摘 要：隨著(zhù)沿海經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，近海海域遭到越來(lái)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。海洋經(jīng)濟的發(fā)展還面臨嚴酷的海洋自然環(huán)境，精確預報海洋災害的發(fā)生、發(fā)展和應該采取何種防災減災工程措施，也成為嚴重關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題。為了開(kāi)發(fā)海洋資源，需要在海上進(jìn)行各類(lèi)工程建設，大規模的工程建設和海洋環(huán)境之間的相互作用也將是開(kāi)發(fā)海洋中的一個(gè)應引起特別關(guān)注的重要問(wèn)題。為了適應我國海洋經(jīng)濟的快速發(fā)展，針對我國重大的海洋環(huán)境與保護問(wèn)題，重點(diǎn)開(kāi)展研究方面的課題大體上有三類(lèi)。第一類(lèi)課題是海洋環(huán)境特征對各類(lèi)污染物作用的機理和規律研究，第二類(lèi)課題是海洋工程設施防災、抗災和減災研究，第三類(lèi)課題是海洋工程及海洋環(huán)境工程與海洋環(huán)境的相互作用及防治措施與對策。

　　關(guān)鍵詞：海洋環(huán)境污染 海洋災害

　　海洋工程與海洋環(huán)境相互作用隨著(zhù)沿海經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，近海海域遭到越來(lái)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長(cháng)的海岸線(xiàn)和眾多海灣的國家所共同關(guān)心的環(huán)境問(wèn)題。海洋經(jīng)濟的發(fā)展還面臨嚴酷的海洋自然環(huán)境，海洋災害直接影響著(zhù)海洋經(jīng)濟的發(fā)展規模、速度和效益，精確預報海洋災害的發(fā)生、發(fā)展和應該采取何種防災、抗災和減災工程措施，也成為嚴重關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題。為了開(kāi)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(jìn)行各類(lèi)工程建設，在目前科技日益發(fā)展的情況下，工程建設的規模日益巨大，這些大規模的工程建設和海洋環(huán)境之間的相互作用也將是開(kāi)發(fā)海洋中的一個(gè)應引起特別關(guān)注的重要問(wèn)題。為了適應我國海洋經(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(kāi)發(fā)，以及海岸帶開(kāi)發(fā)過(guò)程中的后效問(wèn)題的研究需要，針對我國重大海洋環(huán)境與保護問(wèn)題開(kāi)展研究是十分必要和迫切的。

　　在這方面，重點(diǎn)需要開(kāi)展的研究課題大體上有三類(lèi)。第一類(lèi)課題是海洋環(huán)境特征對各類(lèi)污染物作用的機理和規律研究，第二類(lèi)課題是海洋工程設施防災、抗災和減災研究，第三類(lèi)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(lèi)污染物的作用機理和規律研究以海洋流體動(dòng)力對各類(lèi)污染物遷移、擴散、轉化規律的研究為基礎，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雜條件下的運動(dòng)及演變規律，并建立海洋水質(zhì)預測預報模型。此外，近年來(lái)，在我國沿海海域，赤潮頻發(fā)嚴重。因此，除了加強赤潮的監測和預報外，也應加強在建立赤潮生長(cháng)機理和發(fā)展規律方面的研究工作。

　　此項研究應通過(guò)現場(chǎng)觀(guān)測、物理模型實(shí)驗和數學(xué)模擬研究相結合的方法來(lái)進(jìn)行。由于現場(chǎng)觀(guān)測工作耗資巨大，且受到許多客觀(guān)條件的限制，所獲得的數據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(lái)，因此，往往只能用它來(lái)作為對某一水質(zhì)預測預報模型進(jìn)行檢驗其可行性和精度的一個(gè)實(shí)例。

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

　　在水流數學(xué)模型研究方面，對于較大范圍的海域，通�？刹捎蒙疃绕骄�的潮流教學(xué)模型，對于紊動(dòng)影響不顯著(zhù)的海域，可不考慮湍流影響，而對于湍流效應顯著(zhù)的區域，如排污口近區，則應考慮湍流效應。此外，采用坐標變換，可建立一種能夠考慮復雜地形和套流效應的三維潮流數學(xué)模型，這樣才能夠較好地重現實(shí)際海域的三維潮流特征。在較小范圍的水域，水流數學(xué)模型可以以N－S方程和通用的k－（湍流模型為基礎，針對水溫和鹽度分層流的流動(dòng)特性，考慮浮力對紊動(dòng)的影響，建立用于模擬同時(shí)存在溫度和鹽度梯度這一類(lèi)密度分層流的k－（單流體數學(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律以及相間相互作用規律進(jìn)行模擬，建立兩相湍浮力分層流的雙流體數學(xué)模型。

