外海大型沉管浮运安装气象海洋作业窗口选择

尹朝晖，林鸣，王彰贵，尹海卿，黄焕卿，潘丰，李本霞

（1.国家海洋环境预报中心，北京 100081；2.港珠澳大桥岛隧工程项目总经理部，广东 珠海 519015）

0 引言

外海沉管隧道可以给交通带来极大的便利，但是由于沉管的运输和沉放安装都在海上进行，容易受到气象、海浪和海流环境影响。为了保障施工安全，沉管的浮运和沉放必须在一定的气象、海浪和海流限制条件下连续进行，需要准确的气象海洋窗口。

在厄勒海峡沉管隧道建设中，瑞典气象和水利部（SMHI）和丹麦气象所（DMI）依托欧洲中期天气预报中心的业务化天气和海洋预报为施工区提供常规预报产品[1]。韩国釜山—巨济沉管隧道工程中，当地气象局提供常规的天气预报[2]，此外，DHI开发了海浪预报模型进行波浪预报，用于支持隧道施工作业[3]。日本大成建设公司在博斯普鲁斯海峡隧道施工过程中委托美国俄勒冈大学开发了作业窗口保障系统，以确定作业窗口[4-5]。

我国建成的沉管隧道工程中，广州珠江隧道建设中进行了长期水文观测，绘制水位过程线，为选择浮运沉放时段提供参考[6]；上海外环隧道施工前一天制定施工窗口，选择平潮后1.5～2 h开始沉放[7]；天津海河沉管隧道施工期间，当地气象部门提供基础的气象预报，以选择最佳浮运、沉放和对接时间[8]；舟山沈家门隧道建设中也提出了管段沉放浮运窗口的概念，根据当地潮汐特征选择小潮期施工，在沉放作业前12 h根据最新资料确认窗口，在作业前2 h复核窗口[9]；南昌红谷隧道建设过程中，韩建坤[10]采用相应水位（流量）法和合成流量法来预测施工现场的水位和流量，之后用MIKE软件建立二维模型，预报河道内的流场分布。

上述沉管隧道大多地处内河或者河口，受河流水位、水流和潮汐影响，主要基于经验和统计预报，或者平面二维模型预报选择施工窗口。港珠澳大桥沉管隧道位于开敞的伶仃洋海域，受径流、海上大风、海浪和海流综合影响，台风、强对流高发[11-12]，由于工程规模大，施工工艺复杂，施工周期长，必须在施工前两个星期确定施工窗口，而且时间精度要准确到小时[13]。传统的经验和统计预报很难满足上述要求。

1 港珠澳大桥沉管浮运安装气象海洋作业窗口保障系统

根据宁进进等[14]提出的港珠澳大桥沉管浮运安装的最终气象海洋作业窗口限制条件，每次浮运安装周期为48～72 h，要求在此期间气象海洋环境连续满足限制条件。

港珠澳大桥岛隧工程区域南北仅为12.5 km，东西仅为6.5 km，施工计划精确到0.5 h，目前的气象、海浪和海流业务化预报都侧重区域的大面预报，空间分辨率最高只有1/10°，时间分辨率为天或半天，空间和时间上都不能解析沉管浮运安装不同海域的气象海洋条件和精细化施工的需求。

为适应现场精细化施工时间管理的需求，针对港珠澳大桥沉管浮运安装的小区域建立了精细化气象海洋实时观测和数值预报系统。

1.1 精细化气象海洋实时观测系统

气象海洋实时观测系统包括2个自动气象站，1个波潮仪和4个浮标（图1）。其中2个自动气象站分别架设在靠近沉管浮运的起点——牛头岛沉管预制场和靠近沉管隧道的西人工岛上。气象观测要素包括10 m风速风向、能见度、2 m气温、海表皮温、2 m相对湿度。观测频率最高为6 s，可以捕捉到瞬时的气象变化。

图1 观测站点位置图Fig.1 The observation position

波潮仪布放在距沉管隧道北侧500 m的平台上，观测要素包括潮位、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，其中潮位的观测频率为1 min，波浪要素的观测频率为30 min。

