李华军院士等：中国海洋基础设施建设的需求和挑战

                               
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1 F. M* i. d' V9 n全球工程前沿系列论文
3 B: ~) E4 ^4 i; H. z% {6 DDemands and challenges for construction of marine infrastructures in China

中国海洋基础设施建设的需求和挑战

# n, D: k) j/ fHuajun LI, Yong LIU, Bingchen LIANG, Fushun LIU, Guoxiang WU, Junfeng DU, Huimin HOU, Aijun LI, Luming SHI. Demands and challenges for construction of marine infrastructures in China. Front. Struct. Civ. Eng., 2022, 16(5): 551‒563.
摘要Abstract
The oceans are crucial to human civilization. They provide core support for exploitation and utilization of marine space, resources, and energy. Thus, marine infrastructures are vital to a nation’s economic sustainable development. To this end, this article first describes the main challenges in current ocean utilization, and then reviews the China’s ocean engineering progress. As such, six major sectors are evaluated: 1) global climate change and marine environment, 2) comprehensive utilization of marine space, 3) marine transportation infrastructure interconnection, 4) ocean clean energy development and maricultural facilities, 5) ecological crisis and marine engineering countermeasures, and 6) marine infrastructure operation safety and maintenance. Finally, perspectives on future directions of ocean utilization and marine infrastructure construction in China are provided.
# q- K& K9 ~9 a& L9 l海洋对人类文明至关重要。海洋基础设施为开发和利用海洋空间、资源和能源提供了核心支持，因此，海洋基础设施对国家的经济可持续发展至关重要。本文阐述了当前海洋开发所面临的主要挑战，围绕六个关键领域系统回顾了中国海洋工程的发展历程：1）全球气候变化和海洋环境，2）海洋空间的综合利用，3）海洋交通基础设施互联互通，4）海洋清洁能源开发和海洋养殖设施，5）生态危机和海洋工程对策，6）海洋基础设施的运行安全与维护，并在此基础上提出了未来中国海洋利用和海上基建的发展方向和建设重点。
$ Z! N. t& o; K3 L7 f关键词Keywords
4 H: T8 ?2 S. S. D6 ?& Amarine infrastructures, ocean engineering, exploitation of marine resource, coastal development, emerging marine industries, technological challenges
海洋基础设施，海洋工程，海洋资源开采，沿海开发，新兴海洋产业，技术挑战
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, t& C( \% u4 n8 r海洋空间规划的实施过程
; c7 M* Z- |, l. Y7 P7 W. Q) H& a作者信息Authors
: E8 M- [, E) C1 m+ vHuajun LI1,2,✉, Yong LIU1,2, Bingchen LIANG1,2, Fushun LIU1,2, Guoxiang WU1, Junfeng DU1, Huimin HOU1, Aijun LI1, Luming SHI1
0 p3 u. r8 B& h: ]8 X1. College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
