受限水域船舶安全航行要素分析——以“长赐轮”搁浅事件为例

王 勇

一、引言

近年来，随着船舶建造尺寸越来越大，在全球各港口、河道、运河及海峡等受限水域发生的船舶搁浅、触碰和碰撞事故屡见不鲜，这些事故往往带来巨大的经济损失和社会影响。2021年3月23日，超大型集装箱船“长赐”（Ever Given）轮于苏伊士运河北向航道搁浅并造成运河双向通航严重受阻。随后，在运河管理局、船东和保赔机构等各方的努力救助下，Ever Given轮于搁浅6日后得以脱浅，至此苏伊士运河慢慢恢复通航。搁浅事故不仅给运河的正常经营带来损失，还导致其他计划通行运河的船舶延误，一时间关于事故发生的原因和后续船舶将要面临的巨额索赔成为全球关注的焦点。从目前运河管理局披露的信息分析，此次搁浅事故与外界环境对船舶操纵的影响关系密切。

二、受限水域的定义

通常情况下，受限水域指由于船舶的尺度和吃水与可航行水域的宽度和水深的关系，致使其不能自由进行变向和变速等操作，或变向和变速操作受到严重限制的水域。诸如进出港航道、狭水道、港口附近的分道通航带，锚地、狭窄的海峡、运河、江河、大桥下通航区以及养殖区附近水域都可能成为船舶航行的受限水域。

除了上述从船舶操纵的角度对受限水域给予的一些基本的解释外，业内也有一些量化的参考标准。1992年，世界水上运输基础设施协会（PIANC）针对船舶的操纵性能，结合水深H和吃水D的比值，对相对水深提出一个划定标准：当H/D≥3时，被视为深水区；当1.5≤H/D＜3时，被视为中等水深区；当1.2≤H/D＜1.5时，被视为浅水区；当H/D＜1.2时，则被视为非常浅的区域。

另外，根据荷兰学者Hooft. J.P.更早对船体前进时受到阻力的影响来划分，低速船当H/D≤4，高速船当H/D≤10时，即可作浅水域对待。以水流对船体横向运动的影响来区分，当H/D≤2.5时可作浅水域对待。同时，一般将2.5作为吃水比对船舶前进中的操纵性有影响的界限。当H/D≤1.5时，则是对船舶操纵性有较明显影响并能够被驾驶人员发现和感知的水深。

航道宽度对船舶的变向和旋回的影响是最大的，考虑到船舶触碰和岸壁效应，通常以航道的有效宽度W与船长L的比值来判断。当W/L≤2时，应视为狭窄水域，则岸壁效应可能会出现；当W/L≤1时，受限水域对船舶的操纵性影响明显，驾驶人员能够发现和感知这种影响。这里所说的航道有效宽度往往是指航道内的最小宽度，一般是在航道的底部，而不是平时驾驶员视力可见的水面上的宽度。苏伊士运河就属于典型上宽下窄梯形受限水域，Ever Given轮搁浅处水面宽度为291 m，但船体龙骨位置对应的水下宽度只有200 m，河底的宽度仅为130 m，而Ever Given轮的船长约为400 m，W/L比值远远小于1。因此，这种梯形横断面的航道设计显然增加了岸壁效应对船舶操纵的影响。

三、受限水域船体下沉量增加

受船舶运动和水流影响，船体在水下的富余水深减小的现象就是船体下沉。根据伯努利原理，液体内部的静水压力、重力压力和流动压力应总体保持不变；流体的压强与其流速有关，流速越大，压强越小；反之亦然。其简单原理是，当船舶在行进当中，船头推开的水将沿着船体两侧向后回流，来填充被船体排出的水的体积。在开阔的深水水域中，被船首推开的水量会向周围水域无限传递开来，回填的水速度慢，水量相对少；但到了浅水或狭窄水域，船体周围的水的流速增加，压力会降低，船体周围的压力差导致船体下沉，如图1所示。同时受到浅水和航道狭窄岸壁阻挡作用力，船首和船体排开的水会快速回填至船体排开水的体积，回填的水流将产生能量，带动船体一起下沉。

