魏傳杰 于 非 刁新源 歐 江 任 強(qiáng)

(中國科學(xué)院海洋研究所 海洋環(huán)境工程技術(shù)研究發(fā)展中心, 青島 266071)

艙體式防漁拖海床基的研制和應(yīng)用*

魏傳杰 于 非①刁新源 歐 江 任 強(qiáng)

(中國科學(xué)院海洋研究所 海洋環(huán)境工程技術(shù)研究發(fā)展中心, 青島 266071)

本文介紹了一種新型艙體式防漁拖海床基, 可布放在200m以淺海域進(jìn)行長期、定點(diǎn)、連續(xù)、綜合觀測。該型海床基由坐底平臺、浮體儀器艙和釋放器等配件組成, 可以搭載多種觀測傳感器進(jìn)行多學(xué)科綜合觀測。同時, 針對該海床基設(shè)計了安全有效的布放回收方法。通過實際海上應(yīng)用, 結(jié)果表明, 艙體式防漁拖海床基具有長時間自動觀測、隱蔽性好及有效防漁拖等優(yōu)點(diǎn), 可實現(xiàn)對海洋環(huán)境的長期綜合觀測。

海床基; 防漁拖; 長期綜合觀測

艙體式防漁拖海床基是置于海底的長期、定點(diǎn)、連續(xù)觀測系統(tǒng)。根據(jù)實際應(yīng)用需要, 海床基可以搭載多種觀測傳感器, 實現(xiàn)對海洋環(huán)境的長時間序列監(jiān)測, 是海洋定點(diǎn)觀測的重要技術(shù)手段之一。隨著全球范圍內(nèi)對海洋環(huán)境保護(hù)、海洋資源開發(fā)、海洋災(zāi)害預(yù)防等工作的日益重視, 眾多發(fā)達(dá)國家制定了相關(guān)的國家級海洋戰(zhàn)略, 正積極開展海洋環(huán)境的長期監(jiān)測。相比于傳統(tǒng)觀測方式, 海床基觀測不受天氣與海況影響, 可實現(xiàn)多要素綜合測量, 在海洋環(huán)境監(jiān)測項目中的應(yīng)用越來越廣泛, 觀測技術(shù)也得到了長足發(fā)展。

針對海床基觀測技術(shù), 國外科研工作者經(jīng)過幾十年的不斷研究, 已在不同方面取得了許多重要技術(shù)成果。以美國為首的西方國家相繼建成了水下無人監(jiān)測平臺, 美國從 1992年開始建設(shè)海洋生態(tài)長期監(jiān)測系統(tǒng) LEO-15 (Von Alt et al., 1997)。其后, 美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)建成“海嘯事件深海評估及報告系統(tǒng)”(DART)用于海嘯監(jiān)測與預(yù)警。同時, 多家海洋儀器公司, 如FloTec、Benthos等設(shè)計研制了各自類型的海床基平臺, 已初步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。與國際發(fā)達(dá)國家相比, 我國在海床基平臺的研制方面相對比較薄弱。在國家863計劃的資助下, 國家海洋技術(shù)中心在“九五”期間設(shè)計開發(fā)了自容式海床基監(jiān)測系統(tǒng),用于監(jiān)測浪、潮、流、懸浮泥沙濃度剖面及粒徑譜等(孫思萍, 2000); “十五”期間又進(jìn)一步研發(fā)了具有實時傳輸功能的海床基監(jiān)測系統(tǒng),在水深100m以淺的海底持續(xù)完成了3個月的工作, 對波浪、水位、海流剖面、溫度、鹽度等海洋水文要素進(jìn)行了觀測(孫思萍, 2004); 2011年在之前研究的基礎(chǔ)上, 結(jié)合水聲通信與衛(wèi)星通信技術(shù), 成功研制了實時通信多參數(shù)海床基監(jiān)測系統(tǒng), 通過長期海上試驗的驗證, 確認(rèn)該系統(tǒng)具有較高的安全性和環(huán)境適應(yīng)性(齊爾麥等, 2011)。針對海床基不能避免漁業(yè)拖網(wǎng)破壞的缺陷, 國家海洋局第一海洋研究所對海床基的結(jié)構(gòu)、功能進(jìn)行了全新設(shè)計,成功研制了淺水區(qū)抗拖網(wǎng)聲學(xué)多普勒流速剖面儀(acoustic doppler current profilers, ADCP)海床基, 通過海上應(yīng)用表明, 抗拖網(wǎng)ADCP海床基在淺海區(qū)能夠有效減少漁網(wǎng)的破壞, 進(jìn)而實現(xiàn)對海洋環(huán)境的長期監(jiān)測(于凱本等, 2012)。國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心針對不同底質(zhì)環(huán)境進(jìn)行了海床基系列化研制, 利用模擬仿真實驗和實際海上試驗, 對海床基不斷改進(jìn)完善, 成功完成了海床基系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化應(yīng)用(胡展銘等, 2012, 2013)。

