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關(guān)鍵詞：海水養(yǎng)殖；水溫；氣象條件

中圖分類號：S932.5 1 文獻標(biāo)識碼：A DOI 編碼：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

濱海新區(qū)大港地區(qū)有著廣闊的海水養(yǎng)殖面積，是濱海新區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖的主要地區(qū)，共有露天養(yǎng)殖面積2.4萬余hm2。水產(chǎn)養(yǎng)殖基本上是露天作業(yè)，氣象條件與水產(chǎn)養(yǎng)殖的成敗息息相關(guān)。隨著濱海新區(qū)的開發(fā)建設(shè)，大港水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)走上了高效養(yǎng)殖的道路，對氣象條件更加敏感，對氣象災(zāi)害更加脆弱。氣象條件在很大程度上決定著養(yǎng)殖對象生長速度、繁殖時間、成活率、病害情況等，還決定了苗種放養(yǎng)、飼料投放時間及投放量、捕撈上市時間和產(chǎn)品運輸方式等，影響水產(chǎn)養(yǎng)殖的豐歉、品質(zhì)和成本的高低，甚至可能導(dǎo)致養(yǎng)殖業(yè)的巨大損失。氣象因素對水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的危害主要表現(xiàn)在兩方面。 一是災(zāi)害性天氣如臺風(fēng)、暴雨等引起的嚴重洪澇或風(fēng)暴潮造成的“硬殺傷”。如2012年7月25―26日的特大暴雨天氣，造成大港古林街海水對蝦養(yǎng)殖損失嚴重。二是溫度、鹽度等變化引發(fā)水生物適生環(huán)境條件發(fā)生變化導(dǎo)致生理不適應(yīng)造成的“軟殺傷”。一場低溫寒潮天氣可導(dǎo)致海水養(yǎng)殖的魚蝦大面積死亡。特別是高密度養(yǎng)殖采用高投飼料密集養(yǎng)殖，天氣突變造成浮頭泛塘已成為水產(chǎn)養(yǎng)殖的主要災(zāi)害之一，一旦發(fā)生損失嚴重。

因此，對露天海水養(yǎng)殖水環(huán)境進行觀測預(yù)報，可以有效減少水產(chǎn)養(yǎng)殖損失，增減養(yǎng)殖戶收益。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

觀測養(yǎng)蝦池設(shè)在天津市濱海新區(qū)大港古林街馬棚口二村的對蝦高密度養(yǎng)殖示范區(qū)。示范區(qū)（N39°19′、El17°46′）年平均氣溫12.6 ℃，最冷月1月平均氣溫-3.3 ℃，最熱月7月平均氣溫26.8 ℃；平均年降水量522.2 mm，雨量集中在7―8月；年日照時數(shù)在2 700 h左右。本園區(qū)海水池塘養(yǎng)殖面積共266 680 m2，每個池塘6 667 m2，共40口池塘。曬水池在園區(qū)南側(cè)，緊鄰池塘，面積6 667 m2。養(yǎng)殖水產(chǎn)品為南美白對蝦（Penaeus vannamei Boone），養(yǎng)殖示范區(qū)如圖1所示，觀測儀器分別安裝在40#池塘和曬水池2。

1.2 測定項目及儀器

項目采用雨研信息科技（上海）有限公司的水產(chǎn)養(yǎng)殖氣象監(jiān)測顯示系統(tǒng)。每套包括4種要素，距水面1.0 m深度溶氧量（±1%）、鹽度（±1%）和pH值（±0.1），距水面0.5，1.0和1.5 m 3層深度水體溫度（精度±0.1 ℃），監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GPRS模塊實時傳送到氣候中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析方法

本文利用觀測數(shù)據(jù)繪制圖表，以直觀地反映海水養(yǎng)殖條件下氣象要素的時空變化特征；并對所取得的數(shù)據(jù)使用數(shù)理統(tǒng)計相關(guān)知識和統(tǒng)計軟件SPSS進行方差分析、相關(guān)性分析以及回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 海水露天養(yǎng)殖池塘池水溫變化特征

該養(yǎng)殖區(qū)引灌海水進行養(yǎng)殖。海水在曬水池中曬15～20 d，引入養(yǎng)殖池塘。本文主要研究8―11月水溫時空變化特征。

2.1.1 海水露天蝦池池水溫的時間變化 （1）平均水溫變化特征。觀測數(shù)據(jù)采集時間為2013年8月6日―2013年11月30日。

如表1、表2所示，從時間變化分析，8月至11月，蝦池平均水溫逐月降低，從空間分布分析，蝦池3層水溫從上層到下層逐漸降低。與氣溫比較，各月3層水溫平均值均高于同期氣溫平均值。蓄水池和蝦池水溫差異不顯著。

（2）水溫變化趨勢。蝦池水溫的變化主要是隨氣溫的變化而變化，由水溫、氣溫變化曲線圖1和圖2可以看出，水溫、氣溫的秋季變化均呈波浪形，其走向基本一致，但水溫變化幅度遠低于氣溫，主要是由于水的比熱較空氣大造成的。隨著時間推移，水溫呈下降趨勢。從變化時段看，蝦池8月6日―9月1日水溫達到最大值，其中8月31日12點至9月1日上午9點，3層水溫保持29～30 ℃持續(xù)45 h。之后水溫呈階梯式下降，9月25日至29日和10月25至11月5日兩個階段水溫下降速率最大。蓄水池與蝦池水溫變化趨勢一致。

2.1.2 不同天氣類型水溫變化特征 為了分析不同天氣類型水環(huán)境變化規(guī)律，分陰天、晴天和多云3種天氣進行分析，按照日照百分率小于20%，20%～60%和大于60%劃分為陰天、多云和晴天。

除季節(jié)變化外，池塘水溫晝夜變化也是生產(chǎn)不可忽視的一個環(huán)節(jié)。不同天氣類型水溫最高最低氣溫出現(xiàn)時間和日較差均不相同，特別是陰天和多云天氣下層水溫高于上層水溫。

晴天時選取連續(xù)晴天（9月4―5日，日照百分率0.81～0.89），0.5，1.0，1.5 m 深度逐時水溫監(jiān)測資料。結(jié)果表明，3個深度水溫日變化曲線均呈單峰型（圖3），各層日最低水溫平均出現(xiàn)在8：00左右，日最高水溫出現(xiàn)在15：00―16：00左右，比大港氣象站的日最低最高氣溫出現(xiàn)時間均推遲2 h左右；水溫的日較差較小，0.5，1.0，1.5 m 深度的水溫日較差分別為1.6，2.2和2.3 ℃，而同期大港氣象站氣溫的日較差為10.8 ℃，這與水體熱容量大有關(guān)。垂直方向，各深度逐時水溫差異不超過2.5 ℃，按照0.5，1.0，1.5 m順序水溫依次降低，詳見圖4。

陰天時選取連續(xù)陰天（8月30―9月1日，日照百分率0），0.5，1.0，1.5 m 深度逐時水溫監(jiān)測資料。結(jié)果表明，1.0 m和1.5 m兩個深度水溫日變化曲線呈單峰型（圖4），日最低水溫平均出現(xiàn)在8：00左右，日最高水溫出現(xiàn)在15：00―16：00左右，比大港氣象站的日最低最高氣溫出現(xiàn)時間均推遲2 h左右，與晴天實況相似，1.0，1.5 m 深度的水溫日較差分別為0.5，1.0 ℃，比晴天水溫日較差明顯偏小。而0.5 m深度的水溫維持在29.7 ℃基本無變化，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水溫均低于1.0 m水溫，個別時段甚至低于1.5 m水溫，垂直方向出現(xiàn)逆溫層，造成深層水體向上層流動混合，水體內(nèi)部形成亂流，詳見圖4。

多云天時選取連續(xù)陰天（9月9日―9月10日，日照百分率0.5～0.6），0.5，1.0，1.5 m深度逐時水溫監(jiān)測資料。結(jié)果表明，水溫日變化和垂直變化介于晴天和陰天之間，1.0 m和1.5 m兩個深度水溫日變化曲線呈單峰型（圖5），日最低水溫平均出現(xiàn)在8：00左右，日最高水溫出現(xiàn)在15：00―16：00左右，比大港氣象站的日最低最高氣溫出現(xiàn)時間均推遲2 h左右，1.0和1.5 m 深度的水溫日較差分別為0.7，1.2 ℃，介于晴天和陰天之間。而0.5 m深度的水溫變化與陰天類似，垂直方向下午至晚上出現(xiàn)水溫上低下高的逆溫層，造成深層水體向上層流動混合，水體內(nèi)部形成亂流，這也是高溫季節(jié)池塘浮頭泛塘的主要原因之一。

2.2 水體溶氧量變化分析

溶氧量是水中生物在水中生存的重要指標(biāo)之一，水中飽和溶氧量受到大氣壓力、水溫、水中其他溶質(zhì)（如其他氣體、有機物或無機物）含量等因素共同作用的影響。自然條件下水中的飽和溶氧與大氣壓呈正相關(guān)關(guān)系，陰雨天氣大氣壓降低，影響水體溶氧量；隨著水溫升高，飽和溶氧量下降；鹽度對溶氧也有直接而明顯的影響，隨著水體鹽度升高，飽和溶氧量下降。

觀測蝦池內(nèi)有一臺增氧機，溶氧減少時會啟動增氧機增氧，因此觀測的溶氧量為人工干預(yù)后的結(jié)果。溶氧量觀測數(shù)據(jù)分析結(jié)果為，觀測期內(nèi)池塘水體溶氧量在12.0～4.0 mg?L-1之間波動，溶氧量下午高于早晨，白天高于夜間。每天至少有16 h以上大于4.0 mg?L-1，沒有出現(xiàn)低于3.0 mg?L-1情況。

2.3 水體pH值變化分析

蝦池水體酸堿度維持在7.8～8.8之間，很穩(wěn)定，水體屬于弱堿性，能滿足養(yǎng)殖蝦類的生長發(fā)育需要。

2.4 鹽度分析

高密度養(yǎng)殖時蝦適應(yīng)低鹽度能力較差，觀測表明：蝦池鹽度維持在19‰～31‰，鹽度整體適宜，未出現(xiàn)低于7‰的情況，蝦池環(huán)境利于蝦類發(fā)育。

2.5 池內(nèi)水溫與氣溫的關(guān)系

采用3層水溫逐時資料與大港氣象站同步逐時平均氣溫資料，利用逐步回歸分析方法，建立蝦池水溫與氣象站氣溫間關(guān)系模型，該模型可用于水溫預(yù)報。

秋季蝦池各層水溫與大港氣象站氣溫的統(tǒng)計模式如表3。

3 結(jié)論與討論

本文對大港露天海水養(yǎng)殖池塘水的溫度、溶氧、鹽度、pH值等進行觀測分析，并建立了秋季各月逐層水溫與氣溫的關(guān)系模式。

（1）8―11月，觀測池塘3層平均水溫均高于氣溫，8―9月水溫在20～28 ℃之間，適宜南美白對蝦生長，10月以后水溫逐漸下降，適宜度降低。

（2）陰天和多云天氣，出現(xiàn)下層水溫高于上層水溫的情況，形成水體亂流，應(yīng)特別防范翻塘浮頭災(zāi)害出現(xiàn)。

（3）建立池塘水溫與氣溫關(guān)系模型，預(yù)報池塘水溫，可為魚塘管理提供依據(jù)。

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篇2

【關(guān)鍵詞】浮動式；核電站；載體殼

0 概述

浮動式核電站是指將核動力裝置及發(fā)電裝置安裝在海洋浮動平臺上，可在不同海域靈活部署并提供能源供給。浮動式核電站能夠同時提供電、熱、淡水和高溫蒸汽等多種產(chǎn)品，可滿足區(qū)域供電、區(qū)域供熱、海上石油開采、化工、極地或偏遠地區(qū)、孤島等的特殊能源需要，具有靈活性強、用途廣泛的特征。

隨著海上資源開發(fā)力度的加強，海上能源需求量亦隨之逐年增加。而常規(guī)化石能源代價巨大且污染海洋環(huán)境，風(fēng)能、太陽能等新型能源受場地和應(yīng)用環(huán)境的影響較大，越來越難以滿足我國沿海油氣資源及海島開發(fā)所帶來的能源需求。因此，為了保障海上能源安全和海洋環(huán)境，我國有必要設(shè)計高效、環(huán)保、安全的海上核動力浮動平臺。

本文針對渤海油氣開發(fā)需求，對適用于渤海海域的浮動式核電站載體初步方案進行了研究。

1 浮動式核電站的適用規(guī)范及設(shè)計原則

1.1 適用規(guī)范

目前我國針對陸基核動力電廠，已經(jīng)形成了包括國家相關(guān)法律、核安全法規(guī)、核安全導(dǎo)則、國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等層次在內(nèi)的較為完善的法律法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系。但針對海上核電站載體，中國船級社（CCS）尚未出臺核動力裝置船舶或平臺的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系。

在目前科研階段，浮動式核電站可主要以《IMO核動力商船安全規(guī)范》、《國際船舶裝運密封裝置輻射性核燃料、環(huán)和強放射性廢料規(guī)則》、《CCS海上浮式裝置入級與建造規(guī)范》和《CCS海上移動平臺入級規(guī)范》等規(guī)范為設(shè)計依據(jù)，同時參考俄羅斯的核動力裝置船舶規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 設(shè)計原則

浮動式核電站載體的應(yīng)保障浮動式核電站設(shè)計、建造、服役、退役的全壽命周期下的安全性，即除了保障核反應(yīng)堆自身的固有安全外，作為核反應(yīng)堆裝置的載體，其系統(tǒng)的安全性、成熟性、適應(yīng)性對核反應(yīng)裝置的安全運行亦至關(guān)重要。

因此與核安全的相關(guān)的載體的總布置、破艙穩(wěn)性、碰撞保護、防火分隔、堆艙通風(fēng)、消防救生、與應(yīng)急備用電源等均為設(shè)計的重點。

2 載體選型分析

2.1 浮動式核電站對載體的要求

1）反應(yīng)堆裝置盡量布置于水線以下，滿足核裝置非能動安全系統(tǒng)的要求；

2）布置空間尺度的要求：即具備足夠大、封閉艙室空間，用于布置反應(yīng)堆裝置系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機設(shè)備系統(tǒng)以及常規(guī)船舶設(shè)備系統(tǒng)；

3）載體結(jié)構(gòu)的要求：即載體結(jié)構(gòu)具有足夠的強度能夠抵抗各種可能的載荷，包括碰撞、擱淺、墜物等事故載荷及極端環(huán)境載荷，且結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命與核動力裝置相匹配；

4）適用于渤海灣海域的環(huán)境條件且各種工況下平臺運動、加速度不超過核反應(yīng)裝置極限值；

5）反應(yīng)堆運行、維護、換料安全方便。

2.2 各種載體類型及其優(yōu)缺點分析

用于海洋油氣資源開發(fā)的比較成熟的海洋工程載體類型主要有：固定式平臺（導(dǎo)管架平臺、重力式平臺、順應(yīng)塔式平臺）、移動式平臺（坐底式平臺、自升式平臺）、浮式平臺（半潛式、SPAR、張力腿式、單船體型等）。

2.2.1 固定式平臺與移動式平臺

固定式平臺中重力式、順應(yīng)塔式平臺渤海灣區(qū)域應(yīng)用較少，不建議作為可選方案；導(dǎo)管架平臺在渤海灣應(yīng)用較廣泛，但受地震的影響因素較大，若需滿足核反應(yīng)堆堆芯保持在水線面以下的布置要求，將使后續(xù)整個電站運行控制更為復(fù)雜。

自升式移動平臺和坐底式移動平臺，同樣受地震的影響因素大且在渤海灣沒有應(yīng)用工程案例，不建議作為可選方案。

2.2.2 浮式平臺（半潛式、SPAR、張力腿式）

半潛式、Spar、張力腿式這三種浮式平臺一般適用于中深水海域，對于渤海灣僅有30米水深的海域，不具備可行性。

2.2.3 浮式平臺（單船體型）

單船體型浮式平臺無論考慮應(yīng)用安全、功能實現(xiàn)，還是考慮海域適應(yīng)性，都具備較強的可行性，作為可選方案。

采用單船體型船型方案作為核反應(yīng)裝置的浮動平臺，具有以下明顯優(yōu)勢：

1）能夠滿足非能動安全系統(tǒng)要求，避免了地震載荷影響，從本質(zhì)上提高了核電裝置的安全性，雙層殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計可以抵御事故載荷，保障了核反應(yīng)裝置的安全；

2）單船體型兼顧艙室空間大、完整、連續(xù)，便于浮動式核電站的艙室布置；

3）借鑒FPSO設(shè)計理念，設(shè)計建造技術(shù)成熟且有較高的經(jīng)濟性；

4）適用《核商船安全規(guī)范》；

5）適應(yīng)海域廣，可適用于淺水的渤海灣、也可適用于深水的南海海域；可以抵御二百年一遇的極端海洋環(huán)境；浮式、可移動的單船體方案使得核燃料換料、海上設(shè)備安裝維護、報廢退役等更加方便且安全可控。

2.3 小結(jié)

根據(jù)上述載體型式分析結(jié)果，選取單船體型浮動平臺作為浮動式核電站的載體型式，安全性好且技術(shù)成熟，能滿足浮動式核電站的各項技術(shù)要求。

3 載體初步技術(shù)方案研究

3.1 設(shè)計基礎(chǔ)、設(shè)計工況

針對目標(biāo)海域-渤海灣，調(diào)研分析渤海海域風(fēng)、浪、流、冰等海洋環(huán)境條件，確定該船的設(shè)計基礎(chǔ)；分析核電船在全壽命周期內(nèi)拖航、正常運營、極限、事故等工況，參考規(guī)范研究確定各工況下設(shè)計環(huán)境條件，確定設(shè)計工況參數(shù)，為后續(xù)分析提供基礎(chǔ)。計算工況如下：

1）拖航工況：1年一遇環(huán)境載荷，主要考慮風(fēng)浪及其誘導(dǎo)載荷，強度評估；

2）正常營運工況：100年一遇環(huán)境載荷，主要考慮風(fēng)浪及其誘導(dǎo)載荷；系泊強度、強度評估、使用極限狀態(tài)評估；

3）極限工況：200年一遇環(huán)境載荷，主要考慮風(fēng)浪及其誘導(dǎo)載荷；承載力極限強度評估；

4）碰撞事故工況：10年一遇環(huán)境載荷，碰撞載荷，事故局部損傷強度、剩余極限強度評估。

3.2 主尺度

3.2.1 船長

浮動式核電站載體主要布置于渤海灣海域且無動力長期系泊，無需考慮航道港口的限制和快速性的要求，在滿足浮力、抗沉性的前提下主要考慮縱向各艙室的布置要求。

3.2.2 船寬

船寬無航道港口的限制，在滿足浮力、穩(wěn)性的前提下主要考慮橫向艙室的布置、舷側(cè)破損范圍及破艙穩(wěn)性的要求。

3.2.3 吃水與型深

在考慮浮力、耐波性的前提下，主要滿足核裝置非能動安全系統(tǒng)對吃水的要求。通過計算，空船重量下吃水不能滿足非能動安全系統(tǒng)對吃水的要求，仍需加載一定數(shù)量的壓載水。

