淺海坐底式海洋環境監測系統開發應用及其回收方法研究

陳永華, 胡賀崗, 劉慶奎, 姜 斌, 李曉龍

(中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071)

坐底式海洋環境監測系統, 又稱為海床基觀測系統, 是以布放在海底的坐底式平臺為依托, 集成多種海洋環境監測設備或傳感器, 獲取多類海洋環境要素的監測系統[1]。可對海洋環境進行定點、長期、連續、隱蔽的多要素監測, 在海洋環境監測方面獲得了廣泛應用, 被稱為第三觀測平臺。其以相對安全和準確的方式為物理海洋、海洋地質、海洋生態和海洋生物等海洋學研究提供第一手資料, 并可為海水養殖和海洋工程等提供基礎數據支撐, 它應用廣泛,其用途取決于所搭載的傳感器設備, 根據不同的觀測需求, 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、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)生物化學類： 葉綠素儀、溶解氧儀、pH計、CO2儀、甲烷儀、營養鹽儀、H2S傳感器等。(4)其他：圖像、視頻等。坐底式海洋環境監測系統主要有兩種形式： 獨立的坐底式海洋環境監測裝置和海底觀測網絡節點, 獨立的坐底式海洋環境監測裝置是單個平臺裝置集成觀測設備進行觀測; 而構成海底觀測網絡節點的坐底觀測系統是海底觀測網的一個觀測點和中轉站, 其除了具有觀測功能外, 還負責數據的傳輸中轉和能量的傳遞等。

國際上經過近幾十年的不斷發展, 獨立的坐底式海洋環境監測平臺形成了多個產品, 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境監測平臺產品[2-3]。國內經過近 30年“863”計劃、國家科技攻關計劃和各部委裝備研發計劃等項目的支持, 部分海洋單位也積累了一些坐底式海洋環境監測系統技術。國家海洋技術中心在 20世紀 90年代末(“九五”863支持)開始研發“海床基海洋環境自動監測系統”,2000年以后不斷改進, 所制作的坐底式海洋環境監測平臺具備了防拖網、環境適應性強等特點[4]。其后, 中國科學院海洋研究所、自然資源部第一海洋研究所、中國海洋大學和國家海洋環境監測中心等國內涉海單位分別針對不同研究與應用需求, 設計開發了坐底式海洋環境監測系統[5-7]。

深海型坐底式海洋環境監測系統一般體積比較龐大, 可以搭載更多的監測傳感器, 進行海底綜合性長期連續觀測。深海多數情況下沒有底拖網, 因此深海型坐底式海洋環境監測系統一般不設計防拖網功能。國際上深海坐底式監測系統的研制和應用起源于20世紀70年代, 美國在20世紀70年代至90年代開發了多種不同用途的深海自動監測平臺系統。20世紀90年代以后, 隨著美國海底網絡觀測站計劃NEPTUNE的實施, AUV等新一代技術裝備和深海海底監測平臺獲得了廣泛發展和應用, 但相對于 AUV技術, 由于深海坐底式監測系統具有制作成本低、使用方便和觀測針對性強等特點, 其應用仍然位于舉足輕重的位置。20世紀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費支持下相繼開展了深海坐底式監測系統的研制,其中20世紀90年代具有代表性的系統有英國與丹麥合作研制的用于深海海底地球化學和生物研究的BENBO系統[8]; 德國 GEOMAR研制的用于海底天然氣水合物和海底熱液調查的綜合海底觀測系統VESP; 法國 IFREMER研制的模塊化深海海底觀測系統; 以及由歐洲共同體合作研制的海底綜合觀測系統GEOSTAR等, 其中GEOSTAR現在已經發展了若干代, 性能不斷提高。

