袁東方 朱兵 夏寅月 陳清滿 崔麗娜 吳浩宇

(1 中國極地研究中心,上海 200136;2 上海彩虹魚海洋科技股份有限公司,上海 201306;3 自然資源部第一海洋研究所,山東 青島 266061)

0 引言

錨碇系統(tǒng)是海洋環(huán)境監(jiān)測和觀測的重要技術手段,海洋錨碇潛標系統(tǒng)具有觀測時間長、隱蔽、不易受海面氣象條件影響等優(yōu)點[1]。錨碇系統(tǒng)一般可分為潛標和明標,由于極地區(qū)域冰山、浮冰密布,漂移方向不定,對明標或者布置較淺的潛標帶來很大風險[2],甚至造成纜繩斷裂以及儀器丟失等損失,所以在極地海域布放錨碇系統(tǒng)一般以潛標為主,明標布置的較少。

用于海洋水文觀測的錨碇潛標一般由水下部分和水上甲板單元組成。水下部分主要包括主浮體、探測傳感器、纜繩、玻璃浮球、聲學釋放器、重力錨以及搭載的各類觀測儀器,觀測結束后通過發(fā)送聲學信號打開聲學釋放器,使觀測系統(tǒng)與錨碇分離并浮出水面進行回收[3-5]。海底地震儀(Ocean Bottom Seismometer,OBS)是一種將檢波器直接放置在海底的地震觀測系統(tǒng),也是一種特殊的潛標觀測系統(tǒng)。在海洋地球物理調查和研究中,OBS 既可以用于對海洋人工地震剖面的探測,研究海洋地殼和地幔的速度結構及板塊俯沖帶、海溝、海槽演化的動力學特征,也可以用于對天然地震的觀測,天然地震的地震層析成像研究以及地震活動性和地震預報等[6]。

我國目前已經開展了37 次南極科學考察和11次北極科學考察,隨著考察的深入,錨碇潛標系統(tǒng)的布放和回收逐漸成為歷次考察的常規(guī)化作業(yè)。極地環(huán)境具有特殊性,天氣惡劣且變化快、浮冰密集,雖會給錨碇系統(tǒng)布放工作帶來一定的困難,但是對于錨碇系統(tǒng)的回收存在更大的影響,尤其是海面浮冰的存在,常常導致錨碇系統(tǒng)無法準時回收,甚至會出現(xiàn)需要等待數(shù)月或者第2 年回收的情況。本文從南北極錨碇系統(tǒng)中潛標回收存在的問題出發(fā),分析極地浮冰區(qū)回收方法,提出改進意見,為以后南北極潛標系統(tǒng)的回收積累經驗。

1 極地潛標發(fā)展及回收現(xiàn)狀

2003 年,中國第2 次北極科學考察隊在65°30′N,168°50′W 的白令海峽峽口50 m 水深的陸架海域,布放了中國極地考察的第一個潛標[7]。

在2008 年中國第3 次北極科學考察中,中國首次在北冰洋布放一套1 年期深水潛標,用于觀測北冰洋海洋要素的演變,以進一步探索北冰洋環(huán)境變化對全球氣候變化,尤其是對中國氣候變化的影響[8]。

2010 年,中國第26 次南極科學考察隊在南極普里茲灣海域成功回收一套潛標系統(tǒng),這是中國首次在南極成功投放并回收潛標,潛標記錄的觀測數(shù)據(jù)為研究南極環(huán)境提供了重要參考[9]。

2013 年,中國第28 次南極科學考察隊在普里茲灣海域投放了2 臺海底地震儀(OBS),這是我國首次在南極海域進行海底地震觀測[10]。

極地潛標系統(tǒng)可以獲得長期的水體溫度、鹽度、壓力、流速、流向等觀測數(shù)據(jù),揭示水體變化特征與運動過程,為北極海-冰-氣相互作用以及南極深層水和底層水的變化規(guī)律研究提供支持,也為研究極地海洋對全球海洋和氣候變化的作用提供了物理海洋學的客觀背景[11]。隨著極地考察的發(fā)展,近年來潛標的布放和回收任務越來越多,業(yè)已成為南北極現(xiàn)場考察的常態(tài)化內容(表1)。

表1 近年來我國南北極考察潛標布放和回收數(shù)量[12-17]Table 1.The number of submersible beacons laid and recovered in the Chinese Arctic and Antarctic Research Expeditions in

