高速船兴波特性分析及台湾海峡高速渡轮的兴波控制

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我国作为高速船的运营大国，兴波危害并不少见，然而对兴波的研究却不多。文章对高速船兴波特性及其危害性进行了分析，并对台湾海峡发展高速渡轮运输如何控制兴波危害提出了一些建议。

船舶兴波是由于船舶航行时，船体周围水压沿船身（船长）方向的变化不同而产生的。船体周围压力的变化及沿船长分布情况与船型、船速、水深与吃水之比以及海床地貌有密切关系，船型越肥大、船速越高，水深越浅，这种压力变化越激烈，兴波也越大。近年来，随着高速船朝大型化、更高速化的不断发展和在车客渡船上更广泛的应用，高速船兴波带来的危害也逐渐引起人们的关注。

高速船的兴波特性及其危险性分析

1、船舶兴波简介

船舶航行时兴起的波浪一般有首波和尾波二个波系，首尾波峰各包含向外张开的散波系和波峰线与中线面垂直的横波系。一般来说首波从波峰开始，波峰位于首柱之后；尾波从波谷开始，位于尾柱之前。船舶在深水区和浅水区的兴波特性是不同的。

在深水区，兴波大小主要取决于船的航速及长度。它们的关系在流体力学中用Froude数Fr表示，Fr数表示惯性力与重力之比。 Fr=V/sqrt(gl)，式中l为船舶船长； V为航速(米/秒)，g 为重力加速度(9.8米/秒，sqrt（x）表示x的平方根。传统船舶的Fr数都在0.35以下。如果Fr大于0.35，兴波阻力即超过摩擦阻力而居主要地位，当Fr= 0.4（最大0.5），传统船舶将达到其极限航速，此时兴波最强。只有具备超强推进力的高速船的才可能在Fr数大于0.5时航行。在高速船兴波研究中，Froude数也被称为船长Froude数，用Frl表示。

在浅水区，兴波大小主要取决于船的航速及水深。它们的关系在流体力学中用水深Froude数Frh表示。Frh=V/sqrt(gh)，式中 h 为水深；V为航速(米/秒)，g 为重力加速度(9.8米/秒，sqrt（x）表示x的平方根。

航行波在一定水深下的最大传播速度叫临界速度，当船舶以临界速度航行时的兴波阻力最大，Frh=1。 传统船舶在浅水区航行时，由于兴波阻力等浅水效应综合作用，航速不可能超过临界速度。

2、高速船兴波特性

对高速船兴波特性及其对通航安全和环境的影响的研究是近十年来随着高速船的发展才开始的，特别是对航速达40 节以上、船长100米左右的大型高速船。高速船在浅水区的兴波按船舶航行速度分类：临界、超临界、亚临界。

临界：航速等于临界速度，V=sqrt(gh),Frh=1；

超临界：航速大于临界速度，V>sqrt(gh),Frh>1；

亚临界：航速小于临界速度，V

高速船在某一特定水深条件下以高速航行，但是航行速度总是小于临界速度（V

高速船兴波特性分类总结表

上表以特定船舶为例给出了高速船兴波的基本特性，不同船舶兴波的波高及其周期还决定于船速、船长、排水量、船体外形和水深等因素。

3、高速船兴波主要危险性分析

临界状态下的兴波波高最高，破坏力很大，但临界状态并不一定表示水深Froude数Frh=1，但一般都介于0.85-1.1之间， 取决于水深h，一般水深越深，Frh越小就达到临界状态，水深越浅，兴波越强烈；何时兴波最强还要考虑船长Froude数Frl的影响，当Frh值处在临界状态，船舶又航行在极限航速（Frl在0.4-0.6之间）时，船舶兴波最强，破坏力最大，遗憾的是这种最糟的情况在现实中常见于100米左右长的高速船航行在很多水深15米的海湾等受限水域。临界兴波时陡削的波群对任何尺寸的船舶都会产生明显的影响，特别是在追越时。所以，高速船应避免在临界兴波时追越小型船舶。

图1：高速船临界状态兴波实拍图

显然，船舶应在整个航程中避免航行在临界速度状态。但对航速在35-40节的高速船，当航行在水深40-50米的海域时，临界速度状态就难以避免了。另外当高速船在进入水浅的海湾口水域减速，受重载和船体污染等因素影响，也容易陷入临界兴波的状态。

高速船和传统船舶在兴波特性上的主要不同是：高速船在高速航行时，无论是处在临界、超临界还是（高速）亚临界兴波状态，都带有长周期的波群。以前研究认为高速船比传统船舶兴波波高低，但从世界上最大的高速渡轮Stena HSS的兴波状况看，高速船兴波的波高和传统船舶近乎一样高，在浅水区兴波波高可达0.7米以上，且周期长得多。而这些长周期波容易造成浪损岸线，对水域的其他使用者乃至于岸边的群众也都会造成威胁，特别是高速船固有的在超临界兴波状态初期兴起的长周期波群。这些高速船在超临界状态下兴起的周期可长达40秒的波常会在船舶经过10多分钟后才到达岸边，在水深很浅的水域，往往第一个波波高最高，在高潮时更容易破坏或越过堤岸，在晴好无风天气，没有一个相对波高低点的波浪起警告作用，这样的突然袭击对海边毫无心理准备的群众就特别危险。超临界兴波后期的短周期波群，周期短到接近破碎极限，会比第一个波晚到达30分钟，这样的陡波对小型船舶尤其危险，在海上垂钓的小快艇、敞开式小船易被淹没或掀翻。

