海洋环境观测前景范文

导语：想要提升您的写作水平，创作出令人难忘的文章？我们精心为您整理的13篇海洋环境观测前景范例，将为您的写作提供有力的支持和灵感！

篇1

最新卫星在轨测试表明，海洋二号卫星和星载设备工作稳定，卫星测高精度8.5厘米，有效波高精度0.5米，风速精度每秒2米，风向精度20度……各项功能和性能均满足未来的应用要求，整体达到国际先进水平。此外，其观测数据还将有效补充国际同类微波遥感卫星数据的不足，在全球对地观测体系中发挥不可替代的重要作用。

未来，海洋二号卫星将在海洋环境监测与预报、资源开发、维护海洋权益及科学研究等方面发挥重要作用：可连续有效地监测风暴潮和巨浪等极端海洋现象，提高海洋灾害预警的时效性和有效性；提供识别大洋中的锋面和中尺度涡的重要大洋渔场信息，为大洋渔业资源开发提供技术保障；卫星获取的数据能够有效监测全球海平面变化和极地冰盖变化，为研究全球气候变化提供科学依据。

揭秘

HY-2卫星应用前景如何？有哪些创新与突破？研制背后有哪些不为人知的故事？新华社记者第一时间采访到海洋二号卫星总指挥马世俊、总设计师张庆君、国家卫星海洋应用中心主任蒋兴伟做权威解析。

应用范围广泛

蒋兴伟：交付国家海洋局后，HY-2卫星将服务海洋环境监测与预报、海洋调查与资源开发、海洋污染监测与环境保护、海洋权益维护、海洋科学研究及应用研究。同时，为空间防灾减灾、应对气候变化研究提供重要支撑。

实现两个“首次”

张庆君：HY-2完成了与地面激光通信终端之间星地激光通信试验。这是国际上首次成功的低轨卫星与地面站之间“星地、地星双向激光通信”。

基于此，HY-2可获得我国卫星光通信系统在轨空间运行状态参数，以及光在大气中远距离传输分布的数据采集分析；空间背景光噪声测试数据采集和存储分析；光束到达角起伏漂移测试数据采集存储分析等。

可以说，这次星地激光通信试验，解决了卫星高速数传技术瓶颈问题，是我国卫星高速动态实时激光通信技术发展的里程碑。

通过双频GPS、DORIS及激光角反射器等多种高精度定轨设备组合，HY-2精密定轨精度达到2至3厘米，标志着我国测定轨技术从几十米到厘米级的大跨越。这意味着，我国用三四年走过了国际上三四十年的发展道路，一举达到国际领先水平。

平台产品全部自主研制

张庆君：我国自主研制的新一代星敏感器、三浮陀螺、双频GPS接收机和X波段行波管放大器等关键设备在HY-2上应用，运行稳定，各项技术达到或优于国外同类产品。

此举打破了我国平台产品长期受制于人的局面，为后续卫星设计提供了备选产品。

与国际领先水平尚有差距

张庆君：HY-2综合能力较优。但与国际上一些针对某项海洋动力环境要素的专用探测卫星相比，HY-2还有差距。比如欧美法合作的Jason-2卫星就是一颗专用雷达高度计卫星，它的海面高度测量精度可达1至2厘米，代表国际最高水平。HY-2的产品精度要达到顶级水平，需要星、地两方面综合能力的进一步提升。

篇2

关键词

近海，生态安全，海洋生态系统评估，管理

海洋为人类社会的存在和发展提供了极为重要的物质资源支撑和空间环境保障。目前，全球一半以上的人口生活在沿海地区，近海资源、环境和空间已成为支撑人类社会持续发展的重要物质基础。同时，近海又是地球表面不同圈层的交汇区，具有生产力高、生物和生境多样性丰富等特征，但也承受着人类活动和气候变化等诸多因素影响，生态系统相对脆弱，是全球海洋中最为敏感、最受关注的区域[1]。近年来，近海生态系统出现显著变化，造成生态系统结构改变和功能退化，危及近海生态安全，也损害了近海生态系统所提供的服务及其对人类的福祉。中国是一个海洋大国，拥有18000多公里海岸线和300多万平方公里管辖海域，有世界上最为典型的宽阔陆架海区和具有巨大输水输沙量的大河河口海域。中国政府重视海洋资源开发、海洋环境保护和海洋权益维护，大力开发海岸线资源、海岛资源、港口资源、滨海湿地资源、海洋生物资源、浅海油气资源等，在沿海一线和近海海域建设了核电站，港口、人工岛、海上石油平台、海上风力发电站等大型海洋工程项目以及“海洋牧场”“人工鱼礁”等各类渔业工程项目。沿海社会经济的快速发展对于海岸带有限的空间资源提出了更高的要求，而高强度的人类活动也给近海生态系统带来了更大的压力，出现了近海环境恶化、生态灾害多发、渔业资源衰退等问题，严重影响社会经济的可持续发展，生态安全堪忧，需要采取适宜的管理对策[2]。

1近海生态安全

生态安全是近期形成的新认识，与可持续发展紧密相关，是对可持续发展概念的补充和完善。广义上的生态安全是指生态系统在保障人类生活、健康、福祉、基本权利、生活保障来源、必要资源、社会秩序和人类适应环境变化的能力等方面不受威胁的状态；狭义上的生态安全则是指生态系统自身的完整性和健康状况[3]。在我国，近20年来生态安全方面的研究受到密切关注，许多学者对生态安全概念进行了解析和发展[4,5]，并围绕生态安全理论、生态安全评估和预警方法，以及区域生态安全等问题开展了系统研究。近海生态安全是生态安全的重要组成部分，对近海生态安全的关注首先源于对近海生态系统功能、服务和价值的深入认识[6]。近海海域拥有多样化的生境和丰富的生物多样性，通过不同生物种类之间以及生物与环境之间复杂的相互作用，使近海生态系统具有重要的功能（如碳、氮、磷等生源要素的物质循环、有机质合成和能量传递等），并为人类社会发展提供了供给、支持、调节和文化等多样化的生态系统服务。基于对大量相关文献的分析，Liquete等人[7]将近海生态系统提供的服务梳理为三大类14种，涵盖了食物生产、水体调控、生物材料、水质净化、大气质量调控、海岸带保护、气候与天气调节、营养物质循环、生物调控、旅游景观等诸多方面，这些服务高度依赖近海生态系统结构和功能的稳定性。然而，近海生态系统面临陆源污染、气候变化、富营养化、过度捕捞、生境丧失、无序养殖和物种入侵等多重胁迫，而且许多影响因素的作用仍在不断加强。过去100年里，全球人口数量、工农业生产和渔业捕捞活动的快速增长对近海生态系统稳定性造成了巨大压力，其影响前所未有。以碳、氮、磷等生源要素的生物地球化学循环过程的改变为例，大量化石燃料燃烧造成了大气CO2浓度的快速上升，不仅导致海水温度上升，还加剧了海洋酸化问题，并引起了海平面上升、海流改变、水体层化加强和溶解氧浓度下降等间接效应。1980—2011年，大气中CO2含量平均每年上升1.7ppm，从2001年开始，这一速率开始上升到每年2.0ppm[8]。可以预期，大气CO2含量上升对海水温度和海洋酸化的影响短期内仍会持续加剧。出于化肥生产需求，从19世纪末至今，进入地球生态系统中的活性氮增加了约20倍。20世纪90年代，通过化肥施用和化石燃料燃烧等过程进入环境中的氮达到1.6亿吨，远远超过陆地生物固氮量（1.1亿吨）和海洋生物固氮量（1.4亿吨）[9]。据估算，从19世纪末至今，全球活性氮入海通量增幅接近80%；到2030年，全球近海生态系统的氮通量还会再增加10%—20%。磷的生物地球化学过程也受到化肥施用、污水排放等人类生产生活活动的影响，每年经由河流从陆地输入海洋中的溶解态磷约有400万—600万吨，是自然状态下的2倍[10]。过量输入的氮、磷营养物质加剧了近海富营养化问题，也对海洋生态系统造成了巨大的压力。在人类活动和气候变化等因素影响下，近百年来近海生态系统发生了许多显著变化，许多重要生境丧失，海水温度上升，缺氧、酸化等问题开始显现。目前，全球50%的盐沼湿地、35%的红树林、30%的珊瑚礁和29%的海草床因破坏而丧失。受全球变暖影响，海水表层水温持续上升，加剧了水体层化现象，这会减弱营养物质交换，又可能导致中、低纬度海域初级生产力水平的下降。在近海许多海域，因富营养化导致的底层水体缺氧现象已非常普遍，对许多海洋生物，尤其是底栖经济动物造成巨大的胁迫，甚至影响到渔业资源。海洋酸化问题则会影响到颗石藻等初级生产者以及珊瑚礁和牡蛎礁等重要生境，甚至导致食物网结构的改变。除上述变化外，更令人关注的是近海生态系统发生突发性生态灾害事件的风险也在不断增加。通常情况下，生态系统是逐渐变化的，但一旦环境因素的影响超越生态系统的承受能力，生态系统可能会突发变化，有时甚至会出现生态格局的更替现象（regimeshift），危及生态安全。在近海，与富营养化密切相关的有害藻华问题、缺氧问题，以及渔业资源的崩溃，都是生态系统的异常变化。这种大幅度、非线性的生态系统变化，一方面会造成巨大的经济损失，另一方面也使得生态恢复的难度增加，甚至无法恢复。在我国，近海生态安全的形势十分严峻[11]。大部分近海河口和海湾区域面临着严重的富营养化问题，在渤海、南黄海、长江口邻近海域、东南沿海、北部湾等海域，不同类型的有害藻华问题突出；长江口邻近海域和黄、渤海部分近岸海区底层水体缺氧问题逐渐显现；近海亚健康和不健康海域面积不断增加，天然岸线不断缩减，珊瑚礁、红树林以及河口区等重要资源生物的生存生境丧失。这些问题对沿海地区社会经济发展和近海生态系统健康构成了严重威胁。但是，目前对近海生态安全问题的认识仍不够充分，也缺少系统的评估工作，需要着手发展海洋生态系统的长期观测与信息获取能力，开展近海生态系统健康评估与变化预测，推进基于海洋生态系统的管理。

2未来海洋生态系统管理

2.1加强近海生态系统长期观测与信息获取能力

对近海生态系统的长期观测和信息获取是开展近海生态系统管理的基石。当前，我国在近海生态系统的观测与能力建设方面已初具规模，海洋信息化水平也得到显著提升。然而，与其他国家相比还存在相当大的提升空间。要加强近海生态系统长期观测与信息获取能力，需要系统部署，提升对重点海域的长期观测、原位观测和实时观测能力，同时在机制与体制上解决海洋观测数据共享共用的问题。近海生态安全及生态灾害问题的出现是海洋生态系统结构与功能变动的体现。生态系统中的因果关系常具有滞后效应，短期研究难以揭示数年或几十年的变化趋势，也不能解释这些变化的因果关系[12]。因此，获得近海生态系统长期变化的信息对于揭示近海生态灾害成因、解决近海生态安全问题极为重要。其中，甄别气候变化与人类活动、甄别长期压力与短期波动、甄别可调控因素与不可调控因素非常关键，这也属于长期生态学的研究范畴。目前国际上知名的长期观测网络，如国际长期生态研究网络（ILTER）、美国长期生态研究网络（US-LTER）、英国环境变化监测网络（ECN）、中国生态系统研究网络（CERN）等，在生态系统长期变化与示范服务方面取得很多重要成果[13-15]。但是，长期生态研究网络中与海洋相关的部分难以满足国家解决海洋问题的需求，需要在此基础上进一步设立国家长期观测断面，并开展相应的长期研究工作，这一方面日本的国家断面、欧洲的大西洋观测断面、英国哈迪基金会的浮游生物连续记录仪长期观测等都提供了很好的先例。我国在中国生态系统研究网络中只设有胶州湾、大亚湾、三亚湾3个海洋长期观测站。虽然不同的部门与项目也设立有近海观测系统，但远不能满足近海生态系统长期观测和研究的需求。随着近海生态问题的日益突出，需要基于已有观测系统，针对近海生态安全、生态灾害、近海生态系统评估等问题设立我国的国家级长期科学观测断面与观测网，优选观测指标和分析方法，并进行数据质控标准化。通过长期观测揭示影响我国近海生态系统变动的关键过程，构建近海生态系统评估方法体系，提出近海生态灾害防控、退化生态系统修复的措施与对策。近海生态安全问题的预警、预报具有时效性，需要在部署长期科学观测网的基础上，从科学和技术2个方面着力提升针对近海生态系统的实时、原位观测能力，包括针对海洋生态系统的不同要素进行原位传感器的研发，提升观测精度和实时数据传输能力，以及对实时观测数据的分析能力。目前针对物理海洋学要素的传感器技术相对来说较为成熟，但是化学海洋学，特别是生物海洋学传感器仍然存在技术瓶颈，无法满足对海洋生态安全预警预报的需求。如何突破这些技术瓶颈，构建和完善多学科耦合的近海观测网，对于我国近海生态安全与生态系统的管理至关重要。数据获取和数据共享是所有学科领域共同面临和关心的问题。由于海洋观测的特殊性，数据的共享显得尤为重要。美国的长期生态研究网络采取开放的数据政策，明确地提出了如何、获取和使用长期观测数据,以及对数据用户和数据提供者的要求。对于我国的海洋观测，如何进一步优化数据管理，并提供体制与机制上的保障，确保海洋观测数据共享共用，是需要从国家和各部门层面重点考虑的问题。综上所述，在我国近海信息获取方面，需要开展全局性、战略性顶层设计，统一海洋数据标准，建立有效的海洋数据共享机制；加强立体观测手段，开展重点区域加密观测，传感器网格化系统集成；建立海洋环境实时在线监测体系，实施典型生态系统的实时监测与灾害预警。

