109 高普考高考三級 航海技術 船藝學 考古題詳解

核心觀念

本題旨在測驗航海人員對於船舶浮力原理、載重線法規以及港內裝載吃水計算之核心專業能力，涵蓋下列法規與物理觀念：

1. 阿基米德浮力原理（Archimedes' Principle）：浮體於靜水中平衡時，其所排開液體之重量恆等於浮體總重量（即排水量 $\Delta$）。當水體密度改變時，為維持相同浮力，水下排水體積必隨之改變，因而產生吃水變化。
2. 夏期淡水載重線與淡水寬限額（Fresh Water Allowance, $FWA$）：

• 依據命題當年（民國 109 年）法規《船舶載重線勘劃規則》第 39 條及《1966 年國際載重線公約》（ICLL 1966）第 40 條規定，船舶由海水航入淡水時，因密度降低所增加之吃水深度稱為淡水寬限額（$FWA$）。
• 當滿載排水量 $\Delta$ 與每公分浸水噸數 $TPC$ 已知時，其法定計算基準為 $FWA = \frac{\Delta}{40 \times TPC} \text{ (cm)}$；當排水量無法查得時，則以夏期滿載吃水之 $\frac{1}{48}$ 概算。

3. 港水寬限額（Dock Water Allowance, $DWA$）與載貨量推算：

• 船舶位於非標準海水（比重小於 $1.025$ 且大於 $1.000$）之港口裝貨時，依內插比例准予額外下沉之深度稱為港水寬限額（$DWA$）。
• 結合當時水尺、容許水尺與每公分浸水公噸數（$TPC$），即可精確計算剩餘可裝載貨物噸數。

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解題方法

(一) 夏期淡水載重線與夏期載重線之間距離（$FWA$）之計算與成因

1. 計算公式

依我國《船舶載重線勘劃規則》（以命題當年民國 109 年法規為準）及國際公約標準：

• 以公分為單位： $FWA = \frac{\Delta}{40 \times TPC} \quad (\text{cm})$
• 以公厘為單位： $FWA = \frac{\Delta}{4 \times TPC} \quad (\text{mm})$
• 概算公式（當排水量未知時）： $FWA = \frac{d_s}{48}$ 其中：
• $\Delta$：船舶於夏期海水載重線時之總排水量（公噸，Metric Tons）。
• $TPC$：船舶於夏期載重線時，在標準海水中之每公分浸水公噸數（Tons Per Centimeter immersion）。
• $d_s$：船舶之夏期滿載吃水（公尺或公分）。

2. 成因與公式物理推導

• 浮力與排水體積變化： 設船舶滿載排水量為 $\Delta$（公噸），標準海水比重 $\rho_s = 1.025 \text{ t/m}^3$，淡水比重 $\rho_f = 1.000 \text{ t/m}^3$。

• 在標準海水中，船舶的水下體積為： $\nabla_s = \frac{\Delta}{1.025} \quad (\text{m}^3)$

• 在標準淡水中，為支撐相同船重 $\Delta$，所需的水下體積為： $\nabla_f = \frac{\Delta}{1.000} \quad (\text{m}^3)$

• 進入淡水後，水下體積增加量 $\Delta \nabla$ 為： $\Delta \nabla = \nabla_f - \nabla_s = \Delta \left(\frac{1}{1.000} - \frac{1}{1.025}\right) = \Delta \left(\frac{0.025}{1.025}\right) = \frac{\Delta}{41} \quad (\text{m}^3)$

• 吃水增加量與水線面面積關係： 設船舶在夏期吃水附近的水線面面積為 $A_w \ (\text{m}^2)$。由於吃水增量相對於船體尺度甚小，船體側壁可視為垂直，則體積增加量等於水線面面積乘以吃水增加量 $FWA$（單位為公尺）： $\Delta \nabla = A_w \times FWA \implies FWA = \frac{\Delta \nabla}{A_w} = \frac{\Delta}{41 \times A_w} \quad (\text{m})$

