基于感應(yīng)電流測量的海峽水通量海底纜線觀測系統(tǒng)設(shè)計

連 展, 官 晟, 魏澤勛, 王新怡 , 孫寶楠

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基于感應(yīng)電流測量的海峽水通量海底纜線觀測系統(tǒng)設(shè)計

連 展1, 2, 3, 官 晟1, 2, 3, 魏澤勛1, 2, 3, 王新怡1, 2, 3, 孫寶楠1, 2, 3

(1. 國家海洋局第一海洋研究所, 山東青島 266061; 2. 海洋環(huán)境科學(xué)和數(shù)值模擬國家海洋局重點實驗室, 山東青島 266061; 3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室區(qū)域海洋動力學(xué)和數(shù)值模擬功能實驗室, 山東青島 266061)

首先回顧了基于海底纜線的海峽水通量觀測理論方法的發(fā)展歷程, 對基于電壓測量的水通量反演方法進行了梳理, 重點闡述了其中的關(guān)鍵觀測要素和主要誤差來源。為了提升系統(tǒng)可靠性、摒棄外界因素干擾, 提出了一種基于感應(yīng)電流測量的觀測方法。對比傳統(tǒng)方法, 分析了本方法的優(yōu)缺點, 評估了基于本方法的海洋觀測系統(tǒng)建設(shè)需求和可能性。最后應(yīng)用本系統(tǒng)建立的一個理想海域——青島膠州灣灣口各類海洋要素的典型取值范圍, 通過合理的特征尺度估算和量綱分析, 估計了基于電流測量的觀測系統(tǒng)中的各類設(shè)備的參數(shù)要求, 其中關(guān)鍵測量器材——電流表至少應(yīng)滿足觀測量程覆蓋10–1~101mA, 觀測精度大于1 μA, 取樣頻率大于1/60 Hz。在電學(xué)測量儀器中, 適應(yīng)本系統(tǒng)要求的器材較普遍, 可選擇的測量儀器種類較豐富。

海底纜線; 海水通量觀測系統(tǒng); 電流測量; 建設(shè)方案

重點海峽水通道的海水通量觀測歷來被視為海洋觀測中的一個重要目標(biāo)[1]。基于海底纜線的海峽水通道海水通量觀測技術(shù)的發(fā)展歷史由來已久[2-3], 其特有的連續(xù)斷面觀測能力, 可克服傳統(tǒng)海洋觀測手段僅能依靠單點觀測、定時觀測等手段獲取離散數(shù)據(jù)的缺點[4], 為海洋流系監(jiān)測、海灣水交換能力等研究工作提供良好的連續(xù)數(shù)據(jù)支撐[5]。

迄今為止, 我國尚未有類似系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗。隨著近年來沿海各類工程設(shè)施的發(fā)展, 基于海底纜線的海洋觀測系統(tǒng)建設(shè)迎來了一個良好的發(fā)展契機[6]。因此, 我們有必要對整個觀測系統(tǒng)所應(yīng)用到的方法、原理進行梳理, 從理論和技術(shù)設(shè)計層面對此類觀測系統(tǒng)的建設(shè)做好準備。

青島膠州灣灣內(nèi)各類海洋工程和海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)眾多, 對海灣與外海水通量的長期監(jiān)測有重要的實際意義。我們應(yīng)用膠州灣灣口各類海洋要素的典型取值范圍, 估算了目標(biāo)海洋通道測量值的量值范圍, 對所設(shè)計觀測系統(tǒng)的關(guān)鍵測量儀器給出了選擇標(biāo)準, 對系統(tǒng)整體設(shè)計方案提出了構(gòu)想。

