唐山海监基地营运期通航安全评估

唐山海监基地营运期通航安全评估

郭昆峰，赵明时

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

摘要：海监码头占用港口水域，将使附近水域的通航环境发生一定的变化，投入运营后，船舶会受到自然条件、港口环境等因素的影响。以唐山海监基地为依托，对运营期的锚泊安全、航道通航安全、港池水域通航安全及自然环境对海监船的影响进行了分析，并提出海监船进出港的航法，可为类似通航安全的风险管理提供参考。

关键词：通航安全；运营期；进出港；港口；水运；航道

引 言

中国海监唐山维权执法基地位于祥云湾渔港码头东南侧，京唐港区五港池西侧，与京唐港区三期挡沙堤西侧相距约200m，如图1。

唐山海监基地船舶通航水域包括锚地水域、航道水域和港池水域等，船舶在各水域操纵时，受到的影响因素不同，船舶通航的安全性也不尽相同。为了保证海监船在不同操纵时段进出港的安全性，需要对唐山海监项目运营期通航安全进行评估[1-2]。

图1 唐山海监基地位置示意

1 通航安全分析

1.1 锚泊安全分析

1）锚地规模分析

海监船采用单锚系泊时，考虑风力＞7级，每个锚位所占水域为一圆面积，其半径按下式计算[3]：

式中：R为单锚系泊水域半径，m；L为设计船长，海监船取98m；h为锚地水深，取14m。

考虑一定的余量，锚泊半径320m，则单个锚位所占面积为0.102 km2。

基本锚地容量是指在理想情况下，锚地水域刚好被锚泊船全部利用时，理论上锚地所能容纳的最大锚泊船数量。

基本锚地容量=锚地总面积/单船锚泊所需面积

京唐港区 1#锚地面积 67.68 km2；3#锚地面积92 km2。两个锚地的锚泊船舶以5万t级以下的船舶为主，考虑到海监船锚泊面积较小，且海建基地涉及的船舶数量较少，目前的京唐港区1#锚地和3#锚地容量能够满足海监船锚泊的要求。

2）锚地水深适应性分析

锚地水深的选择主要与设计船型的满载吃水与波浪富裕深度有关：

式中：D为锚地水深，m；T为海监船的满载吃水，m；DW为波浪富裕深度，m，当H4%≤2m时，DW＝0。

京唐港区10m等深线处的实测波高H1/10最大为5.2m，但20m等深线处无实测波高资料。参考京唐港区附近的曹妃甸港区矿石泊位处（水深25m）的实测波高，其 H1/10最大为 6.9m。由于H1/10≈H4%＞2m则需要增加波浪富裕深度。

当H4%＞2m时，应考虑波浪富裕深度，当船舶首向和浪向相同时，波浪富裕深度可取 0.24H4%，本工程锚地附近的 H1/10≈H4%＝6.9m，则波浪富裕深度可取1.67m。

工程水域等深线处低水位的情况下，DW应为3.8m，则锚地水域的强浪向的波浪富裕深度至少为3.8m，本工程设计船型较小，最大吃水约为5.5m，则京唐港区1#锚地和3#锚地的水深能够满足本工程船舶锚泊的要求。

1.2 航道通航安全分析

1）航道宽度对通航安全的影响

在航道设计宽度满足规范的前提下，船舶通航尺度越大、船舶遭遇的风流压差越大，船舶通航时偏离航道的可能性越大，航道的适应性越差。

船舶所需航道有效宽度仅适用于风、流压偏角≤7°（横流≤0.5m/s）的情况。

为了研究航道的适应性，需对航道长度范围内的横流进行观察或模拟，本次评估引用对航道潮流的模拟资料进行分析。

根据对航道沿线的特征流速计算，图2为航道中心轴线的最大流速、平均流速以及最大横流的沿程分布。航道里程 0+000～0+361弧形段，在航道里程0+300附近流速最大，涨、落潮期间最大流速分别为 1.87m/s和 1.24m/s，最大横流分别为0.49m/s和0.12m/s；在航道里程0+200处，涨、落潮期间横流最大，最大横流分别为 0.65m/s和0.59m/s，平均横流为0.24m/s和0.33m/s。由上述分析可见，涨落潮期间，在航道弧形段，由于水流流速相对较大，且航道走向与水流存在一定夹角，横流也相应较大，可能会对船舶进出港产生一定影响。

