寧波漁業錨地船舶避風能力評價研究

胡云平 劉 陽

(寧波大學海運學院 寧波 315211)

0 引 言

浙江沿海受臺風影響頻繁.漁民和漁船安全避風是關乎民生,保障漁民生命財產安全,維護社會安定的大事.海洋捕撈是寧波的傳統產業,全市漁船眾多.寧波所轄石浦港、三門灣、象山港等港灣均為天然避風良港,但對其避風能力從未作過評價.本文對不同水文氣象條件下錨地抗風級能力做出評價,使漁船能最大限度、有序、安全地避臺錨泊,為主管機關指揮漁船進入錨地抗臺提供正確決策的科學依據具有重要的現實意義.

1 漁船、錨地及避臺概況

1.1 漁船

寧波位于東海之濱,瀕臨我國近海最大的漁場——舟山漁場,漁業歷史悠久,是傳統海洋漁業大市.全市海洋漁船9 001艘,主要分布在象山、寧海、奉化三縣(市),其中185 kW以上外海漁船2 537艘(占28%),45～186 kW近岸漁船860艘(占9.5%),45 kW以下及非機動海洋漁船6 165艘(占62.5%).主要有三種類型漁船,見表1.

1.2 錨地

目前全市沿海有漁港34處,涉及錨地18處.主要是桐照錨地、西店、強蛟錨地、大嵩港錨地、梅山港錨地、穿山港錨地、象山1號錨地、象山2號錨地、象山3號錨地、象山4號錨地(中界山錨地)、林門港錨地、小灣港錨地、東門錨地、下灣門錨地、銅錢礁錨地、路林避風錨地、孔浦避風錨地、臨海浦閘、陶家路閘錨地、龍山四灶浦錨地.

表1 三種漁船船型的主要參數

1.3 避臺概況

全市漁船防臺的重點也是難點.因寧波市漁船避風錨地的自然條件參差不齊,漁船的錨泊設備不規范,漁民的錨泊操作水平不高等影響,走錨現象時有發生.另外,在避風條件較差的漁區和面臨較強臺風時,漁船往往采取擱灘方式進行抗臺,以抵御臺風.這種方式能較好地在臺風正面襲擊時保證漁船的安全,但也受到一定的限制：(1)部分漁船受船體結構限制不能采取擱灘方式,如裝有外龍骨的漁船;(2)風暴潮三碰頭的情況下,采用擱灘方式仍有較大風險;(3)近年來由于標準海塘建設、灘涂養殖和大規模的圍填海,造成適合漁船擱灘的灘涂面積急劇減少.

2 外界因素影響

2.1 風的影響

風動壓力是指處于一定運動狀態下的船舶,船體水線以上部分所受的空氣動壓力.船舶受風影響主要表現在,船速發生變化,船體向下風產生漂移,同時船首將向上風或下風偏轉[1].

式中：ρa為空氣密度,kg/m3;Ca為風動力系數;為相對風速,m/s;θ為風舷角,(°);水線上船體正面投影面積,m2為水線上船體側面投影面積,m2;為風動力,kN.

根據日本學者荒木浩,升豐治風洞試驗結果報告.漁船的風動力系數見表2.

表2 風動力系數表(滿載)

表3 日本漁船與中國漁船對比

從表3兩國漁船對比可知,報告中采用的風動力系數、流壓力系數有一定的可比性.

本計算,取空氣密度為1.026 kg/m3,每級風速取其平均值,力的單位為N.從計算可以看出,風對船舶的影響是在風舷角30,140°時,見表4.

表4 不同船型風級不同時所受最大風動力 N

2.2 流的影響

船舶與其周圍的水有相對運動時,船體就會受到水的作用力,這種作用力統稱為水動壓力.船水之間的相對運動,是由于船舶本身自力(車、舵、錨、纜)作用,也可能是由于外力(拖輪、風動壓力、水流作用)所引起的.由于水流的存在而對船體產生的作用,稱為流壓力.流壓力的計算公式如下[2].

式中：ρ為水密度,kg/m3為流壓力系數為相對水流速度,m/s;L為船長,m;d為吃水,m.

在這里不考慮縱向方向也即X軸方向流的影響,根據實驗結果,縱向受流壓較小.

從實地調查情況來看,所研究的這幾個錨地,在臺風、強臺風、超強臺風時,流速一般都不超過4 kn.從3種不同的船型,不同的水深、吃水比的計算結果來分析,特別是在H/D=1.1,漂角為90°時的情況下船舶受流壓力更大,見表5.

表5 不同船型在不同流速下受到的最大、最小力

2.3 波浪影響[3]

規則波中的船舶受到的波浪干擾力,采用Froude-Krylov假設：設定船舶的外形為正六面體.

式中：χ為遭遇角,(°);ωe為遭遇頻率;h為波高, m;k為波數,2π/λ;L為船長;B為船寬;d為吃水;ρ為水密度,kg/m3;為波浪周期,為風速,m/s;X為縱向受力,N;Y為橫向受力,N.

根據相關對石浦港、桐照港、三門灣、鎮海、嵊山歷年遭遇到12級臺風時,對錨地中的波浪影響,波高最大值為5 m,因此以此最大值作為計算標準.波浪要素見表6.