國內中國科學院海洋研究所和中國海洋大學等單位研制了多款深海型坐底式海洋環境監測系統。2006年, 中科院海洋所研制了坐底式海洋環境監測系統——海底沙棘沙波原位監測系統, 此系統架體長寬高大約都為2 m, 系統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, 光學透射儀,光學后反射儀, 傾斜儀, 水下視頻采集系統, 水下定標和水面信標以及相應的高精度時鐘, 自動定時加電控制系統, 數字采集與記錄系統及可充電式高容量鋰電池組等; 同時系統配有聲通訊釋放設備[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顆粒參數等進行觀測,并能定時進行水下攝像和照相, 從而得到特殊海洋環境下海底地形運動和遷移規律等海床動力特性,進而揭示其與結構物的相互影響和作用規律。該系統于2007年在南海北部灣海域進行了8個多月的測試性應用, 獲取了詳實的第一手多要素資料, 其結果為海上平臺、海底管線等的設計和運營提供科學依據和安全保障。截至目前, 該系統還可正常定期進行觀測應用。

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

基于海水規模化養殖和海洋科學研究需要長期觀測數據支撐的需求, 中國科學院海洋研究所設計開發了一套淺海坐底式海洋環境監測系統, 并與獐子島集團股份有限公司合作, 在北黃海海域進行了長時間海上應用。對其結構組成特點、原理功能和實際應用情況等進行了詳細闡述; 并在實際維護過程中, 摸索總結了一種實操性強的打撈回收方法。

1 小型淺海坐底式海洋環境監測系統結構設計與系統開發

坐底式海洋環境監測系統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、保護裝置和回收裝置等構成。支撐架體是系統的支撐, 要滿足如下基本條件： (1)具有良好的設備搭載和擴充功能： 可根據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載能力, 同時擁有合適的傳感器設備安裝位置等; (2)保證傳感器的測量精度： 基于安全考慮, 觀測設備一般位于支撐架體內部, 要保證測量的準確度, 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, 以便能夠實現相關要素的精準測量; (3)具有耐腐蝕和防生物附著的特性： 由于支撐架體要長時間(可能數年)持續在海上工作, 這需要從材料的選擇和防護方法上予以考慮; (4)穩性要好： 由于系統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, 穩定性好, 針對近海應用, 低矮的結構特點在一定程度上能起到防拖網的作用。密封艙體承裝電池和采集控制裝置, 起到供電和數據采集與通信控制的作用。海床基的安全保障系統設計上通常包括防材料腐蝕、防生物附著、防漁民拖網和防泥沙淤積等。布放回收系統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是我們設計適用于近海環境的一款小型淺海坐底式海洋環境監測系統。

圖1 中國科學院海洋研究所設計的淺海小型坐底式海洋環境監測系統Fig. 1 Offshore seabed-based observation system designed in the Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences

此系統所設計的技術指標見表1。

表1 淺海小型坐底式海洋環境監測系統技術指標Tab. 1 Technical parameters of the offshore seabedbased observation system

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

圖2 淺海小型坐底式海洋環境監測系統實物圖Fig. 2 Picture of the small, bottom-mounted instrument designed

2 小型淺海坐底式海洋環境監測系統的應用

坐底式海洋環境監測系統具有原位、長期、連續、不受海況和天氣影響、數據質量高、可多要素同步觀測等技術優勢。如上裝置, 我們搭載了物理海洋類的探測儀器： 300 kHz聲學多普勒剖面流速儀(ADCP)和溫深儀(TD), ADCP設置采樣頻率為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個樣本(每個樣本間隔1 s), 將其布放于北黃海獐子島附近海域, 該海域為泥質海底, 并且北黃海海流和水團結構復雜, 受冷水團影響明顯, 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殖基地之一, 也是我國最大的蝦夷扇貝的養殖基地, 開展長期連續觀測研究意義較大。此系統在該海域布放應用了數年, 一般持續工作數個月后, 對系統進行回收, 讀取數據和更換電池, 并對設備進行清理, 而后再將系統布放原位繼續進行工作。此種方式的維護, 一般在海上直接進行, 節約了船時, 并有利于獲取連續的觀測數據。截取一個半月的數據曲線如圖3所示。

通過數據圖可以明顯看出該海域潮流和潮差變化情況, 以及海底溫度隨時間的變化情況。另外, 經過嚴格的數據篩查檢驗, 數據獲取率和完好率均超過 99%, 為開展相關研究和海水養殖等提供了數據支撐。