7 w& r: `+ O, t6 v7 D7 L2. Shandong Province Key Laboratory of Ocean Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
✉ huajun@ouc.edu.cn
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8 T; A& q. D; N- D& O; c4 C; ^通讯作者
+ k2 E  J' \: U6 p3 v# P. M( o
李华军
中国工程院 院士
4 r7 x) F/ D  e6 S2 U$ J/ |# \中国海洋大学 教授
李华军，中国工程院院士。我国海洋工程著名专家，长期从事海洋工程结构与水动力学及安全防灾技术研究，围绕海洋资源开发的国家重大需求，在新型海工结构的设计施工以及安全运维领域做出了突出贡献，提升了海洋工程领域的理论与技术水平及重大工程实践能力。
8 I. a- K- V# M8 a1 y. E相关全球工程前沿
$ _( i0 L1 }2 Y* {# P$ [; J2023年度开发前沿：复杂极端海底环境下的原位观测技术与装备
海底原位观测主要是对海底沉积物、地质环境、海底界面层等动态变化资料数据进行采集、分析及表达，可广泛应用于海洋灾害预警、海洋资源开发利用，以及海洋生态环境保护、治理和修复等。海底地质条件、海底水流、风暴潮和地震海啸等复杂极端海洋环境，除了造成海底沉积物、地质环境、海底界面层等发生剧烈变化外，还影响海底原位观测系统的安全性、观测数据的精确性和信息传输的稳定性。主要技术方向包括：① 研发适应复杂极端海底环境、用于各种观测目的的高精度、高稳定性、长寿命的自主观测仪器；② 研发适应复杂极端海底环境的安全可靠的自主移动观测平台，扩展观测的空间尺度；③ 研发广域实时信息传输与精确时间同步的信息传输系统，建设大时空尺度智能控制海底原位观测网；④ 研发高能量密度、长寿命、高安全储能系统，为体系化、协同化、智能化海底原位观测提供可靠能源动力支撑。
6 Z+ e: h7 B2 K% \2020年度研究前沿：风-浪-流和地震作用下海洋工程结构与海床地基系统的耦合响应机理
2 G7 G5 O9 A: H0 K: A" W) t海港码头、防波堤、采油平台、海底管线、跨海桥隧、海上风电基础等海洋工程结构运行环境恶劣，安全风险大。在风、浪、流和地震等作用下，海床地基土体内孔隙水压力增加、有效应力降低，导致海床地基土体出现强度弱化、液化问题；同时波流作用也会使海床地基出现冲刷破坏。此外，动力荷载作用产生的结构运动也会引起海床地基内孔隙水压力和有效应力的变化，使海床地基承载力问题更加复杂。在风、浪、流和地震作用下海洋工程结构与海床地基系统的耦合响应机理，是海洋工程结构安全性和耐久性有待解决的关键问题。需研究解决的主要问题包括以下几方面：①在波浪、地震及结构运动等不同周期循环荷载作用下，不同海床地基土体（碎石、砂土和软黏土等）的强度弱化、液化机理及其演化规律；②考虑循环荷载作用下海床地基土体强度弱化、液化、液化后超孔压消散固结及再次液化过程的弹塑性本构模型；③在波浪、水流作用下，考虑渗流效应的不同海床地基（碎石、砂土和软黏土等）冲刷模型；④动力作用-海工结构-海床地基系统非线性动力分析的耦合数值模型及有效数值模拟方法；⑤动力作用-海工结构-海床地基系统承载特性研究的物理模型试验基础理论和试验技术。
$ m: `3 ]2 v& |" e4 o+ A2019年度开发前沿：海洋测量装备
海洋测量装备是测绘工程领域的开发前沿之一，为开展海洋地理空间要素测量工作提供了基础性支撑条件。海洋测量装备包括面向海底地形测量、海洋重力测量、海洋磁力测量、海洋地震测量等不同测量任务的专业测量仪器设备和搭载这些仪器设备的海洋测量平台。近年来，海洋测量平台从传统的船载平台向航天、航空、地面、水面、水下五位一体的多样化立体数据获取平台体系演化，自主水下航行器、无人水面飞行器、无人船以及与平台有关的定位导航设备、拖曳装置等附属设备是其中主要的技术方向，专利成果丰富。而对于专业测量仪器，新型传感器及其控制和数据处理技术是目前的主要技术方向，例如从单探头发展到多探头的地球物理传感器阵列和拖曳式海洋阵列传感器的几何形状控制方法等。
2018年度开发前沿：新型深水基础及缆索承重桥梁抗风
跨越海峡深湾的桥梁通常采用深水基础及大跨缆索承重桥梁相结合的技术方案。深水基础的构造形式和缆索桥梁的抗风措施是控制结构长期性能演化的关键因素。相关主要技术方向包括：深水基础时变力学行为分析及控制；深水基础波流作用下长期承载性能劣化分析及控制；深水基础冲刷特征分析及控制；近地边界层风特性及模拟；桥梁结构构件气动导纳识别；桥梁颤抖振精细化分析及控制；湍流涡脱形态分析及结构效应等。技术动态包括：碎石垫层沉箱基础冲刷机理及防护方法；带桩沉箱复合基础承载非线性振动特性分析及优化；吸力式基础长期承载沉降行为观测及优化；台风气候条件风场空间分布及非平稳抖振分析；不同来流下颤振主动控制分析及验证；大跨桥梁风致振动全过程模拟及气动极限研究等。
  a# E$ a% S& f7 u" Q4 v全球工程前沿全文报告下载链接：
https://www.engineering.org.cn/ch/journal/EngFronts

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信息来源：FrontCIVIL。