萊州灣船舶航行富余水深的研究

李成海, 胡甚平, 陳冰君

(1.山東交通職業學院 航海系， 山東 濰坊 261206； 2.上海海事大學 商船學院， 上海 201306)

萊州灣位于渤海灣南部，是船舶自黃海西進入東營港、黃驊港、天津港的必經水域；同時也是天津港、黃燁港東經龍口港、煙臺港進入黃海水域的必經水域。為確保萊州灣水域船舶航行安全和濰坊港泊位正常運行，科學合理地規劃萊州灣水域安全航路十分必要。近年來，有很多學者對中國沿岸航路的諸多航道和水域的富余水深進行了研究，如劉德新等[1]、李連博等[2]、張云鵬等[3]、張德勇等[4]，但對萊州灣水域富余水深的研究仍是空白。本文參照芳村公式和Norbin公式，對影響該水域富余水深的因素進行了研究，提供了計算方法，確定了富余水深的建議值，希望對制定船舶安全航線以及為主管機關確定通航標準具有參考價值。

1 影響船舶航行富余水深的要素

1.1 萊州灣的氣候及潮汐概況

氣候：萊州灣地處山東沿海的西北部，冬季受寒潮影響，比較寒冷，干燥少雨；春季氣溫升高，多風、少雨、干燥；夏季比較炎熱；秋季氣溫下降，降水減少，風力也是一年當中最小的時節。萊州灣的大陸性氣候特點顯著。另外，萊州灣多輻射霧，霧一般只在夜間形成，日出后消失，特別是在早晨出現幾率較多。

潮汐：域內沿海屬不正規半日潮，理論深度基準面在黃海零點以下1.05 m。從理論深度基準面算起，最高高潮位是3.78 m，最低低潮位是1.28 m，平均高潮位是1.61 m，平均低潮位是0.6 m，平均潮差是1.01 m，最大潮差是2.97 m，平均海平面是1.11 m。

漲潮和落潮：一晝夜海水有兩次漲、落潮。高潮和低潮相隔6.75 h，但遇上大風則會出現海水大漲大落和潮汐不規則現象。如遇北風時潮早浪大，漲潮時間長；遇南風時則潮晚浪小，落潮時間長。

海浪：海浪主波方向由北向東，最大波高為4.5 m。

海流：海漲、落潮時的流速流向不相同，漲潮時流向為南西向，落潮時為北東向，潮流橢圓，大部分海區按順時針方向旋轉。萊州淺灘以東，漲潮流向東南向，落潮流向為東北向，流速為0.55 km/h，透明度一般為3～5 m，淺灘以西，漲潮流向為西南向，落潮流向為東北向，流速為0.25～0.4 km·h-1。

海冰：萊州灣沿海每年12月下旬開始結冰，冰期為60～70天。1月底至2月中旬結冰最為嚴重。冰情嚴重時，沿岸淺海固定冰寬度為500 m，有時達2 km，流冰外緣離岸10 km。冰厚一般為10～20 cm，最厚達30 cm，一般堆積高度為1 m以內，最高達1.7 m。

1.2 影響富余水深的因素

研究船舶的航行安全，必須考慮船舶在淺水區航行時船舶操縱困難的問題。因為在太淺的水域航行時船舶會陷入危險。因此，船舶在此水域和海況條件下的航行，為適應當時條件下船舶的操縱，船舶龍骨下的水深必須保持一定余量，這個余量稱作富余水深(under keel clearance，UKC)。影響富余水深的因素主要有6點。

(1)船舶航行出現船體下沉和縱傾狀態。船舶在淺水區航行，受船體四周水的壓力和船體四周水流速度大于船舶艏艉沿弦側水流速度的影響，這時船舶過水斷面積減少，流速增加，導致船舶航行阻力增加，船底水流壓力減少，使整個船體下沉并伴有縱傾。

(2)潮汐預報差值。天氣和海況良好時預報允許潮時誤差±20 min，潮高誤差范圍±20 cm。

(3)海圖水深的測量精度。根據國際標準，水深小于20 m時允許0.3 m左右的誤差,水深在20～100 m時誤差值不大于1.0 m。同時也要考慮資料的可靠程度、測量時間、海圖比例和海圖繪制詳盡程度[5]。