在中國近海海域, 漁業(yè)捕撈作業(yè)頻繁,海洋工程施工頻率高, 海床基觀測系統(tǒng)經(jīng)常遭到破壞甚至丟失, 無法實現(xiàn)對海洋環(huán)境的長期連續(xù)監(jiān)測。在中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“熱帶西太平洋海洋系統(tǒng)物質(zhì)能量交換及其影響”項目的支持下, 作者與團(tuán)隊成員成功研制了一種艙體式防漁拖海床基, 可在 200m以淺海域進(jìn)行長期測量。相比于傳統(tǒng)海床基,該系統(tǒng)浮體儀器艙放置于坐底平臺的橢圓柱狀艙體內(nèi), 儀器可受到浮體和水泥底座的雙重保護(hù); 可自由加載多種自容式調(diào)查設(shè)備;浮體儀器艙采用國產(chǎn)玻璃微珠材料, 可以提供 80kg凈浮力, 相比以往海床基系統(tǒng)可提供近2倍浮力; 同時, 流線型外觀使其具有良好的防漁拖及抗淤性能。通過大量試驗及實際調(diào)查應(yīng)用, 該艙體式防漁拖海床基取得了理想的應(yīng)用效果, 能夠有效地避免漁業(yè)拖網(wǎng)、流網(wǎng)及海洋施工等破壞, 在惡劣海洋環(huán)境下進(jìn)行長期連續(xù)坐底觀測, 進(jìn)一步提高了海床基觀測系統(tǒng)的安全性、可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

艙體式防漁拖海床基采用自容式工作模式, 主要用于對所在海域的海洋環(huán)境進(jìn)行長期、定點(diǎn)、連續(xù)、綜合的自動測量。系統(tǒng)觀測對象包括水位、海流、水溫、鹽度、溶解氧、葉綠素、濁度、pH、硝酸鹽等環(huán)境要素。同時, 可根據(jù)實際需求在系統(tǒng)上增加其他測量儀器或傳感器, 擴(kuò)展系統(tǒng)的觀測對象。系統(tǒng)配備有聲學(xué)釋放裝置用于回收工作, 完成觀測任務(wù)后通過拋載配重返回海面。該海床基系統(tǒng)是獲取水下長期綜合觀測資料的重要手段,具有長時間自動觀測、隱蔽性好及有效抗拖網(wǎng)等特點(diǎn), 其主要性能指標(biāo)見表1。

表1 艙體式防漁拖海床基主要性能指標(biāo)Tab.1 The key performance indicators of the seabed based system

1.1 系統(tǒng)組成

艙體式防漁拖海床基(圖1)主要由流線型坐底平臺、玻璃微珠材料浮體、萬向支架、纜繩等部分組成。浮體內(nèi)可自由搭載聲學(xué)釋放器、全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)信標(biāo)通信機(jī)、溫鹽深儀(CTD)、ADCP、水位計等多種調(diào)查設(shè)備, 可將海床基系統(tǒng)布放在200m以淺海域進(jìn)行長期測量。系統(tǒng)整體為圓錐臺狀流線型設(shè)計, 具有較高的強(qiáng)度, 可有效防止?jié)O業(yè)拖網(wǎng)、流網(wǎng)等破壞, 同時, 圓錐臺設(shè)計有一定高度, 使海床基具備一定的抗淤積性能。

圖1 艙體式防漁拖海床基外觀設(shè)計圖Fig.1 The configuration integrated design of the seabed based system

