国家海洋环境预报中心服务保障港珠澳大桥建设纪实

作者:本报记者 高 悦  来源:www.w88top.com   发布时间:2017-12-26 10:17:17   [打印本页] [关闭窗口]

  2017年5月2日,伶仃洋海域,清风习习。“振华30”船劈波斩浪,抵达预定地点。

  这个由我国自主建造庞然大物,长度近300米、宽度58米、排水量接近28万吨,是世界上最大的起重船,体量甚至超过了所有现役航空母舰。它将完成一项世界瞩目的工程——港珠澳大桥最终接头安装。

现场观测团队观测实时海流情况

  建设方要将重达6000吨的最终接头准确地插入海底,完成港珠澳大桥海底隧道的贯通。6000吨的最终接头,重量相当于22架空客A380飞机,整个吊装过程对气象条件要求特别高,船体发生任何倾斜都将是灾难性的。

  凌晨5时50分,安装正式开始。“振华30船”吊臂缓缓移动,工人们把吊带连接在最终接头上。最终接头能否精准嵌入安装基槽,需要“振华30”船保持绝对平稳,每个操作步骤都要精确到厘米。

现场预报团队报告最新天气海况形势

  过去4年,建设方已经成功安装了33根沉管,但都只需要单侧对接。而这根最终接头,不仅要完成双侧对接,水下安装余量也仅有十几厘米。即使水面风平浪静,海底涌动的洋流也会形成巨大推力。

  经过昼夜不停连续17个小时的海上作业,最终接头精准着床。港珠澳大桥主体工程全线贯通,数万名工程师与工人,将人类桥隧技术推向了新的高度。

  没有更多的欢呼和庆功。对于追求“零误差”的建设方来说,“命中”是正常的。但很多人并不知道,一次又一次的“零误差”背后,是预报保障团队一双双充满血丝的眼睛。为了寻找最佳的“施工窗口”,国家海洋环境预报中心(以下简称预报中心)进行了长期观测,建立了合拢口仿真系统并开展了大量数值模拟计算,为最终接头顺利安装提供了科学依据。

  7年来,预报中心为大桥建设定制精准预报,在变幻莫测的伶仃洋上,屡助建设方抢抓“施工窗口”,成功保障了大桥海底隧道33根沉管安装,并相继研发了基槽泥沙精细化数值预报系统、大径流模拟误差订正技术以及异常长周期波预警系统。这些新技术和新方法的应用,有效保障了港珠澳大桥沉管隧道的成功安装,还填补了相关海洋研究领域的多项空白。

  肩负起中国海洋人的责任使命

  港珠澳大桥全长55公里,是目前世界上最长的跨海大桥。它连接的不仅仅是粤港澳三地,未来因它而联通的5.6万平方公里的区域,将是继东京湾区、纽约湾区、旧金山湾区之后,世界经济版图上又一个闪耀的经济增长极。

  这个超级工程,堪称世界桥梁建设史上的巅峰之作。在它身上,凝结着过去数十年中国桥梁设计、施工、材料研发、工程装备等各项成果。完成这一举世瞩目的重任,需要最专业、最前沿的工程知识与技艺。当今世界只有极少数国家拥有外海沉管建设核心技术和服务保障经验,港珠澳大桥建设前,我国在此领域的技术积累几乎是空白。

  刚开始,建设方寻求了外国公司的帮助。港珠澳大桥岛隧工程项目总经理兼总工程师林鸣曾带着工程师到丹麦考察,想请具有此类工程保障经验的丹麦水利研究院为大桥提供海洋环境预报保障服务,可是高达1.2亿的欧元要价大大超出预算,他们只能望而却步。

  “难道中国就没有相关机构能完成这项任务?”回国后,林鸣经过多方了解,找到了预报中心,询问合作的可能性。

  作为我国从事海洋环境和海洋灾害预报警报、科学研究和咨询服务的国家级权威机构,预报中心具有丰富的海洋环境预报、海洋灾害预警报经验,承担过海洋石油平台、极地考察、大洋科考、蛟龙号下潜等的保障工作。

  林鸣的想法很快“落地”。面对这个世纪工程,预报中心迎难而上。“2010年,港珠澳大桥开工在即,中心领导对我说,这个任务找到我们,作为国家单位,我们有责任、有义务为此做出贡献。”预报中心总工程师王彰贵回想起当时情景,依然历历在目。

