OSM12-海洋工程修改

1,1.海洋工程2.海洋工程环境调查2.1海洋工程水文(海浪、潮汐、海流、风暴潮)2.2海洋工程地质2.3悬移质与推移质3.海洋环境质量评价,12海洋工程环境调查,2,一、海洋工程以开发、利用、保护、恢复海洋资源为目的，应用海洋基础科学和有关技术学科所形成的一门综合技术科学。也指开发利用海洋的各种建筑物、工程设施和技术措施。海洋工程的分类：海洋开发利用的内容海洋资源开发（海水、生物、矿产资源等）；海洋空间利用（沿海海岸、海洋运输、海上、海底建筑物，军事基地等）海洋能利用（潮汐发电、波浪发电、海水温差发电等）海岸防护等；海洋开发利用的区域海岸工程、近海工程、深海工程,12海洋工程环境调查,3,一、海洋工程海岸工程为海岸防护和海岸带资源开发利用而在海岸兴建的各种建筑物。主要包括：海岸防护工程、围海工程、河口整治工程、海港工程、滨海电站、潮汐发电工程等。与海洋水文、海洋气象、海洋地质、建筑设计等学科有密切关系。近海工程也称“离岸工程”，为开发利用近海资源而在近海水域兴建的各种建物。主要包括：近海航运工程、近海捕捞和养殖工程、近海大陆架石油和天然气开采工程、浅海矿产开发和海洋能利用等。与造船、机电、化工和材料工程、海洋环境有密切关系。深海工程为开发利用深海资源和利用深海空间的工程和设施。前者有深海海底油气和矿产资源（如锰结核等）的开采，利用深海采油平台（为近海工程的延伸）或专用的深潜设备；后者由深海污水排放或核废料的深海储存设施。由于环境恶劣，对材料选用、制造工艺和使用规定都要求严格。,12海洋工程环境调查,4,二、海洋工程环境调查定义影响海洋工程建筑物施工、造型、安装、营运以及建筑物环境荷载和耐固性有关的环境条件。主要内容1、气象（风况、气温、气压、降水、雾等）；2、水文（海浪、潮汐、海流、海冰、海啸、风暴潮等）；3、地理（海底地形、地貌）；4、地质（海底地质结构、海底土壤特性、侵蚀引起的海底变形和冲淤物）；5、大地构造（区域地震活动）；6、海洋生物；7、海洋化学（海水对金属的腐蚀、海洋生物附着现象）；8、海洋变化(海平面变化)。作用海洋工程建筑物的规划、建筑物结构型式的选择、承重构件的尺度、施工方法和营运状况。由于各海区的环境条件差别很大，其对工程的作用需分别评价（环境质量评价）。,12海洋工程环境调查,5,二、海洋工程环境调查1、海洋工程水文调查主要内容海浪、潮汐、海流、泥沙和海冰等水文要素的运动特征、分布、变化规律，及其对海洋工程设计、施工与管理运行的影响。步骤水文测验：工程水文的基础，包括水文站的布设、水文要素的观测方法、时次和仪器；水文资料整编：根据历史资料，以一定格式提供水文参数的统计特征；水文分析与计算：使用概率论和数理统计的方法，使随机的水文变量与其出现概率联系起来，为海洋工程提供设计水文要素(如波浪、潮位等)多年一遇的极值；水文预报：根据前期和现时的水文气象信息及自然地理资料，对某一海区未来一定时段内的水文情势作推测和预报，如风浪预报、风暴潮预报、冰情预报等。,12海洋工程环境调查,二海洋工程环境调查,海洋工程水文：,A海浪观测和计算,在海洋工程的地区，若缺乏海浪实测资料，且附近又无海洋台站的长期观测资料可供利用，这时要设临时波浪站，至少进行一年的实际观测，以取得波浪的统计特征。,（2）海浪资料统计,（1）海浪的观测,海浪资料统计包括：波型特征(风浪、涌浪和混合浪的出现频率)，波向、波高和周期特征(16个方位上出现频率)（如图）。,6,二海洋工程环境调查,海洋工程水文：,A海浪观测和计算,（3）重现期波要素推算,在海上工程设计中经常提出极值一类的问题，即如何从已有的海浪资料中推出若干年内可能出现的最大波高。这类”百年一遇”的极值预测问题，原则上可以运用极值分布理论和适线法求得解决。要用已有的海浪资料推算未来若干年可能出现的海浪波高值。首先诊断实测海浪资料系列的代表性和可靠性，进一步了解其长期（几十年）内的分布规律，然后确定“百年一遇”波高。