海洋环境条件范文

导语：如何才能写好一篇海洋环境条件，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词：海水养殖；水温；气象条件

中图分类号：S932.5 1 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.07.008

Abstract： Respond to the urgent need for meteorological service from aquaculture in Binhai New Area， the real-time data from August to November， of water in mariculture ponds of shrimp base was analyzed. The results showed that the average water temperature of three layers in the ponds were higher than that in air， the water temperature from August to September varied from 20 to 28 ℃， which favored the growth of white shrimp（Penaeus vanamei）. From October， the water temperature gradually declined against growth of shrimp. In overcast and cloudy Days， the temperature of lower layer water was higher than the upper， which caused water turbulence. So， special attention should be paid to guard against the pond hypoxia disasters， and the relational model of the air temperature and water temperature in the pond was established，which can real-time forecast water temperature in the pond and provide a scientific support for the best breeding， feeding， harvest and other activities of aquaculture.

Key words：mariculture； water temperature； weather condition

滨海新区大港地区有着广阔的海水养殖面积，是滨海新区水产养殖的主要地区，共有露天养殖面积2.4万余hm2。水产养殖基本上是露天作业，气象条件与水产养殖的成败息息相关。随着滨海新区的开发建设，大港水产养殖业走上了高效养殖的道路，对气象条件更加敏感，对气象灾害更加脆弱。气象条件在很大程度上决定着养殖对象生长速度、繁殖时间、成活率、病害情况等，还决定了苗种放养、饲料投放时间及投放量、捕捞上市时间和产品运输方式等，影响水产养殖的丰歉、品质和成本的高低，甚至可能导致养殖业的巨大损失。气象因素对水产养殖业的危害主要表现在两方面。 一是灾害性天气如台风、暴雨等引起的严重洪涝或风暴潮造成的“硬杀伤”。如2012年7月25―26日的特大暴雨天气，造成大港古林街海水对虾养殖损失严重。二是温度、盐度等变化引发水生物适生环境条件发生变化导致生理不适应造成的“软杀伤”。一场低温寒潮天气可导致海水养殖的鱼虾大面积死亡。特别是高密度养殖采用高投饲料密集养殖，天气突变造成浮头泛塘已成为水产养殖的主要灾害之一，一旦发生损失严重。

因此，对露天海水养殖水环境进行观测预报，可以有效减少水产养殖损失，增减养殖户收益。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

观测养虾池设在天津市滨海新区大港古林街马棚口二村的对虾高密度养殖示范区。示范区（N39°19′、El17°46′）年平均气温12.6 ℃，最冷月1月平均气温-3.3 ℃，最热月7月平均气温26.8 ℃；平均年降水量522.2 mm，雨量集中在7―8月；年日照时数在2 700 h左右。本园区海水池塘养殖面积共266 680 m2，每个池塘6 667 m2，共40口池塘。晒水池在园区南侧，紧邻池塘，面积6 667 m2。养殖水产品为南美白对虾（Penaeus vannamei Boone），养殖示范区如图1所示，观测仪器分别安装在40#池塘和晒水池2。

1.2 测定项目及仪器

项目采用雨研信息科技（上海）有限公司的水产养殖气象监测显示系统。每套包括4种要素，距水面1.0 m深度溶氧量（±1%）、盐度（±1%）和pH值（±0.1），距水面0.5，1.0和1.5 m 3层深度水体温度（精度±0.1 ℃），监测数据通过GPRS模块实时传送到气候中心服务器的数据库。

1.3 数据处理及分析方法

本文利用观测数据绘制图表，以直观地反映海水养殖条件下气象要素的时空变化特征；并对所取得的数据使用数理统计相关知识和统计软件SPSS进行方差分析、相关性分析以及回归分析。

2 结果与分析

2.1 海水露天养殖池塘池水温变化特征

该养殖区引灌海水进行养殖。海水在晒水池中晒15～20 d，引入养殖池塘。本文主要研究8―11月水温时空变化特征。

2.1.1 海水露天虾池池水温的时间变化 （1）平均水温变化特征。观测数据采集时间为2013年8月6日―2013年11月30日。

如表1、表2所示，从时间变化分析，8月至11月，虾池平均水温逐月降低，从空间分布分析，虾池3层水温从上层到下层逐渐降低。与气温比较，各月3层水温平均值均高于同期气温平均值。蓄水池和虾池水温差异不显著。

（2）水温变化趋势。虾池水温的变化主要是随气温的变化而变化，由水温、气温变化曲线图1和图2可以看出，水温、气温的秋季变化均呈波浪形，其走向基本一致，但水温变化幅度远低于气温，主要是由于水的比热较空气大造成的。随着时间推移，水温呈下降趋势。从变化时段看，虾池8月6日―9月1日水温达到最大值，其中8月31日12点至9月1日上午9点，3层水温保持29～30 ℃持续45 h。之后水温呈阶梯式下降，9月25日至29日和10月25至11月5日两个阶段水温下降速率最大。蓄水池与虾池水温变化趋势一致。

2.1.2 不同天气类型水温变化特征 为了分析不同天气类型水环境变化规律，分阴天、晴天和多云3种天气进行分析，按照日照百分率小于20%，20%～60%和大于60%划分为阴天、多云和晴天。

除季节变化外，池塘水温昼夜变化也是生产不可忽视的一个环节。不同天气类型水温最高最低气温出现时间和日较差均不相同，特别是阴天和多云天气下层水温高于上层水温。

晴天时选取连续晴天（9月4―5日，日照百分率0.81～0.89），0.5，1.0，1.5 m 深度逐时水温监测资料。结果表明，3个深度水温日变化曲线均呈单峰型（图3），各层日最低水温平均出现在8：00左右，日最高水温出现在15：00―16：00左右，比大港气象站的日最低最高气温出现时间均推迟2 h左右；水温的日较差较小，0.5，1.0，1.5 m 深度的水温日较差分别为1.6，2.2和2.3 ℃，而同期大港气象站气温的日较差为10.8 ℃，这与水体热容量大有关。垂直方向，各深度逐时水温差异不超过2.5 ℃，按照0.5，1.0，1.5 m顺序水温依次降低，详见图4。

阴天时选取连续阴天（8月30―9月1日，日照百分率0），0.5，1.0，1.5 m 深度逐时水温监测资料。结果表明，1.0 m和1.5 m两个深度水温日变化曲线呈单峰型（图4），日最低水温平均出现在8：00左右，日最高水温出现在15：00―16：00左右，比大港气象站的日最低最高气温出现时间均推迟2 h左右，与晴天实况相似，1.0，1.5 m 深度的水温日较差分别为0.5，1.0 ℃，比晴天水温日较差明显偏小。而0.5 m深度的水温维持在29.7 ℃基本无变化，而且8月30日12：00―31日1：00和8月31日12：00―9月1日0：00及9月1日14：00―19：00，0.5 m水温均低于1.0 m水温，个别时段甚至低于1.5 m水温，垂直方向出现逆温层，造成深层水体向上层流动混合，水体内部形成乱流，详见图4。

多云天时选取连续阴天（9月9日―9月10日，日照百分率0.5～0.6），0.5，1.0，1.5 m深度逐时水温监测资料。结果表明，水温日变化和垂直变化介于晴天和阴天之间，1.0 m和1.5 m两个深度水温日变化曲线呈单峰型（图5），日最低水温平均出现在8：00左右，日最高水温出现在15：00―16：00左右，比大港气象站的日最低最高气温出现时间均推迟2 h左右，1.0和1.5 m 深度的水温日较差分别为0.7，1.2 ℃，介于晴天和阴天之间。而0.5 m深度的水温变化与阴天类似，垂直方向下午至晚上出现水温上低下高的逆温层，造成深层水体向上层流动混合，水体内部形成乱流，这也是高温季节池塘浮头泛塘的主要原因之一。

2.2 水体溶氧量变化分析

溶氧量是水中生物在水中生存的重要指标之一，水中饱和溶氧量受到大气压力、水温、水中其他溶质（如其他气体、有机物或无机物）含量等因素共同作用的影响。自然条件下水中的饱和溶氧与大气压呈正相关关系，阴雨天气大气压降低，影响水体溶氧量；随着水温升高，饱和溶氧量下降；盐度对溶氧也有直接而明显的影响，随着水体盐度升高，饱和溶氧量下降。

观测虾池内有一台增氧机，溶氧减少时会启动增氧机增氧，因此观测的溶氧量为人工干预后的结果。溶氧量观测数据分析结果为，观测期内池塘水体溶氧量在12.0～4.0 mg・L-1之间波动，溶氧量下午高于早晨，白天高于夜间。每天至少有16 h以上大于4.0 mg・L-1，没有出现低于3.0 mg・L-1情况。

2.3 水体pH值变化分析

虾池水体酸碱度维持在7.8～8.8之间，很稳定，水体属于弱碱性，能满足养殖虾类的生长发育需要。

2.4 盐度分析

高密度养殖时虾适应低盐度能力较差，观测表明：虾池盐度维持在19‰～31‰，盐度整体适宜，未出现低于7‰的情况，虾池环境利于虾类发育。

2.5 池内水温与气温的关系

采用3层水温逐时资料与大港气象站同步逐时平均气温资料，利用逐步回归分析方法，建立虾池水温与气象站气温间关系模型，该模型可用于水温预报。

秋季虾池各层水温与大港气象站气温的统计模式如表3。

3 结论与讨论

本文对大港露天海水养殖池塘水的温度、溶氧、盐度、pH值等进行观测分析，并建立了秋季各月逐层水温与气温的关系模式。

（1）8―11月，观测池塘3层平均水温均高于气温，8―9月水温在20～28 ℃之间，适宜南美白对虾生长，10月以后水温逐渐下降，适宜度降低。

（2）阴天和多云天气，出现下层水温高于上层水温的情况，形成水体乱流，应特别防范翻塘浮头灾害出现。

（3）建立池塘水温与气温关系模型，预报池塘水温，可为鱼塘管理提供依据。

参考文献：

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【关键词】浮动式；核电站；载体壳

0 概述

浮动式核电站是指将核动力装置及发电装置安装在海洋浮动平台上，可在不同海域灵活部署并提供能源供给。浮动式核电站能够同时提供电、热、淡水和高温蒸汽等多种产品，可满足区域供电、区域供热、海上石油开采、化工、极地或偏远地区、孤岛等的特殊能源需要，具有灵活性强、用途广泛的特征。

随着海上资源开发力度的加强，海上能源需求量亦随之逐年增加。而常规化石能源代价巨大且污染海洋环境，风能、太阳能等新型能源受场地和应用环境的影响较大，越来越难以满足我国沿海油气资源及海岛开发所带来的能源需求。因此，为了保障海上能源安全和海洋环境，我国有必要设计高效、环保、安全的海上核动力浮动平台。

本文针对渤海油气开发需求，对适用于渤海海域的浮动式核电站载体初步方案进行了研究。

1 浮动式核电站的适用规范及设计原则

1.1 适用规范

目前我国针对陆基核动力电厂，已经形成了包括国家相关法律、核安全法规、核安全导则、国家标准、行业标准规范等层次在内的较为完善的法律法规标准体系。但针对海上核电站载体，中国船级社（CCS）尚未出台核动力装置船舶或平台的法规标准体系。

在目前科研阶段，浮动式核电站可主要以《IMO核动力商船安全规范》、《国际船舶装运密封装置辐射性核燃料、环和强放射性废料规则》、《CCS海上浮式装置入级与建造规范》和《CCS海上移动平台入级规范》等规范为设计依据，同时参考俄罗斯的核动力装置船舶规范标准。

1.2 设计原则

浮动式核电站载体的应保障浮动式核电站设计、建造、服役、退役的全寿命周期下的安全性，即除了保障核反应堆自身的固有安全外，作为核反应堆装置的载体，其系统的安全性、成熟性、适应性对核反应装置的安全运行亦至关重要。

因此与核安全的相关的载体的总布置、破舱稳性、碰撞保护、防火分隔、堆舱通风、消防救生、与应急备用电源等均为设计的重点。

2 载体选型分析

2.1 浮动式核电站对载体的要求

1）反应堆装置尽量布置于水线以下，满足核装置非能动安全系统的要求；

2）布置空间尺度的要求：即具备足够大、封闭舱室空间，用于布置反应堆装置系统、汽轮发电机设备系统以及常规船舶设备系统；

3）载体结构的要求：即载体结构具有足够的强度能够抵抗各种可能的载荷，包括碰撞、搁浅、坠物等事故载荷及极端环境载荷，且结构设计寿命与核动力装置相匹配；

4）适用于渤海湾海域的环境条件且各种工况下平台运动、加速度不超过核反应装置极限值；

5）反应堆运行、维护、换料安全方便。

2.2 各种载体类型及其优缺点分析

用于海洋油气资源开发的比较成熟的海洋工程载体类型主要有：固定式平台（导管架平台、重力式平台、顺应塔式平台）、移动式平台（坐底式平台、自升式平台）、浮式平台（半潜式、SPAR、张力腿式、单船体型等）。

2.2.1 固定式平台与移动式平台

固定式平台中重力式、顺应塔式平台渤海湾区域应用较少，不建议作为可选方案；导管架平台在渤海湾应用较广泛，但受地震的影响因素较大，若需满足核反应堆堆芯保持在水线面以下的布置要求，将使后续整个电站运行控制更为复杂。

自升式移动平台和坐底式移动平台，同样受地震的影响因素大且在渤海湾没有应用工程案例，不建议作为可选方案。

2.2.2 浮式平台（半潜式、SPAR、张力腿式）

半潜式、Spar、张力腿式这三种浮式平台一般适用于中深水海域，对于渤海湾仅有30米水深的海域，不具备可行性。

2.2.3 浮式平台（单船体型）

单船体型浮式平台无论考虑应用安全、功能实现，还是考虑海域适应性，都具备较强的可行性，作为可选方案。

采用单船体型船型方案作为核反应装置的浮动平台，具有以下明显优势：

1）能够满足非能动安全系统要求，避免了地震载荷影响，从本质上提高了核电装置的安全性，双层壳体结构设计可以抵御事故载荷，保障了核反应装置的安全；

2）单船体型兼顾舱室空间大、完整、连续，便于浮动式核电站的舱室布置；

3）借鉴FPSO设计理念，设计建造技术成熟且有较高的经济性；

4）适用《核商船安全规范》；

5）适应海域广，可适用于浅水的渤海湾、也可适用于深水的南海海域；可以抵御二百年一遇的极端海洋环境；浮式、可移动的单船体方案使得核燃料换料、海上设备安装维护、报废退役等更加方便且安全可控。

