长江上海段外高桥水域航道狭窄，是连接吴淞口警戒区与圆圆沙警戒区的水上交通要道，每天往来船舶较多，通航密度较大。大型集装箱船进港靠泊外高桥码头多是乘潮而进，需要在码头对开水域顺流掉头之后再靠泊。面对涨水时段外高桥水域船舶密度大的复杂情况，大型集装箱船要在该水域安全地完成180°的掉头靠泊尤为困难，尤其是在大潮汛急顺流与强吹拢风叠加的不利情况下，在进入掉头位置前实施淌航控速和掉头操纵非常困难。本文结合大型集装箱船的特性，分析风、流、风动压力和水动力对船舶淌航控速和掉头操纵的不利影响，为保障该类型船舶掉头操纵的安全性和航道畅通提供参考。
1大型集装箱船掉头操纵的不利环境因素
1.1航道因素
外高桥主航道东接圆圆沙警戒区西侧边界线，西接吴淞口警戒区东侧边界线，由A54灯浮、A60灯浮、A点(31°23.5N,121°35.0E)和47号灯浮等4点依次连接围成。该航道的长度约为6 n mile，宽度约为1100 m，航道走向为120°/300°，东侧水域水深约为130 m，西侧水域水深约为18.5 m，长江口深水航道延伸段位于其中，北侧为吴淞锚地，南侧为沿岸航道和码头。一般进口靠泊外高桥码头的大型集装箱船的吃水在8~12 m，因此在外高桥航道水深H与船舶吃水d的比值H/d在2.75~1.30，远小于4.00，浅水效应明显，船舶旋回圈显著增大。据海事部门统计，2023年1-7月外高桥航道船舶日均流量约为573艘次，每小时平均流量约为23艘次，可见该水域船舶通航密度大，涨水时段更甚。
1.2风及风动压力转船力矩的影响
风作用于船舶水线以上部分产生风动压力，对船舶操纵产生影响，尤其是风动压力横向分力，根据Hughes公式!11，其大小为
式(1)中:Ya为风动压力横向分力;Fa为水线以上船体所受的风力;α为风力角;pa为空气密度;Ca为风动压力系数，其值随风舷角和船体水线以上受风面积形状的变化而变化;Aa为水线以上船体正面投影面积;Ba为水线以上船体侧面投影面积;θ为相对风舷角;Va为相对风速，m/s。
除了风舷角为0°和180°时，在风动压力的作用下还会产生风动压力转船力矩，船舶航行过程中该力矩的计算公式[2]可表示为
式(2)中:Ma为风动压力转船力矩;LG为船舶重心到船首的距离;a为风动压力作用中心与船首的距离。由式(2)可知，风动压力横向分力的大小主要取决于相对风速、相对风舷角、风力动压系数和风力角。风对船舶操纵的不利影响主要表现在风致偏转和风致漂移上，而大型集装箱船的上层建筑和集装箱货物使其受风面积大，即C,值较大，在相同风力情况下其受到的风动压力比其他类型船舶更大。
以上海港为例，该水域属于亚热带季风气候区域，夏季盛行东南风，常有雷暴雨偏北大风天气，并受台风的影响，冬季盛行西北风和偏北风，经常受寒潮的影响。根据外高桥主航道的走向，东北风、偏北风和西北风对进口航行的大型集装箱船在外高桥主航道向左掉头操纵均存在不利影响，特别是有较大余速且风力较大时(见图1~图图3)。
1.3流及水动力转船力矩的影响
船舶与水存在相对运动时，船舶水下部分会受到水的作用力，即产生水动力。由水动力横向分力产生的转船力矩同样会引起船首偏转，尤其是在与风动压力转船力矩叠加时，对船舶的正常操纵有显著影响，水动力横向分力大小的计算公式可表示为式（3）
船舶在航行过程中受到的水动力横向分力转船力矩的计算公式[4]可表示为
式(3)和式(4)中:Yw为横向水动力;pw为水密度;Cw为横向水动力系数;L为船舶水线长度;d为船舶吃水;Vw为船舶与水的相对运动速度;LG为船舶重心与船首之间的距离;aw为水动力作用中心与船首之间的距离。
以上海港为例，潮型为正规半日潮，外高桥主航道的潮流是往复流，急涨流时流速可达3~4kn。以2021年8月中浚潮汐站为例大潮汛(高潮潮位大于4.0 m的天数有10 d，特大潮汛(高潮潮位大于4.5 m3)的天数有12 d。由此可见，大型集装箱船顺流进口靠泊外高桥码头经常会遇到流速较急的情况，在掉头操纵前顺流控制航速较难，特别是叠加偏顺风，停车淌航艏向会受风动压力转船力矩与水动力转船力矩叠加的影响产生剧烈偏转，且停车顺水淌航舵效差，仅用舵无法克服偏转。若用车配合用舵，则不利于控制余速，最终导致掉头旋回过程受到严重影响，旋回圈和漂移距离增大。
2大型集装箱船引航实例分析
2.1大型集装箱船掉头操纵实例
