尹朝暉，林鳴，王彰貴，尹海卿，黃煥卿，潘豐，李本霞

（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081；2.港珠澳大橋島隧工程項(xiàng)目總經(jīng)理部，廣東 珠海 519015）

0 引言

外海沉管隧道可以給交通帶來極大的便利，但是由于沉管的運(yùn)輸和沉放安裝都在海上進(jìn)行，容易受到氣象、海浪和海流環(huán)境影響。為了保障施工安全，沉管的浮運(yùn)和沉放必須在一定的氣象、海浪和海流限制條件下連續(xù)進(jìn)行，需要準(zhǔn)確的氣象海洋窗口。

在厄勒海峽沉管隧道建設(shè)中，瑞典氣象和水利部（SMHI）和丹麥氣象所（DMI）依托歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的業(yè)務(wù)化天氣和海洋預(yù)報(bào)為施工區(qū)提供常規(guī)預(yù)報(bào)產(chǎn)品[1]。韓國釜山—巨濟(jì)沉管隧道工程中，當(dāng)?shù)貧庀缶痔峁┏Ｒ?guī)的天氣預(yù)報(bào)[2]，此外，DHI開發(fā)了海浪預(yù)報(bào)模型進(jìn)行波浪預(yù)報(bào)，用于支持隧道施工作業(yè)[3]。日本大成建設(shè)公司在博斯普魯斯海峽隧道施工過程中委托美國俄勒岡大學(xué)開發(fā)了作業(yè)窗口保障系統(tǒng)，以確定作業(yè)窗口[4-5]。

我國建成的沉管隧道工程中，廣州珠江隧道建設(shè)中進(jìn)行了長(zhǎng)期水文觀測(cè)，繪制水位過程線，為選擇浮運(yùn)沉放時(shí)段提供參考[6]；上海外環(huán)隧道施工前一天制定施工窗口，選擇平潮后1.5～2 h開始沉放[7]；天津海河沉管隧道施工期間，當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供基礎(chǔ)的氣象預(yù)報(bào)，以選擇最佳浮運(yùn)、沉放和對(duì)接時(shí)間[8]；舟山沈家門隧道建設(shè)中也提出了管段沉放浮運(yùn)窗口的概念，根據(jù)當(dāng)?shù)爻毕卣鬟x擇小潮期施工，在沉放作業(yè)前12 h根據(jù)最新資料確認(rèn)窗口，在作業(yè)前2 h復(fù)核窗口[9]；南昌紅谷隧道建設(shè)過程中，韓建坤[10]采用相應(yīng)水位（流量）法和合成流量法來預(yù)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)的水位和流量，之后用MIKE軟件建立二維模型，預(yù)報(bào)河道內(nèi)的流場(chǎng)分布。

上述沉管隧道大多地處內(nèi)河或者河口，受河流水位、水流和潮汐影響，主要基于經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)，或者平面二維模型預(yù)報(bào)選擇施工窗口。港珠澳大橋沉管隧道位于開敞的伶仃洋海域，受徑流、海上大風(fēng)、海浪和海流綜合影響，臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)對(duì)流高發(fā)[11-12]，由于工程規(guī)模大，施工工藝復(fù)雜，施工周期長(zhǎng)，必須在施工前兩個(gè)星期確定施工窗口，而且時(shí)間精度要準(zhǔn)確到小時(shí)[13]。傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)很難滿足上述要求。

1 港珠澳大橋沉管浮運(yùn)安裝氣象海洋作業(yè)窗口保障系統(tǒng)

根據(jù)寧進(jìn)進(jìn)等[14]提出的港珠澳大橋沉管浮運(yùn)安裝的最終氣象海洋作業(yè)窗口限制條件，每次浮運(yùn)安裝周期為48～72 h，要求在此期間氣象海洋環(huán)境連續(xù)滿足限制條件。

港珠澳大橋島隧工程區(qū)域南北僅為12.5 km，東西僅為6.5 km，施工計(jì)劃精確到0.5 h，目前的氣象、海浪和海流業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)都側(cè)重區(qū)域的大面預(yù)報(bào)，空間分辨率最高只有1/10°，時(shí)間分辨率為天或半天，空間和時(shí)間上都不能解析沉管浮運(yùn)安裝不同海域的氣象海洋條件和精細(xì)化施工的需求。

為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)精細(xì)化施工時(shí)間管理的需求，針對(duì)港珠澳大橋沉管浮運(yùn)安裝的小區(qū)域建立了精細(xì)化氣象海洋實(shí)時(shí)觀測(cè)和數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

1.1 精細(xì)化氣象海洋實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)

