跟着滨海经济的迅猛展开,近海海域遭到越来越严峻的污染,使海域环境质量显着下降,生态环境日趋恶化,并对生物资本和人体健康发作有害影响。近海水域的污染已变成世界各国,格外是象中国这样具有适当长的海岸线和很多海湾的国家所一起关怀的环境疑问。海洋经济的展开还面对严格的海洋自然环境,海洋灾祸直接影响着海洋经济的展开计划、速度和效益,准确预告海洋灾祸的发作、展开和应当采纳何种防灾、抗灾和减灾工程办法,也变成严峻重视的环境疑问。为了开发海洋中的空间、矿藏、渔业、动力等物质资本,需求在海上进行各类工程缔造,在当时科技日益展开的状况下,工程缔造的计划日益无穷,这些大计划的工程缔造和海洋环境之间的相互效果也将是开发海洋中的一个应致使格外重视的重要疑问。为了习惯中国海洋经济的疾速展开,海洋环境的日益恶化,海洋灾祸的频发和海洋工程向大型化展开,近海石油气田的开发,以及海岸带开发进程中的后效疑问的研讨需求,关于中国严峻海洋环境与维护疑问展开研讨是非常必要和火急的。
在这方面,要点需求展开的研讨课题大体上有三类。第一类课题是海洋环境特征对各类污染物效果的机理和规则研讨,第二类课题是海洋工程设备防灾、抗灾和减灾研讨,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效果吸防治办法与对策。
一、海洋环境特征对各类污染物的效果机理和规则研讨
以海洋流体动力对各类污染物搬迁、分散、转化规则的研讨为根底,思考各种自然环境要素(浪、流、风、光、温度、湿度)、物理要素(分散、蒸发、沉降、吸附、开释)、化学要素、生物要素的效果,提醒污染物在海洋杂乱条件下的运动及演化规则,并树立海洋水质猜测预告模型。此外,近年来,在中国滨海海域,赤潮频发严峻。因而,除了加强赤潮的监测和预告外,也应加强在树立赤潮成长机理和展开规则方面的研讨作业。
此项研讨应经过现场观测、物理模型实验和数学模仿研讨相联系的办法来进行。因为现场观测作业耗资无穷,且遭到很多客观条件的约束,所取得的数据一般有很多归纳要素的一起效果,很难将其间的单要素影响分离出来,因而,一般只能用它来作为对某一水质猜测预告模型进行查验其可行性和精度的一个实例。
用数学模仿办法来树立海洋水质猜测预告模型是一个较为有用的办法。当时,在这方面国内外已有不少水质猜测预告模型,这些水质猜测预告模型大体上都根据以下几方面的模型:水流数学模型;波涛数学模型;液流相互效果模型;近海海域污染物搬迁转化数学模型。
在水流数学模型研讨方面,关于较大规模的海域,一般可选用深度均匀的潮流教育模型,关于紊动影响不明显的海域,可不思考湍流影响,而关于湍流效应明显的区域,如排污口近区,则应思考湍流效应。此外,选用坐标改换,可树立一种可以思考杂乱地形和套流效应的三维潮流数学模型,这样才干够较好地重现实际海域的三维潮流特征。在较小规模的水域,水流数学模型可以以N-S方程和通用的k-(湍流模型为根底,关于水温文盐度分层流的活动特性,思考浮力对紊动的影响,树立用于模仿一起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。也可以根据多流体模型的根本概念,分别对两相自身的湍流输运规则以及相间相互效果规则进行模仿,树立两相湍浮力分层流的双流体数学模型。
卧螺离心机
在波涛数学模型研讨方面,可运用BI—CGSTAB法求解由椭圆型缓坡方程离散得到的代数方程组,以进步求解功率。从水波展开方程动身,可导出一种用于大区域波涛变形疑问的数学模型。经过引进弱非线性波色散联系,可使双曲型缓坡方程可以有用地思考波涛的非线性效应。对高阶Boussinesq方程的进一步研讨,可使方程的色激性从入水到深水都达到很高精度,并进步方程的非线性精度,可以更准确的核算较深水域波涛的非线性特征。
