摘　要：船舶由深水區(qū)航行至淺水區(qū)，船舶周圍水流的分布、水阻力、船速、吃水和操縱性等發(fā)生了一系列的變化。文章就此展開分析和研究，供船舶駕駛員在淺水區(qū)操縱船舶參考。

關(guān)鍵詞：淺水效應(yīng)　橫向阻力　轉(zhuǎn)船力矩　縱傾　舵效　旋回性　操縱

引言

我國的港口和內(nèi)河航道普遍存在著水深不足，致使船舶航行經(jīng)常出現(xiàn)淺水效應(yīng)，造成船舶的周圍水場(chǎng)分布、水阻力、航速、吃水和操縱性等發(fā)生了一系列對(duì)船舶的安全操縱很不利的變化。所以筆者認(rèn)為必須對(duì)船舶淺水效應(yīng)展開進(jìn)一步的分析和研究，以此給船舶駕駛員在淺水區(qū)安全操船提供參考。

1　船體周圍水流的變化及水壓分布

航行于淺水區(qū)的船舶，其周圍的水流與船體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，和深水區(qū)有很大的不同。在深水中航行時(shí)，不論其船首或船尾部分水的流動(dòng)具有三維空間內(nèi)流動(dòng)的特點(diǎn)。船首處斜向(既向兩側(cè)，又向下方)向后運(yùn)動(dòng)，并具有向下的明顯特點(diǎn)；船尾處斜向(既由兩側(cè)向縱中剖面，又向上方)向后運(yùn)動(dòng)，并具有明顯向上的特點(diǎn)，如圖1b所示。但在淺水中航行時(shí)，船首或船尾部分水的流動(dòng)因空間受到限制，原三維空間內(nèi)的流動(dòng)不得不變?yōu)橄騼蓚?cè)或由兩側(cè)同時(shí)向內(nèi)的二維平面式的流動(dòng)，如圖1a所示。這樣，就產(chǎn)生了不同于深水域中的船體周圍水壓分布的新情況，如圖2所示。

2　船舶橫向阻力的增加及轉(zhuǎn)船力矩的加大

圖3表示一艘低速駁船在淺水中航行時(shí)船底流速的變化情況。船體底部與河床之間形成狹窄的水道，導(dǎo)致船底的流速增大；并且由于水的粘性，在河床及船底均要形成邊界面，使過水?dāng)嗝娓訙p小，船底的流速更加增加。這種由于水深受到限制使船體與水的相對(duì)速度較深水情況有所增大，其增加的速度稱為回流速度。

回流速度的存在導(dǎo)致船底流速增加，壓力降低，從而使船體下沉，吃水增加，附加質(zhì)量及附加慣性較之深水有明顯增加。而且，由于船底和河床邊界層厚度均自船首向船尾逐漸增加，使船尾部過水?dāng)嗝孑^船首處為小，因而流速增加更大，壓力下降更甚，故船尾下沉較船首大，產(chǎn)生尾傾現(xiàn)象。

回流速度的存在導(dǎo)致淺水船周圍的流速比深水船大，且其舷側(cè)濕面積因船體下沉而增加，所以使摩擦阻力增大。同時(shí)，因水流與船體的相對(duì)速度增大，壓力下降亦大， 故首尾壓力差將增大， 并且船尾與河床的間隙小，易于發(fā)生渦流。因此渦流阻力也要增大。所以船在淺水中航行時(shí)其粘性阻力將增加。

淺水中，橫向阻力的增加，轉(zhuǎn)船力矩的加大，對(duì)操縱有重大影響?？坎床倏v中船受橫向來流，或靜水中作靠岸的橫向移動(dòng)，船舶所受橫向阻力及轉(zhuǎn)船力矩的大小，隨著水深的變淺，橫向阻力及轉(zhuǎn)船力矩會(huì)有成倍的增長(zhǎng)。

3　船體下沉與縱傾

船舶在淺水區(qū)航行中，由于周圍水流流速變動(dòng)，沿舷側(cè)水流較首尾快，使船體周圍水壓力發(fā)生變化(見圖4) 。船首尾部高，中間低，船舶如果保持其排水量，為了取得新的均衡，就要靜止時(shí)多下沉一些。與此同時(shí)，由于船體首尾線形的不同，也會(huì)引起縱傾的變化。

