（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）渤海海冰作为淡水资源的储量估算及采冰船构思.pdf

人连理一：人学硕十学位论文 摘要 我国环渤海地区的缺水问题由来已久。严重制约了我们的经济发展和人民生活水平 的提高。在该地区开发新的淡水资源已经刻不容缓。本论文的内容属于科技部国家高技 术研究预选项目“渤海海冰作为淡水资源的可行性研究报告”的一部分。通过对多年来 渤海冰情的统计分析，介绍了估算海冰资源量氢j i 昊统计方法，在一定程度上弥补了普遍 应用的利用卫星遥感估算海冰资源量的方法的不足。介绍了渤海海冰在自然条件下的生 消过程，以及在不同阶段的随海流和海风的运动特点，介绍了在海冰采集系统中进行海 冰淡化的基本原理和在岸边或海洋平台采集海冰的工作步骤，提出了利用船载机械直接 采集海冰的设想，并对采冰船进行了初步的脸肇癸，殇， ( 人 关键词：海冰，资源量，采冰船 渤海海冰资源作为淡水资源储量估算及采冰船设计开发研究 t h ee s t i m a t eo fr e s e r v e so fs e ai c ei nb o h a is e aa sf r e s hw a t e ra n d t h e d e s i g n o fi c e c o l l e c t o r a b s t r a e t t h e p r o b l e m o f s h o r t w a t e r a r o u n d b o h a ia r e a j s a p u z z l e f o r a l o n g t i m e i n c h i n a i t s e r i o u sr e s t r i c t sd e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m ya n d i m p r o v e m e n t o f d e m o t i c l i v i n gs t a n d a r d e x p l o i t i n g s e ai c ea n d i n c r e a s i n gr e s a r v e so f f r e s h w a t e rt of i g u r eo u tw a t e rr e s o u r c e sa n d c o n t i n u a la p p l i c a t i o ni nt h ea r e ai sg r e a ts i g n i f i c a t i o n t h ep r o b l e m so f b a s i ct h e o r yt os t u d yo n r e s o u r c e sa p p l i c a t i o nw i t hd e s a l ts e a w a t e rt of r e s hw a t e ri n c l u d ee s t i m a t i n gr e s e l v e so f s e a i c e f e a s i b i l i t yf r o m s e ai c et of k s hw a t e n a n de f f e c to ne n t i m n m e n ta f t e ru s i n gs e ai c e , e t c t h e r e s e a r c hi n c l u d e se s t i m a t i n ga r e aa n dt h i c k n e s so f s e ai c eu s i n gr e m o t e s e n s i n g ，e x a c t e s t i m a t i n g i t sn a t u r a lr e s e r v e s , s i m u l a t i o na n df i e l de x p e r i m e n tt os t u d yi t sr e g e n e r a t i o n ， a n a l y s i so n i t sr e g e n e r a t i o n c y c l e ，s e t t i n gu p i t st i m es e r i e so f n a t u r a lr e s e r v e s ，c a l c u a t i n gi t s t i m eg u a r a n t e e dr a t ef o rn a t u r a lr e s e r v e sa n de s t i m a t i n gi t sp o t e n t i a lr e s e r v e s p u tf o r w a r dt h e t e n t a t i v ep l a no f c o l l e c t i n gs e ai c ei nb o h