在滿足相應(yīng)規(guī)范公約要求的最小干舷的前提下，型深的選取需考慮穩(wěn)性、抗沉性及強度的要求。

3.3 總布置

3.3.1 浮態(tài)、穩(wěn)性的考慮

反應(yīng)堆艙和汽輪發(fā)電機艙為重量最重的兩個艙室布置于船舯部有利于空船與滿載工況下縱向浮態(tài)調(diào)整。

考慮水密分艙及破艙穩(wěn)性的要求，反應(yīng)堆艙和汽輪發(fā)電機艙等主要艙段均為雙底雙舷結(jié)構(gòu)，且該區(qū)域內(nèi)縱橫水密艙壁、雙層底的設(shè)置均應(yīng)滿足規(guī)范對破損假定范圍的最低要求。

優(yōu)化液艙布置，限制液艙液面面積，減少不對稱浸水和自由液面對完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性的影響。

3.3.2 安全的考慮

1）人員安全及輻射分區(qū)的考慮

反應(yīng)堆艙與人員生活區(qū)盡量遠離，即生活樓布置于船艏，反應(yīng)堆艙布置于舯后部。

輻射分區(qū)布置由控制區(qū)、監(jiān)督區(qū)向非限制區(qū)過渡；反應(yīng)堆艙作為放射性水平最高的控制區(qū)布置于船中部區(qū)域，前后部隔離艙、左右舷側(cè)空艙、頂部空艙將其與其它區(qū)域隔離。

2）反應(yīng)堆裝置的安全

反應(yīng)堆艙布置于縱向舯后部，橫向中部，能最大程度的減少由其它船舶、飛機等碰撞帶來的影響。反應(yīng)堆艙在雙底雙舷、多層甲板的保護下能滿足碰撞保護的要求。

3）反應(yīng)堆控制系統(tǒng)及應(yīng)急電力系統(tǒng)的安全

反應(yīng)堆主控室、應(yīng)急控制室及應(yīng)急電力系統(tǒng)均布置于破損范圍外且頂部防直升機墜落，且遠離其它易燃易爆的危險區(qū)域。

3.3.3 防火分隔的考慮

反應(yīng)堆艙作為最重要的獨立防火區(qū)域布置于船舯后部，前后隔離艙、左右舷側(cè)空艙、頂部空艙將其與其它危險區(qū)域隔離，且其與油艙等易燃易爆艙室遠離。

通過走廊或空艙將反應(yīng)堆控制室與其它危險區(qū)域隔離。

3.3.4 其它

總布置還需考慮系統(tǒng)功能優(yōu)化、結(jié)構(gòu)強度、通道出入口以及脫險撤離等因素帶來的影響。

3.4 結(jié)構(gòu)型式及結(jié)構(gòu)強度

3.4.1 結(jié)構(gòu)型式

出于核安全、碰撞保護及破艙穩(wěn)性的考慮，除艏艉局部區(qū)域單底單殼外，主船體其它部分均設(shè)置雙層底、雙層殼；反應(yīng)堆艙及其控制室局部區(qū)域采用雙層甲板結(jié)構(gòu)。

除艏艉部分采用橫骨架式外，主船體結(jié)構(gòu)（包括核輔助艙、反應(yīng)堆艙、電氣艙、汽輪機艙和備用發(fā)電機艙）均采用縱骨架式結(jié)構(gòu)。以上縱向結(jié)構(gòu)應(yīng)沿船長度方向盡可能連續(xù)至首尾。

結(jié)構(gòu)的設(shè)置選取需滿足總縱強度、橫向強度外，還需滿足局部強度的要求。

局部加強主要區(qū)域為外板抗冰加強、甲板系泊起重設(shè)備結(jié)構(gòu)加強、艏艉部結(jié)構(gòu)舷側(cè)外板結(jié)構(gòu)波浪抨擊加強、反應(yīng)堆艙雙頂甲板防直升機墜毀加強以及堆艙舷側(cè)防撞加強。

3.4.2 結(jié)構(gòu)強度

1）各工況下的設(shè)計載荷計算

在水動力性能分析的基礎(chǔ)上，分析確定各工況下應(yīng)考慮的載荷類型，并通過分析或計算，確定設(shè)計載荷大小。

2）各工況下總縱強度評估

利用軟件對船體各關(guān)鍵剖面建立模型，根據(jù)各工況下重量裝載的分布確定最大靜水彎矩，同時依據(jù)結(jié)構(gòu)型式及布置特性、環(huán)境風(fēng)浪載荷等確定波浪彎矩分布。

綜合靜水彎矩與波浪彎矩的影響，通過計算評估船體梁的總縱強度。

3）局部強度評估

全船結(jié)構(gòu)有限元建模，并加載相應(yīng)的外部負荷，通過軟件計算得出全船結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。并由此分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)的局部強度。

4）碰撞事故狀態(tài)下結(jié)構(gòu)極限強度研究

分析規(guī)范對碰撞事故工況的規(guī)定，選取碰撞載荷計算工況：撞擊船5000噸，首部正撞，速度2m/s，撞擊能量11MJ。

針對關(guān)鍵防護區(qū)域即反應(yīng)堆艙區(qū)域舷側(cè)結(jié)構(gòu)，建立局部艙段有限元模型；碰撞船舶采用剛性模擬；利用結(jié)構(gòu)非線性瞬態(tài)仿真軟件對不同撞擊位置進行仿真分析，研究各種碰撞位置下結(jié)構(gòu)的損傷特性。分析設(shè)計衡準(zhǔn)對局部碰撞損傷強度進行評估。

分析規(guī)范、法規(guī)對碰撞損傷區(qū)域定義，并結(jié)合碰撞損傷分析結(jié)果，確定碰撞事故工況下的結(jié)構(gòu)損傷范圍、位置等信息；選取損傷區(qū)域內(nèi)剖面，利用軟件進行極限彎矩計算，對其剩余極限強度進行評估。

根據(jù)碰撞損傷特性分析計算結(jié)果，結(jié)合結(jié)構(gòu)碰撞損傷機理、舷側(cè)結(jié)構(gòu)型式特定，對反應(yīng)堆艙舷側(cè)結(jié)構(gòu)進行耐撞優(yōu)化設(shè)計。

3.5 主要性能

3.5.1 水動力性能分析

采用三維水動力性能分析軟件建立濕表面模型、質(zhì)量模型，針對各工況下的海洋環(huán)境設(shè)計條件，開展水動力性能仿真分析；計算得到船體的運動響應(yīng)（包括：速度、加速度）。

3.5.2 穩(wěn)性抗沉性校核

由于船寬較寬，重心低且實際干舷留有較大余量，根據(jù)《CCS海上移動平臺入級規(guī)范》的完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)初步校核本船各工況下的完整穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。

本船采用雙底雙舷結(jié)構(gòu)型式，雙舷雙底均滿足《核動力商船安全規(guī)范》中破損范圍的要求且留有較大的儲備浮力，根據(jù)規(guī)范要求的破損范圍及破損穩(wěn)性衡準(zhǔn)初步計算本船的破損穩(wěn)性滿足規(guī)范要求。

3.6 載體初步方案

根據(jù)上述設(shè)計步驟，本文以中國核工業(yè)集團公司正在開發(fā)的ACP100S模塊式小型堆為例，浮動式核電站采用單船體浮動平臺作為載體，可適應(yīng)渤海灣海域的極端海洋環(huán)境條件，其主尺度、總布置、主要性能、結(jié)構(gòu)均能滿足設(shè)計使用要求。

經(jīng)過不斷的優(yōu)化論證，初步技術(shù)方案如下：

總長150.0米，型寬34米，工作吃水11.0米，排水量約為52500噸。浮動式核電站從艉至艏依次布置艉壓載艙、空調(diào)機艙、核輔艙、后隔離艙、反應(yīng)堆艙、前隔離艙、核電氣艙、汽輪發(fā)電機艙、備用發(fā)電機艙、泵艙及艏壓載艙。

總布置圖如圖1所示。

篇3

關(guān)鍵詞：潮間帶;潮間帶生態(tài)系統(tǒng);灘涂養(yǎng)殖;渤海灣;生態(tài)浮島

中圖分類號：P901 文獻標(biāo)識碼：A

在地球表面，海洋的覆蓋面積達到了70.8％。海洋是生命的搖籃，它為生命的誕生進化與繁衍提供了條件；海洋是風(fēng)雨的故鄉(xiāng)，它在控制和調(diào)節(jié)全球氣候方面發(fā)揮有重要的作用。海洋是眾多生命體共同的家園，這些生命體構(gòu)共同構(gòu)成了穩(wěn)定的海洋生態(tài)系統(tǒng)。但隨著人類科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類對各種資源和空間的占有達到了空前的地步，對海洋的破壞與日俱增。因此，更好的保護海洋環(huán)境是人類共同的使命。

一、海陸邊緣環(huán)境

（一）從傳統(tǒng)的灘涂到潮間帶

灘涂自古便是人類向海洋索取的重要媒介，它是把海洋與人類緊密連接的紐帶，同時也是整個海洋生態(tài)系統(tǒng)中最為敏感和脆弱的部分。灘涂在地貌學(xué)上被稱為潮間帶，潮間帶即是指大潮期的最位和大潮期的最低潮位間的海岸，也就是海水漲至最高時所淹沒的地方開始至潮水退到最低時露出水面的范圍。潮間帶以上，海浪的水滴可以達到的海岸，稱為潮上帶。潮間帶以下，向海延伸至約三十公尺深的地帶，稱其為亞潮帶。

（二） 潮間帶生態(tài)系統(tǒng)

潮間帶生態(tài)系統(tǒng)，即最低潮線與最大線間的海陸交互地帶與其間生存的生物組成的生態(tài)系統(tǒng)。潮間帶時而被水淹沒，時而又暴露出地表，環(huán)境變化大，水動力強。受這種特殊環(huán)境條件的影響，潮間帶生物稀少。潮間帶生態(tài)系統(tǒng)有著其敏感和脆弱的特點。

2.渤海灣海洋環(huán)境破壞的影響

（1） 渤海灣自然環(huán)境

渤海灣是中國三大海灣之一，位于渤海西部。北起河北省樂亭縣大清河口，南到山東省黃河口，有薊運河、海河等河流注入。海底地形大致自南向北，自岸向海傾斜，沉積物主要為細顆粒的粉砂與淤泥。渤海灣中有豐富的石油儲藏。其北部是著名的旅游和度假區(qū)，西部塘沽是重要港口。渤海灣灘涂廣闊，潮間帶寬達3～7.3公里，淤泥灘蓄水條件好，利于鹽業(yè)開發(fā)。長蘆鹽區(qū)是中國最大鹽場，鹽產(chǎn)量占全國的1/3弱。另外，渤海灣，尤其在河口附近，浮游生物和底棲生物多，為魚蝦洄游、索餌、產(chǎn)卵的良好場所，出產(chǎn)多種魚、蝦、蟹、貝。

（2）渤海灣突出環(huán)境問題

當(dāng)下渤海灣潮間帶主要存在以下幾個問題：第一，灘涂養(yǎng)殖盛行，大面積的密集養(yǎng)殖對海洋生態(tài)系統(tǒng)造成了破壞；第二，密集的灘涂養(yǎng)殖在用地上與傳統(tǒng)的曬鹽行業(yè)形成了沖用地突，大量依賴灘涂生存的水鳥沒有棲息空間；第三，大量的海產(chǎn)垃圾（以牡蠣殼和各種貝殼為主）對海岸環(huán)境和居民生活造成影響；第四，嚴重的石油泄漏對渤海灣造成嚴重的污染，經(jīng)大量漁民證實，油污擴散范圍到達灘涂。

其次，灘涂養(yǎng)殖指利用潮間帶和低潮線以內(nèi)的水域，直接或經(jīng)整治、改造后從事海水養(yǎng)殖、增殖和護養(yǎng)、管養(yǎng)、栽培。近幾年來，隨著沿海灘涂圈海圍池養(yǎng)殖增多，灘涂圈養(yǎng)池是一種常見的養(yǎng)殖方法。圈養(yǎng)池一般為矩形混凝土結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部用鏟車鏟除池底淤泥，以便在退潮后能保證池內(nèi)有足夠的水深。這種圍堰建設(shè)會極大的改變原來的環(huán)境，可能對沿岸潮間帶生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成巨大的壓力。對當(dāng)?shù)卦械纳锶郝浜蜕鷳B(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成極大的威脅。

另外， 石油泄漏對海洋生態(tài)環(huán)境的危害較大。2011年中海油渤海灣漏油事件的發(fā)生震驚全國。渤海灣是中海油的主產(chǎn)區(qū)，漏油事件發(fā)生在蓬萊19－3油田，漏油致840平方公里海域水質(zhì)污染，對周邊海域造成了嚴重污染，對海洋生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重的污染和破壞。

潮間帶景觀規(guī)劃設(shè)計改善海洋環(huán)境

（1）海上漁村緩解灘涂用地沖突

在中國南方的某些沿海海灣，分布著一些在近海上漂浮的漁村，被稱為海上漁村。海上漁村是由許多漂浮的房屋和構(gòu)架連接在一起構(gòu)成的，這樣的漁村上面可供漁民日常生活習(xí)作，水下部分則可以建立立體的多層次的水產(chǎn)養(yǎng)殖。這樣的養(yǎng)殖方式解放了灘涂用地限制，不會對灘涂造成破壞，還可以充分利用縱向的海洋空間。

（2） 生態(tài)浮島對于改善海洋環(huán)境的原理和效果

人工浮島是人工島的一種，可以漂浮于水面或者海洋表面，提供拓展空間。生態(tài)浮島是專門為改善生態(tài)環(huán)境設(shè)計的。浮島植物不僅營造了水面的景觀，而且在進行光合作用的同時，吸收二氧化碳并釋放氧氣，同時可以凈化空氣；植物在生的長過程中有蒸騰作用，蒸騰作用通過植物的氣孔蒸發(fā)水分，調(diào)節(jié)環(huán)境溫度。因此，生態(tài)浮島植物的光合作用與蒸騰作用能夠調(diào)節(jié)水面的微氣候，這種良好的微氣候非常適宜于鳥類等的棲息。生態(tài)浮島將高等水生植物栽植到富營養(yǎng)化水域中，并通過植物的根的系吸收或吸附作用，削減水體中的氮、磷及有機污染物質(zhì)等，從而凈化水質(zhì)。同時，通過收獲植物的方法，將水體中的富營養(yǎng)物質(zhì)搬離水體，改善水質(zhì)，創(chuàng)造良好的水環(huán)境。利用生態(tài)浮島的這種特性，可以緩解密集灘涂養(yǎng)殖帶來的赤潮問題。

（3） 牡蠣對改善海洋環(huán)境的作用

牡蠣在水體食物鏈中，既是鳳尾魚、刀魚等經(jīng)濟魚類的天然餌料，又是藻類等浮游生物的捕食者，將它們置身于富營養(yǎng)化的海水中，凈化水質(zhì)、防止赤潮，一舉兩得。澳洲科學(xué)家最新的研究成果表明，牡蠣的外殼能夠為牡蠣幼體的生長提供了理想環(huán)境，也是藻類與浮游生物生長繁衍理想的港灣。對于牡蠣的繁衍而言，牡蠣的外殼是最理想的載體。這樣就可以將難以處理的貝殼垃圾變廢為寶，把牡蠣殼回收利用，制作成天然的牡蠣礁。牡蠣礁沉入海底后，隨著牡蠣的繁衍生長，牡蠣礁不斷被加固，擴充，逐漸形成海底森林，改善、恢復(fù)海洋生態(tài)環(huán)境。

（4）潮間帶景觀設(shè)想

受到海上漁村和生態(tài)浮島形式的啟發(fā)，對潮間帶的景觀規(guī)劃提出了設(shè)想?？梢栽诔遍g帶亞潮帶按科學(xué)的海產(chǎn)養(yǎng)殖分布范圍，設(shè)置一些生態(tài)浮島。這些生態(tài)浮島一來有效地改善海水富營養(yǎng)問題，再者為水鳥提供棲息場所。由于潮間帶的風(fēng)速較大，初步估算海面風(fēng)俗可達到6－7米／秒，這樣就對生態(tài)浮島的固定提出了要求。利用高密度輕量化的材質(zhì)隨即設(shè)計成不規(guī)則的模塊，這種模塊質(zhì)量輕，漂浮力強，在強力作用下不會對人體造成嚴重傷害。把這些模塊編組并連接起來，分布在生態(tài)浮島的周圍，對生態(tài)浮島間起連接的作用。效仿海上漁村的做法，浮島連成片，來抵御風(fēng)浪。

將加工好的牡蠣礁沉到海底，由牡蠣的繁衍生長不斷被加固，被擴大，發(fā)揮改善海洋環(huán)境的功效。渤海灣洋流特征是表層水向內(nèi)流動，底層水向外流動。這樣底層洋流就帶著魚類需要的浮游生物和牡蠣幼體涌向海灣外，從而吸引魚類游向海灣。同時，大量的藻類與浮游生物也為人工漁業(yè)提供了天然養(yǎng)分。海底、海面的景觀效果同樣重要。在這些浮島水下部分，可進行立體化多層次水產(chǎn)養(yǎng)殖。

潮間帶景觀設(shè)計在當(dāng)前人類社會大發(fā)展下，更好的銜接海洋和陸地，目的是想改善并逐步恢復(fù)海洋生態(tài)系統(tǒng)。這樣的設(shè)計對于突發(fā)的自然災(zāi)害也有抵御救援的作用，當(dāng)災(zāi)害（臺風(fēng)，海嘯）來襲時，在強大的外力作用下，群組被打碎為一個個的各具功能性的單體。這些連接固定生態(tài)浮島的輕量化模塊漂浮力強，彈性韌性好，在強大外力作用下不會造成大的沖擊傷害。在強大的自然力作用下，災(zāi)害洋流方向是有海洋向陸地流動的，海水會載著這些模塊沖向陸地，充當(dāng)究生平臺。受災(zāi)的居民可以抓住模塊，等待救援。