圖3 淺海小型坐底式海海洋監測系統獲取的部分數據Fig. 3 Partial data obtained by the instrument

3 回收方法

坐底式海洋環境監測系統若本身帶有聲學釋放器, 并且釋放器本體和輔助連接機構可以有效工作,則其回收相對簡單, 直接進行釋放回收即可。但若系統本身不帶釋放器, 或者釋放器失效(包括其連動釋放裝置失效), 又或者有漁網纏繞等, 此時, 系統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境監測系統被漁網纏繞情形Fig. 4 Fishing nets entangled on a bottom-mounted marine environmental monitoring system deployed in the China South Sea

圖 4中, 坐底式海洋環境監測系統中的觀測平臺、觀測設備和釋放器等均被流網與廢網等纏繞在一起, 雖然兩套釋放器均已釋放, 但因被漁網牢牢裹住, 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, 若采用作業型ROV下潛打撈則需要專門的作業船只配合, 作業型ROV和配套船只的租賃費用昂貴。基于此, 我們設計了一種實操性強的回收方法。

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、拖曳繩、分水板、浮球串、回收網、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側邊相連。打撈回收網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, 該回收網上懸掛固定有若干個打撈鉤。拖曳繩上靠近回收船只的一端安裝有張力計, 以便觀察拖曳網水中張力情況。

圖5 無釋放功能的坐底式海洋環境監測系統回收Fig. 5 Recovery of bottom-mounted marine environmental monitoring system without release

具體實施過程如下： 根據無釋放功能的坐底式海洋環境監測系統所布放的坐標位置, 回收船只運載托底裝置行駛至距坐標位置設定距離(一般選擇100～300 m)時, 將托底裝置投放入海, 回收網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, 回收網通過拖曳繩、分水板及纜繩的作用而張開, 張開寬度可以達到 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境監測系統的上方, 經過無釋放功能的坐底式海洋環境監測系統后再行駛一定距離, 以保證回收網經過待回收裝置。在行駛過程中觀察張力計的示數變化情況, 在設定時間內, 若張力計的最大值與最小值之差大于閾值,證明回收網或回收網上的打撈鉤拖住了無釋放功能的坐底式海洋環境監測系統, 從而利用船上絞車將此系統回收上來。否則, 回收網或回收網上的打撈鉤未拖住無釋放功能的坐底式海洋環境監測系統, 則需調轉回收船只的行駛方向, 重新經過無釋放功能的坐底式海洋環境監測系統上方, 如此反復, 直到觀測到張力計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境監測系統, 再利用絞車完成回收。此法在泥質或沙質等相對平坦的海底易于實現, 且簡單可靠。

4 總結展望

截止目前, 我們制作了分別適用于近遠海環境的 3種不同類型坐底式海洋環境監測系統, 且均開展了較長時間實際觀測應用, 如圖1或圖2所示的坐底式海洋環境監測系統, 于 2009年制作完成, 在北黃海獐子島附近海域已連續應用超過 6年, 但因漁船拖網丟失。針對在長期的近海應用過程中, 發生的漁網纏繞和釋放器失靈等特殊情況, 探索出一種實操性強的打撈坐底式海洋環境監測系統的方法： 回收船只通過纜繩和分水板將回收網在海底張開, 航行穿過無釋放功能的海床基觀測系統, 回收網上分布了打撈鉤, 如海床基觀測系統上有掛鉤的地方,基本一次通過就可以將海床基觀測系統掛到打撈鉤上, 從而拖帶上船完成回收。通過多次實踐證明, 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, 易于實現、成本低, 以簡約的方式實現了對其打撈, 無需專業重潛裝置或作業型ROV(遙控無人潛水器)裝置。

隨著原位監測傳感技術、海洋實時通信技術和物聯網技術的不斷發展, 坐底式海洋環境監測系統在小型化和高集成度發展的趨勢上, 向著實時化方向發展, 具有廣泛的用途。未來將在坐底式海洋環境監測系統中增加海面通訊單元, 以實現觀測數據的實時傳輸, 為構建海洋物聯網提供幫助。隨著國家海洋戰略的逐步推進, 我國坐底式海洋環境監測技術也將獲得快速發展和廣泛應用。