外海大型沉管浮運安裝氣象海洋作業窗口選擇

尹朝暉，林鳴，王彰貴，尹海卿，黃煥卿，潘豐，李本霞

（1.國家海洋環境預報中心，北京 100081；2.港珠澳大橋島隧工程項目總經理部，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，但是由于沉管的運輸和沉放安裝都在海上進行，容易受到氣象、海浪和海流環境影響。為了保障施工安全，沉管的浮運和沉放必須在一定的氣象、海浪和海流限制條件下連續進行，需要準確的氣象海洋窗口。

在厄勒海峽沉管隧道建設中，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報中心的業務化天氣和海洋預報為施工區提供常規預報產品[1]。韓國釜山—巨濟沉管隧道工程中，當地氣象局提供常規的天氣預報[2]，此外，DHI開發了海浪預報模型進行波浪預報，用于支持隧道施工作業[3]。日本大成建設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開發了作業窗口保障系統，以確定作業窗口[4-5]。

我國建成的沉管隧道工程中，廣州珠江隧道建設中進行了長期水文觀測，繪制水位過程線，為選擇浮運沉放時段提供參考[6]；上海外環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，當地氣象部門提供基礎的氣象預報，以選擇最佳浮運、沉放和對接時間[8]；舟山沈家門隧道建設中也提出了管段沉放浮運窗口的概念，根據當地潮汐特征選擇小潮期施工，在沉放作業前12 h根據最新資料確認窗口，在作業前2 h復核窗口[9]；南昌紅谷隧道建設過程中，韓建坤[10]采用相應水位（流量）法和合成流量法來預測施工現場的水位和流量，之后用MIKE軟件建立二維模型，預報河道內的流場分布。

上述沉管隧道大多地處內河或者河口，受河流水位、水流和潮汐影響，主要基于經驗和統計預報，或者平面二維模型預報選擇施工窗口。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、海浪和海流綜合影響，臺風、強對流高發[11-12]，由于工程規模大，施工工藝復雜，施工周期長，必須在施工前兩個星期確定施工窗口，而且時間精度要準確到小時[13]。傳統的經驗和統計預報很難滿足上述要求。

1 港珠澳大橋沉管浮運安裝氣象海洋作業窗口保障系統

根據寧進進等[14]提出的港珠澳大橋沉管浮運安裝的最終氣象海洋作業窗口限制條件，每次浮運安裝周期為48～72 h，要求在此期間氣象海洋環境連續滿足限制條件。

港珠澳大橋島隧工程區域南北僅為12.5 km，東西僅為6.5 km，施工計劃精確到0.5 h，目前的氣象、海浪和海流業務化預報都側重區域的大面預報，空間分辨率最高只有1/10°，時間分辨率為天或半天，空間和時間上都不能解析沉管浮運安裝不同海域的氣象海洋條件和精細化施工的需求。

為適應現場精細化施工時間管理的需求，針對港珠澳大橋沉管浮運安裝的小區域建立了精細化氣象海洋實時觀測和數值預報系統。

1.1 精細化氣象海洋實時觀測系統

氣象海洋實時觀測系統包括2個自動氣象站，1個波潮儀和4個浮標（圖1）。其中2個自動氣象站分別架設在靠近沉管浮運的起點——牛頭島沉管預制場和靠近沉管隧道的西人工島上。氣象觀測要素包括10 m風速風向、能見度、2 m氣溫、海表皮溫、2 m相對濕度。觀測頻率最高為6 s，可以捕捉到瞬時的氣象變化。

圖1 觀測站點位置圖Fig.1 The observation position

波潮儀布放在距沉管隧道北側500 m的平臺上，觀測要素包括潮位、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，其中潮位的觀測頻率為1 min，波浪要素的觀測頻率為30 min。