关于带自在外表的波涛场疑问,经过把能有用模仿自在面形状的N— S方程和波能平衡方程的联系,可导出一个能思考破波能量丢失的抛物型缓坡阶段,用这个方程可模仿规则波和不规则波破碎致使的波高改动。树立沿岸流数学模型,可模仿海岸上波高改动和破碎波波高、波涛增减水和沿岸流。
在波流相互效果模型的研讨方面,关于弱流景象,可选用一种思考流影响的批改的合流缓坡模型;关于强流景象,可选用在Botssinesq方程中思考流影响的模型。可以将辐射应力的核算公式与抛物型缓坡方程中的待求变量联系起来,树立一种辐射应力核算的新办法,用该办法可对较大区域均匀斜坡地形上的波涛辐射应力进行数值模仿。
在近海海域污染物搬迁转化数学模型研讨方面,根据N一S方程所树立的深度均匀的二维应力一通量代数全场模型,可对非对称潮流效果下的侧向岸边排放疑问过火数值模仿。以研讨近海海域污染物搬迁转化的三维预告体系作为方针,在剖析近海环境中各种物理、化学和生物表象的根底上,关于近海海域水污染的特色,从三维湍流模型动身,在动量方程中引进外表风应力、底部切应力以及柯氏力的效果;在输运方程中引进反映物理、化学、生物等效果的源、汇项,可树立一个一致思考物理、化学和生物等进程归纳效果的近海海域污染物搬迁转化的三维预告模型,它可为环境评估、水质计划、污染操控以及水域排污工程计划等供给重要的科学依据;一起对确定水域环境容量,然后拟定水域环境维护战略,也具有非常重要的理论价值和运用远景。
应当指出,在海洋水质猜测预告模型研讨方面,数学模仿无疑是一种非常有用的手法,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置是研讨水质模型的技能要害,直接影响到水质模型的科学性和猜测才干。而这些必要的数据是无法从数学模型自身来取得的,有些可以经过现场观测来得到,但其间一些最根本的卷数是要经过根本机理的研讨才干得到,在这方面物理模型实验研讨将是一个有用的手法。
能模仿海洋动力要素的先进实验设备,现代化的量测仪器和测验体系是展开物理模型实验研讨的必备条件。进一步完善PIV和LIF的浓度场、速度场同步测量体系,可研讨非破碎波涛、破碎波涛及波流相互效果下水流的笔直构造,取得流场中水质点速度的空间散布和时间进程;并同步取得波涛及波流相互效果下浓度场的空间及时间改动进程,可用以剖析定量污染物团在波涛及波流相互效果下分散的根本特征和分散系数。
二、海洋灾祸的准确预告及海洋工程设备防灾、抗灾和减灾的研讨
海洋灾祸首要包含风暴潮、波浪、海冰、海啸、赤潮及海岸腐蚀等。90年代以来,中国海洋灾祸所构成的丢失每年达上百亿元人民币,是世界上海洋灾祸最严峻的国家之一。海洋工程构造的出资费用很高,一旦发作损坏,将会构成严峻的人员伤亡和巨额财产丢失(如1969年渤海冰推倒“海二井”渠道,1989年风暴潮丢失超6亿元,1991年DB29销管船在南海通飓风翻沉等)。当时中国海洋动力开发与海洋空间使用的绝大部分活动是在近海和极浅海海域。为了确保在这些海域所缔造的工程设备可以安全执役免遭损坏,面对的首要疑问是弄清这一海域中严格和杂乱多变的环境要素。中国东临西北太平洋,每年呈现的飓风数目占全球的38%,其间对中国能够构成灾祸的飓风每年有7—8个。每当飓风在中国登入或挨近中国滨海经过期,都会在沿岸局部区域发作风暴潮,构成风暴潮灾祸。