參考文獻：

郭忠玲，趙秀海．保護生物學(xué)概論［M］．北京：中國林業(yè)出版社，2003．

《中國海岸帶生物》編寫組．中國海岸帶生物［M］．北京：海洋出版社，1996．

篇4

渤海上承海河、黃河、遼河三大流域，下接黃海、東海海域，是一個半封閉的內(nèi)海，也一直是環(huán)境質(zhì)量最惡劣的海區(qū)。由于環(huán)渤海區(qū)域的環(huán)境保護和生態(tài)改善關(guān)乎人民的生存空間和發(fā)展基礎(chǔ)，再難也要“治渤”，這是一個不爭的共識。

與此同時，渤海溢油、海冰、赤潮、水母等海洋環(huán)境災(zāi)害與突發(fā)事件頻發(fā)，不斷威脅著渤海海域生態(tài)安全和公眾用海需求。頻繁發(fā)生的重大環(huán)境災(zāi)害已成為社會各界關(guān)注的焦點，尤其是溢油災(zāi)害，近年來發(fā)生的規(guī)模和趨勢都呈上升狀態(tài)。

溢油風(fēng)險猛于虎

蓬萊19--3油田溢油事故發(fā)生之后，周邊海域的居民特別是養(yǎng)殖戶―直膽戰(zhàn)心驚。

“渤海油污染事故時有發(fā)生，溢油風(fēng)險正在加大。”國家海洋局海洋環(huán)境保護司副司長王斌表示。

海洋石油勘探開發(fā)溢油數(shù)量不多，但一次蓬萊19--3油田溢油，其規(guī)模和危害已超出人們的想象。

專家認為，根據(jù)近年我國近岸海域發(fā)生的溢油污染事件統(tǒng)計資料，船舶泄漏和海洋石油勘探開發(fā)活動是造成海上溢油污染的兩大主要因素。隨著環(huán)渤海地區(qū)社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，入海船舶數(shù)量迅猛增加，渤海已成為我國沿海船舶溢油污染事故的高風(fēng)險水域，特別是重特大船舶溢油污染的風(fēng)險增大。

同時，渤海目前已投產(chǎn)海洋油氣田24個，海上油氣生產(chǎn)平臺209個，海底輸油管道1000余公里，海上石油勘探開發(fā)設(shè)施逐年增多，部分設(shè)備老化，溢油事故發(fā)生概率也有所提高。

環(huán)境保護部的專家指出，實際上，正是近年來煉油、石化等產(chǎn)業(yè)在渤海海岸帶高度聚集，船舶數(shù)量和原油運輸量迅猛增加，海洋油氣開發(fā)規(guī)模持續(xù)擴大，才導(dǎo)致海上溢油事故頻發(fā)，連年出現(xiàn)重大溢油事故?！斑@些化工，煉油廠，一個個都像定時炸彈?！?/p>

污染物增加

從最新的數(shù)據(jù)看，渤海的環(huán)境確實正從積重難返的泥淖中走出來，但走得小心翼翼，有時環(huán)境質(zhì)量仍出現(xiàn)波動。

據(jù)參加此次省部際聯(lián)席會議的專家介紹，目前渤海中部海域始終保持良好的水質(zhì)，海洋功能區(qū)基本滿足要求。主要水污染物排放得到有效控制。

專家也指出，渤海環(huán)境形勢仍不容樂觀。目前，渤海近岸海域水質(zhì)尚未穩(wěn)定改善，2010年I類和Ⅱ類海水僅占55.1％，比2009年下降16.3令百分點。

國家海洋局在全面監(jiān)測的基礎(chǔ)上評估了各類污染物入海量，結(jié)果表明：渤海陸源入海污染物總量有可能被低估，各類污染源的化學(xué)需氧量入?？偭靠赡苓_300萬噸以上。雖然化學(xué)需氧量和氨氮的排放量比2005年明顯減少，但陸源污染物入海量總體呈波動變化。

王斌說，近年來渤海環(huán)境污染呈現(xiàn)新的特點，即環(huán)境質(zhì)量狀況總體趨穩(wěn)，但局部海域重污染、復(fù)合污染形勢嚴峻。

近年來，渤海沿岸河流入海徑流量總體減少，成為導(dǎo)致渤海鹽度升高、河口生態(tài)環(huán)境改變、海洋生物產(chǎn)卵場退化的重要原因之一。渤海在2008年8月的低鹽區(qū)面積比2004年同期減少了70％。低鹽區(qū)面積減小將影響海洋生物種群的補充能力，對水交換能力弱的半封閉渤海生態(tài)系統(tǒng)形成危害。

灘涂濕地被吞噬

渤海―直是我國赤潮災(zāi)害高發(fā)區(qū)，近年來又出現(xiàn)新型海洋環(huán)境災(zāi)害――水母暴發(fā)，這些都昭示著渤海海區(qū)嚴重的生態(tài)環(huán)境問題。

導(dǎo)致渤海生態(tài)環(huán)境退化、環(huán)境事件多發(fā)的主要原因，除陸源排污以外，當(dāng)屬海岸帶超負荷開發(fā)和圍填海。與水環(huán)境對渤海生態(tài)的傷害相比，圍填海更快、更直接也更徹底地讓自然岸線和灘涂濕地大量喪失。近年來，渤海海域圍填海面積不斷增加，濱海濕地面積銳減，近岸海域生態(tài)破壞嚴重。

’

由于圍海造地、環(huán)海公路建設(shè)、鹽田和養(yǎng)殖池塘修建等開發(fā)活動，渤海大量濱海濕地永久喪失其自然功能，或者成為生物群落較為單一、生態(tài)功能較為低下的人工濕地，濕地生態(tài)功能、社會效益得不到正常發(fā)揮。渤海近岸污染加劇，漁業(yè)資源減少和生物多樣性喪失等問題，均與濕地面積萎縮存在一定聯(lián)系。

從大背景看，環(huán)渤海區(qū)域海洋開發(fā)規(guī)模加大，經(jīng)濟發(fā)展與海洋生態(tài)環(huán)境保護的矛盾將日益凸顯。目前相繼有天津濱海新區(qū)、河北曹妃甸循環(huán)經(jīng)濟示范區(qū)、滄州渤海新區(qū)、遼寧沿海經(jīng)濟帶、山東藍色半島經(jīng)濟區(qū)等區(qū)域開發(fā)正在大規(guī)模推進，向海要地欲望十分強烈。資料顯示，渤海近期規(guī)劃填海面積在500平方公里以上，規(guī)劃岸線約占總岸線長度的2／3。大規(guī)模的區(qū)域開發(fā)，將給渤海海域環(huán)境帶來巨大壓力。

“多龍鬧?！备娼K結(jié)

此次的省部際聯(lián)席會議上，國家發(fā)展改革_委總結(jié)出了三條渤海環(huán)境轉(zhuǎn)穩(wěn)的經(jīng)驗，可大致概括為：明確分工，落實責(zé)任；加強協(xié)調(diào)，省部聯(lián)動；海陸統(tǒng)籌，綜合管理。

在《渤海環(huán)境保護總體規(guī)劃》出臺前，渤海治污被稱為“多龍鬧?！?，各部委、流域上下游省市都根據(jù)各自職能各行其是，導(dǎo)致渤海治污空喊多年而未見成效。這一規(guī)劃出臺后，除召開省部際聯(lián)席會議，從2009年到2011年，環(huán)境保護部、國家發(fā)展改革委和國家海洋局等9部門開展海洋環(huán)保聯(lián)合執(zhí)法檢查，促進了地方聯(lián)合執(zhí)法，取得較好成效。

海洋環(huán)境保護專家指出，越是在海洋開發(fā)熱度高漲時，越要堅決防止人為割裂陸海間資源稟賦、環(huán)境條件和功能定位的內(nèi)在聯(lián)系，避免不計代價片面開發(fā)海洋的行為。要積極推動海洋產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)綠色發(fā)展，首先要守住環(huán)保門檻，嚴格環(huán)境準(zhǔn)入制度。比如實施主要污染物排?？偭靠刂浦贫龋瑖栏駡?zhí)行圍填海計劃，開展規(guī)劃環(huán)評，對不符合國家產(chǎn)業(yè)政策或海洋環(huán)境保護準(zhǔn)入條件的海洋工程項目一律不批。

篇5

關(guān)鍵詞：海洋環(huán)境污染海洋災(zāi)害

海洋工程與海洋環(huán)境相互作用隨著沿海經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，近海海域遭到越來越嚴重的污染，使海域環(huán)境質(zhì)量明顯下降，生態(tài)環(huán)境日趨惡化，并對生物資源和人體健康產(chǎn)生有害影響。近海水域的污染已成為世界各國，特別是象我國這樣具有相當(dāng)長的海岸線和眾多海灣的國家所共同關(guān)心的環(huán)境問題。海洋經(jīng)濟的發(fā)展還面臨嚴酷的海洋自然環(huán)境，海洋災(zāi)害直接影響著海洋經(jīng)濟的發(fā)展規(guī)模、速度和效益，精確預(yù)報海洋災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展和應(yīng)該采取何種防災(zāi)、抗災(zāi)和減災(zāi)工程措施，也成為嚴重關(guān)注的環(huán)境問題。為了開發(fā)海洋中的空間、礦產(chǎn)、漁業(yè)、能源等物質(zhì)資源，需要在海上進行各類工程建設(shè)，在目前科技日益發(fā)展的情況下，工程建設(shè)的規(guī)模日益巨大，這些大規(guī)模的工程建設(shè)和海洋環(huán)境之間的相互作用也將是開發(fā)海洋中的一個應(yīng)引起特別關(guān)注的重要問題。為了適應(yīng)我國海洋經(jīng)濟的快速發(fā)展，海洋環(huán)境的日益惡化，海洋災(zāi)害的頻發(fā)和海洋工程向大型化發(fā)展，近海石油氣田的開發(fā)，以及海岸帶開發(fā)過程中的后效問題的研究需要，針對我國重大海洋環(huán)境與保護問題開展研究是十分必要和迫切的。

在這方面，重點需要開展的研究課題大體上有三類。第一類課題是海洋環(huán)境特征對各類污染物作用的機理和規(guī)律研究，第二類課題是海洋工程設(shè)施防災(zāi)、抗災(zāi)和減災(zāi)研究，第三類課題是海洋工程及海洋環(huán)境工程與海洋環(huán)境的相互作用吸防治措施與對策。

一、海洋環(huán)境特征

對各類污染物的作用機理和規(guī)律研究以海洋流體動力對各類污染物遷移、擴散、轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究為基礎(chǔ)，考慮各種自然環(huán)境因素（浪、流、風(fēng)、光、溫度、濕度）、物理因素（擴散、揮發(fā)、沉降、吸附、釋放）、化學(xué)因素、生物因素的作用，揭示污染物在海洋復(fù)雜條件下的運動及演變規(guī)律，并建立海洋水質(zhì)預(yù)測預(yù)報模型。此外，近年來，在我國沿海海域，赤潮頻發(fā)嚴重。因此，除了加強赤潮的監(jiān)測和預(yù)報外，也應(yīng)加強在建立赤潮生長機理和發(fā)展規(guī)律方面的研究工作。

此項研究應(yīng)通過現(xiàn)場觀測、物理模型實驗和數(shù)學(xué)模擬研究相結(jié)合的方法來進行。由于現(xiàn)場觀測工作耗資巨大，且受到許多客觀條件的限制，所獲得的數(shù)據(jù)往往有許多綜合因素的共同作用，很難將其中的單因素影響分離出來，因此，往往只能用它來作為對某一水質(zhì)預(yù)測預(yù)報模型進行檢驗其可行性和精度的一個實例。

用數(shù)學(xué)模擬方法來建立海洋水質(zhì)預(yù)測預(yù)報模型是一個較為有效的方法。目前，在這方面國內(nèi)外已有不少水質(zhì)預(yù)測預(yù)報模型，這些水質(zhì)預(yù)測預(yù)報模型大體上都基于以下幾方面的模型：水流數(shù)學(xué)模型；波浪數(shù)學(xué)模型；液流相互作用模型；近海海域污染物遷移轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型。

在水流數(shù)學(xué)模型研究方面，對于較大范圍的海域，通常可采用深度平均的潮流教學(xué)模型，對于紊動影響不顯著的海域，可不考慮湍流影響，而對于湍流效應(yīng)顯著的區(qū)域，如排污口近區(qū)，則應(yīng)考慮湍流效應(yīng)。此外，采用坐標(biāo)變換，可建立一種能夠考慮復(fù)雜地形和套流效應(yīng)的三維潮流數(shù)學(xué)模型，這樣才能夠較好地重現(xiàn)實際海域的三維潮流特征。在較小范圍的水域，水流數(shù)學(xué)模型可以以N－S方程和通用的k－（湍流模型為基礎(chǔ)，針對水溫和鹽度分層流的流動特性，考慮浮力對紊動的影響，建立用于模擬同時存在溫度和鹽度梯度這一類密度分層流的k－（單流體數(shù)學(xué)模型。也可以基于多流體模型的基本概念，分別對兩相本身的湍流輸運規(guī)律以及相間相互作用規(guī)律進行模擬，建立兩相湍浮力分層流的雙流體數(shù)學(xué)模型。

在波浪數(shù)學(xué)模型研究方面，可應(yīng)用BI—CGSTAB法求解由橢圓型緩坡方程離散得到的代數(shù)方程組，以提高求解效率。從水波發(fā)展方程出發(fā)，可導(dǎo)出一種用于大區(qū)域波浪變形問題的數(shù)學(xué)模型。通過引入弱非線性波色散關(guān)系，可使雙曲型緩坡方程能夠有效地考慮波浪的非線性效應(yīng)。對高階Boussinesq方程的進一步研究，可使方程的色激性從入水到深水都達到很高精度，并提高方程的非線性精度，可以更精確的計算較深水域波浪的非線性特征。

針對帶自由表面的波浪場問題，通過把能有效模擬自由面形態(tài)的N—S方程和波能平衡方程的結(jié)合，可導(dǎo)出一個能考慮破波能量損失的拋物型緩坡療程，用這個方程可模擬規(guī)則波和不規(guī)則波破碎引起的波高變化。建立沿岸流數(shù)學(xué)模型，可模擬海岸上波高變化和破碎波波高、波浪增減水和沿岸流。

在波流相互作用模型的研究方面，對于弱流情形，可采用一種考慮流影響的修正的合流緩坡模型；對于強流情形，可采用在Botssinesq方程中考慮流影響的模型?？梢詫⑤椛鋺?yīng)力的計算公式與拋物型緩坡方程中的待求變量聯(lián)系起來，建立一種輻射應(yīng)力計算的新方法，用該方法可對較大區(qū)域均勻斜坡地形上的波浪輻射應(yīng)力進行數(shù)值模擬。

在近海海域污染物遷移轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型研究方面，基于N一S方程所建立的深度平均的二維應(yīng)力一通量代數(shù)全場模型，可對非對稱潮流作用下的側(cè)向岸邊排放問題過分數(shù)值模擬。以研究近海海域污染物遷移轉(zhuǎn)化的三維預(yù)報系統(tǒng)作為目標(biāo)，在分析近海環(huán)境中各種物理、化學(xué)和生物現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，針對近海海域水污染的特點，從三維湍流模型出發(fā)，在動量方程中引入表面風(fēng)應(yīng)力、底部切應(yīng)力以及柯氏力的作用；在輸運方程中引入反映物理、化學(xué)、生物等作用的源、匯項，可建立一個統(tǒng)一考慮物理、化學(xué)和生物等過程綜合作用的近海海域污染物遷移轉(zhuǎn)化的三維預(yù)報模型，它可為環(huán)境評價、水質(zhì)規(guī)劃、污染控制以及水域排污工程設(shè)計等提供重要的科學(xué)依據(jù)；同時對確定水域環(huán)境容量，從而制定水域環(huán)境保護策略，也具有十分重要的理論價值和應(yīng)用前景。

應(yīng)該指出，在海洋水質(zhì)預(yù)測預(yù)報模型研究方面，數(shù)學(xué)模擬無疑是一種十分有效的手段，但不論是何種數(shù)學(xué)模型，其模型中所需的必要參數(shù)和邊界條件的處理是研究水質(zhì)模型的技術(shù)關(guān)鍵，直接影響到水質(zhì)模型的科學(xué)性和預(yù)測能力。而這些必要的數(shù)據(jù)是無法從數(shù)學(xué)模型本身來取得的，有些可以通過現(xiàn)場觀測來得到，但其中一些最基本的卷數(shù)是要通過基本機理的研究才能得到，在這方面物理模型實驗研究將是一個有效的手段。

能模擬海洋動力因素的先進實驗設(shè)備，現(xiàn)代化的量測儀器和測試系統(tǒng)是開展物理模型實驗研究的必備條件。進一步完善PIV和LIF的濃度場、速度場同步測量系統(tǒng)，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結(jié)構(gòu)，獲得流場中水質(zhì)點速度的空間分布和時間過程；并同步獲得波浪及波流相互作用下濃度場的空間及時間變化過程，可用以分析定量污染物團在波浪及波流相互作用下擴散的基本特征和擴散系數(shù)。

二、海洋災(zāi)害的精確預(yù)報及海洋工程設(shè)施防災(zāi)、抗災(zāi)和減災(zāi)的研究海洋災(zāi)害主要包括風(fēng)暴潮、海浪、海冰、海嘯、赤潮及海岸侵蝕等。

90年代以來，我國海洋災(zāi)害所造成的損失每年達上百億元人民幣，是世界上海洋災(zāi)害最嚴重的國家之一。海洋工程結(jié)構(gòu)的投資費用很高，一旦發(fā)生破壞，將會造成重大的人員傷亡和巨額財產(chǎn)損失（如1969年渤海冰推倒“海二井”平臺，1989年風(fēng)暴潮損失超6億元，1991年DB29銷管船在南海通臺風(fēng)翻沉等）。當(dāng)前我國海洋能源開發(fā)與海洋空間利用的絕大部分活動是在近海和極淺海海域。為了保證在這些海域所建造的工程設(shè)施能夠安全服役免遭破壞，面臨的首要問題是弄清這一海域中嚴酷和復(fù)雜多變的環(huán)境因素。我國東臨西北太平洋，每年出現(xiàn)的臺風(fēng)數(shù)目占全球的38%，其中對我國可能造成災(zāi)害的臺風(fēng)每年有7—8個。每當(dāng)臺風(fēng)在我國登陸或接近我國沿海通過時，都會在沿岸局部地區(qū)產(chǎn)生風(fēng)暴潮，形成風(fēng)暴潮災(zāi)害。

