近海与海洋工程导论-海洋环境

近海与海洋工程导论,港口海岸与近海工程学院2014年10月,第二章海洋环境,第一节海底地质构造第二节海洋水文气象第三节我国海域,海洋环境,海洋工程环境研究的主要内容：,1.海洋工程物理环境2.海洋工程地质地貌环境3.海洋工程化学环境4.海洋工程生物环境,海洋工程环境研究的意义：,海洋结构物与环境因素的相互作用,准确预测海上物理环境条件的强度、出现的概率及其诱发的荷载，对海洋建筑物的安全至关紧要。海洋环境条件与荷载的合理确定对海洋建筑物的建造投资和经济效益也是举足轻重的。,海洋工程环境研究的方法,1.理论分析法2.现场观测法3.物模实验法4.数值模拟法,海洋环境,第一节海底地质构造,大洋地貌单元的划分为：大陆边缘和深海底,海底地形示意图,海洋地质构造,海底轮廓典型剖面示意图,海洋根据水深、海底坡度和海底沉积物等分成四种地形区域：大陆架、大陆坡、大洋盆地和海沟。大陆架：从海岸到大陆坡之间的区域，水深200m,坡度12;大陆坡：倾斜度一般为47，可达40以上，水深2002500米；大洋盆地（海盆）：海洋主要部分，深度25006000米，平坦；海沟：在大洋盆地中,深度超过6000米的地方，海渊：超过10000米深的海沟，全在太平洋（已测得）。大陆架藏油量最大，大陆坡其次，过度带上的盆地。,海洋地质构造,大陆边缘-海岸海洋,大陆边缘:包括海岸带、大陆架、大陆坡和大陆隆及海沟海岸带:海陆之间的界限，又是海陆相互作用的地区,大陆架：基本特点是坡度小,平均坡度约为0.1度,大陆架是整个海洋资源蕴藏最丰富的地区,大陆架的地形也有利于物质的沉积大陆坡：从大陆架外缘海底地形明显变陡的地区，坡度一般为27度，最大深度可达2500米左右，大陆坡是地壳活动活跃地段大陆隆(裙）：是大陆坡在到达深海以前变得较为平缓的地带，是陆坡基向海洋深处缓慢倾斜的沉积区。,海洋地质构造,大陆架地质结构分为三层：底层构成大陆基底的主要岩石是中生代以前古老的折皱岩层，是古老的变质岩或火成岩，基底岩石构造是和陆地相联的，一般在底层之上有一个不整合面，与中间层相接触。中间层在地层上面沉积着沉积岩，主要是新生代的沉积区，有的地区包括中生代的沉积区。若中间层发生过轻微的地壳变动，就可形成有利于油、气聚集的贮油构造。表层覆盖于中间层之上，出露在海底表面的沉积物由泥沙、淤泥及生物碎屑等组成。,海洋地质构造,我国近海大陆架是世界上最宽广的大陆架之一，渤海是大陆架上的浅凹地，黄海整个位于大陆架上，东海也有宽广的大陆架，占东海面积的2/3左右，其外缘水深大多为160米左右；南海大陆架占整个水域的1/2以上，外缘水深一般为150多米。中国近海大陆架的平均深度约为55米，地形十分平坦，坡度一般不超过002。,海洋地质构造,深海底包括大洋盆地和洋中脊区大洋盆地又称大洋床，它是海洋的主要部分，占海洋总面积的72%以上，地形广阔而又平坦，倾斜度小，大约在020040左右洋中脊是大洋中一些长长的海岭，它常是地幔物质向地表溢流的地方。,全球地貌图,海洋地质构造,大洋中脊的成因,板块学说认为：洋中脊是海底扩张的策源地，在热对流运动的传送下，地幔物质沿中央裂谷不断上涌，经冷凝形成新的洋壳，并推挤先前形成的洋壳逐渐向两侧扩张直至大洋边缘。,北大西洋中脊,大洋中脊-全球性的大洋中脊山系,海洋地质构造,大洋中脊的形态,大洋中脊裂谷,大洋中脊的震源分布,大洋中脊的热流,海洋地质构造,海洋灾害,火山持续喷发,西北太平洋的地震震源分布,图中红点为火山带，黄点为地震震源带,海洋地质构造,第二节海洋水文气象,风波浪海流海冰,海洋水文气象,风,海风（Wind）：海上刮的风。