2.3 小结

根据上述载体型式分析结果，选取单船体型浮动平台作为浮动式核电站的载体型式，安全性好且技术成熟，能满足浮动式核电站的各项技术要求。

3 载体初步技术方案研究

3.1 设计基础、设计工况

针对目标海域-渤海湾，调研分析渤海海域风、浪、流、冰等海洋环境条件，确定该船的设计基础；分析核电船在全寿命周期内拖航、正常运营、极限、事故等工况，参考规范研究确定各工况下设计环境条件，确定设计工况参数，为后续分析提供基础。计算工况如下：

1）拖航工况：1年一遇环境载荷，主要考虑风浪及其诱导载荷，强度评估；

2）正常营运工况：100年一遇环境载荷，主要考虑风浪及其诱导载荷；系泊强度、强度评估、使用极限状态评估；

3）极限工况：200年一遇环境载荷，主要考虑风浪及其诱导载荷；承载力极限强度评估；

4）碰撞事故工况：10年一遇环境载荷，碰撞载荷，事故局部损伤强度、剩余极限强度评估。

3.2 主尺度

3.2.1 船长

浮动式核电站载体主要布置于渤海湾海域且无动力长期系泊，无需考虑航道港口的限制和快速性的要求，在满足浮力、抗沉性的前提下主要考虑纵向各舱室的布置要求。

3.2.2 船宽

船宽无航道港口的限制，在满足浮力、稳性的前提下主要考虑横向舱室的布置、舷侧破损范围及破舱稳性的要求。

3.2.3 吃水与型深

在考虑浮力、耐波性的前提下，主要满足核装置非能动安全系统对吃水的要求。通过计算，空船重量下吃水不能满足非能动安全系统对吃水的要求，仍需加载一定数量的压载水。

在满足相应规范公约要求的最小干舷的前提下，型深的选取需考虑稳性、抗沉性及强度的要求。

3.3 总布置

3.3.1 浮态、稳性的考虑

反应堆舱和汽轮发电机舱为重量最重的两个舱室布置于船舯部有利于空船与满载工况下纵向浮态调整。

考虑水密分舱及破舱稳性的要求，反应堆舱和汽轮发电机舱等主要舱段均为双底双舷结构，且该区域内纵横水密舱壁、双层底的设置均应满足规范对破损假定范围的最低要求。

优化液舱布置，限制液舱液面面积，减少不对称浸水和自由液面对完整稳性和破舱稳性的影响。

3.3.2 安全的考虑

1）人员安全及辐射分区的考虑

反应堆舱与人员生活区尽量远离，即生活楼布置于船艏，反应堆舱布置于舯后部。

辐射分区布置由控制区、监督区向非限制区过渡；反应堆舱作为放射性水平最高的控制区布置于船中部区域，前后部隔离舱、左右舷侧空舱、顶部空舱将其与其它区域隔离。

2）反应堆装置的安全

反应堆舱布置于纵向舯后部，横向中部，能最大程度的减少由其它船舶、飞机等碰撞带来的影响。反应堆舱在双底双舷、多层甲板的保护下能满足碰撞保护的要求。

3）反应堆控制系统及应急电力系统的安全

反应堆主控室、应急控制室及应急电力系统均布置于破损范围外且顶部防直升机坠落，且远离其它易燃易爆的危险区域。

3.3.3 防火分隔的考虑

反应堆舱作为最重要的独立防火区域布置于船舯后部，前后隔离舱、左右舷侧空舱、顶部空舱将其与其它危险区域隔离，且其与油舱等易燃易爆舱室远离。

通过走廊或空舱将反应堆控制室与其它危险区域隔离。

3.3.4 其它

总布置还需考虑系统功能优化、结构强度、通道出入口以及脱险撤离等因素带来的影响。

3.4 结构型式及结构强度

3.4.1 结构型式

出于核安全、碰撞保护及破舱稳性的考虑，除艏艉局部区域单底单壳外，主船体其它部分均设置双层底、双层壳；反应堆舱及其控制室局部区域采用双层甲板结构。

除艏艉部分采用横骨架式外，主船体结构（包括核辅助舱、反应堆舱、电气舱、汽轮机舱和备用发电机舱）均采用纵骨架式结构。以上纵向结构应沿船长度方向尽可能连续至首尾。

结构的设置选取需满足总纵强度、横向强度外，还需满足局部强度的要求。

局部加强主要区域为外板抗冰加强、甲板系泊起重设备结构加强、艏艉部结构舷侧外板结构波浪抨击加强、反应堆舱双顶甲板防直升机坠毁加强以及堆舱舷侧防撞加强。

3.4.2 结构强度

1）各工况下的设计载荷计算

在水动力性能分析的基础上，分析确定各工况下应考虑的载荷类型，并通过分析或计算，确定设计载荷大小。

2）各工况下总纵强度评估

利用软件对船体各关键剖面建立模型，根据各工况下重量装载的分布确定最大静水弯矩，同时依据结构型式及布置特性、环境风浪载荷等确定波浪弯矩分布。

综合静水弯矩与波浪弯矩的影响，通过计算评估船体梁的总纵强度。

3）局部强度评估

全船结构有限元建模，并加载相应的外部负荷，通过软件计算得出全船结构的应力分布。并由此分析优化结构的局部强度。

4）碰撞事故状态下结构极限强度研究

分析规范对碰撞事故工况的规定，选取碰撞载荷计算工况：撞击船5000吨，首部正撞，速度2m/s，撞击能量11MJ。

针对关键防护区域即反应堆舱区域舷侧结构，建立局部舱段有限元模型；碰撞船舶采用刚性模拟；利用结构非线性瞬态仿真软件对不同撞击位置进行仿真分析，研究各种碰撞位置下结构的损伤特性。分析设计衡准对局部碰撞损伤强度进行评估。

分析规范、法规对碰撞损伤区域定义，并结合碰撞损伤分析结果，确定碰撞事故工况下的结构损伤范围、位置等信息；选取损伤区域内剖面，利用软件进行极限弯矩计算，对其剩余极限强度进行评估。

根据碰撞损伤特性分析计算结果，结合结构碰撞损伤机理、舷侧结构型式特定，对反应堆舱舷侧结构进行耐撞优化设计。

3.5 主要性能

3.5.1 水动力性能分析

采用三维水动力性能分析软件建立湿表面模型、质量模型，针对各工况下的海洋环境设计条件，开展水动力性能仿真分析；计算得到船体的运动响应（包括：速度、加速度）。

3.5.2 稳性抗沉性校核

由于船宽较宽，重心低且实际干舷留有较大余量，根据《CCS海上移动平台入级规范》的完整稳性衡准初步校核本船各工况下的完整稳性满足规范要求。

本船采用双底双舷结构型式，双舷双底均满足《核动力商船安全规范》中破损范围的要求且留有较大的储备浮力，根据规范要求的破损范围及破损稳性衡准初步计算本船的破损稳性满足规范要求。

3.6 载体初步方案

根据上述设计步骤，本文以中国核工业集团公司正在开发的ACP100S模块式小型堆为例，浮动式核电站采用单船体浮动平台作为载体，可适应渤海湾海域的极端海洋环境条件，其主尺度、总布置、主要性能、结构均能满足设计使用要求。

经过不断的优化论证，初步技术方案如下：

总长150.0米，型宽34米，工作吃水11.0米，排水量约为52500吨。浮动式核电站从艉至艏依次布置艉压载舱、空调机舱、核辅舱、后隔离舱、反应堆舱、前隔离舱、核电气舱、汽轮发电机舱、备用发电机舱、泵舱及艏压载舱。

总布置图如图1所示。

篇3

关键词：潮间带;潮间带生态系统;滩涂养殖;渤海湾;生态浮岛

中图分类号：P901 文献标识码：A

在地球表面，海洋的覆盖面积达到了70.8％。海洋是生命的摇篮，它为生命的诞生进化与繁衍提供了条件；海洋是风雨的故乡，它在控制和调节全球气候方面发挥有重要的作用。海洋是众多生命体共同的家园，这些生命体构共同构成了稳定的海洋生态系统。但随着人类科学技术的不断发展，人类对各种资源和空间的占有达到了空前的地步，对海洋的破坏与日俱增。因此，更好的保护海洋环境是人类共同的使命。

一、海陆边缘环境

（一）从传统的滩涂到潮间带

滩涂自古便是人类向海洋索取的重要媒介，它是把海洋与人类紧密连接的纽带，同时也是整个海洋生态系统中最为敏感和脆弱的部分。滩涂在地貌学上被称为潮间带，潮间带即是指大潮期的最位和大潮期的最低潮位间的海岸，也就是海水涨至最高时所淹没的地方开始至潮水退到最低时露出水面的范围。潮间带以上，海浪的水滴可以达到的海岸，称为潮上带。潮间带以下，向海延伸至约三十公尺深的地带，称其为亚潮带。

（二） 潮间带生态系统

潮间带生态系统，即最低潮线与最大线间的海陆交互地带与其间生存的生物组成的生态系统。潮间带时而被水淹没，时而又暴露出地表，环境变化大，水动力强。受这种特殊环境条件的影响，潮间带生物稀少。潮间带生态系统有着其敏感和脆弱的特点。

2.渤海湾海洋环境破坏的影响

（1） 渤海湾自然环境

渤海湾是中国三大海湾之一，位于渤海西部。北起河北省乐亭县大清河口，南到山东省黄河口，有蓟运河、海河等河流注入。海底地形大致自南向北，自岸向海倾斜，沉积物主要为细颗粒的粉砂与淤泥。渤海湾中有丰富的石油储藏。其北部是著名的旅游和度假区，西部塘沽是重要港口。渤海湾滩涂广阔，潮间带宽达3～7.3公里，淤泥滩蓄水条件好，利于盐业开发。长芦盐区是中国最大盐场，盐产量占全国的1/3弱。另外，渤海湾，尤其在河口附近，浮游生物和底栖生物多，为鱼虾洄游、索饵、产卵的良好场所，出产多种鱼、虾、蟹、贝。

（2）渤海湾突出环境问题

当下渤海湾潮间带主要存在以下几个问题：第一，滩涂养殖盛行，大面积的密集养殖对海洋生态系统造成了破坏；第二，密集的滩涂养殖在用地上与传统的晒盐行业形成了冲用地突，大量依赖滩涂生存的水鸟没有栖息空间；第三，大量的海产垃圾（以牡蛎壳和各种贝壳为主）对海岸环境和居民生活造成影响；第四，严重的石油泄漏对渤海湾造成严重的污染，经大量渔民证实，油污扩散范围到达滩涂。

其次，滩涂养殖指利用潮间带和低潮线以内的水域，直接或经整治、改造后从事海水养殖、增殖和护养、管养、栽培。近几年来，随着沿海滩涂圈海围池养殖增多，滩涂圈养池是一种常见的养殖方法。圈养池一般为矩形混凝土结构，其内部用铲车铲除池底淤泥，以便在退潮后能保证池内有足够的水深。这种围堰建设会极大的改变原来的环境，可能对沿岸潮间带生态系统构成巨大的压力。对当地原有的生物群落和生态系统稳定性造成极大的威胁。

另外， 石油泄漏对海洋生态环境的危害较大。2011年中海油渤海湾漏油事件的发生震惊全国。渤海湾是中海油的主产区，漏油事件发生在蓬莱19－3油田，漏油致840平方公里海域水质污染，对周边海域造成了严重污染，对海洋生态系统造成了严重的污染和破坏。

潮间带景观规划设计改善海洋环境

（1）海上渔村缓解滩涂用地冲突

在中国南方的某些沿海海湾，分布着一些在近海上漂浮的渔村，被称为海上渔村。海上渔村是由许多漂浮的房屋和构架连接在一起构成的，这样的渔村上面可供渔民日常生活习作，水下部分则可以建立立体的多层次的水产养殖。这样的养殖方式解放了滩涂用地限制，不会对滩涂造成破坏，还可以充分利用纵向的海洋空间。

（2） 生态浮岛对于改善海洋环境的原理和效果

人工浮岛是人工岛的一种，可以漂浮于水面或者海洋表面，提供拓展空间。生态浮岛是专门为改善生态环境设计的。浮岛植物不仅营造了水面的景观，而且在进行光合作用的同时，吸收二氧化碳并释放氧气，同时可以净化空气；植物在生的长过程中有蒸腾作用，蒸腾作用通过植物的气孔蒸发水分，调节环境温度。因此，生态浮岛植物的光合作用与蒸腾作用能够调节水面的微气候，这种良好的微气候非常适宜于鸟类等的栖息。生态浮岛将高等水生植物栽植到富营养化水域中，并通过植物的根的系吸收或吸附作用，削减水体中的氮、磷及有机污染物质等，从而净化水质。同时，通过收获植物的方法，将水体中的富营养物质搬离水体，改善水质，创造良好的水环境。利用生态浮岛的这种特性，可以缓解密集滩涂养殖带来的赤潮问题。

（3） 牡蛎对改善海洋环境的作用

牡蛎在水体食物链中，既是凤尾鱼、刀鱼等经济鱼类的天然饵料，又是藻类等浮游生物的捕食者，将它们置身于富营养化的海水中，净化水质、防止赤潮，一举两得。澳洲科学家最新的研究成果表明，牡蛎的外壳能够为牡蛎幼体的生长提供了理想环境，也是藻类与浮游生物生长繁衍理想的港湾。对于牡蛎的繁衍而言，牡蛎的外壳是最理想的载体。这样就可以将难以处理的贝壳垃圾变废为宝，把牡蛎壳回收利用，制作成天然的牡蛎礁。牡蛎礁沉入海底后，随着牡蛎的繁衍生长，牡蛎礁不断被加固，扩充，逐渐形成海底森林，改善、恢复海洋生态环境。

（4）潮间带景观设想

受到海上渔村和生态浮岛形式的启发，对潮间带的景观规划提出了设想。可以在潮间带亚潮带按科学的海产养殖分布范围，设置一些生态浮岛。这些生态浮岛一来有效地改善海水富营养问题，再者为水鸟提供栖息场所。由于潮间带的风速较大，初步估算海面风俗可达到6－7米／秒，这样就对生态浮岛的固定提出了要求。利用高密度轻量化的材质随即设计成不规则的模块，这种模块质量轻，漂浮力强，在强力作用下不会对人体造成严重伤害。把这些模块编组并连接起来，分布在生态浮岛的周围，对生态浮岛间起连接的作用。效仿海上渔村的做法，浮岛连成片，来抵御风浪。

