海洋工程环境学

1,海洋工程环境学,EnvironmentalMechanicsofOceanEngineering,2,2013-2014学年第2学期为船11级学生讲授海洋工程环境学教学日历和授课大纲,主讲教师：宗智电话：84707694Email：zongzhi,办公室：船池楼317,3,上课时间为1-8周，2月25日开课，4月23日结课考试，共32学时。上课教室：周二1-2节2-109教室周五5-6节2-109教室,4,本课程为主修船舶与海洋工程专业学生的专业课程，主要讨论船舶与海洋结构物营运的海洋环境中的力学问题。主要内容包括海洋环境因素(风浪流潮汐)分析计算，波浪作用下的流场计算和船舶与海洋结构物遭遇环境荷载及其运动响应计算三部分。概率论和流体力学为本课程的专业基础课。,课程摘要：,5,海洋环境因素介绍海洋结构物介绍波浪概率特性和短期分布波浪能量分布和谱分析方法波浪长期分布特性分析线性和非线性波浪流场计算船舶与海洋结构物遭遇风浪流荷载计算海洋工程结构物实验方法,主要内容：,6,参考教材：,海洋科学导论冯士筰等海洋工程波浪力学竺艳蓉WavesandWaveLoadsonOffshoreStructuresWangYanying,7,船舶和海洋结构物所面对的海洋环境,8,0.海洋环境与海洋结构物,0.1海洋环境因素分析,1,海洋面积为地球表面积的70.8%.海洋体积为地球体积的0.127%.海洋水量为地球上总水量的97%.海水的热容量为空气的3000倍，陆地的2倍。,9,0.海洋环境与海洋结构物,0.1海洋的划分,地球上互相连通的广阔水域构成统一的世界海洋。根据海洋要素特点及形态特征，可将其分为主要部分和附属部分。主要部分为洋，附属部分为海、海湾和海峡。洋或称大洋，是海洋的主体部分，一般远离大陆，面积广阔，约占海洋总面积的90.3%；深度大，一般2000m；海洋要素如盐度、温度等不受大陆影响，盐度平均为35，且年变化小；具有独立的潮汐系统和强大的洋流系统。海是海洋的边缘部分，据国际水道测量局的材料，全世界共有54个海，其面积只占世界海洋总面积的9.7%。海的深度较浅，平均深度一般在2000m以内。其温度和盐度等海洋水文要素受大陆影响很大，并有明显的季节变化。水色低，透明度小，没有独立的潮汐和洋流系统，潮波多系由大洋传入，但潮汐涨落往往比大洋显著，海流有自己的环流形式。,1,10,0.海洋环境与海洋结构物,1,11,0.海洋环境与海洋结构物,0.1海洋环境因素分析,太平洋，大西洋，印度洋，北冰洋地中海，波斯湾，墨西哥湾，加勒比海北海，南海,1,海洋范围,面积：,深度：,12,2,0.1海洋环境因素分析地理条件,世界各大洋的面积、容积和深度,13,2,0.1海洋环境因素分析,海底地形,14,2,0.1海洋环境因素分析,海岸带一般包括海岸、海滩和水下岸坡三部分。海岸是高潮线以上狭窄的陆上地带，大部分时间裸露于海水面之上，仅在特大高潮或暴风浪时才被淹没，又称潮上带。海滩是高低潮之间的地带，高潮时被水淹没，低潮时露出水面，又称潮间带。水下岸坡是低潮线以下直到波浪作用所能到达的海底部分，又称潮下带，其下限相当于1/2波长的水深处，通常约1020m。,15,2,0.1海洋环境因素分析,海岸类型:岩石型沙砾型淤泥型,16,2,0.1海洋环境因素分析,大陆架：根据1958年国际海洋法会议通过的大陆架公约，大陆架定义为“邻接海岸但在领海范围以外深度达200m或超过此限度而上覆水域的深度容许开采其自然资源的海底区域的海床和底土”，以及“邻近岛屿与海岸的类似海底区域的海床与底土”。依自然科学的观点，大陆架则是大陆周围被海水淹没的浅水地带，是大陆向海洋底的自然延伸。其范围是从低潮线起以极其平缓的坡度延伸到坡度突然变大的地方为止。,17,0.1海洋环境因素分析,全球海脊分布图,18,0.1海洋环境因素分析,中国近海,19,0.1海洋环境因素分析,中国近海,渤海：渤海属于内海。是一个较封闭的温带浅海。南北长约300nmile东西宽约160nmile，海区面积约7.7万平方公里，平均深度为18m，最大深度为70m，流入渤海的河流较多，其中主要有辽河、海河和黄河等。,20,0.1海洋环境因素分析,中国近海,黄海：黄海位于中国大陆和朝鲜半岛之间，属于半封闭的浅海。