莱州湾船舶航行富余水深的研究

李成海, 胡甚平, 陈冰君

(1.山东交通职业学院 航海系， 山东 潍坊 261206； 2.上海海事大学 商船学院， 上海 201306)

莱州湾位于渤海湾南部，是船舶自黄海西进入东营港、黄骅港、天津港的必经水域；同时也是天津港、黄烨港东经龙口港、烟台港进入黄海水域的必经水域。为确保莱州湾水域船舶航行安全和潍坊港泊位正常运行，科学合理地规划莱州湾水域安全航路十分必要。近年来，有很多学者对中国沿岸航路的诸多航道和水域的富余水深进行了研究，如刘德新等[1]、李连博等[2]、张云鹏等[3]、张德勇等[4]，但对莱州湾水域富余水深的研究仍是空白。本文参照芳村公式和Norbin公式，对影响该水域富余水深的因素进行了研究，提供了计算方法，确定了富余水深的建议值，希望对制定船舶安全航线以及为主管机关确定通航标准具有参考价值。

1 影响船舶航行富余水深的要素

1.1 莱州湾的气候及潮汐概况

气候：莱州湾地处山东沿海的西北部，冬季受寒潮影响，比较寒冷，干燥少雨；春季气温升高，多风、少雨、干燥；夏季比较炎热；秋季气温下降，降水减少，风力也是一年当中最小的时节。莱州湾的大陆性气候特点显著。另外，莱州湾多辐射雾，雾一般只在夜间形成，日出后消失，特别是在早晨出现几率较多。

潮汐：域内沿海属不正规半日潮，理论深度基准面在黄海零点以下1.05 m。从理论深度基准面算起，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。

涨潮和落潮：一昼夜海水有两次涨、落潮。高潮和低潮相隔6.75 h，但遇上大风则会出现海水大涨大落和潮汐不规则现象。如遇北风时潮早浪大，涨潮时间长；遇南风时则潮晚浪小，落潮时间长。

海浪：海浪主波方向由北向东，最大波高为4.5 m。

海流：海涨、落潮时的流速流向不相同，涨潮时流向为南西向，落潮时为北东向，潮流椭圆，大部分海区按顺时针方向旋转。莱州浅滩以东，涨潮流向东南向，落潮流向为东北向，流速为0.55 km/h，透明度一般为3～5 m，浅滩以西，涨潮流向为西南向，落潮流向为东北向，流速为0.25～0.4 km·h-1。

海冰：莱州湾沿海每年12月下旬开始结冰，冰期为60～70天。1月底至2月中旬结冰最为严重。冰情严重时，沿岸浅海固定冰宽度为500 m，有时达2 km，流冰外缘离岸10 km。冰厚一般为10～20 cm，最厚达30 cm，一般堆积高度为1 m以内，最高达1.7 m。

1.2 影响富余水深的因素

研究船舶的航行安全，必须考虑船舶在浅水区航行时船舶操纵困难的问题。因为在太浅的水域航行时船舶会陷入危险。因此，船舶在此水域和海况条件下的航行，为适应当时条件下船舶的操纵，船舶龙骨下的水深必须保持一定余量，这个余量称作富余水深(under keel clearance，UKC)。影响富余水深的因素主要有6点。

(1)船舶航行出现船体下沉和纵倾状态。船舶在浅水区航行，受船体四周水的压力和船体四周水流速度大于船舶艏艉沿弦侧水流速度的影响，这时船舶过水断面积减少，流速增加，导致船舶航行阻力增加，船底水流压力减少，使整个船体下沉并伴有纵倾。

(2)潮汐预报差值。天气和海况良好时预报允许潮时误差±20 min，潮高误差范围±20 cm。

(3)海图水深的测量精度。根据国际标准，水深小于20 m时允许0.3 m左右的误差,水深在20～100 m时误差值不大于1.0 m。同时也要考虑资料的可靠程度、测量时间、海图比例和海图绘制详尽程度[5]。

