鎮(zhèn)海港狹窄水域船舶通航限制條件研究

0引言

隨著江海聯(lián)運船舶大型化趨勢，寧波港作為長三角重要樞紐港口，通航安全面臨差異化挑戰(zhàn)。在江海運輸船主要掛靠寧波港鎮(zhèn)海港區(qū)、金塘港區(qū)甬舟碼頭以及北侖港區(qū)的3個港區(qū)中，金塘港區(qū)甬舟碼頭和北侖港區(qū)碼頭前沿水域開闊，操縱難度相對較小，而掛靠鎮(zhèn)海港區(qū)甬江碼頭的船舶，當冬季橫風、落流時段進甬江口時，風流作用效果疊加，導致風流壓差角、船舶橫向漂移量過大，而甬江口船舶交通流復雜，可航水域受限，因此有必要分析橫風落流進甬江口的限制條件，以確保船舶通航安全。

為了探究江海運輸船舶橫風落流進甬江口的限制條件，本文采取數(shù)值模擬的方法[1-2]，以集裝箱船“商城”輪和散貨船“振奮”輪為例，依托大型船舶操縱模擬器，在不同裝載狀態(tài)以及風流組合條件下模擬船舶進港操縱。結合《海港總體設計規(guī)范》（JTS165-2013）[3和國際航運協(xié)會《港口航道設計指南》[4]中推薦值和理論計算的結果共同分析橫風落流船舶進入甬江口的風流限制條件。

1研究水域概況

1.1水域概況

鎮(zhèn)海港區(qū)位于甬江口門，為裝卸中轉(zhuǎn)煤炭、散雜貨、件雜貨、牲畜、液體化工產(chǎn)品、國際集裝箱多功能、綜合性港區(qū)。甬江口門外金塘水道水深穩(wěn)定，從東海經(jīng)蝦崎門入港區(qū)七里崎錨地，長 38n mile，最淺處深 18m ，可通航萬噸級以上船舶。甬江口至招寶山大橋段主航道的寬度 90m ，水深在 7m 以上[5]

1.2水文氣象條件

寧波外海駐潮波自東海經(jīng)浙江東南部沿海諸島礁、航門向西傳入，呈不正規(guī)半日淺海潮特征，并且2次高、低潮潮高各不相同，潮汛大、流速大、轉(zhuǎn)流快。甬江口外偏北風向時，有涌浪侵入，波浪大，引航員登離輪易受困。落潮時，風、浪疊加，波浪增大；漲潮時，風、浪部分抵消，波浪減小。甬江內(nèi)潮流沿江而流，流向較為穩(wěn)定，最大流速可達 2kn 。

冬春季風速略大，常見偏北風達 6～8 級，夏季稍小，除臺風外，一般 3～5 級，其中強臺風占 82% 。熱帶風暴出現(xiàn)的風向以NNW ～ NNE向和ENE向為多。

2船舶通航模擬試驗設計

本文模擬實驗水域為甬江口附近，試驗時將初始船位放在甬江口外1.2nmile處（ 29^°58.836N ， 121^°46.87^′E ）計劃航向 260^° ；初始航速 7kn ，如圖1所示。

圖1模擬甬江口附近水域進口

試驗船型選擇集裝箱船“商城”輪和散貨船“振奮”輪。 “商城”輪船長 147m 、船寬 22.5m ，滿載吃水 8.0m ，滿 載排水量 18370t ，壓載吃水 6.5m ，壓載排水量12878t；“振 奮”輪船長 164m 、船寬 21.6m ，滿載吃水 9.9m ，滿載排 水量 19580t ，壓載吃水 5m ，壓載排水量 14796t 模擬試 驗方案數(shù)據(jù)見表1。

表1模擬試驗方案

3模擬試驗結果及分析

船舶自甬江口外 1.2nmile 處（2958.836N，121°46.873E）進入甬江口，計劃航向 260^° ；初始航速 7kn ，初始船首向根據(jù)船舶壓載狀態(tài)和風、流條件等確定，具體設置見表 2 船舶航行的運動軌跡如圖2所示。

表2初始船首向

圖2船舶航行的運動軌跡

由于每次控制室發(fā)出試驗至操作者在各本船建立與控制室的鏈接約需 1～1.5min ，且船舶進入L4報告線之后受流影響較小，故統(tǒng)計進口過程中的船首向、對地航向及風流壓差角 $＼textbf { （ ＼gamma ） }$ 、轉(zhuǎn)向速率（ROT）和命令舵角時，去掉每個試驗開始后和結束前的4個船位點（時長80s）數(shù)據(jù)。

