01.海洋工程环境学

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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。 6
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、 26 环境海洋学、气象学、海洋探测技术、工程海洋学等。
0.1 海洋环境因素分析-物理性质 • 海水的物理性质 1. 2. 3. 4. 5. 6. 密度 温度 粘性 压力 颜色 透明度
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0.1 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
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 25 公河等。
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0. 海洋环境与海洋结构物
0.1 海洋环境因素分析
— 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。
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0. 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。
90S，中深水 2000S，深水、超深水
7000’ 8000’
2010
3
9000’
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）。
印度洋 20%
太平洋 46% 太平洋 大西洋 印度洋 其它
大西洋 23%
2000~6000 米 53%
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0.1 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 名称 面积 106km2 % 容积 106km
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不含附属海 深度（m） 面积 106km2 % 容积 106km
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1
0. 海洋环境与海洋结构物
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1
0. 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 面积：
海洋范围
其它 11%
深度：
其它 34%
<200米 5% <1000米 8% <200米 <1000米 2000~6000米 其它
３
深度（m） % 平均 最大 9218 7450 5449
%
平均 最大 9218 7450 5449
太平洋 179.679 49.8 723.699 52.8 4028 11034 165.246 45.8 707.555 51.6 4282 11034 大西洋 93.363 25.9 337.699 24.6 3627 印度洋 74.917 20.7 291.945 21.3 3897 北冰洋 13.100 3.6 16.980 1.3 1296 82.422 22.8 323.613 23.6 3925 73.443 20.3 291.030 21.3 3963 5.030 1.4 10.970 0.8 2179
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0.1 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470 n mile，东西宽约300 n miIe，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。
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0.1 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700 n mile，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。
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0.1 海洋环境因素分析
• 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。
0.1 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
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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。
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• 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。
本章的意义
风 浪 流 海冰
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。 1 设计 海洋工程 结构物 响应 评价
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0.1 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。
Fixed Platform Tension Leg Platform Spar Platform Semisubmersible Platform Semisubmersible Platform
0’ 1000’ 1980
陆上 80S，浅水
1995
2000’
3000’ 4000’ 2000 5000’ 6000’ 2005
世界海洋 467.059 100 1476.323 100 3795 11034 432.141 90.3 1439.168 97.3 3795 11034
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0.1 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。
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