01.海洋工程环境学

1风浪流海冰海洋工程结构物响应设计评价载荷：load，指的是使结构或构件产生内力和变形的外力及其它因素。或习惯上指施加在工程结构上使工程结构或构件产生效应的各种直接作用，常见的有：结构自重、楼面活载荷、屋面活载荷、屋面积灰载荷、车辆载荷、吊车载荷、设备动力载荷以及风、雪、裹冰、波浪等自然载荷。响应：response，系统在激励作用下所引起的反应。本章的意义2课程意义•海洋工程结构设计中存在很多缺陷--控制载荷不明确--设计准则不确定•海洋工程结构运行中存在很多风险--结构设计问题--环境载荷、结构动力分析--安全保障措施3海洋工程结构物•浮式结构：船舶、FPSO、半潜式平台等•固定式结构：海洋平台、跨海大桥、风力发电机、灯塔等等1000’2000’3000’4000’5000’6000’7000’8000’9000’0’FixedPlatformTensionLegPlatformSparPlatformSemisubmersiblePlatformSemisubmersiblePlatform19801995200020052010陆上90S，中深水80S，浅水2000S，深水、超深水4常见的船舶工程问题•船舶耐波性和波浪载荷问题的重要事件：局部运动、加速度、砰击、甲板上浪、破碎波效应、水舱液体晃动等•船体与波浪之间的垂向加速度和相对垂向运动是重要的响应。•加速度决定货物和设备上的载荷，并决定人员的舒适度。•相对垂向运动用来评估砰击和甲板上浪的可能性及破坏作用（结构局部破坏）。5•对渔船、起重船、客船和军用舰艇，横摇是一个重要问题；•小型船只，横摇与风、甲板上浪或者货物的移动组合，可能导致船体倾覆；•对散货船、油矿组合船（OBO）、液化天然气（LNG）船以及装油的油轮，液舱晃荡是一问题；•波浪引起的弯矩、剪力和扭矩对大型船很重要；•由于主动和非主动减速，船体运动和环境载荷可以显著地影响船速。6常见的海洋平台工程问题•垂荡运动对于钻探作业（钻井船）、半潜式采油平台是一限制因素；•横摇运动对于起重船的操作或用船运输的自升式和半潜式平台，是一重要运动模式；•在设计海洋结构物的系泊系统时，由风、浪、流漂移力引起的载荷以及风和波浪引起的运动通常是同等重要。（一是系泊锚链的破坏强度；二是立管系统的挠性）•对于起重船、潜水船、铺管船的船位保持，风、流、波浪漂移力是重要因素•寒区抗冰油气平台对于冰载荷的抵抗能力，冰激结构物振动是关键问题。78工程手段•解决工程环境载荷的几种手段：理论推导、数值模拟、模型实验、原型（实尺）实验。•原型实验：最理想的手段，但费用昂贵，可控条件难以控制；•模型实验：方便、可控；但存在相似比问题•数值模拟：数值模拟取决于理论方法的发展，某些情况下只靠数值模拟来计算分析载荷作用机理是不可靠的•目前较科学的手段：数值模拟与实验方法的结合。90.海洋环境与海洋结构物0.1海洋环境因素分析1—海洋面积为地球表面积的70.8%.—海洋体积为地球体积的0.127%.—海洋水量为地球上总水量的97%.—海水的热容量为空气的3000倍，陆地的2倍。100.海洋环境与海洋结构物0.1海洋的划分•地球上互相连通的广阔水域构成统一的世界海洋。根据海洋要素特点及形态特征，可将其分为主要部分和附属部分。主要部分为洋，附属部分为海、海湾和海峡。洋或称大洋，是海洋的主体部分，一般远离大陆，面积广阔，约占海洋总面积的90.3%；深度大，一般＞2000m；海洋要素如盐度、温度等不受大陆影响，盐度平均为35‰，且年变化小；具有独立的潮汐系统和强大的洋流系统。•海是海洋的边缘部分，据国际水道测量局的材料，全世界共有54个海，其面积只占世界海洋总面积的9.7%。海的深度较浅，平均深度一般在2000m以内。其温度和盐度等海洋水文要素受大陆影响很大，并有明显的季节变化。水色低，透明度小，没有独立的潮汐和洋流系统，潮波多系由大洋传入，但潮汐涨落往往比大洋显著，海流有自己的环流形式。1110.