在我國北方海域（渤海和北黃海），冬季由于受寒潮影響，沿岸地區(qū)每年都有結(jié)冰現(xiàn)象，結(jié)冰嚴重的年份則出現(xiàn)冰害。若對這些海洋災(zāi)害估計不足將會帶來巨大的損失。渤海重疊冰與堆積冰的形成，不但可給結(jié)構(gòu)物以強大的冰壓力，而且由于冰激引起的振動作用，也會給海洋平臺的使用和安全帶來巨大的損害。而冰區(qū)溢油的遷移規(guī)律及預(yù)防和清理技術(shù)，至今尚未進行過深入的研究。對近岸大面積冰排和海上浮冰，在波浪、潮汐作用下都會引起海冰的斷裂，斷裂后冰塊的尺度直接影響其對結(jié)構(gòu)物的作用。在渤海海域建造的海洋平臺，為了抵抗冰害，往往建成正、倒錐體的結(jié)構(gòu)型式，冰排對錐體結(jié)構(gòu)的冰荷載及與其的動力相互作用，也是目前尚未解決的課題。在海冰力學(xué)的研究中，除進行理論分析和數(shù)值模擬外，實驗研究也是一個重要的手段。在實驗研究中，模型冰可采用凍結(jié)模型冰和非凍結(jié)模型冰來進行，它們各有其優(yōu)缺點，發(fā)展這兩種技術(shù)是海冰力學(xué)研究中的一個課題。

我國是一個多地震的國家，海域中時有地震發(fā)生。強烈的地震將有可能是海上工程設(shè)施的主要破壞荷載。如果一旦在地震中結(jié)構(gòu)物（海洋平臺、鉆井船、人工島、輸油及輸氣管道等）發(fā)生破壞，除其直接經(jīng)濟損失極大外，其次生災(zāi)害——火災(zāi)、環(huán)境污染等的后果也不堪設(shè)想。

近年環(huán)太平洋地區(qū)地震的頻度和強度都在上升，造成重大災(zāi)害。大型海上工程在地震作用下的安全性，特別是抗震防災(zāi)的基本原理和減震技術(shù)措施需要認真研究。海域中的大型海上水工建筑物在地震作用下的響應(yīng)和振動破壞機理更有待深入研究。日本阪神地震記錄資料表明，地震及由此引發(fā)的巨浪共同作用對水中和岸邊建筑物造成的破壞十分嚴重。水工建筑物的這類破壞機理，至今國內(nèi)外對此都很少研究，且由于試驗條件的限制，國內(nèi)外對此方面的試驗研究工作開展極少。這是海上水工建筑物抗震研究中的一個新領(lǐng)域。

以下的一些研究內(nèi)容將是為解決海洋工程設(shè)施抗震措施中的關(guān)鍵技術(shù)所必需考慮的，如近海環(huán)境地震危險性分析，設(shè)計地震動參數(shù)和頻譜特性，強震海底多維地震動及其空間分布規(guī)律，地震波傳播特性及地震動輸入機理；海域中大型海上水工建筑物在地震作用下，考慮周圍水介質(zhì)影響的結(jié)構(gòu)振動破壞機理、振動控制、地震動時頗聯(lián)合分析模型和輸入機制、非線性動力分析和動力破壞試驗；核電站海域工程建筑物抗地震性能，海洋采油平臺及地下輸油管線與地基土動力相互作用，碼頭及護岸建筑物地震穩(wěn)定性；海域中水工建筑物的性能設(shè)計和地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)等。

海上水工建筑物在長期運行過程中健康狀況逐漸惡化，其損傷主要來自兩個方面：其一是結(jié)構(gòu)的老化、疲勞、超載、內(nèi)部損傷（裂縫）、地基沉降變形以及環(huán)境的物理化學(xué)損傷（低溫、凍融、大氣侵蝕）等；其二是設(shè)計不周或設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低，施工質(zhì)量差，原材料不合格，管理維護不善等。大型海上水工建筑物的損傷和事故都將對國民經(jīng)濟的發(fā)展造成重大的影響。

因此，發(fā)展以下的一些技術(shù)和方法將是十分重要的。如在考慮海洋環(huán)境荷載在幅值。時間及方向上的隨機性所導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全的不確定性情況下，對現(xiàn)役海洋工程結(jié)構(gòu)進行健康診斷和評估剩余可靠度的理論；結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)及損傷檢測的新技術(shù)和新方法；結(jié)構(gòu)病害治理用的新材料、新技術(shù)和新方法；海洋工程結(jié)構(gòu)在多種復(fù)雜海洋環(huán)境條件下（風(fēng)、浪、流、冰、地震等）的可靠度和優(yōu)化理論研究，設(shè)計與建造新型抗災(zāi)工程結(jié)構(gòu)；研究和設(shè)計使海洋工程結(jié)構(gòu)物在設(shè)計使用期限內(nèi)有足夠的安全度，而在退役之后又便于拆除的各種工程措施。

為了及時掌握海洋環(huán)境的風(fēng)云變幻和災(zāi)害的可能來臨，發(fā)展海洋環(huán)境及災(zāi)害的預(yù)報技術(shù)是非常必要的。為此需要建立以下一些系統(tǒng)，如建立由近海到遠海的海洋環(huán)境及災(zāi)害觀測網(wǎng)絡(luò)、預(yù)報與預(yù)警系統(tǒng)、沿岸防災(zāi)準(zhǔn)備和各類應(yīng)急處理系統(tǒng)；以主要海域和海岸帶區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展為背景，進行重點研究，建立數(shù)字化的海洋環(huán)境信息系統(tǒng)模型與結(jié)構(gòu)；以及建立海岸和近海工程設(shè)施防災(zāi)減災(zāi)數(shù)字信息系統(tǒng)，將海岸和近海工程與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人算機技術(shù)、遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)相結(jié)合，建立數(shù)學(xué)物理模型，通過多媒體技術(shù)，形象化地描述災(zāi)害成因、發(fā)生機理、傳播規(guī)律、模擬災(zāi)害破壞的過程，建成智能化的防災(zāi)、抗災(zāi)和減災(zāi)決策支持系統(tǒng)。

三、海洋工程及海洋環(huán)境工程與海洋環(huán)境的相互作用及防治措施與對策為了充分利用海洋空間，現(xiàn)代海洋空間利用除傳統(tǒng)的港口和海洋運輸外，正在向海上人造城市、發(fā)電站、海洋公園、海上機場、海底隧道和海底倉儲的方向發(fā)展。

人們現(xiàn)已在建造或設(shè)計海上生產(chǎn)、工作、生活用的各種大型人工島、超大型浮式海洋結(jié)構(gòu)和海底工程，估計到21世紀，可能出現(xiàn)能容納10萬人的海上人造城市。我國澳門和日本已經(jīng)在海上建成了人工島海上機場。為緩解緊張的陸地資源及減少城市噪音等，日本已經(jīng)于99年8月在東京灣用6塊380米長，60米寬的矩形漂浮鋼板拼裝海上漂浮機場。

由此可見，隨著海洋資源與空間的開發(fā)利用，各類海上工程建筑物數(shù)量不斷增多、規(guī)模日益復(fù)雜和龐大，保證這些海上工程設(shè)施的安全運行及采取海洋工程防災(zāi)減災(zāi)措施將越來越重要。海岸帶和近岸海域是各種動力因素最復(fù)雜的地區(qū)，但同時又是經(jīng)濟活動最為發(fā)達的地區(qū)，海上工程建設(shè)如果考慮不當(dāng)將會在一定程度上引發(fā)環(huán)境災(zāi)害。工程設(shè)施可能破壞原有海岸帶的動態(tài)平衡，影響岸灘的沖淤變化。海上回填和疏浚會改變海岸的形態(tài)，破壞某些海洋生物賴以生存的棲息地，若對含有污染物的疏浚污泥傾拋處理不當(dāng)則會造成二次污染。海上石油生產(chǎn)中的溢油事故將對海洋環(huán)境造成極其嚴重的污染。日益增多的海上退役工程設(shè)施如果不及時處理也將會逐漸成為海上障礙物以致引起公害。海洋工程抗災(zāi)減災(zāi)的任務(wù)是一方面要保證最大限度地減少自然界海洋災(zāi)害帶來的報失，另一方面又要避免人為造成的海洋環(huán)境災(zāi)害。

隨著人類對海洋資源的不斷開發(fā)和利用，海洋環(huán)境保護與人類生產(chǎn)實踐活動協(xié)調(diào)發(fā)展日顯重要。如港口開發(fā)中的環(huán)境問題，主要內(nèi)容包括：航道、港池開挖、疏浚引起的泥沙輸運及其疏浚物拋放對海洋環(huán)境的影響，深水港口水工建筑物、大型人工島、超大型浮式結(jié)構(gòu)的環(huán)境和生態(tài)影響；破波帶及其附近水域沿岸流對物質(zhì)輸運擴散規(guī)律研究；大型海岸工程、岸灘保護和整治工程引起的海域環(huán)境的變遷和海岸演變；海岸演變、防護及開發(fā)利用新概念的原則與理論，如由于工程措施所引起的海岸動力學(xué)、生態(tài)學(xué)、社會經(jīng)濟學(xué)及與環(huán)境關(guān)系的綜合分析與協(xié)調(diào)。

隨著沿海大、中型城市經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，城平建設(shè)中的污水深海排放技術(shù)，感潮水域污水多點排放漂移擴散研究，天然海灣、人工湖及人工運河的水質(zhì)交換能力，人工沙灘的保護措施，灘涂圍墾對水域環(huán)境的影響等，都將是需要認真解決的問題。

篇6

關(guān)鍵詞：特大橋  海工混凝土  耐久性  淺談  應(yīng)用

        0 引言

        由于陳家貢灣特大橋處于海水環(huán)境，海水環(huán)境對于橋梁混凝土結(jié)構(gòu)具有強腐蝕性，按照一級公路橋梁結(jié)構(gòu)100年設(shè)計基準(zhǔn)期和本工程使用年限的要求進行結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計，為保證陳家貢灣特大橋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，本工程采取了以高性能混凝土技術(shù)為核心的綜合耐久性技術(shù)方案。然而我國目前尚沒有大型海洋工程超長壽命服役的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，高性能混凝土的設(shè)計、生產(chǎn)、施工技術(shù)在工程中的應(yīng)用尚為空白，因此結(jié)合陳家貢灣特大橋工程的具體要求，研究跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性策略和高性能混凝土的應(yīng)用技術(shù)極為迫切和重要。

        1 陳家貢灣特大橋混凝土結(jié)構(gòu)布置和耐久性設(shè)計

        1.1 陳家貢灣特大橋混凝土結(jié)構(gòu)布置 陳家貢灣特大橋孔數(shù)—孔徑（孔—米）為60—30m，為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)t梁橋，橋梁上部結(jié)構(gòu)：六孔一聯(lián)、全橋共十聯(lián)，行車道板與橋面鋪裝采用剪力鋼筋連接；橋梁下部結(jié)構(gòu)：橋墩采用雙懸臂預(yù)應(yīng)力薄壁墩，墩柱為主截面3×1.5米的帶豎肋矩形截面，基礎(chǔ)采用柱式臺、樁基礎(chǔ)或重力臺、擴大基礎(chǔ)。混凝土設(shè)計強度根據(jù)不同部位在c35～c50之間。

        1.2 陳家貢灣特大橋附近海域氣象環(huán)境 陳家貢灣特大橋地處東亞季風(fēng)比較發(fā)達的黃海之濱，受季風(fēng)和海洋氣候的影響，四季變化比較明顯，屬南溫帶濕潤季風(fēng)氣候類型：夏季空氣濕潤，雨量充沛；冬季氣候干燥，時長稍寒。多年年平均最低氣溫為9.1℃、最高氣溫為15.9℃。最熱出現(xiàn)在八月，月平均氣溫為25℃，最冷出現(xiàn)在一月，月平均氣溫為-4.5℃。年平均相對濕度為72%，累年全年蒸發(fā)量平均為1462.2毫米，其中全年以五月份為最高，累年平均達到180.1毫米，一月最小，僅為54.8毫米，海區(qū)全年鹽度一般在15.00～34.00‰之間變化，屬強混合型海區(qū)，海洋環(huán)境特征明顯。

        1.3 陳家貢灣特大橋面臨的耐久性問題 在海洋環(huán)境下結(jié)構(gòu)混凝土的腐蝕荷載主要由氣候和環(huán)境介質(zhì)侵蝕引起，主要表現(xiàn)形式有鋼筋銹蝕、鹽類侵蝕、凍融循環(huán)、溶蝕、堿-集料反應(yīng)和沖擊磨損等。陳家貢灣特大橋位于東亞季風(fēng)比較發(fā)達的黃海之濱，因為天氣較暖，嚴重的凍融破環(huán)和浮冰的沖擊磨損可不予考慮；鎂鹽、硫酸鹽等鹽類侵蝕和堿骨料反應(yīng)破壞則可以通過控制混凝土組分來避免；這樣鋼筋銹蝕破壞就成為最主要的腐蝕荷載?；炷林袖摻钿P蝕可由兩種因素誘發(fā)：一是海水中cl-侵蝕，二是大氣中的co2使混凝土碳化。國內(nèi)外大量工程調(diào)查和科學(xué)研究結(jié)果表明：海洋環(huán)境下導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕破壞的主要因素是cl-進入混凝土中，并在鋼筋表面集聚，促使鋼筋產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。在陳家貢灣特大橋周邊沿海地區(qū)調(diào)查中亦證實，海洋環(huán)境中混凝土的碳化速度遠遠低于cl-滲透速度，混凝土自然碳化速度平均為3mm/10年。因此，影響陳家貢灣特大橋結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的首要因素是混凝土的cl-滲透速度。

        2 提高海工混凝土耐久性的技術(shù)措施

        提高海工耐久性混凝土的主要技術(shù)措施有：

        2.1 海工耐久性混凝土 其技術(shù)途徑是采用優(yōu)質(zhì)混凝土礦物摻和料和聚羧酸高效減水劑復(fù)合，配以與之相適應(yīng)的水泥和級配良好的粗細骨料，形成低水膠比，高密實、高耐久的混凝土材料。

        2.2 提高混凝土保護層厚度 這是提高海洋工程鋼筋混凝土使用壽命的最為直接、簡單而且經(jīng)濟有效的方法。但是保護層厚度并不能不受限制的任意增加，當(dāng)混凝土保護層過薄時，易形成裂縫等缺陷使保護層失去作用，鋼筋過早銹蝕，降低結(jié)構(gòu)強度和延性；當(dāng)保護層厚度過厚時，由于混凝土材料本身的脆性和收縮會導(dǎo)致混凝土保護層出現(xiàn)裂縫反而削弱其對鋼筋的保護作用。

        2.3 混凝土保護涂層 完好的混凝土保護涂層具有阻絕腐蝕性介質(zhì)與混凝土接觸粘結(jié)的特點，其于砼粘結(jié)力不小于1.5mpa，并且與砼表面的強堿性相適應(yīng)，延長混凝土和鋼筋混凝土的使用壽命。然而大部分涂層本身會在環(huán)境的作用下老化，逐漸喪失其功效，一般壽命在5～10年，只能作輔助措施。

        2.4 阻銹劑 阻銹劑通過提高氯離子促使鋼筋腐蝕的臨界濃度來穩(wěn)定鋼筋表面的氧化物保護膜，其品質(zhì)對混凝土的主要物理性能、力學(xué)性能無不利影響，從而延長鋼筋混凝土的使用壽命。但由于其有效用量較大，作為輔助措施較為適宜。

        3 加強陳家貢灣特大橋結(jié)構(gòu)混凝土耐久性措施

        改善混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性需采取的措施：①從材質(zhì)本身的性能出發(fā)，提高混凝土材料本身的耐久性能，例如采用高效減水劑和高效活性礦物摻合料。②找出破壞混凝土耐久性作用的內(nèi)在因素和外在因素，對主因和次因?qū)ΠY施治，并根據(jù)具體情況采取除高性能混凝土以外的補充措施，例如綜合防腐措施。采用高性能混凝土是在惡劣的海洋環(huán)境下提高結(jié)構(gòu)耐久性的基本措施，然后根據(jù)不同構(gòu)件和部位，盡可能提高鋼筋保護層厚度（一般不小于50mm），某些部位還可復(fù)合采用保護涂層或阻銹劑等輔助措施，形成以高性能海工混凝土為基礎(chǔ)的綜合防護策略，有效提高陳家貢灣特大橋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。

        因此，陳家貢灣特大橋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性基本方案是：首先，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性基本措施是采用高性能混凝土，同時依據(jù)混凝土構(gòu)件所處結(jié)構(gòu)部位及使用環(huán)境條件，采用必要的補充防腐措施，如摻加鋼筋阻銹劑、混凝土外涂保護層等。在保證施工質(zhì)量和原材料品質(zhì)的前提下，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性將可以達到設(shè)計要求。

        對于具體工程而言，耐久性方案的設(shè)計必須考慮當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況，如原材料的耐久性指標(biāo)、工藝設(shè)備的可行性等，以及混凝土配合比經(jīng)濟上的合理性。也就是說應(yīng)該采取有針對性的，因地制宜的制定防腐方案。

        根據(jù)設(shè)計院提出的陳家貢灣特大橋主要部位構(gòu)件的強度等級要求、構(gòu)件的施工工藝和環(huán)境條件，對各部位混凝土結(jié)構(gòu)提出具體的耐久性方案。

        4 陳家貢灣特大橋高性能混凝土原材料耐久性

        4.1 試驗用原材料及其物理化學(xué)性能

        4.1.1 水泥 試驗中采用了p.ⅱ52.5，有關(guān)性能參數(shù)見下表。

        4.1.2 高爐磨細礦渣(s95)

        高爐磨細礦渣(s95)的有關(guān)性能參數(shù)見表

        4.1.3 硅粉

        硅粉的有關(guān)性能參數(shù)見表

        4.1.4 粗骨料

        混凝土配制試驗用石為5～25mm連續(xù)級配碎石。

        4.1.5 細骨料

        混凝土配制試驗用砂檢驗結(jié)果如表

        4.1.6 減水劑

        試驗采用hsn-a聚羧酸高性能混凝土減水劑。

        4.1.7 拌和用水

        飲用水。

        4.2 試驗方案和主要試驗方法 從高性能海工混凝土的基本要求出發(fā)，在原材料的優(yōu)選試驗中，以混凝土的坍落度和擴展度評價混凝土的工作性，以抗壓強度等評價混凝土的物理力學(xué)性能，以混凝土的電通量和氯離子擴散系數(shù)(自然擴散法)試驗結(jié)果評價混凝土的抗氯離子滲透性能，并以耐久性能為首要要求。