　　在波浪數學(xué)模型研究方面，可應用BI—CGSTAB法求解由橢圓型緩坡方程離散得到的代數方程組，以提高求解效率。從水波發(fā)展方程出發(fā)，可導出一種用于大區域波浪變形問(wèn)題的數學(xué)模型。通過(guò)引入弱非線(xiàn)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(xiàn)性效應。對高階Boussinesq方程的進(jìn)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(xiàn)性精度，可以更精確的計算較深水域波浪的非線(xiàn)性特征。

　　針對帶自由表面的波浪場(chǎng)問(wèn)題，通過(guò)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合，可導出一個(gè)能考慮破波能量損失的拋物型緩坡療程，用這個(gè)方程可模擬規則波和不規則波破碎引起的波高變化。建立沿岸流數學(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�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(lái)，建立一種輻射應力計算的新方法，用該方法可對較大區域均勻斜坡地形上的波浪輻射應力進(jìn)行數值模擬。

　　在近海海域污染物遷移轉化數學(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力一通量代數全場(chǎng)模型，可對非對稱(chēng)潮流作用下的側向岸邊排放問(wèn)題過(guò)分數值模擬。以研究近海海域污染物遷移轉化的三維預報系統作為目標，在分析近海環(huán)境中各種物理、化學(xué)和生物現象的基礎上，針對近海海域水污染的特點(diǎn)，從三維湍流模型出發(fā)，在動(dòng)量方程中引入表面風(fēng)應力、底部切應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(gè)統一考慮物理、化學(xué)和生物等過(guò)程綜合作用的近海海域污染物遷移轉化的三維預報模型，它可為環(huán)境評價(jià)、水質(zhì)規劃、污染控制以及水域排污工程設計等提供重要的科學(xué)依據；同時(shí)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(jià)值和應用前景。

　　應該指出，在海洋水質(zhì)預測預報模型研究方面，數學(xué)模擬無(wú)疑是一種十分有效的手段，但不論是何種數學(xué)模型，其模型中所需的必要參數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)性和預測能力。而這些必要的數據是無(wú)法從數學(xué)模型本身來(lái)取得的，有些可以通過(guò)現場(chǎng)觀(guān)測來(lái)得到，但其中一些最基本的卷數是要通過(guò)基本機理的研究才能得到，在這方面物理模型實(shí)驗研究將是一個(gè)有效的手段。

　　能模擬海洋動(dòng)力因素的先進(jìn)實(shí)驗設備，現代化的量測儀器和測試系統是開(kāi)展物理模型實(shí)驗研究的必備條件。進(jìn)一步完善PIV和LIF的濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)同步測量系統，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構，獲得流場(chǎng)中水質(zhì)點(diǎn)速度的空間分布和時(shí)間過(guò)程；并同步獲得波浪及波流相互作用下濃度場(chǎng)的空間及時(shí)間變化過(guò)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。

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

　　90年代以來(lái)，我國海洋災害所造成的損失每年達上百億元人民幣，是世界上海洋災害最嚴重的國家之一。海洋工程結構的投資費用很高，一旦發(fā)生破壞，將會(huì )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(xiāo)管船在南海通臺風(fēng)翻沉等）。當前我國海洋能源開(kāi)發(fā)與海洋空間利用的絕大部分活動(dòng)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施能夠安全服役免遭破壞，面臨的首要問(wèn)題是弄清這一海域中嚴酷和復雜多變的環(huán)境因素。我國東臨西北太平洋，每年出現的臺風(fēng)數目占全球的38%，其中對我國可能造成災害的臺風(fēng)每年有7—8個(gè)。每當臺風(fēng)在我國登陸或接近我國沿海通過(guò)時(shí)，都會(huì )在沿岸局部地區產(chǎn)生風(fēng)暴潮，形成風(fēng)暴潮災害。

