海洋工程环境综述

海洋工程环境综述周兴臣武汉理工大学能源与动力工程学院能源动力系统及自动化1103班摘要： 在人类生存的地球表面上，海洋面积占百分之七十点八，而陆地面积占百分之二十九点二。随着人类文明的快速发展，陆地资源面临枯竭。相比之下，人类对海洋资源的开发利用还相当有限。面对“人口、资源、环境”这三大问题，人类把解决问题的希望寄托于海洋。然而要解决当前这一系列的问题，我们首先要对海洋工程环境有一个比较系统的认识与了解。关键词：海洋工程，环境，海洋平台，海洋开发 目前，世界上许多国家都在规模不同的进行海洋开发，据估计，在一九七五到一九八零年的这五年间，仅仅近海石油和天然气开发的投资就达一千多亿美元，其中三百七十亿美元用于勘探，六百九十亿美元用于开发。随着近海油气的开发，近海工程已成为当代发展最迅速的学科之一。近年来，越来越多的国家把大量的人力和物力投入到近海工程的研究当中去，时间虽短，却取得了长足的进步。一八九七年，美国在加利福尼亚进行了第一次海上钻井，一九四七年在墨西哥湾钻成第一口近海油井。近海工程已有整整一百年的历史。然而这所有的一切海上作业都离不开海洋工程结构物，海洋工程结构物是长期设置或系泊在某特定海域，能从事生产作业的装置或建筑物。船舶遭遇恶劣天气时可以驶离现场以躲避狂风恶浪的袭击，但海洋工程结构物则必须保持在海中。因此确定海上水文、气象等物理环境条件的强度、合理的概率以及所诱导的载荷，对海洋结构物的安全是非常重要的。据统计，在一九五五年至一九八一年间，世界上海洋石油钻井装置所发生的特大事故有四十七起，总的经济损失达四亿美元以上。究其原因，主要是对有关海域的自然环境条件以及地质条件的资料收集和分析不足所造成的。例如一九六四年位于东阿拉斯加库克湾的两座海上钻井平台被海冰摧毁，一九六九年位于渤海湾内一个海洋平台也遭遇同样的厄运。一九八零年我国的“渤海二号”在拖航时翻沉，一九八二年在加拿大近海油田，也发生了世界上最大的半潜式钻井平台“海上徘徊者”的翻沉事件。这些海上事故的实例，有力的说明研究海洋环境条件，掌握海洋水文气象变化规律的重要性和紧迫性。另一方面，海洋环境条件对海洋结构物的建造投资和经济效益也有显著影响。因此，为加快开发我国海上资源，合理确定海洋工程结构物的投资费用，降低海上产品和作业成本，必须掌握海洋环境条件的有关知识。海洋工程结构物在设计、制造和整个使用期间需要涉及海洋环境条件的主要内容，是与海洋气象学有关的风况，海面气压，与海洋水文学有关的海上波浪、潮汐现象、海流、海底泥沙运动以及海水温度、海水腐蚀、海生物附着现象等。下面主要分条介绍一些海洋环境的基本内容。一 海风风是大自然中常见的自然现象，与人类的生活和生产活动有密切关系。然而一旦海洋受到台风的侵袭，都会对海洋工程，如各种平台、钻井船以及其他海上设施造成直接威胁，甚至是破坏。因此，风是影响海洋工程的重要环境因素之一。正像海水运动一样，空气也是不断地运动着的。按照运动方向，空气运动可以分为水平的和垂直的两部分，其中空气的水平运动称为风。风的特征是用风速和风向两个量值来表示的风向是指风的来向，而不是去向。风速是指空气在单位时间内所流过的距离。为了方便使用，通常按照风速的大小把风速分为十三个等级，称为蒲福风级表。海风是一直存在并时刻可能会对海洋工程结构物造成极大破坏的，因此，对海风的提前预测、信息的采集与分析以及及时实施一些相应措施就显得非常重要了。二 海浪海洋中波浪是由各种作用力而引起的，它是最常见的海水运动形式。通常所说的海浪是指风浪，风浪是海面上分布最广，对于船舶与海洋工程实际活动影响最大的波浪。海水受到外力作用，水质点在其平衡位置附近作周期性振动。当水质点离开平衡位置后，恢复力(表面张力、重力等)就力图使其回到原来的平衡位置，但因惯性作用振动仍保持着，并通过其四周的水质点向外传播，这种过程就形成波浪。波浪的成因很多，但主要是风力作用，由风力作用产生的波浪称为风浪。风浪传播到无风的海区或风息后的余波称为涌浪。风浪到浅水区，受海水深度变化影响，出现折射，波面破碎和卷倒则称为近岸波。波浪运动只是波形向前传播，水质点只在其平衡位置附近振动，水团并未随波形前进。所以波浪对海水不起输送作用，只起加强海水紊动混合的作用。