• 引入每公分浸水公噸數（$TPC$）： 在標準海水中，吃水每增加 $1 \text{ cm} = 0.01 \text{ m}$，排開體積增加 $0.01 A_w$，換算為排水重量即為 $TPC$： $TPC = A_w \times 0.01 \times 1.025 = \frac{1.025 A_w}{100} \implies A_w = \frac{100 \times TPC}{1.025} \quad (\text{m}^2)$ 將 $A_w$ 代回 $FWA$ 算式中： $FWA = \frac{\frac{0.025}{1.025} \Delta}{\frac{100 \times TPC}{1.025}} = \frac{0.025 \Delta}{100 \times TPC} = \frac{\Delta}{4000 \times TPC} \quad (\text{m})$ 將單位化為公分（$\times 100$）及公厘（$\times 1000$）： $FWA = \frac{\Delta}{40 \times TPC} \quad (\text{cm}) = \frac{\Delta}{4 \times TPC} \quad (\text{mm})$

• 物理原因總結： 因淡水密度小於海水密度，船舶自海水航入淡水時，必須排開更多體積的水才能獲得等重的浮力以支撐船重，故吃水必然增加。法規允許船舶在淡水中多下沉 $FWA$ 的深度，待其開航出海進入標準海水後，浮力增加便會自然上浮至夏期載重線，此舉兼顧了航行安全（乾舷保留）與裝載效益。

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(二) 港內剩餘可裝載貨物量計算

步驟一：計算港水寬限額（$DWA$）

當港口海水比重 $\rho = 1.010$ 時，比重介於淡水（$1.000$）與標準海水（$1.025$）之間，其容許額外下沉之深度依線性比例計算：

核心觀念

本題旨在評量航海技術人員對船舶繫泊設備（Mooring Equipment）中「合成纖維繩索（Synthetic Fiber Ropes）」之材料力學性能、操作特性及甲板船藝維護標準之掌握程度。

1. 材料力學與化學特性：傳統繫纜主要為天然纖維索（如馬尼拉麻索）與鋼纜（Steel Wire Rope）。人造纖維索（包括尼龍／聚醯胺 Polyamide、聚酯／特多龍 Polyester、聚丙烯 Polypropylene 及高模量聚乙烯 HMPE 等）具備高抗拉強度重量比、優異彈性變形與衝擊吸收能力、不吸水腐蝕等物理特性。
2. 維護與檢驗規範：依據國際海事組織（IMO）相關安全指引與國際石油公司海事論壇（OCIMF）之《繫泊設備指南》（Mooring Equipment Guidelines, 命題當年為 MEG4 規範），繫纜之維護核心在於防止磨損（Abrasion）、防止紫外線與熱降解（UV & Heat Degradation）、防止化學污染，以及落實定期檢驗與報廢標準（Retirement Criteria）。

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解題方法

本題為標準的申論雙問型題型，作答策略採取「結構化條列法」，分為兩大核心部分：

1. 優點分析：採取「對比法」，將人造纖維索與天然纖維索、鋼纜在「力學強度」、「操作便利性」、「耐候防腐性」、「彈性衝擊吸收」四個維度進行對比。
2. 維護保養：依「作業前中後歷程」與「環境物理化學防護」切入，涵蓋防磨、防扭結、防曬防熱、清潔防污、定期內部與外觀檢查及報廢判定。

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選項分析

本題為高考三級申論題，無選擇題選項。考生作答時切忌以未分段的長篇散文作答，必須以清晰的小標題配合航海專業術語條列陳述，方能取得滿分級距。

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解題技巧

1. 高分關鍵關鍵字：作答時務必寫出「吸收衝擊負荷（Shock Load Absorption）」、「浮水性（比重小於 1，針對 PP 索）」、「防磨襯套（Chafing Gear）」、「紫外線降解（UV Degradation）」、「纖維粉化與硬化熔接（Fusion）」、「彎曲直徑比（$D/d$ 比）」。
2. 常見陷阱與扣分點：