风对人类的生产活动和生活有着重大的关系。风可以作为一种自然资源，为人类的生产和生活提供动力资源。另一方面，大风和风暴又是一种带有巨大破坏性的自然现象，风还是产生海浪的重要因素。风是影响海洋工程的重要环境因素之一。风对海工结构的影响十分严重，因为平台、钻井船及海上油罐等设备直接承受风荷载的作用。一些浮式海洋工程结构物的稳性和安全性也与所受风力密切相关。,海洋水文气象,自然界的风按其循环可分为：大规模风系、中规模风系和小规模风系。大规模风系：由地球自转引起的。如自南北纬30度附近吹入赤道低压带的信风（tradewind）。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：有在东南亚显著的季节风，由于低气压和高气压的存在而产生的台风等。台风，寒潮小规模风系：有由于海陆间气温差，白天由海向陆、夜晚由陆吹向海的海风与陆风。海陆风，山谷风，龙卷风,大规模风系,海洋水文气象,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。台风中心，即风眼地区风速接近于零。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。,我国海域的主要风系：季风、台风、寒潮大风,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。,海洋水文气象,影响我国的寒潮路径图,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.,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。,海洋水文气象,近海与海洋工程导论,风的等级,海洋水文气象,风况资料：风玫瑰图、风速资料的多年分布资料与统计,风玫瑰图：用以表示风在某个方向的强弱和次数,海洋工程的设计常需了解具有一定概率的最大风速，并以某一重复期的风速特征值作为设计标准。在海洋工程中常以50年一遇的年最大风速或100年一遇的年最大风速作为设计风速。,风频玫瑰图,风频风速玫瑰图,海洋水文气象,波浪,波浪是发生在海洋中的一种波动现象，是静水面受到外力作用后，水质点离开平衡位置作往复运动，并向一定方向传播的自然现象。,在风的作用下，海浪自风取得能量又受内、外部阻力的作用，若海浪损失的能量小于取得的能量，海浪处于发展阶段，海面波动随时间变剧，反之，海浪逐渐减小。,海洋水文气象,波浪（风浪）运动的成因：,风速15m/s，波浪成长与风时、风区的关系。,影响风浪成长的因素：风速风时：指风速、风向基本不变的情况下，风连续作用在海面上的时间风距：风的吹程，指在一定风况作用下，对某特定点形成波浪有实际作用的风区范围及其水域长度,海洋水文气象,波浪要素：波高（h）：意即波峰与波谷之间的高度差。波长（L）：亦即两个相邻波峰之间的（水平）距离。波峰：为波形的最高点，图中A、C点。波谷：波形的最低点，图中B、D点。波陡：波谷到波峰的陡度，图中BC段常用波高与波长的比值h/L表示。周期（T）：两个（相邻）波峰通过同一地点的时间间隔，就称为周期（T），单位是秒。