日照水域风险浅析及大型船舶操纵

日照水域风险浅析及大型船舶操纵
0前言
十一五期间，我国经济发展迅猛，港口在服务国内经济的同时，建设规模也得以迅速扩张，2010年日照港口吞吐量突破2亿吨，2010年日照港引航站CAP型船舶引领达1300
余艘次。

随港口建设大的项目不断建成交付使用：岚山港区8#泊位改造15万吨级兼顾二十万吨级泊位六月底投产、岚北港区实华三十万吨级原油码头的投产，岚桥港业两个二十万吨散货码头在建，实华二期工程开始立项等，可以预见未来几年日照口岸超大型船舶来港将大幅度增加。

从日照港三个港区自然环境条件来看,港口水域自然水深一般来说相对较浅，人工深水航道较长,航道走向与潮流的交角较大，航道和大船的掉头水域宽度较窄,而相对超大型船舶操纵性能，因其船舶的吃水较深，吨位较大、操纵性能相对笨拙，旋回所需水域较大，如何保证超大型船舶在水深、水域受限、船舶密集、渔船众多、水流湍急、养殖区鱼网碍航等复杂条件的港口区域安全进出，突显超大型船舶引航工作存在着安全风险与挑战，为更好地做好超大型船舶的引航工作，保障引航安全，本文从超大型船舶在港口受限水域操纵时面临的通航环境和操纵性能变化及安全风险进行逐一分析，接合个人引航经验进行分析探讨。

1 超大型船舶的操纵特点
1.1船舶尺度大，船体所受的风流作用力明显增大，尤其是在船舶低速时受风流影响极其明显；
1.2船舶排水量大、惯性大，单位排水量分摊的主机功率小，船舶冲程大，停车和倒车制动性能差。

1.3船体肥大，船舶方形系数大（Cb>0.8）;舵面积比小，舵效差，应舵迟钝，淌航时丧失舵效船速较高，总体操纵性能表现为船舶旋回性好、航向稳定性差。

2 浅水效应影响
从水深与船舶吃水之比也叫相对水深(H/d)的数值来看，港口水域基本属于浅水域。

根据对船舶操作运动的实际影响，按霍夫特（Hooft）的研究对浅水域作如下界定：
2.1按照对船体在前进运动中所受阻力影响来看，低速船情况下当H/d≤4。

高速船情况下H/d≤10时，即可作为浅水域对待。

2.2按照对船体横向运动所受阻力的影响来看，当H/d≤2.5时作为浅水域对待。

同时，该数值也可作为对船舶航行中的操纵性有影响的水深界限。

2.3对于船舶操纵性有明显的影响，并达到易发现程度的水深则应以H/d≤1.5来界定。

就目前我们港口航道水深情况和超大型船舶引航的规定情况来讲，对于CAP型船舶的的富裕水深的界定基本是不小于d10%， H/d远小于1.5，浅水对船舶运动的影响明显。

2.4大型船舶浅水效应的具体表现。

从船舶运动状态来看，由深水水域驶入较浅的水域时则出现如下现象：
2.4.1兴波发生变化。

兴波阻力增大，极易造成浪損。

浅水中大型船舶如果高速航行，所兴起的波浪既高又陡，具有很大的能量，对周围的船舶和建筑都会造成威胁，严重时能导致小船翻沉。

另外，船舶还会出现首散波变小，水花声减小，尾波增大，船位及其两侧由于螺旋桨流作用致水混浊；船艉伴流增强，螺旋桨上下桨叶推力之差较深水明显，船体振动加剧。

2.4.2附加质量、附加惯矩增加。

船舶在水中运动的同时，会带动周围部分的水一同运动。

船舶前进运动、横移运动时，相当于在船舶本身质量上增加一部分质量，增加的质量称为附加质量；船舶作回转运动时，会比船舶本身转动惯矩相应增加一部分惯矩，增加的惯矩部分称为附加惯矩。

在浅水域，附加质量和附加惯矩较深水中会又明显增加，而且相对水深H/d越小，增加越大，当H/d≤1.5时，增加倍数将急剧增大，而且增加的倍数还与船体形状及航速和旋转角速度有关。

由于浅水中附加质量和附加惯矩的增加，船舶在浅水中就很难加速，要使加了速的船舶减速也很困难。

同时，船舶在静止中使用同样的拖力的拖轮来转首时，在浅水中的转首运动要比深水中来得慢。

在引航实际工作中，体会颇深，在操作中富裕水深在10%d时，拖轮顶推十分困难，耗时很长，在引领时要充分考虑。

2.4.3 船速下降。

船舶航行于浅水中，与深水相比，船体周围压力剧烈变化，出现船体下降，纵倾增大，兴波增强，向后的流速增加，使船体阻力增加；推进器盘面附近伴流，涡流的增加使推进器效率下降，因而使船速下降。

