《自然科學(xué)基礎(chǔ)》第二十三章

海洋技術(shù)簡(jiǎn)史日新月異的海洋技術(shù)01海洋技術(shù)的歷史與發(fā)展人類利用海洋已有幾千年的歷史。17世紀(jì)20年代至20世紀(jì)50年代，一些沿海國(guó)家開始開采海底煤礦、海濱砂礦和海洋石油。1957年海洋研究科學(xué)委員會(huì)（SCOR）和1960年政府間海洋學(xué)委員會(huì)（IOC）的成立，促進(jìn)了海洋科學(xué)的迅速發(fā)展。美國(guó)核潛艇“鸚鵡螺”號(hào)1950年從冰下穿越北極，美國(guó)的潛水器“迪里雅斯特”號(hào)1960年曾深潛到10916m的海洋深處，這表明海洋的任何部分都能被人類所征服。但是，1960年美國(guó)潛艇“蝎子”號(hào)和1963年“脫粒機(jī)”號(hào)失事，全體乘員喪生，又從反面證明海洋環(huán)境仍然是難以掌握的。事實(shí)上，從技術(shù)的角度來說，人類在深海海底上行走并不比在月球上漫步容易。1．在海底行走并不比在月球上漫步容易

20世紀(jì)60年代以來，海洋科學(xué)中所有的重大進(jìn)展都與新的觀測(cè)儀器、研究手段和方法的研制成功，以及廣泛而密切的國(guó)際合作有關(guān)。同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類對(duì)海洋資源及其環(huán)境的認(rèn)識(shí)有了進(jìn)一步的提高，海洋工程技術(shù)也有了很大發(fā)展，海洋開發(fā)進(jìn)入到新的發(fā)展階段。2．海洋觀測(cè)與開發(fā)推動(dòng)海洋技術(shù)發(fā)展

海洋科學(xué)技術(shù)也稱海洋工程，是一門以綜合高效開發(fā)海洋資源為目的高技術(shù)，其內(nèi)容主要包括以下五個(gè)方面。（一）海洋科學(xué)技術(shù)1．海洋觀測(cè)（監(jiān)測(cè)）技術(shù)2．海洋油氣勘探開發(fā)技術(shù)3．海水綜合利用技術(shù)4．深海技術(shù)5．海洋農(nóng)牧化技術(shù)海洋開發(fā)技術(shù)是海洋技術(shù)的一個(gè)分支，是人類進(jìn)行海洋開發(fā)，實(shí)現(xiàn)海洋實(shí)際價(jià)值所采取的手段的總稱，它是海洋開發(fā)吸收和消化各種現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、通用技術(shù)，使之適應(yīng)海洋這個(gè)特殊的環(huán)境而形成的。（二）海洋開發(fā)技術(shù)