波速（c）：或波形传播的速率是等于波长被周期来除，也即：C=L/T,海洋水文气象,表面张力波：H=12mm,T=0.1s风生波：H=25m(H/L=0.03-0.05)(37m),0.130s涌浪：T=1030s，H/L=0.010.02海啸波：(24m)风暴波：孤立波，持续几到几十个小时潮汐：周期为12.42小时(太阴半日潮)，12.00小时(太阳半日潮),海洋水文气象,波浪运动的分类,其中周期处于1-30s，特别是4-16s这一范围内的重力波，在海洋工程研究中占据重要的地位，是海洋建筑物需要考虑的主要荷载。,波浪的表示方法：海洋波浪是由具有多种波高、周期和相位等的波浪组成的合成波，且波浪的行进方向（波向）也不完全相同，这样复杂的海洋波浪可用统计分布或波谱来表示，但在海洋结构的设计中一般采用其特征值，如最大波高Hmax和最大周期Tmax以及有效波高H1/3和有效周期T1/3。最大波高和最大周期是取观测期间的最大波或是取累积频率为50年一遇或100年一遇的最大波，也即波浪重现周期为50年或100年的最大波高和周期。有效波高和有效周期是把波浪观测资料按大小排列，最大的1/3部分波高和周期的平均值，具有这样概念的波叫有效波，因为与目测值相近，故被广泛应用。,H*j为Hi的有序排列，自最大端向前取总数的三分之一的波高。,表示波动的可视平均水平。,海洋水文气象,几种波浪的定义（不同性质）：微幅波-线性波浪理论：是对自然界海面上波浪进行了简化的最简单的波动，指波高与波长、水深相比为小量的波浪。它的特点是使用简便、适用性强，在平台初步设计阶段可以用于各种水深。由于它的线性性，也可用于研究绕射问题和各种波谱分析,斯托克斯（stokes）波-非线性波浪理论，对于线性波理论，伯努利方程中的非线性项被忽略，而在有限振幅波理论中，则应计入非线性项的作用。在目前的工程应用中，斯托克斯五阶波已被广泛地应用于各种海洋工程结构的波浪力计算，该理论特别适用于由小直径管件构成的导管架平台、自升式平台的桁架式桩腿、隔水管海底管线等管状结构。,海洋水文气象,几种波浪的定义（不同性质）：椭圆余弦波：对有限振幅波，由于波高较大，自由水面的非线性影响不可忽略，故微幅波理论已不适用，在这种情况下，如水深较大，一般可以选用斯托克斯高阶波理论。但如果对水深与波长比小于1/8，则宜采用椭圆余弦波理论，该理论比较全面考虑了影响波动性质的因素，具有较大的适用范围。孤立波：它适合水深极浅的水域，它是椭圆余弦波理论在水深趋于很小时的一个极端情况。理论上，孤立波的波长是无限长的，但作为设计波时，可将孤立波进行周期化，按既定周期计算相当波长。,海洋水文气象,椭圆余弦波，斯托克斯波和线性波的应用范围：,当Ur远大于1时，大,小，即强非线性和浅水，适合椭圆余弦波的浅水波理论。当Ur=o(1)时，即有,相当，说明弱非线性和中等程度的波长，适于采用stokes波理论。而当Ur远小于1时，有小，较大，相当于水深与波长相比较大，波高又不太大的情形，这正是线性波理论的适用范围,几种波浪的定义（不同性质）：海浪频谱：海浪可视作由无限多个振幅不同、频率不同、方向不同、位相杂乱的组成波组成。这些组成波便构成海浪谱。此谱描述海浪能量相对于个组成波的分布，故又名“能量谱”、“功率谱”和“方向谱”。它是随机海浪的一个重要统计性质，它不仅包含着海浪的二阶信息，而且还直接给出海浪组成波能量相对于频率和方向的分布。它用于描述海浪内部能量相对于频率和方向的分布。有了波浪谱，对海洋工程结构物的运动和作用力分析得更接近实际更完善,谱（spectrum）的物理概念是表示随机过程的波动能量在频率域的分布。