(4)风对潮汐时间的影响。在大风、寒潮、台风等极端天气作用下，原有的潮汐规律会发生变化。例如，11月的寒潮大风天气持续影响渤海时，在3～5天强劲的西北风作用下，渤海的秦皇岛港出现潮汐不变化现象；在持续2～3天强劲的东南风的作用下，烟台港附近海域呈现退水现象，一般降低30～50 cm,最大时降低90～100 cm。

(5)气压对水位的影响。气压对海平面的影响很大。气压每增加100 百帕，水位相应降低1 cm,气压每减少100百帕,水位上升1 cm。11月份后，中心位置位于蒙古的高压，中心气压多次高达1 040百帕以上，蒙古高压对我国渤海海域影响很大，3 400百帕能引起30 cm海平面的变化。

(6)水密度对船舶吃水的影响。当船舶驶入不同密度水域时，船舶吃水会发生相应变化，特别是当船舶由咸(淡)水水域驶入淡(咸)水水域时，船舶吃水因水域内水的密度变化而影响最大[6]。

2 船舶航行于莱州湾水域时

富余水深的确定

富余水深的计算：

UKC=sF+h0+h1+h2+h3。

(1)

式中，sF为航行中船舶的下沉量；h0为船舶航行时龙骨下方最小的富余水深；h1为船舶航行时的波浪水深；h2为船舶航行时纵倾的富余水深；h3为船舶航行时其他富余深度。

2.1 航行状态下船舶下沉量的计算

(2)

或者

(3)

式中，Δ为船舶排水量，t；LBP为船长(垂线间长),m；Fnk为水深弗劳德数；Ks为航道系数，开敞水域Ks=1,受限水域Ks=2；CB为方形系数；S为回流速度系数；V为船速，m·s-1。

2.2 航行中船舶龙骨下方最小富余水深的计算

考虑船舶航行下沉量后，船舶基线至海底之间的富余水深称为净富余水深。计算富余水深的主要目的是预防船舶触地及搁浅以及提高船舶的操纵性能[7]。

h0与船舶吨位、水深测量误差、海底障碍物、水密度、冷却水吸入口直径、人为因素等有关，但主要与海底底质有关，实际工作中一般以海底底质条件来确定，一般软性底质(泥沙)取0.25 m,中性底质(砂底)取0.60 m,硬性底质(岩质)取0.9 m[8]。

2.3 航行中船舶波浪水深的计算

船舶航行时受波浪的持续影响，出现横摇、首摇、横荡、纵浪、纵摇和垂荡等运动现象[9]。纵摇、垂荡和横摇将引起船舶吃水增大[10]。对于VLOC大型船舶来说，横摇变化1°，会引发吃水增大0.5 m左右；纵摇变化1°，吃水会增大2.8 m左右[11-12]。船舶航行波浪影响引发的吃水变量与船型、航速、排水量、海面波高、波浪周期、波向和水深等因素有关。由于小型船舶排水量小，波高变化大、船速增加时，航行时波浪引发的吃水增大现象非常明显。目前，根据资料无法准确判定波浪对航行船舶吃水变化的影响程度，在实际工作中通常依据航行水域遮蔽条件来判定波浪的富余水深值[13-14]。波高参考值:全遮蔽水域(港湾内水)取值0 m,半遮蔽(垂荡较小时)水域取值0.15 m左右,无遮蔽水域(港湾外或航道)取值0.30 m左右。

波浪水深h1和船舶龙骨下方最小富余水深h0相加的水深值为船舶操纵深度，大型船舶应保证h1+h0>1.0 m。

2.4 航行中船舶纵倾富余水深的计算

(4)

(5)

(6)

(7)

式中，d为船舶吃水量，m。

在开敞浅水水域，船舶下沉量受水深的影响较大，总的来看水深越浅下沉量越大。在受限水域，下沉量受船舶方形系数、长宽比、长度和水深之比影响较大。总体而言，船舶方形系数越大，船型越短越宽，相对船舶水深越浅、船速越高的船舶，下沉量越大[15]。