4个浮标分别布放在坞口、榕树头航道和靠近沉管隧道南北两侧4个沉管浮运安装的关键位置上。观测要素包括1～14 m各层流速流向、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。其中波浪要素的观测频率为30 min。通常海上观测海流的采集周期为1 h或30 min，为捕捉短时海流变化，将海流的采集周期缩短到5 min。

1.2 小区域精细化数值预报系统

1.2.1 精细化气象数值预报

小区域精细化气象预报包括月预报、10 d预报和5 d预报3个部分。

月预报基于统计方法和相似方法，在多年海洋气象数据库、气候背景分析的基础上，根据施工前几个月全球海洋大气异常特征，利用短期气候预测方法预测施工区域高影响天气系统发生概率。预报产品侧重于台风个数、影响概率、季风等灾害性气象事件的预测。为工程决策提供高影响天气系统的发生概率。

10 d预报基于延伸期预报方法，首先，将国内外预报效果较好的多家数值模式，提取施工区定点天气要素，利用集合预报方法，给出天气系统的过程预报（如冷空气大风发生时间段、强度）；再次，将窗口期天气系统与历史同期相似过程进行对比分析，加入局地地形影响和日变化因素，以细化、订正天气系统过程预报的影响时间、强度；最后，由经验丰富、水平较高的预报员团队利用天气学演变规律进行会商讨论，跟踪、调整天气系统的过程预报。

5 d预报基于目前最成熟的WRF天气数值预报模式，通过多重网格嵌套和资料同化，建立施工海域高分辨率、高精度的气象业务化数值预报系统，每天预报2次，每次预报5 d。预报产品包括海面10 m风速、风向、温度、相对湿度、降水、海平面气压等。

1.2.2 小区域精细化海浪预报

小区域海浪预报采用第三代浅水海浪模式SWAN。波浪计算范围的大小考虑工程区波浪的性质，并能反映波浪从产生、传播到消亡的整个过程。采用三重网格嵌套技术实现小区域精细化预报，其中大区计算范围包括南海大部，范围是110°E—118°E，16°N—24°N，空间分辨率为 2′×2′；中区覆盖整个珠江口，范围是112°E—115°E，21°N—23.5°N，空间分辨率为500 m × 500 m；最内部小区域为大桥工程所在区域，范围是113.49°E—114.1°E，21.74°N—22.44 °N，空间分辨率为100 m×100 m。海浪计算的驱动风场采用上述小区域精细化天气数值预报提供的高分辨率风场。

海浪预报每天业务化运行1次，预报时效为5 d，预报内容包括最大波高、最大波周期、有效波高、有效波周期和波向等，提供整个施工海域海浪的空间分布和关键点海浪要素随时间变化的预报产品。

1.2.3 小区域精细化海流预报

小区域精细化海流预报包括潮流月预报和海流5 d预报2个部分。

潮流月预报提供1个月的潮位、潮流流速流向预报。

海流5 d预报采用ROMS海流模式建立业务化预报系统。模型的区域范围是 113.35°E—114.21°E，22°N—23°N，水平采用正交网格，分辨率为 1/600°×1/600°（约为 200 m×200 m），垂向分为10个σ层。本模型的潮汐开边界数据采用俄勒冈大学OTIS全球潮汐模型提供的9个分潮（M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1，M4）调和常数。河流开边界为虎门、蕉门、洪奇门和横门，径流量采用珠江主要干流实时的观测资料。海面风应力、辐射、降水等强迫场由上述精细化数值天气预报提供。

小区域精细化海流预报每天业务化运行1次，预报时效为5 d，预报内容包括各层海流流速流向等，提供整个施工海域海流的空间分布和关键点海流要素随时间变化的预报产品。

2 气象海洋窗口选择

鉴于施工海域1个月中有2个小潮期，在此期间潮差最小，相应的潮流最小。首先基于小区域长历时的气象月预报和潮流月预报，结合施工前期基床铺设等准备情况，选择其中1个小潮期的3 d作为预计可以作业的窗口。施工开始前一个星期左右，依据预报时效为10 d的天气预报产品，分析之前选择的作业窗口是否有台风等大的灾害性天气系统影响，在排除了灾害性天气系统影响之后，确定作业窗口。施工开始前3 d，基于预报时效为5 d的小区域精细化气象、海浪和海流预报，选择最有利于施工的最佳窗口和备用窗口，制定作业计划，作业计划时间精度精确到0.5 h（图2）。下面以2016年安装的E26管节为例介绍沉管浮运安装作业窗口的整个选择过程。

