海洋工程环境学 2课件

1,海洋工程环境学,EnvironmentalMechanicsofOceanEngineering,2,2010-2011学年第2学期为船08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：钱昆电话：84707334-8036Email：qiankun,办公室：船池楼307,3,上课时间为1-8周，2月21日开课，4月15日结课考试，共32学时。上课教室：周一1-2节综259教室周四3-4节综259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：,海洋工程环境曾一非上海交大出版社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海洋环境因素分析地理条件,太平洋、大西洋和印度洋靠近南极洲的那一片水域，在海洋学上具有特殊意义。它具有自成体系的环流系统和独特的水团结构，既是世界大洋底层水团的主要形成区，又对大洋环流起着重要作用。因此，从海洋学（而不是从地理学）的角度，一般把三大洋在南极洲附近连成一片的水域称为南大洋或南极海域。联合国教科文组织（UNESCO）下属的政府间海洋学委员会（IOC）在1970年的会议上，将南大洋定义为：“从南极大陆到南纬40为止的海域，或从南极大陆起，到亚热带辐合线明显时的连续海域。”,14,0.1海洋环境因素分析地理条件,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。按照海所处的位置可将其分为陆间海、内海和边缘海。陆间海是指位于大陆之间的海，面积和深度都较大，如地中海和加勒比海。内海是伸入大陆内部的海，面积较小，其水文特征受周围大陆的强烈影响，如渤海和波罗的海等。陆间海和内海一般只有狭窄的水道与大洋相通，其物理性质和化学成分与大洋有明显差别。边缘海位于大陆边缘，以半岛、岛屿或群岛与大洋分隔，但水流交换通畅，如东海、日本海等。,15,0.1海洋环境因素分析地理条件,海湾是洋或海延伸进大陆且深度逐渐减小的水域，一般以入口处海角之间的连线或入口处的等深线作为与洋或海的分界。海湾中的海水可以与毗邻海洋自由沟通，故其海洋状况与邻接海洋很相似，但在海湾中常出现最大潮差，如我国杭州湾最大潮差可达8.9m。海峡是两端连接海洋的狭窄水道。海峡最主要的特征是流急，特别是潮流速度大。海流有的上、下分层流入、流出，如直布罗陀海峡等；有的分左、右侧流入或流出，如渤海海峡等。由于海峡中往往受不同海区水团和环流的影响，故其海洋状况通常比较复杂,16,2,0.1海洋环境因素分析,海岸类型:岩石型沙砾型淤泥型,世界海岸线全长44万公里，它是陆地和海洋的分界线。由于潮位变化和风引起的增水-减水作用，海岸线是变动的，水位升高便被淹没、水位降低便露出的狭长地带即是海岸带。目前，世界上约有2/3的人口居住在狭长的沿海地带，海岸带的地貌形态及其变化对人类的生活和经济活动具有重大意义。海岸带是海陆交互作用的地带。海岸地貌是在波浪、潮汐、海流等作用下形成的。现代海岸带一般包括海岸、海滩和水下岸坡三部分。,17,2,0.1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。,18,2,0.1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。,19,2,0.1海洋环境因素分析,海底地形,20,0.1海洋环境因素分析,全球海脊分布图,21,0.1海洋环境因素分析,全球海脊分布图,22,0.1海洋环境因素分析,全球海洋板块分布图,23,0.1海洋环境因素分析,中国近海,24,0.1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。,25,0.1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。,26,0.1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。,27,0.1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。,28,0.1海洋环境的复杂性,海洋是个无时无刻不在运动着物理系统，海洋中水-汽-冰三态的转化无时无刻不在进行，海水的运动还受制于海面风应力、天体引力、重力和地球自转偏向力等。导致海洋中的各种物理过程更趋复杂，即不仅有力学、热学等物理类型，而且也有大、中、小各种空间或时间特征尺度的过程。海洋中的近20万种动物、1万多种植物、还有细菌和真菌等，组成了一个特殊的海洋食物网。海洋生态系统。海洋作为一个自然系统,具有多层次耦合的特点。蒸发与降水，结冰与融冰，海水的增温与降温，下沉与上升，物质的溶解与析出，沉降与悬浮，淤积与冲刷，海侵与海退，潮位的涨与落，波浪的生与消，大陆的裂离与聚合，大洋地壳的扩张与潜没，海洋生态系平衡的维系与破坏等等。它们相反而相成，共同组成了这个复杂的统一体。各个子系统之间，如海洋与大气，海水与海岸、海底，海洋与生物及化学过程等等，大都有相互耦合关系，并且与全球构造运动以及某些天文因素等密切相关。这些自然过程通过各种形式的能量或物质循环，相互影响和制约，从而结合在一起构成了一个全球规模的、多层次的复杂的海洋自然系统。,海洋科学体系：物理海洋学、化学海洋学、生物海洋学、海洋地质学、环境海洋学、气象学、海洋探测技术、工程海洋学等。,29,0.1海洋环境因素分析-物理性质,海水的物理性质密度温度粘性压力颜色透明度,30,0.1海洋环境因素分析-化学性质,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.其它成分盐度动态平衡,31,32,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,33,海底的矿产资源物,34,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：,35,1,36,37,38,39,海洋油气勘探钻井,40,海洋油气勘探采油,41,海洋油气勘探管道铺设,42,0.2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。,43,0.2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,44,0.2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。,45,0.2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,46,0.2海洋结构物,世界各大洋含钴锰结壳分布图,47,0.2海洋结构物,多金属结核采矿系统,48,0.2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风力发电,49,0.2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。,50,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。,51,52,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