将加工好的牡蛎礁沉到海底，由牡蛎的繁衍生长不断被加固，被扩大，发挥改善海洋环境的功效。渤海湾洋流特征是表层水向内流动，底层水向外流动。这样底层洋流就带着鱼类需要的浮游生物和牡蛎幼体涌向海湾外，从而吸引鱼类游向海湾。同时，大量的藻类与浮游生物也为人工渔业提供了天然养分。海底、海面的景观效果同样重要。在这些浮岛水下部分，可进行立体化多层次水产养殖。

潮间带景观设计在当前人类社会大发展下，更好的衔接海洋和陆地，目的是想改善并逐步恢复海洋生态系统。这样的设计对于突发的自然灾害也有抵御救援的作用，当灾害（台风，海啸）来袭时，在强大的外力作用下，群组被打碎为一个个的各具功能性的单体。这些连接固定生态浮岛的轻量化模块漂浮力强，弹性韧性好，在强大外力作用下不会造成大的冲击伤害。在强大的自然力作用下，灾害洋流方向是有海洋向陆地流动的，海水会载着这些模块冲向陆地，充当究生平台。受灾的居民可以抓住模块，等待救援。

参考文献：

郭忠玲，赵秀海．保护生物学概论［M］．北京：中国林业出版社，2003．

《中国海岸带生物》编写组．中国海岸带生物［M］．北京：海洋出版社，1996．

篇4

渤海上承海河、黄河、辽河三大流域，下接黄海、东海海域，是一个半封闭的内海，也一直是环境质量最恶劣的海区。由于环渤海区域的环境保护和生态改善关乎人民的生存空间和发展基础，再难也要“治渤”，这是一个不争的共识。

与此同时，渤海溢油、海冰、赤潮、水母等海洋环境灾害与突发事件频发，不断威胁着渤海海域生态安全和公众用海需求。频繁发生的重大环境灾害已成为社会各界关注的焦点，尤其是溢油灾害，近年来发生的规模和趋势都呈上升状态。

溢油风险猛于虎

蓬莱19--3油田溢油事故发生之后，周边海域的居民特别是养殖户―直胆战心惊。

“渤海油污染事故时有发生，溢油风险正在加大。”国家海洋局海洋环境保护司副司长王斌表示。

海洋石油勘探开发溢油数量不多，但一次蓬莱19--3油田溢油，其规模和危害已超出人们的想象。

专家认为，根据近年我国近岸海域发生的溢油污染事件统计资料，船舶泄漏和海洋石油勘探开发活动是造成海上溢油污染的两大主要因素。随着环渤海地区社会经济的快速发展，入海船舶数量迅猛增加，渤海已成为我国沿海船舶溢油污染事故的高风险水域，特别是重特大船舶溢油污染的风险增大。

同时，渤海目前已投产海洋油气田24个，海上油气生产平台209个，海底输油管道1000余公里，海上石油勘探开发设施逐年增多，部分设备老化，溢油事故发生概率也有所提高。

环境保护部的专家指出，实际上，正是近年来炼油、石化等产业在渤海海岸带高度聚集，船舶数量和原油运输量迅猛增加，海洋油气开发规模持续扩大，才导致海上溢油事故频发，连年出现重大溢油事故。“这些化工，炼油厂，一个个都像定时炸弹。”

污染物增加

从最新的数据看，渤海的环境确实正从积重难返的泥淖中走出来，但走得小心翼翼，有时环境质量仍出现波动。

据参加此次省部际联席会议的专家介绍，目前渤海中部海域始终保持良好的水质，海洋功能区基本满足要求。主要水污染物排放得到有效控制。

专家也指出，渤海环境形势仍不容乐观。目前，渤海近岸海域水质尚未稳定改善，2010年I类和Ⅱ类海水仅占55.1％，比2009年下降16.3令百分点。

国家海洋局在全面监测的基础上评估了各类污染物入海量，结果表明：渤海陆源入海污染物总量有可能被低估，各类污染源的化学需氧量入海总量可能达300万吨以上。虽然化学需氧量和氨氮的排放量比2005年明显减少，但陆源污染物入海量总体呈波动变化。

王斌说，近年来渤海环境污染呈现新的特点，即环境质量状况总体趋稳，但局部海域重污染、复合污染形势严峻。

近年来，渤海沿岸河流入海径流量总体减少，成为导致渤海盐度升高、河口生态环境改变、海洋生物产卵场退化的重要原因之一。渤海在2008年8月的低盐区面积比2004年同期减少了70％。低盐区面积减小将影响海洋生物种群的补充能力，对水交换能力弱的半封闭渤海生态系统形成危害。

滩涂湿地被吞噬

渤海―直是我国赤潮灾害高发区，近年来又出现新型海洋环境灾害――水母暴发，这些都昭示着渤海海区严重的生态环境问题。

导致渤海生态环境退化、环境事件多发的主要原因，除陆源排污以外，当属海岸带超负荷开发和围填海。与水环境对渤海生态的伤害相比，围填海更快、更直接也更彻底地让自然岸线和滩涂湿地大量丧失。近年来，渤海海域围填海面积不断增加，滨海湿地面积锐减，近岸海域生态破坏严重。

’

由于围海造地、环海公路建设、盐田和养殖池塘修建等开发活动，渤海大量滨海湿地永久丧失其自然功能，或者成为生物群落较为单一、生态功能较为低下的人工湿地，湿地生态功能、社会效益得不到正常发挥。渤海近岸污染加剧，渔业资源减少和生物多样性丧失等问题，均与湿地面积萎缩存在一定联系。

从大背景看，环渤海区域海洋开发规模加大，经济发展与海洋生态环境保护的矛盾将日益凸显。目前相继有天津滨海新区、河北曹妃甸循环经济示范区、沧州渤海新区、辽宁沿海经济带、山东蓝色半岛经济区等区域开发正在大规模推进，向海要地欲望十分强烈。资料显示，渤海近期规划填海面积在500平方公里以上，规划岸线约占总岸线长度的2／3。大规模的区域开发，将给渤海海域环境带来巨大压力。

“多龙闹海”告终结

此次的省部际联席会议上，国家发展改革_委总结出了三条渤海环境转稳的经验，可大致概括为：明确分工，落实责任；加强协调，省部联动；海陆统筹，综合管理。

在《渤海环境保护总体规划》出台前，渤海治污被称为“多龙闹海”，各部委、流域上下游省市都根据各自职能各行其是，导致渤海治污空喊多年而未见成效。这一规划出台后，除召开省部际联席会议，从2009年到2011年，环境保护部、国家发展改革委和国家海洋局等9部门开展海洋环保联合执法检查，促进了地方联合执法，取得较好成效。

海洋环境保护专家指出，越是在海洋开发热度高涨时，越要坚决防止人为割裂陆海间资源禀赋、环境条件和功能定位的内在联系，避免不计代价片面开发海洋的行为。要积极推动海洋产业实现绿色发展，首先要守住环保门槛，严格环境准入制度。比如实施主要污染物排海总量控制制度，严格执行围填海计划，开展规划环评，对不符合国家产业政策或海洋环境保护准入条件的海洋工程项目一律不批。

篇5

关键词：海洋环境污染海洋灾害

海洋工程与海洋环境相互作用随着沿海经济的迅猛发展，近海海域遭到越来越严重的污染，使海域环境质量明显下降，生态环境日趋恶化，并对生物资源和人体健康产生有害影响。近海水域的污染已成为世界各国，特别是象我国这样具有相当长的海岸线和众多海湾的国家所共同关心的环境问题。海洋经济的发展还面临严酷的海洋自然环境，海洋灾害直接影响着海洋经济的发展规模、速度和效益，精确预报海洋灾害的发生、发展和应该采取何种防灾、抗灾和减灾工程措施，也成为严重关注的环境问题。为了开发海洋中的空间、矿产、渔业、能源等物质资源，需要在海上进行各类工程建设，在目前科技日益发展的情况下，工程建设的规模日益巨大，这些大规模的工程建设和海洋环境之间的相互作用也将是开发海洋中的一个应引起特别关注的重要问题。为了适应我国海洋经济的快速发展，海洋环境的日益恶化，海洋灾害的频发和海洋工程向大型化发展，近海石油气田的开发，以及海岸带开发过程中的后效问题的研究需要，针对我国重大海洋环境与保护问题开展研究是十分必要和迫切的。

在这方面，重点需要开展的研究课题大体上有三类。第一类课题是海洋环境特征对各类污染物作用的机理和规律研究，第二类课题是海洋工程设施防灾、抗灾和减灾研究，第三类课题是海洋工程及海洋环境工程与海洋环境的相互作用吸防治措施与对策。

一、海洋环境特征

对各类污染物的作用机理和规律研究以海洋流体动力对各类污染物迁移、扩散、转化规律的研究为基础，考虑各种自然环境因素（浪、流、风、光、温度、湿度）、物理因素（扩散、挥发、沉降、吸附、释放）、化学因素、生物因素的作用，揭示污染物在海洋复杂条件下的运动及演变规律，并建立海洋水质预测预报模型。此外，近年来，在我国沿海海域，赤潮频发严重。因此，除了加强赤潮的监测和预报外，也应加强在建立赤潮生长机理和发展规律方面的研究工作。

此项研究应通过现场观测、物理模型实验和数学模拟研究相结合的方法来进行。由于现场观测工作耗资巨大，且受到许多客观条件的限制，所获得的数据往往有许多综合因素的共同作用，很难将其中的单因素影响分离出来，因此，往往只能用它来作为对某一水质预测预报模型进行检验其可行性和精度的一个实例。

用数学模拟方法来建立海洋水质预测预报模型是一个较为有效的方法。目前，在这方面国内外已有不少水质预测预报模型，这些水质预测预报模型大体上都基于以下几方面的模型：水流数学模型；波浪数学模型；液流相互作用模型；近海海域污染物迁移转化数学模型。

在水流数学模型研究方面，对于较大范围的海域，通常可采用深度平均的潮流教学模型，对于紊动影响不显著的海域，可不考虑湍流影响，而对于湍流效应显著的区域，如排污口近区，则应考虑湍流效应。此外，采用坐标变换，可建立一种能够考虑复杂地形和套流效应的三维潮流数学模型，这样才能够较好地重现实际海域的三维潮流特征。在较小范围的水域，水流数学模型可以以N－S方程和通用的k－（湍流模型为基础，针对水温和盐度分层流的流动特性，考虑浮力对紊动的影响，建立用于模拟同时存在温度和盐度梯度这一类密度分层流的k－（单流体数学模型。也可以基于多流体模型的基本概念，分别对两相本身的湍流输运规律以及相间相互作用规律进行模拟，建立两相湍浮力分层流的双流体数学模型。

在波浪数学模型研究方面，可应用BI—CGSTAB法求解由椭圆型缓坡方程离散得到的代数方程组，以提高求解效率。从水波发展方程出发，可导出一种用于大区域波浪变形问题的数学模型。通过引入弱非线性波色散关系，可使双曲型缓坡方程能够有效地考虑波浪的非线性效应。对高阶Boussinesq方程的进一步研究，可使方程的色激性从入水到深水都达到很高精度，并提高方程的非线性精度，可以更精确的计算较深水域波浪的非线性特征。

针对带自由表面的波浪场问题，通过把能有效模拟自由面形态的N—S方程和波能平衡方程的结合，可导出一个能考虑破波能量损失的抛物型缓坡疗程，用这个方程可模拟规则波和不规则波破碎引起的波高变化。建立沿岸流数学模型，可模拟海岸上波高变化和破碎波波高、波浪增减水和沿岸流。

在波流相互作用模型的研究方面，对于弱流情形，可采用一种考虑流影响的修正的合流缓坡模型；对于强流情形，可采用在Botssinesq方程中考虑流影响的模型。可以将辐射应力的计算公式与抛物型缓坡方程中的待求变量联系起来，建立一种辐射应力计算的新方法，用该方法可对较大区域均匀斜坡地形上的波浪辐射应力进行数值模拟。

在近海海域污染物迁移转化数学模型研究方面，基于N一S方程所建立的深度平均的二维应力一通量代数全场模型，可对非对称潮流作用下的侧向岸边排放问题过分数值模拟。以研究近海海域污染物迁移转化的三维预报系统作为目标，在分析近海环境中各种物理、化学和生物现象的基础上，针对近海海域水污染的特点，从三维湍流模型出发，在动量方程中引入表面风应力、底部切应力以及柯氏力的作用；在输运方程中引入反映物理、化学、生物等作用的源、汇项，可建立一个统一考虑物理、化学和生物等过程综合作用的近海海域污染物迁移转化的三维预报模型，它可为环境评价、水质规划、污染控制以及水域排污工程设计等提供重要的科学依据；同时对确定水域环境容量，从而制定水域环境保护策略，也具有十分重要的理论价值和应用前景。

应该指出，在海洋水质预测预报模型研究方面，数学模拟无疑是一种十分有效的手段，但不论是何种数学模型，其模型中所需的必要参数和边界条件的处理是研究水质模型的技术关键，直接影响到水质模型的科学性和预测能力。而这些必要的数据是无法从数学模型本身来取得的，有些可以通过现场观测来得到，但其中一些最基本的卷数是要通过基本机理的研究才能得到，在这方面物理模型实验研究将是一个有效的手段。

能模拟海洋动力因素的先进实验设备，现代化的量测仪器和测试系统是开展物理模型实验研究的必备条件。进一步完善PIV和LIF的浓度场、速度场同步测量系统，可研究非破碎波浪、破碎波浪及波流相互作用下水流的垂直结构，获得流场中水质点速度的空间分布和时间过程；并同步获得波浪及波流相互作用下浓度场的空间及时间变化过程，可用以分析定量污染物团在波浪及波流相互作用下扩散的基本特征和扩散系数。