a is e ab ym a c h i n e so n b o a r da n d t h ei n t r o d u c t i o n d e s i g no f s e a i c ec o l l e c t o r k e y w o r d s ：s e ai c e ，r e s o u r c er e s e r v e ，i c ec o l l e c t o r 一 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：纽日期：丛：i ：竺 大连理：( 大学硕士学位论文 引言 l 课题的工程背景“1 本论文内容属于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 课题一“渤海海水资 源开发与农业综合利用技术研究”；国家自然科学基金委员会资助项目一“渤海 海水作为淡水资源的储量估算”：国家重大技术装备研制和重大产业技术开发专 项项目一“海冰作为淡水资源开发利用技术的产业化示范研究”中的一部分。 “中国可持续发展水资源战略研究”提出，中国水资源供求矛盾将影响国家整体性 的可持续发展，其中北方，特别是环渤海地区，淡水供求矛盾紧张，已经成为铝4 约这一 地区可持续发展的关键因素。中国人均占有淡水资源量只是世界的1 4 ，而环渤海地区 的人均水资源拥有量又不到全国的1 5 。由于淡水资源严重短缺，在这一地区，尤其是 大都市区超采地下水，形成大范围漏斗，局部地区地面沉降，甚至出现海水入侵，城市 及工业发展的需水量已经超过当地水资源承受能力，需从外地调水。环渤海地区扼居我 国北方地区通向海洋的门户，是我国政治、经济、文化和教育的中心地区，政治经济战 略地位十分重要。环渤海地区以渤海为地理中心，包括辽宁、河北、山东、北京、天津 等三省二市，陆地面积5 1 4 5 万平方公里，占全国5 4 ；大陆海岸线长5 6 4 7 公里，占 全国3 4 3 ；2 0 0 0 年人口2 1 9 亿，占全国1 8 1 5 ：其中，非农业人口7 1 9 0 万，占全国 的2 l - 4 3 ：国内生产总值2 2 9 3 6 亿元，占全国的2 4 9 1 ；工业总值2 1 1 1 8 亿元，占全 国的2 4 8 ；油、铁矿石探明储量占全国的4 5 ，水资源总量仅占全国的2 1 2 j 。矿 1 淹b 渤海地区是我国北方的重要经济地带，同时也是我国河网最不发达的地区，缺水问 题由来已久。由于工农业生产和人民生活的用水量日益增加，淡水资源匮乏己成为制约 该地区国民经济进一步发展和人民生活水平迅速提高的重要因素。国家为了解决这一地 区的缺水问题，已经先后实施了引滦济津和引黄济滓工程，目前正在实施南水北调工程 的建设，意欲想把长江流域的水调翔缺水的华北地区。并正在论证把东北地区的松花江 水调到辽东半岛和华北北部地区的北水南调工程。这些工程虽然能在一定程度上暂时缓 解个别大城市和部分地区的用水紧张局面，然而这种长距离调水措施只是对我国的淡水 资源进行重新再分配，从我国的淡水总量上看并未增加。从长远的观点看，随着全国国 民经济的发展，南北各地用水量也会不断增加，最终将可能会出现调到渤海周围地区的 淡水分配量很难得到保证的情况。由此可见，如何在环渤海地区开发新的淡水资源，是 非常重要的科学问题和现实问题。 一 一堂堂塑鲨錾塑堡塑盗垄壅堡堡壁堡蔓塾逊塑堡笪墅垄婴壅 渤海是我国纬度最高的海区，横跨北纬3 7 4 l 度之间，仅以渤海海峡与外海相通， 属内陆型海域，水深较浅，受大陆影响显著，受外海的影响较小，因此海水盐度相对较 低。每年冬季在蒙古一西伯利亚冷空气的影响下，渤海地区会出现较长的低温期，气温 的下降使海水的承温可降至冰点，海水冻结形成大范围的海冰区。由于海水在冻结过程 中只是其中的纯水结成冰晶，而将海水中所含的大部分盐分排析出去，因此海冰的盐分 大大低于海水的盐分。渤海海冰的盐度一般以o 3 0 8 居多。如果经过简单的处理，以 较低的成本将海冰转变为淡水，这就使得海冰有可能作为淡水资源被储存利用，即渤海 海冰具有淡水资源的特性。据初步估算，在般年份渤海海冰的现有储量大约相当于 1 0 0 亿立方米的淡水。如能将渤海海冰资源充分利用，将有可能缓解环渤海地区水资源 紧缺的问题或作为环渤海地区淡水资源的一个重要补充。另一方面，渤海海区大范围的 结冰现象会对人们的海上活动产生影响，例如造成船舶航行受阻，船舶及海洋结构物 ( 油气平台，人工岛，码头等) 受损或破坏，能带来严重的经济损失并危及人身安全， 所以渤海海冰还具有灾害特性。 海冰采集方案和采集船只的开发研究是实现海冰资源淡水化利用的重要环节。海冰 的形成过程与自然环境条件密切相关，在不同的环境条件作用下海冰表现出不同的形 态，因此海冰的采集也应根据海冰形态的变化而设计出不同的采集方案。通过对渤海各 海区海冰储量和时空分布特征的研究，初步确定合理的采集方案及采冰船的结构形式和 船型参数。从而能以较低的成本，合理的方式在有限的冰期内采集足够的海冰资源。 