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海洋经济发展与海洋环境保护问题-环境工程
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内容提示：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。海洋经济的发展还面临严酷的海洋自然环境，精确预报海洋灾害的发
摘 要：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。海洋经济的发展还面临严酷的海洋自然环境，精确预报海洋灾害的发生、发展和应该采取何种防灾减灾工程措施，也成为严重关注的环境问题。为了开发海洋资源，需要在海上进行各类工程建设，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，针对我国重大的海洋环境与保护问题，重点开展研究方面的课题大体上有三类。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及防治措施与对策。
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。（参考《建筑中文网》）
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。
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。（参考《建筑中文网》）
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。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200809/12059.htm
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