海丝之路近岸工程动力环境预报与安全评估关键技术研究与应用

 主要完成单位：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院、

          大连理工大学、自然资源部第一海洋研究所、

          中国科学院力学研究所、中国海洋大学

1、项目概况

“海丝之路”沿线海域风暴潮、台风浪及涌浪动力强烈，亟需建立近岸工程动力环境预报与安全评估系统，为近岸工程建设和运维提供安全保障。该项目开展了水动力泥沙相互作用机制、基槽与航道工程冲淤精准预测与安全评估、大气海洋动力环境耦合模拟与预报、多尺度预报模型与工程安全评估系统集成及应用等研究，攻克了强非线性波及波流共同作用下底部细颗粒泥沙运动模拟、基槽与航道泥沙回淤高精度模拟及快速预报、印度洋高海况复杂地形工程波流精细化预报、近岸工程水沙动力环境预报与安全评估多功能一体化平台构建等关键技术难题，提升了“海丝之路”沿线港口航道与桥隧等工程海洋动力预报与安全评估技术水平，保障了工程安全。

2、技术难点和特点

“海丝之路”沿线大气海洋动力环境复杂多变，近岸破碎波、潮流、洋流、风暴潮与泥沙间相互影响的机理复杂，航道与基槽附近地形变化剧烈，实现泥沙冲淤精准预报难度极大，该项目在揭示强非线性波及波流共同作用下底部细颗粒泥沙运动机制的基础上，研发了适用于淤泥质海岸破波区的广义垂线坐标系三维非结构网格波-流-悬沙-浮泥集成数值模拟技术，显著提高了骤淤强度的预报精度；精细刻画岛礁地形所需网格数达数千万级别，存在预报精细化和时效性的矛盾，该项目基于自主研发的MASNUM海浪模式建立了多重区域嵌套大气-海浪-海流耦合数值模式，研发了岛礁群多尺度波浪、海流快速预报技术，提高了预报效率和精度；该项目组织海洋、气象、工程、软件开发等多领域专家联合攻关，解决了多尺度、多要素预报与安全评估系统架构汇总集成的难题，构建了包含基础信息管理、精细化预报和工程安全评估的多功能一体化平台。

3、主要成果和创新点

（1）提出了强非线性波边界层自由外流速度级数表达式、边界层速度剖面与切应力解析解；揭示了考虑漩涡对流和紊动扩散的泥沙悬浮机制，建立了波浪及波流作用下悬沙分布及临底含沙量参数化模式。

（2）改进了破碎波及波流共同作用下底部切应力和垂向扩散系数计算方法，研发了淤泥质海岸破波区三维非结构网格波-流-悬沙-浮泥集成数值模拟技术，实现了航道中长期回淤和极端天气下骤淤过程的高效率模拟预报，并提高了预报精度。

（3）基于自主研发的MASNUM海浪模式，建立了多重区域嵌套大气-海浪-海流耦合数值模式，提出了珊瑚岛礁群次网格效应参数化和嵌套网格相结合的波浪数值模拟方法，研发了岛礁群及远海岛屿港口多尺度大气、海流、波浪快速预报技术。

（4）集成了大气海洋动力环境、工程局部水沙预报和安全评估系统，构建了涵盖大气海洋信息、多尺度精细化预报与工程安全评估的一体化平台，保障了近岸工程施工安全。

4、成果应用

该项研究成果已应用于10多项国内外近岸工程，包括泉州港船舶调度及航道运维工程、连云港深水航道建设与运维工程、港珠澳大桥野外观测工程、援马尔代夫中马友谊大桥波浪预报、汉班托塔港海浪预报与港内安全靠泊预警、斯里兰卡科伦坡港口城吹填施工波浪预报与游艇安全管理等，保障了工程建设期和运营期安全。成果还推广应用于江苏南通洋口港、长江口、广西钦州港等工程，应用于孟加拉M201工程、巴西萨尔瓦多大桥工程、秘鲁钱凯港工程、贝宁克努特港工程等，为工程设计、施工和管理部门提供了复杂海况条件下的波浪、水流及泥沙模拟与预测，解决了现场水文气象基础资料匮乏等难题。

5、经济和社会效益

该项目研发的近岸工程动力环境预报与安全评估系统，填补了“海丝之路”港口航道与桥隧工程安全保障系统的空白，促进了水运行业科技进步，助力“一带一路”水运工程建设，为工程建设和运营提供了科技支撑；提高了工程设计、施工和港口作业效率，节约了工程施工和运营成本，提高了工程建设与运行安全保障，经济和社会效益显著。