第1章绪论
近海海洋工程预报保障是多学科交叉的应用学科，涉及气象、物理海洋、计算流体力学、泥沙运动力学、海洋环境监测与预报等。本书将重点介绍外海沉管施工的海上环境保障，它可以推广到海上油气资源开发、海上平台安装及风电场建设等海上施工安全保障。
1.1 海底沉管隧道建设的概况
目前国内外穿越江、河、海的沉管隧道超过百条，其中国际上著名的海底沉管隧道有哥本哈根凯斯楚普机场与马尔默之间的厄勒海峡沉管隧道、韩国釜山—巨济沉管隧道及博斯普鲁斯海峡沉管隧道。港珠澳大桥跨越伶仃洋，东连香港，西接珠海、澳门，采用桥、岛、隧组合方案，总长约35.6km。其中，沉管隧道总长5664m，是目前世界上*长的海底沉管隧道。图1-1为港珠澳大桥总平面布置示意图。
图1-1 港珠澳大桥总平面布置示意图
港珠澳大桥沉管隧道由33节管节组成，标准管节长180m，宽37.95m，排水量约7.8万t。图1-2为港珠澳大桥岛隧工程平面和纵断面示意图。其中，E9～E27管节基槽开挖底标高为50～45m，基槽深度为35～40m（图1-3），且深槽段与伶仃洋主航道交叉，海底地形和槽内流态异常复杂，外海环境下的深水基槽沉管安装是在世界范围内首次实施的。
图1-2 港珠澳大桥岛隧工程平面和纵断面示意图（单位：m）
图1-3 岛隧工程沉管基槽深度示意图
注：标高单位为m，其他尺寸标注单位为cm
港珠澳大桥沉管隧道作为目前国内首条外海公路沉管隧道，是目前世界上首条深埋大回淤节段式沉管隧道，具有工程规模大、外海作业环境复杂、技术难点多、施工工期紧、环保要求严、安全风险高等特点，尤其是深水深槽的特点带来的管节浮运和沉放对接等难题，使综合施工难度居于当前该领域世界前列。
该工程建设的技术难点与特点是：
第一，由于广州港远期30万t油轮出海航道建设需要，有别于一般浅埋沉管，港珠澳大桥沉管隧道采用深埋方案，沉管安装*大作业水深近50m，世界范围内仅次于博斯普鲁斯海峡沉管隧道（60m），且岛隧工程天然水深*大仅20m左右，沉管安装将在深水、深槽条件下进行，沉管安装的作业安全和精度控制都将面临巨大挑战。
第二，岛隧工程地处珠江口，为我国*繁忙的航运线路之一。岛隧工程穿越伶仃主航道、龙鼓西航道、伶仃临时航道，施工区通航条件极为复杂，且由于伶仃洋为“三汊两浅滩”的地貌格局，海流在深水航道、浅滩区域均呈现不同的规律，沉管隧道与多条深水航道正交，且靠近铜鼓浅滩，海流条件更趋复杂。
第三，岛隧工程标准管节重约7.8万t，体量居世界之首，且采用半刚性设计方案，在深水、深槽条件下，实施如此大体量的沉管安装在世界范围内属于首次，无相关经验可借鉴，且由于沉管安装精度要求高，水平向定位相对误差为2cm，竖向定位相对误差为3.5cm，受大体量、复杂环境的影响，沉管*终对接精度控制难度和风险巨大。
第四，岛隧工程沉管管节数量达33节，为目前世界上*长的沉管隧道，总体工期十分紧张，海上气象条件复杂，易受台风、季风影响，施工窗口选择存在不确定性，一旦沉管安装进度受阻，沉管预制生产线将受到极大影响，甚至影响整个港珠澳大桥的建设进度。
深水、深槽沉管对接具有水流条件复杂，缆绳柔性大，可能存在回淤，施工精度要求高等特点，导致水下稳定控制难度大，管节在波浪条件下的垂荡运动，对基床破坏等施工风险。为规避风险，采取有效措施，客观上需要开展沉管隧道安装技术及风险管控体系研究。
港珠澳大桥沉管隧道建设由众多工序环节组成，沉管安装的前期准备包括碎石基床的铺设、基床清淤等，这些工序需要花费7～10d的时间。完成管节基床准备工作后，将开始沉管的安装工序，主要包括管节浮运、管节沉放对接等。沉管预制厂与沉管安装基槽相距7km以上，沉管通过大型拖轮拖航至基槽位置后进行沉放和对接，安装工序需要36h左右的时间。在管节安装之后，进行后续的锁定回填工作，如此循环进行下一节管节的安装工作。