黄海南北长约470nmile，东西宽约300nmiIe，海底面积约38万平方公里。黄海的平均深度为42m，最大深度为60m。其中北黄海面积约为72万平方公里，平均深度38m；南黄海面积约达30.9万平方公里，平均深度46m。流入其内的河流，主要有鸭绿江、大同江、汉江等。,21,0.1海洋环境因素分析,中国近海,东海：东海位于浙江、福建之东，台湾和琉球之西。它是我国近海面积较大和大陆架较宽的一个海。它略至扇形，扇面撒向太平洋，南北长700nmile，总面积77万多平方公里。平均水深349m。流入东海的河流主要有长江、钱塘江、闽江等。,22,0.1海洋环境因素分析,中国近海,南海：南海是我国最大的海域，也是西太平洋较大的边缘海之一。总面积约为350多万平方公里，平均深度1212m，最大深度为5567m。海盆周围有陆坡，呈台阶状，北部和西南海的陆架较宽广，有半封闭的浅海湾，西岸陆架较窄，南部、东部边缘还夹有海槽、海沟。海岸线长，单在我国境内就有6000km(不计岛屿岸线)，约占全国的三分之一。曲折复杂，港湾也多。流入南海的河流主要有珠江、红河、湄公河等。,23,0.1海洋环境因素分析-化学条件,海水是一种非常复杂的多组分水溶液，其主要组成见图1.主要成份阳离子Na，K，Ca，Mg和Sr，阴离子Cl，SO4，Br，CO3，F，分子形式H3BO3，占海水盐分的99.9%2.其它成分动态平衡,24,海洋开发领域,海洋油气开发海洋矿产开发海洋能源海洋空间利用海洋观测，通讯等,25,海底的矿产资源物,26,方兴未艾的海洋油气开发,中国南海南大西洋里海西非,世界探明的四大海洋油气区分别是波斯湾、加勒比海的帕里亚湾和委内瑞拉湾、北海和墨西哥湾。其中波斯湾是目前海洋石油资源最丰富的地区，面积约150104km2，已探明储量120多亿吨，约占世界海洋石油探明储量的50%。新兴区域：,27,28,海洋油气勘探钻井,29,海洋油气勘探采油,30,海洋油气勘探管道铺设,31,0.2海洋结构物,天然气水合物的开发,海底天然气水合物是一种由碳氢气体与水分子组成的白色结晶状固态物质，外形如冰雪，普遍存在于世界各大洋沉积层空隙中。根据国际天然气潜力委员会的初步统计，世界各大洋天然气水合物的总量换算成甲烷气体约为1.82.11016m3，大约相当于全世界煤、石油和天然气等总储量的两倍，被认为是一种潜力很大的、提供21世纪开发的新型能源。,32,0.2海洋结构物,海底金属结核开发,1.多金属结核的定义2.多金属结核形成的奥秘3.多金属结核的资源量评价和计算4.附着在五千多米大洋底的多金属结核的开采5.多金属结核资源的利用指日可待,33,0.2海洋结构物,多金属结核的定义,多金属结核(亦称锰结核、铁锰结核、锰矿球)是一种富含多种金属元素、主要由铁锰氧化物和氢氧化物组成的“球状”沉积物。锰结核又称“锰矿瘤”,主要由铁锰氧化物和盐类等矿物组成的不规则的黑色到棕色的结核。结核是外形像土豆的黑色团块,其形态各异,大小不同,切开来是一圈圈的纹理,好似树木的年轮,甚至可以一层层的剥开来,直径为几厘米至几十厘米。结核中除有铁和锰外,还含有铜、镍、钴等30多种金属元素、稀土元素和放射性元素。其中最有价值的是铜、镍、钴、锰。这四种金属资源仅在太平洋底的储量就分别是全球陆地贮量的50倍、600倍、3000倍和200倍,其经济价值是巨大的。,34,0.2海洋结构物,多金属结核的颜色由浅灰色、浅棕色到深褐色、黑色,其颜色的深浅与化学成分有关,凡富锰者,色调较深,富铁者色调偏浅。多金属结核的形状千姿百态,主要有球状、椭球状、菜花状、杨梅状、葡萄状、碎屑状和连生体状等,多数形态不对称,左：菜花状多金属结核右：瘤状多金属结核,35,0.2海洋结构物,世界各大洋含钴锰结壳分布图,36,0.2海洋结构物,多金属结核采矿系统,37,0.2海洋结构物,海洋能源开发,潮汐发电波能发电温差发电盐度差发电海流发电,38,0.2海洋结构物,潮汐发电,潮汐能是涨落的潮水中蕴藏的动能。潮汐是指海水在月球和太阳等天体引力作用下所产生的周期性的自然涨落现象。据理论计算,月亮的引潮力可使海面升高0.563m,太阳的引潮力可使海面升高0.246m,两者合计,即潮汐的最大幅度约为0.8m。