图2：传统船舶亚临界状态和高速船超临界状态兴波对比实拍图

（低速）亚临界状态的兴波是比较安全的,容易防范的。

在一定水深的深水区下的高速亚临界兴波，其长波群和短波群虽然相对于超临界状态破坏力会小点，但对船长100米及以上的高速船，其船尾周期14秒的横波，传播时间可达17分钟，开始时波高高0.7米，逐步降低至0.3 -0.2米，也颇具危险性。区分出高速船高速亚临界和（低速）亚临界兴波范围，对保持较高航速的同时降低兴波危险是很有意义的。

高速船在浅水区转向和改变航速也容易引起兴波灾害。经验表明，降速航行会带来更厉害的兴波。比如，当从正常的4部机减到3部机，航速从40节降到30节时，就会进入临界兴波范围，从而迫使航速进一步下降，跨过临界兴波范围的航行时间变长了，船体粘性阻力也变大了。这种情况下，船舶一定要尽快减速到亚临界速度范围（Frh

双体船兴波波群按不同周期区分明显，这是由于来自各单体的一些波产生相位抵消。而单体船兴波波群周期从长到短比较连续、不中断。据实测，在超临界范围双体船兴波比船长和排水量相似的单体船要弱一些。

对台湾海峡发展高速渡轮控制兴波危害的建议

据不完全统计，目前在我国各水域航行的高速客船计100多艘，都是载客300以下、船长50米以下的中、小型的高速船，高速船拥有量最多的水域是珠江三角洲，有高速双体船达50艘，航线达20条，也是受高速船兴波危害最严重的水域，上世纪九十年代高速船兴波浪损堤围险段达1000多公里，1999年曾发生一起高速船兴波掀翻龙舟造成人员落水伤亡事故。但是，我国至今对高速船兴波影响的研究还很少，对高速船兴波影响的控制还是仅仅采取简单的港区和特殊航段“一刀切”的经验式的几十年不变的限速规定。显然不利于既充分发挥高速船的高速性能又科学地把兴波带来的危害控制到最低限度。随着两岸“大三通”的全面启动，在台湾海峡开辟大型高速船直航航线已提上了议事日程，台湾海峡发展大型高速渡轮运输的市场前景看好。但台湾海峡是国际海上大通道，南北向船舶流量大，中部有多个渔场，渔业船舶及小型船舶多，两岸沿海从事渔排等海产养殖业而在海面工作的人员多，海边人口密集区多，福建沿海低标准的采运砂石船舶短期内还难以彻底清除，高速船兴波对这些船舶和人员的安全威胁很大。而且横穿台湾海峡的航线大部分水深都在40-50米之间，对当今航速大多在40节左右的高速船，航行时容易处于临界兴波的水域多。总之，台湾海峡发展大型高速渡轮运输，兴波危害不容忽视。

高速船在获准营运前要完成整条航线上兴波影响的风险评估。这种风险评估要应用IMO综合安全评估（FSA）的方法，结合目前对兴波特性的科学知识，综合利用数学模拟，模型实测和现场实船监测的方法，科学掌握特定船舶特定航线上的兴波知识，识别不同兴波危险的水域，对不同水域的兴波危害程度进行量化、定级，分析不同水域兴波发生可能性的大小，然后指定出相应的控制兴波危害的措施，比如采取特定的航线、不同航段不同航速、合理选择加减速的水域等，把兴波对水域和岸边的使用者带来的危害最小化。这种评估还要经过权威第三方的认证。

高速船要严格按照风险评估的要求进行营运。高速船经营公司要建立完善的安全管理体系，从制度、人员培训、操作程序等方面，确保各项兴波危险控制措施得到严格执行。

建议修正地方法规中关于港区或特殊航段的限速规定。应根据具体的通航环境和具体的船型，充分考虑影响兴波特性的不同因素及不同兴波的不同危害性，制定出科学的控制兴波危害的相关规定。

海事部门要加强对高速船兴波影响的监管。一是要求高速船经营人把3.1风险评估的有关内容包括进船舶操作手册和航线运行手册；二是尽快建立起覆盖全航线的VTS系统，利用AIS监控等对高速船的整个航行过程进行监控，监管高速船是否按3.1风险评估的要求营运以最小化兴波的危害影响。

高速船的船长、驾驶员应完成详细全面的高速船兴波知识培训。船长和驾驶员应牢记所有关于兴波控制的措施都不得与《国际海上避碰规则》的要求相违背。

政府各相关部门应做好宣传，提高普通大众特别是渔民、海上养殖户和经常在海边或海面活动的人们对高速船兴波危害的认识。

（作者单位：福建海事局）