1.1.1 海床基坐底平臺

海床基坐底平臺是艙體式防漁拖海床基系統(tǒng)的重要部件, 一般要求體積和重量較大,使海床基在水下呈現(xiàn)穩(wěn)定的狀態(tài)。坐底平臺由耐海水腐蝕的硅酸鹽水泥澆筑而成, 內(nèi)置鋼筋加強(qiáng)骨架, 整體強(qiáng)度高, 耐壓深度可達(dá)1000m, 同時可有效防止外部力量的沖撞破壞。平臺為圓錐臺狀, 底部直徑為 2m, 與海底接觸面積較大, 以免在泥沙淤積嚴(yán)重海域發(fā)生沉陷; 在頂部直徑為 1m, 高度為 0.7m,圓臺錐度為 55°, 形成流線型外觀, 此外形設(shè)計使?jié)O業(yè)捕撈網(wǎng)具與圓錐臺產(chǎn)生相對滑動,防止海床基平臺被網(wǎng)具拖動移位、傾斜或者翻扣。坐底平臺中間部分為浮體艙, 呈橢圓柱形,底部長軸為 0.9m, 底部短軸為 0.8m, 高度為0.6m, 頂部長軸為0.95m, 頂部短軸為0.85m,大體為喇叭形狀, 更有利于浮體釋放脫離;整個浮體艙為不透水結(jié)構(gòu), 水泥支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)高度約為0.7 m, 因此使海底泥沙繞流過坐底平臺, 不會在浮體艙內(nèi)部造成泥沙淤積。平臺底部預(yù)制2個固定吊環(huán), 用于固定浮體觀測平臺, 其直徑為 24mm, 附加犧牲陽極(鋅塊)以增強(qiáng)防腐性能。坐底平臺外圍均勻布置 4個用于布放系統(tǒng)的吊放點(diǎn), 采用內(nèi)嵌方式, 不影響平臺的流線型設(shè)計。海床基坐底平臺除了具有流線型防漁拖和抗淤設(shè)計外, 還適當(dāng)增加了平臺重量, 整體重量約為2t, 保證了其整體的抗拖拉能力。海床基坐底平臺的外觀及布置如圖2所示。

1.1.2 浮體儀器艙

圖2 海床基坐底平臺的外觀及布置圖Fig.2 The design drawing of the seabed platform

浮體儀器艙為浮體和儀器艙的一體式設(shè)計。浮體兼具多種功能, 不僅可作為上浮力材料回收搜尋目標(biāo), 也可搭載多種觀測傳感器。在浮力的作用下, 浮體儀器艙上浮至水面時,可攜帶浮體搭載的觀測設(shè)備一起回到水面,優(yōu)先回收設(shè)備, 從而提高數(shù)據(jù)獲取的安全可靠性。此種方式的海上回收作業(yè)簡單快捷, 有利于節(jié)約船時。

浮體儀器艙(圖3)采用玻璃微珠材料加工制作而成, 浮體表面澆注聚乙烯, 厚度約為10 mm, 提高了浮體的耐磨和防撞性能。其整體呈橢圓柱形, 長軸為0.85m, 短軸為0.75m,高度為0.6m, 空氣中的總重量約為130kg, 水中的凈浮力約為 80kg。浮體儀器艙設(shè)計有 7個設(shè)備存儲艙, 中心位置為ADCP固定艙, 直徑為0.3m。圍繞ADCP艙還設(shè)計了6個儀器艙, 其中1個艙用于固定安裝CTD, 根據(jù)市場調(diào)研設(shè)計其直徑為 0.2m, 可以安裝目前國際上通用的各類CTD設(shè)備, 剩余5個設(shè)計其直徑為0.14m, 用于搭載聲學(xué)釋放器、GPS信標(biāo)通信機(jī)、水位計、葉綠素計等傳感器, 進(jìn)而可以進(jìn)行多學(xué)科綜合觀測。根據(jù)設(shè)備尺寸設(shè)計不同的固定夾具, 然后利用預(yù)制的鈦合金固定螺桿將設(shè)備與艙體固定連接。每個設(shè)備存儲艙上下通透, 浮體儀器艙底部也預(yù)裝鈦合金固定螺桿, 可以加載配重, 以調(diào)節(jié)浮體的平衡。浮體儀器艙搭載兩套聲學(xué)釋放器, 采用并聯(lián)方式與海床基坐底平臺連接, 利用配套甲板單元釋放任意一臺聲學(xué)釋放器,均可以釋放浮體儀器艙, 從而提高了系統(tǒng)回收的可靠性。目前, 海床基系統(tǒng)主要搭載物理海洋觀測設(shè)備及少量生化傳感器, 因為此類傳感器技術(shù)相對成熟、數(shù)據(jù)質(zhì)量較為穩(wěn)定。

圖3 浮體儀器艙設(shè)計圖Fig.3 The design drawing of the floating body

1.1.3 其他配件及技術(shù)

艙體式防漁拖海床基還包含其他配件,如聲學(xué)釋放器水上甲板單元和常平裝置, 并采用了防腐蝕及生物附著技術(shù)。

1) 聲學(xué)釋放器水上甲板單元

艙體式防漁拖海床基搭載兩套聲學(xué)釋放器, 因此需要配套相應(yīng)的水上甲板單元。布放時可以利用其測距功能完成簡單的定位工作。在系統(tǒng)回收時發(fā)送釋放控制指令, 釋放浮體儀器艙, 完成回收作業(yè)。

