海洋科學(xué)考察船的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

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(1.中國科學(xué)院海洋研究所,山東 青島 266071; 2.浙江海洋學(xué)院 船舶與建筑工程學(xué)院,浙江 舟山 316004)

目前，關(guān)于科學(xué)考察船的專業(yè)文獻(xiàn)[1-2]很少。文獻(xiàn)[3]則較為完整地對中國極地考察船進(jìn)行了分析與論述。由于歷史原因和國力所限,我國科學(xué)考察船的發(fā)展相對滯后，多數(shù)船只都已經(jīng)或接近退役，我國科考船的性能和設(shè)備也比較落后,大部分海洋探測設(shè)備和科研儀器未及時(shí)更新, 整體配套不完善, 探測手段落后、探測覆蓋范圍小，難以滿足多學(xué)科綜合考察的要求，不能適應(yīng)我國海洋科學(xué)考察參與國際海洋科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的要求。

1 國外科學(xué)考察船的現(xiàn)狀

鑒于科學(xué)考察船在海洋研究中的重要作用，世界各國一直將海洋科學(xué)考察船的建設(shè)視為海洋科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要舉措。世界上有49個(gè)國家擁有自己的海洋科學(xué)考察船，總數(shù)量超過500艘。海洋科學(xué)考察船數(shù)量居前10位的國家依次為：美國、日本、俄羅斯、英國、德國、中國、法國、荷蘭、烏克蘭、韓國和加拿大。2000年以來世界主要國家海洋科學(xué)考察船性能對比見表1。

20世紀(jì)80年代中期以來，現(xiàn)代海洋科學(xué)的發(fā)展對海洋科學(xué)考察船提出了新的要求。美國政府每年都投巨資用于海洋科學(xué)考察，以保持其全球海洋的霸主地位。美國現(xiàn)擁有世界上裝備最先進(jìn)、船只數(shù)量最多的海洋科學(xué)考察船隊(duì)。以伍茲霍爾海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)為例，該所已擁有4艘海洋科學(xué)考察船，能夠在全球范圍內(nèi)執(zhí)行海洋科學(xué)綜合考察任務(wù)，其中2艘考察船(ATLANTIS和KNORR)可搭載人深潛器。該所還有可載3人的4 500 m水深級載人深潛器(DSF Alvin)1艘，擁有6 000 m和6 500 m無人深潛器3艘。

美國“ATLANTIS”號為一艘常規(guī)考察船，建造于1997年，船長為83.5 m，排水量3 510 t, 續(xù)航力為60 d，巡航距離17 280 n mile，巡航速度12 kn，最大速度可達(dá)15 kn?？赏瑫r(shí)容納23名船員、23名科學(xué)家和13名潛水員。船上的實(shí)驗(yàn)空間多于325 m2，主實(shí)驗(yàn)室坐落于主甲板上，為一個(gè)大型、開放性的多功能實(shí)驗(yàn)室；生物分析實(shí)驗(yàn)室與其他實(shí)驗(yàn)室隔離開來，以滿足高靈敏度儀器和控制溫度的需要；水力實(shí)驗(yàn)室位于主甲板左舷，科學(xué)家可以在密封和無污染的條件下對海水樣本進(jìn)行收集與分析，該實(shí)驗(yàn)室一端作為潛水器的維護(hù)區(qū)域。船上搭載深海潛水器Alvin。

Alvin是第一艘載人深海潛水器，重達(dá)17 t，長7 m、寬3.6 m、高2.6 m，于1964年投入使用，可載1名潛水員和2名觀測員。最大潛水深度達(dá)到4 500 m，其運(yùn)動(dòng)速度為1 kn，最大2 kn，裝有5只由鉛酸電池驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)器。在水下可連續(xù)工作10 h(其生命支持系統(tǒng)可維持72 h)，可以在崎嶇的海底工作，也可以懸浮于海水中層，以執(zhí)行科學(xué)考察任務(wù)或拍攝畫面。

表1 2000年以來世界主要國家海洋科學(xué)考察船性能對比

歐洲一直是全球海洋科學(xué)研究的重要力量。法國海洋研究與開發(fā)中心(IFREMER)擁有7艘海洋科學(xué)考察船，其中4艘能夠執(zhí)行遠(yuǎn)洋科學(xué)考察任務(wù)。另外還擁有載人深潛器2艘、遙控深潛器3艘，最大探測深度可達(dá)6 000 m。英國在擁有4 000 t級“DISCOVERY”號和3 000 t級的“CHARLES DARWIN”號兩艘海洋科學(xué)綜合考察船之后，還新建成了1艘5 000 t級的“JAMES COOK”號海洋科學(xué)綜合考察船，該船由挪威Skipsteknisk AS設(shè)計(jì)，于2006年夏季下水。