  经过严格的招投标程序,预报中心接受了港珠澳大桥岛隧项目部的请求,承担对接窗口保障系统的研制任务。为此,预报中心成立了由经验丰富的预报科研人员组成的预报保障团队,中心领导亲自挂帅,总工程师全程现场指挥。

  2011年,预报中心与港珠澳大桥岛隧工程项目总经理部签订合作协议。2012年,预报员进入施工现场,开展风浪日常业务化预报。

  当初,摆在面前的第一道大难关就是:缺乏观测资料。“珠江口外海海底深槽里的海流分布状况,国内外研究均为空白,许多深海环境状况有待调查观测。”王彰贵说,港珠澳大桥带给预报团队的难度是前所未有的。“从来没有一项工程对环境预报的要求如此精细、预报时间如此长、规模如此浩大。”

  接手任务后,预报中心从零开始,立即为岛隧工程区建立了高分辨率海洋环境预报保障系统,整个系统由观测、预报等7个分系统组成。其中,实时观测分系统在现有的海洋气象观测站的基础上,又增设了气象、海浪和海流多个测点,建立了大桥岛隧施工区水文气象实时监测网。

  捕捉施工窗口“零误差”

  港珠澳大桥这段五六公里长的海底隧道,是由33节沉管一一对接而成,单个标准管长180米、宽38米、重达8万吨,体量相当于一艘航空母舰。这8万吨的大家伙在大海中长距离浮运,并在50米的海底进行精确对接难度好比“海底穿针”。建设方给这些沉管标上了序号,从E1到E33。

  在伶仃洋,一年中台风、大雾、寒潮等季节性极端天气有时多达200天,预报难度大。每一节沉管安装施工工期约10天,工程保障需要15天的预报。如此长的预报要求,远远超过当前业务预报的能力。此外,在关键施工环节的作业窗口内,还要求预报时间误差不超过半小时、海流误差不超过每秒0.1米、海浪误差在0.1米左右,预报精度要求很高。

  施工过程中,一个0.1米的误差有时就会决定沉管安装的成败,因此必须选择一个风平浪静、海流舒缓的时间段,即“窗口期”,预报团队的任务就是要给每一节沉管专门订制一段浮运、安装的精准作业时间。

  “对一般预报而言,准确率达到70%——80%就比较好了,有20%——30%的误差也属正常。但对港珠澳大桥岛隧工程的保障,这个误差值是不能被接受的。我们的预报精确率必须要做到‘零误差’”。王彰贵说。

  2013年5月2日,根据预报团队提供的施工窗口,首节E1沉管从预制场出发,由8艘拖轮逆流拖运,根据预测的流速、流向,不断变换拖拽角度和拖力大小,保持沉管安全平稳抵达预定地点进行沉放。沉放过程中,由于岛头挡流堤对海流的阻挡,泥沙在铺设平整好的基槽上淤积,给首节沉管安装带来了意想不到的困难。由于建设方对各种风险做了详细预案,首节沉管顺利完成对接。但是原计划24小时的作业,最终用了90多小时才完成。

  从此,为进一步保证预报的准确性,预报中心制定了详细的预报流程规范。总结分析过去30年间同期施工海域的气候背景、主要天气系统;施工前组织多次天气及海况会商,对施工期间的风、浪、流情况进行预判;结合各个施工环节对风、浪、流的要求,提供“施工窗口”,确保施工环境安全。通过近一年的实践,预报团队技术不断成熟,海浪预报结果误差在0.2米以内,表层海流流速的平均误差每秒0.1米,首次实现了外海小区域长历时高精度作业窗口预报,预报准确度完全满足施工要求。

  2014年是拉尼娜年,台风频发。E11、E13两个沉管安装时均遭遇了两次台风夹击。当时,E11管节施工恰好遇上了超强台风“威玛逊”和“麦德姆”前后夹击,预报保障团队紧紧抓住了两次台风之间短短5天的“施工窗口”,准确给出预报意见,有力保障了管节顺利施工。在沉管E13出坞前,预报保障团队认为台风“海鸥”不会对施工造成重大影响,并准确分析紧跟其后的台风“凤凰”的发展趋势,再次给出了两次台风之间的“施工窗口”,确保了E13沉管施工完成。

