受限水域船舶安全航行要素分析
——以“長賜輪”擱淺事件為例

王 勇

一、引言

近年來，隨著船舶建造尺寸越來越大，在全球各港口、河道、運河及海峽等受限水域發生的船舶擱淺、觸碰和碰撞事故屢見不鮮，這些事故往往帶來巨大的經濟損失和社會影響。2021年3月23日，超大型集裝箱船“長賜”（Ever Given）輪于蘇伊士運河北向航道擱淺并造成運河雙向通航嚴重受阻。隨后，在運河管理局、船東和保賠機構等各方的努力救助下，Ever Given輪于擱淺6日后得以脫淺，至此蘇伊士運河慢慢恢復通航。擱淺事故不僅給運河的正常經營帶來損失，還導致其他計劃通行運河的船舶延誤，一時間關于事故發生的原因和后續船舶將要面臨的巨額索賠成為全球關注的焦點。從目前運河管理局披露的信息分析，此次擱淺事故與外界環境對船舶操縱的影響關系密切。

二、受限水域的定義

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，或變向和變速操作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，錨地、狹窄的海峽、運河、江河、大橋下通航區以及養殖區附近水域都可能成為船舶航行的受限水域。

除了上述從船舶操縱的角度對受限水域給予的一些基本的解釋外，業內也有一些量化的參考標準。1992年，世界水上運輸基礎設施協會（PIANC）針對船舶的操縱性能，結合水深H和吃水D的比值，對相對水深提出一個劃定標準：當H/D≥3時，被視為深水區；當1.5≤H/D＜3時，被視為中等水深區；當1.2≤H/D＜1.5時，被視為淺水區；當H/D＜1.2時，則被視為非常淺的區域。

另外，根據荷蘭學者Hooft. J.P.更早對船體前進時受到阻力的影響來劃分，低速船當H/D≤4，高速船當H/D≤10時，即可作淺水域對待。以水流對船體橫向運動的影響來區分，當H/D≤2.5時可作淺水域對待。同時，一般將2.5作為吃水比對船舶前進中的操縱性有影響的界限。當H/D≤1.5時，則是對船舶操縱性有較明顯影響并能夠被駕駛人員發現和感知的水深。

航道寬度對船舶的變向和旋回的影響是最大的，考慮到船舶觸碰和岸壁效應，通常以航道的有效寬度W與船長L的比值來判斷。當W/L≤2時，應視為狹窄水域，則岸壁效應可能會出現；當W/L≤1時，受限水域對船舶的操縱性影響明顯，駕駛人員能夠發現和感知這種影響。這里所說的航道有效寬度往往是指航道內的最小寬度，一般是在航道的底部，而不是平時駕駛員視力可見的水面上的寬度。蘇伊士運河就屬于典型上寬下窄梯形受限水域，Ever Given輪擱淺處水面寬度為291 m，但船體龍骨位置對應的水下寬度只有200 m，河底的寬度僅為130 m，而Ever Given輪的船長約為400 m，W/L比值遠遠小于1。因此，這種梯形橫斷面的航道設計顯然增加了岸壁效應對船舶操縱的影響。

三、受限水域船體下沉量增加

受船舶運動和水流影響，船體在水下的富余水深減小的現象就是船體下沉。根據伯努利原理，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；流體的壓強與其流速有關，流速越大，壓強越小；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，壓力會降低，船體周圍的壓力差導致船體下沉，如圖1所示。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，回填的水流將產生能量，帶動船體一起下沉。

圖1 淺水區對船體下沉的影響

船體下沉可能是前后平行下沉，還可能出現局部下沉的首傾或尾傾現象。實踐證明，船舶平吃水時，當方形系數等于0.7時，船體基本是平行下沉；當方形系數大于0.7時，船舶首傾下沉；當方形系數小于0.7時，船舶尾傾下沉。如果船舶在原始狀態就存在吃水差，則一般情況下船體下沉態勢將保持原來的首傾或尾傾。船體下沉量（S）和船舶的方形系數（CB）和船速（V）有關，船體下沉量可按簡易公式計算：S=CB·V2/100（寬敞水域）或S=CB·V2/50（狹窄水域）。隨著船舶尺寸越來越大，速度越來越快，船舶的最大吃水越來越接近于港口航道的通航水深，船體下沉也愈發受到航運公司和船舶的關注。船舶在受限水域的下沉將直接影響到富余水深，并可能導致船舶擦底或擱淺事故的發生。

Ever Given輪擱淺事故發生時，船舶吃水為15.7 m，基本上達到夏季滿載水線，該吃水對應的方形系數約為0.7，擱淺前航速達到13.5 kn，因此，我們可以大致估算出Ever Given輪在擱淺前的船體下沉量一度達到2.5 m。當時航段的水深約為25 m，增加的船體下沉量雖然不會直接導致滿載的Ever Given輪擦底或擱淺，但浸入水下的船舶體積增大，船舶阻力增加，岸壁效應會因此增強，如圖1所示。

