陳永華, 胡賀崗, 劉慶奎, 姜 斌, 李曉龍

(中國科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071)

坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng), 又稱為海床基觀測系統(tǒng), 是以布放在海底的坐底式平臺為依托, 集成多種海洋環(huán)境監(jiān)測設(shè)備或傳感器, 獲取多類海洋環(huán)境要素的監(jiān)測系統(tǒng)[1]?？蓪Ｑ蟓h(huán)境進(jìn)行定點(diǎn)、長期、連續(xù)、隱蔽的多要素監(jiān)測, 在海洋環(huán)境監(jiān)測方面獲得了廣泛應(yīng)用, 被稱為第三觀測平臺。其以相對安全和準(zhǔn)確的方式為物理海洋、海洋地質(zhì)、海洋生態(tài)和海洋生物等海洋學(xué)研究提供第一手資料, 并可為海水養(yǎng)殖和海洋工程等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐, 它應(yīng)用廣泛,其用途取決于所搭載的傳感器設(shè)備, 根據(jù)不同的觀測需求, 可集成如下儀器/傳感器： (1)物理海洋類：海水溫鹽深儀、濁度儀、海流計(jì)、波浪儀等。(2)物探觀測類： 海底重力儀、磁力儀、地震儀、海嘯傳感器等。(3)生物化學(xué)類： 葉綠素儀、溶解氧儀、pH計(jì)、CO2儀、甲烷儀、營養(yǎng)鹽儀、H2S傳感器等。(4)其他：圖像、視頻等。坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要有兩種形式： 獨(dú)立的坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測裝置和海底觀測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn), 獨(dú)立的坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測裝置是單個(gè)平臺裝置集成觀測設(shè)備進(jìn)行觀測; 而構(gòu)成海底觀測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的坐底觀測系統(tǒng)是海底觀測網(wǎng)的一個(gè)觀測點(diǎn)和中轉(zhuǎn)站, 其除了具有觀測功能外, 還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸中轉(zhuǎn)和能量的傳遞等。

國際上經(jīng)過近幾十年的不斷發(fā)展, 獨(dú)立的坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測平臺形成了多個(gè)產(chǎn)品, 如美國Oceanscience公司、英國Mooring System公司、意大利 PROTECO SUB公司、美國 Approtekmooring公司、法國Technicap公司和美國Flotec公司等, 都擁有各具特色的坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測平臺產(chǎn)品[2-3]。國內(nèi)經(jīng)過近 30年“863”計(jì)劃、國家科技攻關(guān)計(jì)劃和各部委裝備研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持, 部分海洋單位也積累了一些坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)。國家海洋技術(shù)中心在 20世紀(jì) 90年代末(“九五”863支持)開始研發(fā)“海床基海洋環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)”,2000年以后不斷改進(jìn), 所制作的坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測平臺具備了防拖網(wǎng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[4]。其后, 中國科學(xué)院海洋研究所、自然資源部第一海洋研究所、中國海洋大學(xué)和國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心等國內(nèi)涉海單位分別針對不同研究與應(yīng)用需求, 設(shè)計(jì)開發(fā)了坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[5-7]。