航道里程0+361以外航道走向为160º～340º直线段。在0+361～1+000段水流受到京唐港区口门以及五港池西、南两侧挡沙堤影响，越靠近外海一侧，水流动力越弱，涨潮期间最大流速由在1.76m/s逐渐减小至0.33m/s，落潮期间最大流速由1.50m/s逐渐减小至0.36m/s；该段航道走向与水流流向存在一定角度，涨落潮期间最大横流普遍在0.25m/s左右。航道里程1+000以外段，水流主要受外海涨落潮控制，越靠近外海一侧，水流流速越大，涨落潮期间最大流速在0.27～0.36m/s之间；该段航道走向与水流基本垂直，航道横流相对较大，最大横流速度均在为0.30～0.35m/s。

图2 航道长度方向上最大横流模拟结果

由图2可见，在航道长度范围内，航道里程在0+000至0+361m段的范围内，船舶横流较大，其中在航道航道0+090段至0+290段，航道内的横流强度已经超过0.5m/s。

海监基地航道口门段294m的航道范围内的设计宽度为98m，可以满足10°风、流压差条件下（横风小于等于7级、横流小于0.75m/s）的航道宽度的要求，因此，在驾驶人员对航道内的潮流特点充分掌握后，航道宽度对安全通航具有较好的适应性。

2）制动距离对通航安全的影响

海监基地进出港航道轴线为直线，船舶进港时在船舶进入防波堤后利用港池水域进行制动操纵。引航实践经验表明，船舶制动水域宜呈直线布置。港池口门至回旋水域中心的距离为340m，为设计船型船长的4.3倍。则制动水域的长度和布置情况均适应设计船型制动的需要。

1.3 港池水域通航安全分析

港池水域对设计船型靠离泊及回旋掉头操纵的适应性与该水域的宽度、水深等因素有关。海监基地位于港池北侧岸线，船舶进出港靠离泊利用港池水域进行旋回和靠离泊操纵。

海监船船长为98m，按规范计算所需的回旋水域宽度应为196m，满足规范的要求，则港池水域宽度满足海监船的要求。

由此可见，海监船适应本海监基地的港池水域宽度的要求。

1.4 自然条件对通航安全的影响

1）风的影响

影响本海区的强风向为NE，次强风向为ENE；常风向为SSW，次常风向为WSW。海监基地航道的方位为340°～160°，与强风向和次强风向交角分别约65°和87.5°；与常风向、次常风向交角分别约为82.5°。可见，强风向和常风向与主航道方位交角均较大，处于横风范围，这种风向对船舶进出港操纵安全极为不利，尤其船舶吃水较小进出港时，由于其水面以上受风面积较大，其影响更加明显。受横风的影响船舶可能造成较大漂移，严重时使船舶失去控制，甚至引起搁浅事故[4-6]。

除了航道通航船舶会受到风的影响外，港池内部通航和靠离泊船舶也会受到风的不利影响。本工程泊位的方向为 70°～250°。就船舶进港而言，船首向为 250°，则 220°～280°风向为顶风；130°～190°（吹拢风）和 310°～10°（吹开风）风向为横风；40°～100°风向为顺风，见图3。

对于靠离泊的船舶而言，横风的影响大于顶风或顺风，本港常风向和强风向为顺风和顶风，对船舶靠离泊的影响相对较小，但船舶在港池内操纵时，由于航速较低，受到风的影响，由于海监船的操纵性能略好于一般商船，有利于船舶的靠泊安全[7]，因此，在对进出港期间的风力进行限制的情况下，风对船舶安全靠离泊的影响处于可控范围。

图3 风对通航安全的影响

2）潮流的影响

海监基地所在水域为祥云岛和五港池之间水域，该水域存在潮流，且潮流需流经本海监基地港池水域，模拟的潮流场见图4和图5。

图4 局部涨急流场分布

图5 局部落急流场分布

由图4可见，船舶在港池内部和航道操纵时，均会受到潮流的作用，在不同阶段通航时，受到潮流的影响也不尽相同。在涨潮期间，对于进港船舶而言，潮流对船舶运动的影响为顺流的影响，流的作用使船舶的航速有所增加，同时也增加了船舶减速制动的难度，对船舶减速制动不利；对于出港船舶而言，潮流的影响表现为顶流，船舶可以通过加车来抵消潮流的影响，出港船舶受潮流的影响相对进港船舶较弱。