(4)風對潮汐時間的影響。在大風、寒潮、臺風等極端天氣作用下，原有的潮汐規律會發生變化。例如，11月的寒潮大風天氣持續影響渤海時，在3～5天強勁的西北風作用下，渤海的秦皇島港出現潮汐不變化現象；在持續2～3天強勁的東南風的作用下，煙臺港附近海域呈現退水現象，一般降低30～50 cm,最大時降低90～100 cm。

(5)氣壓對水位的影響。氣壓對海平面的影響很大。氣壓每增加100 百帕，水位相應降低1 cm,氣壓每減少100百帕,水位上升1 cm。11月份后，中心位置位于蒙古的高壓，中心氣壓多次高達1 040百帕以上，蒙古高壓對我國渤海海域影響很大，3 400百帕能引起30 cm海平面的變化。

(6)水密度對船舶吃水的影響。當船舶駛入不同密度水域時，船舶吃水會發生相應變化，特別是當船舶由咸(淡)水水域駛入淡(咸)水水域時，船舶吃水因水域內水的密度變化而影響最大[6]。

2 船舶航行于萊州灣水域時

富余水深的確定

富余水深的計算：

UKC=sF+h0+h1+h2+h3。

(1)

式中，sF為航行中船舶的下沉量；h0為船舶航行時龍骨下方最小的富余水深；h1為船舶航行時的波浪水深；h2為船舶航行時縱傾的富余水深；h3為船舶航行時其他富余深度。

2.1 航行狀態下船舶下沉量的計算

(2)

或者

(3)

式中，Δ為船舶排水量，t；LBP為船長(垂線間長),m；Fnk為水深弗勞德數；Ks為航道系數，開敞水域Ks=1,受限水域Ks=2；CB為方形系數；S為回流速度系數；V為船速，m·s-1。

2.2 航行中船舶龍骨下方最小富余水深的計算

考慮船舶航行下沉量后，船舶基線至海底之間的富余水深稱為凈富余水深。計算富余水深的主要目的是預防船舶觸地及擱淺以及提高船舶的操縱性能[7]。

h0與船舶噸位、水深測量誤差、海底障礙物、水密度、冷卻水吸入口直徑、人為因素等有關，但主要與海底底質有關，實際工作中一般以海底底質條件來確定，一般軟性底質(泥沙)取0.25 m,中性底質(砂底)取0.60 m,硬性底質(巖質)取0.9 m[8]。

2.3 航行中船舶波浪水深的計算

船舶航行時受波浪的持續影響，出現橫搖、首搖、橫蕩、縱浪、縱搖和垂蕩等運動現象[9]。縱搖、垂蕩和橫搖將引起船舶吃水增大[10]。對于VLOC大型船舶來說，橫搖變化1°，會引發吃水增大0.5 m左右；縱搖變化1°，吃水會增大2.8 m左右[11-12]。船舶航行波浪影響引發的吃水變量與船型、航速、排水量、海面波高、波浪周期、波向和水深等因素有關。由于小型船舶排水量小，波高變化大、船速增加時，航行時波浪引發的吃水增大現象非常明顯。目前，根據資料無法準確判定波浪對航行船舶吃水變化的影響程度，在實際工作中通常依據航行水域遮蔽條件來判定波浪的富余水深值[13-14]。波高參考值:全遮蔽水域(港灣內水)取值0 m,半遮蔽(垂蕩較小時)水域取值0.15 m左右,無遮蔽水域(港灣外或航道)取值0.30 m左右。

波浪水深h1和船舶龍骨下方最小富余水深h0相加的水深值為船舶操縱深度，大型船舶應保證h1+h0>1.0 m。

2.4 航行中船舶縱傾富余水深的計算

(4)

(5)

(6)

(7)

式中，d為船舶吃水量，m。

在開敞淺水水域，船舶下沉量受水深的影響較大，總的來看水深越淺下沉量越大。在受限水域，下沉量受船舶方形系數、長寬比、長度和水深之比影響較大。總體而言，船舶方形系數越大，船型越短越寬，相對船舶水深越淺、船速越高的船舶，下沉量越大[15]。