二、海洋灾害的精确预报及海洋工程设施防灾、抗灾和减灾的研究海洋灾害主要包括风暴潮、海浪、海冰、海啸、赤潮及海岸侵蚀等。

90年代以来，我国海洋灾害所造成的损失每年达上百亿元人民币，是世界上海洋灾害最严重的国家之一。海洋工程结构的投资费用很高，一旦发生破坏，将会造成重大的人员伤亡和巨额财产损失（如1969年渤海冰推倒“海二井”平台，1989年风暴潮损失超6亿元，1991年DB29销管船在南海通台风翻沉等）。当前我国海洋能源开发与海洋空间利用的绝大部分活动是在近海和极浅海海域。为了保证在这些海域所建造的工程设施能够安全服役免遭破坏，面临的首要问题是弄清这一海域中严酷和复杂多变的环境因素。我国东临西北太平洋，每年出现的台风数目占全球的38%，其中对我国可能造成灾害的台风每年有7—8个。每当台风在我国登陆或接近我国沿海通过时，都会在沿岸局部地区产生风暴潮，形成风暴潮灾害。

在我国北方海域（渤海和北黄海），冬季由于受寒潮影响，沿岸地区每年都有结冰现象，结冰严重的年份则出现冰害。若对这些海洋灾害估计不足将会带来巨大的损失。渤海重叠冰与堆积冰的形成，不但可给结构物以强大的冰压力，而且由于冰激引起的振动作用，也会给海洋平台的使用和安全带来巨大的损害。而冰区溢油的迁移规律及预防和清理技术，至今尚未进行过深入的研究。对近岸大面积冰排和海上浮冰，在波浪、潮汐作用下都会引起海冰的断裂，断裂后冰块的尺度直接影响其对结构物的作用。在渤海海域建造的海洋平台，为了抵抗冰害，往往建成正、倒锥体的结构型式，冰排对锥体结构的冰荷载及与其的动力相互作用，也是目前尚未解决的课题。在海冰力学的研究中，除进行理论分析和数值模拟外，实验研究也是一个重要的手段。在实验研究中，模型冰可采用冻结模型冰和非冻结模型冰来进行，它们各有其优缺点，发展这两种技术是海冰力学研究中的一个课题。

我国是一个多地震的国家，海域中时有地震发生。强烈的地震将有可能是海上工程设施的主要破坏荷载。如果一旦在地震中结构物（海洋平台、钻井船、人工岛、输油及输气管道等）发生破坏，除其直接经济损失极大外，其次生灾害——火灾、环境污染等的后果也不堪设想。

近年环太平洋地区地震的频度和强度都在上升，造成重大灾害。大型海上工程在地震作用下的安全性，特别是抗震防灾的基本原理和减震技术措施需要认真研究。海域中的大型海上水工建筑物在地震作用下的响应和振动破坏机理更有待深入研究。日本阪神地震记录资料表明，地震及由此引发的巨浪共同作用对水中和岸边建筑物造成的破坏十分严重。水工建筑物的这类破坏机理，至今国内外对此都很少研究，且由于试验条件的限制，国内外对此方面的试验研究工作开展极少。这是海上水工建筑物抗震研究中的一个新领域。

以下的一些研究内容将是为解决海洋工程设施抗震措施中的关键技术所必需考虑的，如近海环境地震危险性分析，设计地震动参数和频谱特性，强震海底多维地震动及其空间分布规律，地震波传播特性及地震动输入机理；海域中大型海上水工建筑物在地震作用下，考虑周围水介质影响的结构振动破坏机理、振动控制、地震动时颇联合分析模型和输入机制、非线性动力分析和动力破坏试验；核电站海域工程建筑物抗地震性能，海洋采油平台及地下输油管线与地基土动力相互作用，码头及护岸建筑物地震稳定性；海域中水工建筑物的性能设计和地震设防标准等。

海上水工建筑物在长期运行过程中健康状况逐渐恶化，其损伤主要来自两个方面：其一是结构的老化、疲劳、超载、内部损伤（裂缝）、地基沉降变形以及环境的物理化学损伤（低温、冻融、大气侵蚀）等；其二是设计不周或设计标准偏低，施工质量差，原材料不合格，管理维护不善等。大型海上水工建筑物的损伤和事故都将对国民经济的发展造成重大的影响。

因此，发展以下的一些技术和方法将是十分重要的。如在考虑海洋环境荷载在幅值。时间及方向上的随机性所导致结构安全的不确定性情况下，对现役海洋工程结构进行健康诊断和评估剩余可靠度的理论；结构健康状态及损伤检测的新技术和新方法；结构病害治理用的新材料、新技术和新方法；海洋工程结构在多种复杂海洋环境条件下（风、浪、流、冰、地震等）的可靠度和优化理论研究，设计与建造新型抗灾工程结构；研究和设计使海洋工程结构物在设计使用期限内有足够的安全度，而在退役之后又便于拆除的各种工程措施。

为了及时掌握海洋环境的风云变幻和灾害的可能来临，发展海洋环境及灾害的预报技术是非常必要的。为此需要建立以下一些系统，如建立由近海到远海的海洋环境及灾害观测网络、预报与预警系统、沿岸防灾准备和各类应急处理系统；以主要海域和海岸带区域经济发展为背景，进行重点研究，建立数字化的海洋环境信息系统模型与结构；以及建立海岸和近海工程设施防灾减灾数字信息系统，将海岸和近海工程与网络技术人算机技术、遥感技术、地理信息系统、全球定位系统相结合，建立数学物理模型，通过多媒体技术，形象化地描述灾害成因、发生机理、传播规律、模拟灾害破坏的过程，建成智能化的防灾、抗灾和减灾决策支持系统。

三、海洋工程及海洋环境工程与海洋环境的相互作用及防治措施与对策为了充分利用海洋空间，现代海洋空间利用除传统的港口和海洋运输外，正在向海上人造城市、发电站、海洋公园、海上机场、海底隧道和海底仓储的方向发展。

人们现已在建造或设计海上生产、工作、生活用的各种大型人工岛、超大型浮式海洋结构和海底工程，估计到21世纪，可能出现能容纳10万人的海上人造城市。我国澳门和日本已经在海上建成了人工岛海上机场。为缓解紧张的陆地资源及减少城市噪音等，日本已经于99年8月在东京湾用6块380米长，60米宽的矩形漂浮钢板拼装海上漂浮机场。

由此可见，随着海洋资源与空间的开发利用，各类海上工程建筑物数量不断增多、规模日益复杂和庞大，保证这些海上工程设施的安全运行及采取海洋工程防灾减灾措施将越来越重要。海岸带和近岸海域是各种动力因素最复杂的地区，但同时又是经济活动最为发达的地区，海上工程建设如果考虑不当将会在一定程度上引发环境灾害。工程设施可能破坏原有海岸带的动态平衡，影响岸滩的冲淤变化。海上回填和疏浚会改变海岸的形态，破坏某些海洋生物赖以生存的栖息地，若对含有污染物的疏浚污泥倾抛处理不当则会造成二次污染。海上石油生产中的溢油事故将对海洋环境造成极其严重的污染。日益增多的海上退役工程设施如果不及时处理也将会逐渐成为海上障碍物以致引起公害。海洋工程抗灾减灾的任务是一方面要保证最大限度地减少自然界海洋灾害带来的报失，另一方面又要避免人为造成的海洋环境灾害。

随着人类对海洋资源的不断开发和利用，海洋环境保护与人类生产实践活动协调发展日显重要。如港口开发中的环境问题，主要内容包括：航道、港池开挖、疏浚引起的泥沙输运及其疏浚物抛放对海洋环境的影响，深水港口水工建筑物、大型人工岛、超大型浮式结构的环境和生态影响；破波带及其附近水域沿岸流对物质输运扩散规律研究；大型海岸工程、岸滩保护和整治工程引起的海域环境的变迁和海岸演变；海岸演变、防护及开发利用新概念的原则与理论，如由于工程措施所引起的海岸动力学、生态学、社会经济学及与环境关系的综合分析与协调。

随着沿海大、中型城市经济建设的快速发展，城平建设中的污水深海排放技术，感潮水域污水多点排放漂移扩散研究，天然海湾、人工湖及人工运河的水质交换能力，人工沙滩的保护措施，滩涂围垦对水域环境的影响等，都将是需要认真解决的问题。

篇6

关键词：特大桥  海工混凝土  耐久性  浅谈  应用

        0 引言

        由于陈家贡湾特大桥处于海水环境，海水环境对于桥梁混凝土结构具有强腐蚀性，按照一级公路桥梁结构100年设计基准期和本工程使用年限的要求进行结构耐久性设计，为保证陈家贡湾特大桥混凝土结构的耐久性，本工程采取了以高性能混凝土技术为核心的综合耐久性技术方案。然而我国目前尚没有大型海洋工程超长寿命服役的相关技术规范，高性能混凝土的设计、生产、施工技术在工程中的应用尚为空白，因此结合陈家贡湾特大桥工程的具体要求，研究跨海大桥混凝土结构耐久性策略和高性能混凝土的应用技术极为迫切和重要。

        1 陈家贡湾特大桥混凝土结构布置和耐久性设计

        1.1 陈家贡湾特大桥混凝土结构布置 陈家贡湾特大桥孔数—孔径（孔—米）为60—30m，为装配式预应力混凝土连续t梁桥，桥梁上部结构：六孔一联、全桥共十联，行车道板与桥面铺装采用剪力钢筋连接；桥梁下部结构：桥墩采用双悬臂预应力薄壁墩，墩柱为主截面3×1.5米的带竖肋矩形截面，基础采用柱式台、桩基础或重力台、扩大基础。混凝土设计强度根据不同部位在c35～c50之间。

        1.2 陈家贡湾特大桥附近海域气象环境 陈家贡湾特大桥地处东亚季风比较发达的黄海之滨，受季风和海洋气候的影响，四季变化比较明显，属南温带湿润季风气候类型：夏季空气湿润，雨量充沛；冬季气候干燥，时长稍寒。多年年平均最低气温为9.1℃、最高气温为15.9℃。最热出现在八月，月平均气温为25℃，最冷出现在一月，月平均气温为-4.5℃。年平均相对湿度为72%，累年全年蒸发量平均为1462.2毫米，其中全年以五月份为最高，累年平均达到180.1毫米，一月最小，仅为54.8毫米，海区全年盐度一般在15.00～34.00‰之间变化，属强混合型海区，海洋环境特征明显。

        1.3 陈家贡湾特大桥面临的耐久性问题 在海洋环境下结构混凝土的腐蚀荷载主要由气候和环境介质侵蚀引起，主要表现形式有钢筋锈蚀、盐类侵蚀、冻融循环、溶蚀、碱-集料反应和冲击磨损等。陈家贡湾特大桥位于东亚季风比较发达的黄海之滨，因为天气较暖，严重的冻融破环和浮冰的冲击磨损可不予考虑；镁盐、硫酸盐等盐类侵蚀和碱骨料反应破坏则可以通过控制混凝土组分来避免；这样钢筋锈蚀破坏就成为最主要的腐蚀荷载。混凝土中钢筋锈蚀可由两种因素诱发：一是海水中cl-侵蚀，二是大气中的co2使混凝土碳化。国内外大量工程调查和科学研究结果表明：海洋环境下导致混凝土结构中钢筋锈蚀破坏的主要因素是cl-进入混凝土中，并在钢筋表面集聚，促使钢筋产生电化学腐蚀。在陈家贡湾特大桥周边沿海地区调查中亦证实，海洋环境中混凝土的碳化速度远远低于cl-渗透速度，混凝土自然碳化速度平均为3mm/10年。因此，影响陈家贡湾特大桥结构混凝土耐久性的首要因素是混凝土的cl-渗透速度。

        2 提高海工混凝土耐久性的技术措施

        提高海工耐久性混凝土的主要技术措施有：

        2.1 海工耐久性混凝土 其技术途径是采用优质混凝土矿物掺和料和聚羧酸高效减水剂复合，配以与之相适应的水泥和级配良好的粗细骨料，形成低水胶比，高密实、高耐久的混凝土材料。

        2.2 提高混凝土保护层厚度 这是提高海洋工程钢筋混凝土使用寿命的最为直接、简单而且经济有效的方法。但是保护层厚度并不能不受限制的任意增加，当混凝土保护层过薄时，易形成裂缝等缺陷使保护层失去作用，钢筋过早锈蚀，降低结构强度和延性；当保护层厚度过厚时，由于混凝土材料本身的脆性和收缩会导致混凝土保护层出现裂缝反而削弱其对钢筋的保护作用。

        2.3 混凝土保护涂层 完好的混凝土保护涂层具有阻绝腐蚀性介质与混凝土接触粘结的特点，其于砼粘结力不小于1.5mpa，并且与砼表面的强碱性相适应，延长混凝土和钢筋混凝土的使用寿命。然而大部分涂层本身会在环境的作用下老化，逐渐丧失其功效，一般寿命在5～10年，只能作辅助措施。

        2.4 阻锈剂 阻锈剂通过提高氯离子促使钢筋腐蚀的临界浓度来稳定钢筋表面的氧化物保护膜，其品质对混凝土的主要物理性能、力学性能无不利影响，从而延长钢筋混凝土的使用寿命。但由于其有效用量较大，作为辅助措施较为适宜。

        3 加强陈家贡湾特大桥结构混凝土耐久性措施

        改善混凝土和钢筋混凝土结构耐久性需采取的措施：①从材质本身的性能出发，提高混凝土材料本身的耐久性能，例如采用高效减水剂和高效活性矿物掺合料。②找出破坏混凝土耐久性作用的内在因素和外在因素，对主因和次因对症施治，并根据具体情况采取除高性能混凝土以外的补充措施，例如综合防腐措施。采用高性能混凝土是在恶劣的海洋环境下提高结构耐久性的基本措施，然后根据不同构件和部位，尽可能提高钢筋保护层厚度（一般不小于50mm），某些部位还可复合采用保护涂层或阻锈剂等辅助措施，形成以高性能海工混凝土为基础的综合防护策略，有效提高陈家贡湾特大桥混凝土结构的使用寿命。

        因此，陈家贡湾特大桥混凝土结构的耐久性基本方案是：首先，混凝土结构耐久性基本措施是采用高性能混凝土，同时依据混凝土构件所处结构部位及使用环境条件，采用必要的补充防腐措施，如掺加钢筋阻锈剂、混凝土外涂保护层等。在保证施工质量和原材料品质的前提下，混凝土结构的耐久性将可以达到设计要求。