氣象海洋實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)包括2個(gè)自動(dòng)氣象站，1個(gè)波潮儀和4個(gè)浮標(biāo)（圖1）。其中2個(gè)自動(dòng)氣象站分別架設(shè)在靠近沉管浮運(yùn)的起點(diǎn)——牛頭島沉管預(yù)制場(chǎng)和靠近沉管隧道的西人工島上。氣象觀測(cè)要素包括10 m風(fēng)速風(fēng)向、能見度、2 m氣溫、海表皮溫、2 m相對(duì)濕度。觀測(cè)頻率最高為6 s，可以捕捉到瞬時(shí)的氣象變化。

圖1 觀測(cè)站點(diǎn)位置圖Fig.1 The observation position

波潮儀布放在距沉管隧道北側(cè)500 m的平臺(tái)上，觀測(cè)要素包括潮位、最大波高、最大波周期、1/10波高、1/10波周期、1/3波高、1/3波周期、平均波高和平均波周期，其中潮位的觀測(cè)頻率為1 min，波浪要素的觀測(cè)頻率為30 min。

4個(gè)浮標(biāo)分別布放在塢口、榕樹頭航道和靠近沉管隧道南北兩側(cè)4個(gè)沉管浮運(yùn)安裝的關(guān)鍵位置上。觀測(cè)要素包括1～14 m各層流速流向、最大波高、最大波周期、1/10波高、1/10波周期、有效波高、有效波周期、平均波高、平均波周期和波向。其中波浪要素的觀測(cè)頻率為30 min。通常海上觀測(cè)海流的采集周期為1 h或30 min，為捕捉短時(shí)海流變化，將海流的采集周期縮短到5 min。

1.2 小區(qū)域精細(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)

1.2.1 精細(xì)化氣象數(shù)值預(yù)報(bào)

小區(qū)域精細(xì)化氣象預(yù)報(bào)包括月預(yù)報(bào)、10 d預(yù)報(bào)和5 d預(yù)報(bào)3個(gè)部分。

月預(yù)報(bào)基于統(tǒng)計(jì)方法和相似方法，在多年海洋氣象數(shù)據(jù)庫、氣候背景分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)施工前幾個(gè)月全球海洋大氣異常特征，利用短期氣候預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)施工區(qū)域高影響天氣系統(tǒng)發(fā)生概率。預(yù)報(bào)產(chǎn)品側(cè)重于臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)、影響概率、季風(fēng)等災(zāi)害性氣象事件的預(yù)測(cè)。為工程決策提供高影響天氣系統(tǒng)的發(fā)生概率。

10 d預(yù)報(bào)基于延伸期預(yù)報(bào)方法，首先，將國內(nèi)外預(yù)報(bào)效果較好的多家數(shù)值模式，提取施工區(qū)定點(diǎn)天氣要素，利用集合預(yù)報(bào)方法，給出天氣系統(tǒng)的過程預(yù)報(bào)（如冷空氣大風(fēng)發(fā)生時(shí)間段、強(qiáng)度）；再次，將窗口期天氣系統(tǒng)與歷史同期相似過程進(jìn)行對(duì)比分析，加入局地地形影響和日變化因素，以細(xì)化、訂正天氣系統(tǒng)過程預(yù)報(bào)的影響時(shí)間、強(qiáng)度；最后，由經(jīng)驗(yàn)豐富、水平較高的預(yù)報(bào)員團(tuán)隊(duì)利用天氣學(xué)演變規(guī)律進(jìn)行會(huì)商討論，跟蹤、調(diào)整天氣系統(tǒng)的過程預(yù)報(bào)。

5 d預(yù)報(bào)基于目前最成熟的WRF天氣數(shù)值預(yù)報(bào)模式，通過多重網(wǎng)格嵌套和資料同化，建立施工海域高分辨率、高精度的氣象業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，每天預(yù)報(bào)2次，每次預(yù)報(bào)5 d。預(yù)報(bào)產(chǎn)品包括海面10 m風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、相對(duì)濕度、降水、海平面氣壓等。

1.2.2 小區(qū)域精細(xì)化海浪預(yù)報(bào)

小區(qū)域海浪預(yù)報(bào)采用第三代淺水海浪模式SWAN。波浪計(jì)算范圍的大小考慮工程區(qū)波浪的性質(zhì)，并能反映波浪從產(chǎn)生、傳播到消亡的整個(gè)過程。采用三重網(wǎng)格嵌套技術(shù)實(shí)現(xiàn)小區(qū)域精細(xì)化預(yù)報(bào)，其中大區(qū)計(jì)算范圍包括南海大部，范圍是110°E—118°E，16°N—24°N，空間分辨率為 2′×2′；中區(qū)覆蓋整個(gè)珠江口，范圍是112°E—115°E，21°N—23.5°N，空間分辨率為500 m × 500 m；最內(nèi)部小區(qū)域?yàn)榇髽蚬こ趟趨^(qū)域，范圍是113.49°E—114.1°E，21.74°N—22.44 °N，空間分辨率為100 m×100 m。海浪計(jì)算的驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)采用上述小區(qū)域精細(xì)化天氣數(shù)值預(yù)報(bào)提供的高分辨率風(fēng)場(chǎng)。