2) 常平裝置

系統(tǒng)搭載 ADCP進(jìn)行海流觀測, 設(shè)備工作時, 要求保持在豎直狀態(tài), 傾角不應(yīng)超過15°, 為避免海床基布放在斜坡上而導(dǎo)致其姿態(tài)超出正常工作范圍。平臺應(yīng)設(shè)計常平裝置,確保 ADCP始終處于豎直姿態(tài)。常平裝置使用316L不銹鋼焊接制造, 焊縫進(jìn)行清渣、拋光處理, 同時加裝犧牲陽極(鋅塊)以增強(qiáng)裝置的安全性能。

3) 防腐蝕及生物附著

艙體式防漁拖海床基系統(tǒng)由多種設(shè)備與配件組成, 各部分材料不盡相同。首先, 在不同材料間采取絕緣隔斷措施, 防止不同材料之間發(fā)生電化學(xué)腐蝕。其次, 為防止設(shè)備部件受到海水腐蝕, 在主要金屬材質(zhì)部件上安裝犧牲陽極。另外, 在結(jié)構(gòu)部件表面涂裝防生物附著涂料, 避免海生物附著而影響設(shè)備正常工作。

1.2 系統(tǒng)的主要特點(diǎn)與優(yōu)勢

艙體式防漁拖海床基系統(tǒng)由坐底平臺、浮體儀器艙和釋放器等配件組成, 其具有以下特點(diǎn)與優(yōu)勢。

1) 兼顧儀器安全與數(shù)據(jù)質(zhì)量

浮體儀器艙放置于坐底平臺的橢圓柱狀艙體內(nèi), 儀器受到浮體和水泥底座雙重保護(hù),且浮體儀器艙結(jié)構(gòu)使各傳感器與海水充分接觸, 提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2) 提高儀器回收率

浮體儀器艙內(nèi)可自由加載 CTD、ADCP等多種自容式調(diào)查設(shè)備, 系統(tǒng)釋放后所有設(shè)備均隨浮體返回水面。浮體儀器艙采用國產(chǎn)玻璃微珠材料, 可以提供 80kg凈浮力, 相比以往海床基系統(tǒng)可提供近2倍的浮力。系統(tǒng)的水泥坐底平臺設(shè)計為拋棄式, 降低了回收的難度?；厥諘r, 通過釋放器釋放浮體儀器艙, 浮體漂出水面, 實現(xiàn)儀器回收。

3) 具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力

坐底平臺采用水泥整體澆筑, 可以應(yīng)用于不同海底底質(zhì), 尤其針對軟泥底質(zhì); 該坐底平臺具有一定高度, 不容易完全陷入泥中,且外形為封閉結(jié)構(gòu), 具有良好的抗淤性能。

4) 具有良好的防漁拖外形

整體結(jié)構(gòu)上采用梯臺式防拖網(wǎng)設(shè)計, 與海底呈大的鈍角, 且具有 2t以上自重, 能夠較好地防止拖網(wǎng)的拖動。

2 海床基的布放與回收

2.1 海床基布放

艙體式防漁拖海床基采取水平吊裝方式布放, 以避免海床基置于海底時發(fā)生傾斜或翻扣。海床基利用船只后甲板 A型架和相應(yīng)絞車吊裝布放, 同時利用一臺聲學(xué)釋放器配合海床基的布放工作。聲學(xué)釋放器具有釋放脫鉤的一端通過釋放環(huán)與坐底平臺吊放點(diǎn)連接,聲學(xué)釋放器另一端與 A型架鋼絲繩相連。后甲板絞車將海床基整體起吊, 并與 A型架聯(lián)動, 移至船尾甲板外, 緩慢放入水中, 然后由絞車平穩(wěn)釋放鋼絲繩, 直至海床基下落至海底, 其后慢慢回收絞車, 將海床基提升至距離海底1m左右, 向布放用聲學(xué)釋放器發(fā)出釋放指令, 打開釋放鉤, 海床基依靠自身重力穩(wěn)定地坐落到海底, 同時迅速回收絞車, 將布放用釋放器回收至甲板。最后, 利用聲學(xué)釋放器水上甲板單元和搭載的聲學(xué)釋放器進(jìn)行海床基定位,至此完成艙體式防漁拖海床基的布放工作。