深海型坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)一般體積比較龐大, 可以搭載更多的監(jiān)測傳感器, 進(jìn)行海底綜合性長期連續(xù)觀測。深海多數(shù)情況下沒有底拖網(wǎng), 因此深海型坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)一般不設(shè)計(jì)防拖網(wǎng)功能。國際上深海坐底式監(jiān)測系統(tǒng)的研制和應(yīng)用起源于20世紀(jì)70年代, 美國在20世紀(jì)70年代至90年代開發(fā)了多種不同用途的深海自動監(jiān)測平臺系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代以后, 隨著美國海底網(wǎng)絡(luò)觀測站計(jì)劃NEPTUNE的實(shí)施, AUV等新一代技術(shù)裝備和深海海底監(jiān)測平臺獲得了廣泛發(fā)展和應(yīng)用, 但相對于 AUV技術(shù), 由于深海坐底式監(jiān)測系統(tǒng)具有制作成本低、使用方便和觀測針對性強(qiáng)等特點(diǎn), 其應(yīng)用仍然位于舉足輕重的位置。20世紀(jì)80年代末, 歐洲的英國、德國、法國、意大利等國家在本國或歐洲共同體科研經(jīng)費(fèi)支持下相繼開展了深海坐底式監(jiān)測系統(tǒng)的研制,其中20世紀(jì)90年代具有代表性的系統(tǒng)有英國與丹麥合作研制的用于深海海底地球化學(xué)和生物研究的BENBO系統(tǒng)[8]; 德國 GEOMAR研制的用于海底天然氣水合物和海底熱液調(diào)查的綜合海底觀測系統(tǒng)VESP; 法國 IFREMER研制的模塊化深海海底觀測系統(tǒng); 以及由歐洲共同體合作研制的海底綜合觀測系統(tǒng)GEOSTAR等, 其中GEOSTAR現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了若干代, 性能不斷提高。

國內(nèi)中國科學(xué)院海洋研究所和中國海洋大學(xué)等單位研制了多款深海型坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。2006年, 中科院海洋所研制了坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)——海底沙棘沙波原位監(jiān)測系統(tǒng), 此系統(tǒng)架體長寬高大約都為2 m, 系統(tǒng)集成了海底多普勒流速雙向(上下)剖面儀, 浪潮儀, 精密高度計(jì), 光學(xué)透射儀,光學(xué)后反射儀, 傾斜儀, 水下視頻采集系統(tǒng), 水下定標(biāo)和水面信標(biāo)以及相應(yīng)的高精度時(shí)鐘, 自動定時(shí)加電控制系統(tǒng), 數(shù)字采集與記錄系統(tǒng)及可充電式高容量鋰電池組等; 同時(shí)系統(tǒng)配有聲通訊釋放設(shè)備[9], 可以對水體剖面流速、近海底剖面流速、近海底剖面濁度、觀測海域浪潮以及光學(xué)顆粒參數(shù)等進(jìn)行觀測,并能定時(shí)進(jìn)行水下攝像和照相, 從而得到特殊海洋環(huán)境下海底地形運(yùn)動和遷移規(guī)律等海床動力特性,進(jìn)而揭示其與結(jié)構(gòu)物的相互影響和作用規(guī)律。該系統(tǒng)于2007年在南海北部灣海域進(jìn)行了8個(gè)多月的測試性應(yīng)用, 獲取了詳實(shí)的第一手多要素資料, 其結(jié)果為海上平臺、海底管線等的設(shè)計(jì)和運(yùn)營提供科學(xué)依據(jù)和安全保障。截至目前, 該系統(tǒng)還可正常定期進(jìn)行觀測應(yīng)用。

中國海洋大學(xué)在國家“863”計(jì)劃的支持下, 于2009年成功研制的一個(gè)可移動的自容式深海海底邊界層原位監(jiān)測裝置(簡稱Benvir)[8,10]。該裝置采用模塊化設(shè)計(jì), 可集成一系列自容式監(jiān)測傳感器, 如甲烷傳感器、二氧化碳儀、溶解氧儀、pH計(jì)、CTD、濁度計(jì), 以及聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)和聲學(xué)多普勒海流儀(ADV)等, 具備長期、定點(diǎn)、連續(xù)和原位觀測特性, 最大應(yīng)用深度達(dá)4 000 m, 具有開展深海海底邊界層生物地球化學(xué)研究的廣闊應(yīng)用前景。

基于海水規(guī)模化養(yǎng)殖和海洋科學(xué)研究需要長期觀測數(shù)據(jù)支撐的需求, 中國科學(xué)院海洋研究所設(shè)計(jì)開發(fā)了一套淺海坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng), 并與獐子島集團(tuán)股份有限公司合作, 在北黃海海域進(jìn)行了長時(shí)間海上應(yīng)用。對其結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)、原理功能和實(shí)際應(yīng)用情況等進(jìn)行了詳細(xì)闡述; 并在實(shí)際維護(hù)過程中, 摸索總結(jié)了一種實(shí)操性強(qiáng)的打撈回收方法。

