抗拖網(wǎng)海床基的研究與應(yīng)用

抗拖網(wǎng)海床基的研究與應(yīng)用

0主要裝置的發(fā)展典型抗拖跑網(wǎng)的海床上（trbm）包括坐平臺(tái)、抗拖網(wǎng)的外罩、聲音釋放單元、浮體、信號(hào)收集單元、配置鉤子、安裝框架、水流檢測(cè)儀器及其安裝支架。同時(shí)，應(yīng)提供具有聲音表面甲板的聲音裝置?？雇暇W(wǎng)海床基作為海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域常用的重要裝置,其技術(shù)與產(chǎn)品一直由國外領(lǐng)先,近年來國內(nèi)開始陸續(xù)開展抗拖網(wǎng)海床基的研究,但對(duì)國外抗拖網(wǎng)海床基技術(shù)與產(chǎn)品的系統(tǒng)介紹相對(duì)較少。本文詳述了有關(guān)國外抗拖網(wǎng)海床基的技術(shù)現(xiàn)狀與進(jìn)展,希望能夠?yàn)槲覈Ｑ罂萍脊ぷ髡咛峁┮欢ǖ膮⒖肌?系統(tǒng)組成和功能1.1抗拖網(wǎng)海床基國外較常見的抗拖網(wǎng)海床基外觀主要以圓形和多邊形為主,包括8邊形、6邊形及4邊形,尺寸在以平臺(tái)中心為基點(diǎn)直徑1～4m范圍內(nèi)為主,加拿大“海王星”海底觀測(cè)網(wǎng)(NEPTUNE-Canada)所用到的抗拖網(wǎng)海床基則達(dá)到了6m。意大利PROTECOSUB公司的抗拖網(wǎng)海床基外觀以圓型為主,美國FloTec公司則以多邊形結(jié)構(gòu)為主,另外,美國伍茲霍爾海洋研究所及美國國家海洋和大氣管理局研制應(yīng)用的海床基以多邊形為主。平臺(tái)根據(jù)實(shí)際要求可設(shè)計(jì)成回收式或拋棄式。1.2材料和結(jié)構(gòu)材料坐底平臺(tái)是抗拖網(wǎng)海床基系統(tǒng)的主要部件之一,一般體積和重量較大,是海床基實(shí)現(xiàn)坐底姿態(tài)穩(wěn)定的重要單元,同時(shí)也是安裝其它儀器設(shè)備的載體。加工坐底平臺(tái)的材料首先要考慮耐海水腐蝕,包括金屬和非金屬材料。目前,金屬材料多以316L不銹鋼和鋁合金為主,也有部分采用普通鋼材,外表面涂抹防護(hù)材料。由于價(jià)格昂貴,極少采用鈦合金制造坐底平臺(tái)。非金屬材料則以耐海水的硅酸鹽水泥和具有較高強(qiáng)度的玻璃鋼為主。意大利PROTECOSUB公司抗拖網(wǎng)海床基坐底平臺(tái)有2種:一種是采用硅酸鹽水泥澆筑為圓環(huán)形的平臺(tái);另一種是采用厚度15～30mm的316L圓形不銹鋼板。這兩種坐底平臺(tái)重量較大,都能夠起到穩(wěn)定海床基的作用。美國FloTec公司與美國伍茲霍爾海洋研究所則采用防銹鋁、不銹鋼等材質(zhì)加工成的框架作為平臺(tái)主體,必要時(shí)額外增加壓艙體作為配重,保證坐底姿態(tài)穩(wěn)定,壓艙體一般選用塊狀的鋼錠和鉛塊。海床基其它組成部件主要以坐底平臺(tái)為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及整體裝配,坐底平臺(tái)結(jié)合其它部分為搭載儀器設(shè)備提供安裝接口。因此,坐底平臺(tái)在強(qiáng)度、剛度、重量以及體積方面要符合整體設(shè)計(jì)要求。坐底平臺(tái)根據(jù)實(shí)際要求可設(shè)計(jì)成回收式或拋棄式。1.3抗拖網(wǎng)罩設(shè)計(jì)放置在近岸淺水區(qū)坐底的海洋監(jiān)測(cè)儀器遭受破壞的通常方式為:漁船的底拖網(wǎng)將坐底監(jiān)測(cè)儀器撞壞或拖走。因此搭載海洋監(jiān)測(cè)儀器的海床基外罩必須具備抵抗?jié)O船拖網(wǎng)撞擊破壞的能力?？雇暇W(wǎng)罩主要針對(duì)漁船拖網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及捕魚作業(yè)方式,并結(jié)合海床基布放海域的水動(dòng)力、地質(zhì)特征等進(jìn)行抗拖網(wǎng)功能設(shè)計(jì),還要考慮外罩要有足夠的強(qiáng)度和剛度。另外,外罩能夠與坐底平臺(tái)緊固配合,構(gòu)成一體,為內(nèi)部搭載的海洋監(jiān)測(cè)儀器提供安裝防護(hù)空間。抗拖網(wǎng)罩(或框架)以流線型和錐形結(jié)構(gòu)居多,具有光滑的外表面。