        对于具体工程而言，耐久性方案的设计必须考虑当地的实际情况，如原材料的耐久性指标、工艺设备的可行性等，以及混凝土配合比经济上的合理性。也就是说应该采取有针对性的，因地制宜的制定防腐方案。

        根据设计院提出的陈家贡湾特大桥主要部位构件的强度等级要求、构件的施工工艺和环境条件，对各部位混凝土结构提出具体的耐久性方案。

        4 陈家贡湾特大桥高性能混凝土原材料耐久性

        4.1 试验用原材料及其物理化学性能

        4.1.1 水泥 试验中采用了p.ⅱ52.5，有关性能参数见下表。

        4.1.2 高炉磨细矿渣(s95)

        高炉磨细矿渣(s95)的有关性能参数见表

        4.1.3 硅粉

        硅粉的有关性能参数见表

        4.1.4 粗骨料

        混凝土配制试验用石为5～25mm连续级配碎石。

        4.1.5 细骨料

        混凝土配制试验用砂检验结果如表

        4.1.6 减水剂

        试验采用hsn-a聚羧酸高性能混凝土减水剂。

        4.1.7 拌和用水

        饮用水。

        4.2 试验方案和主要试验方法 从高性能海工混凝土的基本要求出发，在原材料的优选试验中，以混凝土的坍落度和扩展度评价混凝土的工作性，以抗压强度等评价混凝土的物理力学性能，以混凝土的电通量和氯离子扩散系数(自然扩散法)试验结果评价混凝土的抗氯离子渗透性能，并以耐久性能为首要要求。

        试验中所采用的主要试验方法有：

        4.2.1 坍落度、扩展度 混凝土的坍落度、扩展度按《新拌混凝土性能试验方法》gbj80-85测定。

        4.2.2 抗压强度 混凝土的抗压强度按《普通混凝土力学性能试验方法》gbj81-85测定。

        4.2.3 混凝土的抗冻性能 试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（gbj82-85）进行。

        4.2.4 混凝土的电通量和氯离子扩散系数快速试验 nel-per型混凝土电通量测定仪来评价混凝土抵抗氯离子渗透能力的标准。试验仪器采用北京耐尔nel-per型混凝土电通量测定仪。通过在￠95×50mm的混凝土试样两端施加60v的直流电压，通过检测6hrs内流过的电量大小来评价混凝土的渗透性。

        用rcm-dh型氯离子扩散系数测定仪测定混凝土氯离子扩散系数的试验方法，rcm法参照duracrete非静态电迁移原理制定，定量评价混凝土抵抗氯离子扩散的能力，本方法适用于骨料最大粒径不大于25mm的试验室制作的或者从实体结构取芯获得的混凝土试件。将标准养护28天的混凝土试件浸泡于质量浓度为3.0％的nacl溶液中至指定龄期后，用混凝土切割机将混凝土试件切割成直径＝100±1mm，高=50±2mm的试件。将试件放入电解槽的夹具中，注入1l 0.2mol/l koh正极溶液与1l含5% nacl的0.2mol/l koh负极溶液，用测试机主机电源进行电迁移过程，劈开试件，用0.1mol/lagno3溶液测定显色深度，最后用软件计算混凝土试件的氯离子扩散系数。

        4.3 混凝土配合比设计 试验主要研究c40和c50高性能海工混凝土的性能

        4.4 高性能混凝土性能试验结果及分析 混凝土的物理力学性能试验结果，常规耐久性能试验结果

        高性能海工混凝土的氯离子扩散系数和抗冻性能

        高性能海工混凝土与普通混凝土相比较，具有优良的工作性能、相近的物理力学性能和优异的耐久性能，尤其是其耐海水腐蚀性能，混凝土氯离子扩散系数可小于3.0～1.0e-12m2/s

        5 海工耐久性混凝土的质量保证措施

        5.1 影响海工耐久性混凝土质量的因素 高性能海工耐久性混凝土一般通常具有较高的胶凝材料用量、低水胶比与掺入大量活性掺合料等配制特点，致使高性能混凝土的硬化特点与内部结构同传统的普通混凝土相比具有很大的差异，随之带来了它的早期体积稳定性差、容易开裂等问题。而混凝土的裂缝正是在使用阶段环境侵蚀性介质侵入的通道，进而削弱其耐久性。

        5.2 提高海工耐久性混凝土质量措施 在试验过程中发现，浇筑的混凝土由于阳光直射温度较高产生温差过大的现象，同时由于海湾地区海风比较强烈也容易造成混凝土表面失水过快，混凝土表面收缩较大而导致混凝土开裂。因此，在实际浇筑混凝土过程中，t梁或其它结构的混凝土浇注完毕后应立即在顶面和四周采取保温保湿措施。对于t梁等大型预制构件，由于预制场地的限制和施工进度要求，采用低温蒸养的方式。

        对于现浇混凝土，混凝土成型抹面结硬后立即覆盖土工布，砼初凝后立即进行浇水养护，养护用水为外运淡水,记录每天的温度和风向，避免混凝土干湿交替，拆模前12小时拧松加固螺栓，让水从侧面自然流下养护，侧面拆模不小于48小时。

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关键词：海上溢油；变化进程；应急时效；影响因素；措施

收稿日期：2011-04-11

作者简介：彭学明（1967―），男，湖北红安人，工程师，主要从事海上溢油应急环保、消防管理、抢险救助工作。

中图分类号：X87 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2011）05-0014-03

1 海上溢油的变化进程

随着国家对海上石油勘探、开发、运输规模的日益增大,由于石油生产工艺不完善、设施损坏以及运输船舶发生海事事故造成的溢油事故频次亦相应增加,海上溢油因其对人身、公共安全和海洋环境的危害使得溢油应急时效的重要性日显突出。石油溢入海洋后,在海洋特有的环境条件下,经历复杂的物理、化学和生物变化过程,并通过这些变化,最终从海洋环境中消失,这些变化包括扩散、漂移、蒸发、分解、乳化、光化学氧化、溶解、沉积以及生物降解等。溢油在海洋环境中的变化及持续时间见图1。

图1 溢油在海上的变化及持续时间

2 影响海上溢油应急反应时效的主要因素

溢油早期,其物理、化学性质变化较小,空间上相对集中,对海洋环境和大气环境污染相对较小,控制和处置也相对容易,随着时间的推移,其过程分化加剧,在经历以上变化后形成不同的归宿,更加难以回收处理,这就对海上溢油应急的时效提出了较高的要求。

2.1 溢油应急计划不健全

溢油应急计划作为海上溢油应急指导实施文件,对应急部门来说,常见的问题是应急计划未及时修订与更新,特别是人员与机构的变动、应急设备的报废与更新、敏感区的变更等,容易造成应急反应迟缓、组织过程混乱而降低时效。

2.2 现场组织和处置问题

应急物资从出库到装船的组织,这个阶段需要充足的人力和吊装机械配合,组织不力,容易耽误出动时间。同时固体围油栏之间及其与固定锚和浮标的连接，收油机的安装下水准备,这些工作不提前做好,也会占用大量时间；溢油现场的组织与处置,主要涉及围油栏的布放和收油机的下水运行,前者需要指挥人员与操船者的密切配合,注意风、流等海况,组织指挥不力就会出现围油栏位置偏离、布栏角过大等问题,造成溢油逃逸,降低围油效率,后者需要操作人员选择合适的设备运行参数,适时通知调整航速、航向,如果操作不当,易造成回收液中含水量过高的问题。

2.3 溢油应急船舶不匹配

（1）溢油现场水深较小,专用船舶吃水较大不能到位施工。

（2）船舶载货面积较小,不能满足运载溢油应急物资和摆放溢油应急设备设施需要。

（3）船舶没有舱容合适的污油污水舱。

（4）船舶过大,不能快速灵活地根据油带位置调整方位和速度。

（5）应急船舶稳性较差,不利于现场人员施工,也易造成收油机悬空或完全入水,大大降低收油效率。另外有的作业船舶栏杆较高、没有吊车,不利于围油栏和收油机的布放和回收,也不便于抛洒吸油材料、喷洒溢油分散剂等作业。

2.4 气象和海况

毋容置疑,气象和海况对溢油应急时效的影响是经常性的,也是较难克服的,其中主要影响因素包括气温、风、雨、冰、雾、浪、流。风、雨、浪、流能加速溢油的扩散、漂移、蒸发、分散、乳化,同时,一定级别的风、浪和雾限制船舶出海作业,风也能加大流速,可以改变潮流流向,急速的流也降低收油机的收油效率,雨能加速溢油的分散和乳化,也不利于露天作业；气温直接影响溢油的扩散、分散、蒸发、氧化和沉积,较低的气温能减缓溢油的扩散、分散、蒸发,有利于溢油的回收,但也能造成更多的溢油颗粒下沉；冰对溢油应急的影响除了影响船舶出航外,还能使收油机失去作用。

2.5 溢油回收处理设备问题

设备问题对溢油应急时效的影响主要表现在对海况和气象过于敏感、乘波性差、回收物含水量过大、对溢油品种的适应面窄、不便操作、技术落后等方面。

2.6 溢油回收处理材料问题

对材料的选择失误导致溢油处置效率低下,特别是溢油材料对溢油品种的匹配性、材料对溢油变化阶段的使用有效性；此外,对于大型溢油,溢油应急材料的储备不足、补充不及时也会降低溢油应急时效。

3 提高海上溢油应急反应时效的措施

3.1 制定健全的海上溢油应急计划和应急方案

根据国家海事和海洋等上级职能部门要求,制定完善的溢油应急计划,并组织培训和演练,及时修订,使得应急系统内的各个部门和环节熟悉相关的职责和程序,启动应急计划时有条不紊；应急方案则要根据溢油事故的具体情况制定更加详细的实施方案。

3.2 建造或选择适应面宽的溢油应急船舶

溢油应急船舶应具备吃水浅、稳性强、操纵灵活、污油污水舱容大、安装溢油品种适应面宽的高效率收油机械、自备吊车、方便溢油化学清除作业等性能,有条件的情况下还可考虑安装溢油预警监测设备和溢油跟踪浮标系统。

3.3 建立海上应急巡查和预警机制

（1）加强日常对石油作业区或敏感水域附近的巡查,发现溢油可以在第一时间实施处置,提高应急响应的主动性。

（2）在恶劣气象和海况时安排全天候船舶巡查,发现溢油可立即报告有关部门采取关井、停泵等堵源措施,通知应急部门提前做好作业准备,还可以采取一些行之有效的的物理或化学清除作业,弥补普通船舶受限问题。

（3）对区域或本系统内部的其它船舶和石油作业平台赋予溢油报告职责,发现溢油立即向指挥中心报告。

（4）在重要石油作业海域、海港、岸站安装固定式溢油监测预警设备。

3.4 配置高效率溢油回收处理设备

提前做好高效率设备投资的前期选型配套,既可以避免事故发生后仓促购置设备,贻误最佳处置时期,还可以提高实时收油效率。

3.5 建立材料储备和补充机制

大多数溢油应急材料如溢油分散剂、吸油粘等保质期较短,大量储备、到期更新、过期处置给企业带来较大成本负担,也需要较大的储存空间,如果一部分现场储备,一部分与生产厂家签订协议及时优先供应,既可以解决成本问题,又可以解决溢油应急时的大量快速消耗问题。

3.6 加强溢油应急指挥和操作人员的培训

通过培训既可以提高指挥人员的组织协调能力,提高应急队员的操作技能,还可以加强部门、班组、岗位间的合作,使得系统内各环节平稳运行。

3.7 加强区域性溢油应急组织的合作

发生大型溢油事故时,从人力、船舶、设备到材料、技术等方面单凭某单位或部门一己之力往往难以应对,这时候如果能及时协调或提前约定,做到区域性溢油组织或部门之间的应急优势资源共享,分工协作,便可大大缩短处置时间。

4 结语

海上溢油对人身、安全、环境具有较大的危害,油进入海洋环境后随即发生扩散、漂移等变化,对海上溢油应急提出了较高的时效要求,如果妥善解决溢油应急计划不健全和现场组织和处置等方面的问题,采取制定健全的海上溢油应急计划和应急方案、建造或选择适应面宽的溢油应急船舶等措施，即可在一定程度上提高海上溢油应急的时效。

参考文献：

［1］ 中华人民共和国海事局.溢油应急培训教程［R］.北京:人民交通出版社,2004.

Analysis of Emergency Response Praescriptio of Marine Oil Spills

Peng Xueming

（Emergency Response Center of marine oil spills,Shengli Oil Field Co.Ltd.，SINOPEC.

