海洋工程动力环境精细化预报与安全保障及评估技术研究

2017-12-15

  【项目类别】国家重点研发计划“海洋环境安全保障”专项

  【项目编号】2017YFC1404200

  【起止年限】2017.07~2020.12

  【项目负责人】董国海

  【牵头单位】水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院

  【参与单位】国家海洋局第一海洋研究所、中国科学院力学研究所、中国海洋大学、天津大学、大连理工大学、国家海洋局第二海洋研究所、河海大学、浙江海洋大学、国家海洋信息中心

  ● 背景

  “21 世纪海上丝绸之路”(以下简称“海丝”)是国家站在历史高度、着眼世界大局、面向中国与海上丝绸之路沿线区域合作长远发展提出的重要战略构想,加快建设“海丝”沿线港口航道、海峡桥隧等海洋工程,是海上丝绸之路形成和发展的基础条件,也是海上丝绸之路基础设施建设的优先领域。海上丝绸之路重点方向从中国沿海港口过南海到印度洋,延伸至欧洲,沿线地形边界复杂、遭受台风暴潮频繁、波浪动力频域宽广、海岸底质差异明显、大洋海域洋流作用突出,复杂变化环境下,海洋工程动力环境精细化预报与安全保障及评估面临诸多难题。

  ● 拟解决的关键问题

  (1)高海况条件下大气、海浪、海流耦合机制;

  (2)复杂环境下近岸水动力泥沙耦合机理及演变趋势;

  (3)低频波浪激发港湾振荡对港口安全的影响机制。

  ● 研究内容

  (1)大气海洋耦合机制、同化方法与数值模式研究

  (2)近岸水动力泥沙相互作用机制及演化规律研究

  (3)大气海洋动力环境精细化预报及解释应用技术

  (4)桥隧与航道工程冲淤精准预测及其安全评估技术

  (5)港湾低频振荡模拟与港口安全评估技术

  (6)海洋工程动力环境安全保障和评估系统集成及应用

  ● 研究进展

  (一)课题实施方案论证

  项目启动会与课题实施方案论证会已经顺利召开,并按照专家组意见进行课题实施方案修改,细化技术路线、协调各个课题之间的关系、明确目标,责任到人,为项目与课题的顺利开展奠定了基础。

  (二)复杂形状港湾本征频率和振荡模态分析系统与精细化港湾振荡数值预测模型

  本项目中采用有限单元法,以非结构化三角形网格来离散和求解缓坡方程,建立港湾振荡的复杂形状港口的本征频率和振荡模态分析系统,目前已针对理想形状如正五、六边形及椭圆形港湾内的水波共振从理论上给出了解析解;进一步应用该系统分析课题组前期承担的港湾振荡工程实例,通过与实例中的观测结果与实验资料比较,验证系统的正确性。已采用Zou和Fang推导的用水深平均速度和自由表面升η表达的二阶全非线性Boussinesq方程。模型在规则矩形网格的基础上,对守恒形式的控制方程采用有限体积-有限差分相结合的方法进行离散。为了提高模型计算效率、拓展其适用范围,本项目将进一步采用并行技术对其加速。

  (三)桥隧与航道工程冲淤精准预测及其安全评估技术

  项目关注海丝关键节点海峡桥隧与航道工程小尺度泥沙冲淤问题,目前已结合泉州港、马尔代夫大桥和深中通道的工程区域泥沙特点,利用已有数值模型进行建模,并结合其他课题模型结果进行耦合,形成基槽回淤精细化模拟预测系统,为海丝关键节点工程的设计与施工提供科学技术支撑。

  (四)海洋工程动力环境安全保障和评估系统集成及应用

  已经确立“一系统两平台”的基本架构;基本明确了不同模型之间的集成模式和数据格式,并明确了不同课题之间的衔接关系,为实现所建立平台系统的大气海洋、航道骤淤、桥梁冲刷和港湾振荡精细化预报功能奠定了基础。