“JAMES COOK”船長為89.5 m，船寬18.6 m，吃水5.5～5.7 m，排水量5 800 t，巡航速度12 kn，自持力50 d，固定載荷385 t，定員為9名水手和13名科研人員。該船可以進(jìn)行大西洋海面下4 800 m以下巖心鉆井和取樣。

挪威“G.O.SARS”的船長為77.5 m，船寬18.6 m，總噸位為4 067 t，航速17 kn。這是一艘低噪音的多功能海洋科學(xué)考察船，具有礦物評估、試驗(yàn)打撈裝置、環(huán)境數(shù)據(jù)采樣、地震調(diào)查、海底測繪、海洋物理與海洋化學(xué)分析、地質(zhì)采樣及潛水器操作等。

德國在擁有“SONNE”號、“POSEIDON”號和“LITTORINA”號等一系列先進(jìn)海洋科學(xué)考察船的同時(shí)，其新型海洋科學(xué)綜合考察船——“MARIA S. MERIAN”號探測范圍可達(dá)全球任何海域。為深入了解極地氣候變化，德國還將建造歐盟首艘具有破冰能力的極地科學(xué)考察船，預(yù)計(jì)2014年投入冬季極地科考。這艘名為“AURORA BOREALIS” 的破冰科學(xué)考察船，可容納70名科研人員全年全天候地在極地開展科考活動(dòng)。通常，科學(xué)家觀察極地氣候的變化都是在夏季，所獲得的數(shù)據(jù)并不完整。有了破冰科學(xué)考察船，科學(xué)家也可在冬季采集極地氣候變化數(shù)據(jù)。此破冰科學(xué)考察船屬于歐盟的合作研究項(xiàng)目，由歐盟有關(guān)國家共同資助，建造費(fèi)用預(yù)計(jì)6.5億歐元，由德國威特希拉造船公司設(shè)計(jì)，船長200 m、型寬45 m、最大吃水深度13 m。該破冰科學(xué)考察船的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是具有很強(qiáng)的破冰能力和冰面鉆探能力，鉆探深度可達(dá)1 000 m。

日本自20世紀(jì)60～70年代開始重視海洋科學(xué)考察船的作用，先后建造了多型海洋科學(xué)考察船，目前已經(jīng)躋身世界先進(jìn)海洋科學(xué)考察船國家的行列。除“昭洋”級、“天洋”級、“濱潮”級、“拓洋”級、“白瀨”級科學(xué)考察船之外，1989年建成一艘3 987 t“白鳳丸”，并成功開發(fā)了深海潛水考察船“新界6500”，1997年3月建成一艘國際先進(jìn)的4 628 t深海調(diào)查船“KAIREI”，該船裝備遙控深潛機(jī)器人(ROV)、多道地震等多種先進(jìn)調(diào)查設(shè)備，為進(jìn)一步增加海底特別是深海海底的探測和調(diào)查能力，2007年排水量高達(dá)57 087 t的大型大洋鉆探船“地球號”(CHIKYU)投入使用，該船舯部安裝一座巨大鉆井架，可在2 500 m的深海進(jìn)行鉆探考察，鉆探深度達(dá)7 000 m，是目前世界最大的海洋科學(xué)考察船。

2 我國科學(xué)考察船的現(xiàn)狀

我國海洋科學(xué)考察船主要分布在國家海洋局、中國科學(xué)院、地礦部、教育部等部門，其中極地考察船2艘，遠(yuǎn)洋級科學(xué)考察船10多艘，其余均為中近海的小型考察船。

目前我國現(xiàn)役科學(xué)考察船約14艘，約占世界總數(shù)的3%，與美、日、俄相差甚遠(yuǎn)。這些現(xiàn)役的海洋科學(xué)考察船中，在噸位上適合深海洋區(qū)的海洋科學(xué)考察船只有9艘，包括3 000 t級以上的海洋科學(xué)考察船3艘。

我國現(xiàn)有的科學(xué)考察船中，僅“延平二號”、“東方紅2號”建造于上世紀(jì)90年代，“大洋一號”和“雪龍?zhí)枴庇诮旮难b而成，其余的科學(xué)考察船均于上世紀(jì)70、80年代初建造，由于當(dāng)時(shí)造船水平不高存在很多不足。