2023年8月2日引领“”轮，计划自长江口北槽深水航道大风浪引航作业区进口靠泊外高桥两期1泊位，该船的主要参数见表1,停车冲程试验数据见表2。当日中浚高潮:潮时2342;潮高510 cm。当时上海港水域正受到6号台风“卡努”外围影响，外高桥江面东北风5~6级，阵风7级。
因当日大潮汛急涨流，在长江口北槽深水航道航行过程中，“M”轮一直是微速进车尾随前船航行，受较强东北风影响，风压角较大，船首右转现象明显，尤其是停车之后船首很快就会出现右转趋势，只能及时进车抑制。2343时"M”轮过圆圆沙灯船，在避让南槽航道的进口船之后尾随前船航行，此时开始通过助航设备持续进行远距离瞭望，观察上游出口船舶的通航状况，寻找合适的掉头空档，以便及时合理地控制速度。由于受到东北风和较大流速的双重影响，“”轮主机只能不断启停，降速不明显，在此期间及时联系协助拖船在指定位置待命。0015时“M”轮过A56灯浮，微速进航速11 kn，此时通过高频联系将要在其船首掉头的出口船舶,告知该船“M”轮的航行动态并取得该船的同意和配合，同时将该船的掉头操纵意图汇报吴淞船舶交通管理系统(Vessel Trafic-management System,VTS)，在取得吴淞VTS的同意之后进入掉头操纵的准备阶段。为减小旋回进距和横距，，“M”轮只能停车待船首右偏明显之后再微速进车，反复几次之后，0030时“M”轮航速9.2 kn，“海港30”在右舷船首待命，“海港32”在左舷船尾待命此时距离A60灯浮约700 m，左满舵微速进车开始实施掉头操纵，由于航速较快，艏艉拖船和艏侧推器都无法发挥作用，船首缓慢左转，待船首转过30°时航速有所下降，命令船尾拖船开始顶推，船首转过40°时船首右舷拖船开始顶推。待船首转过70°时“M”轮停车，防止前冲速度太快距离南岸过近，继续利用拖船和艏侧推器掉头，0037时船首转过90°，此阶段平均旋转角速度为12.9(°)/min。待船首转过100°之后微速进车加速旋回，0041时船首转过170°掉头接近完成，此时“”轮纵向距离A60灯浮约850 m。
2.2大型集装箱船掉头操纵要点分析
外高桥主航道涨水时段船舶流量大，寻找安全合适的掉头空档尤为关键，若只是单船操纵，立足本身就可以，而现实是要面临多船会遇局面。实例中“M”轮在2艘拖船的协助下掉头进距实测达到了约1550 m，比该船在旋回试验中的旋回进距大(见表3)，因此在做好本船掉头操纵的同时，还要与相关船舶沟通，取得他们的配合，这样会大大增加本船与他船的安全会遇距离。
当日东北风6级，外高桥主航道进口航向为300°，船舶在此航段内航行，右舷船尾来风，造成船首右转，淌航对水余速较快，旦停车，船首会加速右转，只能断断续续开车抑制，如图1所示(偏北风和西北风对外高桥进口航行船舶的影响如图2和图3所示)船首右转不利于船舶向左掉头操纵，且不能长时间停车淌航，不利于船舶在掉头前降速。大型集装箱船上层建筑高、干舷高度大，致使其受风面积大，且“M”轮为艉驾驶船舶，其风动压力的作用点更靠后，相对风舷角更靠近正横方向，根据式(1)，风动压力越大，该船风动压力转船力矩就越大。8月2日中浚高潮为510 cm，低潮为94 cm，潮差为416 cm，属于特大潮汛，涨水流速较急，最大流速为3~4kn，在这样的流速下船舶降速所需时间更长，且停车降速效果不明显，尤其是右舷船尾受风的影响，使得船首右偏后产生流压角，此时风动压力转船力矩叠加水动力转船力矩，致使其船首偏转更加明显，船舶保向性差，掉头前的降速过程更加困难，降速效果更差。根据经验公式(S-vt.80%，其中:S为船舶流致漂移距离;v为流速;t为掉头时间)，流速越大，船舶在掉头过程中的流致漂移越明显，船舶旋回进距大幅增加。“M”轮掉头过程中的船位示意见图4。
3应对措施
3.1保持高效地远距离瞭望，寻找安全的掉头空间
大型集装箱船的特点是尺寸大、吨位大，其掉头所需旋回水域较大，尤其是在大风天气和大潮汛双重不利因素的影响下，掉头操纵更加困难，此时要合理使用大马力拖船协助操纵以降低风险;同时，涨水时段外高桥主航道上的船舶流量大，这时选择合适的掉头空间至关重要。根据实例，在风、流不利的情况下，建议大型集装箱船掉头操纵时与出口船舶的安全纵距大于1.5 nmile。建议在距离掉头水域6 n mile以上时就开始通过雷达、计算机等助航设备远距离瞭望上游出口船舶的动态，通过计算与相关出口船舶的大致会遇点和最近会遇时间 (Time to the Closest Point of Approach,TCPA)，找出本船在抵达掉头水域时与哪些船舶有关联，尤其是找到本船将在哪艘船舶的前方进行掉头操纵，从而通过调整航速来满足掉头空间上的“地利”，切记“宁等勿抢”，空间是可以等出来必
