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排空法更换压载水对稳性的影响以及对策
王海鹰，刘洪伟
大连海事大学航海学院，辽宁大连（116026）
摘 要：本文对压载水的危害以及一些压载水的处理方法进行了介绍，并着重对排空法更换
压载水进行了分析，提出了排空法对稳性的影响及对策。
关键词：压载水，排空法，船舶稳性
1. 引言
随着世界贸易和经济全球化的发展，船舶越变越大，船速也越来越快。不幸的是，船速
的加快导致船舶两港间航行时间的缩短，这也增加了外来有害水生物存活和转移的可能性。
从一个国家港口加装的压载水中所含的水生物就会在船舶到达另一个国家港口装货时随压
载水被排放到该国的水域中。据估计全球船舶携带的压载水每年大约有 120亿吨。每天存在
于船舶压载水中随船周游世界的生物达 4500种。即使经过数月的航程，许多种细菌、植物
和动物仍能存活于压载水及其沉积物中。其中某些生物一旦被传播的一个新的地方，可能会
造成经济和环境方面的灾害性后果。水生物通过压载水入侵到新的环境中已被全球环保基金
判定为当前世界海洋所面临的四大威胁之一，其他三个威胁分别是陆源污染，对水生物资源
的过度开发和对海洋栖息地的物理性改变和破坏[1]。经济的发展更加深了人们对环境保护的
认识。国际海事组织于 1997年 11月 27日通过了 (20)号决议。该决议明确指出要
通过压载水的控制与管理来防止有害水生物和病原体的传播。根据该决议,包括美国、英国、
澳大利亚等在内的许多国家对船舶进港后因装卸货需要排放压载水的,则这些压载水应在到
港前的公海中更换为清洁压载水系统的设计与管理提出了相关要求[2]。本文将根据 IACS的
最新要求,就压载水管理的几种模式进行介绍并着重介绍排空法的相关事项。
2. 目前国际上公认的压载水处理方式
（1）排空法 这种方法是逐舱把在河口或近海水域中注入的压载水全部排出，直到把压
载水排空为止，然后用深海海水加满，即用新鲜的深海水更换大量初始压载水。该方法的优
点是压载水几乎完全有效地置换，泵和管系的工作负荷只需中等程度地增加;缺点是操作比
较复杂，需要比较复杂的压载计划以避免超出船舶强度、稳性和纵倾的许可限制，同时需考
虑动载荷的影响，包括未满舱的晃荡等(这对大部分船舶意味着只能在平静的海洋进行压载
水交换)
(2) 溢流法 这种方法是把深海海水从压载舱底泵入使压载水从舱顶连续不断地溢出，
直到更换掉足够的压载水量以减少仍停留在舱中的目标生物数目。根据 IMO 的有关规定，
在深海更换的压载水量应为压载水舱容积的 3倍。该方法的优点是容易操作，且对船舶的强
度、稳性和纵倾影响不大;缺点是双层底和首尾尖舱难以彻底冲洗，可能引起超压损坏、泵
和管系超负荷，而且不适合在寒冷的环境操作[3]。
(3) 稀释法 这种方法是由巴西的研究人员、工程师、船舶建造人员构成的小组建议的，
他们对现有船舶进行管路改进，从船压载舱顶部进水，下部排水。该方法虽然克服上述两种
方法的缺点，但还是存在着能耗过大、更换效率不高和船体改造工艺复杂等缺点。
(4) 其他方法 过滤法，气旋分离法，放电处理法，磁化处理法，高流速损伤法，紫外
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线照射法，超声波法，氯化技术，臭氧技术，脱氧处理生物技术，防污镀层[4]。
对于大多数船舶来说，目前用深海海水更换近海或港口压载水是一种减少外来物种引
入的有效方法。这种方法以两个主要的生物学和生态学原理作为其理论基础。
第一，反向引入的可能性是不存在的。生活在淡水、河口以及绝大部分浅海中的生物
不可能在深海环境中生存下来；同样，深海压载水中的海洋生物被排入淡水、河口或浅海环
境中也不能生存。
第二，被排入深海中以后，幸存下来的生物通过其它船舶的更换压载水操作带到近海
水域的可能性微乎其微。因此，国际海事组织所公认的压载水处理方式是海上更换压载水。