2 国内外研究概况及发展趋势 国外对海冰的研究主要从灾害，气候和工程角度进行，对海冰和大气的相互作用、 海冰理化、力学性质等方面进行实验研究。但尚未见把海冰作为淡水资源进行有关研究 与实施等报道。其中一个重要原因是高纬度寒区沿海国家和地区的缺水问题并不十分严 重，而缺水地区却离南北极十分遥远，尽管中东国寒曾有拖运南极冰山来解决缺水问题 的探讨，但园拖运过程中出现消融和可能遭遇冰山崩裂等危险，该计划迄今尚处于论证 阶段。我国海冰观测调查开始于上世纪初，但系统、连续、全面的观测研究渤海海冰还 是从上世纪六十年代末开始，三十多年来我国海冰观测始终坚持进行着卫星与航空遥 感、陆基雷达、岸边和船舶调查相结合的方式，积累了一定的资料并进行了大量的海冰 研究。但是过去的研究直把渤海海冰视为油气开发，港口建设，海上航运的潜在灾 害，几乎不涉及渤海海冰作为淡水资源来利用的研究。九十年代以来随着我国水资源问 题的日益突出，有关海冰作为淡水资源及其利用的研究逐步引起人们的关注，相关开展 ，2 一 大连理j 【= 大学硕士学位论文 了渤海海冰淡化利用资源量的探讨，海冰脱赫过程实验研究和海冰开采技术初步探讨， 并在辽东湾及渤海湾内部海域对海冰理化性质及水质特征进行了定点调查，为我国海冰 淡化的工程利用和脱盐技术的丌发研究初步奠定了相应的研究基础。同时，渤海海冰的 利用并不是一个单纯的淡化技术问题，海冰形成和发展与海区状况和大气条件有密切关 系，在气象要素和海洋水文要素共同影响下，渤海海冰具有明显的时空变化规律，各种 海冰的冰型在各种冰期形成、发展和消融的特点多有所异，在不同的低温条件下形成的 海冰其赫分也不尽一致。作为一种具有资源性的特殊区域自然现象，海冰的淡水资源利 用问题涉及到海洋、气象、水文、自然地理、生态、资源、环境、遥感、灾害等学科， 有必要对它的基础理论问题开展全面细致的分析，为了进一步了解与海冰资源量有关的 问题，选取了冰期最长、冰量最多、冰厚最大、冰种类最丰富的辽东湾海冰作为研究对 象。研究辽东湾海冰的形成过程与低温资源的关系，再生周期、资源估算方法、资源储 量及其变化、可开发量和开采方式等问题，搞清这些问题，将为选择海冰淡化利用的技 术突破方向和采冰工程实施，为增加环渤海地区的淡水资源储备打下坚实的理论基础。 北京师范犬学的资源科学研究所会同其他有关单位的专家，在1 9 9 5 年提出了开展 海冰淡水化利用的研究设想，得到了包括前国务委员、科委主任宋健院士等领导和学者 的支持和指导。2 0 0 0 年科技部农村与社会发展科技司首次对海冰资源利用研究予以立 项支持，使这方面的研究工作开始纳入国家研究计划，从室内实验逐步走向实际应用研 究。2 0 0 1 年，科技部农村与社会发展科技司再次对这方面研究给与支持，以“渤海海 冰作为淡水资源的可行性研究”为题目，由北京师范大学资源科学研究所、国家海洋局 海洋环境保护研究所、国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所共同组织研究队伍， 对海冰资源量的估算、海冰脱盐机理和脱盐技术、海冰采集和储运方法等问题开展进一 步研究。在研究报告中，提出了多种海冰采集方案的设想，如海上拉冰、推冰法，挡冰 栅栏法，斜坡采冰法，直接采冰法，提取海水自然冻冰法等。 3 课题的研究内容及本文的工作 论文研究的内容和计划 一3 斧劫步概 渤海海冰资源作为淡水资源储量估算及采冰船设计开发研究 论文的研究方法 准确地把握海冰作为淡水资源的储量，科学的认识海冰资源量的时空分布特征，是 海冰能否作为淡水资源进行丌发利用的基本依据。渤海地区在冬季究竟能形成多少海 冰? 在这些海冰中有可能被工业丌采利用的储量是多少? 一旦开采后经过多长时间海冰 可以再次形成? 这些问题都离不丌对海冰厚度的认识和估算，可以说海冰厚度是海冰资 源量研究的重点和难点。海冰一旦形成以后，其厚度随时间的变化主要取决于热力因素 和动力因素。热力因素是指温度降低的幅度以及低温的持续时间；动力因素是指风向风 速以及海流的变化。为了把握海冰厚度随时间的变化的特征，需要开展室内冻结试验、 现场观测试验和历史资料分析并对鳅蒂生周期进行初步分析。包括利用遥感方法估 算海冰面积和厚度，测算海冰资源的自然储量：开展海冰再生过程的模拟试验和野外试 验，分析海冰再生周期；建立海冰自然储量时间序列，计算海冰自然储量时间保证率并 估算海冰资源潜在储量。相掘蜘惭要求避缛采雄船妁船型论证昶蝗捞由鼠b 海冰采集方案和采集船只的开发研究是实现海冰资源淡水化利用的重要环节。海冰 的形成过程与自然环境条件密切相关。在不同的环境条件作用下海冰表现出不同的形 态，因此海冰的采集也应根据海冰形态的变化而设计出不同的采集方案。通过对渤海各 海区海冰储量和时空分布特征的研究，初步确定合理的采集方案及采冰船的结构形式和 船型参数。从而能以较低的成本，合理的方式在有限的冰期内采集足够的海冰资源。 4 大连理：f 大学硕士学位论文 i 海冰厚度的计算方法 海冰是大气和海洋相互作用的结果，是在一定的海域中，内能和热能转化达到临界 状态( 温度低于海水冰点) 的产物。