1 小型淺海坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)開發(fā)

坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要由海底觀測平臺及其搭載的觀測傳感器組成。海底觀測平臺一般由支撐架體、密封艙體、保護(hù)裝置和回收裝置等構(gòu)成。支撐架體是系統(tǒng)的支撐, 要滿足如下基本條件： (1)具有良好的設(shè)備搭載和擴(kuò)充功能： 可根據(jù)不同的觀測需求搭載不同類型的海洋觀測傳感器, 這就要求支撐架體有一定的負(fù)載能力, 同時(shí)擁有合適的傳感器設(shè)備安裝位置等; (2)保證傳感器的測量精度： 基于安全考慮, 觀測設(shè)備一般位于支撐架體內(nèi)部, 要保證測量的準(zhǔn)確度, 除了傳感器自身具有較高的精度外, 還要保證其可與被測對象或要素充分接觸, 以便能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)要素的精準(zhǔn)測量; (3)具有耐腐蝕和防生物附著的特性： 由于支撐架體要長時(shí)間(可能數(shù)年)持續(xù)在海上工作, 這需要從材料的選擇和防護(hù)方法上予以考慮; (4)穩(wěn)性要好： 由于系統(tǒng)可能會在大海流作用下工作, 為了保證其在布放過程中和工作過程中不致歪倒, 要求其重心低, 穩(wěn)定性好, 針對近海應(yīng)用, 低矮的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在一定程度上能起到防拖網(wǎng)的作用。密封艙體承裝電池和采集控制裝置, 起到供電和數(shù)據(jù)采集與通信控制的作用。海床基的安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)上通常包括防材料腐蝕、防生物附著、防漁民拖網(wǎng)和防泥沙淤積等。布放回收系統(tǒng)中海床基的布放通常有兩種方式： 吊裝方式布放和依靠自身重力布放, 回收則分為無釋放器式、釋放器分體式和釋放器一體式等[7]。

圖 1是我們設(shè)計(jì)適用于近海環(huán)境的一款小型淺海坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

圖1 中國科學(xué)院海洋研究所設(shè)計(jì)的淺海小型坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)Fig. 1 Offshore seabed-based observation system designed in the Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences

此系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 淺海小型坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)Tab. 1 Technical parameters of the offshore seabedbased observation system

此系統(tǒng)主要用來進(jìn)行剖面海流和溫鹽等海洋動力要素的監(jiān)測, 根據(jù)需要搭載了聲學(xué)多普勒剖面流速儀(ADCP)和溫深儀(TD)等觀測設(shè)備, 由優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料制作成了低矮的四棱臺支架裝置, 并且根據(jù)觀測的需要, 將 ADCP放置在常平架上, 以保證其觀測姿態(tài), 和溫鹽儀的固定夾等共同構(gòu)成了此坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的支撐架體。四棱臺支架的四側(cè)面安裝防護(hù)板, 以防流網(wǎng)等侵入, 架體噴刷防生物附著和防海水腐蝕的復(fù)合油漆, 并加犧牲陽極, 予以防腐, 同時(shí)架體上表面安裝信標(biāo), 架體四個(gè)角安裝支腿, 底部安裝密實(shí)的底板,以防淤泥進(jìn)入架體, 上述部件構(gòu)成此坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的安全保障防護(hù)裝置。供電通信裝置放置在同一個(gè)密封艙內(nèi), 并將密封艙放置在架體內(nèi)側(cè)底部。吊放鉤用來進(jìn)行系統(tǒng)的布放, 并且吊放鉤在系統(tǒng)布放完成后,會自動躺倒, 不會影響其下面ADCP的觀測, 架體右側(cè)底部有孔鼻, 用于系留回收纜繩, 這些是此系統(tǒng)的布放回收裝置。具體實(shí)物如圖2所示。

圖2 淺海小型坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)物圖Fig. 2 Picture of the small, bottom-mounted instrument designed

