王洪戰(zhàn)，吳昊,付東

（1.中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300308；2.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，天津 300456）

深遠海大噸位沉船救助打撈，受深水海洋環(huán)境的影響，往往風(fēng)大浪高、水流湍急，是世界沉船救助打撈領(lǐng)域的一個難題，鮮有成功實施的經(jīng)典案例。某10 萬噸?；坟涊喪芘_風(fēng)襲擊，沉沒于離岸約300 公里的外海。因其貨物屬性對海洋環(huán)境有極大的污染風(fēng)險，當?shù)睾Ｊ戮葥撇块T組織對該船進行打撈工作。按照打撈方案，施工方將進行沉船周邊除泥、船艏系固重力錨安放、鋼梁牽引導(dǎo)向塊安放、托底鋼梁海底開溝等作業(yè)，每道工序或關(guān)鍵節(jié)點均需要潛水員進行潛水輔助或探摸確認。但因為受海底地形、周邊島嶼等的影響，海水在不同的深度其流動速度和流動方向是各不相同的。尤其受不規(guī)則半日潮潮汐規(guī)律的影響，漲、落潮轉(zhuǎn)換期間，不同海水深度的各層流速流向更是差異巨大。為了掌握沉船水域的海流運動變化規(guī)律，極大地利用平緩流期間的憩流時間進行水下施工作業(yè)，需要實時監(jiān)測海流情況，統(tǒng)計分析海流變化規(guī)律，預(yù)報未來漲落潮趨勢，為潛水施工和其他水下作業(yè)提供準確的參考。

1 直讀式海流儀

直讀式海流儀是海洋施工中最常用的一種海流觀測方法。直讀式海流儀外觀呈紡錘形，內(nèi)置一個磁通門羅經(jīng)，尾部安裝有一個螺旋槳。海流沖擊海流儀時，磁通門羅經(jīng)采集設(shè)備的磁北方位角作為當前海流的流向，然后根據(jù)其螺旋槳轉(zhuǎn)速計算當前海流的速度，從而完成海流的流速和流向觀測。為了保持海流儀測量時姿態(tài)的穩(wěn)定性，防止風(fēng)浪沖擊造成海流儀劇烈翻滾或大幅度搖擺，通常會為其配重約10—20kg 不等的鉛魚。所以在海上觀測時，一般需要使用絞車或滑輪將其懸吊于舷邊，依次沉放于某一設(shè)定的海水深度才能完成整條垂線的觀測。直讀式海流儀的懸吊式作業(yè)方式受天氣、風(fēng)浪、船舶搖擺等外部環(huán)境影響較大，同一時刻只能監(jiān)測某一固定深度的海流情況，所以要想監(jiān)測整條垂線，就必須不斷地下放和回收設(shè)備，人力無法長期堅持，必須要設(shè)備機械輔助。

圖1 直讀式海流儀

2 ADCP

ADCP（Acoustic Doppler Current Profiler），中文全稱為“聲學(xué)多普勒海流剖面儀”，又稱為“海流垂線儀”[1]。ADCP 的探頭部分由4 個聲波脈沖換能器組成，各換能器都按照與探頭內(nèi)置坐標系的固定夾角排列[2]。每個換能器既是發(fā)射源又是接收源，換能器按照某一頻率發(fā)出集中于一定狹窄范圍內(nèi)的聲波脈沖后[3]，即開始聆聽被水體中懸浮顆粒物體反射回來的聲波。假設(shè)懸浮顆粒物的運動速度與海水流速相同[4]，則當顆粒物向換能器靠近移動時，換能器接收到的回聲頻率比發(fā)射頻率要高；當顆粒物遠離換能器移動時，換能器接收到的回聲頻率要比發(fā)射頻率低。這種因為懸浮顆粒物的運動而引起聲波頻率的改變稱為聲學(xué)多普勒頻移，即為發(fā)射聲波頻率與返回聲波頻率之差[5]。公式如下：

式中：Fd為聲學(xué)頻移；V 為懸浮顆粒物沿聲束方向的移動速度（即沿聲束方向的水流速度）；F 為聲波發(fā)射頻率；2為多普勒頻移雙倍乘積系數(shù)；C 為聲波在水中的傳播速度[6]。聲束坐標沿ADCP 換能器的軸線建立，每條軸線對應(yīng)一個聲束坐標，每個換能器測量的流速方向與聲束坐標方向相同，則任意的三條軸線即可組成一個獨立的空間聲束坐標系[7]。ADCP 探頭內(nèi)部按照換能器指向自定義有空間直角坐標系：X-Y-Z，Z 方向為豎直方向。ADCP 首先測量計算出各聲束坐標的流速分量，然后根據(jù)內(nèi)置空間直角坐標系與聲束坐標系的七參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系[8]，采用赫爾默特變換法將聲束坐標系海流矢量轉(zhuǎn)換為內(nèi)置空間直角坐標系下的三維矢量。然后，再根據(jù)電羅經(jīng)測量的真北艏向數(shù)據(jù)和姿態(tài)儀測量的姿態(tài)數(shù)據(jù)，將內(nèi)置空間直角坐標系下的海流矢量歸算至絕對地理坐標系[9]。

圖2 ADCP 探頭

與傳統(tǒng)直讀式海流儀相比，ADCP 的優(yōu)點有：

作業(yè)方式可采用走航式動態(tài)測量。直讀式海流儀只能采用固定點位拋錨的靜態(tài)觀測模式，一般按照水深分為三層或五層測點，將設(shè)備沉放至各層測點測量，然后計算出整條垂線的平均流速和流向。