抗拖網(wǎng)外罩(或框架)主要根據(jù)搭載儀器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)開展設(shè)計(jì)。在材料選擇上,多以316L不銹鋼與鋁合金為主,非金屬材料主要以玻璃鋼進(jìn)行加工。部分抗拖網(wǎng)外罩選用與坐底平臺(tái)相同的材料。1.4浮體的回收浮體回收浮體有2種形式:一種是單純作為浮體攜帶與其連接的回收繩索上浮水面,便于水面船只回收海床基及監(jiān)測(cè)儀器,此種浮體可采用產(chǎn)品化的浮球,或是環(huán)形、方塊形浮體;另一種是設(shè)計(jì)可搭載多種監(jiān)測(cè)儀器接口的浮體,此種浮體上浮水面時(shí),可將與浮體緊固配合的監(jiān)測(cè)儀器帶至水面,提高數(shù)據(jù)以及設(shè)備優(yōu)先回收的可靠性,然后再利用隨浮體上浮的回收繩索回收海床基。目前,第二種方式正在獲得越來越廣泛的應(yīng)用。較常用的回收浮體多采用玻璃鋼工藝制作。美國FloTec公司的HardBallFloats,采用高強(qiáng)度環(huán)氧基材料作基材,根據(jù)不同的使用水深,填充不同的浮力調(diào)節(jié)介質(zhì),選用適當(dāng)?shù)暮铣煞椒庸ざ?。意大利PROTECOSUB公司的模塊化浮體則用玻璃鋼形成外殼,內(nèi)部填充PVC浮力芯材,為提高抗沖擊性和耐侵蝕,浮體外表面還澆注聚乙烯或ABS外殼,外殼厚度在5～15mm。做為回收浮體重要環(huán)節(jié)的回收繩索,現(xiàn)階段多采用由荷蘭DSM公司生產(chǎn)的Dyneema高強(qiáng)度纖維船用纜繩,并用比利時(shí)GOVI公司生產(chǎn)的Lago樹脂后處理,添加護(hù)套。這種高分子聚乙烯纖維纜繩重量輕,比同等直徑的鋼絲纜繩輕87.5%左右,強(qiáng)度高1.5倍左右。1.5海洋監(jiān)測(cè)儀器根據(jù)有無水面或岸基能源供給,抗拖網(wǎng)海床基分為自容式與有纜供電式。目前由于高容量電池以及電器元件低功耗技術(shù)的發(fā)展,自容式海床基獲得了廣泛應(yīng)用,尤其是在遠(yuǎn)離大陸的海域,自容式海床基有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)實(shí)際需要,自容式海床基可搭載包括聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)、溫鹽深儀(CTD)、水位計(jì)、聲學(xué)測(cè)波儀、海底地震儀(OBS)、磁力儀等十幾種監(jiān)測(cè)儀器,能夠獲得水文、地質(zhì)、地球物理以及生態(tài)共計(jì)20多種參數(shù)。有纜供電式海床基通過水面浮標(biāo)或岸基電纜進(jìn)行能源供給,除搭載與自容式海床基相同的監(jiān)測(cè)儀器外,還配置有中央控制器,以實(shí)現(xiàn)對(duì)搭載儀器能源分配和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集傳輸。無論是自容式還是有纜供電式,海床基都要安裝有聲學(xué)釋放器,主要用于海床基回收浮體的釋放,實(shí)現(xiàn)對(duì)海床基本體的回收。上述海洋監(jiān)測(cè)儀器除與浮體緊固配合的儀器以外,都要固定安裝在與海床基配套安裝的固定支架上,通過固定支架與海床基組成一體。固定支架多采用316L不銹鋼進(jìn)行制造,安裝固定以螺栓連接或氬弧焊焊接為主要方式。另外,部分緊固件采用尼龍、聚四氟乙烯或PVC板材加工制造。1.6其他(1)超聲水面釋放浮球海床基搭載的聲學(xué)釋放器需要一套與之配套的水面甲板單元進(jìn)行支持,通過聲學(xué)水面甲板單元往水下發(fā)送釋放指令后,聲學(xué)釋放器才能釋放回收浮球。目前,各國采用較多的聲學(xué)釋放器主要有美國Benthos、法國IXsea以及英國SonarDyne公司的產(chǎn)品。(2)用原生架恢復(fù)從豎直姿態(tài)到平臺(tái)姿態(tài)聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)在海底工作時(shí),要求保持在豎直方向上,傾角范圍在±15°以內(nèi)。對(duì)于海底地形資料不明確的情況下,海床基若布放在斜坡上,會(huì)使得ADCP偏離使用傾角范圍,這時(shí)可通過常平架使ADCP恢復(fù)到豎直姿態(tài)。