2.2开展近海生态系统健康评估与预测研究

近海生态系统健康评估是海洋管理和开发利用的重要途径。它以“生态系统途径”为指导原则，通过科学认知，了解和掌握海洋环境的健康状况，分析人类活动等压力给海洋环境造成的影响，为海洋管理和决策者提供科学依据，为平衡海洋生态系统保护和海洋经济发展之间的关系，实现对海洋环境的保护和恢复、促进海洋经济的可持续发展提供量化的科学标准。生态系统健康研究始于20世纪70年代，近年来在河口、海湾等近海生态系统的评估中也得到了广泛应用。围绕近海生态系统健康评估的核心问题，如近海生态系统健康概念的定义、评估方法、评估指标以及标准等[16,17]，各国政府和学者进行了理论和方法上的探索，开展了大量研究工作。相比其他生态系统，海洋生态系统边界具有开放性，结构功能也更为复杂，不同海域的生态系统又具有特异性，加之对生态系统健康的认知差异，海洋生态系统健康定义以及评估面临着种种困难与挑战。近年来，近海生态系统健康研究已从单一的生态系统自身结构和功能特征[18]，逐步发展成为涵盖生态、社会、经济、人类健康等诸多方面，以及强调海洋生态系统服务功能的多学科综合研究[19,20]。目前，在海洋生态系统健康的评估研究和应用中，最为常用的方法有2种：指示物种法和指标体系法。指示物种法通过对海洋生态系统中一个或多个指示物种及其生理生态指标和结构功能指标的监测，对物种健康状况进行分析，进而对整个海洋生态系统的健康状况进行监测和评估[21]。指示物种法相对简单，对数据量需求较低，因此在生态系统健康评估研究中较早得到应用。常用指标有生物完整性指数（IndexofBiologicalIntegrity,IBI）、Shannon-Wean-er多样性指数、海洋生物性指数（AMarineBioticIndex,AMBI）和底栖生物指数等。但是，指示物种法也存在指示物种筛选标准不统一、对生态系统变化的指示作用不明确等问题，难以对复杂的近海生态系统健康状态进行全面、综合的评估。指标体系法通过对海洋生态系统不同组织水平、层面、尺度的指标进行筛选和提取，建立评估指标体系，能够综合反映海洋生态系统的整体健康状况。随着海洋生态系统健康研究的不断深入，社会经济、人类活动、人类健康等指标也被纳入指标体系，结合海洋生态系统自身的指标，从生态系统的结构、功能、服务等不同角度出发，对海洋生态系统的健康水平和演变趋势进行全面、综合的评估。指标体系法在物理学、化学、生物学、生态学和毒理学等方法基础上，利用计算机数学模拟等新技术，已成为目前海洋生态系统健康研究工作中最常用的评估方法。目前，广泛应用于指标体系建立的主要模型方法有海洋健康指数（OceanHealthIndex,OHI），压力-状态-响应（Pres-sure-State-Response,PSR）概念框架及其改进框架，以及赫尔辛基委员会生态系统健康评估方法（HELCOMEco-systemHealthAssessmentTool,HOLAS）等[22-25]。近海生态系统健康评估研究在国外已有一系列成功的项目和计划，特别是在北美、欧洲和澳大利亚有许多成功的应用案例：加拿大自20世纪90年代以来，对五大湖区生态系统健康开展了系列评估研究[26]；美国环境保护署《全国近岸状况报告》[27]，对其近岸水体状况进行评估；澳大利亚自建立河口与海洋生态环境质量评估指标系统后，又开展了“生态健康监测计划”[28]，并对大堡礁海域水质和生态系统健康进行了评估研究。欧盟的《水框架指令》提出了较完整的海洋环境评估技术指标[29]，并进一步制定了《海洋战略框架指令》，将定期海洋环境监测及评估纳入动态管理进程。国内对于海洋生态系统健康评估也给予了越来越多的关注，相继开展了一些相关的研究，并在近海多个河口、海湾等开展了生态系统健康状况评估工作。然而国内目前近海生态系统健康评估研究中所使用的指标体系，大多是对国外已有指标体系的借鉴和引用，以及针对应用对象的适应性改造。针对我国近海生态系统特征的本土化指标体系的建设仍在探索阶段，海洋生态系统健康评估的理论、方法和验证研究仍需要进一步完善和发展。近海生态系统健康研究需要进一步深入地了解人类压力、全球变化与海洋生态系统结构与功能演变之间的关系，建立更综合、全面的海洋生态系统健康评估体制，利用更有效的生态系统评估、预测模型来支持更有效的管理决策，了解恢复生态结构功能的重建机制和方法，并通过有效的保护政策来保证海洋生态系统的服务功能。

2.3推行基于生态系统的海洋管理

基于生态系统的管理（EBM）最早于20世纪60年代提出，其基本理念是从生态、系统和平衡的角度思考解决环境资源问题。这一理念的提出是科学家对全球规模的生态、环境和资源危机的一种响应，作为生态学、环境科学和资源科学的复合领域，自然科学、人文科学和技术科学的新型交叉学科，不仅具有丰富的科学内涵，更具有迫切的社会需求和广阔的应用前景[12]。20世纪80年代，基于生态系统的管理在基础理论和应用实践方面都得到了一定发展，逐渐形成了完整的理论-方法-模式体系[30,31]。在此基础上，1992年的里约热内卢联合国环境与发展大会（UNCED）提出要从整个生态系统来管理海洋资源和人类的海洋开发活动，促进沿岸和近海环境综合管理及持续利用，形成了基于生态系统的海洋管理理念。Long等人[32]对基于生态系统的海洋管理的发展简史予以了概括，并提出了基于生态系统的海洋管理的15个原则。综合上述理念，基于生态系统的海洋管理的基本内涵是充分考虑海洋生态系统的整体性与内在关联性，在科学认知海洋生态系统结构与功能的基础上，对海洋开发活动、海域使用进行全面管理，以保护海洋健康和维持其生态系统服务功能，实现海洋资源的可持续利用和海洋经济的可持续发展。20余年来，基于生态系统的海洋管理逐渐被世界各国普遍接受并得以迅速发展。国际上已有不少成功案例可以借鉴。澳大利亚于1998年出台了《澳大利亚海洋政策》，成为基于生态系统的海洋管理的典范[33]。美国的一系列国家海洋政策报告都高度重视基于生态系统的海洋管理，相关的政策文件如《21世纪海洋蓝图》《美国海洋行动计划》等[34]。与此同时，一系列的基于生态系统的海洋管理研究得以开展，这些研究涵盖了不同的国家、海域、学科领域，在海洋生态系统健康评估、模式的研发、政策的制定方面给予了重要支撑。其中，基于生态系统的渔业管理[35-38]、基于生态系统的海岸带管理[39,40]、海洋空间规划[41-43]等方面研究进展尤为突出，为我国实施基于生态系统的海洋管理提供了很好的借鉴。生态系统的结构与功能相互依存、相互制约。任何特定生态系统的管理都要与特定的生态系统特点相一致，全球性的评估并不能满足国家和亚区域尺度决策者的需要[12]，一个国家的评估结果也无法用于其他国家的政府决策。因此，要综合管控我国近海生态系统，必须发展基于我国近海的生态系统管理策略。我国已经高度认识加强海洋生态系统的保护和修复对于维持海洋资源的可持续开发利用的重要性。在国务院的《全国海洋主体功能区规划》中，针对我国海域资源开发利用存在的五大问题，明确提出要尊重自然，树立敬畏海洋、保护海洋的理念，把开发活动严格限制在海洋资源环境承载能力的范围之内，坚持点上开发、面上保护，确保海洋生态系统健康状况得到改善，海洋生态服务功能得到增强，沿海岸线受损生态得到修复与整治[44]。与此相适应，我国学者近年来对基于生态系统的海洋管理也开展了理念的推广与科学研究。研究海域涉及到天津近海、胶州湾、莱州湾、江苏近海、黄海、东海等区域[45-48]，主要侧重于围垦和渔业的影响以及基于上述问题的海洋生态系统管理。这表明我国对于基于生态系统的海洋管理开始得到重视，但总体上看，我国尚未建立基于生态系统的海洋管理体系。

鉴于此，针对当前我国近海迫切需要解决的生态安全与生态灾害问题，需要在观测、研究、评估的基础上，选取典型海域，构建近海生物（渔业）资源可持续发展与管理示范工程，沿岸重大工程设施的海洋安全示范工程，近海生态灾害预测、预报与防控示范工程，提高重大海洋事务决策的科学性、精准性和时效性。在示范工程的基础上，进一步推进整个近海生态系统风险评估智能专家系统的构建与应用，基于海洋大数据服务基础平台的建设，建立一套适用于中国近海生态系统健康评估的模式，针对生物资源以及有害藻华、低氧、水母暴发等生态灾害，形成高效、智能的观测、预警系统，与沿海地区政府部门和大型企业密切合作，推进观测资料和模拟结果的实时共享，支撑高效、智能的海洋生态安全管理系统，提升我国近海资源开发利用、近海生态环境保护、基于海洋生态系统管理的综合能力。

作者：孙晓霞 于仁成 胡仔园 单位：中国科学院海洋研究所 中国科学院大学

参考文献

1中国科学院.海岸海洋科学.北京:科学出版社,2016.

2苏纪兰.海洋生态安全的重要性.科技导报,2013,31(16):3.

3肖笃宁,陈文波,郭福良.论生态安全的基本概念和研究方法.应用生态学报,2002,13(3):354-358.

4余谋昌.论生态安全的概念及其主要特点.清华大学学报（哲学社会科学版）,2004,19(2):29-35.

5马克明,傅伯杰,黎晓亚,等.区域生态安全格局:概念与理论基础.生态学报,2004,24(4):761-767.

11中国海洋可持续发展的生态环境问题与政策研究课题组.中国海洋可持续发展的生态环境问题与政策研究.北京:中国环境出版社,2013.

12傅伯杰,刘世梁.长期生态研究中的若干重要问题及趋势.应用生态学报,2002,13(4):476-480.

13牛栋,杨萍,何洪林.美国长期生态学研究网络（LTER）信息化基础设施现状、挑战与未来发展趋势——LTER信息化基础设施战略规划介绍(I).地球科学进展,2008,23(2):201-205.

14于秀波,付超.美国长期生态学研究网络的战略规划——走向综合科学的未来.地球科学进展,2007,22(10):1087-1093.

15李文华,张彪,谢高地.中国生态系统服务研究的回顾与展望.自然资源学报,2009,24(1):1-10.

20张朝晖,石洪华,姜振波,等.海洋生态系统的服务功能来源与实现.生态学杂志,2006,25(12):1574-1579.