海水垂線觀測密集且分層多。直讀式流速儀只能固定幾條代表性垂線來覆蓋整個測量海域，每條垂線也只能按照海水實際深度分為1～5 層觀測。因為ADCP 可以在船舶航行中進行走航式測量，所以可以根據(jù)需要設(shè)定采樣密度和觀測層數(shù)，則能夠生成測量范圍內(nèi)任意位置的垂線和任意深度的海流情況。

海況適應(yīng)性強。直讀式海流儀要求風(fēng)平浪靜的良好氣象條件。而ADCP 可以接入慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、電羅經(jīng)、傾斜儀等定位定姿設(shè)備，能夠有效減弱或消除因位移、俯仰、橫滾、升沉等產(chǎn)生的誤差，在不利海況下依然能夠作業(yè)[7]。

3 工程應(yīng)用

3.1 設(shè)備選型

該貨輪沉沒現(xiàn)場海域水體渾濁、泥沙含量較大、懸移質(zhì)和浮游生物濃度高，則低頻聲波脈沖較難穿透水體得到準確的觀測數(shù)據(jù)。因此，選用美國TELEDYNE公司生產(chǎn)的WORK HORSE 高頻ADCP。WORK HORSE ADCP 的脈沖頻率為600kHZ，是一種適用于水深200m以淺水域的海流剖面儀，它既可以自容存儲數(shù)據(jù)，也可以通過有線電纜用于直讀式海流測量，并且具有海底跟蹤功能，可以自動識別海底干擾進行走航式測量。

3.2 安裝設(shè)置

因為打撈作業(yè)施工船為大型浮吊船，其航行時產(chǎn)生的水體阻力巨大，為了保證ADCP 換能器姿態(tài)穩(wěn)定和設(shè)備安全，使用壁厚8mm、外徑168mm 的高強度鋼管作為固定裝置，將ADCP 探頭安裝固定于舷側(cè)。為了防止船體和底部對海流移動和聲波信號的阻擋，固定鋼管在下放時超出船底龍骨線約1.5 米。將高精度星站差分GPS 和電羅經(jīng)數(shù)據(jù)接入測量采集軟件，實時修正船舶對地速度和方向?qū)υO(shè)備采集的影響，解算得正確的流速和流向數(shù)據(jù)。設(shè)置步驟如下：

（1）高精度星站差分GPS 以NMEA-0183 協(xié)議格式將$GPGGA 數(shù)據(jù)傳輸至測量軟件。解析數(shù)據(jù)中的經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)換為平面坐標，然后計算船舶運動的航速，繼而可得到ADCP 換能器的絕對地理速度，從而消除探頭相對海水移動的影響。

（2）電羅經(jīng)真北方向測量數(shù)據(jù)以$HEHDT 協(xié)議格式傳輸至測量軟件。因為ADCP 內(nèi)置的磁羅經(jīng)在受到鋼鐵等金屬材質(zhì)干擾時，會發(fā)生數(shù)值抖動和漂移，從而無法得到正確的艏向數(shù)據(jù)，所以必須采用穩(wěn)定的外部羅經(jīng)數(shù)據(jù)。

（3）ADCP 觀測參數(shù)設(shè)置。根據(jù)換能器的安裝情況和實際水深情況，設(shè)置盲區(qū)深度、吃水深度、海水觀測層數(shù)、單層寬度、聲波頻率、海底跟蹤等參數(shù)。

3.3 數(shù)據(jù)分析

使用涵蓋大、中、小，一個完整潮汐周期的海流觀測進行調(diào)和統(tǒng)計分析，計算各垂線平均流速、流向，其中垂線平均流速、流向采用“矢量加權(quán)平均法”計算，公式如下：

根據(jù)長期觀測分析結(jié)果，該貨輪沉沒水域漲潮主流向為230°，落潮主流向為40°，為典型不規(guī)則半日潮型。漲潮歷時長于落潮歷時，漲潮一般為7.5 個小時，落潮一般為4.5 個小時。高平潮的憩流歷時明顯長于低平潮的憩流歷時，漲潮憩流時間一般為50—130 分鐘，落潮憩流時間一般為20—60 分鐘。流速最快可至2m/s-2.5m/s，小潮汛期間全天流速可小于0.5m/s。典型各層流速、流向數(shù)據(jù)，如圖3-4：

圖3 典型各層流速

圖4 典型各層流向

4 總結(jié)

ADCP 采用多波普勒聲波頻移原理，對海水垂線發(fā)射若干組聲波，根據(jù)每層海流回波的情況即可推算該層海流的流速和流向，再結(jié)合自動控制和分析軟件，即可全天候、高精度監(jiān)測各層海流的流速和流向。ADCP 解決了傳統(tǒng)直讀式海流儀抗環(huán)境干擾性差、人力資源占用大、測量精度低、采集數(shù)據(jù)密度低等問題。ADCP 應(yīng)用于該沉沒貨輪打撈施工后，極大提高了潛水作業(yè)和水下施工對憩流時間的利用率，并可根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律對未來的海流變化情況進行模擬預(yù)判，為施工方案編制、作業(yè)計劃制定和現(xiàn)場施工作業(yè)提供了精準的參考。