　　在我國北方海域（渤海和北黃海），冬季由于受寒潮影響，沿岸地區每年都有結冰現象，結冰嚴重的年份則出現冰害。若對這些海洋災害估計不足將會(huì )帶來(lái)巨大的損失。渤海重疊冰與堆積冰的形成，不但可給結構物以強大的冰壓力，而且由于冰激引起的振動(dòng)作用，也會(huì )給海洋平臺的使用和安全帶來(lái)巨大的損害。而冰區溢油的遷移規律及預防和清理技術(shù)，至今尚未進(jìn)行過(guò)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(huì )引起海冰的斷裂，斷裂后冰塊的尺度直接影響其對結構物的作用。在渤海海域建造的海洋平臺，為了抵抗冰害，往往建成正、倒錐體的結構型式，冰排對錐體結構的冰荷載及與其的動(dòng)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(jìn)行理論分析和數值模擬外，實(shí)驗研究也是一個(gè)重要的手段。在實(shí)驗研究中，模型冰可采用凍結模型冰和非凍結模型冰來(lái)進(jìn)行，它們各有其優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)展這兩種技術(shù)是海冰力學(xué)研究中的一個(gè)課題。

　　我國是一個(gè)多地震的國家，海域中時(shí)有地震發(fā)生。強烈的地震將有可能是海上工程設施的主要破壞荷載。如果一旦在地震中結構物（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，其次生災害——火災、環(huán)境污染等的后果也不堪設想。

　　近年環(huán)太平洋地區地震的頻度和強度都在上升，造成重大災害。大型海上工程在地震作用下的安全性，特別是抗震防災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和振動(dòng)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(lèi)破壞機理，至今國內外對此都很少研究，且由于試驗條件的限制，國內外對此方面的試驗研究工作開(kāi)展極少。這是海上水工建筑物抗震研究中的一個(gè)新領(lǐng)域。

　　以下的一些研究?jì)热輰⑹菫榻鉀Q海洋工程設施抗震措施中的關(guān)鍵技術(shù)所必需考慮的，如近海環(huán)境地震危險性分析，設計地震動(dòng)參數和頻譜特性，強震海底多維地震動(dòng)及其空間分布規律，地震波傳播特性及地震動(dòng)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?chē)�水介質(zhì)影響的結構振動(dòng)破壞機理、振動(dòng)控制、地震動(dòng)時(shí)頗聯(lián)合分析模型和輸入機制、非線(xiàn)性動(dòng)力分析和動(dòng)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(xiàn)與地基土動(dòng)力相互作用，碼頭及護岸建筑物地震穩定性；海域中水工建筑物的性能設計和地震設防標準等。

　　海上水工建筑物在長(cháng)期運行過(guò)程中健康狀況逐漸惡化，其損傷主要來(lái)自?xún)蓚�(gè)方面：其一是結構的老化、疲勞、超載、內部損傷（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；其二是設計不周或設計標準偏低，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(shí)間及方向上的隨機性所導致結構安全的不確定性情況下，對現役海洋工程結構進(jìn)行健康診斷和評估剩余可靠度的理論；結構健康狀態(tài)及損傷檢測的新技術(shù)和新方法；結構病害治理用的新材料、新技術(shù)和新方法；海洋工程結構在多種復雜海洋環(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，設計與建造新型抗災工程結構；研究和設計使海洋工程結構物在設計使用期限內有足夠的安全度，而在退役之后又便于拆除的各種工程措施。

　　為了及時(shí)掌握海洋環(huán)境的風(fēng)云變幻和災害的可能來(lái)臨，發(fā)展海洋環(huán)境及災害的預報技術(shù)是非常必要的。為此需要建立以下一些系統，如建立由近海到遠海的海洋環(huán)境及災害觀(guān)測網(wǎng)絡(luò )、預報與預警系統、沿岸防災準備和各類(lèi)應急處理系統；以主要海域和海岸帶區域經(jīng)濟發(fā)展為背景，進(jìn)行重點(diǎn)研究，建立數字化的海洋環(huán)境信息系統模型與結構；以及建立海岸和近海工程設施防災減災數字信息系統，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、全球定位系統相結合，建立數學(xué)物理模型，通過(guò)多媒體技術(shù)，形象化地描述災害成因、發(fā)生機理、傳播規律、模擬災害破壞的過(guò)程，建成智能化的防災、抗災和減災決策支持系統。