由图5可见，在落潮流期间，对于进港船舶而言，潮流对船舶运动的影响为顶流的影响，流的作用使船舶的航速有所降低，有利于船舶减速制动。

3）浪的影响

本港常波向SE向，出现频率为11.57%；次常波向ESE向，出现频率为9.20%；强波向ENE向。港区防波堤的建设，对各港池的泊位均有较强的遮挡作用。船舶在港池内部操纵时，受波浪的影响较小。船舶在港池外部操纵时，容易受波浪的影响，本工程船舶总长为79.9m，接近于海上的波浪长度，受到波浪的影响较为明显。

2 通航方案

2.1 自然条件限制

船舶通航期间的自然条件限制主要为风、潮流、浪的限制。

1）风的限制：船舶进出港操纵期间，实测风力不得超过6级。

2）潮流的限制：船舶进出港期间，潮流的流速不宜超过1.5 kn。

3）波浪的限制：船舶进出港期间，遭遇的有义波高不宜超过1.5m。

2.2 进出港航法

1）进港船舶的航法

海监船进港的航行区间为锚地至泊位前沿水域的范围，在此期间，船舶需要进行的操纵有起锚加速阶段、航行阶段、减速制动阶段、旋回调头阶段和靠泊阶段。船舶航法如下[8]：

①根据港口潮流资料及码头情况确定船舶起锚时间；

②调整船舶在航道中线线方向的延长线上，保持船舶的航迹向为340°，确定风、流压差；

③船舶接近口门时对风、流压差进行微调，若风、流压差较大，船舶应适当加速；

④船舶通过口门后减速，调整航向使船舶接近泊位；

⑤摆好船位，靠泊。

2）出港船舶的航法

海监船出港的航行区间为码头前沿水域、港池、航道等水域，在此期间，船舶需要进行的操纵有离泊阶段、加速制动阶段、航行阶段等几部分：

①根据港口潮汐资料确定船舶离泊时间，提前备车；

②进行离泊操纵，在船舶离开泊位一定距离后动车，利用拖轮调整航向；

③操纵船舶向口门靠近，在保持船舶在航道中心线方位上；

④加速出港。

3 结 语

1）唐山海监基地船舶通航安全的定量和定性分析结果表明，海监船满足本海监基地的锚泊安全、航道通航安全及港池水域通航安全的要求。

2）海监船进出港航行时，要充分考虑自然条件对通航安全的影响，在风力不超过6级、流速不超过1.5 kn且波高不超过1.5m时，海监船方可安全进出本海建基地。

参考文献：

[1] 中华人民共和国交通运输部.2011年第5号令：中华人民共和国水上水下活动通航安全管理规定[S].2011.

[2] 中华人民共和国海事局.中华人民共和国海事局水上水下活动通航安全影响评估及通航安全评估管理办法[S].2011.

[3] JTS165-2013 海港总体设计规范[S].北京：人民交通出版社,2014.

[4] 张润涛.船舶风流压差的仿真研究[D].大连海事大学,2008.

[5] Isherwood R M.Wind resistence of merchant ship.RINA Transactions,1972.

[6] T Yamano,Y Saito.An estimation method of wind forces acting on ships.Journal of the Kansai Society of Naval Architects of Japan,1997.

[7] 吴秀恒,刘祖源,施生达,等.船舶操纵性[M].北京：国防工业出版社,2005.

[8] 高玉德.航海学[M].大连：大连海事大学出版社,2003.

Navigation Safety Assessment of Tangshan Maritime Surveillance Base During Operating Period

Guo Kunfeng,Zhao Mingshi
(CCCC First Harbor Consultants Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China)

Abstract:The occupation of port waters by marine surveillance terminal will produce a certain change on the navigable environment nearby.Ships will be affected by such factors as natural conditions and port circumstance after the terminal is put into operation.Based on Tangshan maritime surveillance base,some key points are analyzed,which include the mooring safety,the navigation safety of harbor basin and channel,the influence of natural environment on marine surveillance ship during the operating period.The sailing way of marine surveillance ship approaching and leaving the port is proposed,which may serve as a reference for the risk management of navigation safety.

Key words:navigation safety; operating period; ship approaching and leaving port; harbor; water carriage;channel

中图分类号：U697

文献标志码：A

文章编号：1004-9592（2017）05-0062-04

DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20170516

收稿日期：2017-02-15

作者简介：郭昆峰（1983-），男，工程师，主要从事港口工程技术管理工作。