图1 浅水区对船体下沉的影响

船体下沉可能是前后平行下沉，还可能出现局部下沉的首倾或尾倾现象。实践证明，船舶平吃水时，当方形系数等于0.7时，船体基本是平行下沉；当方形系数大于0.7时，船舶首倾下沉；当方形系数小于0.7时，船舶尾倾下沉。如果船舶在原始状态就存在吃水差，则一般情况下船体下沉态势将保持原来的首倾或尾倾。船体下沉量（S）和船舶的方形系数（CB）和船速（V）有关，船体下沉量可按简易公式计算：S=CB·V2/100（宽敞水域）或S=CB·V2/50（狭窄水域）。随着船舶尺寸越来越大，速度越来越快，船舶的最大吃水越来越接近于港口航道的通航水深，船体下沉也愈发受到航运公司和船舶的关注。船舶在受限水域的下沉将直接影响到富余水深，并可能导致船舶擦底或搁浅事故的发生。

Ever Given轮搁浅事故发生时，船舶吃水为15.7 m，基本上达到夏季满载水线，该吃水对应的方形系数约为0.7，搁浅前航速达到13.5 kn，因此，我们可以大致估算出Ever Given轮在搁浅前的船体下沉量一度达到2.5 m。当时航段的水深约为25 m，增加的船体下沉量虽然不会直接导致满载的Ever Given轮擦底或搁浅，但浸入水下的船舶体积增大，船舶阻力增加，岸壁效应会因此增强，如图1所示。

四、受限水域内船速下降

导致船速下降的主要原因是船舶的移动阻力增大、摩擦力增大以及兴波阻力增大。船舶在水中移动时，船体会带动周围的水一起发生位移，简单说就是船首一直推着一部分水移动，而船体上也一直会附带着一部分水移动，这就相当于增加了船舶自身的重量。船舶在开敞的深水区时，一般船速较快，水比较清洁杂质少。进入窄而浅的受限水域后，出于港口规则或者安全考虑，船舶通常会主动降速，同时排开的水传递到周围后会迅速回返，使船舶首尾和左右两舷的附加质量增加。同时，在相同的主机转速下，由于船体周围空间受限，在受限水域船体附近水的流速会增加，水底或岸边的泥沙被带起，会增加船体的摩擦力。另外，船舶在受限水域船体会下沉，型排水体积增加。 以Ever Given轮为例，在搁浅的当时船体下沉量为2.5 m，其夏季满载吃水对应的TPC（每厘米吃水吨数）约为212.9 t。因此，我们可近似计算出该轮的排水体积增量为5万多立方米，毫无疑问这将增加船舶在水下的摩擦力和附加阻力。而且越是方形系数大的船舶，船体在受限水域增加的附加质量和摩擦力越大，船速下降得就越多。

船舶在水中航行时，由于船体掀起波浪，产生与船舶前进方向相反的阻力，这就是兴波阻力。船舶在进入窄浅水区后，兴波阻力将增加，这也会导致船速下降。

主机转数不变，船速下降，船舶滑失率增加，油耗也随之增加，但是对于船舶的舵效影响不大。随着船速的下降，船舶受风和流的影响将增加，有可能被风流压向危险的区域或者使船舶失控。

五、岸壁效应的产生

在受限水域中，船舶的动态将受到航行区域的横向限制，如河岸和码头墙壁的影响。这些限制将会影响船舶周围水的流场和压力场，从而影响作用在船体上的水动力和力矩。如果一艘船沿着具有恒定、对称横截面的航道中轴线航行，船舶将只受到阻力作用，不会受到任何侧向力或偏航力矩。然而，如果一艘船是在偏心的路线上移动，或者如果航行区域是不对称的，那么在船体周围的水流将会引起一个不对称的压力场，从而产生一个侧向力和一个偏航力矩。

一般情况下，相对于远岸的一侧，船舶周围的水流速度在近岸的一侧会加快，水压会降低，水面有所下降，由此产生的力量将船体推向近岸侧，尤其以在船中后部明显，这种现象常被称为岸吸。同时船首在前进过程中推开的水在近岸侧回返较快，将与推开的水量叠加产生超压并形成转船力矩，推着船首远离近岸向航道中心转向。当然，如前所述，航道内相对狭窄的岸壁也会增加船的阻力和船体下沉量。Ever Given轮搁浅航次近乎满载进入运河，其船体受风面积可达2万多平方米，当时受到7级偏西风及9级阵风的影响，风压推动船舶偏离运河中心线，船体有向运河北岸偏移的趋势。据此可以推测船体两侧产生不对称水压场，岸壁效应开始显现并逐渐明显。后续的船舶AIS轨迹分析也与岸壁效应影响效果相符。