图2 气象海洋窗口选择方法Fig.2 Methods for selecting the meteorological ocean windows

施工前15～20 d：2016年4月下旬开始做5月份的沉管安装计划。4月26日，根据潮汐潮流月预报（图3），2016年5月有2个小潮期窗口，分别为5月12—17日和5月27—30日，这2个小潮期窗口潮差最小，而且上层10 m平均流速也都在0.8 m/s以下，符合沉管浮运的海流限制条件。从2个窗口对比来看，前者的潮差更小，流速更小，优于后者，特别是13—15日，流速都在0.6 m/s以下，最适合施工。此外，基于短期气候预测和统计方法制作的施工海域5月天气和海洋预报，预计5月西北太平洋和南海海域有0～1个热带气旋生成，没有热带气旋在我国登陆，同时依据海洋及大气环流形势，预计5月上半月无热带气旋生成；预计5月份冷空气势力进一步减弱，有4次5级大风过程，伴有轻到中浪；同时，华南沿海海雾趋于结束，雾区北移，多雾中心移至台湾海峡以北。综上预计5月上半月无热带气旋生成，无6级以上大风，而且海雾趋于结束，从3个方面来看5月13—15日的气象海浪条件也符合施工要求。

图3 2016年5月潮位和潮流预报结果Fig.3 Tidal elevation and tidal current forecast in May 2016

施工前10 d：基于延伸期预报方法，预计上述窗口期内施工区无台风编号生成；预计施工区主要受西南低涡和弱冷空气回流影响，12日有偏东风5级，15日有偏北风5级。基于上述预报结果，确认5月13—15日的窗口不会有超过限制条件的气象海浪过程，符合施工条件，而且从风速来看13—14日的条件最好。确定作业窗口后就需要制作精细化作业计划表，由于牵扯到多个工艺流程，而且每个流程之间要做到有序衔接，作业计划表要精确到0.5 h，因此也需要精确到0.5 h的精细化气象海洋预报，特别是海流预报的提供依据。

施工前2～3 d：5月11日施工前2 d的决策会上，根据5 d的精细化气象海洋数值预报结果进一步确认了窗口期间的气象海洋情况。此外，精细化海流预报结果（图4）显示，5月13—14日有2个合适的沉管浮运窗口，分别是5月13日06∶00—16∶00和 5月 14日 07∶00—17∶00，期间整个浮运航道内流速都在0.6 m/s以下，综合考虑之后制作了图5所示的作业计划表。

图4 2016年5月11日0时—16日0时浮运航道流速流向预报结果Fig.4 The forecasting of current speed and direction in floating channel between 11-16 May 2016

图5 E26管节浮运安装工艺计划图Fig.5 Process planning sketch of E26 floating transportation and installation

从2013年5月开始，从选择到确定作业窗口，这套系统保障了港珠澳大桥岛隧工程E1～E33历次沉管和最终接头的浮运安装，取得了零失误的保障成绩。

3 结论与讨论

基于目前成熟的气象海洋数值预报技术建立的沉管浮运安装气象海洋作业窗口保障系统，可以有效保障从选择作业窗口到制定作业计划的整个过程，使得精细化作业和管理成为可能，并且在施工当中得到了充分检验和验证[15-16]。

本文在之前发表的研究结果基础上，利用气象海洋数值预报技术，开发了从月到10 d和5 d的不同时效预报产品，可以更好地满足外海大型沉管浮运安装对作业窗口预报的时效性要求。

本文介绍的相关技术和经验可以推广应用到更多高空、深海等大型工程气象海洋环境保障中，可以保障工程建设的顺利实施，控制施工风险，保证工程质量。并已获得一批自主知识产权科技成果，对于推动交通行业技术进步、提升行业自主创新水平具有重要意义。