2.5 其他富余水深深度h3的计算

其他富余深度包括水密度的变化、水深幅度变化、观测的潮汐误差变化、图深测绘误差变化等引发的船舶吃水量值的变化。

因为船舶在莱州湾水域航行时受水密度变化影响很小，h3的值可以忽略不计。

综上，船舶由海水进入淡水水域时，其吃水增加变化量由下式计算

Δh=d×CB/CW×(ρ1/ρ2-1)。

(8)

式中，Δh为吃水变化增量，m；d为船舶吃水量，m；CB为船舶的方形系数；CW为船舶总水线面系数；ρ1为航行水域海水密度，kg·m-3；ρ2为航行水域淡水密度，kg·m-3。

渤海湾莱州港水域航行船舶以10 kn速度作基准对象，利用UKC=sF+h0+h1+h2+h3可求得船舶富余水深基准为7.9d%。

因为进出莱州湾的主要船型为散货船、集装箱船和油船，经查船舶规范表得到了船型资料，具体如表1～3所示。

表1 散货船舶的设计

表2 集装箱船的设计

2.集装箱码头设计标准以船舶吨位对应的设计船型尺度为控制标准。

表3 油船的设计

从表1查得散货船2万吨级和5万吨级吃水分别为8 m、12.8 m，代入7.9%×d，获得两级别船舶富余水深值分别为0.6 m和1.0 m。根据表2查得1万吨级、2万吨级、3万吨级和5万吨级集装箱船吃水分别为8.3 m、10.5 m、12.0 m和13.0 m,同理计算出四个级别集装箱船舶的富余水深值分别为0.7 m、0.8 m、0.9 m和1.0 m。查表3可得4万～5万吨级、6万～8万吨级和8万～12万吨级油船吃水分别为12.2～15 m、12～13.8 m和9.0～13.0 m,同理可计算出各级别油船富余水深值分别为1.0～1.2 m、0.9～1.1 m和0.7～1.0 m。

莱州湾属于开敞水域，该水域夏季强劲的东南风和冬季强劲的西北风会引起船舶纵横倾角变化。纵横倾角的变化对船舶航行富余水深影响较大，在计算船舶富余水深时应充分考虑风浪中航行船舶的最大纵横倾角。

3 船舶航行于莱州湾时

最大纵横倾角的确定

在莱州湾航行的船舶应保持一定的吃水状态航行，从船舶操纵角度分析，在浅水水域航行船首首倾、船体下沉、兴波阻力增强，旋回性变差，横向阻力增加。假设船速在10 kn的情况下，允许船舶出现适当的横摇角和首尾吃水差，其估算公式如下:

(9)

(10)

式中，B为船舶宽度，m；θ为船舶横倾角，(°)；h为航行水域水深，m；d为船舶吃水量,m;Δ为航行状态下的船舶吃水差，m。

通常情况下，散货船舶吃水达8 m时，允许在航状态出现最大值为10°的横摇角，当存在吃水差时，其最大吃水差为0.6 m左右，12.8 m的散货船允许出现横摇时最大值为6°的横摇角，其最大吃水差允许为0.4 m左右。同理，吃水达到8 m的1万吨至4万吨级以下的集装箱船和4万吨级以上的油船，分别出现最大值为8°和12°的横摇角。

4 结束语

在参考了芳村公式和Norbin公式的基础上，以莱州湾10 kn船速船舶为研究对象，结合国内外富余水深的标准、规范和相关研究，确定了富余水深值。该标准比莱州湾潍坊港采用的富余水深值10d%的标准小，该建议值是合理可信的。因此在莱州湾进出港的船舶，采用该结论确定引航的富余水深可以增加船舶的最大吃水，减少乘潮船舶的乘潮时间，在一定程度上可为船公司增加效益。同时该结论可为船舶驾驶员科学制定安全航线提供合理建议，并可为当地海事和港航主管机关制定通航标准提供重要依据。