篇3

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，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。

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。

我国是一个多地震的国家，海域中时有地震发生。强烈的地震将有可能是海上工程设施的主要破坏荷载。如果一旦在地震中结构物（海洋平台、钻井船、人工岛、输油及输气管道等）发生破坏，除其直接经济损失极大外，其次生灾害——火灾、环境污染等的后果也不堪设想。

近年环太平洋地区地震的频度和强度都在上升，造成重大灾害。大型海上工程在地震作用下的安全性，特别是抗震防灾的基本原理和减震技术措施需要认真研究。海域中的大型海上水工建筑物在地震作用下的响应和振动破坏机理更有待深入研究。日本阪神地震记录资料表明，地震及由此引发的巨浪共同作用对水中和岸边建筑物造成的破坏十分严重。水工建筑物的这类破坏机理，至今国内外对此都很少研究，且由于试验条件的限制，国内外对此方面的试验研究工作开展极少。这是海上水工建筑物抗震研究中的一个新领域。

以下的一些研究内容将是为解决海洋工程设施抗震措施中的关键技术所必需考虑的，如近海环境地震危险性分析，设计地震动参数和频谱特性，强震海底多维地震动及其空间分布规律，地震波传播特性及地震动输入机理；海域中大型海上水工建筑物在地震作用下，考虑周围水介质影响的结构振动破坏机理、振动控制、地震动时颇联合分析模型和输入机制、非线性动力分析和动力破坏试验；核电站海域工程建筑物抗地震性能，海洋采油平台及地下输油管线与地基土动力相互作用，码头及护岸建筑物地震稳定性；海域中水工建筑物的性能设计和地震设防标准等。

海上水工建筑物在长期运行过程中健康状况逐渐恶化，其损伤主要来自两个方面：其一是结构的老化、疲劳、超载、内部损伤（裂缝）、地基沉降变形以及环境的物理化学损伤（低温、冻融、大气侵蚀）等；其二是设计不周或设计标准偏低，施工质量差，原材料不合格，管理维护不善等。大型海上水工建筑物的损伤和事故都将对国民经济的发展造成重大的影响。

因此，发展以下的一些技术和方法将是十分重要的。如在考虑海洋环境荷载在幅值。时间及方向上的随机性所导致结构安全的不确定性情况下，对现役海洋工程结构进行健康诊断和评估剩余可靠度的理论；结构健康状态及损伤检测的新技术和新方法；结构病害治理用的新材料、新技术和新方法；海洋工程结构在多种复杂海洋环境条件下（风、浪、流、冰、地震等）的可靠度和优化理论研究，设计与建造新型抗灾工程结构；研究和设计使海洋工程结构物在设计使用期限内有足够的安全度，而在退役之后又便于拆除的各种工程措施。

为了及时掌握海洋环境的风云变幻和灾害的可能来临，发展海洋环境及灾害的预报技术是非常必要的。为此需要建立以下一些系统，如建立由近海到远海的海洋环境及灾害观测网络、预报与预警系统、沿岸防灾准备和各类应急处理系统；以主要海域和海岸带区域经济发展为背景，进行重点研究，建立数字化的海洋环境信息系统模型与结构；以及建立海岸和近海工程设施防灾减灾数字信息系统，将海岸和近海工程与网络技术人算机技术、遥感技术、地理信息系统、全球定位系统相结合，建立数学物理模型，通过多媒体技术，形象化地描述灾害成因、发生机理、传播规律、模拟灾害破坏的过程，建成智能化的防灾、抗灾和减灾决策支持系统。

三、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

为了充分利用海洋空间，现代海洋空间利用除传统的港口和海洋运输外，正在向海上人造城市、发电站、海洋公园、海上机场、海底隧道和海底仓储的方向发展。人们现已在建造或设计海上生产、工作、生活用的各种大型人工岛、超大型浮式海洋结构和海底工程，估计到21世纪，可能出现能容纳10万人的海上人造城市。我国澳门和日本已经在海上建成了人工岛海上机场。为缓解紧张的陆地资源及减少城市噪音等，日本已经于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，随着海洋资源与空间的开发利用，各类海上工程建筑物数量不断增多、规模日益复杂和庞大，保证这些海上工程设施的安全运行及采取海洋工程防灾减灾措施将越来越重要。海岸带和近岸海域是各种动力因素最复杂的地区，但同时又是经济活动最为发达的地区，海上工程建设如果考虑不当将会在一定程度上引发环境灾害。工程设施可能破坏原有海岸带的动态平衡，影响岸滩的冲淤变化。海上回填和疏浚会改变海岸的形态，破坏某些海洋生物赖以生存的栖息地，若对含有污染物的疏浚污泥倾抛处理不当则会造成二次污染。海上石油生产中的溢油事故将对海洋环境造成极其严重的污染。日益增多的海上退役工程设施如果不及时处理也将会逐渐成为海上障碍物以致引起公害。海洋工程抗灾减灾的任务是一方面要保证最大限度地减少自然界海洋灾害带来的报失，另一方面又要避免人为造成的海洋环境灾害。

随着人类对海洋资源的不断开发和利用，海洋环境保护与人类生产实践活动协调发展日显重要。如港口开发中的环境问题，主要内容包括：航道、港池开挖、疏浚引起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、超大型浮式结构的环境和生态影响；破波带及其附近水域沿岸流对物质输运扩散规律研究；大型海岸工程、岸滩保护和整治工程引起的海域环境的变迁和海岸演变；海岸演防护及开发利用新概念的原则与理论，如由于工程措施所引起的海岸动力学、生态学、社会经济学及与环境关系的综合分析与协调。

篇4

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。

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。

我国是一个多地震的国家，海域中时有地震发生。强烈的地震将有可能是海上工程设施的主要破坏荷载。如果一旦在地震中结构物（海洋平台、钻井船、人工岛、输油及输气管道等）发生破坏，除其直接经济损失极大外，其次生灾害——火灾、环境污染等的后果也不堪设想。

近年环太平洋地区地震的频度和强度都在上升，造成重大灾害。大型海上工程在地震作用下的安全性，特别是抗震防灾的基本原理和减震技术措施需要认真研究。海域中的大型海上水工建筑物在地震作用下的响应和振动破坏机理更有待深入研究。日本阪神地震记录资料表明，地震及由此引发的巨浪共同作用对水中和岸边建筑物造成的破坏十分严重。水工建筑物的这类破坏机理，至今国内外对此都很少研究，且由于试验条件的限制，国内外对此方面的试验研究工作开展极少。这是海上水工建筑物抗震研究中的一个新领域。

以下的一些研究内容将是为解决海洋工程设施抗震措施中的关键技术所必需考虑的，如近海环境地震危险性分析，设计地震动参数和频谱特性，强震海底多维地震动及其空间分布规律，地震波传播特性及地震动输入机理；海域中大型海上水工建筑物在地震作用下，考虑周围水介质影响的结构振动破坏机理、振动控制、地震动时颇联合分析模型和输入机制、非线性动力分析和动力破坏试验；核电站海域工程建筑物抗地震性能，海洋采油平台及地下输油管线与地基土动力相互作用，码头及护岸建筑物地震稳定性；海域中水工建筑物的性能设计和地震设防标准等。

海上水工建筑物在长期运行过程中健康状况逐渐恶化，其损伤主要来自两个方面：其一是结构的老化、疲劳、超载、内部损伤（裂缝）、地基沉降变形以及环境的物理化学损伤（低温、冻融、大气侵蚀）等；其二是设计不周或设计标准偏低，施工质量差，原材料不合格，管理维护不善等。大型海上水工建筑物的损伤和事故都将对国民经济的发展造成重大的影响。

因此，发展以下的一些技术和方法将是十分重要的。如在考虑海洋环境荷载在幅值。时间及方向上的随机性所导致结构安全的不确定性情况下，对现役海洋工程结构进行健康诊断和评估剩余可靠度的理论；结构健康状态及损伤检测的新技术和新方法；结构病害治理用的新材料、新技术和新方法；海洋工程结构在多种复杂海洋环境条件下（风、浪、流、冰、地震等）的可靠度和优化理论研究，设计与建造新型抗灾工程结构；研究和设计使海洋工程结构物在设计使用期限内有足够的安全度，而在退役之后又便于拆除的各种工程措施。

为了及时掌握海洋环境的风云变幻和灾害的可能来临，发展海洋环境及灾害的预报技术是非常必要的。为此需要建立以下一些系统，如建立由近海到远海的海洋环境及灾害观测网络、预报与预警系统、沿岸防灾准备和各类应急处理系统；以主要海域和海岸带区域经济发展为背景，进行重点研究，建立数字化的海洋环境信息系统模型与结构；以及建立海岸和近海工程设施防灾减灾数字信息系统，将海岸和近海工程与网络技术人算机技术、遥感技术、地理信息系统、全球定位系统相结合，建立数学物理模型，通过多媒体技术，形象化地描述灾害成因、发生机理、传播规律、模拟灾害破坏的过程，建成智能化的防灾、抗灾和减灾决策支持系统。

三、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

为了充分利用海洋空间，现代海洋空间利用除传统的港口和海洋运输外，正在向海上人造城市、发电站、海洋公园、海上机场、海底隧道和海底仓储的方向发展。人们现已在建造或设计海上生产、工作、生活用的各种大型人工岛、超大型浮式海洋结构和海底工程，估计到21世纪，可能出现能容纳10万人的海上人造城市。我国澳门和日本已经在海上建成了人工岛海上机场。为缓解紧张的陆地资源及减少城市噪音等，日本已经于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，随着海洋资源与空间的开发利用，各类海上工程建筑物数量不断增多、规模日益复杂和庞大，保证这些海上工程设施的安全运行及采取海洋工程防灾减灾措施将越来越重要。海岸带和近岸海域是各种动力因素最复杂的地区，但同时又是经济活动最为发达的地区，海上工程建设如果考虑不当将会在一定程度上引发环境灾害。工程设施可能破坏原有海岸带的动态平衡，影响岸滩的冲淤变化。海上回填和疏浚会改变海岸的形态，破坏某些海洋生物赖以生存的栖息地，若对含有污染物的疏浚污泥倾抛处理不当则会造成二次污染。海上石油生产中的溢油事故将对海洋环境造成极其严重的污染。日益增多的海上退役工程设施如果不及时处理也将会逐渐成为海上障碍物以致引起公害。海洋工程抗灾减灾的任务是一方面要保证最大限度地减少自然界海洋灾害带来的报失，另一方面又要避免人为造成的海洋环境灾害。

随着人类对海洋资源的不断开发和利用，海洋环境保护与人类生产实践活动协调发展日显重要。如港口开发中的环境问题，主要内容包括：航道、港池开挖、疏浚引起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、超大型浮式结构的环境和生态影响；破波带及其附近水域沿岸流对物质输运扩散规律研究；大型海岸工程、岸滩保护和整治工程引起的海域环境的变迁和海岸演变；海岸演变、防护及开发利用新概念的原则与理论，如由于工程措施所引起的海岸动力学、生态学、社会经济学及与环境关系的综合分析与协调。

篇5

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。百事通

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。

我国是一个多地震的国家，海域中时有地震发生。强烈的地震将有可能是海上工程设施的主要破坏荷载。如果一旦在地震中结构物（海洋平台、钻井船、人工岛、输油及输气管道等）发生破坏，除其直接经济损失极大外，其次生灾害——火灾、环境污染等的后果也不堪设想。

近年环太平洋地区地震的频度和强度都在上升，造成重大灾害。大型海上工程在地震作用下的安全性，特别是抗震防灾的基本原理和减震技术措施需要认真研究。海域中的大型海上水工建筑物在地震作用下的响应和振动破坏机理更有待深入研究。日本阪神地震记录资料表明，地震及由此引发的巨浪共同作用对水中和岸边建筑物造成的破坏十分严重。水工建筑物的这类破坏机理，至今国内外对此都很少研究，且由于试验条件的限制，国内外对此方面的试验研究工作开展极少。这是海上水工建筑物抗震研究中的一个新领域。

以下的一些研究内容将是为解决海洋工程设施抗震措施中的关键技术所必需考虑的，如近海环境地震危险性分析，设计地震动参数和频谱特性，强震海底多维地震动及其空间分布规律，地震波传播特性及地震动输入机理；海域中大型海上水工建筑物在地震作用下，考虑周围水介质影响的结构振动破坏机理、振动控制、地震动时颇联合分析模型和输入机制、非线性动力分析和动力破坏试验；核电站海域工程建筑物抗地震性能，海洋采油平台及地下输油管线与地基土动力相互作用，码头及护岸建筑物地震稳定性；海域中水工建筑物的性能设计和地震设防标准等。

海上水工建筑物在长期运行过程中健康状况逐渐恶化，其损伤主要来自两个方面：其一是结构的老化、疲劳、超载、内部损伤（裂缝）、地基沉降变形以及环境的物理化学损伤（低温、冻融、大气侵蚀）等；其二是设计不周或设计标准偏低，施工质量差，原材料不合格，管理维护不善等。大型海上水工建筑物的损伤和事故都将对国民经济的发展造成重大的影响。

因此，发展以下的一些技术和方法将是十分重要的。如在考虑海洋环境荷载在幅值。时间及方向上的随机性所导致结构安全的不确定性情况下，对现役海洋工程结构进行健康诊断和评估剩余可靠度的理论；结构健康状态及损伤检测的新技术和新方法；结构病害治理用的新材料、新技术和新方法；海洋工程结构在多种复杂海洋环境条件下（风、浪、流、冰、地震等）的可靠度和优化理论研究，设计与建造新型抗灾工程结构；研究和设计使海洋工程结构物在设计使用期限内有足够的安全度，而在退役之后又便于拆除的各种工程措施。

