典型车道水域航行船型适航性试验研究

典型车道水域航行船型适航性试验研究

近年来，在黄浦江三角洲水域发生了多艘船之间的碰撞和与船接触的事故。其主要原因是:黄浦江航道弯曲、狭窄、水深不一、水流流况变化较大。随着在黄浦江航行的船舶呈大型化趋势,船舶在弯头转向时不得不占用相邻航道。若船舶间协调不当或未协调,两船在弯头处相遇后,立即形成紧迫局面;船长对本船旋回特性及对水流流况估计不足,很难控制过弯船速,不能正确掌握用舵时机。1黄浦江航道总体规模1.1水文条件1.1.1潮汐黄浦江的潮汐为非正规半日潮。1.1.2涨、落流时间黄浦江内为往复流,流向与水道基本平行。黄浦江潮流还有如下特点:(1)东北风或偏东风,风力较大时(5级以上)涨流来得早,落流时间短;西南风或西风风力较大时(5级以上)涨流来得晚,落流时间长,当涨潮潮差大于落潮潮差,则涨流来得早,反之则晚;(2)岸边转流时间比航道中央早30min到1h不等;凸岸处涨、落流转流时间比凹处早;(3)中、小汛期的涨潮流历时较大汛期短,且受风的影响;(4)黄浦公园涨流自涨潮后2h左右开始到高潮后2～3h止;涨流流速最大在初涨1h后开始,持续约2h。1.2资料统计分析上海属北亚热带海洋性季风气候区,气象要素季节变化明显。根据上海市气象台最近30a的资料统计分析,春夏季多东南风,冬季多东北和西北风。距地面12m处的平均风速为3.1m/s,平均最大风速为30m/s,极大风速为34.7m/s。1.3至财务边界的约束上海黄浦江指从吴淞口灯塔经101#、102#灯浮至浦东界标的连线与闵行发电厂上游边界至渠漕港上口连线之间的水域,全长36.2nmile。黄浦江宽为320～700m,航道宽为200m以上。1.3.1航道的水流速度和最深处的航道深黄浦江水域航道全程水深稳定,除上游吴泾江面约有1.5nmile处的航道水深在6～8m,其余航道的水深在8m以上,最深处在上游的闸港弯头附近,深达29m。并且一般在航道弯道凸岸一侧的水深要小于凹岸一侧的水深。1.3.2头指控(1)张华h、高桥弯头、鱼道器头组合黄浦江水域易发事故的主要弯头主要有六个(见表1),由下游至上游分别为张华浜弯头、高桥弯头、陆家嘴弯头、董家渡弯头、鳗鲤嘴弯头、闸港弯头。(2)水流和一般开环水流①黄浦江航道弯曲、狭窄、水深不一、水流变化较大,一些弯头呈“瓶颈口”状,水流速度更快,最大流速可达3kn,不管涨、落潮,潮水流均流向凹岸一侧;②船舶航行至弯道水域,水流在重力和惯性离心力的作用下,产生的单向环流使表层水流指向凹岸,扫弯而下的水流(俗称扫弯水)对船舶操纵影响很大;③航道情况复杂,大小船舶众多,致使实际可用航道较狭窄,船舶在此航行往往受到各种干扰而延迟,甚至易发事故。(3)航道操纵不当①《黄浦江通航安全管理规定》中规定大型船舶在主要弯头应避免交会,但是限于黄浦江水域航道的具体情况,很难在实际中杜绝交会;②黄浦江实行船舶分道航行,客观上减小了船舶的实际操纵水域宽度,一些大型船舶过弯头时不得不占用相邻航道;③一些船长对航行水域不了解,对弯头的特点不熟悉,在过弯操纵时车用、把握用舵的时机不当;一些船舶依仗经验和对航道的熟悉,按照经验把握进入弯头的时机,但是遭遇对方不熟悉的操船人员,极易出现紧迫局面;④由于固有的黄浦江水域水文特点,航道等候通航的情况较为普遍,船舶过弯头时密度相对集中;⑤一些弯道凹岸处设有码头,停泊船舶占用航道现象依然存在。2h船舶交通流量实测为全面了解黄浦江各个弯道水域的通航情况,选取黄浦江陆家嘴弯道水域为代表,进行了24h船舶交通流量实测(2010-02-24T09:00/2010-02-25T09:00)。2.1船运输流量分析主要对进出口船舶流量、会遇次数分布进行统计分析,这些数据会直接影响到船舶通过弯道水域。2.1.1船舶流量较大时观测线的选择从表2、图1和图2中可以看到,陆家嘴通过弯道水域的船舶流量较大,平均有42艘/h通过观测线。