3.1對船舶運動操縱數(shù)據(jù)的分析

本文對每個試驗的船舶運動操縱數(shù)據(jù)都進行了如圖3、圖4、圖5的處理（以試驗5為例），統(tǒng)計出向、對地航向、風流壓差角及其分布；轉(zhuǎn)向速率 ROT^[7] 和舵角[8]，并對其進行擬合，對處理后的數(shù)據(jù)分析[9，得到模擬試驗方案數(shù)據(jù)表，見表5。綜合分析如下：

（1）在相同的水文氣象條件下，2種試驗船型中集裝箱船進口時風流差角、船舶轉(zhuǎn)向速率和舵角明顯大于散貨船；（2）在過L4報告線之前的航行過程中，集裝箱船與散貨船壓載狀態(tài)時受風的影響相對較為明顯，而散貨船滿載狀態(tài)時受流的影響則較為明顯；（3）集裝箱船進口過程中除壓載狀態(tài)7級風時的風流差角外，其他工況的風流差角均值均在 14^° 以內(nèi)，瞬時風流差角極值在 20^° 以內(nèi);

（4）集裝箱船進口過程中，各種工況下的轉(zhuǎn)向速率均值均在區(qū)間[-3.0，0]內(nèi)，轉(zhuǎn)向速率瞬時極值均在區(qū)間[-28，22]內(nèi)；舵角均值均在[-13， ^-7] 內(nèi)，舵角瞬時極值均在[-35，-11]內(nèi)。

（5）散貨船進口過程中除壓載狀態(tài)7級風時的風流差角外，其他工況的風流差角均值均在 10^° 以內(nèi)，瞬時風流差角極值也均在 20^° 以內(nèi)。

（6）散貨船船進口過程中，各種工況下轉(zhuǎn)向速率均值均在區(qū)間[-0.4，0.2]內(nèi)，轉(zhuǎn)向速率瞬時極值均在區(qū)間[-26，21]內(nèi)；舵角均值均在[-2.4， -0.1] 內(nèi)，舵角瞬時極值均在[-23，-21]內(nèi)。

圖3船f向和對地航向及風流壓差角統(tǒng)計圖

圖4轉(zhuǎn)向速率ROT和舵角統(tǒng)計圖

3.2風流壓差角分布范圍的統(tǒng)計規(guī)律分析

對于同一船型而言，在進L4報告線之前航行過程中，風流壓差角分布范圍的統(tǒng)計規(guī)律如圖6所示，見表4。2種船型的中位數(shù)分布范圍在 4.5^°lt;γ?14.9^° 內(nèi)；除試驗2、8、14和15之外，兩種船型在航行過程中的風流壓差角分布范圍均在 內(nèi)；即使試驗2、8、14和15中船舶風流壓差角在 15^°lt;γ?20^° 內(nèi)，其比重也均不超過 20% 。

根據(jù)理論參考標準，我國《海港總體設計規(guī)范》（JTS165-2013）中在橫風 ?7 級， 1.5knlt; 橫流 ?2kn 時，計算航跡帶寬度所考慮的風流壓差角取 14^° 。國際航運協(xié)會（PIANC）出版的《港口航道設計指南》在“4.3營運規(guī)則和環(huán)境限制”中建議，當航道水深為 1.2° ，異常航段取15^° ；當航道水深為 h/T?1.5 時，船舶在航道正常段航行的風流壓差角取 15^° ，異常航段取 20^° 。

圖6各試驗數(shù)據(jù)中風流壓差角中位數(shù)的分布

表3模擬試驗方案及進口過程中船首向、對地航向、風流壓差角（ γ ）等數(shù)據(jù)記錄表

表4進L4報告線之前航行過程中風流壓差角分布范圍的統(tǒng)計規(guī)律

3.3ROT分布范圍的統(tǒng)計規(guī)律分析

對于同一船型而言，在進L4報告線之前航行過程中，船舶轉(zhuǎn)向速率的分布范圍的統(tǒng)計規(guī)律見表5，ROT分布特征如下：

（1）集裝箱船在航行過程中ROT在 [-5^° ，5]的占比為 28%～73% （平均 45% ）；極端值區(qū)間（ ROTgt;15^° ）占比 0%～14% ，表明常規(guī)操舵以小幅轉(zhuǎn)向為主；

（2）散貨船在航行過程中ROT在 [-5^° ， 5^°] 的占比為 36%～84% （平均 62% ）；極端值區(qū)間（ ROTgt;15^° ），占比 0%～13% ，較集裝箱船更集中，反映散貨船因船寬大、穩(wěn)性高，轉(zhuǎn)向響應更平緩；