为了及时掌握海洋环境的风云变幻和灾害的可能来临，发展海洋环境及灾害的预报技术是非常必要的。为此需要建立以下一些系统，如建立由近海到远海的海洋环境及灾害观测网络、预报与预警系统、沿岸防灾准备和各类应急处理系统；以主要海域和海岸带区域经济发展为背景，进行重点研究，建立数字化的海洋环境信息系统模型与结构；以及建立海岸和近海工程设施防灾减灾数字信息系统，将海岸和近海工程与网络技术人算机技术、遥感技术、地理信息系统、全球定位系统相结合，建立数学物理模型，通过多媒体技术，形象化地描述灾害成因、发生机理、传播规律、模拟灾害破坏的过程，建成智能化的防灾、抗灾和减灾决策支持系统。

三、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为了充分利用海洋空间，现代海洋空间利用除传统的港口和海洋运输外，正在向海上人造城市、发电站、海洋公园、海上机场、海底隧道和海底仓储的方向发展。

人们现已在建造或设计海上生产、工作、生活用的各种大型人工岛、超大型浮式海洋结构和海底工程，估计到21世纪，可能出现能容纳10万人的海上人造城市。我国澳门和日本已经在海上建成了人工岛海上机场。为缓解紧张的陆地资源及减少城市噪音等，日本已经于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，随着海洋资源与空间的开发利用，各类海上工程建筑物数量不断增多、规模日益复杂和庞大，保证这些海上工程设施的安全运行及采取海洋工程防灾减灾措施将越来越重要。海岸带和近岸海域是各种动力因素最复杂的地区，但同时又是经济活动最为发达的地区，海上工程建设如果考虑不当将会在一定程度上引发环境灾害。工程设施可能破坏原有海岸带的动态平衡，影响岸滩的冲淤变化。海上回填和疏浚会改变海岸的形态，破坏某些海洋生物赖以生存的栖息地，若对含有污染物的疏浚污泥倾抛处理不当则会造成二次污染。海上石油生产中的溢油事故将对海洋环境造成极其严重的污染。日益增多的海上退役工程设施如果不及时处理也将会逐渐成为海上障碍物以致引起公害。海洋工程抗灾减灾的任务是一方面要保证最大限度地减少自然界海洋灾害带来的报失，另一方面又要避免人为造成的海洋环境灾害。

随着人类对海洋资源的不断开发和利用，海洋环境保护与人类生产实践活动协调发展日显重要。如港口开发中的环境问题，主要内容包括：航道、港池开挖、疏浚引起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、超大型浮式结构的环境和生态影响；破波带及其附近水域沿岸流对物质输运扩散规律研究；大型海岸工程、岸滩保护和整治工程引起的海域环境的变迁和海岸演变；海岸演变、防护及开发利用新概念的原则与理论，如由于工程措施所引起的海岸动力学、生态学、社会经济学及与环境关系的综合分析与协调。新晨

篇6

前言

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

为了充分利用海洋空间，现代海洋空间利用除传统的港口和海洋运输外，正在向海上人造城市、发电站、海洋公园、海上机场、海底隧道和海底仓储的方向发展。人们现已在建造或设计海上生产、工作、生活用的各种大型人工岛、超大型浮式海洋结构和海底工程，估计到21世纪，可能出现能容纳10万人的海上人造城市。我国澳门和日本已经在海上建成了人工岛海上机场。为缓解紧张的陆地资源及减少城市噪音等，日本已经于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，随着海洋资源与空间的开发利用，各类海上工程建筑物数量不断增多、规模日益复杂和庞大，保证这些海上工程设施的安全运行及采取海洋工程防灾减灾措施将越来越重要。海岸带和近岸海域是各种动力因素最复杂的地区，但同时又是经济活动最为发达的地区，海上工程建设如果考虑不当将会在一定程度上引发环境灾害。工程设施可能破坏原有海岸带的动态平衡，影响岸滩的冲淤变化。海上回填和疏浚会改变海岸的形态，破坏某些海洋生物赖以生存的栖息地，若对含有污染物的疏浚污泥倾抛处理不当则会造成二次污染。海上石油生产中的溢油事故将对海洋环境造成极其严重的污染。日益增多的海上退役工程设施如果不及时处理也将会逐渐成为海上障碍物以致引起公害。海洋工程抗灾减灾的任务是一方面要保证最大限度地减少自然界海洋灾害带来的报失，另一方面又要避免人为造成的海洋环境灾害。

随着人类对海洋资源的不断开发和利用，海洋环境保护与人类生产实践活动协调发展日显重要。如港口开发中的环境问题，主要内容包括：航道、港池开挖、疏浚引起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、超大型浮式结构的环境和生态影响；破波带及其附近水域沿岸流对物质输运扩散规律研究；大型海岸工程、岸滩保护和整治工程引起的海域环境的变迁和海岸演变；海岸演变、防护及开发利用新概念的原则与理论，如由于工程措施所引起的海岸动力学、生态学、社会经济学及与环境关系的综合分析与协调。

随着沿海大、中型城市经济建设的快速发展，城平建设中的污水深海排放技术，感潮水域污水多点排放漂移扩散研究，天然海湾、人工湖及人工运河的水质交换能力，人工沙滩的保护措施，滩涂围垦对水域环境的影响等，都将是需要认真解决的问题。

鉴于黄河三角洲海岸线不断依退所带来的国土面积减少、陆上设施受到威胁甚至破坏、对黄河三角洲湿地自然条件的毁灭性破坏等一系列问题，也是非常迫切需要研究的课题。此外，长江三角洲、珠江口及珠江三角洲的海岸开发、滩涂围垦和岸滩保护及整治工程对水域影响所引起的环境问题及其对策，也切枰?重点研究的课题??BR>以主要经济发达的河口和海岸带地区以及主要海域的经济发展为背景，建立一个数字化的区域经济发展模拟系统。与防灾、抗灾和减灾决策支持系统一样，将环境工程、水利工程、土木工程与网络技术、计算机技术、遥感技术、地理信息系统、全球定位系统相结合，建立模型，通过多媒体技术，形象化地针对经济发展规划，预测由于发展经济带来的海域环境水污染的恶化、海洋自然灾害（台风、巨浪、风暴潮、地震、冰害、地质灾害）频发的情况。人类活动特别是大规模工程建设所引起的海洋环境的变迁和海岸演变，以及它们之间的相互作用，用数字手段统一地加以处理，建立智能化的决策支持系统，以促进国民经济持续、健康地发展，将会是决策部门进行宏观决策和具体规划时的一个十分有

效的手段。

三、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。

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。

我国是一个多地震的国家，海域中时有地震发生。强烈的地震将有可能是海上工程设施的主要破坏荷载。如果一旦在地震中结构物（海洋平台、钻井船、人工岛、输油及输气管道等）发生破坏，除其直接经济损失极大外，其次生灾害——火灾、环境污染等的后果也不堪设想。

近年环太平洋地区地震的频度和强度都在上升，造成重大灾害。大型海上工程在地震作用下的安全性，特别是抗震防灾的基本原理和减震技术措施需要认真研究。海域中的大型海上水工建筑物在地震作用下的响应和振动破坏机理更有待深入研究。日本阪神地震记录资料表明，地震及由此引发的巨浪共同作用对水中和岸边建筑物造成的破坏十分严重。水工建筑物的这类破坏机理，至今国内外对此都很少研究，且由于试验条件的限制，国内外对此方面的试验研究工作开展极少。这是海上水工建筑物抗震研究中的一个新领域。

以下的一些研究内容将是为解决海洋工程设施抗震措施中的关键技术所必需考虑的，如近海环境地震危险性分析，设计地震动参数和频谱特性，强震海底多维地震动及其空间分布规律，地震波传播特性及地震动输入机理；海域中大型海上水工建筑物在地震作用下，考虑周围水介质影响的结构振动破坏机理、振动控制、地震动时颇联合分析模型和输入机制、非线性动力分析和动力破坏试验；核电站海域工程建筑物抗地震性能，海洋采油平台及地下输油管线与地基土动力相互作用，码头及护岸建筑物地震稳定性；海域中水工建筑物的性能设计和地震设防标准等。

篇7

中图分类号：X2文献标识码：A文章编号：1997-0668（2008）061023-04

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－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。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。

在我国北方海域，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。

我国是一个多地震的国家，海域中时有地震发生。强烈的地震将有可能是海上工程设施的主要破坏荷载。如果一旦在地震中结构物发生破坏，除其直接经济损失极大外，其次生灾害――火灾、环境污染等的后果也不堪设想。

近年环太平洋地区地震的频度和强度都在上升，造成重大灾害。大型海上工程在地震作用下的安全性，特别是抗震防灾的基本原理和减震技术措施需要认真研究。海域中的大型海上水工建筑物在地震作用下的响应和振动破坏机理更有待深入研究。日本阪神地震记录资料表明，地震及由此引发的巨浪共同作用对水中和岸边建筑物造成的破坏十分严重。水工建筑物的这类破坏机理，至今国内外对此都很少研究，且由于试验条件的限制，国内外对此方面的试验研究工作开展极少。这是海上水工建筑物抗震研究中的一个新领域。

海上水工建筑物在长期运行过程中健康状况逐渐恶化，其损伤主要来自两个方面：其一是结构的老化、疲劳、超载、内部损伤（裂缝）、地基沉降变形以及环境的物理化学损伤（低温、冻融、大气侵蚀）等；其二是设计不周或设计标准偏低，施工质量差，原材料不合格，管理维护不善等。大型海上水工建筑物的损伤和事故都将对国民经济的发展造成重大的影响。

因此，发展以下的一些技术和方法将是十分重要的。如在考虑海洋环境荷载在幅值。时间及方向上的随机性所导致结构安全的不确定性情况下，对现役海洋工程结构进行健康诊断和评估剩余可靠度的理论；结构健康状态及损伤检测的新技术和新方法；结构病害治理用的新材料、新技术和新方法；海洋工程结构在多种复杂海洋环境条件下（风、浪、流、冰、地震等）的可靠度和优化理论研究，设计与建造新型抗灾工程结构；研究和设计使海洋工程结构物在设计使用期限内有足够的安全度，而在退役之后又便于拆除的各种工程措施。

为了及时掌握海洋环境的风云变幻和灾害的可能来临，发展海洋环境及灾害的预报技术是非常必要的。为此需要建立以下一些系统，如建立由近海到远海的海洋环境及灾害观测网络、预报与预警系统、沿岸防灾准备和各类应急处理系统；以主要海域和海岸带区域经济发展为背景，进行重点研究，建立数字化的海洋环境信息系统模型与结构；以及建立海岸和近海工程设施防灾减灾数字信息系统，将海岸和近海工程与网络技术人算机技术、遥感技术、地理信息系统、全球定位系统相结合，建立数学物理模型，通过多媒体技术，形象化地描述灾害成因、发生机理、传播规律、模拟灾害破坏的过程，建成智能化的防灾、抗灾和减灾决策支持系统。

三、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

为了充分利用海洋空间，现代海洋空间利用除传统的港口和海洋运输外，正在向海上人造城市、发电站、海洋公园、海上机场、海底隧道和海底仓储的方向发展。

人们现已在建造或设计海上生产、工作、生活用的各种大型人工岛、超大型浮式海洋结构和海底工程，估计到21世纪，可能出现能容纳10万人的海上人造城市。我国澳门和日本已经在海上建成了人工岛海上机场。为缓解紧张的陆地资源及减少城市噪音等，日本已经于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，随着海洋资源与空间的开发利用，各类海上工程建筑物数量不断增多、规模日益复杂和庞大，保证这些海上工程设施的安全运行及采取海洋工程防灾减灾措施将越来越重要。海岸带和近岸海域是各种动力因素最复杂的地区，但同时又是经济活动最为发达的地区，海上工程建设如果考虑不当将会在一定程度上引发环境灾害。工程设施可能破坏原有海岸带的动态平衡，影响岸滩的冲淤变化。海上回填和疏浚会改变海岸的形态，破坏某些海洋生物赖以生存的栖息地，若对含有污染物的疏浚污泥倾抛处理不当则会造成二次污染。海上石油生产中的溢油事故将对海洋环境造成极其严重的污染。日益增多的海上退役工程设施如果不及时处理也将会逐渐成为海上障碍物以致引起公害。海洋工程抗灾减灾的任务是一方面要保证最大限度地减少自然界海洋灾害带来的报失，另一方面又要避免人为造成的海洋环境灾害。

随着人类对海洋资源的不断开发和利用，海洋环境保护与人类生产实践活动协调发展日显重要。如港口开发中的环境问题，主要内容包括：航道、港池开挖、疏浚引起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、超大型浮式结构的环境和生态影响；破波带及其附近水域沿岸流对物质输运扩散规律研究；大型海岸工程、岸滩保护和整治工程引起的海域环境的变迁和海岸演变；海岸演变、防护及开发利用新概念的原则与理论，如由于工程措施所引起的海岸动力学、生态学、社会经济学及与环境关系的综合分析与协调。