其生成、发展和消融是一个复杂的物理一力学过 程。 2 0 世纪7 0 年代必来，数值计算方法成为重要的海冰预报方法。利用海冰生长、消 融融的物理过程建立雾和力学稹萨对于确定冰厚计算公式，进行短期海冰数值预报、 年度预报均取得较大的进展。 1 1 由斯蒂芬条件推演的冰厚公式叫 对于单层平整冰的厚度，德国斯蒂芬( s t e f a n ) 于1 8 9 0 年建立了冰厚计算公式a 斯蒂芬条件的简图如图1 i 所示。它仅考虑冰层下界面热萤平衡，其数学描述为 ( o q 3 + q 4 时， q i 0 ，冰厚爿能发展，当q 2 兰蜴+ q 4 时，冰厚并不增加，甚至减少a 因此，可解释 冰层是不连续增厚的。 ( 2 ) 融化期间，冰层并非只是自上而下，或双向融化，而是同步的进行冰层内( 孔 隙周围) 冰的融化。当孔隙连通后，发生对流换热过程，加速冰的融化，并可能在外力 下冰层解体，因此，结冰与溶冰是不可逆的。 ( 3 ) 公式中出现了盐度因子。而温度因子的作用是复杂的，斯蒂芬公式中的冻结度 指数的描述是不完备的。 9 一 一一塑塑燮堡塑堡塑鲨垄塑塑堡量堡簦墨墨鲨竖塑生茎垄婴塞 2 辽东湾海冰采集量的估算方法 2 1 辽东湾海冰资源量的特性“m 罩雹良 ，1厂 某一海区的淘撇源量是指该海区内海冰的面积乘以海冰崩厚度所得到的海冰体积 的大小。从辽东湾海冰冰情来看，辽东湾海冰资源与一般的矿藏资源是不同的。首先海 冰资源具有时间性，表现为资源量随时间而发生变化的动态性。辽东湾海冰是周期性年 纪变化的，只：阿冬季才有海冰存在，其持续时间仅3 - 4 个月。在这3 - 4 个月内，随着冰 期的推移，海冰资源量也在发生变化。初冰期海冰资源量不断增加到当年度海冰资源量 的极大值。这个极大值在盛冰期内能保持一段时间。进入融冰期，海冰资源量逐步减 少，一直到终冰日海冰完全消失，海冰资源为零，其资源量的自然生消与一般的矿藏资 源差别较大。其次是海冰资源具有运动性，表现为海冰在风和流的作用下不断运动。对 某一地点来说，本地生成的海冰可以被风和流带走，其他地方生成的海冰在风和流的作 用下还可以补充进来。而矿减资源一般是不会流动的。再次是海冰资源具有再生性，表 现为在某一点的海冰被采掘后，在环境条件合适的情况下，通过热力作用可以再次在该 地点冻结成海冰。而大多数矿减资源般是玎采后，不可能在生长，只能越来越少。由 此可见，辽东湾海冰资源量具有时间性、运动性和再生性这三个特性。 2 2 渤海冰f 青分布范围及其等级“” 冰情分布范围及其等级的划分是由多种因素决定的，然而这些因素的影响程度是不 一样的。为此，国家海洋局于1 9 7 3 年制定了中国海冰冰情预报等级。渤海各海区 冰情等级划分标准见表2 1 。渤海各海区轻、常、重冰情年份冰厚分布如图2 1 所示。 此后，根据海洋工程的需要，许多研究工作都围绕申罾海冰区划展开，曾尝试过多种区 划方法。共同特点都是按冰睛预报的五个冰睛年海冰分布范围对其进行各种局部区域的 等级划分。 1 0 人连理：f ：_ = 火学硕士学位论文 表2 1渤海冰情等级划分标准 要索冰界( nm i l e )冰厚( c m ) 地区 辽东湾渤海湾莱州湾 、 辽东湾渤海湾莱十h 湾 一般最大一般最火一般晟大 继艚、 小于小于小于小于 轻冰年小予5小于5 3 02 02 0 3 51 51 01 0 偏轻年3 5 6 5 5 1 55 1 51 5 2 54 51 0 2 03 51 0 1 53 0 常年6 5 9 01 5 3 51 5 2 52 5 4 06 02 0 3 05 01 5 2 54 5 9 5 偏重年 3 5 6 52 5 3 54 0 5 07 03 0 4 06 02 5 3 55 0 1 2 0 大予大于人于大于大于火于 重冰年 1 0 08 07 0 1 2 56 53 55 04 03 5 图2 1 a 渤海各海区轻冰年海冰厚度分布 渤海海冰资源作为淡水资源储量估算及采冰船设计开发研究 1 2 一 图2 1 b 渤海各海区常冰年海冰厚度分布 图2 1 c 渤海各海区偏重年海冰厚度分布 大连理i 大学硕士学位论文 2 3 辽东湾海冰研究区划分州。们 辽东湾位于3 9 。n 以北，以4 0 。0 0 n 、1 2 l 。0 0 e 为中心，面积约2 8 x 1 0 “k i n ，最大水深可达3 0 m ，是渤海最大的海湾，也是渤海海冰最发达的海区。在冬季 风( 北风或偏北风) 的影响下，辽东湾西岸和东岸的海冰有很大差异。西岸是冬季风的背 风岸，海冰形成后，在偏北气流的作用下不断地从岸边流向海上，表现为“离岸冰”的 特征；东岸是冬季风的迎风岸，不仅自身有海冰的形成，还不断地接受由海上飘来的流 冰，表现为“近岸冰”的特征。西岸海冰的飘离和东岸海冰的堆积，造成了海冰资源量 在辽东湾东、西岸之间的差异。因此，要研究辽东湾海冰资源量空间分布特征，首先要 将辽东湾分为西岸和东岸两部分。我们在辽东湾的中部做近似平行于东、西岸海岸线走 向的中线，将辽东湾分成东、西岸两个部分，作为研究区的一级分区。 