1.2 海洋工程面临的环境风险
大型沉管隧道管节的沉放和对接是施工中的一个重要环节，同时也是*危险的环节。与河流中浮运沉放管节的施工过程有所不同，在复杂的海洋环境下实施管节沉放时，水文（海浪、海流、潮汐）和气象（风速、风向）等因素的影响，决定了海上沉放施工具有更大的困难。沉管结构在海底受到的流体作用与在河流中也会有很大差别，较差的海洋动力环境条件不利于管节的沉放施工作业，因此管节的浮运和沉放对海洋环境有着特殊的要求。众所周知，当管节漂浮在海面时，主要驱动外力来自海浪、海流对结构的作用。当管节逐渐下沉，海浪的影响会逐步减小，而海流的作用会逐渐加大，成为主要的外力。
（1）天气风险
珠江口海域北靠亚洲大陆，南临热带海洋（南海），地形地貌复杂，水文气象环境多变，灾害性天气频繁，影响该海域的主要灾害性天气系统有台风、冷空气、暴雨及强对流天气带来的短时雷雨大风等。复杂的海洋环境条件无疑会给沉管隧道的施工增加难以预知的不确定因素，也对施工技术提出了更高的要求。面向海洋工程的海洋环境预报，与其他常规预报在预报精度和技术要求上是完全不同的。港珠澳大桥沉管隧道的施工要考虑风、海浪、海流等各种恶劣气象、水文环境的影响，以有效规避风险，提高施工安全性。
（2）海浪风险
港珠澳大桥岛隧工程沉管浮运安装大部分时间都在海面上进行，海浪直接影响沉管、沉放驳和其他操作船只的稳定性。首先，浪高大于一定阈值会导致沉管和沉放驳大幅度晃动，影响沉管的稳定性；其次，如果海浪波长尺度与沉管尺度接近，会导致沉管大幅度晃动，难以控制姿态；*后，海浪周期与沉管自运动周期紧密相关，当两者周期相近时容易引起共振，加剧沉管的晃动。
（3）海流风险
港珠澳大桥岛隧工程总体规模宏大，沉管浮运安装的施工海域位于珠江口径流与外海海水的交汇处，海流情况异常复杂。沉管进入深槽后，受槽内复杂流态及缆系刚度弱化影响，安装、对接面临以下问题：第一，管节重约7.8万t，运动中管节动能大，运动响应敏感；第二，沉管安装作业全过程位于水下，基槽深度超过35m，*深处达48m，管节运动及姿态监测和控制难度大；第三，随着基槽深度的增加，缆系刚度弱化严重，对沉管运动的约束能力迅速下降；第四，受潮流、径流、海底地形综合影响，槽内流态极为复杂，海流观测发现槽底存在高速水流，对沉管对接精度及安全将造成较大影响。
由于管节质量和体积巨大，即使在静止水流环境下拖航也会受到巨大的阻力，而珠江口为显著的潮流分布，超过一定速度的水流将给管节带来巨大冲击，影响管节浮运安全；在珠江口海域，涨落潮时，水流分布一般为上层流速较大，随深度减小，但*新观测发现，深水基槽的水流分布具有独*规律，这给管节的沉放对接工作带来新的环境风险。
（4）异常波风险
港珠澳大桥岛隧工程的沉管基槽横贯伶仃航道和铜鼓浅滩滩尾，该海域多次观测到异常波，严重威胁沉管作业和施工船只的安全。沉管在安装前需要解除锚系的保护，由于沉管体积巨大，异常波会引起安装船及沉管的晃动。例如，E20管节遭遇异常波给沉管安全及安装过程带来极大风险，严重影响安装精度，凸显了沉管基槽异常波观测、预警技术的重要性和必要性。由于异常波问题受到诸多局地因素如潮流、波浪、水体性质及南海内波传入等因素的影响，目前其形成机理尚不清楚，故无法对其进行预测。沉管隧道的精度是实现无缝对接的前提条件，必须克服异常波等诸多海洋环境因素的挑战，因此，需要建立异常波预警系统，为沉管安装提供科学的预警信息。
（5）水下姿态的风险
港珠澳大桥沉管隧道采用深埋方案，沉管安装*大作业水深近50m，沉管安装将在深水、深槽条件下进行，沉管安装的作业安全和精度控制都将面临巨大挑战；另外，受海水能见度及海流冲刷的影响，难以在管节外面建立参考点直接测量管节运动姿态。水下超低频、微振幅管节姿态测量目前没有成熟的技术和设备。惯性测量不受外界条件限制、不怕干扰，惯性测量系统所提供的数据又十分全面，它不仅能提供管节的加速度、速度、位移幅值，还能给出管节横摇、纵摇、艏摇的角度幅度，而且具有短期精度和稳定性好的优点。
