深海工程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地建設(shè)

李玉剛

（1.大連理工大學(xué) 深海工程研究中心，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

重大的海洋工程結(jié)構(gòu)，諸如海洋資源開(kāi)發(fā)常用的海洋平臺(tái)、鉆井船、水下裝備等，以及跨海大橋、海底隧道等海上交通設(shè)施，必須能夠在復(fù)雜惡劣的海洋環(huán)境中具備優(yōu)異的營(yíng)運(yùn)功能、安全可靠性和綠色環(huán)保等特性［1－2］。為實(shí)現(xiàn)這些特性，在設(shè)計(jì)與建造中存在諸多復(fù)雜的科學(xué)問(wèn)題亟待解決［3］。至今，盡管設(shè)計(jì)學(xué)、力學(xué)和計(jì)算數(shù)學(xué)以及計(jì)算技術(shù)已獲得充分發(fā)展，但在海洋工程的設(shè)計(jì)中仍需依賴于物理模型實(shí)驗(yàn)的支持。未經(jīng)過(guò)可靠實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，將無(wú)法獲得運(yùn)營(yíng)商的認(rèn)可和不具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力［4－5］。我國(guó)雖然已經(jīng)建立了一些海洋工程實(shí)驗(yàn)裝置，但無(wú)論從數(shù)量、規(guī)模乃至實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ确矫娑疾荒軡M足目前國(guó)家開(kāi)發(fā)海洋能源、資源以及拓展戰(zhàn)略空間的需求，特別是在深海風(fēng)浪流等復(fù)雜環(huán)境下用以新型工程結(jié)構(gòu)與裝備模擬的大科學(xué)裝置尤顯不足，這嚴(yán)重制約了我國(guó)海洋工程技術(shù)與裝備的全面發(fā)展［6－7］。走向深海，實(shí)現(xiàn)我國(guó)海洋工程的大發(fā)展，已是不可阻擋的趨勢(shì)，這正如習(xí)近平總書記指出的：“建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)是中國(guó)特色社會(huì)主義事業(yè)的重要組成部分。黨的十八大做出了建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的重大部署。實(shí)施這一重大部署，對(duì)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展，對(duì)維護(hù)國(guó)家主權(quán)、安全、發(fā)展利益，對(duì)實(shí)現(xiàn)全面建成小康社會(huì)目標(biāo)、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興都具有重大而深遠(yuǎn)的意義。要進(jìn)一步關(guān)心海洋、認(rèn)識(shí)海洋、經(jīng)略海洋，推動(dòng)我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)不斷取得新成就”［8］。

1 基地建設(shè)背景

當(dāng)前國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，能源、資源短缺和空間不足成為制約各國(guó)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。在陸域已被逐漸開(kāi)發(fā)殆盡之后，海洋成為人類最為可行的開(kāi)發(fā)對(duì)象，它已不僅僅是貿(mào)易和交通的途徑，更成為國(guó)家能源、資源的儲(chǔ)備庫(kù)和戰(zhàn)略縱深拓展的空間。國(guó)際能源署（IEA）發(fā)布的《世界能源展望2013》報(bào)告稱，中國(guó)將成為世界最大的能源消費(fèi)國(guó)家，將超過(guò)美國(guó)成為最大的石油消費(fèi)國(guó)［9］。石油需求量的大增以及由此而帶來(lái)的能源結(jié)構(gòu)性矛盾，已成為我國(guó)能源安全所面臨的最大難題，這嚴(yán)重制約了我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，甚至影響到社會(huì)的穩(wěn)定。