        試驗中所采用的主要試驗方法有：

        4.2.1 坍落度、擴展度 混凝土的坍落度、擴展度按《新拌混凝土性能試驗方法》gbj80-85測定。

        4.2.2 抗壓強度 混凝土的抗壓強度按《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》gbj81-85測定。

        4.2.3 混凝土的抗凍性能 試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（gbj82-85）進行。

        4.2.4 混凝土的電通量和氯離子擴散系數(shù)快速試驗 nel-per型混凝土電通量測定儀來評價混凝土抵抗氯離子滲透能力的標(biāo)準(zhǔn)。試驗儀器采用北京耐爾nel-per型混凝土電通量測定儀。通過在￠95×50mm的混凝土試樣兩端施加60v的直流電壓，通過檢測6hrs內(nèi)流過的電量大小來評價混凝土的滲透性。

        用rcm-dh型氯離子擴散系數(shù)測定儀測定混凝土氯離子擴散系數(shù)的試驗方法，rcm法參照duracrete非靜態(tài)電遷移原理制定，定量評價混凝土抵抗氯離子擴散的能力，本方法適用于骨料最大粒徑不大于25mm的試驗室制作的或者從實體結(jié)構(gòu)取芯獲得的混凝土試件。將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28天的混凝土試件浸泡于質(zhì)量濃度為3.0％的nacl溶液中至指定齡期后，用混凝土切割機將混凝土試件切割成直徑＝100±1mm，高=50±2mm的試件。將試件放入電解槽的夾具中，注入1l 0.2mol/l koh正極溶液與1l含5% nacl的0.2mol/l koh負極溶液，用測試機主機電源進行電遷移過程，劈開試件，用0.1mol/lagno3溶液測定顯色深度，最后用軟件計算混凝土試件的氯離子擴散系數(shù)。

        4.3 混凝土配合比設(shè)計 試驗主要研究c40和c50高性能海工混凝土的性能

        4.4 高性能混凝土性能試驗結(jié)果及分析 混凝土的物理力學(xué)性能試驗結(jié)果，常規(guī)耐久性能試驗結(jié)果

        高性能海工混凝土的氯離子擴散系數(shù)和抗凍性能

        高性能海工混凝土與普通混凝土相比較，具有優(yōu)良的工作性能、相近的物理力學(xué)性能和優(yōu)異的耐久性能，尤其是其耐海水腐蝕性能，混凝土氯離子擴散系數(shù)可小于3.0～1.0e-12m2/s

        5 海工耐久性混凝土的質(zhì)量保證措施

        5.1 影響海工耐久性混凝土質(zhì)量的因素 高性能海工耐久性混凝土一般通常具有較高的膠凝材料用量、低水膠比與摻入大量活性摻合料等配制特點，致使高性能混凝土的硬化特點與內(nèi)部結(jié)構(gòu)同傳統(tǒng)的普通混凝土相比具有很大的差異，隨之帶來了它的早期體積穩(wěn)定性差、容易開裂等問題。而混凝土的裂縫正是在使用階段環(huán)境侵蝕性介質(zhì)侵入的通道，進而削弱其耐久性。

        5.2 提高海工耐久性混凝土質(zhì)量措施 在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，澆筑的混凝土由于陽光直射溫度較高產(chǎn)生溫差過大的現(xiàn)象，同時由于海灣地區(qū)海風(fēng)比較強烈也容易造成混凝土表面失水過快，混凝土表面收縮較大而導(dǎo)致混凝土開裂。因此，在實際澆筑混凝土過程中，t梁或其它結(jié)構(gòu)的混凝土澆注完畢后應(yīng)立即在頂面和四周采取保溫保濕措施。對于t梁等大型預(yù)制構(gòu)件，由于預(yù)制場地的限制和施工進度要求，采用低溫蒸養(yǎng)的方式。

        對于現(xiàn)澆混凝土，混凝土成型抹面結(jié)硬后立即覆蓋土工布，砼初凝后立即進行澆水養(yǎng)護，養(yǎng)護用水為外運淡水,記錄每天的溫度和風(fēng)向，避免混凝土干濕交替，拆模前12小時擰松加固螺栓，讓水從側(cè)面自然流下養(yǎng)護，側(cè)面拆模不小于48小時。

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關(guān)鍵詞：海上溢油；變化進程；應(yīng)急時效；影響因素；措施

收稿日期：2011-04-11

作者簡介：彭學(xué)明（1967―），男，湖北紅安人，工程師，主要從事海上溢油應(yīng)急環(huán)保、消防管理、搶險救助工作。

中圖分類號：X87 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2011）05-0014-03

1 海上溢油的變化進程

隨著國家對海上石油勘探、開發(fā)、運輸規(guī)模的日益增大,由于石油生產(chǎn)工藝不完善、設(shè)施損壞以及運輸船舶發(fā)生海事事故造成的溢油事故頻次亦相應(yīng)增加,海上溢油因其對人身、公共安全和海洋環(huán)境的危害使得溢油應(yīng)急時效的重要性日顯突出。石油溢入海洋后,在海洋特有的環(huán)境條件下,經(jīng)歷復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物變化過程,并通過這些變化,最終從海洋環(huán)境中消失,這些變化包括擴散、漂移、蒸發(fā)、分解、乳化、光化學(xué)氧化、溶解、沉積以及生物降解等。溢油在海洋環(huán)境中的變化及持續(xù)時間見圖1。

圖1 溢油在海上的變化及持續(xù)時間

2 影響海上溢油應(yīng)急反應(yīng)時效的主要因素

溢油早期,其物理、化學(xué)性質(zhì)變化較小,空間上相對集中,對海洋環(huán)境和大氣環(huán)境污染相對較小,控制和處置也相對容易,隨著時間的推移,其過程分化加劇,在經(jīng)歷以上變化后形成不同的歸宿,更加難以回收處理,這就對海上溢油應(yīng)急的時效提出了較高的要求。

2.1 溢油應(yīng)急計劃不健全

溢油應(yīng)急計劃作為海上溢油應(yīng)急指導(dǎo)實施文件,對應(yīng)急部門來說,常見的問題是應(yīng)急計劃未及時修訂與更新,特別是人員與機構(gòu)的變動、應(yīng)急設(shè)備的報廢與更新、敏感區(qū)的變更等,容易造成應(yīng)急反應(yīng)遲緩、組織過程混亂而降低時效。

2.2 現(xiàn)場組織和處置問題

應(yīng)急物資從出庫到裝船的組織,這個階段需要充足的人力和吊裝機械配合,組織不力,容易耽誤出動時間。同時固體圍油欄之間及其與固定錨和浮標(biāo)的連接，收油機的安裝下水準(zhǔn)備,這些工作不提前做好,也會占用大量時間；溢油現(xiàn)場的組織與處置,主要涉及圍油欄的布放和收油機的下水運行,前者需要指揮人員與操船者的密切配合,注意風(fēng)、流等海況,組織指揮不力就會出現(xiàn)圍油欄位置偏離、布欄角過大等問題,造成溢油逃逸,降低圍油效率,后者需要操作人員選擇合適的設(shè)備運行參數(shù),適時通知調(diào)整航速、航向,如果操作不當(dāng),易造成回收液中含水量過高的問題。

2.3 溢油應(yīng)急船舶不匹配

（1）溢油現(xiàn)場水深較小,專用船舶吃水較大不能到位施工。

（2）船舶載貨面積較小,不能滿足運載溢油應(yīng)急物資和擺放溢油應(yīng)急設(shè)備設(shè)施需要。

（3）船舶沒有艙容合適的污油污水艙。

（4）船舶過大,不能快速靈活地根據(jù)油帶位置調(diào)整方位和速度。

（5）應(yīng)急船舶穩(wěn)性較差,不利于現(xiàn)場人員施工,也易造成收油機懸空或完全入水,大大降低收油效率。另外有的作業(yè)船舶欄桿較高、沒有吊車,不利于圍油欄和收油機的布放和回收,也不便于拋灑吸油材料、噴灑溢油分散劑等作業(yè)。

2.4 氣象和海況

毋容置疑,氣象和海況對溢油應(yīng)急時效的影響是經(jīng)常性的,也是較難克服的,其中主要影響因素包括氣溫、風(fēng)、雨、冰、霧、浪、流。風(fēng)、雨、浪、流能加速溢油的擴散、漂移、蒸發(fā)、分散、乳化,同時,一定級別的風(fēng)、浪和霧限制船舶出海作業(yè),風(fēng)也能加大流速,可以改變潮流流向,急速的流也降低收油機的收油效率,雨能加速溢油的分散和乳化,也不利于露天作業(yè)；氣溫直接影響溢油的擴散、分散、蒸發(fā)、氧化和沉積,較低的氣溫能減緩溢油的擴散、分散、蒸發(fā),有利于溢油的回收,但也能造成更多的溢油顆粒下沉；冰對溢油應(yīng)急的影響除了影響船舶出航外,還能使收油機失去作用。

2.5 溢油回收處理設(shè)備問題

設(shè)備問題對溢油應(yīng)急時效的影響主要表現(xiàn)在對海況和氣象過于敏感、乘波性差、回收物含水量過大、對溢油品種的適應(yīng)面窄、不便操作、技術(shù)落后等方面。

2.6 溢油回收處理材料問題

對材料的選擇失誤導(dǎo)致溢油處置效率低下,特別是溢油材料對溢油品種的匹配性、材料對溢油變化階段的使用有效性；此外,對于大型溢油,溢油應(yīng)急材料的儲備不足、補充不及時也會降低溢油應(yīng)急時效。

3 提高海上溢油應(yīng)急反應(yīng)時效的措施

3.1 制定健全的海上溢油應(yīng)急計劃和應(yīng)急方案

根據(jù)國家海事和海洋等上級職能部門要求,制定完善的溢油應(yīng)急計劃,并組織培訓(xùn)和演練,及時修訂,使得應(yīng)急系統(tǒng)內(nèi)的各個部門和環(huán)節(jié)熟悉相關(guān)的職責(zé)和程序,啟動應(yīng)急計劃時有條不紊；應(yīng)急方案則要根據(jù)溢油事故的具體情況制定更加詳細的實施方案。

3.2 建造或選擇適應(yīng)面寬的溢油應(yīng)急船舶

溢油應(yīng)急船舶應(yīng)具備吃水淺、穩(wěn)性強、操縱靈活、污油污水艙容大、安裝溢油品種適應(yīng)面寬的高效率收油機械、自備吊車、方便溢油化學(xué)清除作業(yè)等性能,有條件的情況下還可考慮安裝溢油預(yù)警監(jiān)測設(shè)備和溢油跟蹤浮標(biāo)系統(tǒng)。

3.3 建立海上應(yīng)急巡查和預(yù)警機制

（1）加強日常對石油作業(yè)區(qū)或敏感水域附近的巡查,發(fā)現(xiàn)溢油可以在第一時間實施處置,提高應(yīng)急響應(yīng)的主動性。

（2）在惡劣氣象和海況時安排全天候船舶巡查,發(fā)現(xiàn)溢油可立即報告有關(guān)部門采取關(guān)井、停泵等堵源措施,通知應(yīng)急部門提前做好作業(yè)準(zhǔn)備,還可以采取一些行之有效的的物理或化學(xué)清除作業(yè),彌補普通船舶受限問題。

（3）對區(qū)域或本系統(tǒng)內(nèi)部的其它船舶和石油作業(yè)平臺賦予溢油報告職責(zé),發(fā)現(xiàn)溢油立即向指揮中心報告。

（4）在重要石油作業(yè)海域、海港、岸站安裝固定式溢油監(jiān)測預(yù)警設(shè)備。

3.4 配置高效率溢油回收處理設(shè)備

提前做好高效率設(shè)備投資的前期選型配套,既可以避免事故發(fā)生后倉促購置設(shè)備,貽誤最佳處置時期,還可以提高實時收油效率。

3.5 建立材料儲備和補充機制

大多數(shù)溢油應(yīng)急材料如溢油分散劑、吸油粘等保質(zhì)期較短,大量儲備、到期更新、過期處置給企業(yè)帶來較大成本負擔(dān),也需要較大的儲存空間,如果一部分現(xiàn)場儲備,一部分與生產(chǎn)廠家簽訂協(xié)議及時優(yōu)先供應(yīng),既可以解決成本問題,又可以解決溢油應(yīng)急時的大量快速消耗問題。

3.6 加強溢油應(yīng)急指揮和操作人員的培訓(xùn)

通過培訓(xùn)既可以提高指揮人員的組織協(xié)調(diào)能力,提高應(yīng)急隊員的操作技能,還可以加強部門、班組、崗位間的合作,使得系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)平穩(wěn)運行。

3.7 加強區(qū)域性溢油應(yīng)急組織的合作

發(fā)生大型溢油事故時,從人力、船舶、設(shè)備到材料、技術(shù)等方面單憑某單位或部門一己之力往往難以應(yīng)對,這時候如果能及時協(xié)調(diào)或提前約定,做到區(qū)域性溢油組織或部門之間的應(yīng)急優(yōu)勢資源共享,分工協(xié)作,便可大大縮短處置時間。

4 結(jié)語

海上溢油對人身、安全、環(huán)境具有較大的危害,油進入海洋環(huán)境后隨即發(fā)生擴散、漂移等變化,對海上溢油應(yīng)急提出了較高的時效要求,如果妥善解決溢油應(yīng)急計劃不健全和現(xiàn)場組織和處置等方面的問題,采取制定健全的海上溢油應(yīng)急計劃和應(yīng)急方案、建造或選擇適應(yīng)面寬的溢油應(yīng)急船舶等措施，即可在一定程度上提高海上溢油應(yīng)急的時效。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國海事局.溢油應(yīng)急培訓(xùn)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）

篇8

關(guān)鍵詞：波浪載荷；海流載荷；桁架結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)響應(yīng)；有限元；導(dǎo)管架平臺

導(dǎo)管架平臺是近海油氣資源開采活動中常見的一種結(jié)構(gòu)形式，對導(dǎo)管架平臺在海洋環(huán)境作用下所產(chǎn)生的內(nèi)外載荷進行動力響應(yīng)分析有著積極的現(xiàn)實意義。目前人們對于導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境下的動力響應(yīng)分析大多集中在極限條件下的整體結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)及其由此而引起的結(jié)構(gòu)安全性問題研究上，對于這樣一類桁架式結(jié)構(gòu)物大多采用只考慮結(jié)構(gòu)物的主腿而忽略其它輔助桿件的群樁分析方法[1-3]，其主要側(cè)重點是分析平臺在極限環(huán)境下的安全性。然而，在非極限環(huán)境條件下，由于導(dǎo)管架平臺所承載的各種載荷的不同組合是否會引起結(jié)構(gòu)的安全問題？目前對這些問題關(guān)注較少，而對這些問題的正確認識卻有助于我們對這類結(jié)構(gòu)物設(shè)計方案的合理選擇做出準(zhǔn)確的判斷，為設(shè)計出水動力性能優(yōu)良的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)物提供前提和保障。

本文以由不同尺寸圓柱形水下桿件構(gòu)成的導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)為對象，首先逐一計算組成平臺結(jié)構(gòu)的每一桿件的波浪力和海流力，然后將這些波浪力和海流力以離散分布載荷的形式施加到每一根桿件上，分析在不同的波高、周期以及浪向與流向組合等海洋環(huán)境下平臺的動力響應(yīng)，計算導(dǎo)管架平臺在波流水動力載荷作用下的整體所受的應(yīng)力、應(yīng)變，觀察不同的結(jié)構(gòu)形式對水動力載荷響應(yīng)的關(guān)系，為導(dǎo)管架平臺在波浪及海流環(huán)境下平臺的內(nèi)力特征評估提供依據(jù)。

1　水動力荷載計算理論基礎(chǔ)及數(shù)學(xué)模型

1.　1　作用在導(dǎo)管架平臺上的水動力載荷計算[4-7]

作用在平臺的外部常用荷載可分為波浪荷載，海流荷載以及風(fēng)荷載。由于本文研究內(nèi)容為平臺下部桿件間所受外荷載影響下的內(nèi)力間相互作用，故只考慮波浪荷載和海流荷載。根據(jù)Morison方程，平臺中任一斜向水下桿件的垂直于桿件軸線單位長度上的水動力載荷　為：

（1）

式中，CD、CM為桿件的法向拖曳力系數(shù)和附加質(zhì)量系數(shù)；D為桿件的直徑；　為海水密度；　和　分別是與桿件軸線方向正交的水質(zhì)點速度和加速度矢量，其中

（2）

和　分別為沿桿件軸線方向的單位矢量和由于波浪和海流引起的水質(zhì)點在絕對坐標(biāo)系下的速度矢量，?。?）

和　分別為由于波浪和海流的作用而引起的水質(zhì)點在絕對坐標(biāo)上的速度。

；對于直立柱體，　。

因此，將（2）式展開可以得到與桿件軸線相交的水質(zhì)點速度。

在整體坐標(biāo)系下，導(dǎo)管架平臺中的桿件沿其軸線方向的單位矢量　在其坐標(biāo)系中的三個投影分量為（見圖2）：

（4）

斜向桿件中的某點在以平臺結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)的固定坐標(biāo)系（o-xyz）與以浪向本身為基準(zhǔn)坐標(biāo)系（0-XYZ）的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

（5）

1.　2　作用在平臺桿件上的結(jié)構(gòu)內(nèi)力

在上節(jié)所介紹的作用在導(dǎo)管架平臺上的水動力載荷的基礎(chǔ)上，我們采用有限元法來計算導(dǎo)管架平臺框架結(jié)構(gòu)內(nèi)桿件的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。具體步驟如下：

（1）結(jié)構(gòu)離散化

（2）單元分析

平臺框架結(jié)構(gòu)離散化后，將桿件單元的位移、應(yīng)變和應(yīng)力等物理量等轉(zhuǎn)變?yōu)橛晒?jié)點的位移來表示。選定單元的類型和位移模式后，按虛功原理建立桿件的單元剛度方程：

（6）

其中，上標(biāo)e為單元編號，ke、δe和Fe分別為桿件單元的剛度矩陣、節(jié)點位移和等效節(jié)點載荷向量。單元剛度矩陣通過單元節(jié)點力和節(jié)點位移之間的關(guān)系來決定。