因此,一般海面的潮汐现象并不显著。然而,在某些地狭浅的海峡、海湾和河口地带,由于地形等因素的影响,潮汐往往十分发达,潮差可达7-8m甚至十几米。如我国著名的钱溏潮,最大潮差可达8.9m,加拿大芬地湾蒙克顿港的最大潮差达19m。,39,据科学家估算,全世界海洋的潮汐能约有30亿千瓦。若用来发电,年发电量可达1.2万亿度。我国潮汐能蕴藏量丰富,约1.1亿千瓦,年发电量近900亿度,相当于7个葛洲坝水电站的电力。潮汐发电为把海洋中的潮汐能转变为电能的一种发电方式。其原理和水力发电相似,也是利用水的力量,通过水轮机变成机械能,再由水轮带动发电机变成电能。,40,41,波能发电,起伏的波浪所蕴藏的势能和动能称为波浪能。波浪是由海面上风的吹动以及大气压力的变化和海底地壳的活动(如地震、火山爆发等)引起的。一般海面上的波高为2-4m,周期9-10s,所以波能的能级约在20-80kw之间。1911年世界第一座波浪发电装置建成,但结果不甚理想;1964年,日本制造成世界上第一盏用海浪发电的航标灯。尽管这台海浪发电机发出的电仅够一盏60w灯使用,但却给各国提供了可靠的佐证和启迪。我国的波能资源也相当丰富,大约在5亿千瓦以上。我国近海受季风控制,冬季浪大,夏季浪小,特别是冬季在强烈的偏北风的吹刮下,从黄海至南海形成一条东北西南走向的大浪带,波浪具有波高而周期小的特点,有利于波能发电。,42,波能发电机的原理,固定空气透平式液动式波能发电,43,温差发电,海水温差能,又称海洋热能,为海水吸收和储存的太阳辐射能。不同的深度水温不相同;不同的海域,水温也不相同。在热带和亚热带海区,由于太阳照射强烈,使海水表面大量吸热,温度升高,在海面下40m以内,90%的太阳能都被吸收,所以大于40m水深的海水温度很低。人们已测定热带海区的表层水温高达25-30度,而深层海水的温度只有5度左右,表层海水和深层海水之间存在的温差,蕴藏着丰富的热能资源。,44,0.2海洋结构物,1.温暖的表层海水2.低压3.蒸发器4.涡轮机5.冷凝器6.冷的深层海水,45,0.2海洋结构物,盐度差发电,46,0.2海洋结构物,海流发电,47,0.2海洋结构物,潮流发电装置,48,海洋空间资源开发,49,50,海上储油基地俯瞰图,51,自主水下航行器AutonomousUnderwaterVehicle(AUV)遥控潜水器RemotelyOperatedVehicle(ROV),52,53,海洋气象环境条件,54,大规模风系：纬度30东信风(贸易风)；纬度3060偏西风；纬度6090极地东风。中规模风系：台风，寒潮小规模风系：海陆风，山谷风，龙卷风,3,风,0.1海洋环境因素分析,55,大规模风系：,3,风,0.1海洋环境因素分析,56,中规模风系：,台风是热带地区海洋上空的热带气旋在适当的条件下猛烈发展而形成的急速逆时针旋转的低压涡旋。它的出现伴随着狂风、暴雨、巨浪和暴潮。往往在沿海造成灾害。,57,中规模风系：,寒潮是巨大的高压冷气团南侵，造成急剧降温，且伴有霜冻、大风现象的天气过程。主要集中于11月至次年2月。寒潮有效稳定的路径，它们主要发源于北极，途经西伯利亚，并在那里得到加强，然后进入我国。,58,风速与风向：,为距地面高度z的风速与地面基准高度z0的风速之比，n取决于地面形状。对于平坦地面和海面n=1/7,对于市街和森林地带n=1/4.,4,0.1海洋环境因素分析,59,不同地域风速的比率：,对于海风：海面上风速为近岸风速的1.11.3倍；对于陆风：海面上风速为近岸风速的1.11.8倍。,5,0.1海洋环境因素分析,60,蒲氏风级(BeaufortWindScale)：,012级：风速0.033m/s(0.064kn，距地面10米处)浪高0.014m,7,0.1海洋环境因素分析,蒲氏风级与风速的换算公式:其中V是风速（m/s）,F是风级,61,6,0.1海洋环境因素分析,62,63,波浪是指海洋表面的运动，风生浪。波浪运动是随机的。描述波浪运动的参数无法以确定性数据来描述，只能用统计的语言来表达。,8,浪,0.1海洋环境因素分析,64,9,0.1海洋环境因素分析,65,9,0.1海洋环境因素分析,66,67,海流：漂流，地转流，倾斜流：黑潮，亲潮，阿留申海流，北太平洋海流，北赤道流