Shandong Yantai, 265725，China）

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关键词：波浪载荷；海流载荷；桁架结构；结构响应；有限元；导管架平台

导管架平台是近海油气资源开采活动中常见的一种结构形式，对导管架平台在海洋环境作用下所产生的内外载荷进行动力响应分析有着积极的现实意义。目前人们对于导管架结构在海洋环境下的动力响应分析大多集中在极限条件下的整体结构的动力响应及其由此而引起的结构安全性问题研究上，对于这样一类桁架式结构物大多采用只考虑结构物的主腿而忽略其它辅助杆件的群桩分析方法[1-3]，其主要侧重点是分析平台在极限环境下的安全性。然而，在非极限环境条件下，由于导管架平台所承载的各种载荷的不同组合是否会引起结构的安全问题？目前对这些问题关注较少，而对这些问题的正确认识却有助于我们对这类结构物设计方案的合理选择做出准确的判断，为设计出水动力性能优良的导管架结构物提供前提和保障。

本文以由不同尺寸圆柱形水下杆件构成的导管架平台结构为对象，首先逐一计算组成平台结构的每一杆件的波浪力和海流力，然后将这些波浪力和海流力以离散分布载荷的形式施加到每一根杆件上，分析在不同的波高、周期以及浪向与流向组合等海洋环境下平台的动力响应，计算导管架平台在波流水动力载荷作用下的整体所受的应力、应变，观察不同的结构形式对水动力载荷响应的关系，为导管架平台在波浪及海流环境下平台的内力特征评估提供依据。

1　水动力荷载计算理论基础及数学模型

1.　1　作用在导管架平台上的水动力载荷计算[4-7]

作用在平台的外部常用荷载可分为波浪荷载，海流荷载以及风荷载。由于本文研究内容为平台下部杆件间所受外荷载影响下的内力间相互作用，故只考虑波浪荷载和海流荷载。根据Morison方程，平台中任一斜向水下杆件的垂直于杆件轴线单位长度上的水动力载荷　为：

（1）

式中，CD、CM为杆件的法向拖曳力系数和附加质量系数；D为杆件的直径；　为海水密度；　和　分别是与杆件轴线方向正交的水质点速度和加速度矢量，其中

（2）

和　分别为沿杆件轴线方向的单位矢量和由于波浪和海流引起的水质点在绝对坐标系下的速度矢量，　（3）

和　分别为由于波浪和海流的作用而引起的水质点在绝对坐标上的速度。

；对于直立柱体，　。

因此，将（2）式展开可以得到与杆件轴线相交的水质点速度。

在整体坐标系下，导管架平台中的杆件沿其轴线方向的单位矢量　在其坐标系中的三个投影分量为（见图2）：

（4）

斜向杆件中的某点在以平台结构为基准的固定坐标系（o-xyz）与以浪向本身为基准坐标系（0-XYZ）的坐标转换关系为：

（5）

1.　2　作用在平台杆件上的结构内力

在上节所介绍的作用在导管架平台上的水动力载荷的基础上，我们采用有限元法来计算导管架平台框架结构内杆件的结构内力。具体步骤如下：

（1）结构离散化

（2）单元分析

平台框架结构离散化后，将杆件单元的位移、应变和应力等物理量等转变为由节点的位移来表示。选定单元的类型和位移模式后，按虚功原理建立杆件的单元刚度方程：

（6）

其中，上标e为单元编号，ke、δe和Fe分别为杆件单元的刚度矩阵、节点位移和等效节点载荷向量。单元刚度矩阵通过单元节点力和节点位移之间的关系来决定。

（3）整体分析

集合所有杆件单元的刚度矩阵，建立整个平台结构的平衡方程：　k　δ　=　F　（7）

其中，k　、δ和F分别为平台整体结构总体刚度矩阵、整体节点位移列矩阵和整体结构的等效节点载荷列矩阵。

（4）求解方程（7），求得得出平台各节点的位移。

（5）由节点位移计算单元的应力。

本文采用Ansys结构有限元计算软件来进行平台杆件的内力分析。

1.　3　数值计算方法及有限元模型建立

基于以上的计算方法及原理，本文主要计算步骤如下，其中水动力荷载计算中的波浪力计算理论部分已由本课题组完成，本作者工作为海流力的计算理论完善及后续内力的计算：

（1）输入设计参数，包括波浪和海流荷载中的波高H、周期T、浪向、流速、流向以及水深d等海况参数。

（2）输入导管架平台结构中第i根水下杆件的几何参数，包括杆件的直径D、杆件轴线方向（φ和ψ），以及杆件上下端点在已导管架平台结构为基准的固定坐标系中的坐标（　和　（　）等。需要注意的是，在该步骤中，以固定坐标系为基准的平台构件坐标要妥善保存，在后面的有限元模型建立时应当与之对应。

（3）将在上步计算得到、保存在设定的数据文件中的平台杆件水动力载荷计算数据进行适当的文档编辑，使其符合Ansys软件命令流的格式；在命令流中编辑的杆件数据包括：杆件的外径、厚度、弹性模量、泊松比和杆件材料密度等。

（4）编写Ansys命令流，将上步处理好的水动力载荷数据代入Ansys软件荷载施加步，杆件的水动力载荷施加于杆件的等效节点位置处，利用1.2节描述的计算方法对平台的杆件内力、位移等进行计算分析。

2　导管架平台在波流作用下动力响应数值计算及结果分析

利用第1节所提出的数值分析方法，本文以一在水深为40米作业的外轮廓为正四棱台的导管架平台为研究对象，利用所提出的数值分析方法进行计算，观察这类平台在不同的海况条件下的结构内力响应。平台的计算结构示意图如图3所示。平台的组成结构参数见表1。本节计算中，海水密度的取值为　=1025　kg/m3，海流的速度均取为1.5　m/s。

图4为浪向与流向同方向，浪向和流向坐标系与固定坐标系的夹角　为0°时，波高分别为2、4、8、10m条件下，由于不同的波浪周期所引起的导管架平台框架结构内杆件应力最大值和和位移最大值的计算结果。从图4的结果可以看出：在波流同向的条件下，波高越大，平台杆件受水动力载荷作用下所产生的最大位移和杆件的最大应力也越大；同样的波高条件下，不同的波浪周期，平台杆件上的最大位移与最大应力的响应并不一致，小于一定的临界周期，平台杆件上的最大位移与最大应力比大于其临界周期响应要大，这是由于杆件的振型接近于小周期的缘故。

图5为波高一定，浪向与流向同方向、浪向和流向坐标系与平台固定坐标系的夹角　分别为0o、45o、75o时，由于波浪和海流联合作用所引起的导管架平台框架结构内杆件应力最大值和和位移最大值的计算结果。从图5的结果可以看出：当浪向和流向坐标系与平台固定坐标系的夹角　为0o时，所引起的导管架平台框架结构内杆件应力最大值和和位移最大值也较大，这是由于　为0o时，导管架平台框架结构内的部分主腿、水平撑杆和斜撑杆与水质点速度方向垂直，由此而引起了杆件内较大的应力和位移。而当　为45o和75o时，平台中的大部分杆件轴线方向与海流与波浪所引起的水质点运动方向斜交，因此所引起的杆件的应力和位移要比正交条件下要小。

图6为浪向与流向同方向，浪向和流向坐标系与固定坐标系的夹角　为0°时，在平台的标高为0米和15米之间与水质点速度正交一面的斜撑杆件中点处杆件的应力最大值和和位移最大值随波浪的波高及周期变化的计算结果。由图6的结果可以知道：由于杆件处于离海面波能主要聚集区域较远，对于平台杆件中这一特定的观测点而言，杆件所受的水动力载荷主要为海流引起的拖曳力，与波浪引起的动力响应关联度较小。因此，在该点处由水动力引起的与交变变化为特征的波浪的波高和周期的关联度都较小。

3　结语

本文提出了一个波浪、海流载荷作用下导管架平台的结构动力响应分析方法，方法采用Morison方程计算由于波浪和海流的运动而产生的作用在导管架平台的水动力载荷，在此基础上，采用结构有限元计算软件对在这些水动力载荷作用下平台结构杆件的动力响应进行分析。本文所提出的方法计算原理简单，计算方法明了。根据本文所提出的方法工程技术人员可以比较快速、简便地对在波浪、海流的海洋环境作用下像导管架平台这样一类桁架式结构物的动力响应做出简要的分析，对在这些海洋环境引述作用下的结构安全性做出初步的判断。

参考文献

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2002，　（1）：9－17.

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[6]　李玉成，　滕斌.波浪对海上建筑物的作用（第2版）　[M].　北京：　海洋出版社，

2002：253-256.

篇9

欧洲的海洋观测系统是分散的。在欧洲各沿海国家内，分布着政府机构和私人工业的600多个科学数据收集实验室。他们通过船载传感器、潜水设备、固定或漂流平台、飞机、卫星等手段收集数据，用以观测物理海洋、地球物理、地质、生物、化学等参数。欧洲的海洋观测系统又是集中的。它是全球海洋观测体系的重要组成部分。欧洲的主要海洋区域，如北极、大西洋、波罗的海、地中海和黑海以及北美和亚得里亚海都具有各自鲜明的特征，也都有各自的区域海洋观测系统，如西北大陆架业务化海洋学系统（NOOS）、波罗的海业务化海洋学系统（BOOS）等［2］。另外，欧洲的海岸线蜿蜒曲折，破碎复杂，各国还建立了许多局地海岸带监测系统，以便为海岸线资源的监测和管理提供支持。

欧洲的数据管理网络

海洋数据的获取对于众多的海洋研究领域具有重要的意义，海洋防灾减灾、海洋工程开发、海洋环境保护、气候变化预测、海洋国防安全等都离不开海洋数据。欧洲在先进观测系统的基础上，建立了较为全面的数据信息管理和服务网络，并将它们在互联网上公开。通过使用人性化简单快捷的可视化用户界面，让来自不同背景的、无论是否具有处理复杂元数据库经验的用户来提取所需要的信息，这些措施有效保证了对海洋学相关数据和信息的轻松访问。这种便利的访问和获取方式将确保网络的使用并不仅仅局限于业务海洋学中心和机构。学者及来自各界的科学家和企业家将能够找到各种欧洲海洋观测系统和数据相关的信息，例如观测站点／设备，观测数据要素、测量精度、时空分布及观测数据所有者等特征信息。

1）欧洲海洋数据和信息管理网络

欧盟发起的海洋搜索（sea?search）计划聚集了来自30个欧洲沿海国家的33个研究所／中心，在不同的海洋数据和信息的管理和附加服务方面具有丰富的专业经验［3］。数据的学科范围包括物理海洋学、海洋生物、海洋化学、水动力学。另外，这些中心在各自的国家局扮演海洋数据和信息的国家资料中心或联络点的角色。它们是国家的中心节点，与其他的组织相连接，积极参与海洋研究和海洋环境管理活动；因此，负责监测和检查国家海洋研究活动和海洋数据流。大部分的合作伙伴也加入了IOC－IODE系统的国家海洋学数据中心。这些成员机构也参与了很多国家级和国际级别的海洋研究计划，包括一大批的欧盟委员会①计划。在多数情况下，成员机构对这些计划的海洋数据管理给予支持或协调。通过这些过程，成员机构为数据和信息管理的全过程，即数据监测、追踪、质量控制、处理、存档、产品制作、数据分析、元数据库及数据库维护、支持服务、数据分发／服务等积累了专业的技巧，训练有素的员工，以及建设基础设施（软件、硬件、网络）。在sea?search（2002—2005年）计划期间，所有的成员组织一起建立并推广了来自欧洲30个沿海国家的海洋数据和信息资源的泛欧洲目录以及概况。这些服务的维护、升级，以及未来的拓展由sea?search的后续计划———海洋数据网络计划（seadatanetproject，2006—2010年）来完成。sea?search计划的目标包括以下内容。（1）建立、维护及电子3个元数据产品／目录以追踪海洋数据和信息的动态，并提高欧洲海洋数据和信息的知名度、总体概况及可获取性。这3个目录分别是：①欧洲海洋环境数据集目录（europeandirectoryofmarineenvironmentaldata?sets，EDMED），一个索引和检索海洋环境相关数据集的欧洲标准，覆盖多个学科，它发起于1991年，至今仍在不断更新。目前，EDMED已经涵盖了来自超过574个资料中心的2814个数据集。②航次总结报告（cruisesummaryreports，CSR，旧称ROSCOP），一个通过调查船检索海洋航次信息的全球标准。它给出了这些航次所涉及的数据收集活动以及研究机构。航次报告由首席科学家编写。③欧洲海洋环境研究计划目录（europe?andirectoryofmarineenvironmentalresearchpro?jects，EDMERP），提供正在进行的研究计划、数据收集活动、参与机构和科学家、成果产品等信息。目前，EDMERP包括了来自超过62个研究中心的320多个研究计划。（2）针对数据和信息管理实践与方法交流经验，共同促进其发展和实施。（3）建立并组织形成处理、质控、存档不同格式海洋学数据的总体能力，并充分考虑单个团体能力差异以及新数据种类的出现。（4）定义、建立、实施公共数据索引（commondataindex）元数据目录，保证用户可以获得详细的海洋数据可获取性和地理分布信息。可扩展标记语言（XML）技术将被应用于以分布式网络方式建立并维护新的元数据库，支持跨越多平台的检索。

2）海洋数据管理欧洲基础设施

欧盟海洋数据网络（seadatanet）计划是sea?search计划的后续计划，它的目标是建立一个标准化的系统来管理由海洋调查船和新型自动观测系统所收集的不同种类的海量数据集以及网络，并巩固现有基础设施，即来自35个欧洲国家的积极进行数据收集工作的40个国家海洋数据中心和卫星数据中心。这些专业数据中心的联合将产生一个独特的数据管理系统来在线提供统一质量标准的综合数据集［4］。seadatanet已联合开放数字资源库，对来自海洋船队，新型自动观测系统和空间传感器的数据、信息、产品和知识，进行管理、访问和共享。

通过使用通信和信息技术的新发展和标准，现场和卫星海洋数据平台正在作为一个独特的虚拟数据中心提供元数据、数据和产品。seadatanet的各国合作伙伴将确保数据的归档和保存，以便它们被用于新的研究，保护不可能被重复创建的独特观测数据，提高供研究项目及海洋环境管理和教育、历史以及其他用途的数据的可用性。seadatanet还涵盖了以数据为基础的研究所强调的重要信任问题：安全性、保密性、所有权、保证来源、真实性，以及数据质量和元数据。标准的制定及其在通信和数据、元数据和产品质量保证问题方面的应用，为综合数据集提供了可通过评估的质量。seadatanet采用分布式网络方法对其数据资源实现综合协调的概述和访问，即通过制定和实施通用数据索引（CDI）服务来为用户提供了跨越整个欧洲的不同数据中心的海洋数据的可用性和地域分布等详尽信息。CDI为单个的数据集（如样本、时间序列、剖面图、轨迹等）提供了基于ISO19115的指数（元数据库），并提供了一个独特的在线数据访问接口。seadatanet同时还提供数据产品服务，其产品设计的目的是验证和综合有关海洋状态和健康监测的多学科数据集。区域涉及北极地区、北大西洋地区、波罗的海、地中海、北海等区域；主要变量包括热量和盐度、海平面、海流，还包括海洋生物资源及生态系统的相关变量，如营养盐和溶解氧等。区域seadatanet产品已通过这个项目的框架开发了专用的网络界面———OceanBrowser并向公众访问开放。通过这个网络界面可查看水平断面和任意垂直剖面。图形可以导出为各种格式，包括PNG，EPSSVG和KML，还可下载NetCDF格式的整个数据产品或使用OPeNDAP下载一个子集。seadatanet开发的基本型产品主要是环境参数的网格场，用于估算其平均值、季节变化及年际趋势。分析场使得seadatanet数据中心能够进行质量比对检查和其余离群值的检测。这些产品被科研团队广泛使用，如模型初始化和新的观测地点的优化选取等。#p#分页标题#e#