为了迸一步比较东、西岸不同位置沿岸和海上的海冰资源量，又在辽东湾东、西岸 的平分线上，以5 0 k m 的等间距做东、西岸平分线的垂直线，在东岸划出5 个区域在 西岸划出6 个区域，作为研究区的二级分区。并以各分区所对应的陆地上的代表地点作 为各分区的标识。在东岸从北到南分区依次称为营口、熊岳、复县、长兴岛、大连，在 西岸从北到南则依次称为锦州、兴城、绥中、山海关、秦皇岛。 海冰是漂浮在海上的海水冻结物，如何将海冰大量地集中在某一特定的区域，是海 冰开发利用的第一步。考虑至4 海冰的淡化、储存、为城市供水等环节在陆地上完成的可 能性非常大，显然海冰采集的移送方向应该是由海上指向陆地。从这个意义上来说离 岸距离的远近将决定海冰资源量获取的难易程度。离岸越近，可获取性越强：离岸越 远，苟获取性越差。为了反映海冰资源量可获取程度的差异，在上述分区的基础上，以 离岸距离1 0 k m 为间距，沿海岸线做出等距离线，将各个二级区再次分为离岸距离 4 0 k m ( v ) 5 个部 分，作为研究区的三级分区。研究区分区见图2 2 。 1 3 塑! 墅鲨塑塑堡垫塑查塑塑堕量笪蔓墨墨鲨塑堡生茎垄坚塞 n 夺。 辽 l “珊。l 宁 钽r ( 嬷热四 1 _ t 、 写一 _ b 魄毒黝缓辫。 r _ f _ d 礅猢z 。 - 0 盘 弹 二、 i 一事 壤 蕤潍鹱 p 一 、 o - , f r 麟 j 潘 王，繁枯 艘姆o 乞，。 一一一 i 节f叩 ，一n ，趔k 图2 2 辽东湾分区示意图 2 4 辽东湾海冰资源量的初步估算“5 出于辽东湾海冰具有明显的时间性、流动性和再生性的特性，因此如何估算辽东湾 海冰的资源量是一个非常复杂的问题。从历年搜集到的辽东湾海冰冰情来看，辽东湾每 年海冰数量都是不一样的，冰情有轻重之分，海冰资源量也有多寡之分。首先我们根据 五个等级辽东湾海冰资源量的初步估算值见表2 2 。然后根据每年 湾冰暗可划分为五个等级，相应的也把辽东湾海冰的资源量t 划分为五个等级，逵舞舞 的轻重等级，可得到辽东湾海冰资源量的逐年变化量，表2 3 列出1 9 6 6 6 7 到1 9 9 3 9 4 的辽东湾历年海冰资源量初步估算值。 表2 2 不同冰情辽东湾海冰资源量估算值( 亿立方米) 冰情面积( 十万平方米)厚度( 米)资源量( 亿立方米) 轻年 1 1 7 0 0o 1 51 7 6 偏轻年 1 4 3 0 00 22 8 6 常年1 7 2 0 0 0 3 35 6 8 l 偏重年 1 8 3 0 00 4 58 2 4 i重年 1 8 3 0 00 59 1 5 1 4 奎丝望王查堂堡主堂堡堡奎 表2 3 辽东湾历年海冰资源量估算值 实测海冰资源度算量实测海冰资源度算量 年度年度 冰级( 亿立方米)冰级( 亿立方米) 6 6 6 7 3 o5 6 8 8 0 8 l2 54 2 7 6 7 6 8 4 58 7 0 8 1 8 2 2 02 8 6 6 8 6 9 5 09 1 5 8 2 8 3 2 54 2 7 6 9 7 0 3 o5 6 88 3 8 43 05 6 8 7 0 7 1 3 56 9 88 4 8 53 56 9 8 7 l 7 2 3 05 6 88 5 8 63 o5 6 8 7 2 7 3 1 o1 7 68 6 8 73 05 6 8 7 3 7 4 3 o5 6 8 8 7 8 8 2 o2 8 6 7 4 7 5 1 52 3 18 8 8 91 52 3 1 7 5 7 6 1 52 3 1 8 9 9 0 3 o5 6 8 7 6 7 7 4 58 7 0 9 0 9 1 1 52 3 1 7 7 7 8 2 54 2 7 9 l 9 2 1 52 3 】 l7 8 7 9 2 54 2 7 9 2 9 3 1 52 3 1 【7 9 8 0 3 05 6 8 9 3 9 4 1 52 3 1 上述辽东湾海冰资源量的估算值粗略的反映 是在计算这个资源量时用的海冰面积是盛冰期时的海冰最大面积，实际上在一年的整个 冰期中海冰面积是随时间变化的，所吖还妁资源量也是随时间变化的。有入根据 1 9 7 3 7 4 至1 9 9 6 9 7 的2 4 年结冰范围实况资料( 包括飞机航测、黑自云图、日本传真 图、卫星遥感实况等) 进行统计分析，初步得到辽东湾各年、月、甸结冰范围实况资 料，并以此为基础，制定出辽东湾不同冰级年度及月、旬结冰等级标准( 表2 - 4 ) 。 1 5 渤海簿冰资源作为淡水资源储量估算及采冰船设计开发研究 表2 4 辽东湾不同冰级年度及月、旬结冰范围等级标准( 单位：千米) 1 2 月1 月上1 月中1 月下2 月上2 月中2 月下 冰情1 月 2 月年度 r 旬旬旬旬旬旬旬 轻 3 7 5 0 6 56 1 6 7 7 0 7 0 5 2 】0 9 1 4 1 】7 6 1 7 4 1 8 0 】9 8 2 0 4 2 0 6 2 0 6 上述年度、月、匈的辽东湾海冰资源量估箅方法和具体数量看上去十分租糙，但是 对以后采集辽东湾海冰却十分有用。