针对压载水管理公约的通过和即将生效，各国主管机关加强压载水管理的现状，对老旧
船，公约首先要求在公约生效后采用压载水交换法达到对船舶压载水更换的标准的要求，然
后给出时间表进一步达到较高的船上压载水处理的生物和卫生标准要求。由于压载水处理技
术还很不成熟，在公约生效之前和之后一段时间内压载水置换技术都还是压载水管理的一种
主要方法。另一方面，美国、澳大利亚、新西兰、加拿大等国已经先后制订了地区性或区域
性法规，旨在对到达港口的船舶实施压载水强制管理。这都要求我们以公约为基础考虑现有
的 (20)决议，采用海上压载水更换方法制定压载水管理计划。
目前海上更换压载水方法是 IMO认可的比较有效的压载水处理方法，其具体要求是：
船舶在航行途中，在离岸 200海里以外、深 200米以上的深海水域更换压载水，如果船舶航
行区域的水深无法达到 200米以上，应在远海或港口国指定的海域更换压载水。海上更换压
载水有使用较多的是排空法，这种方法对船舶安全方面的危险集中于:稳性、吃水及吃水差、
强度(总纵强度与局部强度)以及人员安全 4个方面[5]。
3. 排空法对稳性的影响以及对策
稳性的基本概念
船舶在海上航行时，由于船舶自身存在的固有缺陷、或者船舶遇到了船舶不能承受的恶
劣的海洋气象条件、或者在营运操作中出现人为的失误，导致海难事故时有发生。调查资料
表明，在各种海难事故中，尤其以完整稳性不足而发生的船舶倾覆事故对生命财产所造成的
损失最为严重。因为这种倾覆往往在很短暂的一瞬间，船员来不及采取有效的救援措施防止
船舶的倾覆。因此，为了保证船舶航行的安全，对船舶完整稳性进行合理的计算非常重要。
船舶完整稳性的评定归纳起来可分为先验法、确定性力学法以及概率可靠性法。
a先验法:这种方法就是收集大量实船资料与失事记录，通过对因稳性不足而发生倾复的
船舶与航行安全的船舶的稳性进行统计分析比较，从而提出保证船舶安全航行所需要的稳性
指标。这种衡准仅限于复原力臂曲线特征值的要求。由先验法制定的稳性衡准是建立在大量
的船舶航行记录以船舶海难事故的统计分析基础之上，具有充分可靠的依据，符合客观实际，
形式也比较简单，但其缺点也是明显的。这种稳性衡准只是间接地对船舶本身具有的内力作
了规定，没有考虑外力，对于尺度、装载情况以及受风面积不同的船舶都要求具有相同的抗
倾复能力。
b确定性力学分析方法:由于船舶内在风浪中倾复。其直接原因是由风、浪等外力所引起
的，因此寻找这种外力与船舶自身具有能力之间的内在联系、自然就成为稳性研究探讨的内
容。而耐波性理论的发展使这种努力逐步趋于成功。将船舶置于特定外界环境条件下，对船
舶倾复的物理现象进行力学分析，分别就造成倾复的各种因素提出数学模型，通过对其求解，
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对船舶稳性作出评价，这就是确定性的力学分析法。
c概率可靠性法:实际上船舶在航行时所遇到的风浪及其外力都是随机性变化的。而船舶
本身的抗倾复性能取决于装载情况、货物移动、人为操作等，这些都是些随机因素。所以船
舶遇到的环境条件以及船舶本身的抗倾复能力都是些随机函数，用确定性方法就不可能反映
船舶稳性的随机性本质。同时船舶安全性与经济性又是一对互相制约的矛盾，这些也只有通
过概率方法才能进行协调。概率可靠性法就是基于这种思路发展的[6]。
排空法对稳性带来的影响
在国际船级社(IACS )于MEPC41届会议上提交的《海上更换压载水危险识别》报告中
指出，“排空法”所带来稳性的丧失是来源于压载水作业过程中，重量的增减、吃水的改变、
重心高度的升高以及自由液面影响的增大导致初稳性高度的减少。
安全评估 安全评估的核算工况应根据装载手册的典型装载工况选择下列最危险工况:：
1)满载中途(消耗品 50% );
2)压载中途(消耗品 50%);
3)间隔装载中途(消耗品 50% );
4)稳性或强度最差的工况。
对于集装箱船来说应考虑满载中途工况，尽量选取额定最大箱数或较接近最大箱数的装