同时，一批面向非专业人士的高层次产品也将被，以实现贡献于国际气候变化与可预测性研究计划（CLIVAR）和海洋生物地球化学和海洋生态系统综合研究计划（IMBER）等重大国际项目、为Argo／Coriolis、My?Ocean、MFS／MOON等实时／业务项目提供补充产品等目标。用于分析的算法在优先级参数、时间和空间尺度和现有的程序方面，充分考虑了在不同海洋区域的特殊环境条件和需要。不同区域产品之间的一致性问题，由逆变模型分析进行的交叉检查来确保，并且通过参考DIVA图形软件专家和国际专家来实现。目前的工作主要为进一步提高产品的可视化服务：用户将能够从产品目录中搜索到数据产品，然后在地图中查看以及下载产品。目录和地图查看服务正在与My?Ocean合作，根据INSPIRE和OGC标准进行开发［6］。在元数据服务方面，欧洲海洋机构目录（EDMO）、欧洲海洋环境数据集目录（EDMED）、欧洲海洋环境研究项目目录（ED?MERP）、航次总结报告（CSR）、欧洲海洋观测系统目录（EDIOS）等5个欧元数据服务，给出了欧洲的海洋组织和他们在海洋研究项目、大型数据集管理，以及调查船和监测计划获取的欧洲海洋和全球海洋数据方面的概要。这些目录由各国协同编制，由seadatanet合作伙伴整理。每个目录都有各自的来源，然而seadatanet已将所有目录在使用语法、语义和工具上进行了统一。下面分别介绍seadatanet的5个元数据目录［7］。

（1）欧洲海洋环境研究计划目录

欧洲海洋环境研究计划目录（europeandi?rectoryofmarineenvironmentalresearchpro?jects，EDMERP）涵盖了海洋气象、物理海洋、化学和生物海洋学、沉积学、海洋生物学和渔业、环境质量、沿海和河口研究，以及海洋地质与地球物理等学科范围广泛的研究项目。在EDMERP编目中的研究计划是根据其题名或最关键内容的摘要而排列的［8］。其主要目标是支持用户在整个欧洲范围内寻找其感兴趣的研究活动，使他们能够与计划的科研管理人员联系，并访问项目成果，如数据、模型、出版物等。数据库具有许多实用功能，例如确定沿海和河口的研究项目，包括它们的数据收集活动，确定灰色文献（greyliterature）等。EDMERP由欧盟海洋搜索（EUsea?search）项目发起。欧盟seadatanet是其后续计划，参加seadatanet的成员国覆盖了所有35个欧洲国家。此外，EDMERP最近完成了一次重大升级：EDMERP用户界面和在线内容管理系统已经升级到第二版（V2），这将更好地衔接其他seadatanet目录，并使用已被引入seada?tanet的通用词汇。用户可以查询和浏览EDMERP目录，还可以指定搜索条件的组合。由此生成的与查询匹配的结果将出现在一个浏览列表中，清晰显示所选的个数，并允许在列出的结果之间跳跃浏览。此浏览列表可按一些关键要素排序，也可查看每个条目更多的细节，用户可以从一个项目跳到另一个。所涉及的组织和国家机构名称均设置了超链接，以链接到欧洲海洋组织目录（EDMO）所提供的具体组织的完整地址和描述介绍。EDMERP条目的汇编和维护由seadatanet网络的参与伙伴进行协调，它们与各自国家的机构联系和沟通，确保收集到重要的海洋研究计划的最新信息以及有关合作伙伴机构的地址和相关配置文件。NODC通过位于荷兰的机构来协调EDMERP的维护。这是通过一个专门的网上EDMERP内容管理系统（CMS）实现的。NODC可以为该国机构设置子账户，使其可以拥有自己的登录信息，因此，各机构可以添加和编辑自己的计划记录。然而，NODC负责验证由当地机构执行的所有修改和新建条目，然后再通过EDMERP用户界面提供给用户。另外，研究机构可以通过XML文件交换提供新条目和现有的条目的修改。因此，已经开发了一个新的适合单机使用的录入工具———MI?KADO。本着与seadatanet和NODC内的其他元数据库标准化和统一化的目的，EDMERPV1XML架构和XML交换格式已使用ISO19115元数据标准的标签来制定。EDMERPXML格式使用了通用词汇（commonvocabularies），该通用词汇是在seadatanet计划内发起建立的，通过网络服务和用户客户端保持业务运行。通过使用ISO标签和通用词汇，确保了与其他元数据库之间的互操作性。MIKADO工具可兼容修订后的CSRV1的XML格式，并使用seadatanet通用词汇。

（2）航次总结报告航次总结报告

（cruisesummaryreports，CSR，旧称ROSCOPs）是记录和汇报航次调查或海上现场实验的常用手段［9］。传统上，首席科学家有义务在航次结束两星期内向其国家海洋学数据中心（NODC）提交一份航次总结报告。通过此报告给出海上测量和所采集的样本的第一级目录清单。在欧盟Sea?Search项目范围内，德国海洋局（DeutschesOzeanographischesDatenzen?trum，DOD）已经安装了一个创新的基础设施，以简化录入和更新航次总结报告（CSRON?LINE）的流程，并通过互联网搜索和提交航次总结报告（CSRRETRIEVAL）。作为其后续项目seadatanet的一部分，覆盖范围扩大到了参加seadatanet的所有35个国家。目前正在进行的一个重大的升级是：CSR用户界面和维护系统已经升级到第一版（V1），与其他seadatanet目录更加一致，并使用了为seadatanet介绍的通用词汇。目前，CSR数据库涵盖了从1873年直到今天，来自欧洲30个沿海国家覆盖欧洲海域和全球海洋的超过37万条航次信息。其中也包括来自欧洲国家历史的CSR，从国际海洋勘探理事会（ICES）数据库加载的1960年之后的航次总结报告。CSR的汇编和维护由seadatanet网络成员负责协调，他们与各自国家的首席科学家沟通并且提交其CSR报表。NODC是荷兰的责任机构，协调和指导NODC成员机构整理和维护全国的CSR条目。这可以直接使用在线内容管理系统通过seadatanetCSR数据库完成，或者以CSR的形式提交给NODC，然后NODC将传输XML格式的CSR更新至seadatanetCSR数据库。为了与seadatanet和NODC内的其他元数据库标准化和统一化，使用ISO19115元数据标准的标签制定了CSRV1XML架构和XML交换格式。CSRXML格式使用了seadatanet发起的通用词汇，它通过Web服务和用户客户端保持业务。通过ISO标签和通用词汇的使用，与其他元数据库互操作性得到了确保。作为seadatanet项目的一部分，输入工具也已经升级。已经开发了一个新的输入工具：MIKADO，它适用于单机使用，与修订后的CSRV1的XML格式兼容，并使用seadatanet常见通用词汇。#p#分页标题#e#

（3）欧洲海洋环境数据库目录

欧洲海洋环境数据库目录（Europeandirecto?ryofmarineenvironmentaldatasets，EDMED）。由意大利国家海洋学和实验地球物理学研究所（OGS）维护的海洋资料库目录介绍了由意大利几个科学实验室收集的500多套意大利海洋数据和普遍关心的国际数据库。该目录清单包括物理海洋学、海洋化学、生物海洋学、海洋气象、水文、海洋生态和水下声学等学科［10］。自21世纪初开始，已在全球范围收集多目录记载的数据集。他们的描述信息包括：观测的参数、仪器、数据处理、地理区域和时间周期、可用性和协调中心及联络人。它们以各自的格式（如数据库或文件、模拟记录、纸图、硬拷贝表格、生物样品等）被引用。完整数据集目录位于服务器上（http：／／nodc．ogs．trieste．it／cocoonda?taedme－search）。

（4）欧洲海洋机构指南

作为seadatanet检索服务的一部分，欧洲各国的国家海洋数据中心维护着许多的元数据库。对于每个目录，重要的是具有海洋数据采集、处理和管理活动和研究项目所涉及组织的最新名称和地址。因此，建立了欧洲海洋机构指南（Europeandirectoryofmarineorganisati?ons，EDMO），以简化和有效一致的方式来管理这些地址和组织概况。目前，EDMO列出并描述了超过1000个研究院、数据保存中心、监测机构、政府和民间组织，它们从事海洋和海洋科研活动和／或数据和信息管理或支持服务。EDMO条目的汇编和维护，由seadatanet网络的国家海洋学数据中心（NODCs）协调，他们与其所在国家的机构接触和沟通，以收集信息确保这些机构的最新地址和信息。每个现有的元目录的维护工作被并入这些NODCs的国家收集活动中，并已经实施新的手段和工作方法，以支持协调的维护。NODCs可以通过网上内容管理系统（CMS）检查和更新国家组织的条目。

（5）欧洲海洋观测系统目录计划

欧洲海洋观测系统目录（Europeandirecto?ryoftheinitialocean－observingsystems，ED?IOS）是一个基于互联网的欧洲海洋观测、测量和监测系统的检索目录，是欧洲全球海洋观测系统（EuroGOOS）的倡议之一，由欧洲委员会研究总局共同出资开发。该目录包含元数据，即位置、测量参数、频率、数据的可用性、仪器的技术信息、负责机构以及数据持有机构的链接等信息。EDIOS目录的定期更新，确保大多数欧洲进行连续观测的海洋观测系统的最新信息。该目录是EuroGOOS全面实施的先决条件，它实现了对欧洲业务模式的可用数据进行连续分析，从而能够优化仪器的布放、采样策略及分类设计；基于EDIOS可访问数据及其包括的海洋观测系统，将海洋观测设置为欧洲标准，并帮助定义欧洲海洋观测系统。EDIOS有如下几个目标：①收集目前在波罗的海、东北大西洋（包括西北部的欧洲陆架）、地中海的所有欧洲海洋观测站点／设备（站、断面、重复样品、浮标、平台等）获取的信息，包括其地理位置、技术特点、观测的频率，并将这些信息传输到一个可查询的数据库（目录）。②通过对使用中的海洋观测站点／设备进行分类来定义欧洲海洋观测系统。③创建一个可视化用户界面（用户参与），以方便各种潜在用户访问本目录。EDIOS分类系统对EDIOS元数据库中的条目进行了分类，使全球海洋观测系统（GOOS）的工作人员和使用者能开放式的以最小限制访问GOOS并立即识别描述观测站／数据的记录；访问某些组织和GOOS区域联盟的观测站／数据；以及那些仅设计为单一机构或本地接入和使用的观测站／数据。目前EDIOS包括12000多个信息条目，并不断地在更新中。EDIOS收录的信息包括：①数据收集手段（仪表、传感器、船舶、网络等）的技术规格。②地理坐标。③观测的详述以及他们的时空特征（但不包括观测值）。可以包括站点采样的生物和生物化学数据的信息，没有必要为这种实际记录存储做特殊的考虑。将提供包含实际记录的数据库／档案的链接。④测量的近似精度。⑤采样数据目前的应用，包括衍生产品的应用。⑥每个仪表或传感器的责任机构／研究所。⑦数据持有机构和研究所的链接。EDIOS使得各国的国家海洋观测系统能够快速组合和协调，提高欧洲周围海域的监测和建模，并发展和完善观测活动。它还允许对海洋观测和预报系统的性能进行评估，并通过建立业务海洋观测系统的分类计划，来为海洋观测技术设置欧洲标准。EDIOS将鼓励对目录中包含海洋观测系统产生的数据在国家间进行广泛科学使用，以助于预测、评估，并制订应对全球变化的方案。

EDIOS对欧洲业务海洋学的促进作用将凸显在业务系统中的各个组成部分中，从仪器制造商、海洋观测系统的设计和实施、建模到附加价值处理和客户的需求。除了IOC／全球海洋观测系统、EuroGOOS、世界气象组织等国际计划的用户外，该目录还将寻找自己的用户群体。他们将是科学家和海洋科研院所和机构，环境和资源管理机构，气象部门等其他人员；此外还包括SMEs海洋行业的中小企业。EDIOS将有助于一般的海洋资源用户找到他们感兴趣的数据来源。此外，欧洲海洋观测地点／设备的汇编将有利于业务海洋学产生数据的协作及科学使用，从而减少冗余或重复的数据采样。由此带来的成本节约可能吸引更多的调查研究海洋，进而增加我们对海洋过程的整体了解。对ED?IOS测量系统的分类，将建立欧洲的海洋观测系统所需的欧洲标准。这些标准将处理由国家和区域机构存储的海洋观测站点／设备的格式、尺度、单位、地域分布、类型和详细信息。他们将有可能激励海洋观测设备的制造商和业主改善他们的系统。EDIOS将有可能首次实现对欧洲业务模式的连续性数据进行分析。主题网络将收集分散的海洋观测系统信息，将其整合归入目前正在使用的欧洲业务化海洋观测站点／设备的目录（包括黑海）。EDIOS的建立将尽可能与现有的如SEANET和EDMED等国际元数据库密切结合。如上所述，这样的一个目录能够协调各个国家海洋观测站，以改善欧洲海域周围的监测和建模，它是EuroGOOS全面实施的先决条件。EDIOS将会包括欧洲目前所有的目录以及数据存储机构和研究所的链接，从而有利于欧洲的海洋组织、机构和研究机构之间的联网和数据共享。EDIOS将采用未来定期更新的规定。EDIOS将向海洋科学、机构和企业提供前所未有的服务。这将补充和支持元数据库，包含项目的档案记录，或该清单的科学航次，档案数据中心，数据中心目录和其持有者。到目前为止，海洋观测站／设备的信息包括：海洋站、重复站、锚系浮标、远程成像等，目前在欧洲这些信息分散且不容易获得。许多区域数据库包含某些类型海洋观测地点／设备的材料，或专注于测量变量和机构持有的数据。国家机构和研究机构通常持有他们经常使用的海洋观测地点／设备名单，但这个信息在不同的机构之间是不兼容的，即格式、尺度、单位等类型和详细信息往往不一致。因此，欧洲海洋观测地点／设备全面的目录将是业务海洋学和海洋科学领域一个新的非常有用的工具。在海洋数据管理领域，EU／MODB（地中海海洋资料数据库）率先提供了一个地中海温度和盐度的全面数据集。这项工作由EU／ME?DATLAS项目进一步发展，该项目制作了目前地中海地区最完整的数据集，包括温度和盐度的气候图集。正在进行的EU?MEDAR／ME?DATLAS－II项目，旨在通过收录化学和生物参数和黑海地区的数据推进上述工作。欧洲海域其他地区的数据库和元数据库包括：波罗的海海洋观测系统（BOOS）收集由波罗的海沿岸国家运行的观测站观测信息；对于北海，欧洲北海地区的固定监测网络研讨会（SeaNet）提供浮标和平台的全面信息；其他欧洲国家建设海洋数据和元数据的数据库的行动，与欧盟支持的区域海洋大型研究项目框架内进行的海洋数据和信息管理活动相互联系（OMEX、MTP、CANIGO等）。#p#分页标题#e#

