本文从当前海洋资源开发利用的需求出发，浅谈人类从近海迈向深远海进程中海洋工程发展所应关注的几个关键问题，包括：海洋水动力环境、近岸资源利用、深海资源开发、海洋环境保护、海洋工程装备研发等。

　　1. 海洋水动力环境

　　深入认识海洋水动力环境，是人类开展海洋资源开发、海洋灾害预警预防、海洋环境保护等活动的前提条件。

　　在近岸地区，河口径流、风浪、潮汐、风暴潮是主要的水动力要素。风浪、风暴潮的生成、演化及与其相伴随的质量、动量和能量输送是有关海床演化、海岸防护、灾害预警的重要基础科学问题。我国东南沿海经常遭受台风袭击，秋冬季寒潮经常过境黄渤海海域，台风和寒潮诱导的风暴潮在近岸可造成极端巨浪、剧烈增水或减水。对于海洋工程而言，需要特别关注伴随台风和寒潮的巨大风速和极端巨浪对海洋结构的破坏。巨大的风速可以直接摧毁海洋工程的上部结构，极端巨浪可以给水面和水下结构以巨大的作用力，风暴增水常造成沿海淹没灾害。

　　在近海和深远海，畸形波和内波易危害海洋结构物安全。畸形波可以发生在任意水深的海域，包括深水区、浅水区和中等水深区，也包括有强海流和无海流的海域。由于波高很大，畸形波对海洋工程结构物的作用力也很大，可导致结构破坏。在有强密度跃层的海域，内波活动频繁。海洋内波可造成鱼雷脱靶、潜艇掉深或失控等重大事故，还可影响海面下声的传播，垂向上的强剪切可引起湍流和垂向混合，所以内波可以影响海洋工程结构、海洋环流及营养盐垂向迁移。

　　2. 近岸资源利用

　　近海岸地区是人类赖以生存和发展最为重要的地带。为了适应经济社会的发展需求，人们在沿海建设港口、码头、航道、桥梁等近岸工程，发展航运和交通，或者开发滩涂、围海造地、围海养殖，发展沿海经济。

　　近三十年来，海上风电、波浪能、潮流能等可再生能源开发活动受到重视，这是我国实现“双碳”目标的重要途径。波浪能、潮流能开发还处于高效能装备的研发阶段，而海上风能利用技术已相对成熟。目前全球海上风电场建设正方兴未艾，我国也已建成东海大桥风电场、临港风电场、渤海菩提岛风电场等。目前，海上风电场主要建设在水深小于 50 米的浅水区，采用固定式基础支撑风机，如单桩结构、重力式基础、导管架平台、吸力桩基础、高桩承台结构等。对于水深大于 50 米的深水区，采用浮式支撑结构（如：单柱、半潜式、张力腿式基础等）更经济，浮式风机还处在研发阶段，今年 7 月我国在广东阳江已成功安装了全球首台抗台风型漂浮式海上风电机组，以开展示范应用研究。

　　海上风电机组所处的环境十分复杂，要受到风力、波浪力、海流力的作用，全生命周期的成本高，这使得海上风电场面临巨大的挑战。海上风电系统的设计既不能沿用陆上风电系统的设计方法，也不能借用海上油气资源开发平台的设计理论，因为海上风电与陆地风电和海上油气平台都有很大区别。因此，要积极稳妥地发展海上风电，既要研究陆上风电所涉及的气流与风机塔架、叶片的相互作用，也要研究海流、波浪、海冰对风机支撑结构的作用，还需研究支撑结构与海床土之间的耦合效应。对于浮式风电系统，水面浮体大幅运动及其与水下柔性锚缆耦合运动的研究对风机的生存安全和稳定运行至关重要。

　　3. 深海资源开发

　　近二十多年来，人类勘探、开发海洋资源的活动逐步向深海延伸。深海资源非常丰富，包括储存于海底深部岩层中的石油、天然气等流态（液态、气态）资源，以及成藏于海底深层的水合物和富集于海床表面的金属结核 / 结壳、硫化物等固态资源。

　　为了开发深海资源，人们提出了许多工程装备结构，如：张力腿平台、半潜式平台、Spar 平台、FPSO、超大型浮式结构（VLFS）、水下工作站等。除水下工作站外，其它浮式平台都是跨越从海底到海面全水深的结构系统，必须考虑结构系统与全水深流动环境的流－固－土耦合。

　　水面浮体与复杂恶劣海况的强非线性相互作用不可忽略。海洋波浪的非线性效应可导致浮体的平均漂移、低频振荡和高频振荡，平台慢漂水平位移往往很大，可造成作业困难、缆索或立管拉断，低频振荡和高频振荡可激励浮体的低频和高频共振，危害结构安全。水下小尺度构件（锚链、立管等）往往具有大长径比的结构特征，在深海条件下其柔性效应特别显著。当波浪或海流经过构件时，漩涡脱落会引起涡激振动，这是结构疲劳破坏的主要原因。对于立管，还必须考虑内流（油气或矿料与海水的固液两相流）的影响，内流的密度、速度、流态以及弯曲立管的内流力等都会对立管乃至全水深结构系统的水动力响应产生不可忽视的影响。结构的运动反过来也可改变内流的输运状态。因此，考虑内外流联合作用下结构系统的动力响应是深海资源开发工程必须解决的关键科学问题之一，一直是深海工程的研究热点。