其實(shí)，即使在深水中航行的船，因船體周圍壓力分布發(fā)生的變化已形成船側(cè)水位下降，其結(jié)果將導(dǎo)致船舶整體下沉，同時(shí)縱傾狀態(tài)也隨之改變。這種下沉改變的程度，隨船型肥大、航速提高而變得越激烈。淺水中的船體下沉及縱傾變化，較之深水更為激烈，因而對(duì)船舶操縱影響較大，甚至產(chǎn)生船底擦碰海底的事故。這是船舶進(jìn)入淺水區(qū)域必須充分考慮的問題。在商船速度范圍內(nèi)，淺水中低速時(shí)就出現(xiàn)船體下沉，隨著船速的增高，下沉的增加率也很快，首上浮時(shí)機(jī)較早。而且，越是水淺，達(dá)到最大首縱傾和開始變?yōu)槲部v傾所需要的船速越低。因此，當(dāng)船舶通過淺水時(shí)，對(duì)船體下沉及縱傾現(xiàn)象必須引起重視，并應(yīng)根據(jù)估計(jì)，求出剩余水深，以防船舶拖淺或擱淺。

影響船體下沉量大小的因素很多，它隨船舶的種類、船體在水下的肥瘦程度、航速、水深和所航水域的性質(zhì)(開闊水域、受限水域、封閉水域)不同而變化，很難用公式計(jì)算出包含各種因素的船體下沉量。美國U.S Army corps ofengineers推薦船舶在淺水航道中航行時(shí)船體下沉量的計(jì)算公式如下：

船體下沉量=2×CB×V2/100(m)。

式中CB為與船舶吃水相對(duì)應(yīng)的方形系數(shù)；

V：船速，單位節(jié)(kn)。

為了方便使用上式，可參考表1查閱船舶在淺水航道中航行時(shí)的下沉量。

表1　船體下沉計(jì)算表 單位(英尺)

如果船舶在封閉水域航行，如運(yùn)河河道中，船體下沉量將大于相應(yīng)的表列數(shù)值。從公式中可看出，船速越高，越是肥大型船舶，船體下沉量越大。關(guān)于水深對(duì)下沉量的影響，一般認(rèn)為，當(dāng)水深小于7倍的吃水時(shí)，船體下沉開始察覺到，當(dāng)水深小于2. 5倍吃水時(shí)，船體下沉開始明顯增加。隨著船體下沉，船舶縱傾亦發(fā)生變化。一般而言，超大型中低速船首下沉量大于尾下沉量，小型高速船尾下沉量大于首下沉量。下沉量與船速的平方成正比，當(dāng)船舶航行于淺水區(qū)時(shí)，如果船舶首位波異常增高，則說明富余水深太小了，有觸底危險(xiǎn)，此時(shí)應(yīng)果斷降速或停車，以增大富余水深。

4　推進(jìn)器效率驟減，船速可降30%

為了使船體水線以下部分的形狀符合流線型，以減少渦流分離而產(chǎn)生的壓差阻力，并加強(qiáng)對(duì)螺旋槳的供水、提高螺旋槳推進(jìn)效率，船尾水線以下靠近基線部分往往比較尖，并向上抬起，一般在船中處過水?dāng)嗝孀钚?，流速最高，隨著向后過水?dāng)嗝嬷饾u增大，至螺旋槳盤面或舵葉處增加到最大值，使流速逐漸降低。由于螺旋槳盤面處的進(jìn)速低，來流對(duì)槳葉的攻角變大，螺旋槳的旋轉(zhuǎn)阻力大，負(fù)載增加，故螺旋槳轉(zhuǎn)速下降。同時(shí)，淺水使船行波泄水受限制，興波阻力變大；當(dāng)航速與移動(dòng)水波波速相當(dāng)時(shí)，興波阻力最大，可以看到有一巨大橫浪隨船前進(jìn)。由于航行阻力大增，船速可降低30%。