载工况；对于散货船来说应考虑压载中途或/和间隔装载工况；对于油船来说应考虑满载中
途工况和/或压载中途工况。 对于未装有装载仪的船舶，除了应满足上述 4 个工况的要
求外，至少增加满载出港、满载到港、压载出港、压载到港 4中典型工况。
一般情况下应对所需交换压载水的所有压载舱逐一分别进行评估，但对于已配有装载仪
的船舶应不必完全进行，但必须对首尖舱和位于船中附近的容积最大的一对边舱或一个中间
舱进行压载水交换时进行安全评估。应当注意的是，在进行上述计算时，仍应考虑自由液面
对稳性的影响[7]。
为确保稳性应采取的对策
对于船舶己安装了装载仪的，则按照上述的方式进行评估，对于未安装装载仪的船舶(在
现有船舶中，船长小于 150m的散货船并不强制安装)，则应按照下列方式进行计算。
a)为保证船舶安全，应首先确定一次排出压载水量的允许值;按照 IMO提出的压载航行
最小排水量的衡准表达式:
dM≥dM min
式中:dM min = + 2(m)
dM为平均吃水
以及压载航行最小首吃水的衡准表达式:
dF≥dF min
式中:dF min =+2(m) l≥150m
dF为首吃水
由载重线表尺可查得在计算的 dM min。数值下，船舶的排水量值 Q1同时，由于更换压载水
要在 200m以上的水深的海域或公海，一般情况下，此时船舶的油水消耗一半左右，各压载
舱均为满舱状态。(以此工况作为典型来说明如何简单校核)以此工况可经自由液面校核后的
稳性及吃水可查得船舶的排水量 Q2 。所以，允许一次排出压载水量最多为 Q2-Q l 。
考虑到如同时只排放某一边的压载舱，即不对称于中线的排放方式，会使船舶重心偏
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离中线面，而出现初始横倾角，这将使复原力矩减少，不利于安全。且由于重量左右分布不
均，出现扭转力矩，对于大舱口的散货船来说，无疑是危险的，因此，在压载水排放时尽量
采用左右边舱同时作业方式。
b)在确定完一次排出压载水允许值后再进行校核稳性。
初稳性高度是航行安全的重要指标，一般情况下，船舶每次打排的海水量在排水量的
10%以下，可视为少量装卸货物来计算初稳性高度的改变量。计算自由液面修正的初稳性高
度改变量公式如下:
∑ +−+ −−+=∆ )()( PD iPD GMZpedpGM ρ
式中： D 排水量；
P 打排压载水重量，打入时 p为正，排放是 p为负；
d 原吃水；
e ∆ d/2;
Zp 打排压载水重心垂向坐标；
ρ 压载水密度；
j 液体自由液面对于通过型心倾斜轴的惯性矩。
所以，可求出 GM′=GM+∆GM
GM 原初稳性高度；
GM′ 作业后的初稳性高度。
船舶重心高度可用下式计算：
W
iZiZgWgZ ∑+=′ )0( ρ
式中： W0 原排水量；
Zg 原重心垂向高度；
iZiρ 所装卸压载水的重量与垂向坐标的乘积。
若船舶的初稳性高度或重心垂向高度满足下列要求，则说明该装载状态满足海船稳性的
要求，包括初稳性、大倾角稳性、静稳性、动稳性、横倾力矩等。此稳性衡准表达式为：
GM≥GM临
Zg ≤ Z临
利用此二式，来校核船舶更换压载水的稳性。
通常将压载舱的数据代入公式中可得出 GM, Zg值，由临界初稳性高度和极限重心垂向
坐标图，可以查出Min G0M Max KG0
KG0—初始重心距基线高(即重心垂向坐标)
如果：GM > Max KG0
Zg<Min G0M
则符合稳性衡准的要求。逐一将所有压载舱的数据代入公式中，由此确定更换压载水是否满
足稳性要求。
c)校核吃水及吃水差
作为少量装载来研究打排压载水对于吃水及吃水差的影响，可以用如下方式来解决:
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TPC
pid 100
∑=δ
MTCXfXppt 100)( −=δ
LBP
tXfLBPddF δδδ )2/( −+=
LBP