多次的現(xiàn)場作業(yè)表明,與布放相比,錨碇潛標回收作業(yè)困難重重,尤其是在極區(qū)海域,作業(yè)時受到浮冰的影響很大[18]。我國南極科學考察的周期是每年1 次,第1 年投放設備,第2 年才能回收,長期的潛標系統(tǒng)需要至少1 年才能回收。由于南北極考察作業(yè)任務多,作業(yè)窗口受惡劣自然環(huán)境影響,不能保障布放的潛標第2 年一定能夠順利回收,在第3 年完成回收或者釋放器無法通訊導致無法回收的情況也時有發(fā)生。中國第29次南極科學考察期間布放的OBS,由于中山站附近海域冰情嚴重,無法開展回收作業(yè),海底地震儀在南極海底“沉睡”了兩年,直到中國第30 次南極科學考察期間才成功回收[19]。由于浮冰及航行計劃的調整,中國第34 次南極科學考察布放的2 套潛標直到中國第36 次南極科學考察才進行回收,中間間隔時間接近三年[20]。

2 潛標回收方法

經過多年的潛標布放和回收工作,形成了一套較為成熟的船隊協(xié)助方案和機制?？疾齑诨厥諠摌藭r的方式主要有兩種,一種是依靠考察船船基作業(yè)回收,另一種是釋放小艇作業(yè)回收,兩種方式都存在一定的優(yōu)勢和不足。

2.1 船基回收

在極地現(xiàn)場作業(yè)期間,潛標和OBS 的回收主要依靠我國極地科考破冰船“雪龍”號和“雪龍2”號進行?；厥兆鳂I(yè)時若涌浪超過1 m、風力大于6 級或浮冰密集度超過60%,則無法吊放小艇對浮球進行拖曳作業(yè),只能以大船為平臺,通過船舶的機動航行從風、洋流的上方靠近潛標,利用拋繩器、錨鉤等打撈工具將潛標的浮球間繩子勾住,并拉至船上,然后利用船上的絞纜機或吊車,對潛標進行回收作業(yè)(圖1)。

圖1 使用吊車回收潛標(a)和吊籠回收OBS(b)Fig.1.Use the crane to recover the submersible beacon (a)and use the crane cage to recover OBS (b)

由于船舶結構的差異性,“雪龍”號和“雪龍2”號在回收OBS 和水文潛標時情況也有很大的差別。OBS 回收時,OBS 浮出水面后需要大船逐漸靠近OBS,并將OBS 控制在船舶的有利位置,然后通過甲板上的回收網具進行回收?！把垺碧柺褂贸Ｒ?guī)的軸-槳推進方式,機動性較差,在回收OBS 時較為困難;“雪龍2”號使用新型的吊艙電力推進方式,機動性強,回收OBS 時僅靠自身機動性就可以靠近 OBS,方便回收。水文潛標回收時,“雪龍”號由于其螺旋槳帶有導流罩,在回收潛標時潛標纜繩不易被螺旋槳纏繞(圖 2a),可以更近的靠近潛標位置進行回收;“雪龍2”號由于其螺旋槳無導流罩保護,潛標纜繩很容易纏繞螺旋槳,在回收時船不能過于靠近潛標(圖2b)。

圖2 “雪龍”號(a)和“雪龍2”號(b)推進器對比Fig.2.Comparison of thrusters of Xuelong (a) and Xuelong 2 (b)

即便如此,船基回收錨碇潛標仍存在著較大的困難,由于兩條船的船舷都比較高,回收人員距離浮球或纜繩較遠,很難順利地用拋鉤勾住潛標的纜繩。此外,當過于靠近潛標時,“雪龍”號螺旋槳雖然有導流罩保護,但是在極地現(xiàn)場作業(yè)時仍有數(shù)次掛住潛標纜繩的情況發(fā)生,存在一定的安全風險(表2)。

表2 “雪龍”號和“雪龍2”號關鍵參數(shù)對比表Table 2.Parameters comparison table of Xuelong and Xuelong 2

2.2 小艇回收

在天氣和海況允許的情況下,考察船也可以通過隨船攜帶的小艇進行潛標或OBS 的回收作業(yè)。由于極地作業(yè)的特殊性,很多科考項目、考察站物資補給都需要使用小艇進行作業(yè)?！把垺碧柡汀把?”號一般都會攜帶小艇,“雪龍”號由于貨倉空間充足,可以裝載2 艘鋼質小艇,或者一艘鋼質小艇和一艘橡皮艇;“雪龍2”號一般裝載一艘橡皮艇(圖3)。

圖3 橡皮艇(a)和鋼質小艇(b)回收潛標作業(yè)Fig.3.Raft (a) and steel boat (b) recovery of submersible beacon