在中国北方海域(渤海和北黄海),冬天因为受寒流影响,沿岸区域每年都有结冰表象,结冰严峻的年份则呈现冰害。若对这些海洋灾祸估量不足将会带来无穷的丢失。渤海重叠冰与堆积冰的构成,不但可给构造物以强壮的冰压力,而且因为冰激致使的振荡效果,也会给海洋渠道的运用和安全带来无穷的损害。而冰区溢油的搬迁规则及预防和整理技能,至今没有进行过深化的研讨。对近岸大面积冰排和海上浮冰,在波涛、潮汐效果下都会致使海冰的开裂,开裂后冰块的标准直接影响其对构造物的效果。在渤海海域缔造的海洋渠道,为了反抗冰害,一般建成正、倒锥体的构造型式,冰排对锥体构造的冰荷载及与其的动力相互效果,也是当时没有处置的课题。在海冰力学的研讨中,除进行理论剖析和数值模仿外,实验研讨也是一个重要的手法。在实验研讨中,模型冰可选用冻住模型冰和非冻住模型冰来进行,它们各有其优缺点,展开这两种技能是海冰力学研讨中的一个课题。
中国是一个多地震的国家,海域中时有地震发作。强烈的地震将有能够是海上工程设备的首要损坏荷载。假如一旦在地震中构造物(海洋渠道、钻井船、人工岛、输油及输气管道等)发作损坏,除其直接经济丢失极大外,其次生灾祸——火灾、环境污染等的结果也无法想象。
近年环太平洋区域地震的频度和强度都在上升,构成严峻灾祸。大型海上工程在地震效果下的安全性,格外是抗震防灾的根本原理和减震技能办法需求仔细研讨。海域中的大型海上水工建筑物在地震效果下的响应和振荡损坏机理更有待深化研讨。日本阪神地震记载材料表明,地震及由此引发的巨浪一起效果对水中和岸边建筑物构成的损坏非常严峻。水工建筑物的这类损坏机理,至今国内外对此都很少研讨,且因为实验条件的约束,国内外对此方面的实验研讨作业展开很少。这是海上水工建筑物抗震研讨中的一个新领域。
以下的一些研讨内容将是为处置海洋工程设备抗震办法中的要害技能所必需思考的,如近海环境地震危险性剖析,计划地轰动参数和频谱特性,强震海底多维地轰动及其空间散布规则,地震波传达特性及地轰动输入机理;海域中大型海上水工建筑物在地震效果下,思考周围水介质影响的构造振荡损坏机理、振荡操控、地轰动时颇联合剖析模型和输入机制、非线性动力剖析和动力损坏实验;核电站海域工程建筑物抗地震功能,海洋采油渠道及地下输油管线与地基土动力相互效果,码头及护岸建筑物地震稳定性;海域中水工建筑物的功能计划和地震设防标准等。
海上水工建筑物在长时间运转进程中健康状况逐步恶化,其损害首要来自两个方面:其一是构造的老化、疲劳、超载、内部损害(裂缝)、地基沉降变形以及环境的物理化学损害(低温、冻融、大气腐蚀)等;其二是计划不周或计划标准偏低,施工质量差,原材料不合格,办理维护不善等。大型海上水工建筑物的损害和事端都将对国民经济的展开构成严峻的影响。
因而,展开以下的一些技能和办法将是非常重要的。如在思考海洋环境荷载在幅值。时间及方向上的随机性所致使构造安全的不确定性状况下,对现役海洋工程构造进行健康诊断和评估剩下牢靠度的理论;构造健康状况及损害检查的新技能和新办法;构造病害治理用的新材料、新技能和新办法;海洋工程构造在多种杂乱海洋环境条件下(风、浪、流、冰、地震等)的牢靠度和优化理论研讨,计划与缔造新型抗灾工程构造;研讨和计划使海洋工程构造物在计划运用期限内有满足的安全度,而在退役之后又便于撤除的各种工程办法。
为了及时把握海洋环境的风云变幻和灾祸的能够来临,展开海洋环境及灾祸的预告技能是非常必要的。为此需求树立以下一些体系,如树立由近海到远海的海洋环境及灾祸观测网络、预告与预警体系、沿岸防灾预备和各类应急处置体系;以首要海域和海岸带区域经济展开为布景,进行要点研讨,树立数字化的海洋环境信息体系模型与构造;以及树立海岸和近海工程设备防灾减灾数字信息体系,将海岸和近海工程与网络技能人算机技能、遥感技能、地理信息体系、全球定位体系相联系,树立数学物理模型,经过多媒体技能,形象化地描绘灾祸成因、发作机理、传达规则、模仿灾祸损坏的进程,建成智能化的防灾、抗灾和减灾决议计划支持体系。
