浅水航行船舶下沉量分析与研究

浅水航行船舶下沉量分析与研究

作者：苏福亮

来源：《珠江水运》2016年第24期

摘要：如果船在浅水中航行，那么船底跟航道底部之间距离较小，水流的运动在水深的制约下，向船体流动的水速增加，导致船长方向的压力也相应发生改变，船体的浮态也会发生一定的改变。当船航行的速度处于较低状态时，船会下沉。当船舶从深水区航行到浅水区的时候，船舶的水阻力、船速和操纵性能等都会发生一定的改变。本文针对浅水区船舶的下沉量的影响因素进行了分析，对其测量原理进行了阐述，最后提出了浅水区安全操船的一些具体措施。

关键词：浅水航行船舶下沉量研究

在我国境内，港口和内河航道存在一个问题：水深不足，所以船舶在航行的时候会常常引发浅水效应。当产生浅水效应时，船舶的安全操纵受到较大的影响。所以，本文针对船舶浅水航行的下沉量进行了分析和研究，可为船舶驾驶员的浅水区操纵船舶提供一定的参考价值。

1.船舶下沉量

当船舶处于浅水区并且速度也较高的情况下，船舶需要尽力规避船体下沉而导致的搁浅的情况发生。一旦船速降下来后，船的方向可能发生变化，水的压力也会相应减小。为了实现船舶重力跟水浮力这两者之间的平衡，船舶会发生整体垂直下沉的现象。与此同时，船体在水下的肥瘦程度存在差异性，这些情况都会使船舶纵倾发生一定的改变。对船舶下沉量产生影响的一些因素包括了以下几个方面。①船舶的对地速度。通常而言，船舶的下沉量跟船的航速的平方是正比例关系，当船速增加时，船的下沉量也会增加。②方形系数。当方形系数增大，船舶的下沉量也会相应地增大。一般而言，油船的下沉量跟客船比较起来要大一些。③水深和船舶吃水比。一般情况下，如果水深跟吃水比之间的比值在[1.5，2.0]之间，那么，可以这么认为，下沉量对船舶的安全不会产生威胁。④航道地形。具体而言，主要也分为三种：开敞航道，受限航道和运河。⑤船舶会遇或超越。针对该影响因素对船舶下沉量的影响的文献不多。在上个世纪八十年代之初，Dand针对船舶会遇和超越于下沉量的关系进行了研究，最后得出结论：会遇和超越过程中船首下沉量会增加一半或一倍。

2.船舶下沉量的测量原理

真实测量下沉量是确定船舶富余水深标准的非常重要的一个环节。对于船体下沉量的计算，当前主要有两种方法：一种是理论计算法，该方法主要包括通过一维理论推出的方法以及根据细长体理论得到的方法，另外一种就是经验计算法，该方法通过模型和实船的试验结果分析总结得到。对于大型商船来讲，船舶在船艏具有最大下沉量，所以，一般情况下，只需要知道船艏下沉量，就可以确定下沉量的实际数值。

船舶在航行的过程中，船艏会发生下沉的现象，因而其吃水量会有所增加，在这种情况下，船舶艏部至水面的垂直距离会缩短。船艏到水面的垂直距离会发生改变，通过测量这种距离的变化可求算得到不同船速状态下的船舶下沉量。由于船艏下沉而引起的吃水增加量的变化是长时间的，同时，增量的变化速度是惊人的。因此，为了测量出真实的船舶下沉量数值，收集高动态的测量数据最为关键。船舶的航速和船舶的尺度是影响船舶下沉量的重要因素，其中比较关键的因素是船舶的航速。此外，另一个较为关键的因素是水深，下沉量随着水深的变小而变大，这两者成反比关系。通过研究船舶富余水深，我们发现，当水深跟吃水的比例为

1.1：1.0的时候，该状态是一种极限。原因在于，在船舶的形状不发生改变的情况下，船舶开始下沉，通过测量船艏距离水面的减少量，可以得到船艏的下沉量。对船舶下沉量测定必须包括以下四个方面的物理量：①船艏到水面距离；②船舶航速；③船舶位置；④龙骨下水深高度。另外，船舶升沉和摇荡产生的船舶吃水变化以及海浪对于测得的船舶下沉量数值有一定的影响。然而，对于港内航行的船舶来说，这些并非关键因素，其影响变化的随机性较大，可借助数学平差方法来妥善解决。

3.船舶下沉量的计算方法

通常情况下，如果水深比吃水的七倍要小时，就会发生船体下沉；当水深逐渐减少，水深是吃水的2.5倍的时候，下沉现象会变得很明显。在船型和吃水固定不变的情况下，下沉量跟航速的平方是正比例关系，船舶航速是影响船舶下沉量最为关键的因素。浅水可分为两种区域，一种是敞开水域，另外一种是限制航道。在敞开水域，我们只需考虑水深，然而在限制航道中，分析水深影响的同时，航道宽度也是不可忽略的因素。船舶处于限制航道中，其下沉量会变得更大。致使该现象的原因的分析方法有很多，其中一个比较方便的方法是使用流体力学的运动转换原理作分析。当船舶在水中行驶速度不变时，一定速度的水流过静止的船体与其有着同样的效果。这表明，船舶在水中前行就相当于船舶静止时水流以与船舶运动相反方向的速度从船舶周围流动。在船舶到达浅水区时，船体周围区域的截面积会减小，流体流速相应增加，流体压力也减小。进而导致船舶下沉，甚至发生船舶触底的事故。详细而言，可根据下列流体的连续性方程分析。

根据流体力学的伯努利方程：

在这个公式中，ρ为流体密度，P为静压力，υ为流体速度 h为水深，constant表示常数。根据式子中可得到式子（2）

根据相同的原理，当船舶在运河中航行时，除了可能导致船体下沉事故之外，船舶两侧水流还可能导致水流发生回流，从而形成一定的压力差，导致岸吸现象的发生，更为严重的情况是，一旦船体偏离了原来的航道，就会使得船舶跟河堤发生碰撞事故。所以，为了避免这种事故的发生，我们要计算并分析船舶在不同航速和装载状态下的下沉量，并判断船体是否会触底，进而有效降低船体和螺旋桨发生损坏的几率。另外，可以依据航道的特征，分析并计算船舶的安全行驶速度，这样才能最大程度上保障船舶在航行过程中的安全。

4.浅水区安全操船的措施

4.1减小船舶行驶速度

当主机功率P固定不变且船舶航行于浅水区域时，随着阻力的增加，船舶的航速也会随之降低。如果要让船舶维持原速度不变，那么就需要增加主机功率的大小。然而，在这种情况下，不仅会耗费更多的燃料，还会增加主机的磨损量，对于提升航速而言没有实际价值。在这种情况下，如果可以降低航速就尽量降低，因为这样不但可以节省燃料，还能使机器不受到损坏。除外，当船舶到达浅水区域时，吃水量增加，船速越高，吃水量的增幅越大。如果在这个适合降低船速，就能减小船舶碰擦河底的事故发生的几率。

4.2对船舶进行测深

对船舶的富余水深进行测量，对于探测航路，保障船舶安全行驶的非常有必要的。具体测量方法就是：测量船舶航行于最深位置的富余水深。

4.3尽力提高舵效

船舶在浅水区行驶时，其舵效比较差，容易产生对航行不利的影响。因此，在对船舶进行操作时，就要注意以下事项：用舵要提前转舵，及早回舵，使用的舵角应较大。