每年冰期来临之前，根据预报当年度的海冰冰情等 级，可初步算得当年海冰资源量以及年度内冰期中每个月、旬的海冰资源量，这可提前 对当年度的采冰工作做出合理的安排。 当然在地理分布上辽东湾海冰的资源量也不一样。我们从常年冰情分布图( 图 2 t b ) 上看出，辽东湾的冰厚是呈现出由西向东( 或由西北向东南) 冰厚逐渐增加的特 征，在辽东湾东岸的营口复州湾沿岸出现冰厚高值区，这样就造成辽东湾东岸的海冰 资源量比西岸丰富。为了进一步了解辽东湾海冰资源量的分布详细情况，按照辽东湾研 究区的划分( 见图2 2 ) ，将由卫星遥感得到的2 0 0 0 年1 月6 日、1 0 日、1 4 日、2 5 日 和3 0r 的海冰范围和厚度进行叠加，得到这几天辽东湾东、西不同小区的海冰资源 量。在此基础上，对十个小区不同距岸距离内的海冰分别进行统计，得到2 0 0 0 年1 月 6 日、l o 日、1 4 日、2 5 日和3 0 日辽东湾东、西岸各小区的不同距离内的海冰资源量， 见表2 5 和表2 6 。 1 6 火连理1 ：大学硕士学位论文 表2 52 0 0 0 年1 月辽东湾东岸各小区的海冰资源量( 亿立方米) 距岸距离日期营口熊岳复县长兴岛大连 60 8 8 7 50 8 1 30 1 9 4 80 o 1 01 1 3 2 60 9 1 6 90 4 2 2 80 2 1 0 90 0 5 2 4 4 f l k m1 40 2 4 41 1 6 0 4o 2 s 4 l oo 2 50 0 4 0 81 6 1 1 7 0 4 7 9 60 0 6 8 4o 3 00 。0 4 3 l1 5 5 4 80 5 7 7 6 o0 1 7 一 堂塑塑鲨鎏塑堡塑鲨垄塑塑堡丝鱼簦垦墨整塑堡盐墅垄塑室 距岸距离日期锦州兴城 绥中山海关秦皇岛 60 1 9 4 7 0 5 5 4 6o 5 6 9 80 2 0 9 6 o 1 00 3 3 7 40 6 4 4 1 0 5 5 8 40 s 8 2 60 0 4 7 8 4 0 k m1 40 4 9 4 10 4 8 6 8 00 2 50 8 5 7 4o 6 5 s 20 1 5 5 80 0 1 5 2 3 00 7 6 1 10 9 8 4 so 3 2 2 60 0 2 8 9 1 8 人连理工大学硕士学位论文 从表2 5 和表2 6 中可见，在1 月份之内，十个小区都有海冰存在，北面的小区海 冰资源量比南面的小区的多，东岸小区海冰资源量比西岸多，符合以前的认为辽东湾冰 情东岸比西岸重的结论。从时间分稻上看，北面的小区在一个月内一直有海冰存在，而 南面的小区在一个月内的海冰则时有时无，只是到了月底盛冰期才有稳定的海冰出现。 总之到了海冰的盛冰期，在i ： 东湾沿岸均可采到海冰。 2 5 海冰资源量估算的气候统计方法i i o | 国内对海冰资源量的估算研究目前主要以遥感方法为主，及时、迅速、大范围地直 接获取各海区结冰状况的卫星影像，通过对影像的处理、分析来估算海冰储量，是遥感方 法的基本特征。特别是在对结冰面积的辨识上，遥感方法比其他方法有着极大的优势。 尽管如此，国内在对海冰资源量的遥感估算上也存在两个主要问题：一是目前使用av hrr 资料估算冰厚的基础是利用冰厚与反射率的经验关系，而这些关系主要是国外学 者根据在其他海域进行海冰观测的事实导出的，这些关系是否适用于渤海海区尚未得到 验证；二是渤海海区利用破冰船得到的大范围、短时段( 2 4 小时左右) 的海冰实测资料很 少，即便有过资料( 例如国家海洋局在2 0 0 0 年1 月1 8 日曾组织破冰船进行辽东湾海冰宏 观特征实验观测) ，由于观测当天大部分海区上空云量较多，使资料的可用性受到严重影响， 因此遥感估算的精度很难得到检验。要解决这两个问题，还需要在渤海海冰现场开展大 范围的、较长时间的实地观测验证工作。 渤海是内陆型海区，沿岸分布有很多气象和海洋观测站，这些观测站积累了大量的气 象水文观测资料，而海冰的发生发展又是气象水文条件变化的结果，因此利用这些资料和 气候统计方法，也可以对海冰资源量进行估算。 采用气候统计方法估算海冰资源量的基本思路是：选取与冰厚有关的统计指标；将 所研究的海区网格化，并得出所有网格点上的各统计指标值；建立冰厚与统计指标的相 关方程，估算各网格点的冰厚值，得到研究区的冰厚分布图；将冰厚分布图与同时段的结 冰面积图( 利用遥感影像) 相叠加，在地理信息系统的支持下估算该时段的海冰资源总量。 2 5 1 统计指标的选取 影响海冰的因子有热力和动力因子。热力因子主要是指温度，包括气温、水温等；动 力因子主要是指风、海流、潮汐、垂直对流等。此外，海冰的特征还与地理因子有关，包 括经度、纬度、水深和离岸距离等。从气候统计的角度研究海冰资源量，最关键的问题 是如何建立统计模型估算海冰厚度。这种统计模型不仅要适合于个别试验点，还要基本 1 9 ， 渤海海冰资源作为淡水资源储量估葬及采冰船设计开发研究 上适合于所研究的整个海区。因此，这就要求所选取的统计指标不仅要与海冰厚度有较 密切的关系，还要求这些指标在空间分布上有明确的规律性，并容易获取，能在研究区内空 间展开。 