我國(guó)深海工程技術(shù)的落后，致使我國(guó)在海洋石油開(kāi)采中，主要集中于以渤海灣為主的近海，而這些淺海油田已大多處于后期開(kāi)發(fā)階段。在水深1 000m以下的深海海床地層蘊(yùn)藏著占儲(chǔ)量90%的油氣，尤其在我國(guó)南海2 000多m水深以下海床地層中就儲(chǔ)藏著大量的油氣資源。據(jù)估計(jì)，南海海域有石油地質(zhì)儲(chǔ)量約在230億至300億噸之間，被公認(rèn)為“第二個(gè)波斯灣”。除了油氣的開(kāi)采外，海底礦藏的開(kāi)發(fā)也是深海工程的另一個(gè)重要方面。在海底，被稱作“黑煙囪”和“大洋錳結(jié)核”的堆積物里含有大量的金、銅、鋅、鉛、汞、錳、銀、鎳、鈷等元素的礦石，對(duì)我國(guó)礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)也有決定性的意義。而另一方面，南海現(xiàn)在卻面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因利益驅(qū)使，各國(guó)紛紛踏足，蓄意侵?jǐn)_我南海主權(quán)。為掌控話語(yǔ)權(quán)，主導(dǎo)南海問(wèn)題，我國(guó)不僅必須擁有強(qiáng)大的深海資源開(kāi)發(fā)實(shí)力，而且還必須擁有在南海各島礁建立常駐基地和開(kāi)發(fā)旅游資源的實(shí)力。

2 國(guó)家政策導(dǎo)向

（1）《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》共有9處直接論及深海工程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地建設(shè)項(xiàng)目的科研領(lǐng)域。該綱要的“指導(dǎo)目標(biāo)”和“總體部署”中非常明確地將“能源、資源領(lǐng)域”和“海洋技術(shù)”列為優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域和前沿學(xué)科。而深海工程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地建設(shè)項(xiàng)目的著眼點(diǎn)就是我國(guó)的海洋水動(dòng)力科學(xué)、深海工程技術(shù)、海洋能源開(kāi)發(fā)及其他相關(guān)的海洋科技，具體涉及到該綱要中所列的“能源”、“水和礦產(chǎn)資源”、“制造業(yè)”、“交通運(yùn)輸業(yè)”等4個(gè)方面重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域和作為前沿技術(shù)的“海洋技術(shù)”［10］。

（2）《國(guó)家“十二五”海洋科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》明確指出：“十二五”期間海洋科技對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)率要由“十一五”時(shí)期的54.5%上升到60%；海洋科技將從“十一五”時(shí)期支撐海洋經(jīng)濟(jì)和海洋事業(yè)發(fā)展為主，轉(zhuǎn)向引領(lǐng)和支撐海洋經(jīng)濟(jì)和海洋事業(yè)科學(xué)發(fā)展；以打造自主技術(shù)與裝備為重點(diǎn)，努力推動(dòng)我國(guó)深?？萍及l(fā)展邁出關(guān)鍵性步伐［11］。

（3）《國(guó)家船舶工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》主要目標(biāo)是“具備主要高新技術(shù)船舶和深水海洋工程裝備的設(shè)計(jì)能力，全面突破高技術(shù)船舶的關(guān)鍵技術(shù)，海洋工程裝備設(shè)計(jì)制造能力進(jìn)入世界前列”。主要任務(wù)是“依托重大創(chuàng)新項(xiàng)目，建設(shè)高技術(shù)船舶及重點(diǎn)海洋工程裝備的研發(fā)試驗(yàn)設(shè)施”［12］。

（4）《遼寧省海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》列出遼寧省海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)是“建設(shè)海洋工程裝備制造基地，充分發(fā)揮修船造船的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，提高船舶配套和海洋工程裝備制造水平。重點(diǎn)突破半潛式鉆井平臺(tái)、FPSO、鋪管起重船、大型原油運(yùn)輸船（VLCC）、萬(wàn)箱級(jí)以上集裝箱船、液化天然氣（LNG）船等高技術(shù)、高附加值裝備的核心技術(shù)，增強(qiáng)海洋工程裝備自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力；建設(shè)海洋新能源基地。充分利用海洋資源，加快建立低碳新型海洋經(jīng)濟(jì)體系。依托現(xiàn)有海上風(fēng)電項(xiàng)目，發(fā)揮自然條件優(yōu)勢(shì)，響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的大政方針，搞好技術(shù)開(kāi)發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施配套，加速海上風(fēng)電的開(kāi)發(fā)和布局，以此為模式，加快推進(jìn)一批重大海上風(fēng)電及其他海洋再生能源基地建設(shè)”［13］。