在大连海事大学三十万吨级船模实验中，三十万吨油轮满载进靠实华码头，船舶吃水20米，全速进口，速度最快9.8节；实船操作中，在全速情况下，基本要航行7-8海里左右速度才能达到9-10节。

2.5浅水对冲程的影响
2.5.1停车冲程。

浅水行船由于船体周围压力变化剧烈，造成船体下沉，纵倾增加，兴波增大，二维流速增加，从而增大了船体所受到的阻力。

同时，由于推进效率降低，总的来看，会使船舶在浅水中的冲程有一定程度的减小，特别表现在刚停车后余速较高的一段时间内，浅水阻力增大得比较显著，对降低速度，减少冲程起重要作用；当降速至较低船速时，因为上述作用因素的减弱，减速情况趋缓，所以对减小冲程的作用也将减小。

我们在实船操作中，无论是大船停车降速，还是利用拖轮拖拽降速，感觉明显的事实就是停车或拖轮拖拽降速初始阶段，大船降速很快，但在降至3节左右时，速度下降开始减缓，有时还需要大船倒车。

所以在CAP船重载进靠港口时，考虑到潮汐流水的影响和水域受限情况，为了保证船位，速度不能太慢、且经常要用车、舵调整，所以降速还是要依靠拖轮协助为主。

下面是理论估算数值：
相对水深H/d 3.0 2.0 1.4 1.2
倒车冲程CSD（Km） 5.4 5.0 4.8 4.5
降低率（％） 100％ 7.4％ 11.1％ 16.7％
2.5.2紧急停车冲程。

在紧急停车冲程方面（即紧急停车），应该说浅水的影响还是比较显著的。

根据某艘20万吨油轮的模拟资料，在不同的相对水深条件下，紧急停车冲程随水深变浅而减小的情况，如果H/d＝3的紧急停车冲程（C.S.D）为100％，而当H/d＝1.2时，则紧急停车冲程降至83％。

紧急停车冲程是随H/d的减少而减少的。

2.5.3船体下沉与纵倾。

船舶驶入浅水水域后，由于船底水下间隙变小，在空间三维运动的水变得只能平面流动，同时流速增大，这就造成了不但压力变化更为剧烈，而且船体中部的低压区将向船尾扩展，船体下沉增加，并伴随船舶纵倾发生变化。

对于同一艘船舶，当速度保持不变时，船体的下沉量将于相对水深H/d成反比；即相对水深越浅，下沉量越大。

大型船舶的驾驶台两侧都张贴有船舶速度和下沉量相对应的曲线图，从超大型散货船和油轮的下沉量比较来看，同样的速度之下，油轮的下沉来量大于散货船舶，且油轮的速度下沉量曲线较陡峭。

在超大型油轮进靠时，吃水较大，考虑航道航行富裕水深较小，速度基本基本控制在10节以下，在超过10节速度要适当加大富裕水深，天津港的控制是，速度超过10节富裕水深要不小于d13%，10节以下航行时，控制在d10%。

2.6操纵性能恶化。

主要表现在：用舵后，开始旋回的时间延长，舵效变差，纵距增大；旋回直径增大，失速和漂角减小，旋回性下降；航向稳定性变好。

对于某些大型油轮，在中等水深(H/d为1.6－2.6)时船舶会出现航向稳定性反而下降的特殊情况。

3航道航行影响
3.1超大型船舶由于线形尺度大,岸壁效应明显,从岸壁效应公式F=CFP×L×d×V2/2可以看出,它不但与船舶的速度V的平方成正比,与船长L和吃水d成正比,而且其中横力系数CF与航道宽度与船宽之比以及船舶离岸距离有关,由此可见,在航道中航行时,应考虑到抢
流时不要太靠近航道边线航行,以减小岸壁效应的影响,避免船舶偏出航道。

3.2航道人工挖深在-10米到-4米左右不等,航道内流水上、下层流和暗流比较复杂,超大型船舶由于吃水较大极易受不均匀流的影响,因此航行时应注意保持对此有清醒认识,在措施上保持戒备。