1 基于海底纜線的海峽水通量觀測方法

1.1 傳統(tǒng)方法——基于感應(yīng)電壓測量

應(yīng)用海底纜線對海水流動展開觀測的電磁學(xué)理論研究最早始于Stommel[2], 后經(jīng)Longuet-Higgins[7]、Larsen和Stanford等[8]的不斷發(fā)展, 已經(jīng)形成了一套比較完善的理論系統(tǒng)。基于此理論的觀測系統(tǒng)在美國佛羅里達外海已經(jīng)連續(xù)成功運行了超過30 a[9]。

該方法原理是通過測量得到海底纜線兩端的電勢差, 然后利用該電勢差的大小和變化, 反演通過整個海洋垂向斷面的海水通量。設(shè)坐標(biāo)系,方向分別為東西方向和南北方向,方向為平面法線方向。設(shè)地球磁場為, 則分別存在F,F,F分量。海峽水道中的海水?dāng)y帶帶電粒子切割磁力線即可在海峽兩側(cè)形成電勢差。

在實際情況中, 海底沉積物和大陸架等均有導(dǎo)電能力, 其產(chǎn)生的豎直和水平方向的導(dǎo)通電流會對造成削弱。即通過儀器測量得到的電勢差要通過復(fù)雜的換算才能最終得到。傳統(tǒng)的換算方法是通過對海底沉積物取樣、對大陸架分層結(jié)構(gòu)開展分析、對海水電導(dǎo)率、岸線長度以及海水深度等參數(shù)進行測量, 建立不同電路之間的關(guān)系, 最終應(yīng)用電路原理學(xué)知識確定和之間的關(guān)系。由于所涉及的參數(shù)過多, 且部分需要人為估計給定。當(dāng)本系統(tǒng)建立在相對遠離人工干擾且水深流急的海域時, 因本身背景觀測值量級較大, 以上參數(shù)可以通過大量實地觀測給出相對誤差較小的估計值。但本觀測系統(tǒng)若建立于城市近海, 觀測目標(biāo)流量可能較小, 導(dǎo)致目標(biāo)電勢差也較小, 對上述參數(shù)的人為估計導(dǎo)致的偏差可能淹沒目標(biāo)信號。同時系統(tǒng)沿岸人為活動較多, 各類相關(guān)電學(xué)參數(shù)也可能隨時間改變。這提示我們針對不同系統(tǒng)建立環(huán)境, 有必要提出一種新的設(shè)計方案。

1.2 改進方法——基于感應(yīng)電流測量

由于海底沉積物和大陸架有漏電回路, 故可將該海-陸系統(tǒng)視作一個電源整體, 海底沉積物和大陸架電阻的組合為該電源的內(nèi)阻, 利用已存在的海底纜線, 根據(jù)它的材料和長度估算出它的電阻為, 并在纜線上串聯(lián)一個外電源,為傳統(tǒng)觀測系統(tǒng)實際測量值,為目標(biāo)測量值。

這樣, 雖然我們要人為提供一個外部電源并且增加了測量次數(shù), 但是在整個系統(tǒng)中, 全部參數(shù)均可以通過直接測量的方法嚴格確定, 使得整個系統(tǒng)的可靠性大大提高, 避免了估算海水、海峽兩岸及沉積物等的導(dǎo)電性質(zhì)所可能帶來的誤差。同時, 本系統(tǒng)的待測參數(shù)量值相對較小, 儀器線路連接狀態(tài)可能會對測得量值有所影響, 同時船只經(jīng)過和觀測系統(tǒng)周邊的人工設(shè)施引起的電磁干擾等都有可能會對引起系統(tǒng)測值的偏離。但是本系統(tǒng)的方案基礎(chǔ)決定了這所有干擾項都可以被統(tǒng)一視為“內(nèi)阻()”導(dǎo)致, 因此其引起的誤差可以被多次測量并求解方程組的方法一并消除。

外部電源以及多次測量這兩個限制條件, 是一個本著長期連續(xù)觀測為目的的觀測系統(tǒng)所容易實現(xiàn)的。在實際海洋中, 整個海峽斷面內(nèi)海水平均流動的變化周期往往是以分鐘乃至小時為單位的, 因此以相對海水流動變化較短的時間連續(xù)觀測也較易實現(xiàn)。