三、海洋工程及海洋环境工程与海洋环境的相互效果及防治办法与对策
为了充分使用海洋空间,现代海洋空间使用除传统的港口和海洋运送外,正在向海上人工城市、发电站、海洋公园、海上机场、海底隧道和海底仓储的方向展开。大家现已在缔造或计划海上出产、作业、生活用的各种大型人工岛、超大型浮式海洋构造和海底工程,估量到21世纪,能够呈现能包容10万人的海上人工城市。中国澳门和日本现已在海上建成了人工岛海上机场。为缓解严峻的陆地资本及削减城市噪音等,日本现已于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,跟着海洋资本与空间的开发使用,各类海上工程建筑物数量不断增多、计划日益杂乱和巨大,确保这些海上工程设备的安全运转及采纳海洋工程防灾减灾办法将越来越重要。海岸带和近岸海域是各种动力要素最杂乱的区域,但一起又是经济活动最为兴旺的区域,海上工程缔造假如思考不妥将会在必定程度上引发环境灾祸。工程设备能够损坏原有海岸带的动态平衡,影响岸滩的冲淤改动。海上回填和疏浚会改动海岸的形状,损坏某些海洋生物赖以生存的栖息地,若对富含污染物的疏浚污泥倾抛处置不妥则会构成二次污染。海上石油出产中的溢油事端将对海洋环境构成极端严峻的污染。日益增多的海上退役工程设备假如不及时处置也将会逐步变成海上障碍物致使致使公害。海洋工程抗灾减灾的使命是一方面要确保最大极限地削减自然界海洋灾祸带来的报失,另一方面又要防止人为构成的海洋环境灾祸。
跟着人类对海洋资本的不断开发和使用,海洋环境维护与人类出产实践活动协调展开日显重要。如港口开发中的环境疑问,首要内容包含:航道、港池开挖、疏浚致使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、超大型浮式构造的环境和生态影响;破波带及其邻近水域沿岸流对物质输运分散规则研讨;大型海岸工程、岸滩维护和整治工程致使的海域环境的变迁和海岸演化;海岸演化、防护及开发使用新概念的准则与理论,如因为工程办法所致使的海岸动力学、生态学、社会经济学及与环境联系的归纳剖析与协调。
跟着滨海大、中型城市经济缔造的疾速展开,城平缔造中的污水深海排放技能,感潮水域污水多点排放漂移分散研讨,天然海湾、人工湖及人工运河的水质交流才干,人工沙滩的维护办法,滩涂围垦对水域环境的影响等,都将是需求仔细处置的疑问。
鉴于黄河三角洲海岸线不断依退所带来的国土面积削减、陆上设备遭到要挟乃至损坏、对黄河三角洲湿地自然条件的毁灭性损坏等一系列疑问,也是非常火急需求研讨的课题。此外,长江三角洲、珠江口及珠江三角洲的海岸开发、滩涂围垦和岸滩维护及整治工程对水域影响所致使的环境疑问及其对策,也是需求要点研讨的课题。
以首要经济兴旺的河口和海岸带区域以及首要海域的经济展开为布景,树立一个数字化的区域经济展开模仿体系。与防灾、抗灾和减灾决议计划支持系一致样,将环境工程、水利工程、土木工程与网络技能、核算机技能、遥感技能、地理信息体系、全球定位体系相联系,树立模型,经过多媒体技能,形象化地关于经济展开计划,猜测因为展开经济带来的海域环境水污染的恶化、海洋自然灾祸(飓风、巨浪、风暴潮、地震、冰害、地质灾祸)频发的状况。人类活动格外是大计划工程缔造所致使的海洋环境的变迁和海岸演化,以及它们之间的相互效果,用数字手法一致地加以处置,树立智能化的决议计划支持体系,以推进国民经济继续、健康地展开,将会是决议计划部门进行宏观决议计划和详细计划时的一个非常有用的手法。