　　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，現代海洋空間利用除傳統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(chǎng)、海底隧道和海底倉儲的方向發(fā)展。

　　人們現已在建造或設計海上生產(chǎn)、工作、生活用的各種大型人工島、超大型浮式海洋結構和海底工程，估計到21世紀，可能出現能容納10萬(wàn)人的海上人造城市。我國澳門(mén)和日本已經(jīng)在海上建成了人工島海上機場(chǎng)。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(cháng)，60米寬的矩形漂浮鋼板拼裝海上漂浮機場(chǎng)。

　　由此可見(jiàn)，隨著(zhù)海洋資源與空間的開(kāi)發(fā)利用，各類(lèi)海上工程建筑物數量不斷增多、規模日益復雜和龐大，保證這些海上工程設施的安全運行及采取海洋工程防災減災措施將越來(lái)越重要。海岸帶和近岸海域是各種動(dòng)力因素最復雜的地區，但同時(shí)又是經(jīng)濟活動(dòng)最為發(fā)達的地區，海上工程建設如果考慮不當將會(huì )在一定程度上引發(fā)環(huán)境災害。工程設施可能破壞原有海岸帶的動(dòng)態(tài)平衡，影響岸灘的沖淤變化。海上回填和疏浚會(huì )改變海岸的形態(tài)，破壞某些海洋生物賴(lài)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則會(huì )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施如果不及時(shí)處理也將會(huì )逐漸成為海上障礙物以致引起公害。海洋工程抗災減災的任務(wù)是一方面要保證最大限度地減少自然界海洋災害帶來(lái)的報失，另一方面又要避免人為造成的海洋環(huán)境災害。

　　隨著(zhù)人類(lèi)對海洋資源的不斷開(kāi)發(fā)和利用，海洋環(huán)境保護與人類(lèi)生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)協(xié)調發(fā)展日顯重要。如港口開(kāi)發(fā)中的環(huán)境問(wèn)題，主要內容包括：航道、港池開(kāi)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、超大型浮式結構的環(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(kāi)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(dòng)力學(xué)、生態(tài)學(xué)、社會(huì )經(jīng)濟學(xué)及與環(huán)境關(guān)系的綜合分析與協(xié)調。

　　隨著(zhù)沿海大、中型城市經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，城平建設中的污水深海排放技術(shù)，感潮水域污水多點(diǎn)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(wèn)題。

　　鑒于黃河三角洲海岸線(xiàn)不斷依退所帶來(lái)的國土面積減少、陸上設施受到威脅甚至破壞、對黃河三角洲濕地自然條件的毀滅性破壞等一系列問(wèn)題，也是非常迫切需要研究的課題。此外，長(cháng)江三角洲、珠江口及珠江三角洲的海岸開(kāi)發(fā)、灘涂圍墾和岸灘保護及整治工程對水域影響所引起的環(huán)境問(wèn)題及其對策，也是需要重點(diǎn)研究的課題。

　　以主要經(jīng)濟發(fā)達的河口和海岸帶地區以及主要海域的經(jīng)濟發(fā)展為背景，建立一個(gè)數字化的區域經(jīng)濟發(fā)展模擬系統。與防災、抗災和減災決策支持系統一樣，將環(huán)境工程、水利工程、土木工程與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、計算機技術(shù)、遙感技術(shù)、地理信息系統、全球定位系統相結合，建立模型，通過(guò)多媒體技術(shù)，形象化地針對經(jīng)濟發(fā)展規劃，預測由于發(fā)展經(jīng)濟帶來(lái)的海域環(huán)境水污染的惡化、海洋自然災害（臺風(fēng)、巨浪、風(fēng)暴潮、地震、冰害、地質(zhì)災害）頻發(fā)的情況。人類(lèi)活動(dòng)特別是大規模工程建設所引起的海洋環(huán)境的變遷和海岸演變，以及它們之間的相互作用，用數字手段統一地加以處理，建立智能化的決策支持系統，以促進(jìn)國民經(jīng)濟持續、健康地發(fā)展，將會(huì )是決策部門(mén)進(jìn)行宏觀(guān)決策和具體規劃時(shí)的一個(gè)十分有效的手段。