根据国际船模拖曳水池会议（ITTC）的试验结果，船舶与岸壁之间的距离越小其岸壁效应越明显，虽然理论上存在一个临界值，但对船舶实操而言是没有意义的；岸壁效应与船速的平方成正比，船速越大，岸壁效应越明显；船舶富余水深的减小将会导致船岸相互作用的增大；此外，船舶螺旋桨的设计和岸壁的几何形状也会对船岸之间的岸壁效应产生影响，如图2所示。

图2 狭水道内船舶受到水压不同产生岸壁效应

六、受限水域内船吸现象

根据伯努利原理，流体的压强与它的流速有关，流速越大，压强越小。当两艘船近距离并列行驶时，两船间水流速度加快，压力降低；同时两船外舷的流速较慢，水压力相对较高，船舶的左右两舷形成压力差，推动船舶互相靠拢。船吸现象在船舶对遇、追越和交叉相遇中均会发生，航行的船舶近距离驶过靠泊船也会发生船吸现象。

两船在近距离会遇，刚接触期间，船首排开的水流互相叠加形成高压区，推开两船的船首向外。随着两船逐渐接近，两船中部的低压区越发明显，这时会引起并行的两船靠拢和偏转，也最容易发生碰撞事故，见图3（a）。

由于追越局面下两船的作用时间长，船吸现象更加明显。追越船接触到被追越船船尾的瞬间，由于两船内外部压力差导致追越船船首向被追越船偏转，同时被追越船船尾也向追越船偏转，此时容易导致船舶碰撞；随着两船逐渐靠近，船中部形成低压区，两船横距越来越近，被追越船船首向追越船偏转，也容易产生碰撞，见图3（b）。船吸现象对排水量相对小的和船速相对慢的船影响更大。

图3 船吸现象原理图

七、受限水域对船舶操舵的影响

船舶在受限水域航行，由于螺旋桨涡流和伴流的增强导致舵力降低，且船底下富余水深越小，舵力下降得越大。在螺旋桨转速保持不变的情况下，由于船速降低而导致螺旋桨滑失增加，螺旋桨排出水流的速度增加，以及浅水中舵的下缘距海底较近导致舵的整流作用加强等因素的影响，又使前述舵力降低得到了补偿，总的来看舵力下降不大。虽然舵力下降不大，但是船舶的旋回性有所下降，意味着船舶需要使用更大的舵角来实现变向，但是受限水域留给船舶的安全空间有限，使用大舵角变向需要船舶回舵更及时更敏锐。

八、受限水域内航行加重了船长和船员的疲劳与压力

全球很多船舶必经的受限水域往往是位置非常重要且距离较长的河道和运河，诸如我国的长江、珠江和闽江，美国的密西西比河，南美的巴拉那河，欧洲的易北河，日本的濑户内海，以及苏伊士运河和巴拿马运河等，甚至有些港口的进港航道也要几十甚至上百海里。船舶在这些河道或航道内航行，需要经历几个航行班才能完成整个进出港航程。船员在此期间，需要不间断地值班、瞭望、操车、操舵、备车、备锚等。受航道有效水深和宽度的限制，留给驾驶人员操控船舶的安全余量不大，任何一个航行命令执行不及时或不到位，船舶都可能随即发生航行事故。在接连几个小时的高强度和高压力的工作下，船舶驾管人员操船责任重大，精神高度紧张，容易产生疲劳，进而导致体力下降，精力不集中，此时船员会出现指令错误、口令回复慢、应舵不及时、把定不迅速、艏向不稳定、操反舵、误操车钟等现象，甚至发生航行事故。

九、结语

船舶在受限水域航行，因周围水流和水量变化，致使船舶的阻力增大，船速降低；船体中部低压区向船尾扩展产生船体下沉，并伴生纵倾变化；船尾伴流增强，螺旋桨上下桨叶推力之差较深水区明显，还将产生较为明显的船体振动；在浅水区旋回阻矩增加，旋回性将变差，舵力有所下降；当船舶由于风流影响或操舵把定一旦没有航行在航道中心线上，还将出现岸壁效应，船首偏向航道中央，船体和尾部被吸向岸壁。良好地理解上述影响船舶在受限水域安全航行的各种要素的原理，能有效帮助船舶驾管人员做好船舶在受限水域的航行计划，有效控制船位和船速，预留好富余水深，合理安排船舶值班人员，严格执行公司的安全管理规定，确保船舶在受限水域内的航行万无一失。