工程海冰灾害风险评估与防范

1 绪论 我国是世界上遭受海洋灾害影响*严重的国家之一［1］，近年来我国海洋灾害以风暴潮、海浪、海冰和海岸侵蚀等灾害为主。其中海冰灾害主要发生于我国渤海和黄海北部海域，在江苏连云港海域也是有海冰出现并偶发海冰灾害。渤海和黄海北部每年冬季都有3～4个月的冰期，海冰分布范围通常可达渤海面积的1/3，覆盖整个辽东湾和整个渤海和黄海北部沿岸。渤海为半封闭的地理环境，水深十余米，水平尺度不足五百公里，可能*大浪高有限，因此海冰灾害的风险远高于海啸、风暴潮、海浪等其他海洋动力灾害。历史上曾经发生过石油平台被推倒、冰激结构振动引发导管架被振断、船舶被冰挤压损毁、海冰堆积上岸和堵塞火电冷源取水通道等事故［2-6］。为保障我国有冰海域的生态环境安全，国家海洋环境监测中心丁德文院士于20世纪90年代建立了工程海冰学科［2］，旨在为工程规划设计、施工建设及运行管理提供海冰学依据，主要内容包括海冰观测技术方法、冰情分析计算与预报，以及海冰灾害分析与评估等（海洋行业标准《工程海冰技术规范》，HY/T 047—2016）。随着涉海产业呈现高密度、大型化趋势，对冰区涉海产业安全保障提出更高需求，特别是核电工程这类缺少研究基础和运行经验、且社会和生态环境影响显著的新兴产业，其海冰风险监测预警和安全保障的需求更为迫切。与此同时，在全球气候变化波动和人类活动加剧的双重压力下，渤海生态环境保护问题成为了当前热点之一，对于海洋开发主要载体的海洋工程，工程海冰灾害影响是必须要考虑的安全和环境因素。 1.1 海冰 所有在海上出现的冰统称海冰，除由海水直接冻结而成的冰外，它还包括来源于陆地的河冰、湖冰和冰川冰(海洋行业标准《工程海冰技术规范》，HY/T 047—2016)。海冰通常分布于高纬度的北极海域和部分亚极区海域，属于冰冻圈的一部分。 高纬度地区常年冰雪覆盖，其中*暖月份的平均气温低于10℃的地区统称为极区。北极地区包括整个北冰洋以及丹麦(格陵兰岛)、加拿大、美国(阿拉斯加州)、俄罗斯、挪威、瑞典、芬兰和冰岛八个国家的部分地区，北极海域主要包括挪威海、格陵兰海、喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海、楚科奇海、波弗特海、巴芬湾、哈德孙湾，以及加拿大北极群岛间各大小海湾和海峡。 部分亚极区海域由于地域气候等因素影响也会在冬季发生海冰的生长和消融，如波罗的海、鄂霍次克海、白令海、哈德逊海、库克湾、芬兰湾、黄海和渤海等。Tuomo K*rn*［7］对开发程度较高的典型冰区海域的冰情概要进行对比描述，详见附录1。 1.2 渤 海 冰 情 1.2.1 渤海结冰的环境条件 每年冬季我国渤海和黄海北部都有不同程度的结冰现象。渤海的海冰生成发展与时空分布特征主要取决于渤海的地理环境和气象条件［2，8］。 渤海位于37°07′N～41°N，117°35′E～122°15′E 之间，面积约8万平方公里，由北部的辽东湾、西部的渤海湾、南部的莱州湾、中央浅海盆地和渤海海峡五部分组成，三面环陆，仅有渤海海峡是与外海连接的**通道。海水深较浅，平均深度仅为18m，其中小于20m内浅海海域面积占一半以上。渤海周围分布着黄河、辽河、海河、滦河以及大小凌河等河流，大量淡水流入降低了渤海海水盐度，渤海海水的盐度在我国四个海区中是*低的，表层海水盐度一般在28~30，中层可达31以上，而近岸河口区海水盐度通常在27以下。 由于与外海海水交换缓慢，渤海表层水温深受陆地气候的影响，在冬季受到欧亚大陆西伯利亚寒流南下的影响，环渤海地区经常遭受强劲偏北大风和严重降温的影响，使得渤海海水温度显著低于相同纬度处的开阔水域温度。当海水温度低于海水冰点时，就会凝结成海冰。由于海水中溶解大量无机盐，使得海水冰点低于0℃(淡水冰冰点)。渤海在11月底*低气温可降至-10℃左右，1、2月份北部沿岸*低气温可低于-20℃。渤海冬季盛行偏北风，风速可达10m/s 以上。当风向有利于初生冰晶在沿岸聚集时(如盛行北风，则有利于冰晶在南岸聚集)，海冰形成和发展的速度就会加快；而海冰一旦形成，较大的风速则有利于海冰外缘线沿风向延伸。同时，冬季的降雪也是海冰快速形成和发展的重要原因之一，大量降雪可直接成为海冰晶核并间接助长海冰的发展。此外，波浪、潮汐和海流大风等要素也会影响海冰的生成、发展与消融。 辽东湾是中国冰情*严重的海湾，其结冰范围*广、冰期*长，常冰年情况下，冰期130天左右，结冰范围边缘在15m等深线附近，距离湾顶约70n mile(1n mile=1.852km)，一般冰厚为30~40cm，海冰漂流速度一般为0.5m/s，*大约1.5m/s。冬季盛行偏北风，顺时针方向沿岸流，加之右转潮流系统的共同作用，使得东部冰情较西部严重，此外黄海暖流余脉经过渤海海峡北部进入渤海，大致沿西北方向首先向辽东湾西岸流去，使辽东湾西部水温较东部高，也使得辽东湾西部冰情较东部轻。 1.2.2 渤海冰情概况及变化 海冰分布、结冰范围和时间、海冰厚度和运动等都是冰情轻重程度的重要指标。一般情况下，渤海自12月上旬开始结冰，翌年3月中旬海冰消失，冰期为3～4个月。1、2月份冰情*重，以纬度*高的辽东湾为例，常冰年海冰厚度可达50cm，冰外缘线离岸约80n mile，海冰运动速度可超过1.5m/s。为分析比较各年的冰情，在我国海冰观测预报和研究工作中，以海冰的范围和厚度为标准，将我国冰情分为五个等级，即冰情轻冰年、偏轻年、常冰年、偏重年和重冰年［9］(图1-1和表1-1)。 图1-1 各种冰情年的海冰分布范围 表1-1 中国海冰冰情预报等级 1.2.3 冰 情 变 化 目前全球气候变化正处于波动的高峰期，极端天气产生可能性更大。海冰初期形成阶段，主要受极端天气(寒潮次数、强度和频率)的影响，海冰对全球气候变化更具敏感性，因此，冰情随机波动的频率和幅度会增加，极端冰情(偏重年和重冰年)出现的概率更大，也就增加了海冰的风险强度和危害程度。 现有研究表明，尽管在全球变化大背景下，渤海海冰有整体减弱趋势，但极端事件时有发生［9-11］。将1950~2018年的冰情等级数据［2，13］进行汇总分析得到，全球变化影响下我国总体冰情逐渐减弱(图1-2)，但3.5级以上极端冰情偶有发生。如1979年(5.0级)特大冰封期整个渤海被海冰覆盖，2010年1月中下旬达到近30年同期*严重冰情(3.5级，图1-3)，2015/2016年常冰年(3.0级)渤海海冰面积达到33 000平方公里，超过渤海总面积的40%。 图1-2 1950年以来冰情等级及1989年以来浮冰离岸*大距离 图1-3 历史上典型海冰分布情况