海浪預(yù)報(bào)每天業(yè)務(wù)化運(yùn)行1次，預(yù)報(bào)時(shí)效為5 d，預(yù)報(bào)內(nèi)容包括最大波高、最大波周期、有效波高、有效波周期和波向等，提供整個(gè)施工海域海浪的空間分布和關(guān)鍵點(diǎn)海浪要素隨時(shí)間變化的預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

1.2.3 小區(qū)域精細(xì)化海流預(yù)報(bào)

小區(qū)域精細(xì)化海流預(yù)報(bào)包括潮流月預(yù)報(bào)和海流5 d預(yù)報(bào)2個(gè)部分。

潮流月預(yù)報(bào)提供1個(gè)月的潮位、潮流流速流向預(yù)報(bào)。

海流5 d預(yù)報(bào)采用ROMS海流模式建立業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)。模型的區(qū)域范圍是 113.35°E—114.21°E，22°N—23°N，水平采用正交網(wǎng)格，分辨率為 1/600°×1/600°（約為 200 m×200 m），垂向分為10個(gè)σ層。本模型的潮汐開邊界數(shù)據(jù)采用俄勒岡大學(xué)OTIS全球潮汐模型提供的9個(gè)分潮（M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1，M4）調(diào)和常數(shù)。河流開邊界為虎門、蕉門、洪奇門和橫門，徑流量采用珠江主要干流實(shí)時(shí)的觀測(cè)資料。海面風(fēng)應(yīng)力、輻射、降水等強(qiáng)迫場(chǎng)由上述精細(xì)化數(shù)值天氣預(yù)報(bào)提供。

小區(qū)域精細(xì)化海流預(yù)報(bào)每天業(yè)務(wù)化運(yùn)行1次，預(yù)報(bào)時(shí)效為5 d，預(yù)報(bào)內(nèi)容包括各層海流流速流向等，提供整個(gè)施工海域海流的空間分布和關(guān)鍵點(diǎn)海流要素隨時(shí)間變化的預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

2 氣象海洋窗口選擇

鑒于施工海域1個(gè)月中有2個(gè)小潮期，在此期間潮差最小，相應(yīng)的潮流最小。首先基于小區(qū)域長(zhǎng)歷時(shí)的氣象月預(yù)報(bào)和潮流月預(yù)報(bào)，結(jié)合施工前期基床鋪設(shè)等準(zhǔn)備情況，選擇其中1個(gè)小潮期的3 d作為預(yù)計(jì)可以作業(yè)的窗口。施工開始前一個(gè)星期左右，依據(jù)預(yù)報(bào)時(shí)效為10 d的天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品，分析之前選擇的作業(yè)窗口是否有臺(tái)風(fēng)等大的災(zāi)害性天氣系統(tǒng)影響，在排除了災(zāi)害性天氣系統(tǒng)影響之后，確定作業(yè)窗口。施工開始前3 d，基于預(yù)報(bào)時(shí)效為5 d的小區(qū)域精細(xì)化氣象、海浪和海流預(yù)報(bào)，選擇最有利于施工的最佳窗口和備用窗口，制定作業(yè)計(jì)劃，作業(yè)計(jì)劃時(shí)間精度精確到0.5 h（圖2）。下面以2016年安裝的E26管節(jié)為例介紹沉管浮運(yùn)安裝作業(yè)窗口的整個(gè)選擇過程。