2 小型淺海坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有原位、長期、連續(xù)、不受海況和天氣影響、數(shù)據(jù)質(zhì)量高、可多要素同步觀測等技術(shù)優(yōu)勢。如上裝置, 我們搭載了物理海洋類的探測儀器： 300 kHz聲學(xué)多普勒剖面流速儀(ADCP)和溫深儀(TD), ADCP設(shè)置采樣頻率為1 次/h, 采樣分層是2 m/層; TD采樣頻率為1次/10min, 每次獲取10個(gè)樣本(每個(gè)樣本間隔1 s), 將其布放于北黃海獐子島附近海域, 該海域?yàn)槟噘|(zhì)海底, 并且北黃海海流和水團(tuán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 受冷水團(tuán)影響明顯, 在冬季有可能受黃海暖流的影響, 北黃海尤其是獐子島海域是我國重要的海珍品養(yǎng)殖基地之一, 也是我國最大的蝦夷扇貝的養(yǎng)殖基地, 開展長期連續(xù)觀測研究意義較大。此系統(tǒng)在該海域布放應(yīng)用了數(shù)年, 一般持續(xù)工作數(shù)個(gè)月后, 對系統(tǒng)進(jìn)行回收, 讀取數(shù)據(jù)和更換電池, 并對設(shè)備進(jìn)行清理, 而后再將系統(tǒng)布放原位繼續(xù)進(jìn)行工作。此種方式的維護(hù), 一般在海上直接進(jìn)行, 節(jié)約了船時(shí), 并有利于獲取連續(xù)的觀測數(shù)據(jù)。截取一個(gè)半月的數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。

通過數(shù)據(jù)圖可以明顯看出該海域潮流和潮差變化情況, 以及海底溫度隨時(shí)間的變化情況。另外, 經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)據(jù)篩查檢驗(yàn), 數(shù)據(jù)獲取率和完好率均超過 99%, 為開展相關(guān)研究和海水養(yǎng)殖等提供了數(shù)據(jù)支撐。

圖3 淺海小型坐底式海海洋監(jiān)測系統(tǒng)獲取的部分?jǐn)?shù)據(jù)Fig. 3 Partial data obtained by the instrument

3 回收方法

坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)若本身帶有聲學(xué)釋放器, 并且釋放器本體和輔助連接機(jī)構(gòu)可以有效工作,則其回收相對簡單, 直接進(jìn)行釋放回收即可。但若系統(tǒng)本身不帶釋放器, 或者釋放器失效(包括其連動釋放裝置失效), 又或者有漁網(wǎng)纏繞等, 此時(shí), 系統(tǒng)就無法自動上浮海面(如圖4所示)。

圖4 南海布放的坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)被漁網(wǎng)纏繞情形Fig. 4 Fishing nets entangled on a bottom-mounted marine environmental monitoring system deployed in the China South Sea

圖 4中, 坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的觀測平臺、觀測設(shè)備和釋放器等均被流網(wǎng)與廢網(wǎng)等纏繞在一起, 雖然兩套釋放器均已釋放, 但因被漁網(wǎng)牢牢裹住, 造成了永久性失浮。另外, 由于水深等原因,潛水員無法下潛系纜, 若采用作業(yè)型ROV下潛打撈則需要專門的作業(yè)船只配合, 作業(yè)型ROV和配套船只的租賃費(fèi)用昂貴?；诖? 我們設(shè)計(jì)了一種實(shí)操性強(qiáng)的回收方法。

如圖 5所示, 該方法使用的裝置包括回收船只和托底裝置, 其中托底裝置包括張力計(jì)、拖曳繩、分水板、浮球串、回收網(wǎng)、打撈鉤、打底鉛塊及纜繩等, 拖曳繩的一端纏繞在安裝于回收船只的絞車上,拖曳繩的另一端連接于分水板的一端, 該分水板的另一端通過纜繩與打撈回收網(wǎng)側(cè)邊相連。打撈回收網(wǎng)的底部連接有打底鉛塊, 頂部連接有浮球串, 以使其在水中張開。同時(shí), 該回收網(wǎng)上懸掛固定有若干個(gè)打撈鉤。拖曳繩上靠近回收船只的一端安裝有張力計(jì), 以便觀察拖曳網(wǎng)水中張力情況。