3.2与相关船舶取得有效的沟通
涨水时段外高桥主航道上航行的船舶众多，甚高频(Very High Frequency,VHF)06公共频道比较繁忙，声音嘈杂，经常出现与他船沟通不顺畅的情况，这对船与船之间的避让是极为不利的。根据《长江上海段船舶定线制规定》第三十八条的规定，本船掉头操纵属于穿越航道的船胎，处在让路船的位置，为了更安全地掉头，同时减小对他船的影响，及早地与相关船船联系和沟通，得到其同意和配合是很重要的，从而取得掉头操纵上的“人和”。当在VHF 06频道沟通不畅时，建议短暂使用VHF71吴淞VTS频道联系相关船舶。
3.3因时制宜，采取有利的操纵措施降速
大型集装箱船在外高桥航道顺流掉头操纵时的航速不易太快，一般建议在7 kn左右，因此掉头前的降速很重要。大潮汛流速较急，大型集装箱船顺流航行降速较难，尤其是在受到来自右舷的大风的影响时，船舶的保向性变差，停车之后会很快出现船首右偏“把不定”的情况，此时可先将船位向上风方向调整，建议接近深水航道延伸段北侧边线附近，同时稍微操左舵，待船首有缓慢左偏的趋势之后再停车淌航。当预知不利的气象水文环境对船舶操纵有很大影响时，在大型集装箱船顺流掉头操纵准备阶段(即船舶通过圆圆沙警戒区之后)开始控速，考虑到此时航速较快，艏部拖船无法带缆，可考虑参照大型矿砂船在艉部吊拖1艘拖船，协助降速，配合大型集装箱船动车保向。待航速降低至拖船能到艏部安全带缆之后，调整拖船位置至左舷船首带缆，配合进行掉头作业。
3.4立足自我，优化拖船的使用
根据式(1)估算“M”轮受到的风动压力横向分力约为724.22 kN,5 000马力(1马力~735 W)的拖船理论上能发挥出的最大正顶推力约为646.8KN，实际上能发挥其最大顶推力的70%!41，加之受到潮流和船舶航速的影响，拖船的顶推力会大打折扣，因此在掉头初始阶段"M”轮要进车、满舵，充分利用自身的舵力进行旋回。待拖船能顶推时，利用艏艉拖船加速旋转。由于外高桥主航道南侧水域有限，待船首转过60°~80“时，若觉得距离岸线较近，可令船舶停车或倒车，在紧急情况下可做好抛锚掉头的准备，而此时拖船的顶推作用更加显著和重要。若感觉左舷船尾拖船和右舷船首拖船顶推之后船舶旋回效果不佳，建议增加1艘拖船在左舷船首带缆协助掉头。在与岸线有足够的安全距离之后，可实时进车施舵完成掉头操纵。以“M”轮为例，当相对风速为17.1 m/s时，根据式(1)估算该船所受风动压力横向分力约为1 253.42kN，向左掉头操纵极其困难，因此当相对吹拢风速大于7级时，不建议大型集装箱船进行掉头靠泊操纵，若必须完成该项作业，则应考虑在完成掉头之后保持船舶右舷受流，同时艏艉拖船正横方向倒拖，抵消吹拢风的影响，但该操作风险较大，需要谨慎实施。
3.5相关船舶的操纵
出口航行到外高桥主航道的船舶要密切关注需要掉头操纵的大型集装箱船的动态，积极联系，主动避让，发挥良好的船艺给掉头的大型集装箱船提供足够的掉头空间，“与人方便，与己安全”
3.6交通组织管理
涨水时段外高桥主航道船舶流量大，航行态势复杂，近段时间大型集装箱船顺流掉头操纵引起了吴淞VTS的关注，说明大型集装箱船的掉头操纵存在着很大风险。吴淞VTS的及时介入，对于掉头船舶和相关船舶的协调避让而言是极为有利的，建议吴淞VTS在船舶高峰时段借鉴道路交通中的“红绿灯”管理模式，通过出口船舶的主动降速为大型集装箱船的掉头操纵提供更为安全的会遇距离。
4结束语
随着航运业的不断发展，船舶越来越大型化，操纵难度越来越大，对操纵者的要求越来越高，大型集装箱船经常会顺流进口靠泊码头，掉头操纵是其靠泊过程中的重要一环，也是难点之一。本文以上海港外高桥航道为例，通过对风、流和航道进行解析，结合实例分析了大型集装箱船在不利环境因素下顺流掉头操纵的难点和要点，并提出了相关应对措施，希望能促进该类型船舶掉头操纵技术的提升，保障港口安全。
参考文献：
[1】祁尚升.不利环境下大型集装箱船外高桥掉头操纵要点及应对[J].航海技术,2024,(05):15-18.
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