在船舶流量高峰时段,最多时有83艘/h通过观测线。17:00—21:00和06:00—09:00是该弯道水域流量较大的时间段。2.1.2a3—会遇次数由于进出口船舶流量较大,船舶在弯道交汇次数较多,而交汇次数会直接影响船舶过弯的安全性。图3中:1、2、3分别为三条观测线,A12为观测线1和2之间的水域,A23为观测线2和3之间的水域。由图3可知,陆家嘴弯道水域船舶的会遇次数非常多,特别是13:00-14:00时间段,无论是A12水域还是A23水域,船舶会遇次数都达到了峰值。尽管《上海黄浦江通航安全管理规定》第十八条,大型船舶在航经陆家嘴弯道水域时,应当尽可能避免与其他船舶交会,但是由观测结果可知,交会是无法避免的。2.2在曲线表面的时间分析中2.2.1经营状况下的理念(1)陆家嘴弯道水域观测区域内船舶理论通过弯道时间分析:通过对陆家嘴观测区用电子海图测距,该弯道水域观测区全长为0.76nmile,因船舶通过弯道水域时,受航道条件限制,特别是对于大型船舶在弯头转向时船速会受到限制,航速减小导致舵效变差,当设定弯道水域航行船舶航速为6kn时,通过弯道水域观测区域时间为7.6min;(2)陆家嘴弯道水域观测区域内船舶实际通过弯道时间分析:由于船舶流量和船舶的操纵性能的好坏直接影响着船舶通过弯道的时间,因此通过设置三条观测线来记录通过弯道的时间点,以此来计算每条船舶通过弯道的时间。由图4、图5、图6可知,船舶过陆家嘴弯道水域时,大多数船舶过弯道的时间为4～15min。船舶较少的时候,特别是在夜间,过弯道的时间为4～6min,而船舶较多时,过弯道的时间为8～13min。对这一时段来说,进口船舶的过弯道的时间一般要长于出口船舶。2.2主要类型分析2.2.1瞳波水域的船舶通过对黄浦江弯道水域的船舶交通实态进行调查,并结合对陆家嘴弯道水域进行24h不间断观测,该水域的主要船舶类型有集装箱船、客船、货船(杂货船和散货船)、危险船、机动驳船、驳船、工程船、摆渡船、巡逻艇、渔船等。2.2.2验证气象港内船舶类型陆家嘴观测区域船舶种类和数量分析(根据船长分类)见图7。由图7可知,在黄浦江陆家嘴弯道水域,经过该水域的船舶类型种类较多,根据船长分类,在进港船舶中,船长>50m的船型占28%,在出港船舶中船长>50m的船型占18%。2.3黄浦江的主要航行时间1黄潮对船舶航次时间、流量的影响黄浦江潮汐为非正规半日潮。表3为黄浦公园2010-02-24/2010-02-25潮汐情况:图8分析了陆家嘴弯头水域观测区域内24h的船舶进出港航次时间与潮汐的关系。由图8可知,黄浦江潮汐变化直接影响其弯头水域船舶航次时间、流量分布。在高潮前1～2h内,船舶乘潮进港,船舶流量迅速增加并随之达到高峰,在此期间出口船舶逐渐减少;在低潮前1～2h内,出口船舶迅速增加,船舶流量在低潮前2h左右达到高峰,进口船舶流量迅速减少。2船型进港流量相对分散的原因图9分析了陆家嘴弯头水域观测区域内24h的船长>50m船舶进出口航次时间与潮汐的关系。在高潮前1～2h内,大中型船舶(船长大于50m)乘潮进港,在高潮前2h左右,大中型船舶流量达到峰值;此外,部分船长大于50m的驳船,货船出于提高航速、节约能源的考虑,通常选择高潮前1～2h左右通过该水域。但该类船型出港流量相对分散,原因如下:由于部分船舶(主要是驳船)是通过黄浦江水域后进入航行至杭嘉湖水域,返航时间相对分散;诸如矿砂船之类船舶在黄浦江水域作业,返航时间相对分散;大型船舶靠离泊装卸货物占用时间,返航时间相对分散。3船舶航行模拟试验3.1模拟船舶和区域3.1.1模拟船型采用了8种代表船型为模拟船型,其船型参数见表4。3.1.2模拟船舶的当前条件船舶过弯时航速6kn;横风5级;顺流1kn和2kn;满载;满载并拖轮吊拖。3.1.3模拟区域董家渡弯道。