四、受限水域內船速下降

導致船速下降的主要原因是船舶的移動阻力增大、摩擦力增大以及興波阻力增大。船舶在水中移動時，船體會帶動周圍的水一起發生位移，簡單說就是船首一直推著一部分水移動，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。船舶在開敞的深水區時，一般船速較快，水比較清潔雜質少。進入窄而淺的受限水域后，出于港口規則或者安全考慮，船舶通常會主動降速，同時排開的水傳遞到周圍后會迅速回返，使船舶首尾和左右兩舷的附加質量增加。同時，在相同的主機轉速下，由于船體周圍空間受限，在受限水域船體附近水的流速會增加，水底或岸邊的泥沙被帶起，會增加船體的摩擦力。另外，船舶在受限水域船體會下沉，型排水體積增加。 以Ever Given輪為例，在擱淺的當時船體下沉量為2.5 m，其夏季滿載吃水對應的TPC（每厘米吃水噸數）約為212.9 t。因此，我們可近似計算出該輪的排水體積增量為5萬多立方米，毫無疑問這將增加船舶在水下的摩擦力和附加阻力。而且越是方形系數大的船舶，船體在受限水域增加的附加質量和摩擦力越大，船速下降得就越多。

船舶在水中航行時，由于船體掀起波浪，產生與船舶前進方向相反的阻力，這就是興波阻力。船舶在進入窄淺水區后，興波阻力將增加，這也會導致船速下降。

主機轉數不變，船速下降，船舶滑失率增加，油耗也隨之增加，但是對于船舶的舵效影響不大。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域或者使船舶失控。

五、岸壁效應的產生

在受限水域中，船舶的動態將受到航行區域的橫向限制，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，從而產生一個側向力和一個偏航力矩。

一般情況下，相對于遠岸的一側，船舶周圍的水流速度在近岸的一側會加快，水壓會降低，水面有所下降，由此產生的力量將船體推向近岸側，尤其以在船中后部明顯，這種現象常被稱為岸吸。同時船首在前進過程中推開的水在近岸側回返較快，將與推開的水量疊加產生超壓并形成轉船力矩，推著船首遠離近岸向航道中心轉向。當然，如前所述，航道內相對狹窄的岸壁也會增加船的阻力和船體下沉量。Ever Given輪擱淺航次近乎滿載進入運河，其船體受風面積可達2萬多平方米，當時受到7級偏西風及9級陣風的影響，風壓推動船舶偏離運河中心線，船體有向運河北岸偏移的趨勢。據此可以推測船體兩側產生不對稱水壓場，岸壁效應開始顯現并逐漸明顯。后續的船舶AIS軌跡分析也與岸壁效應影響效果相符。

根據國際船模拖曳水池會議（ITTC）的試驗結果，船舶與岸壁之間的距離越小其岸壁效應越明顯，雖然理論上存在一個臨界值，但對船舶實操而言是沒有意義的；岸壁效應與船速的平方成正比，船速越大，岸壁效應越明顯；船舶富余水深的減小將會導致船岸相互作用的增大；此外，船舶螺旋槳的設計和岸壁的幾何形狀也會對船岸之間的岸壁效應產生影響，如圖2所示。

圖2 狹水道內船舶受到水壓不同產生岸壁效應

六、受限水域內船吸現象

根據伯努利原理，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。船吸現象在船舶對遇、追越和交叉相遇中均會發生，航行的船舶近距離駛過靠泊船也會發生船吸現象。

兩船在近距離會遇，剛接觸期間，船首排開的水流互相疊加形成高壓區，推開兩船的船首向外。隨著兩船逐漸接近，兩船中部的低壓區越發明顯，這時會引起并行的兩船靠攏和偏轉，也最容易發生碰撞事故，見圖3（a）。

由于追越局面下兩船的作用時間長，船吸現象更加明顯。追越船接觸到被追越船船尾的瞬間，由于兩船內外部壓力差導致追越船船首向被追越船偏轉，同時被追越船船尾也向追越船偏轉，此時容易導致船舶碰撞；隨著兩船逐漸靠近，船中部形成低壓區，兩船橫距越來越近，被追越船船首向追越船偏轉，也容易產生碰撞，見圖3（b）。船吸現象對排水量相對小的和船速相對慢的船影響更大。

圖3 船吸現象原理圖

七、受限水域對船舶操舵的影響

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，由于船速降低而導致螺旋槳滑失增加，螺旋槳排出水流的速度增加，以及淺水中舵的下緣距海底較近導致舵的整流作用加強等因素的影響，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，意味著船舶需要使用更大的舵角來實現變向，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。

八、受限水域內航行加重了船長和船員的疲勞與壓力

全球很多船舶必經的受限水域往往是位置非常重要且距離較長的河道和運河，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，以及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。受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行不及時或不到位，船舶都可能隨即發生航行事故。在接連幾個小時的高強度和高壓力的工作下，船舶駕管人員操船責任重大，精神高度緊張，容易產生疲勞，進而導致體力下降，精力不集中，此時船員會出現指令錯誤、口令回復慢、應舵不及時、把定不迅速、艏向不穩定、操反舵、誤操車鐘等現象，甚至發生航行事故。

九、結語

船舶在受限水域航行，因周圍水流和水量變化，致使船舶的阻力增大，船速降低；船體中部低壓區向船尾擴展產生船體下沉，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區明顯，還將產生較為明顯的船體振動；在淺水區旋回阻矩增加，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，還將出現岸壁效應，船首偏向航道中央，船體和尾部被吸向岸壁。良好地理解上述影響船舶在受限水域安全航行的各種要素的原理，能有效幫助船舶駕管人員做好船舶在受限水域的航行計劃，有效控制船位和船速，預留好富余水深，合理安排船舶值班人員，嚴格執行公司的安全管理規定，確保船舶在受限水域內的航行萬無一失。