1.3 海水流量的反演

2 基于電流測量的海水通量觀測系統(tǒng)設(shè)計——以膠州灣灣口為例

2.1 觀測設(shè)備選型

國際上基于海底纜線電壓測量的海峽水通量觀測系統(tǒng)已經(jīng)并不罕見, 對本系統(tǒng)的有關(guān)設(shè)備選擇已經(jīng)有了較成熟的參考意見。而基于海底纜線電流測量的相關(guān)觀測系統(tǒng)迄今為止較為少見, 為了對本系統(tǒng)所涉及的觀測要求精度和量程有所掌握, 我們應(yīng)用膠州灣灣口的典型尺度參數(shù)對本系統(tǒng)對觀測設(shè)備的參數(shù)要求進行了分析。

依據(jù)以上分析, 海底電纜導(dǎo)體中的感應(yīng)電流與海底電纜的電阻和因為海水切割地球磁場產(chǎn)生的電勢差之間的關(guān)系為:

以青島近海膠州灣灣口水道為例, 通道空間尺度約為寬10 km, 平均水深約20 m, 通過此水道的海水平均流速量級可考慮為10–1m/s[10], 則單位時間內(nèi)該通道海水通量量級為104m3/s。本海域的海水溫度、鹽度和地球磁場強度等也可設(shè)定為同緯度近海典型值。基于以上特征參數(shù), 應(yīng)用量綱估算的方法, 參照Nolasco等[11]的實際觀測結(jié)果(海水體積通量與感應(yīng)電動勢的換算系數(shù)為720 m3/(s·mV)), 在此水道內(nèi)因海水流動導(dǎo)致的感應(yīng)電動勢量值應(yīng)為101mV。此系統(tǒng)中的電源為我們?nèi)我庠O(shè)計, 因此也可將其電壓給定為101mV。根據(jù)國外已有的類似近海觀測系統(tǒng)經(jīng)驗,的數(shù)值約為101Ω[11]。海底纜線種類若采用較常見的交聯(lián)聚乙烯絕緣纜線, 其通常電阻為1 Ω/km, 對應(yīng)上述關(guān)系式中的量值應(yīng)為101Ω。綜合分析以上量綱, 將其代入公式中, 可得系統(tǒng)的觀測目標(biāo)——感應(yīng)電流量值應(yīng)為100mA。

因此, 整個觀測系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備——電流觀測設(shè)備, 對其的技術(shù)參數(shù)要求應(yīng)至少能滿足觀測量程覆蓋10–1mA至101mA, 觀測精度大于1μA, 取樣頻率大于1/60 Hz。符合以上要求的該類電學(xué)測量儀器較為常見, 如安捷倫(Aglient) 3458A型臺式電流表即可滿足本系統(tǒng)的搭建需要。其量程為100 nA~1 A, 測量速度為1 350讀數(shù)/s, 最高靈敏度為1 pA, 24 h精度為14×10–6。

除此之外, 本系統(tǒng)還需配置一個外部電源, 此電源的關(guān)鍵指標(biāo)為穩(wěn)定性, 要求該電源輸出的電壓波動小于流速變化引起的電壓波動。根據(jù)以上分析, 可滿足該條件的穩(wěn)壓電源也較普遍, 如遠方EVERFINE WY3020精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源。其輸出電壓分辨率為0.1 mV, 輸出電壓漂移為±0.01%讀數(shù)。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計方案