（3）整體分析

集合所有桿件單元的剛度矩陣，建立整個平臺結(jié)構(gòu)的平衡方程：　k　δ　=　F　（7）

其中，k　、δ和F分別為平臺整體結(jié)構(gòu)總體剛度矩陣、整體節(jié)點位移列矩陣和整體結(jié)構(gòu)的等效節(jié)點載荷列矩陣。

（4）求解方程（7），求得得出平臺各節(jié)點的位移。

（5）由節(jié)點位移計算單元的應(yīng)力。

本文采用Ansys結(jié)構(gòu)有限元計算軟件來進行平臺桿件的內(nèi)力分析。

1.　3　數(shù)值計算方法及有限元模型建立

基于以上的計算方法及原理，本文主要計算步驟如下，其中水動力荷載計算中的波浪力計算理論部分已由本課題組完成，本作者工作為海流力的計算理論完善及后續(xù)內(nèi)力的計算：

（1）輸入設(shè)計參數(shù)，包括波浪和海流荷載中的波高H、周期T、浪向、流速、流向以及水深d等海況參數(shù)。

（2）輸入導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)中第i根水下桿件的幾何參數(shù)，包括桿件的直徑D、桿件軸線方向（φ和ψ），以及桿件上下端點在已導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)的固定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)（　和?。ā。┑取Ｐ枰⒁獾氖?，在該步驟中，以固定坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的平臺構(gòu)件坐標(biāo)要妥善保存，在后面的有限元模型建立時應(yīng)當(dāng)與之對應(yīng)。

（3）將在上步計算得到、保存在設(shè)定的數(shù)據(jù)文件中的平臺桿件水動力載荷計算數(shù)據(jù)進行適當(dāng)?shù)奈臋n編輯，使其符合Ansys軟件命令流的格式；在命令流中編輯的桿件數(shù)據(jù)包括：桿件的外徑、厚度、彈性模量、泊松比和桿件材料密度等。

（4）編寫Ansys命令流，將上步處理好的水動力載荷數(shù)據(jù)代入Ansys軟件荷載施加步，桿件的水動力載荷施加于桿件的等效節(jié)點位置處，利用1.2節(jié)描述的計算方法對平臺的桿件內(nèi)力、位移等進行計算分析。

2　導(dǎo)管架平臺在波流作用下動力響應(yīng)數(shù)值計算及結(jié)果分析

利用第1節(jié)所提出的數(shù)值分析方法，本文以一在水深為40米作業(yè)的外輪廓為正四棱臺的導(dǎo)管架平臺為研究對象，利用所提出的數(shù)值分析方法進行計算，觀察這類平臺在不同的海況條件下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)。平臺的計算結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。平臺的組成結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。本節(jié)計算中，海水密度的取值為　=1025　kg/m3，海流的速度均取為1.5　m/s。

圖4為浪向與流向同方向，浪向和流向坐標(biāo)系與固定坐標(biāo)系的夾角　為0°時，波高分別為2、4、8、10m條件下，由于不同的波浪周期所引起的導(dǎo)管架平臺框架結(jié)構(gòu)內(nèi)桿件應(yīng)力最大值和和位移最大值的計算結(jié)果。從圖4的結(jié)果可以看出：在波流同向的條件下，波高越大，平臺桿件受水動力載荷作用下所產(chǎn)生的最大位移和桿件的最大應(yīng)力也越大；同樣的波高條件下，不同的波浪周期，平臺桿件上的最大位移與最大應(yīng)力的響應(yīng)并不一致，小于一定的臨界周期，平臺桿件上的最大位移與最大應(yīng)力比大于其臨界周期響應(yīng)要大，這是由于桿件的振型接近于小周期的緣故。

圖5為波高一定，浪向與流向同方向、浪向和流向坐標(biāo)系與平臺固定坐標(biāo)系的夾角　分別為0o、45o、75o時，由于波浪和海流聯(lián)合作用所引起的導(dǎo)管架平臺框架結(jié)構(gòu)內(nèi)桿件應(yīng)力最大值和和位移最大值的計算結(jié)果。從圖5的結(jié)果可以看出：當(dāng)浪向和流向坐標(biāo)系與平臺固定坐標(biāo)系的夾角　為0o時，所引起的導(dǎo)管架平臺框架結(jié)構(gòu)內(nèi)桿件應(yīng)力最大值和和位移最大值也較大，這是由于　為0o時，導(dǎo)管架平臺框架結(jié)構(gòu)內(nèi)的部分主腿、水平撐桿和斜撐桿與水質(zhì)點速度方向垂直，由此而引起了桿件內(nèi)較大的應(yīng)力和位移。而當(dāng)　為45o和75o時，平臺中的大部分桿件軸線方向與海流與波浪所引起的水質(zhì)點運動方向斜交，因此所引起的桿件的應(yīng)力和位移要比正交條件下要小。

圖6為浪向與流向同方向，浪向和流向坐標(biāo)系與固定坐標(biāo)系的夾角　為0°時，在平臺的標(biāo)高為0米和15米之間與水質(zhì)點速度正交一面的斜撐桿件中點處桿件的應(yīng)力最大值和和位移最大值隨波浪的波高及周期變化的計算結(jié)果。由圖6的結(jié)果可以知道：由于桿件處于離海面波能主要聚集區(qū)域較遠，對于平臺桿件中這一特定的觀測點而言，桿件所受的水動力載荷主要為海流引起的拖曳力，與波浪引起的動力響應(yīng)關(guān)聯(lián)度較小。因此，在該點處由水動力引起的與交變變化為特征的波浪的波高和周期的關(guān)聯(lián)度都較小。

3　結(jié)語

本文提出了一個波浪、海流載荷作用下導(dǎo)管架平臺的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析方法，方法采用Morison方程計算由于波浪和海流的運動而產(chǎn)生的作用在導(dǎo)管架平臺的水動力載荷，在此基礎(chǔ)上，采用結(jié)構(gòu)有限元計算軟件對在這些水動力載荷作用下平臺結(jié)構(gòu)桿件的動力響應(yīng)進行分析。本文所提出的方法計算原理簡單，計算方法明了。根據(jù)本文所提出的方法工程技術(shù)人員可以比較快速、簡便地對在波浪、海流的海洋環(huán)境作用下像導(dǎo)管架平臺這樣一類桁架式結(jié)構(gòu)物的動力響應(yīng)做出簡要的分析，對在這些海洋環(huán)境引述作用下的結(jié)構(gòu)安全性做出初步的判斷。

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篇9

歐洲的海洋觀測系統(tǒng)是分散的。在歐洲各沿海國家內(nèi)，分布著政府機構(gòu)和私人工業(yè)的600多個科學(xué)數(shù)據(jù)收集實驗室。他們通過船載傳感器、潛水設(shè)備、固定或漂流平臺、飛機、衛(wèi)星等手段收集數(shù)據(jù)，用以觀測物理海洋、地球物理、地質(zhì)、生物、化學(xué)等參數(shù)。歐洲的海洋觀測系統(tǒng)又是集中的。它是全球海洋觀測體系的重要組成部分。歐洲的主要海洋區(qū)域，如北極、大西洋、波羅的海、地中海和黑海以及北美和亞得里亞海都具有各自鮮明的特征，也都有各自的區(qū)域海洋觀測系統(tǒng)，如西北大陸架業(yè)務(wù)化海洋學(xué)系統(tǒng)（NOOS）、波羅的海業(yè)務(wù)化海洋學(xué)系統(tǒng)（BOOS）等［2］。另外，歐洲的海岸線蜿蜒曲折，破碎復(fù)雜，各國還建立了許多局地海岸帶監(jiān)測系統(tǒng)，以便為海岸線資源的監(jiān)測和管理提供支持。

歐洲的數(shù)據(jù)管理網(wǎng)絡(luò)

海洋數(shù)據(jù)的獲取對于眾多的海洋研究領(lǐng)域具有重要的意義，海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋工程開發(fā)、海洋環(huán)境保護、氣候變化預(yù)測、海洋國防安全等都離不開海洋數(shù)據(jù)。歐洲在先進觀測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立了較為全面的數(shù)據(jù)信息管理和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，并將它們在互聯(lián)網(wǎng)上公開。通過使用人性化簡單快捷的可視化用戶界面，讓來自不同背景的、無論是否具有處理復(fù)雜元數(shù)據(jù)庫經(jīng)驗的用戶來提取所需要的信息，這些措施有效保證了對海洋學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)和信息的輕松訪問。這種便利的訪問和獲取方式將確保網(wǎng)絡(luò)的使用并不僅僅局限于業(yè)務(wù)海洋學(xué)中心和機構(gòu)。學(xué)者及來自各界的科學(xué)家和企業(yè)家將能夠找到各種歐洲海洋觀測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)相關(guān)的信息，例如觀測站點／設(shè)備，觀測數(shù)據(jù)要素、測量精度、時空分布及觀測數(shù)據(jù)所有者等特征信息。

1）歐洲海洋數(shù)據(jù)和信息管理網(wǎng)絡(luò)

歐盟發(fā)起的海洋搜索（sea?search）計劃聚集了來自30個歐洲沿海國家的33個研究所／中心，在不同的海洋數(shù)據(jù)和信息的管理和附加服務(wù)方面具有豐富的專業(yè)經(jīng)驗［3］。數(shù)據(jù)的學(xué)科范圍包括物理海洋學(xué)、海洋生物、海洋化學(xué)、水動力學(xué)。另外，這些中心在各自的國家局扮演海洋數(shù)據(jù)和信息的國家資料中心或聯(lián)絡(luò)點的角色。它們是國家的中心節(jié)點，與其他的組織相連接，積極參與海洋研究和海洋環(huán)境管理活動；因此，負責(zé)監(jiān)測和檢查國家海洋研究活動和海洋數(shù)據(jù)流。大部分的合作伙伴也加入了IOC－IODE系統(tǒng)的國家海洋學(xué)數(shù)據(jù)中心。這些成員機構(gòu)也參與了很多國家級和國際級別的海洋研究計劃，包括一大批的歐盟委員會①計劃。在多數(shù)情況下，成員機構(gòu)對這些計劃的海洋數(shù)據(jù)管理給予支持或協(xié)調(diào)。通過這些過程，成員機構(gòu)為數(shù)據(jù)和信息管理的全過程，即數(shù)據(jù)監(jiān)測、追蹤、質(zhì)量控制、處理、存檔、產(chǎn)品制作、數(shù)據(jù)分析、元數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫維護、支持服務(wù)、數(shù)據(jù)分發(fā)／服務(wù)等積累了專業(yè)的技巧，訓(xùn)練有素的員工，以及建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施（軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)）。在sea?search（2002—2005年）計劃期間，所有的成員組織一起建立并推廣了來自歐洲30個沿海國家的海洋數(shù)據(jù)和信息資源的泛歐洲目錄以及概況。這些服務(wù)的維護、升級，以及未來的拓展由sea?search的后續(xù)計劃———海洋數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)計劃（seadatanetproject，2006—2010年）來完成。sea?search計劃的目標(biāo)包括以下內(nèi)容。（1）建立、維護及電子3個元數(shù)據(jù)產(chǎn)品／目錄以追蹤海洋數(shù)據(jù)和信息的動態(tài)，并提高歐洲海洋數(shù)據(jù)和信息的知名度、總體概況及可獲取性。這3個目錄分別是：①歐洲海洋環(huán)境數(shù)據(jù)集目錄（europeandirectoryofmarineenvironmentaldata?sets，EDMED），一個索引和檢索海洋環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)集的歐洲標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋多個學(xué)科，它發(fā)起于1991年，至今仍在不斷更新。目前，EDMED已經(jīng)涵蓋了來自超過574個資料中心的2814個數(shù)據(jù)集。②航次總結(jié)報告（cruisesummaryreports，CSR，舊稱ROSCOP），一個通過調(diào)查船檢索海洋航次信息的全球標(biāo)準(zhǔn)。它給出了這些航次所涉及的數(shù)據(jù)收集活動以及研究機構(gòu)。航次報告由首席科學(xué)家編寫。③歐洲海洋環(huán)境研究計劃目錄（europe?andirectoryofmarineenvironmentalresearchpro?jects，EDMERP），提供正在進行的研究計劃、數(shù)據(jù)收集活動、參與機構(gòu)和科學(xué)家、成果產(chǎn)品等信息。目前，EDMERP包括了來自超過62個研究中心的320多個研究計劃。（2）針對數(shù)據(jù)和信息管理實踐與方法交流經(jīng)驗，共同促進其發(fā)展和實施。（3）建立并組織形成處理、質(zhì)控、存檔不同格式海洋學(xué)數(shù)據(jù)的總體能力，并充分考慮單個團體能力差異以及新數(shù)據(jù)種類的出現(xiàn)。（4）定義、建立、實施公共數(shù)據(jù)索引（commondataindex）元數(shù)據(jù)目錄，保證用戶可以獲得詳細的海洋數(shù)據(jù)可獲取性和地理分布信息?？蓴U展標(biāo)記語言（XML）技術(shù)將被應(yīng)用于以分布式網(wǎng)絡(luò)方式建立并維護新的元數(shù)據(jù)庫，支持跨越多平臺的檢索。

2）海洋數(shù)據(jù)管理歐洲基礎(chǔ)設(shè)施

歐盟海洋數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（seadatanet）計劃是sea?search計劃的后續(xù)計劃，它的目標(biāo)是建立一個標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)來管理由海洋調(diào)查船和新型自動觀測系統(tǒng)所收集的不同種類的海量數(shù)據(jù)集以及網(wǎng)絡(luò)，并鞏固現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，即來自35個歐洲國家的積極進行數(shù)據(jù)收集工作的40個國家海洋數(shù)據(jù)中心和衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心。這些專業(yè)數(shù)據(jù)中心的聯(lián)合將產(chǎn)生一個獨特的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)來在線提供統(tǒng)一質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的綜合數(shù)據(jù)集［4］。seadatanet已聯(lián)合開放數(shù)字資源庫，對來自海洋船隊，新型自動觀測系統(tǒng)和空間傳感器的數(shù)據(jù)、信息、產(chǎn)品和知識，進行管理、訪問和共享。

通過使用通信和信息技術(shù)的新發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場和衛(wèi)星海洋數(shù)據(jù)平臺正在作為一個獨特的虛擬數(shù)據(jù)中心提供元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)和產(chǎn)品。seadatanet的各國合作伙伴將確保數(shù)據(jù)的歸檔和保存，以便它們被用于新的研究，保護不可能被重復(fù)創(chuàng)建的獨特觀測數(shù)據(jù)，提高供研究項目及海洋環(huán)境管理和教育、歷史以及其他用途的數(shù)據(jù)的可用性。seadatanet還涵蓋了以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的研究所強調(diào)的重要信任問題：安全性、保密性、所有權(quán)、保證來源、真實性，以及數(shù)據(jù)質(zhì)量和元數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)的制定及其在通信和數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)和產(chǎn)品質(zhì)量保證問題方面的應(yīng)用，為綜合數(shù)據(jù)集提供了可通過評估的質(zhì)量。seadatanet采用分布式網(wǎng)絡(luò)方法對其數(shù)據(jù)資源實現(xiàn)綜合協(xié)調(diào)的概述和訪問，即通過制定和實施通用數(shù)據(jù)索引（CDI）服務(wù)來為用戶提供了跨越整個歐洲的不同數(shù)據(jù)中心的海洋數(shù)據(jù)的可用性和地域分布等詳盡信息。CDI為單個的數(shù)據(jù)集（如樣本、時間序列、剖面圖、軌跡等）提供了基于ISO19115的指數(shù)（元數(shù)據(jù)庫），并提供了一個獨特的在線數(shù)據(jù)訪問接口。seadatanet同時還提供數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)，其產(chǎn)品設(shè)計的目的是驗證和綜合有關(guān)海洋狀態(tài)和健康監(jiān)測的多學(xué)科數(shù)據(jù)集。區(qū)域涉及北極地區(qū)、北大西洋地區(qū)、波羅的海、地中海、北海等區(qū)域；主要變量包括熱量和鹽度、海平面、海流，還包括海洋生物資源及生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)變量，如營養(yǎng)鹽和溶解氧等。區(qū)域seadatanet產(chǎn)品已通過這個項目的框架開發(fā)了專用的網(wǎng)絡(luò)界面———OceanBrowser并向公眾訪問開放。通過這個網(wǎng)絡(luò)界面可查看水平斷面和任意垂直剖面。圖形可以導(dǎo)出為各種格式，包括PNG，EPSSVG和KML，還可下載NetCDF格式的整個數(shù)據(jù)產(chǎn)品或使用OPeNDAP下載一個子集。seadatanet開發(fā)的基本型產(chǎn)品主要是環(huán)境參數(shù)的網(wǎng)格場，用于估算其平均值、季節(jié)變化及年際趨勢。分析場使得seadatanet數(shù)據(jù)中心能夠進行質(zhì)量比對檢查和其余離群值的檢測。這些產(chǎn)品被科研團隊廣泛使用，如模型初始化和新的觀測地點的優(yōu)化選取等。#p#分頁標(biāo)題#e#

同時，一批面向非專業(yè)人士的高層次產(chǎn)品也將被，以實現(xiàn)貢獻于國際氣候變化與可預(yù)測性研究計劃（CLIVAR）和海洋生物地球化學(xué)和海洋生態(tài)系統(tǒng)綜合研究計劃（IMBER）等重大國際項目、為Argo／Coriolis、My?Ocean、MFS／MOON等實時／業(yè)務(wù)項目提供補充產(chǎn)品等目標(biāo)。用于分析的算法在優(yōu)先級參數(shù)、時間和空間尺度和現(xiàn)有的程序方面，充分考慮了在不同海洋區(qū)域的特殊環(huán)境條件和需要。不同區(qū)域產(chǎn)品之間的一致性問題，由逆變模型分析進行的交叉檢查來確保，并且通過參考DIVA圖形軟件專家和國際專家來實現(xiàn)。目前的工作主要為進一步提高產(chǎn)品的可視化服務(wù)：用戶將能夠從產(chǎn)品目錄中搜索到數(shù)據(jù)產(chǎn)品，然后在地圖中查看以及下載產(chǎn)品。目錄和地圖查看服務(wù)正在與My?Ocean合作，根據(jù)INSPIRE和OGC標(biāo)準(zhǔn)進行開發(fā)［6］。在元數(shù)據(jù)服務(wù)方面，歐洲海洋機構(gòu)目錄（EDMO）、歐洲海洋環(huán)境數(shù)據(jù)集目錄（EDMED）、歐洲海洋環(huán)境研究項目目錄（ED?MERP）、航次總結(jié)報告（CSR）、歐洲海洋觀測系統(tǒng)目錄（EDIOS）等5個歐元數(shù)據(jù)服務(wù)，給出了歐洲的海洋組織和他們在海洋研究項目、大型數(shù)據(jù)集管理，以及調(diào)查船和監(jiān)測計劃獲取的歐洲海洋和全球海洋數(shù)據(jù)方面的概要。這些目錄由各國協(xié)同編制，由seadatanet合作伙伴整理。每個目錄都有各自的來源，然而seadatanet已將所有目錄在使用語法、語義和工具上進行了統(tǒng)一。下面分別介紹seadatanet的5個元數(shù)據(jù)目錄［7］。