1.3 海洋工程的预报保障
1.3.1 常规预报保障
常规预报包括中短期天气预报、延伸期天气预报、长期天气预报及热带气旋警报。
1.中短期天气预报
1～3d预报，每日发布两次（8：00和16：00），间隔8h，主要内容包括天气现象、风向、风速、阵风风速、能见度、有效波高、周期、波向等要素预报。
4～7d预报，每日8：00发布一次，主要内容包括天气系统及风向、风力概述。
2.延伸期天气预报
10d预报，对于可能造成保障区域大风的天气系统及过程，根据其活动的时间及强度给出风力、风向、有效波高、波向等预报。
提供未来10d内西北太平洋热带气旋生成情况及形成后移动路径预报。另外，提供未来10d内工程区海雾预报。
每周五发布预报。
3.长期天气预报
长期天气预报是指结合海洋工程施工流程及预报精度，预报时效为一个月。提供未来一个月可能给工程区造成大风的天气系统及过程次数预测，并根据其活动的时间及强度给出对应的风力、风向、有效波高及波向等。提供未来一个月内西北太平洋热带气旋的生成情况及对工程区影响可能性的预测。每月一次，于26日发布下月预报。
4.热带气旋警报
当在0°N以北，180°E以西的西太平洋海域内有热带气旋活动时，开始发布热带气旋消息、警报及警报解除。每次警报内容为未来3d热带气旋状况，即中心位置、中心气压、*大风速、移速移向、8级和10级大风半径。
1.3.2 施工窗口预报
施工窗口是指一个施工周期内的水文气象条件满足施工要求的一段连续时间。常用的水文气象要素包括海流速度、波高、波周期、风速、能见度等。为充分利用该“窗口”，通常分为优先作业窗口和备用作业窗口。
需要作业窗口的工程有：港珠澳大桥岛隧工程沉管安装施工，对海洋环境的要求高，连续3d风力小于5级，有效波高小于0.8m，流速小于0.6m/s；南海文昌海域14-3A和8-3A导管架和组块安装工程，导管架长约136m，重约3400t，作业水深超过120m，要求风力小于4级，有效波高小于1.2m；我国载人潜水器1000m、3000m级海上试验，要求试验期间风力小于4级，有效波高小于1.2m。
1.3.3 预警保障
外海海域海洋工程施工过程中，时常会遇到不可测的海洋环境风险，如海洋内波、异常波及短时强对流等，为海上施工带来不安全因素，需要对该类风险进行管控。由于该类海洋大气现象形成机理不清，并且具有突发性、随机性，目前主要的手段依靠实时监测、预警，无法提前开展预测预报。我国南海东北部海域，海洋内波发生频率高，内波对该海域的石油开采平台影响大。当前通用的办法是，在内波传播路径上，布放1个内波浮标阵列（大于3个浮标）。根据各浮标监测到的内波强度、出现时间及位置，判断内波到达石油开采平台的强度与时间，采取相应的工程应对措施。
在港珠澳大桥施工海域发现的异常波，由于缺乏监测资料，其波动特征及形成机理不清楚。工程上常用的做法是，在保障目标区周围布设高频波浪仪，实时监测海面的变化，并通过数据采集系统发送到指挥中心，实时自动分析异常波的发生及传播特征，发布异常波预警等级。
1.3.4 泥沙淤积预测
在从碎石基床铺设到沉管安装施工周期内，碎石基床上的泥沙淤积将影响沉管的精准对接及造成不均匀沉降，对沉管安全造成极大风险。因此，泥沙回淤的预测是外海沉管施工安装中重要的保障内容之一。
考虑沉管安装的泥沙预测对高精度、长时效的要求，泥沙预测由两部分构成，即泥沙的实时监测与预报模型。实时监测包括海水浊度、含沙量、淤积厚度及海
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