  2016年,E33沉管安装又遭遇了新的问题。当时,台风就在施工海域外200多公里处原地打转,此时如果避风停工,则存在基槽泥沙淤积和台风对东人工岛封门的风险,有可能使工程延迟几个月。王彰贵带领现场预报保障团队,经过再三研判认为:“外围有影响,最大阵风6级,平均风力5级。”5级风,意味着可以施工。2016年10月7日——8日,在台风外围,E33管节顺利安装,创造了200公里外台风移动下开展沉管安装的施工奇迹。

  “一般情况下,预报会偏保守,遇到这种情况就会建议放弃施工。”回忆起数次与台风较量的经历,林鸣依然激动不已,言辞之间充满了对预报保障团队的钦佩,“当时我也挺害怕的,万一台风突然往这边跑怎么办,事实证明,预报结果非常准确,这不仅需要担当,更需要水平。”

  “倒逼”出来的科研成果

  强对流、异常波、大径流、泥沙回淤、深槽大流速……随着沉管安装的深入,预报保障团队不断遭遇棘手问题。7年来,预报中心用科学的方法和技术创新逐一破解难题,开发了一系列专业的预报保障系统,有效提高了海洋预报的服务能力。

  从E9沉管开始,安装水深超过了40米,槽深达到25米。按照海流的一般规律,表层流最大,越接近海底,海流越小。但预报保障团队经过对海流数据的分析和观测发现,在一些时间槽底存在大流速的现象。深槽海流过大,会对沉管安装造成重大影响,施工装备拉不动,稳不住,停不了,很容易使沉管碰撞损坏。

  为了避免发生意外,必须抓住海底海流最小的时机,这对预报保障提出了更高的要求。预报中心及时开发出基槽区高分辨率三维海流预报系统,可提供深槽水平分辨率5米、垂直分辨率1米、时间分辨率半小时的三维海流预报,能够更精确地确定“施工窗口”,进而降低了沉放风险。

  从E11管节开始,预报中心又增设了新的保障团队,随船开展海流、盐度、浊度实时监测和海流临近预报,把海面到施工海底每1米的海水流速,从原来每两个小时的预报和实时监测,提升为1分钟监测和5分钟预报,为施工决策提供面对面技术支持。

  安装过程最曲折的当属E15沉管。伶仃洋是一个宽而浅的喇叭口海湾,汇集了珠江的来水来沙,这种大径流现象给海流预报造成很大困难,泥沙回淤问题更是沉管隧道工程中面临的最大难题之一。由于泥沙回淤导致E15沉管3次浮运、两次被迫返航。

  针对这一现象,预报中心及时总结经验,基于风、浪、流、泥沙数值模式及耦合技术,研制了基槽泥沙精细化数值预报系统,在大型计算机上实现了逐日基槽泥沙回淤的高精度预报,给后来的安装增添了安全保障。

  异常波也是沉管安装过程中遇到的突发问题。在E21沉管安装过程中,遭遇了海水异常波动,沉管的安装难以掌控,给施工安全带来了严重影响。经过对施工海域长时间的观测,预报保障团队找到了异常波的发生和传播规律,建立了由波潮仪和浮标组成的异常波预警系统,可提前15分钟提供预警信息。

  “不要小看这15分钟的预警,有了它我们就有底气。”在林鸣看来,如果没有预警,一旦施工中遭遇异常波,沉管在海面上摇摆不定,极容易发生事故。“如果不是和预报中心合作,工程还不知道要在这些困难中摸索多久。”

  “服务保障港珠澳大桥建设的过程,也是预报保障团队不断解决问题的过程,许多科研成果都是被问题倒逼出来的。”王彰贵说,预报中心相继研制了深基槽沉管对接保障系统、外海深槽管节沉放对接保障系统、异常波预警系统、基槽泥沙精细化数值预报系统,取得了一系列新的科研成果,为更好地服务保障重大海洋工程建设奠定了技术基础。