海洋环境与海洋结构物1120.海洋环境与海洋结构物0.1海洋环境因素分析•太平洋，大西洋，印度洋，北冰洋•地中海，波斯湾，墨西哥湾，加勒比海•北海，南海1海洋范围大西洋23%印度洋20%其它11%太平洋46%太平洋大西洋印度洋其它1000米8%2000~6000米53%其它34%200米5%200米1000米2000~6000米其它面积：深度：1320.1海洋环境因素分析–地理条件世界各大洋的面积、容积和深度包括附属海不含附属海面积容积深度（m）面积容积深度（m）名称106km2%106km３%平均最大106km2%106km３%平均最大太平洋179.67949.8723.69952.8402811034165.24645.8707.55551.6428211034大西洋93.36325.9337.69924.63627921882.42222.8323.61323.639259218印度洋74.91720.7291.94521.33897745073.44320.3291.03021.339637450北冰洋13.1003.616.9801.3129654495.0301.410.9700.821795449世界海洋467.0591001476.323100379511034432.14190.31439.16897.3379511034140.1海洋环境因素分析–地理条件海是海洋的边缘部分，据国际水道测量局的材料，全世界共有54个海，其面积只占世界海洋总面积的9.7%。海的深度较浅，平均深度一般在2000m以内。其温度和盐度等海洋水文要素受大陆影响很大，并有明显的季节变化。水色低，透明度小，没有独立的潮汐和洋流系统，潮波多系由大洋传入，但潮汐涨落往往比大洋显著，海流有自己的环流形式。1520.1海洋环境因素分析海岸带一般包括海岸、海滩和水下岸坡三部分。海岸是高潮线以上狭窄的陆上地带，大部分时间裸露于海水面之上，仅在特大高潮或暴风浪时才被淹没，又称潮上带。海滩是高低潮之间的地带，高潮时被水淹没，低潮时露出水面，又称潮间带。水下岸坡是低潮线以下直到波浪作用所能到达的海底部分，又称潮下带，其下限相当于1/2波长的水深处，通常约10～20m。1620.1海洋环境因素分析大陆架：根据1958年国际海洋法会议通过的《大陆架公约》，大陆架定义为“邻接海岸但在领海范围以外深度达200m或超过此限度而上覆水域的深度容许开采其自然资源的海底区域的海床和底土”，以及“邻近岛屿与海岸的类似海底区域的海床与底土”。依自然科学的观点，大陆架则是大陆周围被海水淹没的浅水地带，是大陆向海洋底的自然延伸。其范围是从低潮线起以极其平缓的坡度延伸到坡度突然变大的地方为止。1720.1海洋环境因素分析海底地形180.1海洋环境因素分析全球海脊分布图190.1海洋环境因素分析全球海洋板块分布图200.1海洋环境因素分析中国近海21220.1海洋环境因素分析中国近海•渤海：渤海属于内海。是一个较封闭的温带浅海。南北长约300nmile东西宽约160nmile，海区面积约7.7万平方公里，平均深度为18m，最大深度为70m，流入渤海的河流较多，其中主要有辽河、海河和黄河等。230.1海洋环境因素分析中国近海•黄海：黄海位于中国大陆和朝鲜半岛之间，属于半封闭的浅海。黄海南北长约470nmile，东西宽约300nmiIe，海底面积约38万平方公里。黄海的平均深度为42m，最大深度为60m。其中北黄海面积约为72万平方公里，平均深度38m；南黄海面积约达30.9万平方公里，平均深度46m。流入其内的河流，主要有鸭绿江、大同江、汉江等。240.1海洋环境因素分析中国近海•东海：东海位于浙江、福建之东，台湾和琉球之西。它是我国近海面积较大和大陆架较宽的一个海。它略至扇形，扇面撒向太平洋，南北长700nmile，总面积77万多平方公里。平均水深349m。流入东海的河流主要有长江、钱塘江、闽江等。