1) 在船舶性能和設(shè)備方面，多數(shù)船只已步入老齡之列，船只性能和設(shè)備本身落后，儀器和設(shè)備也未能得到及時(shí)更新?lián)Q代，正處于由人工觀測向自動(dòng)化觀測過渡階段，現(xiàn)有海洋科學(xué)考察船幾乎不具備操縱深潛器進(jìn)行海底探測與取樣的能力，缺少深?，F(xiàn)場觀測取樣和處理能力。

2) 在數(shù)據(jù)處理方面，不具備全船智能網(wǎng)絡(luò)集成。數(shù)據(jù)處理工作基本上是由人工或測量設(shè)備的數(shù)據(jù)終端來完成，無法實(shí)現(xiàn)海上調(diào)查數(shù)據(jù)的實(shí)施衛(wèi)星雙向傳輸、處理和分析等，學(xué)科集成差，現(xiàn)有海洋科學(xué)綜合考察船只是不同學(xué)科共同利用的簡單平臺(tái)，難以實(shí)現(xiàn)海洋多參數(shù)實(shí)時(shí)同步觀測和系統(tǒng)綜合集成的需要。

3) 在運(yùn)行經(jīng)費(fèi)方面，由于船齡老化，大多數(shù)科學(xué)考察船所用的主機(jī)都是當(dāng)時(shí)的國產(chǎn)機(jī)或20世紀(jì)60年代的進(jìn)口庫存機(jī)，這些柴油機(jī)的油耗率很高，加之當(dāng)時(shí)要求航速高、主機(jī)功率大再加上多年的機(jī)器磨損，致使現(xiàn)役科學(xué)考察船的耗油量大，運(yùn)行成本高。

4) 在船舶管理體制方面，我國的海洋科學(xué)考察船歸屬多個(gè)部門或單位，除國家撥款外，使用經(jīng)費(fèi)和設(shè)備更新經(jīng)費(fèi)無其他渠道。由于管理體制和經(jīng)費(fèi)條塊分割的原因，調(diào)查的任務(wù)少，導(dǎo)致科學(xué)考察船利用率低下。

目前，即將建成并投入使用的海洋科學(xué)考察船有2艘，分別是“海洋六號”和“實(shí)驗(yàn)1號”。

“海洋六號”是由我國自行設(shè)計(jì)并建造的世界上首次集地震、地質(zhì)調(diào)查等多項(xiàng)調(diào)查功能為一體的綜合海洋地質(zhì)物理調(diào)查船，以海底天然氣水合物資源調(diào)查為主，兼顧其他海洋地質(zhì)、海洋礦產(chǎn)資源調(diào)查工作。該船總長106 m，型寬17.4 m，型深8.3 m，設(shè)計(jì)吃水5.5 m，設(shè)計(jì)排水量4 600 t，滿載排水量為5 287 t，試航速度17 kn，自持力60 d，續(xù)航力15 000 n mile，可在國際海域無限航區(qū)作業(yè)。該船于2009年8月試航，投入使用后，將有力推動(dòng)我國天然氣水合物資源調(diào)查的進(jìn)程。

“實(shí)驗(yàn)1號”由中科院聲學(xué)所承建、中科院南海所和中科院沈陽自動(dòng)化協(xié)建，是國內(nèi)第一艘大型小水線面雙體船，是根據(jù)國家中長期發(fā)展戰(zhàn)略并結(jié)合科學(xué)院重點(diǎn)涉海學(xué)科的迫切需要而建造的，主要作為水聲物理、水聲工程、水下機(jī)器人海上研究與試驗(yàn)平臺(tái)，在近海、遠(yuǎn)洋進(jìn)行水聲、海洋等多學(xué)科和交叉學(xué)科綜合科學(xué)考察。排水量為2 500 t級，采用交流電力推進(jìn)系統(tǒng)、DP—Ⅰ動(dòng)力定位、全船機(jī)艙自動(dòng)化，滿足無限航區(qū)(不含冰區(qū))航行要求，具有耐波優(yōu)異、安靜型好等特點(diǎn)，該船于2008年下水。

此外，“十一五”期間我國投資建設(shè)海洋科學(xué)綜合考察船國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，于2007年12月批準(zhǔn)立項(xiàng)，該項(xiàng)目由中科院海洋所承建，中國海洋大學(xué)、國家海洋局一所、水科院黃海所和青島海洋地質(zhì)研究所協(xié)建，該船具有高精度的海洋動(dòng)力環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境以及深海極端環(huán)境等綜合海洋環(huán)境觀測、探測以及保真取樣和現(xiàn)場分析的能力，為國家海洋科學(xué)基礎(chǔ)研究和海洋高新技術(shù)研發(fā)，特別是深海及洋區(qū)的海洋基礎(chǔ)科學(xué)研究提供海上移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室和試驗(yàn)平臺(tái)。排水量為4 864 t，DP—Ⅰ動(dòng)力定位、艏側(cè)推、吊艙式電力推進(jìn)、服務(wù)航速12 kn、續(xù)航力15 000 n mile、自持力60 d，滿足無限航區(qū)(B3級冰區(qū)加強(qiáng))航行要求，預(yù)計(jì)2012年年底建成。