5　舵效降低，船舶旋回性變差

船舶在淺水航行，因船速下降，船底過水?dāng)嗝鏈p小，排出流流向紊亂，伴流的作用加強(qiáng)船尾高壓區(qū)作用，這些都損及了舵力，使舵效降低。另外，當(dāng)船舶沿淺區(qū)邊緣行駛時(shí)，船舷兩側(cè)的水深往往不一樣。由于船首高壓產(chǎn)生向前推進(jìn)的波浪受河底的反射較深水一側(cè)要強(qiáng)得多，因而在船首靠近淺水一側(cè)的壓力升高較深水一側(cè)大，使船首兩側(cè)產(chǎn)生指向深水一側(cè)的壓力差，迫使船首向深水一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，這一現(xiàn)象俗稱“跑舵”。在實(shí)踐中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)跑舵時(shí)，操舵者不應(yīng)用反舵將舵壓死，這將有利于船舶回到深水中，防止發(fā)生擱淺。

在淺水中用舵時(shí)，其回轉(zhuǎn)角速度明顯降低。根據(jù)模型試驗(yàn)表明，當(dāng)水深吃水比h/T=2時(shí)，回轉(zhuǎn)角速度降低為深水的85%左右；當(dāng)h/T=1.25時(shí)，回轉(zhuǎn)角速度為深水的50%左右。

進(jìn)入淺水后，由于舵產(chǎn)生的初始旋回力矩減少，船體旋回阻矩的增大，使旋回性指數(shù)變小，旋回性能下降。在淺水的旋回直徑，要比深水中大。根據(jù)試驗(yàn)，當(dāng)水深吃水比(h/T)=1.4時(shí)，回轉(zhuǎn)直徑約為深水中的1.5倍；當(dāng)水深吃水比(h/T)>4時(shí)，則無多大影響。故船舶進(jìn)人淺水后，雖然用了舵或加大舵角，船頭往往是遲遲不肯轉(zhuǎn)動(dòng)，一旦轉(zhuǎn)動(dòng)了又難以穩(wěn)住。

6　淺水區(qū)安全操船的措施

6. 1　減速行駛船舶在淺水區(qū)航行，在主機(jī)功率不變的情況下，因阻力增加，船速會(huì)降低。若要保持原來船速，則要增加主機(jī)功率，但這對(duì)于提高航速毫無意義，不但浪費(fèi)了燃料，而且加大了主機(jī)磨耗。減速行速，不但可以減少阻力，而且可以節(jié)約燃料，保護(hù)機(jī)器。另一方面，船舶進(jìn)入淺水區(qū)會(huì)增大吃水，船速越高，吃水增值就越大。降低船速，可減少吃水增值，防止增加碰擦河底的危險(xiǎn)。

6. 2　測(cè)深這是駛?cè)霚\水區(qū)后的一種必要措施，用以探測(cè)航路，使船行駛于最深位置以保持一定的富余水深。

6. 3　設(shè)法提高舵效為克服在淺水區(qū)行駛時(shí)舵效差的不利影響，在操作上應(yīng)注意，用舵要提前轉(zhuǎn)舵，及早回舵，使用的舵角應(yīng)較大。

6. 4　備錨為防止在駛過淺水區(qū)時(shí)，因舵效低和跑舵等原因而出現(xiàn)倒頭、失控等危險(xiǎn)局面，可事先通知備錨，供必要時(shí)使用。

6. 5　保持船舶具有適當(dāng)?shù)奈部v傾由于一般運(yùn)輸船在航行中，動(dòng)吃水增值都是首部的較大，因此，宜在開航前就使船具有適當(dāng)?shù)奈部v傾。

6. 6　注意船舶之間的會(huì)讓由于淺水區(qū)航道淺、窄、彎、多變，水流情況復(fù)雜，給船舶航行及會(huì)讓帶來了較大的困難，故做好船舶會(huì)讓就更加重要了。船員要謹(jǐn)慎操作，嚴(yán)格遵守有關(guān)規(guī)章制度及內(nèi)河避碰規(guī)則，加強(qiáng)了望，隨時(shí)作好避讓。

結(jié)束語

船舶航行于淺水區(qū)的情況是十分復(fù)雜的，如果船舶駕駛員不熟悉船舶淺水效應(yīng)或不能及時(shí)處理各種可能出現(xiàn)的情況，那么船舶隨時(shí)都有擱淺或坐灘的可能。故要預(yù)防或減少船舶擱淺事故，必須加強(qiáng)船員的技術(shù)培訓(xùn)，不斷提高其技術(shù)素質(zhì)，加強(qiáng)安全意識(shí)，提高船員遵章守紀(jì)的自覺性及對(duì)安全航行的認(rèn)識(shí)。

作者：招定友  來源：天津航海