4個浮標分別布放在塢口、榕樹頭航道和靠近沉管隧道南北兩側4個沉管浮運安裝的關鍵位置上。觀測要素包括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頻率為30 min。通常海上觀測海流的采集周期為1 h或30 min，為捕捉短時海流變化，將海流的采集周期縮短到5 min。

1.2 小區域精細化數值預報系統

1.2.1 精細化氣象數值預報

小區域精細化氣象預報包括月預報、10 d預報和5 d預報3個部分。

月預報基于統計方法和相似方法，在多年海洋氣象數據庫、氣候背景分析的基礎上，根據施工前幾個月全球海洋大氣異常特征，利用短期氣候預測方法預測施工區域高影響天氣系統發生概率。預報產品側重于臺風個數、影響概率、季風等災害性氣象事件的預測。為工程決策提供高影響天氣系統的發生概率。

10 d預報基于延伸期預報方法，首先，將國內外預報效果較好的多家數值模式，提取施工區定點天氣要素，利用集合預報方法，給出天氣系統的過程預報（如冷空氣大風發生時間段、強度）；再次，將窗口期天氣系統與歷史同期相似過程進行對比分析，加入局地地形影響和日變化因素，以細化、訂正天氣系統過程預報的影響時間、強度；最后，由經驗豐富、水平較高的預報員團隊利用天氣學演變規律進行會商討論，跟蹤、調整天氣系統的過程預報。

5 d預報基于目前最成熟的WRF天氣數值預報模式，通過多重網格嵌套和資料同化，建立施工海域高分辨率、高精度的氣象業務化數值預報系統，每天預報2次，每次預報5 d。預報產品包括海面10 m風速、風向、溫度、相對濕度、降水、海平面氣壓等。

1.2.2 小區域精細化海浪預報

小區域海浪預報采用第三代淺水海浪模式SWAN。波浪計算范圍的大小考慮工程區波浪的性質，并能反映波浪從產生、傳播到消亡的整個過程。采用三重網格嵌套技術實現小區域精細化預報，其中大區計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′；中區覆蓋整個珠江口，范圍是112°E—115°E，21°N—23.5°N，空間分辨率為500 m × 500 m；最內部小區域為大橋工程所在區域，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。海浪計算的驅動風場采用上述小區域精細化天氣數值預報提供的高分辨率風場。

海浪預報每天業務化運行1次，預報時效為5 d，預報內容包括最大波高、最大波周期、有效波高、有效波周期和波向等，提供整個施工海域海浪的空間分布和關鍵點海浪要素隨時間變化的預報產品。

1.2.3 小區域精細化海流預報

小區域精細化海流預報包括潮流月預報和海流5 d預報2個部分。

潮流月預報提供1個月的潮位、潮流流速流向預報。

海流5 d預報采用ROMS海流模式建立業務化預報系統。模型的區域范圍是 113.35°E—114.21°E，22°N—23°N，水平采用正交網格，分辨率為 1/600°×1/600°（約為 200 m×200 m），垂向分為10個σ層。本模型的潮汐開邊界數據采用俄勒岡大學OTIS全球潮汐模型提供的9個分潮（M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1，M4）調和常數。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時的觀測資料。海面風應力、輻射、降水等強迫場由上述精細化數值天氣預報提供。

小區域精細化海流預報每天業務化運行1次，預報時效為5 d，預報內容包括各層海流流速流向等，提供整個施工海域海流的空間分布和關鍵點海流要素隨時間變化的預報產品。

2 氣象海洋窗口選擇

鑒于施工海域1個月中有2個小潮期，在此期間潮差最小，相應的潮流最小。首先基于小區域長歷時的氣象月預報和潮流月預報，結合施工前期基床鋪設等準備情況，選擇其中1個小潮期的3 d作為預計可以作業的窗口。施工開始前一個星期左右，依據預報時效為10 d的天氣預報產品，分析之前選擇的作業窗口是否有臺風等大的災害性天氣系統影響，在排除了災害性天氣系統影響之后，確定作業窗口。施工開始前3 d，基于預報時效為5 d的小區域精細化氣象、海浪和海流預報，選擇最有利于施工的最佳窗口和備用窗口，制定作業計劃，作業計劃時間精度精確到0.5 h（圖2）。下面以2016年安裝的E26管節為例介紹沉管浮運安裝作業窗口的整個選擇過程。