2.2 海床基回收

艙體式防漁拖海床基回收時, 在船只甲板上通過聲學(xué)釋放器水上甲板單元發(fā)出釋放命令, 其中搭載的兩套聲學(xué)釋放器收到指令后執(zhí)行脫鉤動作, 搭載儀器的浮體儀器艙與坐底平臺脫離, 坐底平臺被丟棄, 浮體儀器艙在浮力作用下浮出水面, 然后進(jìn)行海面搜尋,浮體儀器艙體積較大, 整體涂裝為黃色, 目標(biāo)醒目方便搜索, 發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后由調(diào)查人員將浮體打撈至甲板。浮體儀器艙體可裝配 GPS信標(biāo)通信機(jī), 內(nèi)置銥星信號收發(fā)器和GPS, 浮體出水后立即報告 GPS位置信息至接收機(jī), 從而更有利于搜索工作, 同時還可以防止海床基意外出水而導(dǎo)致設(shè)備損失。

3 實驗應(yīng)用

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項項目于2014年在中國近海布放艙體式防漁拖海床基,用于構(gòu)建中國近海的長期連續(xù)觀測系統(tǒng), 實現(xiàn)海洋動力要素的季節(jié)變化觀測(圖4～圖5)。布放時間為 2014年 6～10月, 期間經(jīng)受了臺風(fēng)、寒潮等惡劣海況的考驗, 也有效地避免了漁業(yè)拖網(wǎng)、流網(wǎng)等破壞。艙體式防漁拖海床基獲取的大量長時間序列數(shù)據(jù)如圖6所示, 這些觀測數(shù)據(jù)通過了嚴(yán)格的質(zhì)量評估, 包括范圍檢驗、錯誤數(shù)據(jù)檢查、良好率檢查、完整有效性判斷、合理性檢驗等, 觀測資料具有較高的準(zhǔn)確性, 資料良好率超過98%, 所獲取的數(shù)據(jù)能夠真實地反映實際海洋現(xiàn)象。

艙體式防漁拖海床基的成功布放與回收證明了該海床基具有良好的安全性、環(huán)境適應(yīng)性, 能夠較好地完成海洋長期、定點(diǎn)、連續(xù)觀測任務(wù)。艙體式防漁拖海床基的成功開發(fā)應(yīng)用,顯著提升了我國近海長時間尺度的觀測能力,并為我國近海環(huán)境觀測提供必要的設(shè)備保障和技術(shù)支持。

4 結(jié)論與展望

在海洋觀測工作中, 海床基觀測系統(tǒng)是該技術(shù)領(lǐng)域常用的基礎(chǔ)裝置。本文詳細(xì)介紹了新型艙體式防漁拖海床基的結(jié)構(gòu)組成、功能及布放回收等關(guān)鍵技術(shù)。通過實際海上應(yīng)用, 結(jié)果表明, 艙體式防漁拖海床基可以有效保證儀器安全與數(shù)據(jù)質(zhì)量, 同時具有良好的防漁拖及抗淤性能, 是獲取海洋長期綜合觀測資料的重要技術(shù)手段, 在海洋觀測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖4 艙體式防漁拖海床基布放站位圖Fig.4 Location of the seabed based systems in China coastal seas

圖5 艙體式防漁拖海床基布海上應(yīng)用情況Fig.5 The deployment and application of seabed based system

圖6 黃海hh-3站2014年6～10月底層流速分布圖Fig.6 Bottom current plot of hh-3 station in the Yellow Sea during June to October 2014

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The Research and Application of Cabin-Style and Trawl-Resistant Seabed Based System

WEI Chuang-Jie, YU Fei*, DIAO Xin-Yuan, OU Jiang, REN Qiang
(Marine environmental engineering technology research and Development Center, Institute of oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China) *Corresponding author, E-mail: yuf@qdio.ac.cn

A new-version, cabin-style and trawl-resistant seabed based System is introduced. It can be deployed in regions with a water depth smaller than 200 m and used for continuous, long-term, multi-discipline observation.It is composed of the seabed platform, the floating body and the release device, and can carry multiple ocean monitoring sensors to carry out multidisciplinary observation. The method of deployment and recovery are also designed. Through in-situ experiments, this seabed based System shows advantages in auto measurement, concealment, and anti-trawling. It can be utilized for long-term, multi-discipline observations of marine environment.

seabed based system; trawl-resistant; observation

P715.4

10.12036/hykxjk20160721004

* 資助項目: 中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(XDA11020301, XDA11020501); 國家自然科學(xué)基金(41206020, 41376031); 國家自然科學(xué)基金委員會-山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項目(U1406401)。魏傳杰, 男, 工程師, E-mail: weicj@qdio.ac.cn

① 通訊作者: 于非, 男, 研究員, 從事海洋調(diào)查與區(qū)域海洋學(xué)研究工作, E-mail: yuf@qdio.ac.cn

2016-07-21, 收修改稿日期: 2016-07-30