  艰苦奋斗铸就预报杰作

  94人参与和投入港珠澳大桥预报服务保障工作,约占预报中心职工数的1/3;驻现场预报员中有8人超半年时间,有的甚至超过660天、800天;海上观测有10人超100天,其中两人超200天;截至今年8月31日,发送预报保障产品9026份,平均每天发送4.5份……梳理一次次任务,其背后凝结着预报保障团队每个成员的无私奉献。

  “预报允许有误差,但服务保障大桥建设不能有偏差,而且这也是实现人生价值的难得机会,需要倍加珍惜。”今年58岁的王彰贵总是这样勉励团队的年轻人。在他看来,服务保障港珠澳大桥建设不仅是一份工作,更是一份事业。

  从2014年起,几乎每一次沉管出海沉放,王彰贵都会坚守在施工一线。随着沉管安装的持续进行,工程对海洋环境预报的依赖程度也与日俱增,王彰贵深感肩上的担子越来越重。起初,预报只是作为安装工程的参考。后来,预报数据成为沉管安装的决策依据,每次沉管安装,建设方都要等待王彰贵给出“施工窗口”。林鸣多次对王彰贵说:“你在船上,我就踏实。”

  有一次,王彰贵因公去加拿大交流,正巧赶上一个沉管安装,驻现场预报员下午4点时接到了王彰贵的电话,询问安装情况。可这时正是加拿大的凌晨4点,原来他一直没有休息,即便远在国外,依然始终关注着施工进展。

  现场预报保障团队的尹朝晖亲身经历了岛隧工程海洋环境保障系统从无到有的整个过程,让他记忆深刻的是解决基槽底部大流速问题的攻关。2014年6月,预报保障团队发现和提出了基槽底部大流速问题,必须要在7月20日E11沉管安装前解决。这意味着在短短1个月内需要完成资料分析、仪器准备和调试、前期观测、预报系统搭建和检验改进、业务化运行等工作,而这通常需要半年甚至一年才能完成。

  面对艰巨的任务,尹朝晖和同事们经常是白天设计方案,晚上调试仪器、编写软件,第二天继续测试改进。经过夜以继日的奋战,预报保障团队在不到1个月时间内就建成了包括实时观测和预报的沉管对接保障系统,有效保障了沉管的顺利安装。“回顾那段经历,让我深刻感受到了‘及时、准确、开拓、奉献’的预报中心精神。而这种精神是在实干中体现出来的。”尹朝晖说。

  同事姜亦飞也有相似经历。当时姜亦飞正在现场参加24小时强对流保障,已经连续值了3天夜班。突然接到通知,马上进行最终管节海流观测,他和同事汪雷又马不停蹄地去整理调试仪器设备,现场没地方休息,累了只能在地板或板凳上凑合一下。早晚温差大,夜里冷了,他们就靠救生衣取暖;白天很热,他们还必须穿着救生衣作业。救生衣干了又湿,湿了又干。在这种环境下,他们一干就是3天。

  团队中的女队员也是“巾帼不让须眉”。黄焕卿主要负责气象预报,从首个沉管开始到最终接头成功对接,她在现场完成了18根沉管的天气预报保障工作。对她来说,已经记不清有多少个昼夜值守在营地值班室,监视着实测数据,查看最新的云图和雷达图,每两个小时或是更短的时间就要汇报一次最新的天气动态。工作之余,黄焕卿有时会调侃自己:“气象预报员的幸福指数,是与能见度呈正比的。天气好,预报压力小,心情自然也好。”

  其实,预报保障团队中像黄焕卿这样默默奉献的人还有很多,已经退休的老预报员周连翔克服高血压等身体不适,在现场保障沉管达25根;预报员李洁累计驻现场达800天,并创下了1年当中9个月的值守纪录……

  王彰贵说,港珠澳大桥岛隧工程环境保障是预报中心成立以来承接的难度最大、时间最长、投入人力最多的项目。团队凭借及时、准确的预报,开拓、奉献的精神,获得了业主和建设方的高度肯定,表明了预报中心已具备为重大涉海工程提供海洋环境预报保障的综合能力。

  曾经,我们面对伶仃洋望洋兴叹。如今,我们实现了用最短时间跨越港珠澳三地。港珠澳大桥工程创造了世界奇迹,也标志着我国海洋工程环境预报保障技术达到世界领先水平。