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月份的沉管安裝計劃。4月26日，根據潮汐潮流月預報（圖3），2016年5月有2個小潮期窗口，分別為5月12—17日和5月27—30日，這2個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，符合沉管浮運的海流限制條件。從2個窗口對比來看，前者的潮差更小，流速更小，優于后者，特別是13—15日，流速都在0.6 m/s以下，最適合施工。此外，基于短期氣候預測和統計方法制作的施工海域5月天氣和海洋預報，預計5月西北太平洋和南海海域有0～1個熱帶氣旋生成，沒有熱帶氣旋在我國登陸，同時依據海洋及大氣環流形勢，預計5月上半月無熱帶氣旋生成；預計5月份冷空氣勢力進一步減弱，有4次5級大風過程，伴有輕到中浪；同時，華南沿海海霧趨于結束，霧區北移，多霧中心移至臺灣海峽以北。綜上預計5月上半月無熱帶氣旋生成，無6級以上大風，而且海霧趨于結束，從3個方面來看5月13—15日的氣象海浪條件也符合施工要求。

圖3 2016年5月潮位和潮流預報結果Fig.3 Tidal elevation and tidal current forecast in May 2016

施工前10 d：基于延伸期預報方法，預計上述窗口期內施工區無臺風編號生成；預計施工區主要受西南低渦和弱冷空氣回流影響，12日有偏東風5級，15日有偏北風5級。基于上述預報結果，確認5月13—15日的窗口不會有超過限制條件的氣象海浪過程，符合施工條件，而且從風速來看13—14日的條件最好。確定作業窗口后就需要制作精細化作業計劃表，由于牽扯到多個工藝流程，而且每個流程之間要做到有序銜接，作業計劃表要精確到0.5 h，因此也需要精確到0.5 h的精細化氣象海洋預報，特別是海流預報的提供依據。

施工前2～3 d：5月11日施工前2 d的決策會上，根據5 d的精細化氣象海洋數值預報結果進一步確認了窗口期間的氣象海洋情況。此外，精細化海流預報結果（圖4）顯示，5月13—14日有2個合適的沉管浮運窗口，分別是5月13日06∶00—16∶00和 5月 14日 07∶00—17∶00，期間整個浮運航道內流速都在0.6 m/s以下，綜合考慮之后制作了圖5所示的作業計劃表。

圖4 2016年5月11日0時—16日0時浮運航道流速流向預報結果Fig.4 The forecasting of current speed and direction in floating channel between 11-16 May 2016

圖5 E26管節浮運安裝工藝計劃圖Fig.5 Process planning sketch of E26 floating transportation and installation

從2013年5月開始，從選擇到確定作業窗口，這套系統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安裝，取得了零失誤的保障成績。

3 結論與討論

基于目前成熟的氣象海洋數值預報技術建立的沉管浮運安裝氣象海洋作業窗口保障系統，可以有效保障從選擇作業窗口到制定作業計劃的整個過程，使得精細化作業和管理成為可能，并且在施工當中得到了充分檢驗和驗證[15-16]。

本文在之前發表的研究結果基礎上，利用氣象海洋數值預報技術，開發了從月到10 d和5 d的不同時效預報產品，可以更好地滿足外海大型沉管浮運安裝對作業窗口預報的時效性要求。

本文介紹的相關技術和經驗可以推廣應用到更多高空、深海等大型工程氣象海洋環境保障中，可以保障工程建設的順利實施，控制施工風險，保證工程質量。并已獲得一批自主知識產權科技成果，對于推動交通行業技術進步、提升行業自主創新水平具有重要意義。