tXfLBPddA δδδ )2/( −−=
dF′=dF+ dFδ
dA′=dA+ dAδ
式中：
LBP 垂向间长；
Xf 漂心坐标；
δd 、δt 分别为吃水改变量与吃水差改变量；
dF、dA 分别为原首、尾吃水；
dF′、dA′ 装卸后的首、尾吃水；
TPC 厘米吃水吨数；
MTC 厘米纵倾力矩。
将各压载舱的压载水量代入上述公式中可以得出 dF';
如果 dF' ≥dF min，则满足要求;
如果 dF' ≤ dF min，则不符合 IMO对最小首吃水的要求，故需要调整更换压载水舱情况
[8]。
海上更换压载水过程中，船舶始终处于波浪影响状态下，如果要对船舶的稳性进行比
较准确核算，就应该计入波浪对船舶稳性的影响，以保证船舶在海上压载水过程中具有足够
的稳性。在进行波浪稳性校核时，应参考“世界可航海域波浪要素统计资料”，针对不同海域，
使用相应的出现频率最大的波浪要素进行波浪稳性校核。如船舶主要航线在西北太平洋海
域，根据波浪统计资料，该海域频繁出现的海况为四级浪，波高 一 ，波浪周期
7s 左右，在进行稳性核算时，应以此波浪要素为计算参考数据，确定波幅、波数、波频、
波速、波长、遭遇频率等。然后使用计算机计算左右舷浸深、瞬时横截面浸水面积、复原力
矩。将不同横摇角对应的复原力矩绘成曲线，就得到了船舶在该海况下的复原力矩曲线，即
稳性曲线[9]。
4. 结论
本章对船舶采用海上更换压载水方法时可能出现的问题进行了分析并提出了解决问题
的方案：排空法所引起重量的增减、吃水的改变、重心高度的升高以及自由液面影响的增大
导致初稳性高度的减少；因此在采用排空法进行压载水更换时，必须进行稳性的核算，并应
考虑自由液面和波浪对稳性的影响。
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参考文献
[1] 张硕慧．船舶压载水中外来生物和病原体这一污染物定义的探讨.交通环保， 1996年第 4期．
[2] 关于控制和管理船舶压载水、减少有害水生物和病原体传播指南.IMO ( 20 )决议，1997年 11月
27日通过．
[3] 丁奉，李斌，吴桂涛，孙培廷．船舶实施“溢流法”压载水更换操作时存在问题的研究.航海技术，2003
年第 2期．
[4] 丁奉，孙培廷，黄连中．船舶压载水方法探讨世界海运，2002年 8月．
[5] 董韩杨．船舶在海上更换压载水的安全问题.航海技术，2000年第 6期．
[6] 张硕慧．船舶在航更换压载水及其有效性确认.交通环保，2000年第 6期第 21卷．
[7] 马宝生，孙培廷，李斌，吕代臣．船舶压载水的处理.大连海事大学学报，2000年 5月第 26卷第 2期．
[8] 蔡岭梅，王兴权，杨万柏．《船舶静力学》，人民交通出版社．
[9] 施内克鲁特(德) ．船舶水动力学[M] ．咸培林译．上海：上海交通大学出版社,1997．
Exchange ballast water by Empty/Refill method and the
impact of stability and countermeasures
Wang Haiying，Liu Hongwei
Navigation College of Dalian Maritime University，Dalian，Liaoning (116026)
Abstract
In this paper, the ballast water of the hazards and some of ballast water treatment methods are
introduced. and analyzed the Empty/Refill method, and the method’s effects of stability and
countermeasures.
Keywords：ballast water，Empty/Refill method，ship’s stability