海洋開發(fā)技術(shù)主要包括海洋資源開發(fā)技術(shù)（包括海洋生物資源捕撈和養(yǎng)殖技術(shù)，海水中各種有用物質(zhì)的提取技術(shù)，海底礦物資源的開采和波浪、潮汐、溫差等海洋能的利用技術(shù)）、海洋空間開發(fā)技術(shù)（包括實(shí)現(xiàn)高效益海洋運(yùn)輸，建造海上石油平臺(tái)、機(jī)場(chǎng)、人工島，鋪設(shè)海底電纜、輸油氣管道，建造海底倉(cāng)庫(kù)、基地等）和海洋服務(wù)技術(shù)（包括進(jìn)行海底作業(yè)和考察的潛水服務(wù)，預(yù)報(bào)海浪、海溫、潮汐、風(fēng)暴潮和為航船選擇最佳航線的海洋預(yù)報(bào)技術(shù)，防止污染的海洋環(huán)境保護(hù)技術(shù)）三個(gè)方面。海洋蘊(yùn)藏著豐富的資源海洋資源的開發(fā)利用02海洋資源占地球表面積71%的海洋是地球上最大的沉積場(chǎng)所，是水生生物最廣闊的生活場(chǎng)所，也是個(gè)巨大的資源寶庫(kù)。海洋資源主要是指與海水本身有直接關(guān)系的物質(zhì)、能量和海洋底部的礦藏，如海水中的礦物、海洋生物、海底礦藏、海水運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的能量和儲(chǔ)藏在海水中的熱量，以及隨著旅游業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的海洋旅游資源等。1．礦物資源天然氣和石油是迄今人類開發(fā)利用的最主要的海洋礦物資源。近些年人們所發(fā)現(xiàn)的“可燃冰”（見圖23-1）其實(shí)是水與天然氣相互作用形成的晶體物質(zhì)，在學(xué)術(shù)上稱為“天然氣水合物”，是天然氣（甲烷類）被包進(jìn)水分子中，在海底低溫與壓力下形成的透明結(jié)晶。據(jù)測(cè)定，1m3固體“可燃冰”可釋放出約200m3甲烷氣體。海底還存在著大量的錳結(jié)核。海淀砂礦中含有大量的貴金屬和寶石砂礦，如金、金剛石等。海水中含有大量的鹽類，例如人們所吃的食鹽，海水中的含量約為4億億噸。圖23-1可燃冰2．生物資源據(jù)統(tǒng)計(jì)，海洋中大約有20萬種生物，其中魚類大約16000種，占全世界魚類的50%以上，但海洋魚類產(chǎn)量占全球魚類產(chǎn)量的80%以上，是海洋生物資源的主要組成部分。海洋生物中數(shù)量最多的是植物，主要是一些藻類，如海帶、硅藻、甲藻、金藻、藍(lán)藻等。海洋不僅為人類提供食品、能源和礦產(chǎn)，而且是人類未來的大藥房。3．動(dòng)力資源潮汐是海水的一種周期性的漲落現(xiàn)象?！俺薄敝赴滋旌Ｋ蠞q，“汐”指晚上海水上漲，不過通常我們往往將潮和汐都叫做“潮”。這種壯觀的現(xiàn)象其實(shí)蘊(yùn)藏著巨大的能量，潮能為每秒10億千焦耳，年潮能總量約為87000億千瓦時(shí)。海水溫差也可以發(fā)電，海洋表層水溫可達(dá)20～30℃，但深層海水的溫度則接近零攝氏度。除此之外，潮流、海流、海水濃度差、海水壓力差都蘊(yùn)藏著巨大的能量。4．其他資源隨著旅游業(yè)的發(fā)展，濱海沙灘、海島、海水中的奇形怪狀的魚類和各種各樣的動(dòng)植物、繽紛多彩的海底世界等已成為重要的海洋旅游資源。海洋作為地球上最大的水體，是重要的航道。由于水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展，沿岸淺水區(qū)和灘涂已成為重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖資源。海灣是建設(shè)港口的重要資源。（一）海洋石油開發(fā)1．海洋石油開發(fā)的主要特點(diǎn)（1）海洋地球物理勘探技術(shù)和裝備與陸地截然不同。（2）海上鉆勘探井和開發(fā)井必須采用專門的鉆井平臺(tái)（船）、大功率的海洋鉆機(jī)，以及船體升沉平移運(yùn)動(dòng)而保持船位與鉆壓的專用鉆井水下與水面設(shè)備。（3）海上采油與集輸都需要適應(yīng)海洋的特殊環(huán)境，采用與陸地差異很大的高技術(shù)性能的采油、集輸工藝和裝備。（4）海上鉆井、采油作業(yè)者的作業(yè)器材和生活物資都需要用船舶和直升機(jī)運(yùn)送，受氣象影響大、費(fèi)用高。（一）海洋石油開發(fā)2．海洋石油開發(fā)的主要內(nèi)容