（1）歐洲海洋環(huán)境研究計劃目錄

歐洲海洋環(huán)境研究計劃目錄（europeandi?rectoryofmarineenvironmentalresearchpro?jects，EDMERP）涵蓋了海洋氣象、物理海洋、化學(xué)和生物海洋學(xué)、沉積學(xué)、海洋生物學(xué)和漁業(yè)、環(huán)境質(zhì)量、沿海和河口研究，以及海洋地質(zhì)與地球物理等學(xué)科范圍廣泛的研究項目。在EDMERP編目中的研究計劃是根據(jù)其題名或最關(guān)鍵內(nèi)容的摘要而排列的［8］。其主要目標(biāo)是支持用戶在整個歐洲范圍內(nèi)尋找其感興趣的研究活動，使他們能夠與計劃的科研管理人員聯(lián)系，并訪問項目成果，如數(shù)據(jù)、模型、出版物等。數(shù)據(jù)庫具有許多實用功能，例如確定沿海和河口的研究項目，包括它們的數(shù)據(jù)收集活動，確定灰色文獻（greyliterature）等。EDMERP由歐盟海洋搜索（EUsea?search）項目發(fā)起。歐盟seadatanet是其后續(xù)計劃，參加seadatanet的成員國覆蓋了所有35個歐洲國家。此外，EDMERP最近完成了一次重大升級：EDMERP用戶界面和在線內(nèi)容管理系統(tǒng)已經(jīng)升級到第二版（V2），這將更好地銜接其他seadatanet目錄，并使用已被引入seada?tanet的通用詞匯。用戶可以查詢和瀏覽EDMERP目錄，還可以指定搜索條件的組合。由此生成的與查詢匹配的結(jié)果將出現(xiàn)在一個瀏覽列表中，清晰顯示所選的個數(shù)，并允許在列出的結(jié)果之間跳躍瀏覽。此瀏覽列表可按一些關(guān)鍵要素排序，也可查看每個條目更多的細節(jié)，用戶可以從一個項目跳到另一個。所涉及的組織和國家機構(gòu)名稱均設(shè)置了超鏈接，以鏈接到歐洲海洋組織目錄（EDMO）所提供的具體組織的完整地址和描述介紹。EDMERP條目的匯編和維護由seadatanet網(wǎng)絡(luò)的參與伙伴進行協(xié)調(diào)，它們與各自國家的機構(gòu)聯(lián)系和溝通，確保收集到重要的海洋研究計劃的最新信息以及有關(guān)合作伙伴機構(gòu)的地址和相關(guān)配置文件。NODC通過位于荷蘭的機構(gòu)來協(xié)調(diào)EDMERP的維護。這是通過一個專門的網(wǎng)上EDMERP內(nèi)容管理系統(tǒng)（CMS）實現(xiàn)的。NODC可以為該國機構(gòu)設(shè)置子賬戶，使其可以擁有自己的登錄信息，因此，各機構(gòu)可以添加和編輯自己的計劃記錄。然而，NODC負責(zé)驗證由當(dāng)?shù)貦C構(gòu)執(zhí)行的所有修改和新建條目，然后再通過EDMERP用戶界面提供給用戶。另外，研究機構(gòu)可以通過XML文件交換提供新條目和現(xiàn)有的條目的修改。因此，已經(jīng)開發(fā)了一個新的適合單機使用的錄入工具———MI?KADO。本著與seadatanet和NODC內(nèi)的其他元數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化的目的，EDMERPV1XML架構(gòu)和XML交換格式已使用ISO19115元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽來制定。EDMERPXML格式使用了通用詞匯（commonvocabularies），該通用詞匯是在seadatanet計劃內(nèi)發(fā)起建立的，通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和用戶客戶端保持業(yè)務(wù)運行。通過使用ISO標(biāo)簽和通用詞匯，確保了與其他元數(shù)據(jù)庫之間的互操作性。MIKADO工具可兼容修訂后的CSRV1的XML格式，并使用seadatanet通用詞匯。

（2）航次總結(jié)報告航次總結(jié)報告

（cruisesummaryreports，CSR，舊稱ROSCOPs）是記錄和匯報航次調(diào)查或海上現(xiàn)場實驗的常用手段［9］。傳統(tǒng)上，首席科學(xué)家有義務(wù)在航次結(jié)束兩星期內(nèi)向其國家海洋學(xué)數(shù)據(jù)中心（NODC）提交一份航次總結(jié)報告。通過此報告給出海上測量和所采集的樣本的第一級目錄清單。在歐盟Sea?Search項目范圍內(nèi)，德國海洋局（DeutschesOzeanographischesDatenzen?trum，DOD）已經(jīng)安裝了一個創(chuàng)新的基礎(chǔ)設(shè)施，以簡化錄入和更新航次總結(jié)報告（CSRON?LINE）的流程，并通過互聯(lián)網(wǎng)搜索和提交航次總結(jié)報告（CSRRETRIEVAL）。作為其后續(xù)項目seadatanet的一部分，覆蓋范圍擴大到了參加seadatanet的所有35個國家。目前正在進行的一個重大的升級是：CSR用戶界面和維護系統(tǒng)已經(jīng)升級到第一版（V1），與其他seadatanet目錄更加一致，并使用了為seadatanet介紹的通用詞匯。目前，CSR數(shù)據(jù)庫涵蓋了從1873年直到今天，來自歐洲30個沿海國家覆蓋歐洲海域和全球海洋的超過37萬條航次信息。其中也包括來自歐洲國家歷史的CSR，從國際海洋勘探理事會（ICES）數(shù)據(jù)庫加載的1960年之后的航次總結(jié)報告。CSR的匯編和維護由seadatanet網(wǎng)絡(luò)成員負責(zé)協(xié)調(diào)，他們與各自國家的首席科學(xué)家溝通并且提交其CSR報表。NODC是荷蘭的責(zé)任機構(gòu)，協(xié)調(diào)和指導(dǎo)NODC成員機構(gòu)整理和維護全國的CSR條目。這可以直接使用在線內(nèi)容管理系統(tǒng)通過seadatanetCSR數(shù)據(jù)庫完成，或者以CSR的形式提交給NODC，然后NODC將傳輸XML格式的CSR更新至seadatanetCSR數(shù)據(jù)庫。為了與seadatanet和NODC內(nèi)的其他元數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化，使用ISO19115元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)簽制定了CSRV1XML架構(gòu)和XML交換格式。CSRXML格式使用了seadatanet發(fā)起的通用詞匯，它通過Web服務(wù)和用戶客戶端保持業(yè)務(wù)。通過ISO標(biāo)簽和通用詞匯的使用，與其他元數(shù)據(jù)庫互操作性得到了確保。作為seadatanet項目的一部分，輸入工具也已經(jīng)升級。已經(jīng)開發(fā)了一個新的輸入工具：MIKADO，它適用于單機使用，與修訂后的CSRV1的XML格式兼容，并使用seadatanet常見通用詞匯。#p#分頁標(biāo)題#e#

（3）歐洲海洋環(huán)境數(shù)據(jù)庫目錄

歐洲海洋環(huán)境數(shù)據(jù)庫目錄（Europeandirecto?ryofmarineenvironmentaldatasets，EDMED）。由意大利國家海洋學(xué)和實驗地球物理學(xué)研究所（OGS）維護的海洋資料庫目錄介紹了由意大利幾個科學(xué)實驗室收集的500多套意大利海洋數(shù)據(jù)和普遍關(guān)心的國際數(shù)據(jù)庫。該目錄清單包括物理海洋學(xué)、海洋化學(xué)、生物海洋學(xué)、海洋氣象、水文、海洋生態(tài)和水下聲學(xué)等學(xué)科［10］。自21世紀初開始，已在全球范圍收集多目錄記載的數(shù)據(jù)集。他們的描述信息包括：觀測的參數(shù)、儀器、數(shù)據(jù)處理、地理區(qū)域和時間周期、可用性和協(xié)調(diào)中心及聯(lián)絡(luò)人。它們以各自的格式（如數(shù)據(jù)庫或文件、模擬記錄、紙圖、硬拷貝表格、生物樣品等）被引用。完整數(shù)據(jù)集目錄位于服務(wù)器上（http：／／nodc．ogs．trieste．it／cocoonda?taedme－search）。

（4）歐洲海洋機構(gòu)指南

作為seadatanet檢索服務(wù)的一部分，歐洲各國的國家海洋數(shù)據(jù)中心維護著許多的元數(shù)據(jù)庫。對于每個目錄，重要的是具有海洋數(shù)據(jù)采集、處理和管理活動和研究項目所涉及組織的最新名稱和地址。因此，建立了歐洲海洋機構(gòu)指南（Europeandirectoryofmarineorganisati?ons，EDMO），以簡化和有效一致的方式來管理這些地址和組織概況。目前，EDMO列出并描述了超過1000個研究院、數(shù)據(jù)保存中心、監(jiān)測機構(gòu)、政府和民間組織，它們從事海洋和海洋科研活動和／或數(shù)據(jù)和信息管理或支持服務(wù)。EDMO條目的匯編和維護，由seadatanet網(wǎng)絡(luò)的國家海洋學(xué)數(shù)據(jù)中心（NODCs）協(xié)調(diào)，他們與其所在國家的機構(gòu)接觸和溝通，以收集信息確保這些機構(gòu)的最新地址和信息。每個現(xiàn)有的元目錄的維護工作被并入這些NODCs的國家收集活動中，并已經(jīng)實施新的手段和工作方法，以支持協(xié)調(diào)的維護。NODCs可以通過網(wǎng)上內(nèi)容管理系統(tǒng)（CMS）檢查和更新國家組織的條目。

（5）歐洲海洋觀測系統(tǒng)目錄計劃

歐洲海洋觀測系統(tǒng)目錄（Europeandirecto?ryoftheinitialocean－observingsystems，ED?IOS）是一個基于互聯(lián)網(wǎng)的歐洲海洋觀測、測量和監(jiān)測系統(tǒng)的檢索目錄，是歐洲全球海洋觀測系統(tǒng)（EuroGOOS）的倡議之一，由歐洲委員會研究總局共同出資開發(fā)。該目錄包含元數(shù)據(jù)，即位置、測量參數(shù)、頻率、數(shù)據(jù)的可用性、儀器的技術(shù)信息、負責(zé)機構(gòu)以及數(shù)據(jù)持有機構(gòu)的鏈接等信息。EDIOS目錄的定期更新，確保大多數(shù)歐洲進行連續(xù)觀測的海洋觀測系統(tǒng)的最新信息。該目錄是EuroGOOS全面實施的先決條件，它實現(xiàn)了對歐洲業(yè)務(wù)模式的可用數(shù)據(jù)進行連續(xù)分析，從而能夠優(yōu)化儀器的布放、采樣策略及分類設(shè)計；基于EDIOS可訪問數(shù)據(jù)及其包括的海洋觀測系統(tǒng)，將海洋觀測設(shè)置為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，并幫助定義歐洲海洋觀測系統(tǒng)。EDIOS有如下幾個目標(biāo)：①收集目前在波羅的海、東北大西洋（包括西北部的歐洲陸架）、地中海的所有歐洲海洋觀測站點／設(shè)備（站、斷面、重復(fù)樣品、浮標(biāo)、平臺等）獲取的信息，包括其地理位置、技術(shù)特點、觀測的頻率，并將這些信息傳輸?shù)揭粋€可查詢的數(shù)據(jù)庫（目錄）。②通過對使用中的海洋觀測站點／設(shè)備進行分類來定義歐洲海洋觀測系統(tǒng)。③創(chuàng)建一個可視化用戶界面（用戶參與），以方便各種潛在用戶訪問本目錄。EDIOS分類系統(tǒng)對EDIOS元數(shù)據(jù)庫中的條目進行了分類，使全球海洋觀測系統(tǒng)（GOOS）的工作人員和使用者能開放式的以最小限制訪問GOOS并立即識別描述觀測站／數(shù)據(jù)的記錄；訪問某些組織和GOOS區(qū)域聯(lián)盟的觀測站／數(shù)據(jù)；以及那些僅設(shè)計為單一機構(gòu)或本地接入和使用的觀測站／數(shù)據(jù)。目前EDIOS包括12000多個信息條目，并不斷地在更新中。EDIOS收錄的信息包括：①數(shù)據(jù)收集手段（儀表、傳感器、船舶、網(wǎng)絡(luò)等）的技術(shù)規(guī)格。②地理坐標(biāo)。③觀測的詳述以及他們的時空特征（但不包括觀測值）。可以包括站點采樣的生物和生物化學(xué)數(shù)據(jù)的信息，沒有必要為這種實際記錄存儲做特殊的考慮。將提供包含實際記錄的數(shù)據(jù)庫／檔案的鏈接。④測量的近似精度。⑤采樣數(shù)據(jù)目前的應(yīng)用，包括衍生產(chǎn)品的應(yīng)用。⑥每個儀表或傳感器的責(zé)任機構(gòu)／研究所。⑦數(shù)據(jù)持有機構(gòu)和研究所的鏈接。EDIOS使得各國的國家海洋觀測系統(tǒng)能夠快速組合和協(xié)調(diào)，提高歐洲周圍海域的監(jiān)測和建模，并發(fā)展和完善觀測活動。它還允許對海洋觀測和預(yù)報系統(tǒng)的性能進行評估，并通過建立業(yè)務(wù)海洋觀測系統(tǒng)的分類計劃，來為海洋觀測技術(shù)設(shè)置歐洲標(biāo)準(zhǔn)。EDIOS將鼓勵對目錄中包含海洋觀測系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在國家間進行廣泛科學(xué)使用，以助于預(yù)測、評估，并制訂應(yīng)對全球變化的方案。

EDIOS對歐洲業(yè)務(wù)海洋學(xué)的促進作用將凸顯在業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的各個組成部分中，從儀器制造商、海洋觀測系統(tǒng)的設(shè)計和實施、建模到附加價值處理和客戶的需求。除了IOC／全球海洋觀測系統(tǒng)、EuroGOOS、世界氣象組織等國際計劃的用戶外，該目錄還將尋找自己的用戶群體。他們將是科學(xué)家和海洋科研院所和機構(gòu)，環(huán)境和資源管理機構(gòu)，氣象部門等其他人員；此外還包括SMEs海洋行業(yè)的中小企業(yè)。EDIOS將有助于一般的海洋資源用戶找到他們感興趣的數(shù)據(jù)來源。此外，歐洲海洋觀測地點／設(shè)備的匯編將有利于業(yè)務(wù)海洋學(xué)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的協(xié)作及科學(xué)使用，從而減少冗余或重復(fù)的數(shù)據(jù)采樣。由此帶來的成本節(jié)約可能吸引更多的調(diào)查研究海洋，進而增加我們對海洋過程的整體了解。對ED?IOS測量系統(tǒng)的分類，將建立歐洲的海洋觀測系統(tǒng)所需的歐洲標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)將處理由國家和區(qū)域機構(gòu)存儲的海洋觀測站點／設(shè)備的格式、尺度、單位、地域分布、類型和詳細信息。他們將有可能激勵海洋觀測設(shè)備的制造商和業(yè)主改善他們的系統(tǒng)。EDIOS將有可能首次實現(xiàn)對歐洲業(yè)務(wù)模式的連續(xù)性數(shù)據(jù)進行分析。主題網(wǎng)絡(luò)將收集分散的海洋觀測系統(tǒng)信息，將其整合歸入目前正在使用的歐洲業(yè)務(wù)化海洋觀測站點／設(shè)備的目錄（包括黑海）。EDIOS的建立將盡可能與現(xiàn)有的如SEANET和EDMED等國際元數(shù)據(jù)庫密切結(jié)合。如上所述，這樣的一個目錄能夠協(xié)調(diào)各個國家海洋觀測站，以改善歐洲海域周圍的監(jiān)測和建模，它是EuroGOOS全面實施的先決條件。EDIOS將會包括歐洲目前所有的目錄以及數(shù)據(jù)存儲機構(gòu)和研究所的鏈接，從而有利于歐洲的海洋組織、機構(gòu)和研究機構(gòu)之間的聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)共享。EDIOS將采用未來定期更新的規(guī)定。EDIOS將向海洋科學(xué)、機構(gòu)和企業(yè)提供前所未有的服務(wù)。這將補充和支持元數(shù)據(jù)庫，包含項目的檔案記錄，或該清單的科學(xué)航次，檔案數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心目錄和其持有者。到目前為止，海洋觀測站／設(shè)備的信息包括：海洋站、重復(fù)站、錨系浮標(biāo)、遠程成像等，目前在歐洲這些信息分散且不容易獲得。許多區(qū)域數(shù)據(jù)庫包含某些類型海洋觀測地點／設(shè)備的材料，或?qū)Ｗ⒂跍y量變量和機構(gòu)持有的數(shù)據(jù)。國家機構(gòu)和研究機構(gòu)通常持有他們經(jīng)常使用的海洋觀測地點／設(shè)備名單，但這個信息在不同的機構(gòu)之間是不兼容的，即格式、尺度、單位等類型和詳細信息往往不一致。因此，歐洲海洋觀測地點／設(shè)備全面的目錄將是業(yè)務(wù)海洋學(xué)和海洋科學(xué)領(lǐng)域一個新的非常有用的工具。在海洋數(shù)據(jù)管理領(lǐng)域，EU／MODB（地中海海洋資料數(shù)據(jù)庫）率先提供了一個地中海溫度和鹽度的全面數(shù)據(jù)集。這項工作由EU／ME?DATLAS項目進一步發(fā)展，該項目制作了目前地中海地區(qū)最完整的數(shù)據(jù)集，包括溫度和鹽度的氣候圖集。正在進行的EU?MEDAR／ME?DATLAS－II項目，旨在通過收錄化學(xué)和生物參數(shù)和黑海地區(qū)的數(shù)據(jù)推進上述工作。歐洲海域其他地區(qū)的數(shù)據(jù)庫和元數(shù)據(jù)庫包括：波羅的海海洋觀測系統(tǒng)（BOOS）收集由波羅的海沿岸國家運行的觀測站觀測信息；對于北海，歐洲北海地區(qū)的固定監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)研討會（SeaNet）提供浮標(biāo)和平臺的全面信息；其他歐洲國家建設(shè)海洋數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫的行動，與歐盟支持的區(qū)域海洋大型研究項目框架內(nèi)進行的海洋數(shù)據(jù)和信息管理活動相互聯(lián)系（OMEX、MTP、CANIGO等）。#p#分頁標(biāo)題#e#