表6 三錨地不同風級下的波浪要素

3 抗風能力評價

3.1 單錨泊時的錨抓力

單錨泊時的錨抓力由錨的抓力和鏈與海底間的摩擦力兩部分構成,即

錨的種類較多,形狀各異,錨的抓力系數不同.錨鏈的抓力系數,根據T.Thorpo實驗在不同的底質中抓力系數也不同,錨抓力系數、鏈抓力系數隨底質軟硬程度的不同,差異較大.為使用方便,當情況不明時,估算可取錨(大抓力錨)抓力系數為8,鏈抓力系數取0.7.從單錨泊船錨泊情況看,保證安全錨泊的必要條件使錨泊力等于或大于船體所受外力見表7.因此,在不同外界環境條件下,出鏈長度是不盡相同的.

根據P=λaWa+λcWcl≥T0(作用于船體的水平外力),可知即安全錨泊的出鏈長度應為

表7 不同船型在泥質中的系駐力 N

3.2 不同船型的系駐力

從實際調查三個錨地的底質看,都為泥地.根據式(4)計算求得,海上常用功率為額定功率的90%,一般100 kW能發出13.33 kN的力,但各船的主機的推進曲線不同,這里必須有個系數,建議90%,見表8.

為了驗證系駐力的計算正確與否,課題組對奉化桐照、象山鶴浦、三門灣錨地進行實測.試驗條件：中國漁政33212(漁船改造)、吃水2.8 m、船長31 m、船寬6.3 m,錨重340 kg、功率222 kW;計量儀采用100 kN拉力器.試驗結果見表8.因拉力器有一定的誤差,表中最后一列下面行的數據為校正以后的力.實測與計算數值接近.

表8 漁船在不同錨地的系駐力(實測)

3.3 不同船型的抗風能力評價[4-5]

奉化桐照錨地、象山鶴浦錨地、三門灣崇堍錨地,在臺風季節時,多數到灘涂擱淺避風.據奉化桐照、象山鶴浦二地二十多位漁船船長多年避臺經驗介紹,最喜歡、最實用的方法就是灘涂擱淺避臺.從嚴格角度說,此種避臺不能稱為錨地抗臺,一般意義上的錨地抗臺,船應該漂浮在海上,以錨為圓心在水中頂風、流的合壓力方向進行旋轉.據船長們介紹,在以往的避臺實踐中,有過在鶴浦錨地錨泊避臺的經歷,但一旦風力超過11級,在鶴浦錨地是無法避臺的,常常發生走錨.

以5.5 m船型為例,根據式(5),如果當時受到臺風影響,當時港區內有11級風,流速4 kn,當時的H/D=7,相當于當地水深14 m左右,錨泊時,松錨索120 m,海底臥底索長為100 m,則本船系駐力,查表7,為17 806 N,查表4、表6,外力為：8 600.6+13 830.34=22 430.9 N,則外力大于系駐力,發生走錨,如果全速頂風流,則因加上主機推力19 869.3 N,系駐力加推力要大于外力,則不會發生走錨;如果不用主機,拋雙錨且成八字錨,兩錨鏈夾角為 600,則船的系駐力17 806×1.73=30 804 N,也能抵御外力,而不發生走錨,這從漁業船船長的調查中也證實,此時船可系留,不會發生走錨.計算結果與實際相符;如果當地的H/D=1.5,相當于當地水深為5 m左右,其他條件同前,按表 4、表 5,此時外力為 8 600.6+27 660.68=36 261.3 N,即時拋雙錨且成八字錨,船的系駐力小于外力,船也會發生走錨,如果加主機全速前進,則系駐力有37 675 N,不會發生走錨.這說明水深相對較淺的錨地比水深相對較深的錨地,在強風、急流中更易發生走錨.但如果此時拋一點錨(俗稱平行錨),則系駐力為17 806×2=35 612 N,加上主機推力19 869.3 N,大于外力,船不會發生走錨.其它船型、其它情況可依次類推.設定漂角為10°左右、風舷角為0°的理由是：漁船在錨地避臺,選擇附近有山遮擋之處錨泊,風向與流向基本是同一方向或接近相反方向,而很小發生風舷角為30°,而漂角為90°,所受外力都是最大值的情況.這里計算的值都是按實際風級得出的外力,在錨地里有山的遮檔,如果錨地外海上臺風風力為12級,實際上在3個錨地中,風力可能達不到12級.

4 結束語

通過錨地實際情況的調查,根據寧波轄區的漁船現有錨泊設備,課題組在分析計算的基礎上,認為：在臺風正面襲擊的情況下,寧波漁業錨地避風最大不超過臺風(12-13級),無法抗擊強臺風(14-15級)和超強臺風(16-17級)的臺風.象山鶴浦、鎮海的錨地,一般能抗擊風力11級以下的臺風引起的風.但如果在三門灣崇堍披灘避臺,可避強臺風,特別要注意的是在上述兩個地點,風力到達強臺風以上時,若遇風暴潮、天文潮,披灘漁船隨潮水升高,從而導致走錨.

[1]陸志材.船舶操縱[M].大連：大連海事大學出版社, 1999.

[2]王偉鵬,謝世堅.防止廣州港錨泊操縱中斷鏈丟錨的幾點淺見[J].珠江水運,2004(11)：35-36.

[3]賈欣樂,楊鹽生.船舶運動數學模型[M].大連：大連海事大學出版社,1999.

[4]胡云平.不同氣象條件下寧波水域港口錨地需求[J].水運管理,2005(7)：12-16.

[5]胡云平.層次分析法在寧波港錨地選擇中的應用[J].中國航海,2005(3)：15-18.