海洋石油開發(fā)的內(nèi)容主要包括開發(fā)鉆井、完井采油、油氣分離處理和油氣集輸。開發(fā)鉆井：是繼勘探鉆井之后，為開采石油所進(jìn)行的鉆井，即鉆生產(chǎn)井。鉆生產(chǎn)井的方式有浮式鉆井和固定平臺(tái)鉆井兩種。完井采油：完井是指對(duì)已經(jīng)完鉆的生產(chǎn)井中，以一定的作業(yè)程序和下入井內(nèi)作業(yè)器具，通過射穿油氣層，到安裝好采油樹，控制油氣按照人們的意志能從井中開采油氣的過程；采油是指對(duì)完井的各井，有計(jì)劃地開啟采油樹閥門、控制各井產(chǎn)出原油，或以機(jī)械提升、化學(xué)注入、注水、氣舉等方式，從井內(nèi)采出石油。（一）海洋石油開發(fā)2．海洋石油開發(fā)的主要內(nèi)容

海洋石油開發(fā)的內(nèi)容主要包括開發(fā)鉆井、完井采油、油氣分離處理和油氣集輸。

油氣分離處理：是指將從井內(nèi)采出的混合流體，通過物理、機(jī)械等方法分離為達(dá)到向外輸出標(biāo)準(zhǔn)的原油、天然氣和達(dá)到排放入海標(biāo)準(zhǔn)的水的整個(gè)過程。

油氣集輸：是指為將各采油平臺(tái)分離處理后的原油和天然氣加以集中、儲(chǔ)存和通過穿梭油輪和海底油氣管線等方式，將原油、天然氣輸送至油氣終端。（二）其他海洋資源開發(fā)1．海底煤礦開采目前，開采海底煤礦的國(guó)家有日本、英國(guó)、加拿大、土耳其、智利、中國(guó)等。日本海底煤礦的開采量占其全國(guó)煤總產(chǎn)量的50%左右；智利海底煤礦的開采量達(dá)全國(guó)煤總產(chǎn)量的84%；英國(guó)位于諾森伯蘭離岸14km海底的煤礦是世界最大的海底煤礦。2．海濱砂礦資源開發(fā)目前世界80%的鋯石、90%的金紅石都是由澳大利亞海濱砂礦開采的。世界90%的錫石來自海濱砂礦，泰國(guó)是最大的產(chǎn)錫國(guó)。美國(guó)在阿拉斯加的好消息灣開采的鉑砂礦占美國(guó)鉑總產(chǎn)量的90%以上。中國(guó)開采的海濱砂礦有鈦鐵礦、鋯石、獨(dú)居石等。3．錳結(jié)核資源開發(fā)

19世紀(jì)70年代，英國(guó)深海調(diào)查船“挑戰(zhàn)”號(hào)在環(huán)球海洋考察中，首先發(fā)現(xiàn)了深海洋底的錳結(jié)核。20世紀(jì)80年代，美國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)的礦產(chǎn)企業(yè)組成跨國(guó)公司，取得日產(chǎn)錳結(jié)核300～500t的開采成績(jī)?？傊?，錳結(jié)核的開采、冶煉在技術(shù)上已不成問題，一旦經(jīng)濟(jì)上有利，便可形成新的產(chǎn)業(yè)，進(jìn)入規(guī)模生產(chǎn)。（二）其他海洋資源開發(fā)4．海水化學(xué)資源開發(fā)海水化學(xué)資源開發(fā)主要包括：海水制鹽及鹵水綜合利用（回收鎂化合物等），海水制鎂和制溴，從海水中提取鈾、鉀、碘，海水淡化等。此外，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，海洋天然有機(jī)物質(zhì)的研究和利用也得到了迅速發(fā)展。食鹽是提取量最大的海水化學(xué)物質(zhì)，世界年產(chǎn)量已超過5000萬噸，中國(guó)的產(chǎn)量一直居首位。5．海洋生物資源開發(fā)海洋生物資源開發(fā)包括捕撈和養(yǎng)殖兩個(gè)方面。海洋捕撈排名居前的國(guó)家有秘魯、日本、美國(guó)、印度尼西亞、俄羅斯、中國(guó)等；海水養(yǎng)殖的品種有海帶、紫菜、貽貝、鮑魚、牡蠣、蛤、海參、對(duì)蝦、梭魚、尼羅羅非魚等。（三）海水淡化