本觀測系統(tǒng)設(shè)計示意圖見圖2。在最理想情況下, 本系統(tǒng)將依托于連接青島主城區(qū)和黃島區(qū)的退役供電或通信海底電纜建立。穿越整個海峽斷面的海底電纜在一端岸基接地, 另一端從海水中延伸出后先后串聯(lián)精密電流表和穩(wěn)定電源, 最終同樣接地。在此端建設(shè)可長期固定記錄數(shù)據(jù)的岸基設(shè)施, 有規(guī)律地連續(xù)存儲對應(yīng)的觀測時間、供電電壓和測得的電流數(shù)據(jù)。觀測時間間隔可分為兩種, 一種間隔較長的取樣可設(shè)計以分鐘為時間單位, 同時每次記錄數(shù)據(jù)時還需設(shè)計以秒為時間單位的多次短間隔取樣, 通過間接計算的方法求得最終所需結(jié)果。

3 小結(jié)

本文回顧了整個觀測理論方法的發(fā)展歷程, 然后提出了一種基于電流測量的觀測方法。該方法可以不必定量分析底質(zhì)非絕緣沉積物、沿岸水平回路、接線柱腐蝕等引入系統(tǒng)的較穩(wěn)定誤差因素; 由于短時間內(nèi)多次測量, 也不需定量分析船舶、電磁干擾、地磁變化等隨機誤差因素, 提升了測量系統(tǒng)準確性和可實現(xiàn)程度。觀測系統(tǒng)建立較為便捷, 可以直接搭載于各類海底纜線之上, 對纜線不需要進行較大規(guī)模的調(diào)整和改裝。

在此我們針對青島近海膠州灣的具體海域狀況設(shè)計了測量系統(tǒng)方案, 并進行了關(guān)鍵設(shè)備的選型, 下一步將開展現(xiàn)場試驗, 進一步提升基于電流測量的海水通量觀測方法的實用性。

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Designing a submarine cable observation system using water flux through a strait based on motion-induced electric current

LIAN Zhan1, 2, 3, GUAN Sheng1, 2, 3, WEI Ze-xun1, 2, 3, WANG Xin-yi1, 2, 3, SUN Bao-nan1, 2, 3

(1. First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China; 2. Laboratory for Regional Oceanography and Numerical Modeling, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266061, China; 3. Key Laboratory of Marine Science and Numerical Modeling, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China)

In this paper, first, we review the course of developing a submarine cable observational system using water flux through a strait. Second, by analyzing the inverse method of water flux when measuring the motion-induced voltage, we focus on the key observational elements and the main error sources. In order to improve the reliability of the observation system and reduce interference, we propose a new observational system based on measuring the motion-induced electric current. By comparing with the traditional method, we analyze the advantages and disadvantages of the proposed method and evaluate the demand and possibility of constructing such an observation system. Finally, by using the typical ranges of marine elements in the mouth of the Jiaozhou Bay, Qingdao, which is an ideal area for building the observation system; furthermore, by estimating the characteristic scale and conducting a dimension analysis, we find the parameter requirements of devices that are present in a system, which measures the motion-induced electric current. An ammeter with an observational accuracy of greater than 1 μA and a sampling rate higher than 1/60 Hz is required to measure in the range of 10?1—10mA, which is the key measurement equipment used for this system. This requirement is common in electrical measurement instruments, and a wide variety of devices with such specifications are available.

submarine cable; observation system of water flux; measure of electric current; development scheme

(本文編輯: 劉珊珊 李曉燕)

Feb. 29, 2016

[Basic Scientific Fund for National Public Research Institutes of China, No. 2012G03; NSFC-Shandong Joint Fund for Marine Science Research Centers, No. U1406404]

P714+.1

A

1000-3096(2016)10-0071-05

10.11759/hykx20160229001

2016-02-29;

2016-05-05

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(2012G03); 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(U1406404)

連展(1982-), 男, 山東青島人, 助理研究員, 碩士, 主要從事海洋環(huán)流方面研究, 電話: 0532-88967320, E-mail: lianzhan@fio.org.cn;官晟,通信作者, 工程技術(shù)帶頭人, 主要從事海洋物理應(yīng)用技術(shù)方面研究, 電話: 0532-88967320, E-mail: gsh30@163.com