依港口工程技术规范要求，重现期TR（年）与频率P()的关系：,（1）,7,重现期（recurrenceinterval）重现期是指某自然现象变量X大于或等于一定数值Xm（XXm）在很长时期内平均多少年出现一次的概念，这是该自然现象变量频率的另一种表示方法。重现期T与频率P的关系为：T=1/P（年）例如：当P=1%时，则T=100（年），称为百年一遇。所谓百年一遇是指大于或等于这样的自然现象变量在很长时期内平均每百年出现一次，而不能理解为恰好每隔一百年出现一次，对于具体的100年来说，超过这种量可能不止一次，也可能一次都不出现，这只是说明长时期内平均每年出现的可能性为1%。,参见”海洋调查方法实习“内容”多年一遇的极值求取。,8,二海洋工程环境调查,海洋工程水文：,A海浪观测和计算,（3）重现期波要素推算,一般海上工程要求推算100、50、20、10年一遇的极值波高。有时在施工过程要了解各季的最大波高或一年一遇的波高。一年一遇波高，从数学上讲其年频率是不确定的，只能用近似频率代替。,为此定义：一年一遇波高，是100年中可能出现的一年一遇波高，其相应的年频率为99%，也就是说，重现期是1.01年的波高近似为1年一遇波高。（2年一遇，频率为50%，重现期2年）,应用理论的耿贝尔分布推算的年极值可作参考，最好是采用港口工程技术规范规定的皮尔逊型适线法，寻求海浪年极值的长期分布规律。(海洋调查实习）,9,二海洋工程环境调查,海洋工程水文：,A海浪观测和计算,（3）重现期波要素推算,如果缺乏实际观测资料，可利用风场和数模计算海浪要素，计算深水波高和周期公式为：,（2）,（3）,浅水风浪要素计算公式：,式中为海拔10m高处的风速，X为风区长度，为海域的平均水深。,（4）,10,11,风区长度的计算水域较狭窄、形状不规则或有岛屿阻碍,二海洋工程环境调查,海洋工程水文：,B潮汐观测和计算,在海洋工程的地区缺乏潮汐实测资料，这时要设临时潮汐站，至少进行一年的实际观测，与附近海洋台站的长期观测资料进行相关，以取得潮汐的统计特征。依据一年的实测潮汐资料进行调和分析，求得各分潮的调和常数，进一步计算有关的潮汐特征值（潮汐非调和常数）。,（2）潮汐资料的统计潮汐资料的统计至少包括：平均海面，潮汐性质，历史最高潮位，历史最低潮位，平均潮差，平均最大潮差，平均高潮高，平均低潮高等。,（1）潮汐的观测,（3）求设计高、低水位,按照港工规范规定，统计了历时累积频率曲线和高、低潮累积频率曲线。取历时1和98的潮位分别作为设计高、低水位。,12,二海洋工程环境调查,海洋工程水文：,B潮汐观测和计算,（4）多年一遇的高、低水位,根据耿贝尔第一型极值分布规律，确定多年一遇的高、低水位。,详见第18章多年一遇极值的求取。,(5),式中为多年一遇的高水位，为个高潮极值的平均值，为个高潮极值的标准差。多年一遇的低水位：（6）,式中为个低潮极值的平均值，S为n个低潮极值的标准差。,13,二海洋工程环境调查,海洋工程水文：,C海流观测和计算,（1）海流实际观测,在工程海区，一般地说要进行海流实地观测。根据具体情况布设站位，至少要进行25小时的连续观测。在观测的基础上，给出最大涨、落潮流速、流向及最大运移距离。,（2）实际观测资料的计算,对各站、各层的周日资料按差比法进行调和分析，依据所得的北、东分量的潮流调和常数，计算各站各层的潮流椭圆要素及测流日的余流。,（在“物理海洋学”中已实习过）,14,二海洋工程环境调查,海洋工程水文：,C海流观测和计算,（3）潮流椭圆要素计算,依据海洋调查规范，计算潮流椭圆要素，包括最大流速（长半轴）、最小流速（短半轴）、椭圆旋转率、最大潮流发生的时间、最大潮流方向角。,（4）潮流性质判别,依具各层的的量值，判明该海区为何种潮型。、分别为、分潮流最大流速，若之值4，潮流为规则日潮，若其比值在0.5和4之间，潮流为混合潮型。