圖2 氣象海洋窗口選擇方法Fig.2 Methods for selecting the meteorological ocean windows

施工前15～20 d：2016年4月下旬開始做5月份的沉管安裝計(jì)劃。4月26日，根據(jù)潮汐潮流月預(yù)報(bào)（圖3），2016年5月有2個(gè)小潮期窗口，分別為5月12—17日和5月27—30日，這2個(gè)小潮期窗口潮差最小，而且上層10 m平均流速也都在0.8 m/s以下，符合沉管浮運(yùn)的海流限制條件。從2個(gè)窗口對(duì)比來看，前者的潮差更小，流速更小，優(yōu)于后者，特別是13—15日，流速都在0.6 m/s以下，最適合施工。此外，基于短期氣候預(yù)測(cè)和統(tǒng)計(jì)方法制作的施工海域5月天氣和海洋預(yù)報(bào)，預(yù)計(jì)5月西北太平洋和南海海域有0～1個(gè)熱帶氣旋生成，沒有熱帶氣旋在我國登陸，同時(shí)依據(jù)海洋及大氣環(huán)流形勢(shì)，預(yù)計(jì)5月上半月無熱帶氣旋生成；預(yù)計(jì)5月份冷空氣勢(shì)力進(jìn)一步減弱，有4次5級(jí)大風(fēng)過程，伴有輕到中浪；同時(shí)，華南沿海海霧趨于結(jié)束，霧區(qū)北移，多霧中心移至臺(tái)灣海峽以北。綜上預(yù)計(jì)5月上半月無熱帶氣旋生成，無6級(jí)以上大風(fēng)，而且海霧趨于結(jié)束，從3個(gè)方面來看5月13—15日的氣象海浪條件也符合施工要求。

圖3 2016年5月潮位和潮流預(yù)報(bào)結(jié)果Fig.3 Tidal elevation and tidal current forecast in May 2016

施工前10 d：基于延伸期預(yù)報(bào)方法，預(yù)計(jì)上述窗口期內(nèi)施工區(qū)無臺(tái)風(fēng)編號(hào)生成；預(yù)計(jì)施工區(qū)主要受西南低渦和弱冷空氣回流影響，12日有偏東風(fēng)5級(jí)，15日有偏北風(fēng)5級(jí)。基于上述預(yù)報(bào)結(jié)果，確認(rèn)5月13—15日的窗口不會(huì)有超過限制條件的氣象海浪過程，符合施工條件，而且從風(fēng)速來看13—14日的條件最好。確定作業(yè)窗口后就需要制作精細(xì)化作業(yè)計(jì)劃表，由于牽扯到多個(gè)工藝流程，而且每個(gè)流程之間要做到有序銜接，作業(yè)計(jì)劃表要精確到0.5 h，因此也需要精確到0.5 h的精細(xì)化氣象海洋預(yù)報(bào)，特別是海流預(yù)報(bào)的提供依據(jù)。

施工前2～3 d：5月11日施工前2 d的決策會(huì)上，根據(jù)5 d的精細(xì)化氣象海洋數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)了窗口期間的氣象海洋情況。此外，精細(xì)化海流預(yù)報(bào)結(jié)果（圖4）顯示，5月13—14日有2個(gè)合適的沉管浮運(yùn)窗口，分別是5月13日06∶00—16∶00和 5月 14日 07∶00—17∶00，期間整個(gè)浮運(yùn)航道內(nèi)流速都在0.6 m/s以下，綜合考慮之后制作了圖5所示的作業(yè)計(jì)劃表。

圖4 2016年5月11日0時(shí)—16日0時(shí)浮運(yùn)航道流速流向預(yù)報(bào)結(jié)果Fig.4 The forecasting of current speed and direction in floating channel between 11-16 May 2016

圖5 E26管節(jié)浮運(yùn)安裝工藝計(jì)劃圖Fig.5 Process planning sketch of E26 floating transportation and installation

從2013年5月開始，從選擇到確定作業(yè)窗口，這套系統(tǒng)保障了港珠澳大橋島隧工程E1～E33歷次沉管和最終接頭的浮運(yùn)安裝，取得了零失誤的保障成績(jī)。

3 結(jié)論與討論

基于目前成熟的氣象海洋數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)建立的沉管浮運(yùn)安裝氣象海洋作業(yè)窗口保障系統(tǒng)，可以有效保障從選擇作業(yè)窗口到制定作業(yè)計(jì)劃的整個(gè)過程，使得精細(xì)化作業(yè)和管理成為可能，并且在施工當(dāng)中得到了充分檢驗(yàn)和驗(yàn)證[15-16]。

本文在之前發(fā)表的研究結(jié)果基礎(chǔ)上，利用氣象海洋數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)，開發(fā)了從月到10 d和5 d的不同時(shí)效預(yù)報(bào)產(chǎn)品，可以更好地滿足外海大型沉管浮運(yùn)安裝對(duì)作業(yè)窗口預(yù)報(bào)的時(shí)效性要求。

本文介紹的相關(guān)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)可以推廣應(yīng)用到更多高空、深海等大型工程氣象海洋環(huán)境保障中，可以保障工程建設(shè)的順利實(shí)施，控制施工風(fēng)險(xiǎn)，保證工程質(zhì)量。并已獲得一批自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)科技成果，對(duì)于推動(dòng)交通行業(yè)技術(shù)進(jìn)步、提升行業(yè)自主創(chuàng)新水平具有重要意義。