三維空間內流動變為向兩側或由由兩側同時向內的二維平面式流動，使在淺水區域船體外部水壓力的大小和分布情況發生較大變化，導致淺水效應的發生。

三、船體下沉原因及其影響因素

1.船體產生下沉現象的原因。當船舶在靜水中漂浮時，船舶所受浮力與重力相等，受力平衡，船舶以某一固定吃水漂浮在水面上；當船舶向前運動時，被船舶推開的水流一部分沿著船舶左右舷的舷側流動，另外一部分水流沿著船舶底殼流動，水的流動會引起船殼水下壓力下降，導致產生船體下沉現象。船舶在淺水區域航行時，由于淺水效應，船體下沉更為明顯。

2.引起船體下沉及縱傾變化的影響因素。前進中的船舶，其周圍水的壓力變化及水位高低沿船長分布情況與船舶形狀密切相關，此外還與相對水深（該水域水深與船舶吃水比）、受限水域的范圍、船舶速度等因素有關，如果船型越肥大，船速越高，相對水深越小，船體周圍水的壓力變化越劇烈，船體在波動的水中，要取得重力與浮力的平衡，會比船舶在靜水中產生更大的船體下沉。又因為首尾船殼的形狀不同，產生的首尾下沉量不一致，于是就導致產生了船舶縱向吃水的變化。

3.淺水水域中船體下沉量的估算。船舶在受限水域的淺水區航行，具有獨特的航行規律及特點，在常見的航海事故中，因對船體下沉量及船舶縱傾的估計不足導致船舶觸底或擱淺等海損事故比較常見。如“APL Vanda”號集裝箱船離開勒阿弗爾，駛往南安普頓港途中，由于船舶動力不足，船長對船舶的下沉量估計不足和船舶富裕水深計算失誤等原因導致“APL Vanda”輪在West Bramble Bank遭遇擱淺，最終該船在8艘拖船的努力之下被轉移到深水區域。

航行在淺水水域的船舶，較為準確地估算船體下沉量是保證船舶航行安全的重要技術問題。對于估計方法有以下四種：第一種是基于流體力學理論，結合具體船舶的操作操縱性能，利用計算機采用一定的計算方法進行模擬研究，探尋其規律；第二種是針對某一具體經典船型（如30萬噸VLCC），開展船模實驗，以船模試驗結果為基礎，根據船舶操縱性的理論，對船舶下沉量進行分析和研究；第三種則是借助現有的實船，在實船船首或船尾安裝雷達液位傳感器、DGPS等先進的檢測儀器，實際檢測船舶在不同水域，不同航行狀況下的船舶下沉量，該方法可以得到比較具體的數據；第四種是綜合利用現有的理論研究方法和實驗研究成果，給出一些經驗計算公式。

（1）船體下沉量的經驗公式：①一般當船舶船速為10kn及以下時，船舶下沉量=10%吃水，該方法適宜于船舶速度較低時的大概估算，并不適用于所有船舶。②在一定的速度范圍內，船體下沉量與船速呈現一定的線性關系，船舶每1kn前進速度船體下沉0.06m，船舶在10KN左右速度時，船體下沉約為0.6米。③由于船舶下沉量影響因素中，船速的影響最大，可以用以下公式估算船舶下沉量，下沉量=V2/100（式中V的單位是kn，此公式說明下沉量與船速平方成正比，但并沒有考慮到船型、水深等問題）。

（2）船體下沉量的估算公式，利用經驗公式對船舶下沉量的估算可能誤差較大，相比較而言，利用船舶下沉量的估算公式，同時考慮了船舶的船長、船寬、船舶吃水、船舶排水量、航道水深、船舶航速、船舶方形系數、船舶縱向吃水差、水深傅汝德系數等因素，進行定量的數值計算更具科學性和實用性。幾種常見的船體下沉量估算公式：

四、船體下沉量與船舶航行安全

1.船體下沉量對船舶航行安全的影響。船舶在淺水水域航行時會造成船體下沉和縱向傾斜增大，船速下降、舵效變差、旋回性變差等現象。船舶在淺水水域航行時，對船體下沉量數值考慮不足則可能造成船舶觸礁、觸底、擱淺事故，船舶在淺水區的操縱性能變差則可能造成船舶失控或者船舶之間的碰撞等海損事故，對船舶的航行安全產生極大地影響。

2.如何克服船體下沉對船舶安全造成的影響。通過分析，船體下沉量與受限水域的寬度、船舶對水速度、船體形狀、水深及舷外水的密度等有著密切的關系，其中船舶的方形系數和船速是影響船體下沉的最主要兩個因素，通常船舶水域條件，船舶方形系數因素是不能變化的，只有船舶的裝載狀況，船舶靜態吃水在裝貨前是可以調整的，航行中船速是可變的。所以裝貨前，考慮所經航行區域的淺水情況，保持船舶合適的吃水及縱傾，通過淺水區域時控制好船速，是保證船舶順利通過淺水水域時安全航行的關鍵。

參考文獻：

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[2]戴冉，等.船舶下沉量實測研究[J].交通運輸工程學報，2002，（02）.

Abstract：In order to ensure ship navigation safety，to prevent the ship ran aground，relevant theories on the sink of ship，the sink of ship in shallow water，the draft and trim changes were studied.

Key words：shallow water effect；the sink of the hull；trim changes