常平架多使用316L不銹鋼或聚四氟乙烯加工制造。此外,在進(jìn)行海床基布放的時(shí)候,可以搭載姿態(tài)儀,以確定坐底后海床基的姿態(tài)參數(shù)。姿態(tài)儀在完成布放后可進(jìn)行及時(shí)回收。(3)系統(tǒng)腐蝕。在使用環(huán)系統(tǒng)由多種儀器設(shè)備組成,使用的材料各有不同。為防止不同材料之間的電化學(xué)腐蝕,需要在不同材料間采取絕緣措施,并在系統(tǒng)上加裝犧牲陽極。另外,為使系統(tǒng)在水下不被海水腐蝕和海生物附著,還需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行涂敷相應(yīng)的防護(hù)涂料。所有工作的監(jiān)測(cè)儀器都帶電,因此搭載儀器部件都必須進(jìn)行防水設(shè)計(jì)。2布置放回收技術(shù)要想使海床基能夠完成按預(yù)定設(shè)計(jì)的功能正常工作,并獲得詳實(shí)準(zhǔn)確的海洋環(huán)境參數(shù),必須設(shè)計(jì)一套實(shí)用可靠的布放回收技術(shù)。2.1克氏原螯蝦的布放海床基的布放一般有2種方式:一種是采用吊裝方式布放,意大利PROTECOSUB公司研制的抗拖網(wǎng)海床基采用的就是吊裝方式布放,如圖1所示。海床基在后甲板由A型架(或折臂吊)配合絞車進(jìn)行吊裝布放,同時(shí)準(zhǔn)備一臺(tái)聲學(xué)釋放器配合海床基的布放。布放用的聲學(xué)釋放器釋放脫鉤的一端通過U型環(huán)與海床基布放裝置掛鉤連接,聲學(xué)釋放器尾部一端與A型架鋼絲繩連接,并在聲學(xué)釋放器尾部加掛兩套浮球。通過后甲板絞車及A型架(或折臂吊)將海床基吊起,緩緩放入水中,海床基在絞車的釋放下放到海底,最后由布放聲學(xué)釋放器甲板單元向水下發(fā)送釋放指令,布放聲學(xué)釋放器釋放鉤打開,在兩套浮球的浮力作用下上浮,同時(shí)回收絞車,至此海床基布放工作結(jié)束;另外一種布放方式是在貼近水面上方將布放聲學(xué)釋放器脫鉤打開,利用海床基自重下沉到海底。這種布放方式是針對(duì)一種特殊結(jié)構(gòu)的抗拖網(wǎng)海床基。當(dāng)然,設(shè)計(jì)這種抗拖網(wǎng)海床基具有一定難度。美國WHOI研究所的SeanKery已完成實(shí)體研制,并成功申請(qǐng)專利。2.2浮體攜帶浮體的釋放指令可利用浮球攜帶浮體和浮體攜帶浮體根據(jù)海床基使用回收浮體結(jié)構(gòu)不同,其設(shè)計(jì)也有2種回收方式用于海床基的回收:一種方式是將浮球與海床基搭載的聲學(xué)釋放器連接,該浮球同時(shí)連接有一根回收繩索,當(dāng)水面甲板單元向海床基發(fā)送釋放指令時(shí),釋放器打開,浮球攜帶回收繩索上浮,由水面工作人員將浮球打撈,利用回收繩索將海床基及其攜帶的儀器打撈回收;另一種方式是采用模塊化浮體的海床基,將儀器設(shè)備與浮體裝配一體,并且具有足夠的凈浮力,當(dāng)水面甲板單元向海床基發(fā)送釋放指令時(shí),釋放器打開,浮體攜帶儀器設(shè)備上浮至水面,由水面工作人員將浮體打撈,再利用浮體攜帶的回收繩索將海床基打撈回收。特殊情況下,若儀器設(shè)備回收后,可拋棄坐底平臺(tái)和抗拖網(wǎng)罩。3抗拖網(wǎng)海床基的開發(fā)在淺海區(qū)開展的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中,抗拖網(wǎng)海床基應(yīng)用越來越受到重視,國外幾所科研機(jī)構(gòu)及公司研制的抗拖網(wǎng)海床基均取得了良好的應(yīng)用效果。從已知的文獻(xiàn)獲知,美國伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)研制的4種型號(hào)的抗拖網(wǎng)海床基,在為美國海軍服務(wù)的項(xiàng)目中都獲得成功應(yīng)用;美國FleTec公司則已將抗拖網(wǎng)海床基產(chǎn)品化,銷往其它國家;意大利PROTECOSUB公司與北約水下研究中心(NURC)和美國海軍研究所(NRL)從1995～2009年期間合作,共計(jì)在世界各地6處海峽進(jìn)行了大量抗拖網(wǎng)海床基應(yīng)用,布放海域水深達(dá)到200m,水下應(yīng)用時(shí)間達(dá)到1年,獲得了大量有價(jià)值