3.3超大型船舶具有K大T小的特性，其航向稳定性和追随性较差，在浅水区、航道航行时，由于受到急流等因素的影响，经常要用舵角来克服这种影响，由于超大型船舶质量大，行动缓，但惯性大，在用舵时，要做到用大舵角、早用舵、早回舵，用舵必须在影响刚开始时，不要等趋势明显再去采取措施，否则，克服偏转相当困难。

4港区现状
日照港现有三个港区，深水泊位和航道的现状如下:日照港石臼港区深水泊位两个，航道宽度较窄,宽为320米，水深基本在-18米，航道较长为7746米；日照港岚北港区三十万吨级原油码头一个，深水航道长为30公里，宽度为320米,人工开挖航槽17.7公里。

岚山港区深水泊位1个码头前沿水深21米,航道长5740米，航道宽度为280米。

5港口通航安全风险分析
5.1日照港口三个港区附近及其临近水域养殖区、鱼网密布,在航道\锚地附近也多存有大面积养殖区域和鱼网,特别是岚北港区深水航道两侧均有大范围的养殖区域，且基本都在航道边上。

对于超大型船舶航行安全形成危险。

5.2港口水域通航密度大。

5.2.1港口水域靠离商船\锚泊商船和过境商船繁多。

5.2.2港口建设施工船舶众多。

港口处于建设高峰期，港内多处施工，岚山港区现有施工船舶60余条;岚北港区施工船舶达到20余条,施工船舶除天气恶劣暂停施工外,其余时间均正常施工,在港池\航道与锚地间作业。

5.2.3渔船的影响。

日照港除石臼港区外，岚山、岚北两港区均属商船、渔船混合港。

对于鱼船来讲,大多鱼船没有航道\锚地的概念,经常性在港池、锚地、航道拖网,更给本已拥挤的港口水域变得更加复杂, 特别是高潮时段，渔船乘潮蜂拥出港，更给进港船舶带来更多制约，使得船舶航行操纵受到进一步限制。

5.3港口水域的潮汐流水影响
日照港潮汐属正规半日潮，石臼港区潮水大潮急流时，流速达到2-3节，流向与航道走向夹角60度角；岚北深水航道走向与潮水流向有50—70度夹角，流速为2—4节；岚山航道走向与潮水流向交角较大近乎于直角，流速2—4节。

5.3.1重载超大型船舶进港时机的选择
日照港深水航道目前有三条：日照港石臼港区一条深水航道水深18米、岚山港区岚山港务公司深水航道水深17.9米，全长17.7公里；岚山港区实华三十万吨级航道水深19.9米，航道宽度350米，人工挖槽17.7公里。

三条航道均较长，航道走向与涨落潮流方向近乎垂直，且流水较急，对大船影响较大，在大潮期间潮汐每小时涨水近乎1.5米左右，流速达到3节左右，巴拿马船型船舶重载进口在速度8节时，流压差达到15度。

在高平潮前后一小时流水相对较缓，考虑到超大型船舶重载受流影响较大，为将流影响尽可能降低，应选择此时进靠；如果吃水较小，航道水深符合要求，不用乘潮进靠时，也可在低潮前后缓流时刻进靠。

石臼港区重载超大型船舶进靠时机是高潮点大船抵达防波堤口门；三十万吨原油码头进靠时机控制在高潮后30分钟大船进港池，靠初落水；因重载大型船舶提速相对较慢，在引领时应留有充分时间余地，保证引航按计划实施。

5.3.2在日照港石臼港区二十万吨级船舶进靠东10#/11#泊位,大船在外段航道速度均在10节左右以减小流压影响；在到达防波堤口门时,速度仍然不能低于6节,最好控制在
6-6.5节为宜,因为外段航道流水太急,且流向近乎与航道走向垂直速度稍慢将会被压出航槽,给在口门进出增加困难;而从口门至泊位距离仅1.5海里等，在超大型船舶快速通过防波堤口门进入港池后又要考虑考虑降速问题，但港池内流水也很复杂，流压很大，船舶还要做一近乎80度转向，由于大船还要用车、舵以抵消流的影响，所以降速不能提早通过停车或倒车来降低，只能通过依靠拖轮协助降速。

在接近泊位时两倍船长时大船停车，在拖轮协助和大船倒车的共同作用下，将大船停住，平行顶推进泊位完成靠泊。

6总论
综合上述分析结合港口实际情况，引领大型船舶有以下几点思考：随近年来经济和科学技术的发展，港口建设技术的提高，人工深水航槽的开挖和深水泊位的建设也相对简单，很多港口建设了深水泊位和深水航槽，但在建设深水泊位和深水航槽的同时，受海域环境因素限制和港口部门从经济效益出发，考虑工程成本因素较多，考虑船舶的通航环境的影响相对较少，给船舶航行、超大型船舶的引领工作带来许多潜在风险。