,JONSWAP(1973)谱,适用于有限风区的波浪谱,海洋水文气象,波能谱密度函数表示不规则波浪中各种频率波的能量在总波能中所占的分量，谱函数为非负函数，恒等于或大于零；波能谱曲线在低频和高频端都趋于零，这表明实际上特别长和特别短的波的波能在总波能中不起什么作用；波能谱曲线峰值邻近区表示相对波能量比较大的成分波，窄而尖的波能谱代表波能集中在范围较小的频带内，其波浪比较有规律，例如涌浪的波能谱接近这类谱型；波能谱比较平缓，谱峰不突出代表波能较分散，波浪的不规则性较强，海上风波的波能谱通常属这类谱型。,海洋水文气象,谱函数的特点：,海浪可按波高的大小分为9级：,海洋水文气象,海流（oceanflow）：海流又称洋流，是海水因热辐射、蒸发、降水、冷缩等而形成密度不同的水团，再加上风应力、地转偏向力、引潮力等作用而大规模相对稳定的流动，它是海水的普遍运动形式之一。,海流是海洋工程物理环境的重要因素之一。对海洋工程结构有直接作用；影响结构强度和稳定性；设计海洋工程的水下部分，必须考虑海流引起的荷载；对拖航时的拖曳力与停泊时的系泊力，也要分析海流的大小与方向。,海洋水文气象,海流,海流成因：风海流：由作用于广阔海面上的风力引起的海流。潮汐流：由潮汐现象引起的，是周期性的海流。梯度流：如密度流、盐度流，由海水温度、密度、盐度的变化不均匀而引起的海水流动。,按海流温度与周围海水温度差异分：寒流、暖流等,海流的方向和单位1.海流流速单位：m/s,kn2.海流流向：指海水流去的方向，正北为0度，“风来流去”,渤海表层潮流,海洋水文气象,主要海流：黑潮，亲潮，阿留申海流，北太平洋海流，北赤道流，赤道逆流，北太平洋黑潮，澳大利亚海流，墨西哥湾海流，巴西海流。,艾克曼漂流,漂流流速随水深的增加将迅速减小。流向则随水深的增加在北半球逐渐偏于风向的右侧,漂流的艾克曼螺旋形分布,海洋水文气象,海流的驱动力：1压强梯度力：海洋内压场：由海洋中密度差异形成的斜压状态。外压场：外部原因（风、降水、江河径流）引起海面倾斜产生的压力场2风应力3科氏力,全球洋流分布图,海洋水文气象,中国近海的洋流分为两大系统一是外来的黑潮暖流、二是海域内生成的沿海流与季风漂流。黑潮暖流，源头在菲律宾以东洋面，主干沿台湾以东进入东海，顺东海大陆坡向东北流去。在台东北，黑潮向北分出一支支流，流向浙江沿海，称为台湾暖流。黑潮主干流到日本九州以内，又发生次大的分流，分出的西支沿九州西岸北上，称之为对马暖流。黑潮主干在九州以南转向太平洋，一直流到东经160度。与北太平洋大洋环流相接。黑潮主干流域的平均宽度不足100海里其中主流宽度20海里。黑潮的流速随季节、区段和水深而变化，各分支的流速每秒变化在十几厘米到几十厘米。黑潮的流量可达4000-5000立方米秒，其中在东海的流量约为3500立方米秒。,黑潮,海洋水文气象,海冰（seaice）：海水冻结而成的咸水冰。广义指海洋上所有的冰，包括咸水冰、河冰、冰山等，也包括由陆地注入海洋中的淡水冰。,海冰,海洋水文气象,由于冰荷载考虑不周全或没考虑导致海洋结构出现安全事故在世界范围内经常发生：1962年和1963年在美国阿拉斯加库克湾先后建造的两座海上钻井平台，由于设计强度未考虑冬季冰荷载的作用力，于1964年冬季均被海冰摧毁。1969年3月，渤海发生严重冰情，中国海洋石油总公司渤海石油公司建造的渤海二号石油钻采平台被海冰推倒于海中。1977年2月，渤海湾的海四井火炬塔被海冰推倒。冰荷载已被视为海洋工程和船舶设计的重要控制因素之一,海冰形成条件及过程海冰形成的必要条件是，海水温度降至冰点并继续失热、相对冰点稍有过冷却现象并有凝结核存在。当盐度低于24.695时，海水结冰情况与淡水相同；当盐度达到35时，海水冰点在-1.9度。