3 深海工程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地概述

大連理工大學(xué)是由中共中央、國(guó)務(wù)院直管、教育部直屬的全國(guó)重點(diǎn)大學(xué)，首批“211工程”、“985工程”重點(diǎn)建設(shè)高校，遼寧省“領(lǐng)軍型大學(xué)建設(shè)工程”高校。大連理工大學(xué)科研實(shí)力雄厚，尤其是相關(guān)的港口、海岸和近海工程、船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造、結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，均為國(guó)家重點(diǎn)專業(yè)，擁有“海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”、“工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”和“船舶制造國(guó)家工程研究中心”，并有兩院院士、長(zhǎng)江學(xué)者等知名學(xué)者領(lǐng)導(dǎo)的學(xué)科和科研團(tuán)隊(duì)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工程技術(shù)領(lǐng)域各學(xué)科相互滲透、相互影響，大連理工大學(xué)在學(xué)科建設(shè)方面，審時(shí)度勢(shì)，有意識(shí)地促進(jìn)各相近學(xué)科間的交流、協(xié)調(diào)，在注重各自專業(yè)特色、保持各自專業(yè)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，積極進(jìn)行學(xué)科之間的融合、資源的整合，創(chuàng)建學(xué)科群，于2007年成立了“深海工程研究中心”，使港口、海洋、結(jié)構(gòu)、船舶等各學(xué)科在互通、交流、融合中，提高研究水平，拓寬科研領(lǐng)域，形成整體優(yōu)勢(shì)，深入剖析海洋工程中前沿和復(fù)雜的跨學(xué)科難題，真正形成大連理工大學(xué)在深海工程領(lǐng)域?qū)W科建設(shè)和科學(xué)研究的優(yōu)勢(shì)。

深海工程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地依托于“深海工程研究中心”，該基地于2009年10月通過(guò)教育部可行性論證，國(guó)家財(cái)政部、教育部、地方政府和企業(yè)共同投資建設(shè)，由中國(guó)工程院院士歐進(jìn)萍和長(zhǎng)江學(xué)者滕斌教授等領(lǐng)銜規(guī)劃和設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)進(jìn)入施工的關(guān)鍵階段。

深水池（見(jiàn)圖1）兩邊裝有L型不規(guī)則造波機(jī)，造波機(jī)可以實(shí)現(xiàn)入射波的主動(dòng)吸收功能；深水池上部建有上下循環(huán)風(fēng)洞，應(yīng)用不同幾何尺寸以及間距的尖塔和粗糙元調(diào)節(jié)部分位置邊界層風(fēng)速分布，應(yīng)用可改變角度的格柵調(diào)整近入口地區(qū)風(fēng)向，可開(kāi)展不同尺度的模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)配，對(duì)比不同的整流方式，提高風(fēng)場(chǎng)品質(zhì)。深水池造流方案采用大截面回流廊道，以降低回流速度和能耗，應(yīng)用推流器矩陣和導(dǎo)流片來(lái)調(diào)節(jié)水流均勻性，達(dá)到進(jìn)一步提高水流質(zhì)量的目的。水池深水試驗(yàn)段下部采用浮式池底，便于調(diào)節(jié)水深，以及試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷陌惭b和固定。

圖1 深水池效果圖

4 基地主要功能與科學(xué)目標(biāo)

本基地建設(shè)項(xiàng)目面向海洋資源開(kāi)發(fā)和海上交通等重大工程，可開(kāi)展海洋能源、海底資源、海洋空間開(kāi)發(fā)、海洋裝備研發(fā)等科學(xué)研究中涉及到的水動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)試驗(yàn)工作，主要用途如下：

（1）海洋災(zāi)害環(huán)境重現(xiàn)。深海環(huán)境下災(zāi)害多樣復(fù)雜，非線性大波、畸形波等的發(fā)生會(huì)對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)造成巨大破壞，在深水水池中可以開(kāi)展這些自然現(xiàn)象的重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，研究水質(zhì)點(diǎn)速度和水體中壓強(qiáng)的分布規(guī)律等。