3.2在模拟结果的分析和研究中1代表船型进出麻黄渡匝道航道宽度模拟航段航道设计宽度最小值为210m,航道设计半宽最小值为105m。根据模拟试验数据,在横风顺流情况下,8种代表船型进出董家渡弯道航行时所需最大航迹带宽度为89.58m,最大单向航道宽度为133.98m,最大双向航道宽度为253.16m。在超过设计宽度的艉部加一艘拖轮后所需最大航迹带宽度为70.21m,最大单向航道宽度为114.61m,最大双向航道宽度为214.42m。2航道宽度和进口质量较浅在一艘拖轮协助下航道设计宽度仍不能满足代表船型“高贵”的双向航道宽度要求,但能满足代表船型“红旗203”及更小船型的双向航道宽度要求。然而考虑到弯道两侧的小船航道,以及航道中心线以西接近航道凸岸的进口航道水深较浅难以满足船长100m以上的散货船满载航行水深要求。因此,航道仅能满足代表船型“鸿祥5”而无法满足其他代表船型的双向通航安全要求,故对于其他代表船型如遇他船正在弯道水域航行时,宜减速,待他船通过后再进入弯道水域航行。3.3模拟结果与实际情况不完全实际模拟毕竟是现实的一种简约化的表现形式,对很多情况和边界的处理和实际情况有出入,模拟的结果并不能完全真实地反映所有的情况。对船舶操纵者的心理因素以及船舶避碰方面等都进行了简化处理,在运用模拟的结果时应充分注意上述局限性。4关于弯曲水域的提议4.1启动驱动轮配置建议4.1.1拖船总功率及说明按《规范》规定,港作拖船的总功率,应根据进出港船舶的载重吨按下式估算:BHP=kQ(1)BΗΡ=kQ(1)式(1)中:BHP为所需港作拖船总功率(kW);k为系数,DWT≤20000t,取0.075;20000t<DWT≤50000t,取0.060;DWT>50000t,取0.050;Q为进出港代表船型的载重吨(t)。由式(1)可以得出代表船型所需港作拖船的最大总功率,见表5。在一般风流情况下,所需拖船总功率可按表5所示配置,但在风影响很强时,还应增配足够功率拖船助操,以策安全。4.1.2拖轮助操助操由于弯道航道窄、各部位水深变化大、危险物多、水流急、船舶密度大等复杂因素,船舶航行的潜在危险性大。通过拖轮的协助,可以达到减速、保向和增加舵效的目的,使船舶在弯道航行时不频繁进车、用舵也能安全行驶。通常情况下,对于在黄埔江弯道行驶的船舶,可采取在艉吊拖一艘2354kW的拖轮助操。所配拖轮必须能提供90%及以上的功率。4.2安全保障措施4.2.1双向通航试验根据以上相关研究,船舶长度小于100m的船舶航行于黄浦江弯道水域时,一般情况下可以双向通航。同时由沿江各海事处通过AIS(AutmaticIdentificationSystem)和CCTV(ClosedCircuitTelevision)监管系统对过往船舶的动态进行监控,发现事故苗头或船舶违章的现象及时纠正。4.2.2非常不利的因素重载大船慢速航行时舵效往往较差,对过弯操纵是非常不利的。拖轮协助会大大提高大船的机动性,增大转船力矩,保证过弯航行安全。因此,船长大于100m的船舶应采取在艉部吊拖一艘拖轮助操。4.2.3民国时期船舶在麻黄匝道根据《上海黄浦江通航安全管理规定》第十八条规定大型船舶在航经黄浦江主要弯头时,应当尽可能避免与其他船舶交会,同时用甚高频无线电话06频道通报动态。由于黄浦江流量复杂,特别是在有摆渡船或拖轮船队存在的水域附近,船舶密度相对较大,必然有穿越航道的船舶与进出该水域的其他船舶构成复杂的交通局面。另外,船长大于100m船舶在弯道处转向时航迹带宽度明显增大,在一艘拖轮协助下虽可减缓此增大幅度但仍然难以保证船舶过弯时不占用相邻航道。因此,船长大于100m的船舶在黄浦江弯道水域只能单向通航。建议在黄浦江弯头上、下游设置待航区,并通过沿江各海事处指挥分中心进行交通组织和巡逻艇现场维护,避免船长大于100m的船舶在黄浦江弯道水域会遇。4.2.4航员现场指导(1)首次驾驶大型海船进入黄浦江,或对黄浦江的通航