當作業(yè)區(qū)域海況滿足放艇條件時,在潛標浮出水面后,大船會將小艇吊放至海面,小艇航行至潛標位置附近,可以清楚的觀察到水中潛標浮球和纜繩的狀態(tài),通過拖拽的方式可將部分潛標拖到大船旁邊,依靠大船上的機械設備進行回收。當潛標纜繩或者浮球被浮冰壓住或阻擋時,也可以通過小艇將繩子剪斷,把潛標分成幾段進行回收。

小艇回收作業(yè)也存在一定的風險。首先是吊運小艇工作量大,危險系數(shù)較高,實際作業(yè)時海浪對小艇和人員安全的威脅很大,海況超過3 級或者能見度較低時,無法使用小艇作業(yè)。其次是海冰對小艇的阻礙,若吊運的是鋼質小艇,一般的浮冰對小艇不會存在傷害;若使用橡皮艇作業(yè),需要不斷地規(guī)避海冰,避免海冰劃破橡皮艇,增加了作業(yè)的時間,當海冰密集度超過50%后,橡皮艇作業(yè)的風險就會大大增加。

3 存在的困難

3.1 天氣因素

由于南北極地理環(huán)境的特殊性,惡劣天氣頻繁發(fā)生,例如南大洋平均每個考察航次出現(xiàn)約18次氣旋大風過程(風力大于14 m·s–1)和4 次強過程(風力大于20 m·s–1),平均每隔約6.5 d(30 d)就會出現(xiàn)一次氣旋大風過程(強過程)[21]。這些天氣過程會造成作業(yè)區(qū)域風力加強,海面涌浪增高以及能見度降低,從而導致科考船無法開展?jié)摌说幕厥兆鳂I(yè)。由于每次科考的計劃安排非常飽滿,在潛標點附近作業(yè)預留的時間有限,遇到惡劣天氣無法等待過多的時間,也往往造成潛標無法順利回收。雖然潛標浮球都使用醒目顏色,但是在能見度低的情況下,仍然無法快速發(fā)現(xiàn)浮球的位置。在極地現(xiàn)場作業(yè)過程中,因為天氣因素導致潛標回收窗口關閉的情況時有發(fā)生,考察隊也不得不更改作業(yè)任務和計劃,以創(chuàng)造機會進行回收作業(yè)[22]。

3.2 浮冰因素

由于浮冰具有流動性,在風和洋流等的作用下會在某個區(qū)域出現(xiàn)堆積或者消散,目前國際上先進的海冰預報模式也無法對浮冰的短期運動趨勢進行預報。浮冰對于潛標的回收存在巨大的威脅,若海面存在浮冰,潛標上浮時浮球可能會被浮冰阻擋而無法浮出水面,或者僅有部分浮球浮出水面,而其他浮球和設備被浮冰分割在不同的水域,增加回收的困難程度,甚至造成無法回收(圖4)。歷次南北極考察在浮冰區(qū)回收潛標都需要充分評估浮冰對潛標的影響,若存在大塊浮冰或者密集度過高,則無法進行回收。中國第29 次南極科學考察期間布置的OBS 就是因為浮冰密集度太高無法進行回收作業(yè),直到中國第30 次南極科學考察才成功回收。

圖4 浮冰區(qū)潛標回收作業(yè)Fig.4.Recovery of submersible beacon in ice covered area

3.3 潛標定位精度

潛標在布放后一般采用三點定位法確定其最終位置,但是三點定位精度依賴于聲學釋放器的系統(tǒng)定位精度,而聲學釋放器的精度受其數(shù)據(jù)處理方法的影響 (如默認聲速為1500 m·s–1),假設水深為5000 m,綜合考慮各設備精度,實際誤差在50～100 m 之間,可達水深的1%～2%。此外,上浮后最上部浮球的位置與其布放的最終位置也會有幾米到幾十米的誤差,水深越深,誤差越大[23]。

潛標上浮過程中也時刻受到水平海流的影響[24],這種橫向作用力對深水潛標的位置預測產生影響,潛標上浮過程中只能對潛標聲學釋放器所處深度進行跟蹤測量,無法對其在海流影響下的橫向移動距離進行有效的跟蹤,所以無法準確計算上浮位置。這種誤差導致潛標在極地浮冰區(qū)回收的風險大大增加,有可能上浮至浮冰密集區(qū)域。

