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、抗拖網(wǎng)的外罩、聲音釋放單元、浮體、信號收集單元、配置鉤子、安裝框架、水流檢測儀器及其安裝支架。同時，應(yīng)提供具有聲音表面甲板的聲音裝置。抗拖網(wǎng)海床基作為海洋監(jiān)測技術(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,但對國外抗拖網(wǎng)海床基技術(shù)與產(chǎn)品的系統(tǒng)介紹相對較少。本文詳述了有關(guān)國外抗拖網(wǎng)海床基的技術(shù)現(xiàn)狀與進展,希望能夠為我國海洋科技工作者提供一定的參考。1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,尺寸在以平臺中心為基點直徑1～4m范圍內(nèi)為主,加拿大“海王星”海底觀測網(wǎng)(NEPTUNE-Canada)所用到的抗拖網(wǎng)海床基則達到了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。平臺根據(jù)實際要求可設(shè)計成回收式或拋棄式。1.2材料和結(jié)構(gòu)材料坐底平臺是抗拖網(wǎng)海床基系統(tǒng)的主要部件之一,一般體積和重量較大,是海床基實現(xiàn)坐底姿態(tài)穩(wěn)定的重要單元,同時也是安裝其它儀器設(shè)備的載體。加工坐底平臺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,外表面涂抹防護材料。由于價格昂貴,極少采用鈦合金制造坐底平臺。非金屬材料則以耐海水的硅酸鹽水泥和具有較高強度的玻璃鋼為主。意大利PROTECOSUB公司抗拖網(wǎng)海床基坐底平臺有2種:一種是采用硅酸鹽水泥澆筑為圓環(huán)形的平臺;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主體,必要時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為基礎(chǔ)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計以及整體裝配,坐底平臺結(jié)合其它部分為搭載儀器設(shè)備提供安裝接口。因此,坐底平臺在強度、剛度、重量以及體積方面要符合整體設(shè)計要求。坐底平臺根據(jù)實際要求可設(shè)計成回收式或拋棄式。1.3抗拖網(wǎng)罩設(shè)計放置在近岸淺水區(qū)坐底的海洋監(jiān)測儀器遭受破壞的通常方式為:漁船的底拖網(wǎng)將坐底監(jiān)測儀器撞壞或拖走。因此搭載海洋監(jiān)測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力、地質(zhì)特征等進行抗拖網(wǎng)功能設(shè)計,還要考慮外罩要有足夠的強度和剛度。另外,外罩能夠與坐底平臺緊固配合,構(gòu)成一體,為內(nèi)部搭載的海洋監(jiān)測儀器提供安裝防護空間。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?？雇暇W(wǎng)外罩(或框架)主要根據(jù)搭載儀器的結(jié)構(gòu)特點開展設(shè)計。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行加工。部分抗拖網(wǎng)外罩選用與坐底平臺相同的材料。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)計可搭載多種監(jiān)測儀器接口的浮體,此種浮體上浮水面時,可將與浮體緊固配合的監(jiān)測儀器帶至水面,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?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高強度纖維船用纜繩,并用比利時GOVI公司生產(chǎn)的Lago樹脂后處理,添加護套。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,強度高1.5倍左右。1.5海洋監(jiān)測儀器根據(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,尤其是在遠離大陸的海域,自容式海床基有獨特的優(yōu)勢。根據(jù)實際需要,自容式海床基可搭載包括聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)、溫鹽深儀(CTD)、水位計、聲學測波儀、海底地震儀(OBS)、磁力儀等十幾種監(jiān)測儀器,能夠獲得水文、地質(zhì)、地球物理以及生態(tài)共計20多種參數(shù)。有纜供電式海床基通過水面浮標或岸基電纜進行能源供給,除搭載與自容式海床基相同的監(jiān)測儀器外,還配置有中央控制器,以實現(xiàn)對搭載儀器能源分配和數(shù)據(jù)實時采集傳輸。無論是自容式還是有纜供電式,海床基都要安裝有聲學釋放器,主要用于海床基回收浮體的釋放,實現(xiàn)對海床基本體的回收。上述海洋監(jiān)測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釋放器需要一套與之配套的水面甲板單元進行支持,通過聲學水面甲板單元往水下發(fā)送釋放指令后,聲學釋放器才能釋放回收浮球。目前,各國采用較多的聲學釋放器主要有美國Benthos、法國IXsea以及英國SonarDyne公司的產(chǎn)品。(2)用原生架恢復從豎直姿態(tài)到平臺姿態(tài)聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)在海底工作時,要求保持在豎直方向上,傾角范圍在±15°以內(nèi)。對于海底地形資料不明確的情況下,海床基若布放在斜坡上,會使得ADCP偏離使用傾角范圍,這時可通過常平架使ADCP恢復到豎直姿態(tài)。常平架多使用316L不銹鋼或聚四氟乙烯加工制造。此外,在進行海床基布放的時候,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行及時回收。(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,還需對系統(tǒng)進行涂敷相應(yīng)的防護涂料。所有工作的監(jiān)測儀器都帶電,因此搭載儀器部件都必須進行防水設(shè)計。2布置放回收技術(shù)要想使海床基能夠完成按預定設(shè)計的功能正常工作,并獲得詳實準確的海洋環(huán)境參數(shù),必須設(shè)計一套實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)配合絞車進行吊裝布放,同時準備一臺聲學釋放器配合海床基的布放。布放用的聲學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,聲學釋放器尾部一端與A型架鋼絲繩連接,并在聲學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,最后由布放聲學釋放器甲板單元向水下發(fā)送釋放指令,布放聲學釋放器釋放鉤打開,在兩套浮球的浮力作用下上浮,同時回收絞車,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一種特殊結(jié)構(gòu)的抗拖網(wǎng)海床基。當然,設(shè)計這種抗拖網(wǎng)海床基具有一定難度。美國WHOI研究所的SeanKery已完成實體研制,并成功申請專利。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釋放器連接,該浮球同時連接有一根回收繩索,當水面甲板單元向海床基發(fā)送釋放指令時,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,當水面甲板單元向海床基發(fā)送釋放指令時,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。從已知的文獻獲知,美國伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)研制的4種型號的抗拖網(wǎng)海床基,在為美國海軍服務(wù)的項目中都獲得成功應(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,共計在世界各地6處海峽進行了大量抗拖網(wǎng)海床基應(yīng)用,布放海域水深達到200m,水下應(yīng)用時間達到1年,獲得了大量有價值