海水的结冰，首先是纯水的冻结，会将盐分大部排出冰外，而增大了冰下海水的盐度，加强了冰下海水的对流和进一步降低了冰点，又兼冰层阻碍了其下海水热量的散失，因而大大地减缓了冰下海水继续冻结的速度。,海洋水文气象,近海与海洋工程导论2013年11月,海冰的分类：按冰的运动状态可分为：浮冰、固定冰。按冰的生长与发展过程及冰的厚度可分为：初生冰、饼冰、皮冰、板冰、灰白冰和厚冰。按冰的外形可分为：平整冰、重叠冰、堆积冰、冰丘、冰山。,海洋水文气象,中国海的海冰，仅在冬季出现于渤海和北黄海沿岸。,渤海和北黄海的冰界,海冰对海洋工程建筑物的作用：1.冻融损害作用：渗入混凝土式海洋工程结构表面附近毛细管孔道的海水成冰时产生膨胀压力，此力导致混凝土内部呈应力状态。随着气温的剧烈变化，海冰的冻融交变过程频繁发生，结果混凝土表皮脱落，形成冻损。2.膨胀挤压作用：海湾或海岸附近的海水结冰后，随着气温的变化，海冰的体积随之发生相应的变化，从而对海工结构产生挤压作用。3.静力推压作用：它是大面积连续冰层在风流带动下，对下风或顺流方向上与其接触的海工结构物产生的水平推压作用。这种作用力很大，是海冰对海工结构物造成严重损害的主要方式之一。,4.附着冰引起垂向力：牢固地与海工结构物冻结在一起的附着冰，随冰层水位上升或下降而产生垂向力。5.动力撞击作用：高而大质量冰体运动对海工结构物的撞击作用，是一种时间很短的瞬态冲击荷载。,海洋水文气象,海啸由于地震引起的地壳的变动，海底火山爆发，以及由海中核爆炸等原因所引起的周期波动叫海啸海啸等级与震级的关系：m=2.6M-18.4,海洋水文气象,遥海啸和本地海啸,海啸成因,海啸形成示意图,“下降型”海啸:某些构造地震引起海底地壳大范围的急剧下降，海水首先向突然错动下陷的空间涌去，并在其上方出现海水大规模积聚。当涌进的海水在海底遇到阻力后，即翻回海面产生压缩波，形成长波大浪，并向四周传播与扩散，这种下降型的海底地壳运动形成的海啸在海岸首先表现为异常的退潮现象。1960年智利地震海啸就属于此种类型。“隆起型”海啸:某些构造地震引起海底地壳大范围的急剧上升，海水也随着隆起区一起抬升，并在隆起区域上方出现大规模的海水积聚。在重力作用下，海水必须保持一个等势面以达到相对平衡，于是海水从波源区向四周扩散，形成汹涌巨浪。这种隆起型的海底地壳运动形成的海啸波在海岸首先表现为异常的涨潮现象。1983年5月26日，日本海7.7级地震引起的海啸就属于此种类型。,海洋水文气象,海啸波传播时间示意图,印度洋海啸影响范围,海洋水文气象,天文潮和风暴潮在海洋工程设计有意义的主要是天文潮和风暴潮。潮汐对海上建筑物的设计、施工（特别是竖向尺度的确定）有着极大的影响。,海洋潮汐是海水在天体引力作用下发生的周期性波动。太阳引力引起的称太阳潮,月亮引力引起的称太阴潮。通常海面周期性的涨落称为潮汐。潮汐按其性质可分为3类：半日潮、全日潮和混合潮。半日潮是在个太阳日内出现高潮和低潮各两次、且相邻高潮及相邻低潮的潮高均几乎相同、涨潮时和落潮时也几乎相等。全日潮是在半月内有连续12以上天数在一个太阳日内只有次高潮和低潮，而在其余日子则是半日潮。混合潮是不正规半日潮和不正规全日潮的总称。不正规半日潮是指虽波动次数同半日潮，但潮差不同，涨潮时和落潮时也不等。不正规全日潮是指半个月内，全日潮天数不超过7天，其余大多数日子为不正规半日潮。,海洋水文气象,风暴潮：是由于巨风或气压急剧变化而引起海面水位上升的现象。我国是多风暴潮的国家之一，一年四季均有风