（3）2種船型航行過程中在滿載狀態(tài)下ROT在 [-5^° ，5]內(nèi)的占比均普遍高于壓載狀態(tài)，集裝箱船2種載態(tài)下ROT在 [-5^° ， 5^°] 內(nèi)的占比差距更大，高于散貨船。

表5進L4報告線之前航行過程中ROT分布范圍的統(tǒng)計規(guī)律

綜上，2種船舶在橫風落流條件下進港時，常規(guī)操舵均以小幅轉(zhuǎn)向為主，與散貨船相比，集裝箱船在風流干擾下ROT波動劇烈，其ROT穩(wěn)定性弱于散貨船。

3.4命令舵角分布范圍的統(tǒng)計規(guī)律分析

對于同一船型而言，在進L4報告線之前航行過程中，船舶命令舵角的分布范圍的統(tǒng)計規(guī)律見表6。命令舵角分布特征如下：

表6進L4報告線之前航行過程中命令舵角分布范圍的統(tǒng)計規(guī)律

（1）除試驗1外，其他工況下的船舶在進口過程中的舵角在區(qū)間 [-25^° ，25°內(nèi)的占比超過 90% ，在區(qū)間[-35^° ， -25^°] 或 [25^° ， 35^°] 內(nèi)的占比不到 10%

（2）集裝箱船在航行過程中，其命令舵角在中等左舵（2 （[-25^° ， -10^°]_?^? 內(nèi)的占比范圍為 22%～75% （平均 50% ，表明集裝箱船較為頻繁使用中等左舵修正航向，尤其在試驗2、4、6、7中占比超 50% ；小舵角（ [-10^° ， 10^°]_?^? 占比范圍為 21%～54% 平均 42% ，除試驗1、2外，其余試驗的占比接近或超過 42% ，顯示部分條件下小幅操舵即可維持航向；中等右舵（ [10^° ， 25^°] ）占比極少，僅在試驗1、2出現(xiàn)；極端左舵 [-35^° ， -25^°] ）僅在試驗1中出現(xiàn)較高比例（ 41% ）；極端右舵（ .[25^° ， 35^°] 無數(shù)據(jù)記錄；

（3）散貨船在航行過程中，其命令舵角在中等左舵（[-25^° ， -10^°] ）內(nèi)的占比范圍為 13%～25% 平均 18% ），表明集散貨船較少使用中等左舵修正航向；小舵角在 [-10^° ， 10^°] 內(nèi)的占比為 61%～87% 平均 75% ），顯著高于集裝箱船，表明進入甬江口過程中散貨船操縱穩(wěn)定性更強，小幅度舵角即可應對風流干擾；中等右舵 （[10^° ， 25^°]_?^? 占比 2%～15% 極端左舵 ：[-35^° ， 無數(shù)據(jù)記錄；極端右舵（ [25^° ， 35^°] ）

僅在試驗12中占 2% ，顯示散貨船極少依賴極端舵角，操 縱風險更低;

（4）2種船型在航行中滿載狀態(tài)下使用小舵角 （[-10^° 10^°] ）的占比均普遍低于壓載狀態(tài)。

綜上，船舶在橫風落流進甬江口的過程中，常規(guī)操舵以中小幅調(diào)整為主，極端操作較少，符合船舶操縱的平穩(wěn)性要求。常規(guī)操舵時的舵角分布與滿舵存在較大空間，舵效未飽和，在特殊情況仍下有操舵空間，可以應對船舶在航行過程中的突發(fā)危險。

4結語

根據(jù)模擬試驗結果及分析，綜合考慮我國《海港總體設計規(guī)范》和國際航運協(xié)會《港口航道設計指南》中的推薦值，并參考引航實踐經(jīng)驗，可以得出橫風落流進甬江口風流限制條件為：集裝箱船及壓載散貨船進口時限制風力不超過6級，對應的落流流速不超過 1.5kn ；散貨船滿載進口時限制風力不超過7級，對應的落流流速不超過 2.0kn_o 船舶在航行過程中，常規(guī)操舵多為小幅調(diào)整，極端舵角情況較少，符合船舶操縱的平穩(wěn)性要求，船舶的轉(zhuǎn)向速率和舵角均符合船舶操縱安全性的要求。

針對甬江口橫風風落流的限制條件，本文采用數(shù)值模擬開展極限通航情況下船舶進港模擬試驗，收集船舶運動操縱數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析風、流壓差角 γ 、轉(zhuǎn)向速率和舵角3種因素的極值、均值和分布。分析船舶進港過程中的可行環(huán)境條件，結合理論參考標準，結果表明根據(jù)本文提出的方法及得出的通航限制條件具有可行性和有效性。

參考文獻

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作者簡介：

陳月海，本科，副高級引航員，（E-mail）418163934@qq.com，13505741620