　　水下工作站或空间站是人们为了深海资源开发而提出的一种新概念大型水下工作平台，可在水下长时间停留（或移动、或固定），可操控潜水器，高效率地完成深海科研、探测和作业等任务。与传统的海洋平台相比，水下工作站不受海面恶劣环境的影响，可以避免由此带来的一系列难题。但人们对水下工作站的研发还仅停留在起步阶段，目前还面临着许多困难，如动力方式的选择、耐压外壳的设计、水下对接技术、供电和供热模式、水下续航能力等等。水下工作站的研发亟待多学科交叉研究，涉及材料力学、水动力学、结构力学、能源与推进、操控与控制等，相关技术还远未成熟。

　　4. 海洋环境保护

　　海洋环境保护是人类可持续开发利用海洋资源的瓶颈问题。近岸和海床的地质与地貌环境、海水污染等已成为相关开发工程可行性的决定性因素。尽管海洋本身有着巨大的自然净化能力，但是这种自净能力是有限的，不能把海洋当成天然的“垃圾桶”，否则人类一定会遭到海洋严酷的“报复”。

　　近岸区的开发活动应保护好滩涂、湿地的生态环境，避免加剧海岸冲刷、水道淤积、盐水入侵等。自然条件下，易遭受极端波浪、风暴潮等海洋灾害的海岸带需要建设海岸防护工程，以防止海岸不被波流冲刷而破坏。岸线、地貌的长期演化也是海洋环境保护的重要方面。这些环境与工程问题都与近海岸波浪、潮汐、海流及其诱导的泥沙输运、海床演化密切相关。加强近岸泥沙运动力学的基础理论研究，可为近岸资源利用和环境保护提供基础理论和决策依据。

　　海洋油气资源开发与输运存在溢油风险，海上溢油对海洋生态环境的损害是灾难性的，原油泄漏会降低海洋环境质量，影响生物的光合作用及其生理生化功能，大大降低海水和海生物的栖息环境质量，危害海洋生物的生存和繁衍，不利于保护海洋生物的多样性。海底天然气水合物开发，一方面可能破坏海底的稳定性，进而引发海底滑坡甚至滑坡海啸，另一方面可能发生水合物分解的甲烷气体泄露而污染海水，进而破坏海洋生态环境。海底多金属结核 / 结壳、硫化物等矿藏的开发活动必然扰动海床，海底行走的集矿机或采矿车必然造成海底软泥悬浮，并长时间保持悬浮状态，海面采矿船处理矿料的尾矿排放也将长时间影响水体的透明度，因而恶化海生物的生存和繁衍环境，而且这种影响将是持续的，难以恢复的。

　　5. 海洋工程装备研发

　　随着人类开发利用海洋资源的活动从近岸逐渐向深远海迈进，海洋工程装备相应地从浅水起步，并不断向深海拓展。已有技术相对成熟的桩基式平台、坐底式平台、自升式平台、张力腿平台、半潜式平台及超深水船等，适应的水深从十米级逐步发展到千米级。大容量浮式风机也已看到应用示范的曙光。

　　然而，5000 米以深至万米级超深水海域的勘探、开发需求越来越紧迫，必须进一步开展装备创新研发。虽然水下工作站建设难度极大，不亚于甚至更甚于太空空间站，但因前景诱人，开展远期研发势在必行。近期应加强海上风能、海底矿藏、深海油气、水合物等资源开发装备的创新研发。

　　深海资源开发需要面对复杂海洋环境条件，对海洋工程设备提出了极高的安全性和稳定性要求，这是加快深海进入和开发必然面临的基础研究挑战，未来亟待加强如下基础科学和技术问题的研究：深海水动力环境、复杂结构系统的耦合响应、复杂装备的海试技术、勘探装备设计关键技术、水下传感器和关键元器件研发技术、水面和水下高速运载技术、资源开发方案论证技术、环境影响监测和评估技术等等。

　　6. 结语

　　深海进入、深海探测、深海开发势在必行，海洋工程的创新发展迫在眉睫。适应深远海开发需求的深海工程创新发展对于我国“双碳”战略、“双百”目标、国家安全都具有极其重大的战略意义。

　　深海进入、深海探测、深海开发的紧迫需求为海洋科学与海洋工程技术提出了新的机遇与挑战。对于我国科技界，当前迫切需要加强相关前沿基础科学问题的研究，提升科技自主创新实力，以支撑我国深海工程装备建设的重大需求，增强海洋强国建设的驱动力。

周济福，研究员，中国科学院流固耦合系统力学重点实验室。研究领域：1）环境流体力学；2）泥沙运动力学；3）河流动力学；4）河口海岸动力学。

段金龙，特别研究助理，中国科学院流固耦合系统力学重点实验室。研究领域：1）立管涡激振动；2）海洋结构物动力响应。