但是海浪对海上航行、海港和海岸工程、各种海洋作业有重要的影响。三 潮汐潮汐是海水在太阳、月球起潮力的作用下形成的一种周期性涨落运动，它是大自然的一种自然现象。潮汐是由太阳和月球的起潮力所引起的，而引潮力则是由月球、太阳和地球的相对运动来决定的。起潮力的大小与太阳、月球的质量成正比，而与太阳、月球至地心距离的三次方成反比。因此，太阳质量虽然远大于月球，但月地距离却比日地距离小得多，故月球起潮力大于太阳起潮力，为太阳起潮力的二点二五倍。这样，海水的涨落便以一太阴日（二十四时五十分）为周期。在潮汐升降的每一周期中，上升过程叫涨潮，海面上涨到最高位置时叫高潮；下降过程叫落潮，海面下降到最低位置时叫低潮。高潮和低潮的潮水位差叫潮差。大洋中潮差不大，近陆海区潮差较大，但受地形的影响，潮差在各处不相同。中国杭州湾的澉浦潮差很大，曾经达到八点九米。二十世纪五十年代，世界上开始利用涨落潮差发电，潮汐已成为一种重要能源。潮汐对于航行和海洋工程关系极大，潮流的涨落可以影响船只的航向和速度，甚至安全。对于海岸工程如码头、海岸基地等的规划和建设，近海平台的设计，海上拖航和安装、使用，更需要掌握潮汐的变化规律。因为码头和海洋平台的高程，必须依据高潮位来确定；港域航道水深及锚泊地，则应考虑低潮水位。若建筑物的高程过高，则造成浪费；过低则不足以防浪，会危及安全。海洋平台的飞溅区是波浪力和海冰主要作用区域，也是海水腐蚀最严重的部位。沿海地区在高潮时被海水淹没，低潮时露出水面的地带叫潮间带。这里兼有水、陆两种环境特点，在这里生活的生物常具有适应水、陆两地生活的能力。潮汐波还可沿入海河口上溯，而在河流下游或河口区形成感潮河段。在这样的河段有特殊的水文现象和污染物的稀释扩散规律。海洋里的潮汐现象大体上可分为三种：半日潮、全日潮、混合潮。中国近海既有半日潮和全日潮，也有混合潮；潮差小的仅有十几厘米，大的将近十米。潮汐现象复杂性将直接影响海洋资源的开发和利用。四 海流海流是大范围的海水以相对稳定的速度在水平或垂直方向连续的流动，它具有一定的流程、宽度、厚度和速度。海流是海水一种重要的运动形式，它同海底泥沙运动、鱼类回游、天气变化和气候形成等都有密切关系。形成海流的动力条件很多，其中主要的是密度流和风海流。密度流是因海水温度、盐度和压力的分布不均而引起的海水流动，风海流是由风对水面摩擦而产生的海水水平流动，在盛行风带引起的海流叫漂流。从水温来看，如果海流水温比其流经海区的水温高，称为暖流，比其流经海区的水温低,称为寒流。一般说来，从低纬流向高纬的海流属暖流，从高纬流向低纬的海流属寒流。暖流可以从低纬地区向高纬地区输送热量，对气候影响很大。如西北欧沿海地区虽处于高纬地区，然而气候温和，就是因为受到强大的北大西洋暖流（湾流）的影响，所以海流是一种能量输送方式。世界上大洋表层的海流环流形式，基本上取决于地球上的大气环流形式，并受海陆分布制约。在北半球，绕副热带高压中心流动的，是一个顺时针方向的环流，绕副极地低压流动的，是一个逆时针方向的环流。在南半球，与副热带高压区相应的环流为逆时针方向。但在高纬地区因副极地低压同极地高压基本上呈带状，与纬圈平行，因之海流亦与纬圈平行。海流是海洋中主要动力源之一，和风、浪等因素同时对海洋工程有直接的作用，影响其强和稳定。设计海洋工程结构物的水平部分时必须充分考虑海流引起的荷载，对拖航时的拖曳力和停泊时的系泊力，也需要考虑海流的影响，掌握海流单位规律也可使船舶缩短航行时间，节省燃料。五 海冰海冰指直接由海水冻结而成的咸水冰，亦包括进入海洋中的大陆冰川（冰山和冰岛）、河冰及湖冰。海冰可按运动状态、发展和出现情况、外形外貌特征、冰的厚度和冰块的大小划分为族、类和状。在设计和建造海洋平台时，若对海冰作用力估计不足，往往会酿成事故。同时，在某些特殊严寒年份，海面冰封所造成的灾难损失也是不能忽视的。六 海洋生物海洋生物是生长在海中的细菌、海藻和动物等海洋有机体的总称。这些有机体一般是固定不动的，或者其可动性被限制着的。有机体的形状多种多样，从软丝状的海藻到具有坚硬骨壳的贻贝等等不一而足。被海洋生物污损的海洋平台结构，随着时间的增加，污损的范围和程度都会有极大的发展。海洋生物对于海洋工程结构物的影响远远超出人们的想象。海洋是富饶的，