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一、发展历史

上世纪四、五十年代人们发现在海岸担任探测和警戒任务的雷达总是受到来自海面不明原因的“干扰”。有研究人员发现“数十米波长的电磁波与海洋表面的相互作用，将产生Bragg绕射现象”。原来那些干扰是波长等于无线电波波长一半、传播方向平行于（接近或远离）雷达发射波束方向的海浪与无线电波“谐振”散射所产生的回波。研究揭示了上述“干扰”的物理来源，使地波雷达超视距探测海面状态成为可能。1968～1972年，在NOAA工作的D.E.Barrick定量解释了海面对无线电波的一阶散射和二阶散射的形成机制，为高频雷达探测海洋表面状态建立了坚实的理论基础。Barrick创造性地运用一组交叉环/单极子天线（三个接收通道）即可获取大面积海流的分布信息。他的紧凑式雷达天线技术大大降低了地波雷达购置和安装成本，直接导致了高频地波雷达的规模化推广应用，为海洋学家和沿岸防灾减灾及环境保护提供了新型观测手段。

二、工作原理

无线电波朝海面发射时，在海水表面会存在一种电磁波传播模式，称为地波（Ground Wave）是一种表面波（Surface Wave），因此高频地波雷达也叫做高频表面波雷达（HF Surface Wave Radar）。在中波和短波段海水表面的地波传播衰减很小，而且地波在一定程度上会沿着弯曲的地球表面传播，到达地平线以下很远的地方，即实现超视距传播。因此利用地波超视距传播特性进行探测的高频地波雷达也称为地波超视距雷达（Over-The-Horizon Radar），探测距离根据发射功率和频率的不同通常可达到200～500km。另外两种类型的超视距雷达分别是天波超视距雷达和利用大气波导特征的微波雷达，前者通过电离层对高频无线电波的反射实现对数千公里外目标的探测，后者可以对一两百公里外的目标进行探测。

地波雷达海况探测的基础类似于晶格对X射线的Bragg散射，入射的两条射线（相同波源）被原子散射，在特定的观察方向上，如果两条射线的波长差为2的整数倍，那么将会观察到亮条纹；如果波长差比2的整数倍多，那么两射线能量相消，观察到的是暗条纹。

真实的海面不会是简单正弦波列，但是可以用类似于Fourier变换的方式把一个真实的海面分解成为千千万万简单正弦波列成分的叠加，这些正弦波列有不同幅度、周期、初相和传播方向。那么这无数列正弦海浪成分是否都对电磁波产生散射呢？当然都会！但是并非所有的成分都产生相同的贡献，贡献最大的海浪成分还是图1所示的那类正弦波列，即满足，并且波矢量方向位于电磁波入射平面内的正弦海浪。对于岸基雷达探测，即L = / 2，也就是波长等于雷达电波波长一半的海浪会对电波产生最强的后向散射（图1）。

综上所述，虽然海面由无数的波浪组成，但岸基地波雷达主要只对特定的海浪感兴趣：

A. 波长等于电波波长的一半；

B. 传播方向要么接近雷达，要么远离雷达。

海面上满足上述条件的海浪总是存在，因此雷达总可以收到较强的海面回波，这也是前面所说当初人们发现海面上总是存在雷达“干扰”的原因！

我们知道运动的物体可以对入射波产生多普勒效应，电磁波照射到动态的海面上时，回波也会由于多普勒效应而产生相对于雷达发射频率的偏移。对回波信号进行谱分析就会发现，回波谱峰相对于雷达载频有多普勒频偏，其特点有二：

1. 同时存在正、负频偏，频谱图上的正、负谱峰称为左、右Bragg峰；

2. 左、右Bragg峰的频率偏移量基本相同，且主要只与雷达工作频率有关。

导致这两个特点的因素正好与上述产生主要散射的海浪特点相对应：特点1对应上述特征B，特点2对应上述特征A。在理解特点2时需要明白海洋重力波传播的一个基本结论：海面上确定波长的重力波，其传播相速度也是确定的。相速度确定的话，它对电磁波所产生的多普勒频移就是确定的了，也就有了上述特点。

上面所说的是没有海水流动的情形。由于各类物理、化学过程的作用，海面上总是有海流存在，海流作为海水的整体运动，会在上面所说的由波浪传播相速度所导致的较大固定频移的基础上再附加一个由流速所导致的微小频偏，这个附加频偏对左、右Bragg峰的影响是相同的：远离雷达的流速分量使左、右Bragg峰均向负频率方向偏移，接近雷达的流速分量使它们向正频率方向偏移。

地波雷达就是通过测量这个附加频偏从而获知海面海流速度的。当然一部雷达只能测量到海流的径向分量，要获得矢量海流，要么用两部以上的雷达从不同方向探测，要么就需要结合海洋动力学模型进行推算。

三、发展现状及面临问题

（一）发展现状。海洋动力学参数（海面风、浪、流）的探测是高频地波雷达的一种主要用途。高频地波雷达可以以十分钟的时间分辨率连续获取数万平方公里海面的海洋状态参数分布，这是任何其它探测手段无法做到的。目前国际海洋界已普遍接受高频地波雷达能有效探测流场的观点，国内外主要地波雷达的海流探测已达到可用于常规业务化海洋观测的水平。而在海浪、风场参数的探测方面，地波雷达处于研究开发阶段，距离实际应用尚有一定的距离。主要困难在于提取海浪和风场参数所依据的回波信号比较弱（比海面的主要散射回波低20～40dB），容易受噪声和干扰的影响，相应的反演理论和技术也处于研究探索阶段。通过雷达实时选频系统选择干净频率、应用噪声抑制、多频率雷达探测和抗干扰技术可以在一定程度上缓解这一问题。

（二）抗干扰问题。地波雷达工作在短波段，而短波段是高频通信、广播和各类大气、天电噪声等比较集中的频段，同时在高频段中低端，电离层干扰是严重影响雷达探测性能的主要干扰。对于以目标探测为主的高频地波雷达，电离层干扰常常会导致一两百公里开外的目标基本无法探测。

（三）雷达结果的应用规范问题。海态探测用高频地波雷达输出的是时间上连续的大面积流场、风场和浪场的分布，时间分辨率一般为十分钟到一个小时，所提供的信息在时间、空间和采样方式所对应的物理含义上与其它测量方式（如浮标、船测、航空测量以及卫星遥感等）存在很大的不同。地波雷达距离制订明确的应用规范还存在较大距离。

（四）小型阵列条件下的目标探测问题。由于小型阵列的方位分辨率低、民用地波雷达发射功率低以及前述的噪声和干扰（包括海洋回波的干扰）等问题，对目标尤其是小目标和机动目标的检测概率、虚警率、定位和跟踪精度等方面都存在需要克服的一系列问题。

参 考 文 献

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中图分类号： G420 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（c）-0103-02

20世纪在对海洋科学的研究上，研究者仍然借用自然科学的理论工具，对海洋进行多方面的研究和探测，先后对海洋物理学、海洋化学、海洋力学、海洋地球科学、海洋生物及海洋工程学等分支学科，及介于上述学科之间的交叉领域的边缘学科；依托海洋科学的海洋技术已成为各国重点发展的高新技术领域。近几十年来，随着海洋事业的全面发展，人类围绕海洋的开发利用和保护以及海洋权益的分割等，出现了不同层次的矛盾和冲突；解决海洋发展的问题，不仅涉及到自然学科的理论和技术，更涉及到了其他学科，如工学、医学、政治学、经济学、法学、管理学、社会学等众多学科领域，也就是说海洋科学的发展已经与13类学科交织成众多的交叉学科和研究领域；如相关文献的海洋学史、海洋科学史、海洋经济学、海洋文化学、海洋管理学、海洋政治地质学、海洋药物、海洋生物医学、海洋环境保护、海洋光学、海洋探测和海洋信息技术等各类研究领域。本文主要讨论海洋科学与其他学科交叉形成的新领域对高校学科影响及发展特色。

海洋科学作为理学的二级学科，是研究发展在海洋中各种自然现象、性质和过程及其变化规律的知识体系，是一门多学科综合性科学；它的研究对象是占地球表面71%的海洋、包括海水、海水中的物质、生物、海底沉积、海底岩石圈、海面的大气边界层和河口海岸带等，它是地球科学的重要组成部分，其主要内容包括海洋中物理、化学、生物和低脂过程，面向海洋资源的开发利用，海洋军事活动等应用研究，数学、力学、物理、化学、生物等基础学科是不断地想海洋科学参透与交叉，信息技术、空间技术、生物技术等在海洋科学的应用不断拓展，形成了新的学科前沿方向和研究热点。

1 海洋科学对人文社科领域的影响

人类在海洋中的生产活动的行为方式和生活方式，塑造了与在陆地生活的不同人文理念，从而形成了以海洋为背景特色的文学艺术特点，其中最为特色的就是妈祖文化，2009年10月，妈祖信仰入选联合国教科文组织人类非物质文化遗产代表作名录，可见海洋文化已经对人类活动有久远的影响。海洋人文的多元化和多样性，从学科的角度主要关注在哲学、文学、历史学、民族学、民俗学和宗教学等方面；传统农业文明和游牧文明是以陆基为本体基础的世界观；海洋人文社会科学的提出，与沿袭传统感知陆地思维的学科理论方法、学术规范，具有狭窄的局限性和鲁棒性，而对海洋问题的自然―社会―经济一体化跨学科综合方法来索解，梳理海洋人文、社会现象的条理和秩序，逐步建立海洋人文社会学科体系，建设好海洋政治学、海洋经济学、海洋社会学、海洋法学、海洋管理学、海洋史学等交叉分支学科；各个学科在一级学科的领域自设海洋交叉二级学科；学习发达海洋国家在前沿领域的理论、概念和方法，吸收他们的建设成果和经验，结合本土化海洋实践的成果和经验，检验和创新新理论，丰富和促进学科建设；需要政府和人文社会科学界的大力支持，加大研究资金投入，鼓励针对我国面临国际重大海洋问题的合共研究和公关，以应用研究推动基础理论研究；扶持海洋人文社会学科研究，将中国海洋文明以独特的演进过程加以考察，总结历史和现实的海洋实践，为国家实施海洋发展战略、促进海洋开发、处理海洋事务服务。

但是海洋人文社会学科仍然是弱势边缘学科，与地域、文化、民俗等因素息息相关，但前景光明；近年来，“海洋社会科学研究”被列入《中华人民共和国海洋行业标准》，因此需要各个高校和科研单位根据各自的优势，发展与海洋社会科学的研究。当前海洋科学在经济学和管理学的融合主要体现在海洋经济和海洋管理；典型的案例是广东海洋大学海洋经济与管理研究中心；而且广东省作为经济大省及拥有多个沿海开放城市，在涉海人文社科领域的研究比较重视和超前，如以广东海洋大学为海洋特色的院校，在教学科研等平台大力投入，建成了一个国家级实验教学示范中心-水产科学与技术实验教学示范中心，广东省海洋文化产业研究中心、人文社科重点研究基地等；另外还有海南大学的以热带生物及南海发展为特色的涉海研究领域，建立有国际旅游岛开发研究院、绿色智慧岛协同创新中心、南海法律研究中心等科研基地；而江苏省作为海洋大省，在海洋人文领域的研究一直处于劣势，当前以淮海工学院的徐福文化研究所为代表特色文化研究。

2 海洋科学对工程领域发展的影响

本文涉及的工程领域指的是随着纳米技术、计算机技术、集成电路、互联网、物联网及云计算等新科学技术对传统海洋的影响，传统海洋科学的研究手段因此受到挑战。海洋科学与工学中的一级学科形成了众多的交叉科学，如海洋力学、海洋装备与工程、海洋工程材料技术、水下声学技术、海洋试验技术、海洋遥感技术、水下导航技术、水下运载技术、海底观测技术、航海技术、水动力技术、水下通信与信息系统、海洋信息技术、海岸工程、海洋船舶工程与结构、水下兵器、海洋环境、海洋气象科学等；当然对海洋科学与工学领域学科的交叉学科，仍然没有学术的科学命名及定义，在研究范畴仍然很模糊；在相关领域的研究仍然是以海洋为研究对象，以新技术为技术为手段，研究对海洋领域的认识和改造，提高对以海洋为研究内容的技术手段的发展。

典型的研究机构有中国海洋大学的物理海洋教育部重点实验室、海底科学与探测技术教育部重点实验室、海洋化学理论与工程技术实验室、海洋信息技术教育部工程研究中心等；厦门大学的近海海洋环境科学国家重点实验室、水生通信与海洋信息技术教育部重点实验室、热带海洋研究所，及江苏省海洋信息技术中心等。

