中國(guó)近海工程勘察作業(yè)條件區(qū)劃

閆慶勛

（中海油田服務(wù)股份有限公司，天津300459）

0 引言

海洋油氣開發(fā)需依托海底和海床進(jìn)行結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)承載和固定，充分認(rèn)識(shí)海洋水文氣象條件變化，是安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理地開發(fā)海洋油氣資源的基本保證之一[1]。作為海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)保障，海洋工程勘察是海洋工程建設(shè)的必要環(huán)節(jié)之一，利用好水文氣象條件變化規(guī)律對(duì)于提高海洋工程勘察質(zhì)量和技術(shù)管理水平、保證海洋工程質(zhì)量安全和推動(dòng)海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2]。

海洋工程勘察是通過(guò)測(cè)量、測(cè)試、勘探、模擬、分析等手段為海洋工程建設(shè)提供必須的、可靠的海底地形、海底巖土和海洋環(huán)境特征等成果，對(duì)應(yīng)地劃分為海洋工程測(cè)量、海洋巖土勘察和海洋工程環(huán)境調(diào)查[3]。這其中涉及大量的海上調(diào)查與觀測(cè)作業(yè)，如水深調(diào)查、側(cè)掃聲吶、高分辨數(shù)字地震、鉆探取樣、原位測(cè)試、海水和沉積物取樣、驗(yàn)潮測(cè)流等。海洋環(huán)境條件（如風(fēng)、波浪、海流、熱帶氣旋等，又稱水文氣象條件）不僅影響調(diào)查資料質(zhì)量，同時(shí)也會(huì)影響作業(yè)安全，提升對(duì)調(diào)查海區(qū)水文氣象要素變化特征的認(rèn)識(shí)，有助于評(píng)估工程作業(yè)周期、優(yōu)化調(diào)查方案、提升勘察質(zhì)量[4~6]。

風(fēng)速、有效波高和熱帶氣旋是海洋工程勘察現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)最為關(guān)注的要素。本文通過(guò)分析中國(guó)近海海區(qū)風(fēng)速和有效波高的時(shí)空變化特征，評(píng)估不同海區(qū)的作業(yè)條件，并對(duì)中國(guó)近海進(jìn)行區(qū)域劃分，為項(xiàng)目評(píng)估、勘察設(shè)計(jì)、作業(yè)安全等提供參考。考慮到南海北部易受到熱帶氣旋的影響，本文統(tǒng)計(jì)了南海不同海區(qū)熱帶氣旋的發(fā)生概率，為海洋工程勘察現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安排等提供參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1.1 風(fēng)和有效波高

ERA5是由歐洲中尺度天氣預(yù)報(bào)中心提供的最新全球大氣再分析數(shù)據(jù)集[7,8]。本文分析中使用了該數(shù)據(jù)集中的中國(guó)近海風(fēng)速和有效波高數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為1 h，時(shí)間跨度為2009年1月—2019年12月；空間分辨率為0.5°N×0.5°E。

1.1.1 熱帶氣旋路徑及強(qiáng)度

RSMC Best Track Data是日本氣象廳區(qū)域特殊氣象中心提供的西太平洋（含中國(guó)南海）的熱帶氣旋路徑及強(qiáng)度數(shù)據(jù)集[9]。本文分析中采用了2000—2020年期間影響南海海域的熱帶氣旋路徑及強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

1.2 統(tǒng)計(jì)方法

本文首先分析了中國(guó)近海海區(qū)的風(fēng)速和有效波高的均值（年平均和月平均）分布，在此基礎(chǔ)上，定義在一個(gè)日歷天內(nèi)同時(shí)滿足小于4級(jí)風(fēng)和1.0 m有效波高作為適宜小型勘察船進(jìn)行工程勘察作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算不同區(qū)域（選取1°N×1°E作為分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，具體參考圖1）每年的適宜作業(yè)天數(shù)與全年天數(shù)的比值，當(dāng)該比值大于0.7時(shí)，意味著全年超過(guò)70%的時(shí)間適宜小型勘察船海上作業(yè)，并將該類海區(qū)我們定義為I類海區(qū)；當(dāng)該比值介于0.4~0.7之間時(shí)，定義該類海區(qū)為II類海區(qū)；當(dāng)該比值小于0.4時(shí)，定義該類海區(qū)為III類海區(qū)。

除小型勘察船舶外，結(jié)合作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，我們還定義了HYSY707船和NH503船或同等級(jí)別的作業(yè)船舶的適宜工程勘察作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即同時(shí)滿足小于5級(jí)風(fēng)和1.5 m有效波高；HYSY708船或同等級(jí)別的作業(yè)船舶的適宜工程勘察作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即同時(shí)滿足小于6級(jí)風(fēng)和2.0 m有效波高。