辽东湾海水的冻结温度约为一14 ，由于水气之间还有温度差存在，因此气温至少低 于一14 时海水才能冻结。在整个冬季内，气温总是在不停地上下波动，只有低于一14 的 气温才可能使海冰发骐状态不仅仅表现为一瞬间，更重要的是表现为在这一界限值下 随时间的积累。为此，我们选取稳定通过一2 期间内日平均气温的累计值( 即2 积温) 作为影响海冰的热量指标，就是考虑到既要去掉高于冻结温度的那段时间的影响，又要表 现出低于界f 琵温度的累计作用。将2 暂定为界限值主要是为了统计上的方便，实际上 将其定为- 14 或2 在负积温数值上没有很大的差异，因为日平均气温稳定通过 2 的初、终日与稳定通过14 的初、终日一般不超过1 2 天。水温比起气温来或许 与海冰的形成和发展更具有直接的关系，但水温资料的获取比较困难，因为只有海洋站才 观测海水水温，而渤海沿岸的海洋观测站数目比气象站少得多，这是没有选取水温指标的 主要原因。 水深和离岸距离( 指海面上任意一点距离岸边的最短距离) 虽然是属于地理因予，实 际上他们又与海洋热容量大小有关。在同一温度条件下，海水越深，离岸越远，海洋热容量 就越大，海冰的形成和发展就越慢；反之，海冰的形成和发展就越快。渤海海冰的形成都是 从沿岸浅水区开始，然后再逐渐向远离岸边的深水区发展，常冰年的冰厚分布也表现出从 沿岸向海中冰厚逐渐减小的特征，这在渤海湾和莱州湾表现最为明显( 见图2 1 b ) 。 动力因子的选取比较困难。风( 风向、风速) 虽然对海冰厚度的空间分布有很大影响， 但由于其自身随机性较强，风向和风速的空间分布并不像温度和降水那样有明显的规律 性，因此它与冰厚的空间分布之间缺少相关。在分析常冰年的冰厚分布图时( 图2 1 b ) ，可以 看出辽东湾大部分海区的冰厚分布并不像渤海湾和莱州湾那样，基本遵循沿等水深线和 等距离线( 离岸距离) 分布的规律，而是呈现出自西向东( 或自西北向东南) 冰厚逐渐增加的 特征，在辽东湾东岸的营口一复县沿岸出现了冰厚高值区。显然，这一结果是用负积温以 及水深、离岸距离等因子所不能解释的，因为负积温的低值区是出现在辽东湾北岸，即葫 芦岛一营口一线以北海区，而不是辽东湾东岸( 营口一复县沿岸) 。它的出现主要是动力因 子风的影响结果。辽东湾东岸恰好是冬季风的迎风岸，在冬季，辽东湾盛行偏北风或 西北风，在辽东湾西岸( 葫芦岛一绥中秦皇岛一线) 所形成的海冰受偏北风或西北风的影 响，逐渐向偏东或东南方向移动，在辽东湾东岸受到当地形成的海冰以及陆地的阻隔产生 堆积重叠，致使辽东湾东岸出现冰厚高值区，因此在北纬3 9 5 。以北的海区表现出自西向 2 0 人连理工大学硕士学位论文 东，或随着经度增加冰厚也增厚的空间特征。在这里，经度并不是制约冰厚空间分布的因 子，但它可以看成是动力园子风对冰厚空间分布影响的一种反映，如果选耿经度作为 动力因子的代表的话，通过经度的变化，风对辽东湾冰厚分布的影响结果可以在一定程度 上表现出来。 根掘以上这些认识，我们选取了稳定通过之期间内同平均气温的累计值、水 深、离岸距离、经度等4 个因子作为与冰厚估算有关系的统计指标。 2 5 2 统计指标的空间展开 为了能将上述统计指标在整个研究海区做空间展开，我们把研究区( 北纬3 8 9 。以北 的渤海海区，包括辽东湾的全部和渤海湾的部分) 按5km 5 k1 7 1 ( o 0 5 经度o 0 5 纬度) 的标准划分成1 4 5 1 个网格点，并利用1 ：1 0 6 地形图得到各网格点的水深、离岸距离、经 度、纬度等数据。根掘这些数据，在地理信息系统的支持下，得到该海区的水深和离岸距 离的数字化图( 图2 _ 3 、图2 4 ) 。 各网格点上的水深、离岸距离、经度、纬度作为空间指标是不随时间而变化的，但 各网格点上- 2 * c 积温却随时间而变化。利用国家海洋局在2 0 0 0 年1 月1 8 日组织破冰 船进行辽东湾海冰宏观特征实验的观测资料进行当时海冰资源量的估算闺此要求算出 各网格点自1 9 9 9 年1 0 月1 日起至2 0 0 0 年1 月1 8 日止稳定通过之期间内日平均气 温的累计值。这一负积温的求算方法是：首先统计沿岸气象站的一2 积温，再根据各气 象站2 。c 积温的空间分布特征建立之积温空间分布方程，最后将各网格点空间坐标 带入这一方程算出各网格点的2 c 积温。根据这些气象站的实测值建立的- 2 * c 积温 空间分布方程为： ：r ( x ) = 8 5 6 9 7 3 5 2 9 8 0 9 2 ( x ) 1 3 0 3 9 5 妒( x ) ( 2 1 ) 。g 一- 2 式中y 丁( x ) 、a ( x ) 、v ( x ) 为网格点x - 2 c 负积温、经度、纬度值。 2 1 渤海海冰资源作为淡水资源储蹩估算及采冰船设计开发研究 w 夺， 怖州 共 “ p l 丈莲 一跫 n 营 口 l 形： ，十胫0 7 i 东 县 一 彩 ，1 衫 矿 昌 孙f l 筮 县 嬲 袄钾 厂v 唐海 彩 ， 尹澎 莠 r 、 2 0 r r。愁嗡 ，门o f 一、j t ；反， 9、隔 泸 囊。 