另外海洋运输学科也是工程领域中关键的内容，主要集中在海运船舶与工程、港口与海岸工程、海洋物流等领域，这类学科有着明显的地域特色，人才需求主要分布在沿海开放或长江流域的城市；这类学科的海洋工程应用特别明显，设计船舶领域中多项学科，如材料学、船舶设计、水下通信、水下运输、水下探测；海岸工程涉及土木工程、建筑设计、港通方面，典型的院校如哈尔滨工程大学的船舶工程学院，西北工业大学的航海学院，厦门大学、江苏科技大学等。

3 海洋科学对农医学科的影响

海洋中有数以万计的动植物，在对海洋生物的研究中至少可以获得以下三种效益：第一研究海生生物的生命形式，了解基本生理过程，能够通过生物的生命体征研究地球海洋的演变和特征，有利于对人类的海洋活动和水生生物发展；第二对于各种海洋生物的有效化学物质的研究，作为有用的生理药物学研究工具，能够更深入了解各种生命过程中的分子基础；第三发现可作为药物的新化学物质，开辟新的药物源；因此催生了新的交叉学科，即海洋药物和海洋生物医学。

海洋水产及养殖、海洋捕捞是海洋农学的主要内容，但是由于长期的过度捕捞及海洋环境的恶化，渔业资源日趋衰退，因此近海水产养殖相关方向仍是主要关键内容；沿海各省都有海洋与渔业局等相关单位，统一部署和发展海洋渔业发展，国内学者对海洋渔业资源的研究主要集中在生物群落结构、稠作业类型资源监测和资源评估等方面。典型的研究机构有中国海洋大学的教育部重点实验室，如海洋生物遗传学与育种、海水养殖、海洋药物；农业部水产动物营养与饲料重点实验室、海洋食品工程技术研究中心等；厦门大学的海洋生物医学工程研究中心、海洋微生物新药工程研究中心等；广东海洋大学水产经济动物病害控制省点实验室等；江苏省海洋生物技术重点实验室和海洋资源开发研究院等。

4 结语

海洋科学对其他学科及研究领域的影响还很多，但是从学科建设的角度来讲，海洋跨学科或交叉学科对学科发展有着无法限量的前景，尤其对涉海高校或者沿海城市高校的发展是一个难得契机；随着国家对海洋战略的重视，当前国际政治与形式在海洋环境的不断变化，海洋科学交叉研究的余显必要性、迫切性和重要性。

参考文献

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[3] 陈涛.海洋社会学学科发展面临的挑战及其突破[J].中国海洋大学学报：社会科学版，2012（2）：1-7.

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海洋可持续发展具体内容包含海洋经济可持续、海洋生态系统可持续、海洋资源利用的可持续和海洋社会可持续。海洋开发的可持续发展的内涵必然包含四层含义:一是海洋经济的可持续性。海洋经济的可持续性是实现可持续发展的动力，也是实现海洋经济可持续发展的中心。片面追求海洋经济的速度、产值和规模，损害了海洋的可持续，则会使海洋经济的可持续发展成为无源之水、无本之木。应该把海洋经济的发展建立在“技术———开发———保护”体系的基础上。二是海洋生态系统的可持续性。海洋生态系统的可持续性是海洋经济可持续发展的基础，主要体现在海洋生态过程的可持续。海洋生态过程的可持续表现为在时间和空间上，海洋经济发展所依赖的生态系统能高效、和谐地自我调节。在海洋经济开发发展中应以保护自然为基础，不超越生态系统的更新能力，实现海洋生态的良性循环。三是海洋资源的可持续。海洋资源的可持续利用是海洋经济可持续发展的物质基础。海洋生态过程的可持续为海洋资源的可持续利用提供了保证，但是，人类对海洋资源过多的需求和有限供给形成尖锐的矛盾。人类利用海洋资源的观念、方式和方法直接关系到海洋资源是否可持续利用。四是社会的可持续性。社会的可持续性是可持续发展的目的。社会是由个体人组成的，可持续发展是以当代人的需要和后代人的需要来定义的，所以社会可持续发展的关键是人的问题。要以当代人之间的公平性和世代的公平性，要求当代人不应从事通过消耗包括自然资源在内的生态系统生产力基础以支持目前的生活水准，而把比当代人更贫困的前景和危机留给后代的实践活动。这四层含义互为依托，密不可分,四个方面融合统一构成海洋可持续的整体内容。

二、海洋经济可持续发展是现实海洋发展状况的必然要求

（一）日趋减少的陆地资源要求海洋经济可持续发展来弥补成为必然

我国是世界上人口最多的国家，到本世纪中叶，我国人口将达到15-16亿高峰，这意味着到那时中国必须接纳比现在多出四分之一的人口，而人均占有资源将相应地减少四分之一到三分之一。如此众多并且还在不断增长的人口，需要经济较快的速度增长来满足其生存需要，而经济的增长以自然资源为基础，陆上的自然资源日趋减少，必然要加大海洋资源的开发力度，增加海洋经济的贡献率，而海洋资源尽管丰富，但她一样不是聚宝盆，海洋资源的开发和利用如果不考虑合适的方法和方式，也一样终有一天会枯竭。因此，海洋经济的发展只有建立在海洋资源的可持续利用的基础上才能获得真正的成功。

（二）日趋严峻的海洋环境需通过海洋经济可持续发展方式来改善成为必然

海洋是环境的调节器和净化器。然而，由于海洋综合管理机制不健全，海洋资源开发利用不合理，使海洋资源与环境遭到严重的破坏和浪费，沿海经济发展和海上开发活动对海洋环境的压力越来越大。突出的问题一是海岸侵蚀现象比较突出。海岸侵蚀造成吞没陆地，破坏公路桥梁和海底电缆管道，毁坏海堤、防护堤、防护林及各种护岸工程，加剧港口与航道淤积等。海岸侵蚀同时也破坏了景观旅游资源，如沿岸林带、炮台、古城墙、古建筑、优美的地貌景观和浴场等。这在秦皇岛、辽东半岛、厦门岛等地时有发生。二是海洋污染日趋严重。目前，进入海洋的污染物正急剧增加，海洋污染已成为目前海洋环境面临的重大问题。从世界范围估计，目前污染海洋的物质有70％以上来源于陆地，海运和海上倾倒则分别占10％左右，而且这些污染物中只有很小部分扩散到陆架区以外的海洋中，大部分滞留于沿岸和近海区。三是海洋生态环境恶化，生物多样性严重受损。海洋生态环境是海洋生物生存发展和海洋生物多样性保持的基本条件，世界海洋资源与空间的开发利用目前已经导致海洋生态环境恶化，而且有越来越严重的趋势，某些河口、海湾生态系统瓦解或消失；海岸带与近海总体生物资源量降低；近海海区富营养化，赤潮现象频频发生；海洋生物多样性严重受损，资源结构趋向简单化等。

（三）海洋经济可持续发展必然会促使科技推广改变传统海洋产业结构来实现

传统的海洋开发战略方式，只注重海洋资源的开发，而忽视保护工作，海洋经济的发展很难持续发展下去。据中国海洋经济统计公报，2010年，我国海洋产业总体保持稳步增长，其中增长较快的海洋产业依次是海洋油气业、海洋电力业、海洋生物医药业、海洋船舶工业、海水利用业、海洋交通运输业、海洋盐业、海洋工程建筑业、海洋化工业、滨海旅游业、海洋渔业、海洋矿业分别比上年增长53.9%、30.1%、25.0%、19.5%、18.4%、16.7%、15.3%、14.5%、12.4%、7.9%、0.5%。从同比增长的情况来看在海洋油气业、海洋电力业、海洋生物医药业、海洋船舶工业、海水利用业等产业增速有了较大提升。但从所占比重而言滨海旅游业、海洋渔业、海洋交通运输业占有较大比重，成为我国海洋支柱产业,占主要海洋产业的比重4/5多。其中滨海旅游业位居各主要海洋产业之首。这说明我国海洋产业仍为传统型，海洋经济总体上还属于粗放型经济。海洋新兴产业的海洋生物医药、海洋电力等产业规模整体偏小,带动效应不足,产业效率低。主要原因是海洋产业结构不合理和科学技术水平低，同时产业结构空间配置趋同化明显，地区产业缺乏特色，降低了结构功能作用，影响宏观经济效益。高新技术的应用的高附加值海洋产业结构尚未形成。新时期的海洋经济发展需要改变传统的发展方式，推广海洋科技创新，不断提升海洋科技成果产业化水平，建立有效的海洋科技成果推广、转化机制，着重开发的海洋卫星遥感技术、深潜技术、深海资源开发技术、海洋农牧化技术、海洋化工和海洋药物开发技术等使海洋科技创新成果与海洋产业化相结合,形成社会化的科技服务体系,使海洋科技成果尽快地向生产力转化，尽快提高传统的海洋产业科技含量，使新一轮的海洋经济开发战略可持续发展。

（四）维护国家海洋权益，增强综合国力是保持海洋经济可持续发展的必然

随着经济的发展，海洋作为人类未来的重要生存空间，不可避免地成为新时期国际竞争的焦点。当今世界，国家的利益已经不仅仅局限于自己的国境线内，而是越来越多地表现在与外部世界的联系之中。国家之间的竞争实际上是综合国力的竞争，综合国力从根本上决定着一个国家的地位及其影响。占地球表面积71%的海洋是各国利益直接交汇点，也是直接表现各国综合国力的重要场所。可以预见，未来海洋权益的斗争将更加激烈，只有海洋经济得到可持续发展，更好地维护国家的海洋权益，才能实现增强综合国力的目标。加大海洋经济开发的力度，通过海洋经济发展战略的实施，可以提高其国人认同海洋、热爱海洋、“以海兴邦”的民族意识。通过认同感的弘扬可以增强各民族的凝聚力，有利于捍卫和维护其国家完整和领土统一，解决与周边国家的海洋争端，维护和捍卫海洋权益，创造服务于国家和平发展的国际环境。

三、海洋经济可持续发展需考虑的主要相关因素

（一）沿海区域人口的因素

海洋开发活动的主体是人，人具有二重性。人既是海产品的生产者，同时又是海洋生产物的消费者。消费又分为生活消费和生产消费，而生产消费本身就是生产过程。要多少海洋生产活动提供的物质才可以支持人的生存和发展，以及将生产控制到何种程度，才可以相应减少海洋资源的消耗和污染物的产生，这些都决定于人口。目前，世界60%的人口挤在离海岸100千米的沿海地区，人口在1000万以上的16个大城市中，有13个是沿海城市。人口趋海移动已经是全球性问题，全世界每天有3600人移向沿海地区。到2020年，中国人口将会达到14．2亿左右，其中可能有60%的人居住在沿海地区。毫无疑问，随着人类社会的发展，人民生活水平得以大幅度提高，但是人口的急剧增长，使得对资源的需求量相应增加。陆地资源的匮乏，使人类不得不到海洋去获取资源，海洋逐渐被公认为是资源扩充的有效途径。所以，人口的多少是影响海洋经济可持续发展的基本因素。除了人口数量以外，还有人口结构，包括性别、年龄、地区等构成状况，以及人的素质，包括体质、教育程度、专业技术、思想观念和精神状态等也会影响海洋的可持续发展。

（二）海洋环境资源的因素

海洋是人类巨大的资源宝库，海洋资源是海洋开发活动的物质基础。但是海洋为人类所提供的资源是有限的，其中不可再生资源的有限性无须赘述，而可再生资源在一定时间内也是有限的，海洋资源利用的状况和配置效率将直接影响海洋经济开发的持续性。在海洋可再生资源当中，渔业资源是最重要的。渔业的好坏直接关系着海洋生态系统的持续、健康发展，可以说渔业资源对海洋的可持续发展有着至关重要的影响。对不可再生资源数理经济学家霍特林(Hotelling)的经济理论，分析表明，必须按照霍特林定律确定的最优路线进行消耗。同时，海洋环境是海洋资源得以存在和开发的环境场所，海洋环境的好坏对海洋开发活动有重大的影响，海洋环境问题很大程度上既是一个经济问题，又不是单纯的经济形态问题，它还与社会、科技发展有着密切的关系。对于海洋资源的开发与利用，不仅要考虑满足当代人的需要，而且还要兼顾后代人发展对资源的需求，并创造某些适合人类生存与发展的人造环境，与海洋形成一种和谐共处的关系，才有利于海洋开发的可持续发展。

（三）科学技术的因素

科学是认识世界的工具，技术则是改造世界的工具。在科学技术推动海洋开发不断发展的过程中，会产生不利于可持续发展和有利于可持续发展两种影响，但从总体上来说，科学技术越进步，就越能够成为实现海洋经济可持续发展的强大武器。美国制定了《1995—2005年海洋战略发展规划》，法国颁布了海洋科技《1996—2000年战略计划》，俄罗斯在实施《2005年前海洋、北极、南极综合研究科技计划》。所有这些规划和计划都旨在发展本国的海洋科学和技术，促进海洋可持续发展，增强综合国力，提高国际竞争力。