地球水儲(chǔ)量的97%為海水和苦咸水，這些水是很豐富的。

目前，全世界有120多個(gè)國(guó)家和地區(qū)采用海水或苦咸水淡化技術(shù)取得淡水。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海水淡化系統(tǒng)與生產(chǎn)量以每年10%以上的速度在增加。

現(xiàn)在，海水淡化作為一項(xiàng)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，正在得到各國(guó)的重視，美國(guó)華爾街的專業(yè)人士甚至預(yù)言，繼IT產(chǎn)業(yè)和生物產(chǎn)業(yè)之后，海水淡化將成為炙手可熱的新興成長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)，由此可見海水淡化的重要性及其美妙的前景。（四）海洋空間的利用

人類為了滿足生產(chǎn)和生活的需要，把海上、海中和海底空間當(dāng)作交通、生產(chǎn)、軍事活動(dòng)、居住和娛樂的場(chǎng)所。人類對(duì)海洋空間的利用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。1．海上運(yùn)輸海上運(yùn)輸簡(jiǎn)稱海運(yùn)，是使用船舶通過海上航道運(yùn)送貨物和旅客的一種運(yùn)輸方式。海上運(yùn)輸包括遠(yuǎn)洋運(yùn)輸、近海運(yùn)輸和沿海運(yùn)輸。它利用天然海洋通道，船舶噸位一般不受限制，具有運(yùn)量大、成本低等優(yōu)點(diǎn)。（四）海洋空間的利用2．海底隧道海底隧道是為了解決橫跨海峽、海灣之間的交通，而又不妨礙船舶航運(yùn)的條件下，建造在海底之下供人員及車輛通行的海洋建筑物，如圖23-2所示。圖23-2海底隧道（四）海洋空間的利用3．海上工廠海上工廠是利用海域便利條件而設(shè)置的生產(chǎn)設(shè)施，如圖23-3所示。所謂“海域便利條件”是指就地利用廉價(jià)的海洋能、廣闊的海域空間、豐富的海洋生物資源等。海上工廠多為浮動(dòng)式，可以轉(zhuǎn)移。圖23-3海上工廠（四）海洋空間的利用4．海上城市和海上機(jī)場(chǎng)海上城市是指在海上建立的具有新城市機(jī)能、新交通體系的大型居住區(qū)，可容納幾萬人。目前，世界上已建成的最大海上城市是日本神戶人工島，如圖23-4所示。圖23-4日本神戶人工島科學(xué)考察船海洋衛(wèi)星03海洋探測(cè)技術(shù)潛水器科學(xué)考察船擔(dān)負(fù)著調(diào)查海洋、研究海洋的任務(wù)，是開發(fā)和利用海洋資源的先鋒。其調(diào)查的主要內(nèi)容有海面與高空氣象、海洋水深與地貌、地球磁場(chǎng)、海流與潮汐、海水物理性質(zhì)與海底礦物資源（石油、天然氣、礦藏等）、海水的化學(xué)成分、生物資源（水產(chǎn)品等）、海底地震等。大型海洋調(diào)查船可對(duì)全球海洋進(jìn)行綜合調(diào)查，其穩(wěn)性和適航性能好，能夠經(jīng)受住大風(fēng)大浪的襲擊。船上的機(jī)電設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備、通信系統(tǒng)等十分先進(jìn)，燃料及各種生活用品的裝載量大，能夠長(zhǎng)時(shí)間堅(jiān)持在海上進(jìn)行調(diào)查研究。衛(wèi)星技術(shù)在海洋開發(fā)中的應(yīng)用十分廣泛。海洋衛(wèi)星在幾百千米高空能對(duì)海洋里的許多現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)，這是因?yàn)樗幸恍┨厥獾谋绢I(lǐng)。如果用海洋衛(wèi)星測(cè)量海浪的高度，就要用主動(dòng)遙感技術(shù)。雷達(dá)成像系統(tǒng)是一種主動(dòng)微波遙感，可以用來測(cè)量海浪的高度，這是利用海面“粗糙度”不同的原理來進(jìn)行的。

潛水器既是深