,15,二海洋工程环境调查,海洋工程水文：,C海流观测和计算,（5）余流,实测资料分析的余流中包括有潮汐余流、长周期流、风海流以及其它因素形成的非周期性的流动（海流调查中已讲过）,（6）潮流场数值计算,二维潮流数值计算的潮波基本方程为,式中u、v为潮流流速的东、北分量；H为水深；为海面潮位升降值；g为重力加速度。,（7）,16,二海洋工程环境调查,海洋工程水文：,D风暴潮推测,风暴潮是指由强烈的大气扰动（如强风和气压骤变）所引起的海面异常升高现象。,（1）风暴潮的资料统计,根据多年的潮位观测资料和气象资料，找出对应的大风天气风暴增水和减水值，求出该海域风暴潮特征。以年最大增(减)水系列样本，推算该海区多年一遇的风暴增(减)水值。如果没有多年观测资料，则要用数值计算解决。,17,18,2002年9月浙江沿岸遭受“森拉克”风暴潮袭击,二海洋工程环境调查,海洋工程水文：,D风暴潮推测,（2）风暴潮的数值计算,（8）,（9）,其中为增水位，为水深，为柯氏以参数，为重力加速度，和分别为和方向的海面风应力，为底摩擦系数，、分别为和方向的深度平均流速：（11）,（10）,19,二海洋工程环境调查,海洋工程地质：,A地质采样,底质调查的手段有表层采样、拖网采样、柱状采样、浅地层剖面测量等。当进行小比例尺基础调查时，主要的调查项目为表层采样和柱状采样。表层采样的设站密度，应满足规定的精度要求，柱状采样的比例不应小于表层采样测站的20%。在一些必要的代表性剖面上，可酌情进行浅地层剖面测量，如有条件还可进行少量浅钻，以提供该剖面综合地质解释的依据。,采样的方法和步骤,(1)测量采样点水深，检查采泥器与钢丝绳的连接是否牢靠,(2)慢速开动绞车，一人手扶采泥器送至舷外，慢慢放入水中。,（3)采泥器到达海底后，不要立即关闭绞车，放出的绳长应稍大于水深，尤其是浪大流急时更需放长。,(4)提升采泥器时，开始应慢速，待其离底后即快速提升。,20,二海洋工程环境调查,海洋工程地质：,B粒级划分,亦称“粒度等级”。表示颗粒在2个粒度（颗粒直径）之间的范围。如粉砂级表示颗粒小于0.1mm，而大于0.01mm。对于粒级，目前流行的有三种划分标准：十进位标准；标准（又称伍登-温德华标准）；类似十进位标准。参照表1（教材页）。,C粒度分析,在沉积物粒度分析中，除去价格比较昂贵的激光粒度分析仪之外，最常见的为筛析法和沉析法（吸管法）二种。,当样品的颗粒大小基本处于筛析粒度范围，大于0.063mm的颗粒多于85时，可直接用筛析法进行筛分(适用于粗颗粒样品的分析),筛析法的基本原理是选用规定的不同孔径的套筛，将样品自粗至细逐级筛分。,1筛析法,21,B粒级划分,亦称“粒度等级”。表示颗粒在2个粒度（颗粒直径）之间的范围。如粉砂级表示颗粒小于0.1mm，而大于0.01mm。对于粒级，目前流行的有三种划分标准：十进位标准；标准（又称伍登-温德华标准）；类似十进位标准。参照表1（教材页）。,22,二海洋工程环境调查,海洋工程地质：,C粒度分析,沉析法（吸管法）被广泛用来测定0.0010.063mm范围的颗粒。沉析法依据的基本原理，是静水中不同泥沙颗粒的沉降速度不同，但服从于斯托克斯定律。即测定作为沉降时间函数的某一预订深度处悬浮液的浓度值，就可以求出相应的悬移质的粒径。斯托克斯定律的关系式为：,(12),式中：左侧为阻力，右侧为下沉作用力。-颗粒（质点）半径（cm）；-液体的粘滞系数；-颗粒沉降速度（cm/s）；-重力加速（980cm/s2）；-颗粒密度；-液体密度。,23,二海洋工程环境调查,海洋工程地质：,C粒度分析,沉析法（吸管法）,(12)式可改写后查表计算：,式()即为斯托克斯沉速公式。如果我们假定颗粒的比重为2.65，介质为水，则沉降速度为,（）,（）,式中-颗粒直径（mm）；-不同水温时的粘滞系数，可从表3查得（教材页）。,24,25,二海洋工程环境调查,海洋工程地质：,C粒度分析,沉析法（吸管法）,有了颗粒的沉降速度和在沉降量筒中预定的取样深度，即可计算出大于某一粒径所有质点（颗粒），最终沉降至该点以下所需的时间。