• 誤將人造纖維索之「高彈性」一概視為優點而未提及操作面：彈性雖能吸收浪湧衝擊，但斷裂時具極高動能之「回彈（Snap-back）」危險性，作答時若能在維護保養中點出安全操作與回彈防護，可展現資深船藝素養。
• 保養漏答「內部檢查」：只寫外觀磨損，漏掉內部纖維因反覆受力摩擦所產生的「粉化」與鹽晶、砂粒磨耗。

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【答案】

一、人造纖維索作為靠岸繫纜之優點

1. 破斷強度高且重量輕（高強度重量比）： 同直徑之人造纖維索破斷強度（Breaking Strength）遠高於天然纖維索（約為馬尼拉麻索的 $2 \sim 3$ 倍），且重量遠輕於同強度的鋼纜。重量輕大幅減輕甲板船員搬運與帶纜之勞動強度，提高靠離泊作業效率。

核心觀念

本題測驗航海學與船藝學交集的「海難事故成因分析」，以及國際海事法規中防止海難擴大之關鍵規範。核心涵蓋：

1. 船舶擱淺成因：結合「航行安全」、「駕駛台資源管理（BRM）」、「船舶操縱」與「機艙設備可靠性」，歸納出人為疏失、機械設備故障、外在環境與不可抗力三大面向。
2. 船上油污染應變計畫（SOPEP）：依據國際海事組織（IMO）《國際防止船舶污染公約》（MARPOL 73/78）附錄一第 37 條（以命題當年民國 109 年法規為準，現行規範架構亦同）之強制規定，總噸位 150 以上之油輪及總噸位 400 以上之非油輪，必須備有經主管機關核准之 SOPEP（Shipboard Oil Pollution Emergency Plan）。

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解題方法

本題由兩個子題組成，答題結構應層次分明：

1. 第一子題（擱淺原因）：採用「人、機、環」系統分析法切入。閱卷委員重視邏輯架構，切忌毫無章法地雜亂條列，應分項闡述人為航行疏失、推進與操舵等機械失靈，以及潮汐海流等環境外力。
2. 第二子題（SOPEP 必備內容）：直接以 MARPOL 附錄一第 37 條之「四大法定核心項目」為骨幹，再緊扣題目「防止擱淺事故所肇致油污染」之特定情境，加入現場控制排油的實務作為（例如量測油水艙深度、內部油料駁運、穩度評估等），展現理論與船藝實務兼具的深度。

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選項分析

本題為申論題，無選擇題選項；依考選部評分標準，各要點配分與評分剖析如下：

• 擱淺主要原因分析（約佔 50% 配分）：
• 人為因素：占擱淺事故 80% 以上，必須提及瞭望不周、航行計畫（Passage Plan）缺陷、定位錯誤、過度依賴電子海圖（ECDIS）及駕駛台溝通失效。
• 機械與設備因素：必須具體寫出關鍵系統，如主機失靈、舵機故障、全船斷電（Blackout）及航儀失效。
• 環境與外力因素：著重富裕水深（$\text{UKC}$）計算失誤、強風急流壓推、低能見度以及海圖資訊更新不足或助航標識移位。
• SOPEP 應變計畫必備內容（約佔 50% 配分）：
• 法定四大核心（報告、聯絡、控制、協調）缺一不可；若僅回答零散的吸油、堵漏操作而未寫出公約法定架構，無法取得高分。
• 必須將「擱淺」衍生的特定控制溢油行動（如油艙量測、油料內部轉駁）具體融入「控制排放行動」中。

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解題技巧

1. 記憶口訣：SOPEP 法定四大項目請牢記口訣——「報、聯、動、協」（通報程序、聯絡名單、控油行動、公私協調）。
2. 公式輔助定義：在說明擱淺的吃水裕度時，適度寫出富裕水深概念公式： $\text{UKC} = \text{實際水深} - \text{船舶最大動態吃水}$ 其中動態吃水包含靜態吃水、下沉量（Squat）及浪湧顛簸產生的傾斜與吃水增加，點出計算不當即為擱淺誘因。
3. 常見陷阱：