南海是熱帶氣旋活動(dòng)最頻繁的海區(qū)之一，熱帶氣旋不僅帶來(lái)強(qiáng)風(fēng)和巨浪，而且影響海區(qū)范圍廣。在南海海域進(jìn)行工程勘察作業(yè)，不得不考慮熱帶氣旋的影響。為分析熱帶氣旋對(duì)南海北部海區(qū)的影響，定義熱帶氣旋中心距離作業(yè)海區(qū)不大于370 km（約200海里）時(shí)，視為影響作業(yè)海區(qū)。在此基礎(chǔ)上，我們基于2000—2020年期間的歷史熱帶氣旋數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)了南海北部1°N×1°E范圍內(nèi)平均每年發(fā)生的影響該區(qū)域的歷史熱帶氣旋發(fā)生頻次，以該數(shù)值作為未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)熱帶氣旋對(duì)海洋工程勘察作業(yè)周期影響的評(píng)估依據(jù)。

2 作業(yè)條件區(qū)劃

2.1 風(fēng)速與有效波高分布

圖1給出了中國(guó)近海年平均風(fēng)速和有效波高的空間分布。由圖可知，渤海海域年平均風(fēng)速基本在6 m/s以內(nèi)，有效波高基本在1 m以內(nèi)，風(fēng)速與有效波高表現(xiàn)出較好的相關(guān)性，即沿海較小，中部較大；黃海海域基本在6 m/s以內(nèi)，有效波高基本在1.5 m以內(nèi)，風(fēng)速與有效波高分布特征均呈現(xiàn)從東南外海到近岸逐漸減小；東海海域年平均風(fēng)速基本在8 m/s以內(nèi)，有效波高基本在2 m以內(nèi)，風(fēng)速與有效波高從東部外海到西部沿岸逐漸減小，臺(tái)灣海峽處平均風(fēng)速較大；南海北部海域年平均風(fēng)速基本在8 m/s以內(nèi)，有效波高小于2 m，風(fēng)速和有效波高均呈現(xiàn)從呂宋海峽到南海中部及近岸逐漸減小的特征。

圖1 中國(guó)近海海域年平均風(fēng)速和有效波高分布

中國(guó)近海受亞洲季風(fēng)影響，風(fēng)速呈現(xiàn)較強(qiáng)的季節(jié)變化特征，限于篇幅，本文主要以南海為例給出了南海北部逐月平均的風(fēng)速變化（見圖2a），整體看來(lái)，冬季風(fēng)強(qiáng)于夏季風(fēng)，冬季風(fēng)速較大的海區(qū)位于南海深水海盆區(qū)，到沿岸逐漸減??；有效波高分布（見圖2b）與風(fēng)速分布基本一致。

圖2 南海北部逐月月平均風(fēng)速和有效波高分布

2.2 作業(yè)條件區(qū)劃

根據(jù)2.2節(jié)定義的適宜小型勘察船進(jìn)行工程勘察作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)中國(guó)近海1°N×1°E網(wǎng)格逐一進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別計(jì)算每一網(wǎng)格內(nèi)全年適宜小型勘察船作業(yè)天數(shù)占比，具體如圖3所示。由圖3（a）易知，渤海海域水文氣象條件較好，在西北部沿岸可以達(dá)到I類海區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，即意味著全年大部分時(shí)間適宜小型勘察船作業(yè)，其他海區(qū)作業(yè)條件稍差，可以達(dá)到II類海區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，基本有全年超過(guò)50%的時(shí)間可以滿足作業(yè)條件；黃海和東海海域沿岸海區(qū)以二類海區(qū)為主，在長(zhǎng)江口附近滿足I類海區(qū)，向東隨著水深增加，基本為III類海區(qū)[見圖3（b）]；南海北部海區(qū)也呈現(xiàn)在近岸海區(qū)以I類和II類海區(qū)為主，50 m以深海區(qū)一般為III類海區(qū)[見圖3（c）]。