（四）产业结构优化的因素

海洋产业结构是指各海洋产业部门之间的比例构成以及其相互依存、相互制约的关系。合理的海洋产业结构，能带动海洋经济快速健康的发展。海洋产业结构层次的高低和合理与否决定着海洋经济整体素质，传统海洋产业转型、新兴海洋产业强化,在海洋产业结构优化过程中重视“循环经济”意识，将是我国海洋经济可持续发展的关键。新兴产业发展潜力大，附加值高，海洋资源丰富，潜在市场大，环境污染小，应作为海洋战略性新兴产业的重点发展行业。一方面，应该加强对这些新兴产业的扶持，加强宣传教育、培育公民开发利用海滨砂矿、海洋生物以及海水资源的新观念，制定合理的资源开发规划；另一方面，应加强科研攻关，为产业提供技术保障，并加强与产业界的合作，促进海滨砂矿、海洋生物医药及海水综合综合等技术的产业化。

四、新时期海洋开发需构建海洋经济可持续发展新的发展模式

（一）以发展临港产业群，增强海洋经济企业的自主创新实力

当前中国已经基本形成了以钢铁、石化、汽车、造纸、能源、电力等临港工业产业集群。这类企业科研能力强并且资金雄厚，因此，加强该类企业自主创新能力，有利于提高产业技术水平，才能在世界范围内保持该产业的技术有利地位。鼓励这些企业在创新时，瞄准世界最新技术，紧跟国际发展水平，构建竞争型的管理体制，培养和引进高水平的人才团队，将有助于创造有本地特色和国际、国内竞争的优势；鼓励临港产业集群内企业自主创新，加大对研发的投入，引入各种人才尤其是归国人员，建立自己的研发中心、设计中心和工程技术中心，并吸引集群内的跨国公司设立研发中心，支持本地企业与外资建立合资研发中心；同时，鼓励促进专业化的中小科技型企业，发展投资咨询、市场研究、技术信息服务、专利、法律服务等中介组织，从而形成一个科技成果转让交易市场，加快科技成果的转化和产业化。通过临港产业集群中企业的自我发展，最终形成一个企业层级较为丰富，市场结构较为完善的临港产业集群自主创新体系。

（二）以海洋产业结构调整，培育新兴产业快速发展

为使海洋经济与社会、环境全面和谐发展,应大力促进海洋新兴产业的发展。海洋新兴产业将是海洋经济可持续发展的新的增长点。要使我国海洋新兴产业获得快速发展，一是必须坚持以结构调整为主线,以市场为导向，以科技为基础,以产业转型升级为重点，着力建设一批海洋产业区和新兴海洋项目，逐步形成各具特色、优势明显的海洋产业带，提升海洋经济整体竞争力；二是对新兴海洋产业，应在资金投入、税收优惠、科技协作等方面提供支持,以推动海洋经济结构调整和产业升级；三是培育新兴海洋产业,必须以高新技术为支撑。在重视发展海洋高新科技、发展新兴海洋产业的同时，把高新科技的成果应用于海洋捕捞、海洋交通运输、海洋盐业等传统海洋产业，提高整个海洋产业的现代化。研究优良养殖品种的培养、性别控制、病害防治及养殖新技术、海洋生物优良品种开发技术、海洋农牧化技术、海水养殖病害防治技术、海洋生物制药技术等。此外,采取有效措施开展海洋未来产业技术储备的研究,促进海洋未来产业的发展,逐步开发海洋清洁能源和深海采矿业、海洋信息产业、海洋生物制药工程、海洋环保工程等重要领域的市场产业化。

（三）创新海洋科技体系,有效合理开发海洋资源

当前,我国海洋经济科技创新能力与海洋经济的快速发展显得不十分协调,这已成为影响海洋经济增长方式转变、制约海洋经济可持续发展的最大障碍。面对世界海洋科技创新的发展趋势,我们应当有计划有目标地建立海洋科技创新体系,提高海洋产业的竞争力，促进海洋综合开发。建立海洋科技创新体系的关键：一是大力发展海洋高新技术产业和以高新技术改造传统海洋产业为中心环节，促使海洋综合开发,从而提高其水平和效益。二是在海洋资源开发利用、海洋渔业资源可持续利用、海洋资源深加工技术、海洋功能产品开发、海洋医药产品开发、海洋精细化工产品研制、海岸带区域水资源开发和保护、海洋矿产资源开发、海域资源和环境评估技术、海洋信息技术等方面加快发展步伐。重点放在海洋资源的综合利用和清洁能源的开发利用上，为海洋经济的快速发展提供科技支撑。三是强化政府服务职能，为海洋科技创新提供一个宽松适宜的制度平台。政府应制定海洋经济可持续发展的高新产业和高新技术创新的产业政策，鼓励科技创新的财税政策，完善科技创新的资金投入政策,加强对知识产权保护等各项法规政策，建立科技创新的价值评价体系和社会技术服务体系。四是建立国家海洋科技重大问题的协调机制。重点开展科技攻关和成果应用，力争重点领域有突破性进展。

（四）加强海洋环境持久治理和保护海洋生态

对于海洋环境污染持久治理与海洋环境保护,在加大整治力度的同时，一要利用高新技术，大力发展环保产业，提高工矿企业污水处理和达标排放水平，把污染物的排放浓度和排放量尽可能压缩到最低限度；二要发展海洋环境监测技术,近海海洋灾害预测模型技术、湿地和红树林保护技术、大规模养殖区有害赤潮发生机制及治理技术、城市污水离岸排放扩散模式及污水处置工程对海洋环境和海洋生态系统影响评估技术；三要加强海岸环境预报，海洋环境资源可持续利用关键技术，增强防灾减灾和环境保护能力。四要扩大海洋环境监测、海洋污染防治与生态保护技术及其他海洋高新技术的应用范围；五要加强海洋环境保护和生物治理，开发和利用环境生态生物技术，解决海洋污染的生物修复问题。利用海洋生物技术，建立各种清洁养殖模式，改善被污染和正在被污染的海水养殖环境，减轻或控制海域养殖业引起的海域环境污染。通过技术改造和养殖水域的生态修复技术研究，加大海洋生物资源可持续利用和科学养殖技术，维护海洋生态平衡,达到提高产量，增加效益，保护环境的生态养殖模式。综合各项技术在保护中开发、开发中保护的良性发展，达到海洋生态环境保护和海洋经济发展的协调统一。使海洋经济发展规模、速度与资源环境承载力相适应，使海洋资源开发利用与海洋生态环境保护相统一，实现海洋经济的可持续发展。

（五）发展海洋循环经济是海洋经济可持续发展的新模式选择

海洋循环经济是循环经济的组成部分，是改变传统经济增长方式、保护海洋生态环境、促进海洋经济可持续发展的新模式。是落实科学发展观的重要举措，而且是实现海洋经济可持续发展的必由之路。大力发展海洋循环经济的关键:一是加快海洋产业结构的调整，为循环经济创造发展空间。国家应出台发展海洋循环经济的政策措施,应从海洋产业结构调整、培育海洋新兴产业、降低能源消耗、清洁生产、保护海洋环境等方面,制定发展海洋循环经济的战略规划,大力发展循环经济。二是支持和鼓励海洋循环经济技术创新。发展海洋循环经济就是要依托循环经济创新技术,以海洋资源的高效与循环利用为核心，用循环经济理念指导产业结构调整和布局，形成海陆大循环的经济发展模式。政府应及时向社会有关海洋循环经济的技术创新、管理和政策等方面的信息，支持循环经济高新技术的研究开发，实行规划引导、政策激励、协调统筹、依法管理。三是发展海洋循环经济应有重点、有层次推进。海洋循环经济的重点应放在总体污染排放中所占比例较大，资源消耗多的行业和具有较为成熟的海水循环利用技术、资源再生技术的产业领域。四是重点领域优先推进。重点发展海水直接利用和海水淡化技术，降低成本，扩大海水综合利用的产业规模，推动海水资源产业化的全面发展，以有效缓解我国及淡水资源严重不足的矛盾，改变我国沿海地区水资源结构，促进沿海经济社会的全面发展。

（六）构建海洋信息平台

大力发展海洋信息技术海洋信息技术在海洋事业发展中具有十分重要的地位，涉及各个方面,包括海况、海洋环境及灾害的监测、分析、预报,海洋通信及导航、定位，海洋资料及情报管理等。发展海洋信息技术，应充分利用现代通信高技术成果，发展海洋卫星遥感、卫星观测、卫星导航定位、海洋及海岸数据采集与分析、海上通信、海上定位等技术。研究海洋环境监测技术及相应的通信技术,研制可布设于沿岸、近海海域的海洋环境监测系统。

五、有效发挥政府在海洋经济可持续发展中的促进作用

（一）海洋经济可持续发展需要政府的组织规制和管理

海洋管理就是海洋公共政策的制定与实施。海洋公共政策作为国家一定时期或一定阶段的海洋目标,是国家发展海洋战略以及实施海洋权益保护和开发利用制定的海洋工作和海洋事业的行动准则，海洋公共政策的实施则是海洋经济可持续发展的根本依托。而在履行对海洋公共产品的生产组织规制、管理方面，要在发挥好“公共产品”的供给职能之外，对于那些政府可以逐步将生产职能交出的公共产品，例如海洋环境保护的基础设施、环境工程项目，甚至包括海洋环境管理的一些具体政策、具体标准等,政府涉海部门要将生产权真正移交给企业,而将自身职能切实落到管理者的定位上，积极作为更好地在生产与消费中间发挥组织、管理和规制功能。

（二）政府要倡导有限制地适时合理开发利用海洋资源

保护和合理利用海洋资源是政府管理之本,这是海洋经济时代资源的稀缺性对政府管理的根本要求。海洋相对陆地有着极其丰富资源,但也远非是取之不尽、用之不竭的。因此，保护和合理利用海洋资源是海洋经济时代政府无可推卸的责任。为此政府就要制定出较为完善的海洋法律体系并严格执行之;要对海洋开发进行严格的规划,要创造一个海洋生产领域既能充分保护海洋环境又通过竞争来促使公众降低资源消耗增加经营效益的环境。在政府的设计框架中要全面体现这样一个规律,即竞争是为了淘汰资源成本过高的生产者,或者迫使其降低消耗成本。

（三）政府应着重加强海洋科技人才培养和促进重大技术合作

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1.引言

随着海洋技术的发展，自主水下航行器（AUV）的应用和研究变得更加迫切。在军事和民用方面，AUV有大量应用前景，例如寻矿、水下测量，探测、观测与处理等。AUV完全符合低成本、无人探测和监测海洋复杂水下环境和其他水下生态系统的需求。

本文重点介绍控制系统的设计。由于AUV航行的不规则性和环境模型建立的复杂性，在一个不确定的开放环境下控制一个AUV面临很多挑战性的控制问题。许多文章都提出了各种先进的水下控制方法，一些非线性的控制系统设计都需要精确的系统模型，一些则需要大量的不确定的参数。由于水动力的不确定性，获得一个精确的AUV系统模型非常不易。

一种好的自适应控制系统不需要精确的系统模型，它可以由不确定的估算和输入的航行路线来建立。本文提出了一种带有六个自由度的水下机器人定位控制的方法，研究了自适应控制系统在水下航行器不规则运动模型的应用，仿真结果表明，非线性模式的控制系统比常规的PID方法具有更好的控制性能。

2.AUV模型

为了描述航行器的位置和姿态，惯性参考坐标系和自身参考系如图1所示。

图1 AUV自身参考系和惯性坐标参考系

描述AUV的模型非线性微分方程组如下所示：

即：

自身的速度向量如下：[U V W]惯性参考系下航行体自身调节速率矢量;[x y z]惯性参考系下航行体重心位置矢量;δr： 舵角度;δs：船尾角度;Xprop：推进器动力。

3.目标控制

对目标的控制是通过追踪由导航系统产生的参考系实现的。本文中假定用于搜索和探索海洋的轨迹是已知的。为了识别和搜索大海中的某个区域，其主要的操作形式如图2所示。本图显示了AUV要求按照指定的深度和设定的路径移动;按照“S”型路线搜索并进行干扰补偿，例如海底涌流带来的干扰。方向和深度曲线如图3所示。

图2 AUV搜索模式

图3 方向和深度曲线

4.控制器设计

必需设计一个满足以下性能的控制器：（1）能估算不定参数;（2）能跟踪输入参数;（3）能抗干扰。

5.自适应控制器设计

假设系统模型为;