• 勿將 SOPEP 與一般「船上應急計畫」（如大火、棄船之應急部署表 Muster List）混淆；SOPEP 專注於「油污染」之通報、聯絡與洩漏控制。
• 答題時切記提及「以命題當年（民國 109 年）有效之 MARPOL 73/78 附錄一第 37 條」為法源依據，能大幅提升專業說服力。

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【答案】

一、船舶擱淺之主要原因

船舶擱淺（Grounding / Stranding）通常非單一因素造成，依船藝學與海難事故調查分析，主要歸納為以下三大層面：

1. 人為因素（Human Factors，事故主要根源）：

• 航行計畫（Passage Planning）不周：航線設計過於接近淺灘或危險物，未預留足夠的安全界限與富裕水深（UKC）。
• 定位疏失與頻率不足：未依規定頻率實施雙重定位（Cross-bearing、Radar ranges 等），或在轉向點未及時確認船位即轉向。
• 過度依賴單一航儀：過度信任 GPS、自動識別系統（AIS）或電子海圖顯示與資訊系統（ECDIS），未交叉比對雷達與測深儀（Echo Sounder），忽略警報或設定錯誤安全水深等深線（Safety Contour）。

核心觀念

本題考核船舶計算與穩度學中的「艙區浸水（Bilging of Compartments）對水尺之影響」，核心在於運用**添加重量法（Added Weight Method）或損失浮力法（Lost Buoyancy Method）**分析船體平衡狀態的變化。

1. 浮力平衡（阿基米德原理）與平行下沉（Parallel Sinkage）： 原為空艙破裂進水後，船體必須增加浸水體積以提供對應的浮力支撐進入的水重，導致船體產生平行下沉，增加基本吃水。 $\delta d = \frac{w}{TPC} = \frac{v}{A_w}$ 其中 $w$ 為進水量、$\rho$ 為水密度、$v$ 為進水體積、$A_w$ 為水線面面積、$TPC$ 為每公分浸水噸數。

2. 縱向力矩平衡與縱傾（Trim）變化： 進水位置偏離船體浮面中心（Center of Flotation, $F$），形成縱傾力矩。矩形船舶（Box-shaped vessel）的初始浮面中心 $F$ 位於船舯（$\frac{L}{2}$ 處）。

• 浸水艙位於「艏部」（$F$ 之前），產生艏傾力矩（Trimming Moment by the Head）。
• 縱傾總變化量： $\Delta t = \frac{w \cdot l}{MTC}$ 其中 $l$ 為進水重心至 $F$ 之縱向距離，$MTC$ 為每公分縱傾力矩。

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解題方法

採用添加重量法建立矩形船舶之數理力學推導模型：

設船長 $L$、船寬 $B$、初始吃水 $d$。水線面面積 $A_w = L \times B$，對通過船舯之橫軸二次慣性矩 $I_L = \frac{1}{12} B L^3$。

步驟一：平行下沉量推導

進水體積為 $v$，產生的均勻下沉量為： $\delta d = \frac{v}{L B}$

步驟二：縱傾變化量推導

矩形船之縱向定傾中心半徑 $BM_L = \frac{I_L}{\nabla} = \frac{L^2}{12 d}$。 在實務工程推導中，$GM_L \approx BM_L$，則縱傾總力矩與縱傾變化量關係式為： $\Delta t = \frac{v \cdot l}{\frac{1}{12} B L^2} = 12 \, \delta d \left(\frac{l}{L}\right) \quad (\text{產生艏傾})$ 其中 $l$ 為浸水艙形心距船舯之縱向距離。

步驟三：各處水尺綜合疊加

以浮面中心 $F$（船舯）為基準，疊加平行下沉與縱傾旋轉量：

1. 艏水尺變化量（$\Delta d_F$）： $\Delta d_F = \delta d + \frac{1}{2} \Delta t = \delta d \left(1 + 6 \frac{l}{L}\right)$ 由於 $l > 0$，此值恆正，艏水尺必然增加（吃水變深）。