3.4 回收工具

“雪龍”號和“雪龍2”號在極地現(xiàn)場回收潛標和OBS 作業(yè)時,主要還是依靠人工完成,工具配備也相對簡單。近年來雖然也嘗試配備了一些專用工具,但是在現(xiàn)場使用過程中難以達到預期的效果。如船上配備拋繩器,但其前端的拋鉤需要現(xiàn)場自制,拋鉤重量對拋繩器工作距離的影響也難于評估,因此事實上拋鉤操作仍需人工完成。而OBS 一般為單個球體,直徑在0.6～0.8 m之間,相比大尺寸的科考船和大尺度的海洋來說,很難分辨,回收時較為困難,“雪龍”號回收OBS時需要回收人員站在吊籠里,用網具回收,作業(yè)也存在一定的風險(圖5)。

圖5 回收OBSFig.5.Recovery of OBS

由于缺乏專業(yè)、實用的回收技術,目前對于在浮冰區(qū)回收潛標和OBS 作業(yè)還存在一定的困難和風險,若回收區(qū)域海冰較為密集則無法進行回收,需要進一步研究專用工具和技術,以提升南北極高密度冰區(qū)潛標回收作業(yè)效能。

4 浮冰區(qū)潛標回收新技術和方法

4.1 潛標回收新技術探討

極地潛標的回收作業(yè)除了要考慮天氣、海況等因素外,浮冰也是造成潛標無法順利回收的重要因素。雖然天氣、海況、浮冰等外在困難因素無法改變,但是可以通過研究開發(fā)新的技術和設備,提高在復雜環(huán)境中的潛標回收成功率和延長作業(yè)時間窗口。本文針對極地浮冰區(qū)潛標系統(tǒng)尤其是OBS 回收特點,研制新的回收設備,以減少回收時間,提高OBS 在極地回收的成功率。

OBS 在極地布置一般采用錨碇式、單浮球的形式,航次初期布放,后期回收,布放時間較短,一般為3–4 個月。相對于其他潛標長達千米甚至數(shù)千米的纜繩和種類繁多的儀器,在浮冰區(qū)采用新的技術和設備回收OBS 可行性更高。

根據(jù)浮冰區(qū)特點以及潛標回收經驗,以“雪龍 2”號為平臺,基于小型水下機器人(Remote Operated Vehicle,ROV)設計一種OBS 回收系統(tǒng),例如冰?；厥諏＜尧裥退伦鳂I(yè)機器人(Ice Sea Recycler-Ⅰ,ISR-Ⅰ)(圖6)?！把?”號配備有月池系統(tǒng)、超短基線(USBL)和全方位聲吶系統(tǒng),OBS和ISR-Ⅰ同時攜帶信標的情況下,可以定位OBS和ISR-Ⅰ在水下位置,這為ISR-Ⅰ在極地現(xiàn)場使用創(chuàng)造了條件。

圖6 ISR-Ⅰ系統(tǒng)圖Fig.6.ISR-Ⅰsystem diagram

根據(jù)極地冰區(qū)作業(yè)特點,若海面有浮冰且OBS 被壓在浮冰下,其作業(yè)流程如下。

(1)布放過程:OBS 配置USBL 信標,從科考船甲板布放到海底,下放開始時即開啟 USBL,跟蹤OBS 下放的深度和位置,結合OBS 甲板單元定位OBS 在海底的坐標。

(2)搜尋過程:使用甲板單元激活OBS 釋放器,OBS 釋放后上浮,同時船載USBL 和OBS 信標進行通訊,記錄OBS 與科考船的位置和距離,并進行跟蹤和定位,直到OBS 上浮至浮冰底部;此時釋放ISR-Ⅰ,通過USBL 的引導,尋找OBS在冰下的位置,其頂部配置的云臺攝像機和LED燈光系統(tǒng)也可以實時獲取浮冰下圖像,操作人員通過實時畫面進行搜索。

(3)捕獲過程:ISR-Ⅰ搭載體感機械手,搜索到目標后操作人員上浮至OBS 下方,通過體感手套發(fā)出指令,使機械手握住OBS,完成OBS 冰下的捕獲過程。

(4)回收過程:找到后使用機械手抓住OBS并向下運動,到達一定深度后橫向移動,將OBS拉至船邊,承重臍帶纜可以輔助將OBS 從浮冰下拉出,然后進行回收(圖7)。

圖7 ISR-Ⅰ作業(yè)示意圖Fig.7.Schematic diagram of ISR-Ⅰoperation

ISR-Ⅰ基于浮冰區(qū)潛標回收經驗進行設計,充分考慮了OBS 在浮冰下的各種狀態(tài),可以很方便的將OBS 拉出浮冰區(qū)。同時也可以對其他潛標回收進行簡單的輔助作業(yè),比如潛標繩子被浮冰卡住或者纏繞船舶推進器槳葉時,可以通過切割纜繩等方式進行輔作業(yè),協(xié)助潛標的回收。