、 黄 曳 儿 图2 3 研究区等深线分布 - 毒一 锦州 共 谚熊 荔钐獬 县 一 殇编ff 孵十一o p 昌 砺 天津 fv 型 彬城砺笏烧万k o ( f i !ii “0 fff 劈 。 o3 05) 7 04 02 0 嗣 堍k - ，k 图2 4 研究区离岸距离等值线分布 2 5 3 冰厚的空间分布 冰厚的空间分布方程，是建立在对实测冰厚点与上述4 项指标之间进行统计分析的 基础上的。国家海洋局与2 0 0 0 年1 月1 8 日在辽东湾进行了破冰船海冰宏观特征观测实 验，获取了东经1 2 1 。0 9 1 2 1 。4 2 ，北纬4 0 。3 0 7 - - - 4 0 。4 1 范围内2 1 个地点的冰 2 2 人选理： 火学硕士学位论文 厚资料。从2 0 0 0 年1 月1 8 日的卫星遥感影像上看，当天的海冰边缘线在辽东湾西岸已 到达3 9 4 。( 接近滦河河口) ，在辽东湾东岸已到达3 8 9 。( 金州湾附近) ，这表明实测资料所 覆盖海区的位置偏北。从统计学的角度来说，建立辽东湾冰厚空间分布的统计方程，最好 能有覆盖整个研究区的样本资料，尽管实测冰厚资料是建立冰厚空间统计分布方程的重 要数据基础，但由于其位置偏北，仅靠这2 1 个样点的资料，会影响统计方程的精度。为此， 利用2 0 0 0 年1 月1 8 日卫星遥感的影像沿海冰边缘线又选了若干样点，将这些样点的冰 厚设为o 豫此之外，还增加了大洼和营口附近两个陆缘冰样点的资料，使得用于统计分析 的样本总数达到5 5 个，基本上能够覆盖结冰的海区。通过对这些样点进行综合分析，去掉 个别与基本空间分布规律不相符地点，最后用于建立统计方程地样本点为4 9 个。 冰厚空间分布方程的建立是利用多元分析的方法_ 每这4 9 个样点的冰厚资料与所对 应的经度、水深、离岸距离、2 积温等4 项指标进行回归计算，得到多元回归方程： ( z ) = 1 6 1 8 7 1 + 1 3 7 3 9 2 ( x ) + 0 3 0 6 s ( x ) 一0 4 2 3 d ( x ) - 0 0 6 5 3 r ( z ) ( 2 2 ) ! 一2 式中t i ( x ) 为网格点x 的冰厚、l ( x ) 为经度、s ( x ) 为水深( s ( x ) 0 1 的海冰资源量( 冰厚面积) ，再对这些点的资源量求和。经过测算，2 0 0 0 年1 月1 8 日 辽东湾海冰资源总量气候统计初步估计值为：3 6 7 x 1 0 8 m 5e 如果把海冰开采的可能范围设为离岸距离1 0 k m 以内，海冰的最小开采厚度设为 1 0 c m 的话，2 0 0 0 年1 月1 8 日辽东湾可能开采的海冰资源量为；7 4 1 0 3 m 3 ，主要分布在 辽东湾的东岸。 2 5 5 气候统计方法存在的问题 利用气候统计模型估算海冰资源量是一种海冰资源量估算方法的尝试，以冰厚实测 值与环境要素的相关关系为背景建立统计模型。这种方法的尝试具有一定的价值，但是 也存在一些的问题： 一2 3 渤海海冰资源作为淡水资源储量估算及采冰船设计开发研究 ( 1 ) 估算的结冰范围与实际情况有较大的误差。在1 4 5 1 个网格点中，由模型估算 的有冰点网格数为6 9 2 个，而经过遥感影像修正后的有冰点网格数为4 2 7 个，误差率达 到3 8 3 。误差过大的原因估计是与统计指标的选取有关。负积温、水深、离岸距离、 经度等四个因子与冰厚的相关系数都不高，如果迸一步挑选合适的因子，提高相关系 数，估计这种误差在一定程度上可能得到控制。 ( 2 ) 统计模型的外延性不好。四项统计指标中随时间变化的因子只有负积温。从 理论上说，只要改变负积温值，就能够估算在不同负积温空间分布下的冰厚。但是在实 地的统计模型外延性试验中，结果并不理想。这一问题产生的原因应该与实测冰厚样本 数过少，样本对应的负积温范围过小有关。在今后必须注重增加破冰船实地测量的次数 和范围，增加统计模型的精度。 ( 3 ) 统计模型的主要物理基础是海冰生成的热力过程，目前所选取的因子也都足 以平整冰的热力生成过程为背景，而与风和海流作用下生成的重叠冰、堆积冰有关的因 子在模型中不能体现。 2 6 海冰的运动特征与时空特性“1 2 6 1 作用于海冰的力 渤海水温到秋季随着气温的下降而不断失去热量，初冬时刻渤海水温降到海水冰 点以下时，海上从北到南，从岸向海逐步出现海冰。海冰漂浮与海面之上，介于海洋与 大气之间。海冰的运动主要受周围的海洋、大气环境条件的影响。一般认为介于海气之 间的海冰主要受到冰一气界面的大气拖曳力，冰一水界面的海水拖曳力，冰区内部多种冰 块之间相互作用的内应力，海面倾斜造成的应力和海冰在旋转的地球的上运动而产生的 科氏力等主力的影响。这些作用力与海冰运动之间的详细关系可用下列单位面积的海冰 动力平衡方程来描述， p a ! 二；云+ 瓦+ p 矿i ；一p h g v h + 】i ( 2 3 ) “l 式中p 为海冰的密度；h 为冰厚：；为海冰的速度；一z a 为大气拖曳力：瓦为海水拖曳 力：，为