计算公式为：,（）,式中-沉降时间（s）；-取样深度（cm）。,沉析法（吸管法）即是根据斯托克定律的质点（颗粒）沉降速度，在悬液的一定深度处，按不同沉降时间吸取悬液，由此来求出沉积物各粒级的百分含量。,沉析法的吸液深度和吸液时间见表4。（教材页）,26,27,二海洋工程环境调查,海洋工程地质：,C粒度分析,激光仪器测量,欧美克激光粒度分析仪,欧美克激光粒度分析仪原理,28,29,二、海洋工程环境调查3、悬移质与推移质与泥沙输运有关，由浪、流、潮控制，影响海岸变迁、港湾冲淤。3.1、悬移质定义海水中包括胶体在内的、各种悬浮颗粒物质。泥沙为其主要受关注部分。特点河口区域含量最大，大洋区域含量最小；粒径微小，沉降速度慢；对海水中微量元素的分布、水色及透明度有重要影响；其悬浮状态由湍流提供能量，运动轨迹复杂，但随水流运动。含砂量单位水体中所含的悬移质泥沙量，单位常取kg/m3或重量体积百分比。悬移质输砂量单位时间内通过河流或某一水文断面的悬移质泥沙数量，单位为t/s或kg/s。,12海洋工程环境调查,30,二、海洋工程环境调查3.1、悬移质含砂量的采集与测定测量方法：过滤法、焙干法、置换法等；采集方法：在测量断面上连续、密集测量，保证水样的代表性；三个含砂量概念：饱和含砂量、超饱和含砂量、欠饱和含砂量（来砂量与水流挟砂能力）,12海洋工程环境调查,二海洋工程环境调查,悬移质与推移质,A悬移质,（3）悬沙随水深的分布,悬砂的垂直分布与不均匀涡动扩散作用、动力作用的相对强弱有关（1）当波浪水体垂直不均匀涡动扩散作用占主导地位时，含砂浓度表层较高，中层较低，底层更低。（2）当重力作用占主导地位时，含砂浓度表层较低，中层高，底层更高。（3）当上述两者作用均占重要地位时，含砂浓度表层较高，中层较低，底层较高，即呈“双峰型”分布规律。,31,二海洋工程环境调查,悬移质与推移质,A悬移质,（3）悬沙随水深的分布,涨潮,涨潮,落潮,落潮,1200米,1200米,1000米,1000米,32,二海洋工程环境调查,悬移质与推移质,A悬移质,（4）悬移质输沙量实测和计算,通过实测结果，五级以上的大风天气下，泥沙随深度呈对数位分布规律。,有了悬移质分布规律，还不能求出泥沙以悬移方式向某一个方向的输送量，还必须进一步研究流的作用，主要是风海流和地形引起的潮汐残差余流。至于潮流，从理论上讲，潮流的往复运动，只能携带悬移质作往复运动，不能造成泥沙的单方向输送。,取一条通过海流计观测点，又和等深线垂直的断面，计算通过这个断面的输沙量。由于流向和断面垂直，所以，断面上输沙量为：,（16）,33,二海洋工程环境调查,悬移质与推移质,A悬移质,（4）悬移质输沙量实测和计算,（16）,式中为输沙量；-断面宽度；-输沙时间；-含沙密度；-垂直断面的流速；-断面平均深度。根据实际情况和实测结果，取，。于是求得：即五级以上大风天气能够产生以悬移质形式自北向南的净输沙量为105T级。,34,35,二、海洋工程环境调查3、悬移质与推移质3.2、推移质定义在河、海床表面以滑动、滚动、跳跃或层移方式运动的泥沙。推移质运动近岸地区在波浪和潮流作用下，水力因子超过床沙运动临界状态时泥沙即开始在床面作运动泥沙横向输移当波浪正向向海岸传播时，泥沙垂直于海岸的输移；泥沙沿岸输移当波浪斜向向海岸传播时，泥沙沿海岸输移；影响因素水流作用强弱、泥沙颗粒大小、形状及床面位置有关,12海洋工程环境调查,36,二、海洋工程环境调查3、悬移质与推移质3.2、推移质推移质输沙率单位时间内通过某断面的底推质输沙量，单位为kg/s、m3/s推移质输砂率的计算尚无适宜的器具和方法，一般根据经验公式推算。经验公式的建立依据:流速、拖曳力、能量平衡观点、统计方法,12海洋工程环境调查,二海洋工程环境调查,悬移质与推移质,B推移质与推移质输沙率,（2）推移质输沙率,具体计算按经验公式：1)波浪输沙量计算，2)波浪作用下的泥沙起动临界深度计算,（3）推移