4.2 其他方法和建議

ISR-Ⅰ的現(xiàn)場應用需科考船配備 USBL,且OBS 和ISR-Ⅰ同時配備信標,才能有效提高作業(yè)效率。雖然使得先期對于硬件成本投入較高,但是對極地冰區(qū)回收OBS 是有效的探索。在極地考察過程中,經過多年的現(xiàn)場實踐,不斷創(chuàng)新作業(yè)方法、改進回收設備、積累經驗,也大大提高了回收潛標的成功率。

(1)優(yōu)化航線及作業(yè)任務,選擇有利條件進行回收作業(yè)。由于極地考察的特殊性以及時間緊迫性,在制訂考察航線及作業(yè)任務時就要考慮潛標回收的時間和困難程度,通過對南北極多年氣候、浮冰分布情況等因素進行分析,提出最有利于潛標回收的時間節(jié)點,同時與極地考察任務相結合,選擇有利條件進行回收作業(yè)。

(2)配備抗冰型小艇。小艇在潛標回收中方便靈活,配備能夠在浮冰區(qū)航行的小艇以代替目前的橡皮艇作業(yè),配備一定的吊重或絞拉設備,依托小艇將潛標部分或整體回收,可以大大提高潛標回收的成功率和效率。

(3)加強水下聲學觀測,預測上浮路線?！把?”號配備USBL 和全方位聲吶,可以對水下目標進行探測。在以后的潛標布放時為潛標配備USBL 信標,通過船上的USBL 觀測潛標上浮路線和方向,可以快速尋找潛標和OBS,提高回收成功率。在浮冰密集度不高且風速和海流流速較小的情況下,利用破冰船回旋航行,將大塊浮冰碾碎,可以清理出一塊開放水域,以便回收潛標。這種方式曾在中國第11 次北極科學考察中進行過嘗試,在實際操作中需要結合冰區(qū)浮冰、海況等實際情況,對于單個OBS 回收有效果,但是對于有纜繩潛標還不夠理想,且船時耗費較長。

(4)提高聲學釋放器續(xù)航時間。目前潛標一般設計為1 年觀測時間,最多延遲1 年回收,越早回收對數(shù)據(jù)質量和科研項目的完成越有利。但是由于極地考察作業(yè)時間緊迫,受自然環(huán)境影響大,造成潛標回收作業(yè)時間窗口短,第2 年無法回收的情況時有發(fā)生。在設計潛標或者OBS 時,需要做好于第3 年回收的預案,關鍵設備例如聲學釋放器應選擇續(xù)航時間超過3 年的設備,在極端情況下,即使第2 年無法回收,仍然可以在第3 年繼續(xù)對潛標進行回收。

(5)配備ROV 系統(tǒng)對故障潛標進行救援作業(yè)。潛標或OBS 聲學釋放器失效也是一個錨碇系統(tǒng)存在的巨大風險,雖然在錨碇系統(tǒng)設計時采用雙聲學釋放器并聯(lián)連接以提高釋放成功率,但是仍然會存在聲學釋放器無法釋放的風險。“雪龍2”號配備有4000 米級ROV 系統(tǒng),當潛標回收失敗后可以使用ROV 對潛標進行檢查,并對聲學釋放器的關鍵部位進行切割,完成潛標系統(tǒng)的回收作業(yè)。

5 結論

隨著研究的深入,錨碇系統(tǒng)的布放和回收已經成為南北極考察的一項重要任務,“雪龍”號和“雪龍 2”號執(zhí)行考察任務期間都要布放和回收數(shù)套潛標,但是受天氣、海況、浮冰等因素的影響,無法回收潛標的情況時有發(fā)生,尤其是部分潛標的布放工作需要在回收前套潛標的基礎上才能進行,潛標回收不成功會直接影響到后續(xù)任務的開展。

本文根據(jù)“雪龍”號和“雪龍2”號多年南北極考察錨碇系統(tǒng)回收作業(yè)經驗,分析了船基和小艇回收方式的優(yōu)缺點以及影響錨碇回收的因素,針對浮冰區(qū)錨碇系統(tǒng)尤其是OBS 冰區(qū)回收新技術方案進行了探討,設計了新的技術和設備用于提高極地潛標回收的效率和成功率。同時基于“雪龍2”號科考儀器的搭載情況,提出了未來南北極錨碇系統(tǒng)回收方案的建議,對以后極地錨碇系統(tǒng)的布放和回收具有一定的借鑒意義。