6.1 日照口岸深水港池、泊位、航道均为人工挖槽，深水水域狭窄，超大型船舶可用活动水域受限。

在引航前认真核实船舶资料特别是前后吃水和实际载货状态，仔细研究潮水潮高、潮时，保障足够富裕水深，考虑全面，制定切合实际的引航方案和应急方案；操作过程中，加强观察，根据风、流等实际情况及时调整引航方案，保证船舶处于有利位置，合理指挥拖轮协作，实现安全引航。

6.2 超大型船舶的引航工作，引航部门应积极协调港口调度、拖轮和海事VTS等部门给予充分的协助，形成保障体系，保障时间上充足，航道清爽，有护航船舶监护。

6.3 协作拖轮数量的确定及助靠位置。

一般选取大船载重吨的10-13%作为需要拖轮的马力，但考虑港池狭窄、流水复杂，超大型船舶的靠泊操纵多需拖轮协助的特点，一般选取5-6条拖轮协助。

协助靠泊拖轮的带缆方式：分别在大船的船头和船尾的左、右舷各一条拖轮带缆以协助大船减速和帮助大船转向，船尾部正中一拖轮带缆主要是协助大船减速。

6.4 DGPS引航系统的使用。

引领超大型船舶，由于引航距离较长、引航时间较长，DGPS 引航系统的运用在实现精确引航的同时，有助于缓解引航员的工作压力，特别是在突然上雾、能见度不良或大风浪天气引起的灯浮等助航标志移位时，提供精确的导航服务。

引航站也可以根据站引航系统对引航员提供技术帮助和支持。

引航员也应科学使用船用雷达、ECDIS系统直观、方便、准确判定船位，从而缩短定位时间，直接采取对应措施，从而保证引航安全、高效。

6.5合理运用大船车、舵和协作拖轮，控制抵泊余速及靠泊速度。

在航道航行过程中，密切注意风流的影响，严格控制船位，适时加车用舵，克服风流的影响，保证有利船位，控制船位在航道上风上流位置。

考虑超大型船舶的质量大、惯性大，降速慢的特点，大船速度不能太快，但又要考虑流水对船舶航行的影响，大船速度慢，影响更甚，所以在航道航行过程中速度应适当提高，但在富裕水深较小时，要密切关注船速增加，带来下沉量变化的影响；在进入港池后利用拖轮进行制动为主，保持进泊位前速度小于2节为宜。

合理使用协作拖轮，控制船舶靠拢速度，使靠拢速度低于5厘米/秒，由于超大型船舶质量大、惯性大，靠泊时靠拢角度应尽可能保持与码头平行靠拢，避免大船单点靠泊，以防对大船局部或码头造成破坏。

6.6 在重点关注重载超大型船舶引航的同时，我们对空载、半载等吃水较小的超大型船舶的引航也不能掉以轻心，与重载不同的是空载船舶引航难点在于水上受风面积大，受风影响太大，在引航时应充分考虑当时风的情况，保证有足够的拖轮予以协助，保证安全靠、离作业。

7结束语
随港口建设技术的发展，经济贸易的全球化和船舶大型化的趋势，深水泊位的建设越来越多，引航部门也应加大科技引航设备、设施的费用投入，联手科研院所实现科技助推引航技术发展。

近年来，引航领域的科技研究有了长足发展，许多集AIS、DGPS、VTS、雷达和潮汐等信息于一体的引航系统已投入运用，打造先进引航系统、提升引航员技术装备势在必行；通过内部交流、外出学习等形式多途径对引航员加强业务素质培养，提高引航人员的技术水准。

引航部门在努力提高引航技术保障港口发展的同时，也应早期介入港口建设，在泊位、航道设计方面提出要求，使得港口深水泊位的建设充分考虑泊位水域的风流影响，将客观不利因素降到最低，满足引航安全方面的要求。

在新建大泊位投入运营前，码头运营方应提交引航部门相关泊位、港池、航道的有效的实测流场资料（所谓有效，即是指测量时间和测量区域范围有效；测量时间应在泊位投入运营前不久，泊位水域环境变化不大；测量的范围涵盖泊位、航道等相关水域，测量方法准确。

）安全评估报告，船模实验报告和科研院所的泊位评估报告。

引航人员也要提高技术理论水平，注意总结经验，引领超大型船时，充分利用大船的车、舵和拖轮协作，实现安全引航，保障港航生产，服务经济发展。