2.5 其他富余水深深度h3的計算

其他富余深度包括水密度的變化、水深幅度變化、觀測的潮汐誤差變化、圖深測繪誤差變化等引發的船舶吃水量值的變化。

因為船舶在萊州灣水域航行時受水密度變化影響很小，h3的值可以忽略不計。

綜上，船舶由海水進入淡水水域時，其吃水增加變化量由下式計算

Δh=d×CB/CW×(ρ1/ρ2-1)。

(8)

式中，Δh為吃水變化增量，m；d為船舶吃水量，m；CB為船舶的方形系數；CW為船舶總水線面系數；ρ1為航行水域海水密度，kg·m-3；ρ2為航行水域淡水密度，kg·m-3。

渤海灣萊州港水域航行船舶以10 kn速度作基準對象，利用UKC=sF+h0+h1+h2+h3可求得船舶富余水深基準為7.9d%。

因為進出萊州灣的主要船型為散貨船、集裝箱船和油船，經查船舶規范表得到了船型資料，具體如表1～3所示。

表1 散貨船舶的設計

表2 集裝箱船的設計

2.集裝箱碼頭設計標準以船舶噸位對應的設計船型尺度為控制標準。

表3 油船的設計

從表1查得散貨船2萬噸級和5萬噸級吃水分別為8 m、12.8 m，代入7.9%×d，獲得兩級別船舶富余水深值分別為0.6 m和1.0 m。根據表2查得1萬噸級、2萬噸級、3萬噸級和5萬噸級集裝箱船吃水分別為8.3 m、10.5 m、12.0 m和13.0 m,同理計算出四個級別集裝箱船舶的富余水深值分別為0.7 m、0.8 m、0.9 m和1.0 m。查表3可得4萬～5萬噸級、6萬～8萬噸級和8萬～12萬噸級油船吃水分別為12.2～15 m、12～13.8 m和9.0～13.0 m,同理可計算出各級別油船富余水深值分別為1.0～1.2 m、0.9～1.1 m和0.7～1.0 m。

萊州灣屬于開敞水域，該水域夏季強勁的東南風和冬季強勁的西北風會引起船舶縱橫傾角變化。縱橫傾角的變化對船舶航行富余水深影響較大，在計算船舶富余水深時應充分考慮風浪中航行船舶的最大縱橫傾角。

3 船舶航行于萊州灣時

最大縱橫傾角的確定

在萊州灣航行的船舶應保持一定的吃水狀態航行，從船舶操縱角度分析，在淺水水域航行船首首傾、船體下沉、興波阻力增強，旋回性變差，橫向阻力增加。假設船速在10 kn的情況下，允許船舶出現適當的橫搖角和首尾吃水差，其估算公式如下:

(9)

(10)

式中，B為船舶寬度，m；θ為船舶橫傾角，(°)；h為航行水域水深，m；d為船舶吃水量,m;Δ為航行狀態下的船舶吃水差，m。

通常情況下，散貨船舶吃水達8 m時，允許在航狀態出現最大值為10°的橫搖角，當存在吃水差時，其最大吃水差為0.6 m左右，12.8 m的散貨船允許出現橫搖時最大值為6°的橫搖角，其最大吃水差允許為0.4 m左右。同理，吃水達到8 m的1萬噸至4萬噸級以下的集裝箱船和4萬噸級以上的油船，分別出現最大值為8°和12°的橫搖角。

4 結束語

在參考了芳村公式和Norbin公式的基礎上，以萊州灣10 kn船速船舶為研究對象，結合國內外富余水深的標準、規范和相關研究，確定了富余水深值。該標準比萊州灣濰坊港采用的富余水深值10d%的標準小，該建議值是合理可信的。因此在萊州灣進出港的船舶，采用該結論確定引航的富余水深可以增加船舶的最大吃水，減少乘潮船舶的乘潮時間，在一定程度上可為船公司增加效益。同時該結論可為船舶駕駛員科學制定安全航線提供合理建議，并可為當地海事和港航主管機關制定通航標準提供重要依據。