（2）深海平臺(tái)等結(jié)構(gòu)物動(dòng)力響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。深海開(kāi)發(fā)中常采用立柱式平臺(tái)、半潛式平臺(tái)、張力腿平臺(tái)、FPSO等浮式結(jié)構(gòu)物，這些結(jié)構(gòu)物及其系泊系統(tǒng)和采油立管系統(tǒng)都受到浪、流和風(fēng)等環(huán)境荷載的作用而發(fā)生動(dòng)力響應(yīng)。在深水水池的功能設(shè)立方面，應(yīng)考慮表面波浪、表面水流的生成，以及風(fēng)和水體內(nèi)部水流的生成。由于海洋平臺(tái)的采油立管從水面平臺(tái)延伸到海底井口，會(huì)在水平方向上延伸出很大距離，因此水池的水平尺度應(yīng)足夠大。然后，還可開(kāi)展采油立管受到水流作用而產(chǎn)生的渦激振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估渦激振動(dòng)的強(qiáng)度和立管的疲勞壽命。

（3）海底隧道建設(shè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)。交通是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，其中海底隧道建設(shè)難度高、投入大，是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的工程，其設(shè)計(jì)與施工面臨諸多難點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)基地可以有效地模擬海底水動(dòng)力特性，模擬深水急流復(fù)雜的海洋環(huán)境條件下沉管沉放過(guò)程以及管段的沉放定位和穩(wěn)定性控制等，提高海底隧道施工的探水和治水技術(shù)等。

（4）跨海大橋工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)驗(yàn)。東海大橋、杭州灣大橋、青島海灣大橋、舟山連島大橋的建設(shè)承載了無(wú)數(shù)建橋人的夢(mèng)想，見(jiàn)證了新中國(guó)造橋史上的輝煌。隨著我國(guó)國(guó)力的進(jìn)一步加強(qiáng)，更多大跨度跨海大橋?qū)⒉粩嘤楷F(xiàn)?？绾４髽蛳虏繕蚨帐艿讲ɡ恕⑺鞯臎_擊，上部巨大的橋身受到強(qiáng)風(fēng)的作用，本身的穩(wěn)定和耐久壽命是人們關(guān)心的問(wèn)題。本實(shí)驗(yàn)水池將成為目前唯一的可模擬海上災(zāi)害環(huán)境與跨海大橋作用的實(shí)驗(yàn)水池。

（5）深海工作站實(shí)驗(yàn)。在惡劣的海洋環(huán)境中長(zhǎng)期駐留和定位作業(yè)是開(kāi)發(fā)海洋資源的前提，深海工作站的開(kāi)發(fā)應(yīng)用了順應(yīng)式張力腿平臺(tái)技術(shù)，突破非線性水動(dòng)力性能分析、結(jié)構(gòu)可靠性、系統(tǒng)定位和可搬遷使用技術(shù)等，是目前實(shí)用性較強(qiáng)的開(kāi)發(fā)方向。深水水池實(shí)驗(yàn)可研究深海工作站的水動(dòng)力學(xué)、機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)之間的連接。

（6）海底資源開(kāi)發(fā)技術(shù)實(shí)驗(yàn)。海底礦藏的開(kāi)發(fā)是海洋工程中的重要方面。一般的開(kāi)采方式包括水面船體、輸送立管和帶有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的海底采礦設(shè)備，涉及到礦物的采集技術(shù)，海底采礦設(shè)備在海底沉積物中、海山上的行走和控制，作業(yè)過(guò)程的動(dòng)力模擬，海底礦物的輸運(yùn)等。整個(gè)系統(tǒng)以一定的速度向前行進(jìn)時(shí)，受到波浪、水流、風(fēng)的作用。在實(shí)驗(yàn)中，模型的行進(jìn)速度可以通過(guò)深水水池中的拖車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，從而方便地開(kāi)展海底礦藏開(kāi)采的模擬實(shí)驗(yàn)。

