船体下沉量与船舶航行安全

朱建和+王峰

摘要：为了保障船舶航行安全，防止船舶搁浅，对船舶下沉量的有关理论，船舶在浅水中的下沉量、吃水及纵倾变化进行了研究。

关键词：浅水效应；船体下沉量；船舶纵倾变化

中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）27-0097-02

一、引言

随着世界造船工艺的不断进步及船东追求效益的最大化，船舶吨位不断增大，船舶吃水也不断地增加。近年来，大型船舶在港口浅水区域搁浅和触底等海上事故时有发生，其中一个重要的原因就是对大型船舶在浅水区域航行时的下沉量（squat）估计不准，不能事先准确地确定适合安全航行的富余水深（under keel of clearance），造成了海上事故。本文通过在浅水水域中航行船舶的船体下沉量的有关理论，以及船舶在浅水水域中首尾吃水及纵向倾斜量的变化进行研究，旨在保障船舶航行安全，防止船舶搁浅。

二、浅水效应现象

1.浅水区的概念。根据实际操船经验，船舶出现浅水效应的水域跟船舶的几何尺度、船舶速度大小、船舶方形系数、船舶所经航行区域水深等几个因素存在着直接的关系。以上几个因素对船舶的影响不是单一的，通常是几个因素的同时作用而导致船舶的浅水效应十分明显；吃水较小的船舶，在水深较浅区域航速较低时并不一定出现浅水效应；吃水较大船舶在较深水域以较高船速航行时，却有可能出现浅水效应。我们通常所指的浅水区域是指水域水深与船舶吃水之比小于1.5倍时，在该比值范围内，浅水效应现象明显，船舶吃水增加，船速下降，负荷增加，可能造成船壳触底搁浅，造成事故。

2.船舶产生浅水效应的形成原因。浅水中的船舶，其周围的水体与船体的相对运动与深水水域有很大的不同。深水水域航行时，无论船首还是船尾部分水的流动具有在三维空间内流动的特点，船首处水流既有斜向向后，又有明显向下的特点，船尾处水流既有斜向向后，又有明显向上的特点；但是当船舶航经浅水域时，由于船舶首尾部分水的流动因空间受限，水流的流態发生明显的变化，从原来的三维空间内流动变为向两侧或由由两侧同时向内的二维平面式流动，使在浅水区域船体外部水压力的大小和分布情况发生较大变化，导致浅水效应的发生。

三、船体下沉原因及其影响因素

1.船体产生下沉现象的原因。当船舶在静水中漂浮时，船舶所受浮力与重力相等，受力平衡，船舶以某一固定吃水漂浮在水面上；当船舶向前运动时，被船舶推开的水流一部分沿着船舶左右舷的舷侧流动，另外一部分水流沿着船舶底壳流动，水的流动会引起船壳水下压力下降，导致产生船体下沉现象。船舶在浅水区域航行时，由于浅水效应，船体下沉更为明显。

2.引起船体下沉及纵倾变化的影响因素。前进中的船舶，其周围水的压力变化及水位高低沿船长分布情况与船舶形状密切相关，此外还与相对水深（该水域水深与船舶吃水比）、受限水域的范围、船舶速度等因素有关，如果船型越肥大，船速越高，相对水深越小，船体周围水的压力变化越剧烈，船体在波动的水中，要取得重力与浮力的平衡，会比船舶在静水中产生更大的船体下沉。又因为首尾船壳的形状不同，产生的首尾下沉量不一致，于是就导致产生了船舶纵向吃水的变化。

3.浅水水域中船体下沉量的估算。船舶在受限水域的浅水区航行，具有独特的航行规律及特点，在常见的航海事故中，因对船体下沉量及船舶纵倾的估计不足导致船舶触底或搁浅等海损事故比较常见。如“APL Vanda”号集装箱船离开勒阿弗尔，驶往南安普顿港途中，由于船舶动力不足，船长对船舶的下沉量估计不足和船舶富裕水深计算失误等原因导致“APL Vanda”轮在West Bramble Bank遭遇搁浅，最终该船在8艘拖船的努力之下被转移到深水区域。

航行在浅水水域的船舶，较为准确地估算船体下沉量是保证船舶航行安全的重要技术问题。对于估计方法有以下四种：第一种是基于流体力学理论，结合具体船舶的操作操纵性能，利用计算机采用一定的计算方法进行模拟研究，探寻其规律；第二种是针对某一具体经典船型（如30万吨VLCC），开展船模实验，以船模试验结果为基础，根据船舶操纵性的理论，对船舶下沉量进行分析和研究；第三种则是借助现有的实船，在实船船首或船尾安装雷达液位传感器、DGPS等先进的检测仪器，实际检测船舶在不同水域，不同航行状况下的船舶下沉量，该方法可以得到比较具体的数据；第四种是综合利用现有的理论研究方法和实验研究成果，给出一些经验计算公式。

（1）船体下沉量的经验公式：①一般当船舶船速为10kn及以下时，船舶下沉量=10%吃水，该方法适宜于船舶速度较低时的大概估算，并不适用于所有船舶。②在一定的速度范围内，船体下沉量与船速呈现一定的线性关系，船舶每1kn前进速度船体下沉0.06m，船舶在10KN左右速度时，船体下沉约为0.6米。③由于船舶下沉量影响因素中，船速的影响最大，可以用以下公式估算船舶下沉量，下沉量=V2/100（式中V的单位是kn，此公式说明下沉量与船速平方成正比，但并没有考虑到船型、水深等问题）。

（2）船体下沉量的估算公式，利用经验公式对船舶下沉量的估算可能误差较大，相比较而言，利用船舶下沉量的估算公式，同时考虑了船舶的船长、船宽、船舶吃水、船舶排水量、航道水深、船舶航速、船舶方形系数、船舶纵向吃水差、水深傅汝德系数等因素，进行定量的数值计算更具科学性和实用性。几种常见的船体下沉量估算公式：

四、船体下沉量与船舶航行安全

1.船体下沉量对船舶航行安全的影响。船舶在浅水水域航行时会造成船体下沉和纵向倾斜增大，船速下降、舵效变差、旋回性变差等现象。船舶在浅水水域航行时，对船体下沉量数值考虑不足则可能造成船舶触礁、触底、搁浅事故，船舶在浅水区的操纵性能变差则可能造成船舶失控或者船舶之间的碰撞等海损事故，对船舶的航行安全产生极大地影响。

2.如何克服船体下沉对船舶安全造成的影响。通过分析，船体下沉量与受限水域的宽度、船舶对水速度、船体形状、水深及舷外水的密度等有着密切的关系，其中船舶的方形系数和船速是影响船体下沉的最主要两个因素，通常船舶水域条件，船舶方形系数因素是不能变化的，只有船舶的装载状况，船舶静态吃水在装货前是可以调整的，航行中船速是可变的。所以装货前，考虑所经航行区域的浅水情况，保持船舶合适的吃水及纵倾，通过浅水区域时控制好船速，是保证船舶顺利通过浅水水域时安全航行的关键。

参考文献：

[1]高利军，等.船舶下沉量分析与计算[J].天津航海，2009，（04）.

[2]戴冉，等.船舶下沉量实测研究[J].交通运输工程学报，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