圖5 無釋放功能的坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)回收Fig. 5 Recovery of bottom-mounted marine environmental monitoring system without release

具體實(shí)施過程如下： 根據(jù)無釋放功能的坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)所布放的坐標(biāo)位置, 回收船只運(yùn)載托底裝置行駛至距坐標(biāo)位置設(shè)定距離(一般選擇100～300 m)時(shí), 將托底裝置投放入海, 回收網(wǎng)底部在打底鉛塊的作用下沉在海底, 頂部在浮球串的作用下浮于海面或海水中, 回收網(wǎng)通過拖曳繩、分水板及纜繩的作用而張開, 張開寬度可以達(dá)到 100 m以上, 甚至能到300～500 m。然后, 回收船只拖動托底裝置駛向無釋放功能的坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的上方, 經(jīng)過無釋放功能的坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)后再行駛一定距離, 以保證回收網(wǎng)經(jīng)過待回收裝置。在行駛過程中觀察張力計(jì)的示數(shù)變化情況, 在設(shè)定時(shí)間內(nèi), 若張力計(jì)的最大值與最小值之差大于閾值,證明回收網(wǎng)或回收網(wǎng)上的打撈鉤拖住了無釋放功能的坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng), 從而利用船上絞車將此系統(tǒng)回收上來。否則, 回收網(wǎng)或回收網(wǎng)上的打撈鉤未拖住無釋放功能的坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng), 則需調(diào)轉(zhuǎn)回收船只的行駛方向, 重新經(jīng)過無釋放功能的坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)上方, 如此反復(fù), 直到觀測到張力計(jì)的最大值與最小值之差大于閾值, 鉤住無釋放功能的坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng), 再利用絞車完成回收。此法在泥質(zhì)或沙質(zhì)等相對平坦的海底易于實(shí)現(xiàn), 且簡單可靠。

4 總結(jié)展望

截止目前, 我們制作了分別適用于近遠(yuǎn)海環(huán)境的 3種不同類型坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng), 且均開展了較長時(shí)間實(shí)際觀測應(yīng)用, 如圖1或圖2所示的坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng), 于 2009年制作完成, 在北黃海獐子島附近海域已連續(xù)應(yīng)用超過 6年, 但因漁船拖網(wǎng)丟失。針對在長期的近海應(yīng)用過程中, 發(fā)生的漁網(wǎng)纏繞和釋放器失靈等特殊情況, 探索出一種實(shí)操性強(qiáng)的打撈坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的方法： 回收船只通過纜繩和分水板將回收網(wǎng)在海底張開, 航行穿過無釋放功能的海床基觀測系統(tǒng), 回收網(wǎng)上分布了打撈鉤, 如海床基觀測系統(tǒng)上有掛鉤的地方,基本一次通過就可以將海床基觀測系統(tǒng)掛到打撈鉤上, 從而拖帶上船完成回收。通過多次實(shí)踐證明, 此方法效率較高, 且以小型漁船等船只為依托, 配合托底裝置, 易于實(shí)現(xiàn)、成本低, 以簡約的方式實(shí)現(xiàn)了對其打撈, 無需專業(yè)重潛裝置或作業(yè)型ROV(遙控?zé)o人潛水器)裝置。

隨著原位監(jiān)測傳感技術(shù)、海洋實(shí)時(shí)通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展, 坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在小型化和高集成度發(fā)展的趨勢上, 向著實(shí)時(shí)化方向發(fā)展, 具有廣泛的用途。未來將在坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中增加海面通訊單元, 以實(shí)現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸, 為構(gòu)建海洋物聯(lián)網(wǎng)提供幫助。隨著國家海洋戰(zhàn)略的逐步推進(jìn), 我國坐底式海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)也將獲得快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。