（7）

S在方程8中定义：

（8）

消掉s：

（9）

由方程（8）（9），得到方程（10）：

（10）

方程（11）表示控制信号：

（11）

Lyaponuv 公式如等式（12）：

（12）

结合方程（12），系数h，a1，a2可以由下列方程确定：

（13）

（14）

（15）

a2是评估海洋涌流强度的一个参数，比如搅动力。

自适应控制器的评估结果如图4，5，6所示。在仿真中，假设海流为2节。方程的变量是未知的，可以通过方程13、14、15来确定。

图4 干扰情况下使用自适应控制器的AUV运动

图5 干扰情况下使用自适应控制器在x，y，z方向上的 AUV运动

图6 干扰情况下使用自适应控制器在翻滚、倾斜、偏航方向上的AUV运动

6.结束语

本文阐述了一种关于AUV系统位置控制的自适应控制方法。由于非线性多元动力学变量的不确定性和干扰的不可估量性，AUV的位置控制成为一个重要的课题。AUV的动力方程是非线性、多元化和不确定的。对这套系统来讲，海洋的涌流是重要的干扰，需要确认方程中的变量――水力学的系数，而一些变量不需要精确的数值，比如水力系数。计算这些变量相当复杂并需要很多时间和精力，这些变量随着环境条件而变化。

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科学上的新发现及其在技术中的应用，都以人们预料不到的高速度展现出来。新技术不断突破，发明创造层出不穷。越是尖端技术，其革新的速度越快，更新换代也越加显著。新技术革命引起新的产业革命，促使世界产业迅速地朝着尖端技术化、知识密集化、高增殖价值化方向发生结构性的变化。领头的产业正在更替，以微电子、新材料和生物技术为轴心的新型产业群将成为肩负世界未来的战略产业。新技术革命不但提出了严峻的挑战，而且也提供了巨大的机会，对社会经济发展的方方面面起着重要的作用。

1.信息技术

1.1信息技术推动传统产业的技术升级

信息技术代表着当今先进生产力的发展方向，信息技术的广泛应用使信息的重要生产要素和战略资源的作用得以发挥，使人们能更高效地进行资源优化配置，从而推动传统产业不断升级，提高社会劳动生产率和社会运行效率。

1.2劳动力结构正出现巨变

随着信息资源的开发利用，人们的就业结构正从农业人口为主、工业人口为主向从事信息相关工作为主转变。以美国为例，1956年，美国的“白领”人数第一次超过“蓝领”，到1980年，美国就业比例为：农、林、渔业从业人数占总就业人数的3.38%，采矿业和建筑业占7.23%，制造业占22.09%，服务业占67.2%。这种趋势进一步发展，到1997年其农、林、渔业从业人数占总就业人数的2.63%，采矿业和建筑业占6.88%，制造业占16.08%，服务业扩大为73.34%。服务业中，除了极少部分传统服务业外，绝大多数是从事与信息处理、信息服务有关的职业。

1.3信息技术已引起传统教育方式发生着深刻变化

计算机仿真技术、多媒体技术、虚拟现实技术和远程教育技术以及信息载体的多样性，使学习者可以克服时空障碍，更加主动地安排自己的学习时间和速度。特别是借助于互联网的远程教育，将开辟出通达全球的知识传播通道，实现不同地区的学习者、传授者之间的互相对话和交流，促使人类知识水平的普遍提高。

2.生物技术

现代生物科学的迅速发展使人们得以运用生物学的方法以及现代工程科学所开拓的新技术和新工艺，对生物体进行不同层次的设计、控制、改造或模拟，构成了巨大的生产能力。例如，基因拼接和重组技术为创造生物新物种和新品系提供了最有希望的手段。通过发酵工程和生化工程技术可以实现生物产品大规模商品化生产。

生物技术还可用来进行各种生物材料和非生物材料的加工，以提供新材料和新元件。新产业革命的重要方向是发展低能、节能和脱能型新产业，并寻找新的能源，以摆脱当前能源限制，人们对此也将希望寄托在生物技术上。

此外，生物技术还帮助人们更好地了解生物、了解环境，从而消除了水和空气的污染、保护生态环境、提高医疗技术、防治疾病，提高了人民健康水平等。

3.新材料技术

新材料技术是按照人的意志，通过物理研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术，被称为“发明之母”和“产业粮食”。它能够满足高强度、高刚度、高硬度、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能要求；也可利用材料具有的电、磁、声、光热等效应实现某种功能，如半导体材料、磁性材料、光敏材料、热敏材料、隐身材料和制造原子弹、氢弹的核材料等。

新材料在国防建设上作用重大。例如，超纯硅、砷化镓研制成功，导致大规模和超大规模集成电路的诞生，使计算机运算速度从每秒几十万次提高到现在的每秒百亿次以上；航空发动机材料的工作温度每提高100℃，推力可增大24％；隐身材料能吸收电磁波或降低武器装备的红外辐射，使敌方探测系统难以发现等。

4.新能源技术

能源是人类生存和发展的重要物质条件，但煤炭、石油、天然气等不可再生能源持续增长的大量消耗，不仅使人类面临资源枯竭的压力，同时更感到了环境问题的严重威胁。新能源技术是研究如何有效地开发、生产、保存、传递能量并通过能量形式的转换来有效利用能量的技术，一般包括太阳能技术、风能技术、地热能技术、海洋能技术、生物能技术以及核能技术等。这些技术的发展大大提高了人类利用能源的范围，丰富的新能源清洁且能永久利用的特点，不但改善了人类赖以生存的环境，也是人类可持续发展的重要保障。

5.空间技术

空间技术是探索、开发和利用宇宙空间的技术，是一门快速的、大范围的、在宏观尺度上最能发挥作用的科学技术。例如，通信卫星可以大面积覆盖地面以至全球；气象卫星可以进行全球天气预报；侦察卫星可以及时监视广大地区的军事活动等，导航卫星系统交通运输、气象、石油、海洋、森林、通信、公安、国防等部门提供高效的导航定位服务。

6.海洋技术

海洋与全球变化、海洋环境与生态的研究是人类维持自身的生存与发展，拓展生存空间，充分利用地球上这块最后的资源丰富的宝地的最为切实可行的途径。

6.1解决淡水危机

淡水资源奇缺的中东地区，数十年前就把海水淡化作为获取淡水资源的有效途径。美国正在积极建造海水淡化厂，以满足人们目前与将来对淡水的需求。全世界共有近8000座海水淡化厂，每天生产的淡水超过60亿m3。最近，俄罗斯海洋学家探测查明，世界各大洋底部也拥有极为丰富的淡水资源，其蕴藏量约占海水总量的20％。这为人类解决淡水危机展示了光明的前景。

6.2为人类的深海探测研究提供可能

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1.建设思路及总体目标：[2]大连海洋大学未来发展的定位是“海洋特色”，在学科专业建设上制定了“控制规模，适度发展，注重内涵，严抓质量”的发展思路，紧密围绕海洋开发和利用的需要，调整优化各专业布局，适度增设一些与海洋发展前景相关的新专业，以形成数量适宜、结构合理、优势互补、交叉渗透的多学科专业体系。并计划在国家“十二五”规划实施期间将学校专业建设的重心转移到内涵建设，努力提高现有重点学科、重点（特色）基地建设水平，逐步形成了“农、工、理、管、文、法、经”和谐发展的人才培养体系。目前，学校有省部级重点学科4个、国家级特色专业3个、省级本科特色（示范）专业4个、本科专业达到47个，学科建设保持着持续、良性的发展势头。

2.培养方案的制订：大连海洋大学在专业培养方案的制订上紧密围绕着专业学科的基本问题和发展主线，注重基础理论知识和基本技能的传授，注重学科内在发展规律及与海洋学科间的关联，注重科技创新思想和综合应用能力的培养。同时，培养方案还要兼顾鲜明的时代特色，每隔两年时间要进行调整，保证其满足社会发展对人才的需求。

3.课程群建设：以往的专业课程体系建设比较简单，即设置若干门主干课，再围绕它们扩展体系建设。这种做法的弊端是：较少考虑课程间的关联性，造成有很多课程内容重复，浪费宝贵的教学资源；课程的教学处于封闭状态，学生无法建立课程体系间的联系；缺乏对课程体系的系统规划，严重影响学科建设的发展。为此，近年来大连海洋大学采取建立课程群的方式，有效解决课程设置与学科建设的问题。课程群是为了完善同一施教对象的认知结构，将专业培养方案中若干门在知识、方法和问题方面有逻辑联系的课程加以整合的课程体系。[4]课程体系的建设原则为：把建设重点从单一课程转到课程群，把追求单课内容严谨完整的局部优化转为追求课程群的全局优化，有针对性地将一个专业内单一的教学活动组合成不同的模块，并围绕教学目标设置教学内容、授课时数、授课形式及考核方式，优化教学内容体系，突出专业性、知识点的合理选取，坚持理论和实际相结合，强调学生动手能力和创新能力的培养。为适应海洋类人才培养的需要，发挥大连海洋大学海洋技术特色，尽量将非海洋类学科专业与海洋应用领域相结合。为此，学校专门组建了很多海洋应用类课程群，例如海洋遥感观测、海洋信息技术科学、海洋生态科学、港口航道与近海工程、海洋环境治理、海洋水产食品等课程群，内容涵盖海洋生命科学、海洋资源开发利用、海洋环境和气候、海洋经济与文化等各个方面。通过课程群的建设努力把大连海洋大学建设成为面向21世纪的海洋科技人才的培养摇篮。

教学管理

教学管理是高校各项管理的核心。随着教学计划的调整、课程体系的优化，教学管理也必须创新，促进管理效率的提高。大连海洋大学实行课程群负责人管理制度，负责人要求具有高级职称和丰富的教学经验，能指导教学计划、教学大纲的制订，对教学过程进行有效监控，实现科学化教学管理。学校成立教学质量考核小组，由退休资深老教师组成，定期对中青年教师的教学进行考核，同时，安排学生作为教学信息员及时反馈教师的授课情况。组织教学效果评比，授课效果不佳的教师按教育部和学校的有关规定停止授课限期整改，合格后才能继续上岗。学校的各学院都成立学术质量评价小组，由学术骨干组成，负责课程设计、生产实习及毕业设计等大型学术实践活动的监控任务，按照学校制定的规范严格管理。

实验室建设

高校实验室为复合型人才的培养提供实验场所。为此，高校应该持续建设与完善一批先进、高水平的实验室来满足教学及科研的需求。目前，大连海洋大学建有国家级加工中心1个，农业部重点开放实验室1个，省级重点实验室7个，省级工程技术研究中心4个，省级科技服务中心1个，省高校重点实验室4个。学校逐年加大实验室科研费用的投入比例，购买必要的实验设备和材料，将有限的资金用到实处，发挥实验设备最大的科研效率和经济效益。同时，实验室应尽可能参与社会化服务，[5]为自身发展提供资金支持。此外，学校的实验室建立了完善的使用和管理制度，常年对学生开放，为学生实验、实习提供良好的教学科研环境。

高素质师资队伍培养

从教学水平、血缘结构、科研能力、创新意识、团队精神等方面考察教师的综合能力，注重师资队伍的建设和培养。提高师资队伍的整体素质可以通过人才引进和自身培养相结合的方法，学校制订优惠政策吸引国内外的高学历、有深厚科研背景的杰出人才。同时，聘请各专业领域内专家、学者作为兼职教授、客座教授等，积极拓展学校科学研究的领域。定期选拔责任心强、能力突出的青年教师到国内外高校或科研院所进行培训、进修等，在尽可能短的时间内提高其综合业务水平和科研创新能力。通过制订各项科研奖励政策，鼓励中青年教师申请与海洋学科交叉的科研基金课题，积极参与海洋热点问题研究，从而带动其他学科向前发展和教师科研能力的提高。近年大连海洋大学实施“青年英才工程”计划，累计共选出46名优秀青年教师，给予政策倾斜和资金资助，为青年教师的发展提供良好的外部环境。目前，在全校范围内共选拔47名45岁以下的学科带头人，评选出266名硕士生导师，逐步形成一支以学科带头人牵头、以中青年学术骨干为主体、具有稳定的科研方向和可持续创新发展的教学科研梯队。

学术研究

学术研究是一所大学存在之根本，学术研究为人才培养提供动力源泉。学术研究能力的培养需要日积月累的过程。大连海洋大学学生从入学伊始，在掌握本专业基础知识、专业理论的同时，对本学科的学术研究形成一定的认识，鼓励使用图书馆和资料室的资源，逐步培养学生的科研兴趣和学术研究能力。定期举办各类科研会议和讲座，让学生了解最新的学术成果和科研动态。学生可以成立科研兴趣小组，对本专业范围内的某些问题开展初步，并且安排学生收集整理科研资料、参与撰写项目申请书和科技短文等。教师在这一过程中应坚持启发诱导的原则，切不可大包大揽又不可放任自流。此外，教师要着重强调外语、数学、计算机对学术研究和人才培养的重要性，有针对性地进行强化学习。教师要帮助学生树立正确的科研价值取向，使学生认识到搞学术研究是提高自身科研训练能力、分析问题和解决问题能力的有效途径。#p#分页标题#e#