對(duì)于I類海區(qū)，由于全年內(nèi)作業(yè)條件較好，考慮作業(yè)成本，在不影響調(diào)查資料質(zhì)量和安全作業(yè)的前提下，可優(yōu)先考慮小型勘察船進(jìn)行作業(yè)；III類海區(qū)，一般作業(yè)水深較大，水文氣象條件較為惡劣，小型勘察船因作業(yè)能力有限（抗風(fēng)浪能力差），作業(yè)時(shí)窗有限，建議采用大型勘察船進(jìn)行作業(yè)；II類海區(qū)因全年適宜作業(yè)天數(shù)占比約在50%，這時(shí)需要具體分析不同月份的適宜作業(yè)天數(shù)分布情況。下文將以南海區(qū)塊1（110°~111°E，17°~18°N）和區(qū)塊2（115°~116°E，20°~21°N）海區(qū)為例進(jìn)行說(shuō)明。

由圖3（c）可知，區(qū)塊1屬于II類海區(qū)，圖4（a）展示了該海區(qū)不同月份分別適宜不同級(jí)別勘察船的作業(yè)天數(shù)。區(qū)塊1內(nèi)4—9月期間較為適宜作業(yè)，其中小型勘察船舶月平均適宜作業(yè)天數(shù)在17d以上，HYSY707船或該級(jí)別以上勘察船基本在全月范圍內(nèi)適宜作業(yè)（未考慮熱帶氣旋影響，熱帶氣旋影響參考2.3節(jié)）；除12月以外，其它月份內(nèi)HYSY708船適宜作業(yè)天數(shù)也可達(dá)到12天以上。

由圖3（c）可知，區(qū)塊2屬于III類海區(qū)，圖4（b）展示了該海區(qū)不同月份分別適宜不同性能勘察船舶的作業(yè)天數(shù)。區(qū)塊2對(duì)不同性能勘察船舶較為敏感，小型勘察船舶月平均適宜作業(yè)天數(shù)僅在4月和5月可達(dá)半個(gè)月，HYSY708船或該級(jí)別以上勘察船在4—9月期間適宜作業(yè)天數(shù)可達(dá)20天以上（未考慮熱帶氣旋影響，熱帶氣旋影響參考2.3節(jié)）。

圖4 區(qū)塊1和區(qū)塊2逐月適宜作業(yè)天數(shù)統(tǒng)計(jì)

因此，結(jié)合中國(guó)近海不同海區(qū)的作業(yè)條件區(qū)劃（見圖3），可以對(duì)不同海區(qū)勘察作業(yè)條件進(jìn)行初步評(píng)估，再結(jié)合具體海區(qū)不同月份適宜作業(yè)天數(shù)統(tǒng)計(jì)情況，就可以為項(xiàng)目評(píng)估、勘察設(shè)計(jì)、作業(yè)安全等提供指導(dǎo)和支持。

圖3 中國(guó)近海海域工程勘察作業(yè)條件區(qū)劃

統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分別為適宜小型勘察船、HYSY707或NH503同等級(jí)別勘察船、以及HYSY708同等級(jí)別勘察船。

2.3 熱帶氣旋影響

根據(jù)2.2節(jié)定義的熱帶氣旋影響勘察作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，我們統(tǒng)計(jì)了南海北部近岸海區(qū)不同區(qū)塊平均每年發(fā)生的熱帶氣旋頻次（見圖5）。由圖可知，區(qū)塊1平均每年發(fā)生熱帶氣旋3.81次，區(qū)塊2為4.90次。根據(jù)每年熱帶氣旋發(fā)生的頻次，對(duì)調(diào)查海區(qū)內(nèi)的大型勘察項(xiàng)目工期估計(jì)、作業(yè)安排等具有重要的參考意義。

圖5 南海北部近岸海區(qū)平均每年發(fā)生熱帶氣旋次數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于多年的歷史水文氣象資料，結(jié)合海洋工程勘察作業(yè)特點(diǎn)，評(píng)估了不同海域作業(yè)條件優(yōu)劣，并對(duì)中國(guó)近海海區(qū)的作業(yè)條件進(jìn)行區(qū)域劃分。根據(jù)劃分結(jié)果，中國(guó)近?？梢苑譃槿惡^(qū)（I類、II類和III類），I類海區(qū)適宜小型勘察船舶作業(yè)，III類海區(qū)建議優(yōu)選大型勘察船舶，II類海區(qū)則需根據(jù)不同月份的水文氣象條件變化特征進(jìn)行權(quán)衡。本文提供的作業(yè)條件區(qū)劃可以為海洋工程項(xiàng)目評(píng)估、勘察設(shè)計(jì)、作業(yè)安全等提供科學(xué)指導(dǎo)和決策依據(jù)。

由于南海容易受熱帶氣旋影響，本文同時(shí)分析了南海北部海區(qū)熱帶氣旋的發(fā)生頻次，對(duì)于大型勘察項(xiàng)目工期估計(jì)、作業(yè)安排等具有重要的參考意義。