除了BOOS和SeaNet元数据库外，所有上述数据库和元数据库，主要或完全以传统海洋航次调查期间收集海洋学数据为基础。然而，欧洲的海洋预报需要具有实时数据采集能力的观测网络和分析系统、数值模式和资料同化程序。为此，大多数欧洲沿海国家维护着业务海洋监测计划，这些计划通常由国家机构和研究机构或科研组开展。然而，这些计划和项目通常只在每个国家内部运作，很少互相协调，即使在一个国家的各机构之间他们往往也是不相容的。一般来讲，一个国家有10到15个不同的机构在进行业务观测，如果计算所有那些地方一级的机构，数字可以达到更高。除了国家方案，业务海洋数据也来源于国际项目（如MF?SPP—地中海预报系统的示范项目）。总之，EDIOS是业务海洋学一个急需的工具，将填补现有欧洲海洋元数据库存在的差距。EDIOS将通过提供关于欧洲在连续使用的仪器和传感器信息的一个全面的目录，帮助Euro?GOOS建立欧洲海洋观测系统。此外，它的可视化用户界面会使用户很容易获得感兴趣的EDIOS资料，从而确保了EDIOS对所有海洋部门、商业和非商业组织的实用性。

欧洲海洋观测与数据网络欧洲海洋观测与数据网络

（Europeanma?rineobservationanddatanetwork，EMOD?NET）是欧洲海洋委员会2008年发起建立的，其目的是把现有的、分散的欧洲海岸带、大陆架以及周围海盆海洋观测系统获取的原始数据整合起来，对其进行综合管理，并制定相应的政策保存数据，为政府决策者、海洋管理部门以及相关部门和研究人员等用户提供方便快捷的数据访问和获取渠道，提高海洋观测、预报、海洋资源管理、海运安全以及欧洲海洋研究效率等各项工作。EMODNET是端对端的系统，由传感器与平台、调查研究、通信系统、数据管理和信息工具几个模块组成。EMODNET将形成一个公共的数据管理办法，倡议和组织协调海洋数据的管理，包括欧盟第六框架计划全欧洲海洋数据网络（seadatanet）的延时数据、欧洲海底观测网（ESO－NET）的海底长期、多学科观测站，欧洲全球海洋观测系统（EuroGOOS）区域的实时和准实时数据，欧洲气象卫星组织（EUMETSAT）的数据、图像和产品，国际海洋勘测理事会（ICES）的大量海洋学数据等。欧盟委员会已经签署了创建欧洲海洋观测数据网络（EMODnet）试点组件的服务合约。总体目标是创建试点门户，将分散和访问不便的海洋数据整合成完整海盆的可互操作的、持续和公开的数据流。整合的结果将有助于欧洲海洋观测数据网络的最终业务运行，为其确定流程、最优技术和近似成本。EMODnet－水文地理门户（EMODnet?hy?drographyportal）是EMODnet正在建设的数据门户之一。水文地理门户发起于2009年6月，目前正在为广大用户提供越来越多的产品和服务。在编制水深调查（铅垂线、单波束和多波束调查）目录方面正在取得突出的进展，并采用SeaDataNet的通用数据索引（commondataindex，CDI）结构，提供其数据检索和获取服务。此外，这些调查数据被整合处理，生成了欧洲下列海区的高精度的电子水深产品：①泛北海区域：包括卡特加特海峡（在瑞典和丹麦之间）及延伸海域。②英吉利海峡和凯尔特海。③地中海西部、爱奥尼亚海、地中海中部。④伊比利亚海岸和比斯开湾（大西洋）。⑤亚得里亚海（地中海）。⑥爱琴海－利万特海（地中海）。通过专门的数据产品查询服务，用户可以公开访问下列地理信息系统图层：①在0．25′经纬度DTM网格上的格点水深。②标注有等深线的标量水深。③选择查看单个DTM单元的质控参数和源数据。④选择显示沿航线的深度剖面。⑤海岸线。⑥通过OGCWMS协议选择添加CDI检索服务所包含的图层，如测深调查的轨迹等。用户可以下载多种格式的数字地形。此外，用户可以检索原始调查的元数据，并可以向分布式数据管理者提交对这些数据集的访问请求。OGCWMS还支持用户使用数字地形与其他门户网站数据产品相结合进行使用，这些门户包括EMODnet开发的海洋生物、海洋化学、海洋地质学、物理学和海洋生物栖息地门户和其他门户。许多组织参与了水文地理数据和产品的获取和提供，它们包括：①水文局，负责测量航线、港口航道，生产用于导航的纸质海图和电子海图（ENC）。②负责管理和维护港口、海防、航道和水路的主管部门。这些机构开展定期水深监测调查，以确保维持经协商的航海深度或确保国家的海防安全。③研究所，在其科学航次调查中收集多波束调查资料。④工业机构，特别是能源工业，进行多波束调查线路管道和电缆线（风电场），以及电信行业调查电话和互联网电缆的架设。EMODnet水文和海底制图组正在积极寻求与这些组织的合作，以生成更多的数据集（单／多波束调查、探测轨道、复合产品），以支持良好的地理覆盖率和高品质的水文数据产品。接收到的数据集正用于生产区域的数字地形模型（DTM），分辨率为0．25′×0．25′。该数据集本身不，但在CDI的元数据中有所描述，提供有关制作DTM的背景调查的数据，数据的访问限制、组织者和者等明确信息。这样一来，门户网站不但为水文资料的提供者设置了一个向潜在用户展示数据集的有力窗口，还可以对数据集进行有效的管理。

结束语

海洋环境现场实测资料的采集和管理是监测海洋环境变化、海洋环境保护、海洋资源开发、海洋防灾减灾、海洋工程建设、海洋国防安全等一系列涉海事业的重要基础。海洋观测资料管理涉及海洋环境数据的存储、管理、分析、处理和共享等多个方面。为此迫切需要建立一套以海洋数据为对象，集海洋环境参数实时监测、海洋数据管理、数据分析处理和数据共享为一体的数据管理系统。在过去的十几二十年间，全球已经建立了海洋科研数据和元数据的几个国际数据库。例如，联合国教科文组织／政府间海洋学委员会（IOC）已建立了海洋环境数据和信息（MEDI）数据集的查询目录。从最初打印的目录开始，MEDI已于最近被重建为基于PC的应用程序。MEDI的数据库结构以全球变化的主目录（GC?MD）为基础。GCMD是由美国航空航天局开发的一个有关全球变化的数据集目录（包括海洋数据集）。近年来，国际海洋资料和信息交换委员会（IODE）又发起了海洋数据门户（ODP）计划，旨在通过IODE网络下的国家海洋资料中心完整地获取海洋数据集和目录，同时考虑通过网络服务开发，使用户能迅速便捷地查询、评估并获取数据，发展一个全球性的分布式数据系统。此外，澳大利亚也已经开发了自己的“BluePages”目录。尤其是海洋国家占大多数的欧洲，海洋数据和元数据的发展更是走在世界前列，欧洲海洋学数据和信息管理网络（EU／EURONODIM）、欧洲海洋观测与数据网络、欧洲海洋数据信息网络等项目和计划正在不断的扩充和更新。欧洲的先进海洋数据管理理念和运行模式值得我们借鉴。我们应采取具体行动，建立我国的综合海洋数据管理网络，并确保其能够持续地发展。这里仅对我国的海洋数据管理和共享网络持续发展提出几条建议。#p#分页标题#e#

篇10

【关键词】水声信道；BELLHOP模型；多普勒时变效应；时变模型

1.引言

随着海洋开发和信息产业的发展，利用水声信道传送数据信息（如海洋环境监测数据、水下图像等）的需求不断增加。因此，了解水声信道的传播特性并建立相应的信道模型对水声通信的发展具有十分重要的意义。

水声信道是一复杂多变的信道，具有严重的衰减、多径传播和时变的特性，同时受到海洋环境噪声的影响[1]。因此要用准确的数学模型来描述水声信道是很困难的。传统的水声通信信道仿真主要基于射线声学模型[2][3]，如BELLHOP模型[4]等。BELLHOP模型是通过高斯波束跟踪方法[5]，计算水平非均匀环境中的声场，它克服了传统射线模型中声影区强度为0和焦散线截面为0处声强度为无穷大的缺陷。但它是静态模型，当收发节点固定时，信道冲激响应保持不变，因此它不能反映水声环境的时变特性。本文在BELLHOP射线模型的基础上，针对水声信道的传播特性，重点考虑多普勒效应对信道的影响，引入了一种BELLHOP--多普勒时变信道模型。同时对仿真中的各种参数进行了一定的理论分析。

2.时变信道模型

2.1 信道时变特性

图1为在实验室水池中的实测波形，接收端和发射端的水平距离为6m，信号持续时间为1ms。在本实验中，我们让接收端换能器以一定的速率靠近发送端换能器，然后观察任意3个不同时刻的接收信号波形。从图1可以清楚地看出3个不同时刻的接收信号波形和强度发生了变化。可见，实际的浅海水声信道具有严重的时变性。

图1 水池实测波形

2.2 多普勒和时变效应

声波在海水中传播时会受到多普勒效应的影响，这主要是由收、发端相对运动及海洋环境的不稳定性（如海面波浪运动和海中湍流等）引起的。

多普勒效应使接收信号的强度和波形随时间改变，表现为两个方面：频移和扩展[6]。频移即是频率在原来基础上产生了一定的偏差，扩展指的是在时域上信号被压缩或展宽了。

不同声线到达接收点时的入射掠角是不同的，所以各声线相应的多普勒系数将是不同的。设第i条声线水平入射掠角为，则其对应的多普勒系数为：

（1）

上式中为收发机相对速度，c为声速。由于在[-1，1]间取值，所以最大多普勒频移为：

（2）

其中fc为载波频率；则受多普勒影响后信号频率将位于[fc-fd，fc+fd]，如图2中所示。

图2 多普勒频谱扩展

2.3 时变信道建模

由于BELLHOP模型没有考虑水声信道的时变特性，它的信道冲激响应可表达为：

（3）

其中，N为到达接收点对声场有贡献的本征声线的数目。和为声波沿第i条传播路径到达接收点的本征声线的声压幅度和传播时间。

信号在传播时，若收发机距离发生改变，从发送端到接收端的本征声线路径将发生变化，到达接收端的声线入射角将随时间变化，声线的传播时间也将随之改变，它们之间的关系如下[7]：

（4）

（5）

其中，为t时刻第i条本证声线的传播时间，为第i条本征声线在t时刻对应的多普勒系数，与这一时刻到达接收点的声线入射掠角有关；c为声速，v为收发机的相对速度。

将（4）式的代入方程（3）中，便产生了考虑多普勒时变效应的修正后BELLHOP信道冲激响应：

（6）

对于方程（6），在不同观察时刻和，若||>（=，为信道的相干时间），则信道冲激响应发生变化。因此方程（6）是可以表征信道时变特性的BELLHOP--多普勒信道模型。其时变传输系统的一般表达式为：

（7）

其中，为系统的输入信号，为信道的时变冲激响应，n（t）为信道噪声，r（t）为系统的接收端信号。

图3 时变系统的传输

从图3中可见，用时间片段（

3.仿真和分析

本仿真通过文本编辑器编辑BELLHOP水体环境文件*.env[5][8]，通过自己编写的MATLAB程序对*.env进行处理获得信道冲激响应，并画出相应的声线图。

*.env中的声速剖面SSP（如图4所示）是参照台湾海峡中、北部海区1998年2-3月实测数据[9]设置的，其他一些参数设置见表1。

表1 仿真中参数

载波频率f（KHz） 收发机水平距离（m） 整个水体平均深度（m） 发射机深度（m） 接收机深度（m） 收发机间观测点数目 声线数

20 1000 43 10 18 150 9

仿真处理后得到此水体环境条件下BELLHOP模型的声线图及信道冲激响应分别如图5和图6中所示。

图4 声速剖面SSP

图5BELLHOP声线图

图6 BELLHOP模型信道冲激响应 图7 发送信号

现在传输系统中加入SNR=5dB的高斯白噪声，发送f0=20KHz的sin信号（如图7所示），信号持续时间为1s。令接收机以v=10m/s的速率向发送端移动，则通过计算可知最大多普勒频移≈133Hz，信道相干时间≈0.0075s。由此可见，在sin信号传播过程中信道是时变的。将sin信号以=0.003s进行时间切片，取传播中的任意3个时间片的信道冲激响应（如图8所示）及接收信号（如图9所示）来观察结果。发送信号和各时刻接收信号的单边幅度（下转第112页）（上接第105页）谱如图10所示。

从图8中可以明显看出不同时刻信道冲激响应发生变化，图9显示出不同时刻接收波形不同。可见，仅在1s的时间内，信道环境有明显变化。此结果与图1中的实测波形特点一致，因此可以证明本文提出的BELLHOP--多普勒时变信道模型可以模拟出浅海水声信道的时变特性。

图8 3个不同时刻的信道冲激响应

图9 3个不同时刻的接收信号波形

本仿真也体现出了多普勒效应使信号产生频移和时间压缩（或扩展）的变化。图10中的幅度谱显示信号发生频率偏移现象，由于不同时刻及各径多普勒系数的不同，信号频偏情况也不同，但它们的频谱都分布在[19867Hz，20133Hz]。

图10 发送信号及各时刻接收信号的频谱

4.结论

本文提出的BELLHOP--多普勒时变模型基本上实现了对浅海水声信道的模拟。该模型充分考虑了水体环境和信道几何结构等物理因素，可以反映出水声信道中多普勒效应引起信道时变的特性。同时本文分析了多普勒效应造成信号频移和时域扩展（或压缩）的问题。当然，更加完善和逼真的水声信道模型的建立还需要对复杂的环境参数和信道特性的进一步研究。

参考文献

[1]Paul C.Etter，水声建模与仿真（第三版）[M].电子工业出版社，2005.

[2]D.B.Kilfoyle and A.B.Baggeroer.The state of the art in underwater acoustic telemetry[J].IEEE Journal of Oceanic Eng.，2000，25（1）：4-27.

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