除了BOOS和SeaNet元數(shù)據(jù)庫外，所有上述數(shù)據(jù)庫和元數(shù)據(jù)庫，主要或完全以傳統(tǒng)海洋航次調(diào)查期間收集海洋學(xué)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。然而，歐洲的海洋預(yù)報需要具有實時數(shù)據(jù)采集能力的觀測網(wǎng)絡(luò)和分析系統(tǒng)、數(shù)值模式和資料同化程序。為此，大多數(shù)歐洲沿海國家維護著業(yè)務(wù)海洋監(jiān)測計劃，這些計劃通常由國家機構(gòu)和研究機構(gòu)或科研組開展。然而，這些計劃和項目通常只在每個國家內(nèi)部運作，很少互相協(xié)調(diào)，即使在一個國家的各機構(gòu)之間他們往往也是不相容的。一般來講，一個國家有10到15個不同的機構(gòu)在進行業(yè)務(wù)觀測，如果計算所有那些地方一級的機構(gòu)，數(shù)字可以達到更高。除了國家方案，業(yè)務(wù)海洋數(shù)據(jù)也來源于國際項目（如MF?SPP—地中海預(yù)報系統(tǒng)的示范項目）?？傊珽DIOS是業(yè)務(wù)海洋學(xué)一個急需的工具，將填補現(xiàn)有歐洲海洋元數(shù)據(jù)庫存在的差距。EDIOS將通過提供關(guān)于歐洲在連續(xù)使用的儀器和傳感器信息的一個全面的目錄，幫助Euro?GOOS建立歐洲海洋觀測系統(tǒng)。此外，它的可視化用戶界面會使用戶很容易獲得感興趣的EDIOS資料，從而確保了EDIOS對所有海洋部門、商業(yè)和非商業(yè)組織的實用性。

歐洲海洋觀測與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)歐洲海洋觀測與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

（Europeanma?rineobservationanddatanetwork，EMOD?NET）是歐洲海洋委員會2008年發(fā)起建立的，其目的是把現(xiàn)有的、分散的歐洲海岸帶、大陸架以及周圍海盆海洋觀測系統(tǒng)獲取的原始數(shù)據(jù)整合起來，對其進行綜合管理，并制定相應(yīng)的政策保存數(shù)據(jù)，為政府決策者、海洋管理部門以及相關(guān)部門和研究人員等用戶提供方便快捷的數(shù)據(jù)訪問和獲取渠道，提高海洋觀測、預(yù)報、海洋資源管理、海運安全以及歐洲海洋研究效率等各項工作。EMODNET是端對端的系統(tǒng)，由傳感器與平臺、調(diào)查研究、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理和信息工具幾個模塊組成。EMODNET將形成一個公共的數(shù)據(jù)管理辦法，倡議和組織協(xié)調(diào)海洋數(shù)據(jù)的管理，包括歐盟第六框架計劃全歐洲海洋數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（seadatanet）的延時數(shù)據(jù)、歐洲海底觀測網(wǎng)（ESO－NET）的海底長期、多學(xué)科觀測站，歐洲全球海洋觀測系統(tǒng)（EuroGOOS）區(qū)域的實時和準(zhǔn)實時數(shù)據(jù)，歐洲氣象衛(wèi)星組織（EUMETSAT）的數(shù)據(jù)、圖像和產(chǎn)品，國際海洋勘測理事會（ICES）的大量海洋學(xué)數(shù)據(jù)等。歐盟委員會已經(jīng)簽署了創(chuàng)建歐洲海洋觀測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（EMODnet）試點組件的服務(wù)合約?？傮w目標(biāo)是創(chuàng)建試點門戶，將分散和訪問不便的海洋數(shù)據(jù)整合成完整海盆的可互操作的、持續(xù)和公開的數(shù)據(jù)流。整合的結(jié)果將有助于歐洲海洋觀測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的最終業(yè)務(wù)運行，為其確定流程、最優(yōu)技術(shù)和近似成本。EMODnet－水文地理門戶（EMODnet?hy?drographyportal）是EMODnet正在建設(shè)的數(shù)據(jù)門戶之一。水文地理門戶發(fā)起于2009年6月，目前正在為廣大用戶提供越來越多的產(chǎn)品和服務(wù)。在編制水深調(diào)查（鉛垂線、單波束和多波束調(diào)查）目錄方面正在取得突出的進展，并采用SeaDataNet的通用數(shù)據(jù)索引（commondataindex，CDI）結(jié)構(gòu)，提供其數(shù)據(jù)檢索和獲取服務(wù)。此外，這些調(diào)查數(shù)據(jù)被整合處理，生成了歐洲下列海區(qū)的高精度的電子水深產(chǎn)品：①泛北海區(qū)域：包括卡特加特海峽（在瑞典和丹麥之間）及延伸海域。②英吉利海峽和凱爾特海。③地中海西部、愛奧尼亞海、地中海中部。④伊比利亞海岸和比斯開灣（大西洋）。⑤亞得里亞海（地中海）。⑥愛琴海－利萬特海（地中海）。通過專門的數(shù)據(jù)產(chǎn)品查詢服務(wù)，用戶可以公開訪問下列地理信息系統(tǒng)圖層：①在0．25′經(jīng)緯度DTM網(wǎng)格上的格點水深。②標(biāo)注有等深線的標(biāo)量水深。③選擇查看單個DTM單元的質(zhì)控參數(shù)和源數(shù)據(jù)。④選擇顯示沿航線的深度剖面。⑤海岸線。⑥通過OGCWMS協(xié)議選擇添加CDI檢索服務(wù)所包含的圖層，如測深調(diào)查的軌跡等。用戶可以下載多種格式的數(shù)字地形。此外，用戶可以檢索原始調(diào)查的元數(shù)據(jù)，并可以向分布式數(shù)據(jù)管理者提交對這些數(shù)據(jù)集的訪問請求。OGCWMS還支持用戶使用數(shù)字地形與其他門戶網(wǎng)站數(shù)據(jù)產(chǎn)品相結(jié)合進行使用，這些門戶包括EMODnet開發(fā)的海洋生物、海洋化學(xué)、海洋地質(zhì)學(xué)、物理學(xué)和海洋生物棲息地門戶和其他門戶。許多組織參與了水文地理數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的獲取和提供，它們包括：①水文局，負責(zé)測量航線、港口航道，生產(chǎn)用于導(dǎo)航的紙質(zhì)海圖和電子海圖（ENC）。②負責(zé)管理和維護港口、海防、航道和水路的主管部門。這些機構(gòu)開展定期水深監(jiān)測調(diào)查，以確保維持經(jīng)協(xié)商的航海深度或確保國家的海防安全。③研究所，在其科學(xué)航次調(diào)查中收集多波束調(diào)查資料。④工業(yè)機構(gòu)，特別是能源工業(yè)，進行多波束調(diào)查線路管道和電纜線（風(fēng)電場），以及電信行業(yè)調(diào)查電話和互聯(lián)網(wǎng)電纜的架設(shè)。EMODnet水文和海底制圖組正在積極尋求與這些組織的合作，以生成更多的數(shù)據(jù)集（單／多波束調(diào)查、探測軌道、復(fù)合產(chǎn)品），以支持良好的地理覆蓋率和高品質(zhì)的水文數(shù)據(jù)產(chǎn)品。接收到的數(shù)據(jù)集正用于生產(chǎn)區(qū)域的數(shù)字地形模型（DTM），分辨率為0．25′×0．25′。該數(shù)據(jù)集本身不，但在CDI的元數(shù)據(jù)中有所描述，提供有關(guān)制作DTM的背景調(diào)查的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的訪問限制、組織者和者等明確信息。這樣一來，門戶網(wǎng)站不但為水文資料的提供者設(shè)置了一個向潛在用戶展示數(shù)據(jù)集的有力窗口，還可以對數(shù)據(jù)集進行有效的管理。

結(jié)束語

海洋環(huán)境現(xiàn)場實測資料的采集和管理是監(jiān)測海洋環(huán)境變化、海洋環(huán)境保護、海洋資源開發(fā)、海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋工程建設(shè)、海洋國防安全等一系列涉海事業(yè)的重要基礎(chǔ)。海洋觀測資料管理涉及海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的存儲、管理、分析、處理和共享等多個方面。為此迫切需要建立一套以海洋數(shù)據(jù)為對象，集海洋環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測、海洋數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)據(jù)共享為一體的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。在過去的十幾二十年間，全球已經(jīng)建立了海洋科研數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的幾個國際數(shù)據(jù)庫。例如，聯(lián)合國教科文組織／政府間海洋學(xué)委員會（IOC）已建立了海洋環(huán)境數(shù)據(jù)和信息（MEDI）數(shù)據(jù)集的查詢目錄。從最初打印的目錄開始，MEDI已于最近被重建為基于PC的應(yīng)用程序。MEDI的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)以全球變化的主目錄（GC?MD）為基礎(chǔ)。GCMD是由美國航空航天局開發(fā)的一個有關(guān)全球變化的數(shù)據(jù)集目錄（包括海洋數(shù)據(jù)集）。近年來，國際海洋資料和信息交換委員會（IODE）又發(fā)起了海洋數(shù)據(jù)門戶（ODP）計劃，旨在通過IODE網(wǎng)絡(luò)下的國家海洋資料中心完整地獲取海洋數(shù)據(jù)集和目錄，同時考慮通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)開發(fā)，使用戶能迅速便捷地查詢、評估并獲取數(shù)據(jù)，發(fā)展一個全球性的分布式數(shù)據(jù)系統(tǒng)。此外，澳大利亞也已經(jīng)開發(fā)了自己的“BluePages”目錄。尤其是海洋國家占大多數(shù)的歐洲，海洋數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)的發(fā)展更是走在世界前列，歐洲海洋學(xué)數(shù)據(jù)和信息管理網(wǎng)絡(luò)（EU／EURONODIM）、歐洲海洋觀測與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、歐洲海洋數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)等項目和計劃正在不斷的擴充和更新。歐洲的先進海洋數(shù)據(jù)管理理念和運行模式值得我們借鑒。我們應(yīng)采取具體行動，建立我國的綜合海洋數(shù)據(jù)管理網(wǎng)絡(luò)，并確保其能夠持續(xù)地發(fā)展。這里僅對我國的海洋數(shù)據(jù)管理和共享網(wǎng)絡(luò)持續(xù)發(fā)展提出幾條建議。#p#分頁標(biāo)題#e#

篇10

【關(guān)鍵詞】水聲信道；BELLHOP模型；多普勒時變效應(yīng)；時變模型

1.引言

隨著海洋開發(fā)和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，利用水聲信道傳送數(shù)據(jù)信息（如海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、水下圖像等）的需求不斷增加。因此，了解水聲信道的傳播特性并建立相應(yīng)的信道模型對水聲通信的發(fā)展具有十分重要的意義。

水聲信道是一復(fù)雜多變的信道，具有嚴重的衰減、多徑傳播和時變的特性，同時受到海洋環(huán)境噪聲的影響[1]。因此要用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來描述水聲信道是很困難的。傳統(tǒng)的水聲通信信道仿真主要基于射線聲學(xué)模型[2][3]，如BELLHOP模型[4]等。BELLHOP模型是通過高斯波束跟蹤方法[5]，計算水平非均勻環(huán)境中的聲場，它克服了傳統(tǒng)射線模型中聲影區(qū)強度為0和焦散線截面為0處聲強度為無窮大的缺陷。但它是靜態(tài)模型，當(dāng)收發(fā)節(jié)點固定時，信道沖激響應(yīng)保持不變，因此它不能反映水聲環(huán)境的時變特性。本文在BELLHOP射線模型的基礎(chǔ)上，針對水聲信道的傳播特性，重點考慮多普勒效應(yīng)對信道的影響，引入了一種BELLHOP--多普勒時變信道模型。同時對仿真中的各種參數(shù)進行了一定的理論分析。

2.時變信道模型

2.1 信道時變特性

圖1為在實驗室水池中的實測波形，接收端和發(fā)射端的水平距離為6m，信號持續(xù)時間為1ms。在本實驗中，我們讓接收端換能器以一定的速率靠近發(fā)送端換能器，然后觀察任意3個不同時刻的接收信號波形。從圖1可以清楚地看出3個不同時刻的接收信號波形和強度發(fā)生了變化?？梢?，實際的淺海水聲信道具有嚴重的時變性。

圖1 水池實測波形

2.2 多普勒和時變效應(yīng)

聲波在海水中傳播時會受到多普勒效應(yīng)的影響，這主要是由收、發(fā)端相對運動及海洋環(huán)境的不穩(wěn)定性（如海面波浪運動和海中湍流等）引起的。

多普勒效應(yīng)使接收信號的強度和波形隨時間改變，表現(xiàn)為兩個方面：頻移和擴展[6]。頻移即是頻率在原來基礎(chǔ)上產(chǎn)生了一定的偏差，擴展指的是在時域上信號被壓縮或展寬了。

不同聲線到達接收點時的入射掠角是不同的，所以各聲線相應(yīng)的多普勒系數(shù)將是不同的。設(shè)第i條聲線水平入射掠角為，則其對應(yīng)的多普勒系數(shù)為：

（1）

上式中為收發(fā)機相對速度，c為聲速。由于在[-1，1]間取值，所以最大多普勒頻移為：

（2）

其中fc為載波頻率；則受多普勒影響后信號頻率將位于[fc-fd，fc+fd]，如圖2中所示。

圖2 多普勒頻譜擴展

2.3 時變信道建模

由于BELLHOP模型沒有考慮水聲信道的時變特性，它的信道沖激響應(yīng)可表達為：

（3）

其中，N為到達接收點對聲場有貢獻的本征聲線的數(shù)目。和為聲波沿第i條傳播路徑到達接收點的本征聲線的聲壓幅度和傳播時間。

信號在傳播時，若收發(fā)機距離發(fā)生改變，從發(fā)送端到接收端的本征聲線路徑將發(fā)生變化，到達接收端的聲線入射角將隨時間變化，聲線的傳播時間也將隨之改變，它們之間的關(guān)系如下[7]：

（4）

（5）

其中，為t時刻第i條本證聲線的傳播時間，為第i條本征聲線在t時刻對應(yīng)的多普勒系數(shù)，與這一時刻到達接收點的聲線入射掠角有關(guān)；c為聲速，v為收發(fā)機的相對速度。

將（4）式的代入方程（3）中，便產(chǎn)生了考慮多普勒時變效應(yīng)的修正后BELLHOP信道沖激響應(yīng)：

（6）

對于方程（6），在不同觀察時刻和，若||>（=，為信道的相干時間），則信道沖激響應(yīng)發(fā)生變化。因此方程（6）是可以表征信道時變特性的BELLHOP--多普勒信道模型。其時變傳輸系統(tǒng)的一般表達式為：

（7）

其中，為系統(tǒng)的輸入信號，為信道的時變沖激響應(yīng)，n（t）為信道噪聲，r（t）為系統(tǒng)的接收端信號。

圖3 時變系統(tǒng)的傳輸

從圖3中可見，用時間片段（

3.仿真和分析

本仿真通過文本編輯器編輯BELLHOP水體環(huán)境文件*.env[5][8]，通過自己編寫的MATLAB程序?qū)?.env進行處理獲得信道沖激響應(yīng)，并畫出相應(yīng)的聲線圖。

*.env中的聲速剖面SSP（如圖4所示）是參照臺灣海峽中、北部海區(qū)1998年2-3月實測數(shù)據(jù)[9]設(shè)置的，其他一些參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 仿真中參數(shù)

載波頻率f（KHz） 收發(fā)機水平距離（m） 整個水體平均深度（m） 發(fā)射機深度（m） 接收機深度（m） 收發(fā)機間觀測點數(shù)目 聲線數(shù)

20 1000 43 10 18 150 9

仿真處理后得到此水體環(huán)境條件下BELLHOP模型的聲線圖及信道沖激響應(yīng)分別如圖5和圖6中所示。

圖4 聲速剖面SSP

圖5BELLHOP聲線圖

圖6 BELLHOP模型信道沖激響應(yīng) 圖7 發(fā)送信號

現(xiàn)在傳輸系統(tǒng)中加入SNR=5dB的高斯白噪聲，發(fā)送f0=20KHz的sin信號（如圖7所示），信號持續(xù)時間為1s。令接收機以v=10m/s的速率向發(fā)送端移動，則通過計算可知最大多普勒頻移≈133Hz，信道相干時間≈0.0075s。由此可見，在sin信號傳播過程中信道是時變的。將sin信號以=0.003s進行時間切片，取傳播中的任意3個時間片的信道沖激響應(yīng)（如圖8所示）及接收信號（如圖9所示）來觀察結(jié)果。發(fā)送信號和各時刻接收信號的單邊幅度（下轉(zhuǎn)第112頁）（上接第105頁）譜如圖10所示。

從圖8中可以明顯看出不同時刻信道沖激響應(yīng)發(fā)生變化，圖9顯示出不同時刻接收波形不同?？梢姡瑑H在1s的時間內(nèi)，信道環(huán)境有明顯變化。此結(jié)果與圖1中的實測波形特點一致，因此可以證明本文提出的BELLHOP--多普勒時變信道模型可以模擬出淺海水聲信道的時變特性。

圖8 3個不同時刻的信道沖激響應(yīng)

圖9 3個不同時刻的接收信號波形

本仿真也體現(xiàn)出了多普勒效應(yīng)使信號產(chǎn)生頻移和時間壓縮（或擴展）的變化。圖10中的幅度譜顯示信號發(fā)生頻率偏移現(xiàn)象，由于不同時刻及各徑多普勒系數(shù)的不同，信號頻偏情況也不同，但它們的頻譜都分布在[19867Hz，20133Hz]。

圖10 發(fā)送信號及各時刻接收信號的頻譜

4.結(jié)論

本文提出的BELLHOP--多普勒時變模型基本上實現(xiàn)了對淺海水聲信道的模擬。該模型充分考慮了水體環(huán)境和信道幾何結(jié)構(gòu)等物理因素，可以反映出水聲信道中多普勒效應(yīng)引起信道時變的特性。同時本文分析了多普勒效應(yīng)造成信號頻移和時域擴展（或壓縮）的問題。當(dāng)然，更加完善和逼真的水聲信道模型的建立還需要對復(fù)雜的環(huán)境參數(shù)和信道特性的進一步研究。

參考文獻

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