（7）海洋裝備開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)。為了勘察和開(kāi)發(fā)深海資源，開(kāi)展深?？茖W(xué)研究，深海裝備的開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)研究是必不可少的。深海裝備包括深海遙控潛水器、水下機(jī)器人、載人潛水器等。在深海工程實(shí)驗(yàn)水池中可開(kāi)展設(shè)備抗壓、水下推進(jìn)、收放過(guò)程、動(dòng)力與信息傳輸技術(shù)等方面的研究工作。

（8）海上風(fēng)電場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)。目前海上風(fēng)電是海洋新能源利用與開(kāi)發(fā)的最重要形式，英國(guó)、德國(guó)、丹麥等西方發(fā)達(dá)國(guó)家在海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)方面占有領(lǐng)先地位。在世界海上風(fēng)電已進(jìn)入大規(guī)模開(kāi)發(fā)的背景下，我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)必須要緊跟而上，但我國(guó)尚缺乏海上風(fēng)電建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，亦亟須建立海上風(fēng)電建設(shè)技術(shù)規(guī)范體系。對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)的模擬，要求水池中同時(shí)產(chǎn)生高品質(zhì)的風(fēng)、浪、流，本綜合水池不僅可以模擬淺海固定式風(fēng)電機(jī)，還可以模擬深海浮式風(fēng)電機(jī)，將成為國(guó)內(nèi)外第一個(gè)高品質(zhì)海上風(fēng)電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M基地。

5 結(jié)束語(yǔ)

深海工程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)基地的建設(shè)必然增強(qiáng)我國(guó)深海工程的實(shí)力，加快我國(guó)海洋工程技術(shù)的發(fā)展，保證其開(kāi)展研究、設(shè)計(jì)和制造的前瞻性、先進(jìn)性，使我國(guó)抓住時(shí)機(jī)，加快深海開(kāi)發(fā)的力度與速度，用實(shí)力說(shuō)話，在他國(guó)肆意侵占我南海主權(quán)的問(wèn)題上，以積極主動(dòng)的姿態(tài)掌握相關(guān)爭(zhēng)端問(wèn)題的話語(yǔ)權(quán)，主導(dǎo)爭(zhēng)端的解決，這將極為有力地打破我國(guó)在南海問(wèn)題上所面臨的困境，拓展我國(guó)的戰(zhàn)略空間，維護(hù)國(guó)家主權(quán)。

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［1］劉淮.國(guó)外深海技術(shù)發(fā)展研究（一）［J］.船艇，2006（10）：6－18.

［2］劉淮.國(guó)外深海技術(shù)發(fā)展研究（二）［J］.船艇，2006（11）：18－23.

［3］周國(guó)平.海洋工程裝備關(guān)鍵技術(shù)和支撐技術(shù)分析［J］.船舶與海洋工程［J］.2012（1）：15－20，37.

［4］高艷波，李慧青，柴玉萍，等.深海高技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)［J］.海洋技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，29（3）：119－124.

［5］王穎，韓光，張英香.深海海洋工程裝備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2010，32（10）：108－113，124.

［6］國(guó)家發(fā)改委，科技部，工業(yè)和信息部，等.海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略（2011－2020）［Z］.2011.

［7］田天.海洋結(jié)構(gòu)物環(huán)境適應(yīng)性物理模擬研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2004.

［8］習(xí)近平.進(jìn)一步關(guān)心海洋認(rèn)識(shí)海洋經(jīng)略海洋，推動(dòng)海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)不斷取得新成就［N］.人民日?qǐng)?bào)，2013－08－01（01）.

［9］國(guó)際能源署（IEA）.世界能源展望［Z］.2013.2013.

［10］中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院.國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）［Z］.2006.

［11］國(guó)家海洋局，科技部，教育部，等.國(guó)家“十二五”海洋科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要［Z］.2011.

［12］工業(yè)和信息化部.國(guó)家船舶工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃［Z］.2012.

［13］遼寧省人民政府.遼寧省海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展“十二五”規(guī)劃［Z］.2011.