250.1海洋环境因素分析中国近海•南海：南海是我国最大的海域，也是西太平洋较大的边缘海之一。总面积约为350多万平方公里，平均深度1212m，最大深度为5567m。海盆周围有陆坡，呈台阶状，北部和西南海的陆架较宽广，有半封闭的浅海湾，西岸陆架较窄，南部、东部边缘还夹有海槽、海沟。海岸线长，单在我国境内就有6000km(不计岛屿岸线)，约占全国的三分之一。曲折复杂，港湾也多。流入南海的河流主要有珠江、红河、湄公河等。260.1海洋环境的复杂性•海洋是个无时无刻不在运动着物理系统，海洋中水-汽-冰三态的转化无时无刻不在进行，海水的运动还受制于海面风应力、天体引力、重力和地球自转偏向力等。导致海洋中的各种物理过程更趋复杂，即不仅有力学、热学等物理类型，而且也有大、中、小各种空间或时间特征尺度的过程。•海洋中的近20万种动物、1万多种植物、还有细菌和真菌等，组成了一个•海洋作为一个自然系统,具有多层次耦合的特点。蒸发与降水，结冰与融冰，海水的增温与降温，下沉与上升，物质的溶解与析出，沉降与悬浮，淤积与冲刷，海侵与海退，潮位的涨与落，波浪的生与消，大陆的裂离与聚合，大洋地壳的扩张与潜没，海洋生态系平衡的维系与破坏等等。它们相反而相成，共同组成了这个复杂的统一体。各个子系统之间，如海洋与大气，海水与海岸、海底，海洋与生物及化学过程等等，大都有相互耦合关系，并且与全球构造运动以及某些天文因素等密切相关。这些自然过程通过各种形式的能量或物质循环，相互影响和制约，从而结合在一起构成了一个全球规模的、多层次的复杂的海洋自然系统。海洋科学体系：物理海洋学、化学海洋学、生物海洋学、海洋地质学、环境海洋学、气象学、海洋探测技术、工程海洋学等。270.1海洋环境因素分析-物理性质•海水的物理性质1.密度2.温度3.粘性4.压力5.颜色6.透明度280.1海洋环境因素分析-化学性质•海水是一种非常复杂的多组分水溶液，其主要组成见图1.主要成份阳离子Na，K，Ca，Mg和Sr，阴离子Cl，SO4，Br，CO3，F，分子形式H3BO3，占海水盐分的99.9%2.其它成分盐度动态平衡29海洋开发领域•海洋油气开发•海洋矿产开发•海洋能源•海洋空间利用•海洋观测，通讯等30海底的矿产资源物31方兴未艾的海洋油气开发•中国南海•南大西洋•里海•西非世界探明的四大海洋油气区分别是波斯湾、加勒比海的帕里亚湾和委内瑞拉湾、北海和墨西哥湾。其中波斯湾是目前海洋石油资源最丰富的地区，面积约150×104km2，已探明储量120多亿吨，约占世界海洋石油探明储量的50%。新兴区域：32133343536海洋油气勘探钻井37海洋油气勘探采油38海洋油气勘探管道铺设390.2海洋结构物天然气水合物的开发海底天然气水合物是一种由碳氢气体与水分子组成的白色结晶状固态物质，外形如冰雪，普遍存在于世界各大洋沉积层空隙中。根据国际天然气潜力委员会的初步统计，世界各大洋天然气水合物的总量换算成甲烷气体约为1.8~2.11016m3，大约相当于全世界煤、石油和天然气等总储量的两倍，被认为是一种潜力很大的、提供21世纪开发的新型能源。400.2海洋结构物海底金属结核开发•1.多金属结核的定义•2.多金属结核形成的奥秘•3.多金属结核的资源量评价和计算•4.附着在五千多米大洋底的多金属结核的开采•5.多金属结核资源的利用指日可待410.2海洋结构物多金属结核的定义•多金属结核(亦称锰结核、铁锰结核、锰矿球)是一种富含多种金属元素、主要由铁锰氧化物和氢氧化物组成的“球状”沉积物。•锰结核又称“锰矿瘤”,主要由铁锰氧化物和盐类等矿物组成的不规则的黑色到棕色的结核。结核是外形像土豆的黑色团块,其形态各异,大小不同,切开来是一圈圈的纹理,好似树木的年轮,甚至可以一层层的剥开来,直径为几厘米至几十厘米。结核中除有铁和锰外,还含有铜、镍、钴等30多种金属元素、稀土元素和放射性元素。其中最有价值的是铜、镍、钴、锰。这四种金属资源仅在太平洋底的储量就分别是全球陆地贮量的50倍、600倍、3000