3 科學(xué)考察船的發(fā)展趨勢

20世紀(jì)90年代以來，大型國際海洋科學(xué)計(jì)劃日趨活躍，傳統(tǒng)的海洋科學(xué)研究領(lǐng)域逐漸形成融合，對海洋科學(xué)考察船的要求也以海洋綜合考察船為主。綜合分析國際先進(jìn)和在建的海洋科學(xué)考察船的裝備與功能，在設(shè)計(jì)上突出地表現(xiàn)出如下的發(fā)展趨勢與性能特點(diǎn)。

1) 航海全自動(dòng)化。無人機(jī)艙，機(jī)駕合一。

2) 多采用吊艙式電力推進(jìn)和艏尾側(cè)推。吊艙式電力推進(jìn)，由于占用船體空間小，增加了船舶的有效載荷；由于傳動(dòng)軸更短，原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定，加之采用的拉式螺旋槳使水流更加均勻，削弱了空泡現(xiàn)象，極大地減輕了推進(jìn)系統(tǒng)的噪聲和振動(dòng)，使得船舶具有良好的聲寂性、操控性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

3) 采用高精度動(dòng)力定位系統(tǒng)。動(dòng)力定位系統(tǒng)可進(jìn)行自動(dòng)或半自動(dòng)精確操控船舶，是科學(xué)考察船完成高精度海上定點(diǎn)作業(yè)必備的設(shè)備，根據(jù)海上作業(yè)需求，來確定科學(xué)考察船動(dòng)力定位系統(tǒng)的等級。

4) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化是新建科學(xué)考察船最顯著的特征之一。實(shí)現(xiàn)了機(jī)艙、航海、探測設(shè)備等各部分的自動(dòng)化，通過計(jì)算機(jī)中心控制室，實(shí)現(xiàn)全船智能網(wǎng)絡(luò)集成。并通過衛(wèi)星通信設(shè)備向其他科考船和陸岸站實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)海上調(diào)查數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)衛(wèi)星雙向傳輸、處理和分析等。采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，具有良好的操縱性能、動(dòng)力定位性能，各種采樣自動(dòng)進(jìn)行，測量儀器設(shè)備的投放、回收受海況的影響較少，各學(xué)科測量數(shù)據(jù)與船舶船位、水深、船只運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)同時(shí)獲取，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的采集量、質(zhì)量、速度大為增強(qiáng)。

5) 根據(jù)科學(xué)考察船的任務(wù)，配置精良的船載探測設(shè)備，如溫鹽深測量系統(tǒng)(CTD)、聲學(xué)多普勒海流計(jì)(ADCP)全海深/淺水多波束海底地貌探測系統(tǒng)、側(cè)掃聲納、淺地層剖面儀、多道數(shù)字地震系統(tǒng)、重力儀、磁力儀、深海拖曳系統(tǒng)、無人遙控潛水器(ROV)、超短基線、電視抓斗、地質(zhì)鉆探取樣設(shè)備等設(shè)備以及完善先進(jìn)的操控支撐系統(tǒng)。

6) 在研制初期，在船型、噸位、尺度、總體性能、布局和主要設(shè)備配套等方面，為科學(xué)考察船未來完善和進(jìn)行現(xiàn)代化改裝留有余地。

7) 寬敞的工作甲板和實(shí)驗(yàn)室空間，而且具有更大的靈活性和可靠性，根據(jù)科學(xué)考察船的出航任務(wù)，加載用于專業(yè)調(diào)查的集裝箱實(shí)驗(yàn)室，如水下機(jī)器人控制室、聲學(xué)發(fā)射機(jī)室等。

8) 船上工作人員數(shù)量減少，人員素質(zhì)增強(qiáng)向全能型專業(yè)人才發(fā)展；實(shí)行開放式的管理模式，提高了科學(xué)考察船的利用率，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，也滿足了項(xiàng)目單位的用船要求。

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[2] MASALU DESIDERIUS G P. 20th anniversary of the institute of marine sciences and marine science in Tanzania-what next step[J]. Ocean & Coastal Management,2004,43;963-972.

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