淺水區(qū)抗拖網(wǎng)ADCP海床基的研制

于凱本 ，劉忠臣，魏澤勛 ，紀育強，范 斌

（1.中國海洋大學，山東 青島 266100；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

淺水區(qū)抗拖網(wǎng)ADCP海床基的研制

于凱本1,2，劉忠臣2，魏澤勛2，紀育強2，范 斌2

（1.中國海洋大學，山東 青島 266100；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266061）

搭載聲學多普勒流速剖面儀 （ADCP）的海床基是實現(xiàn)淺水區(qū)水文環(huán)境長期監(jiān)測的有效裝置。針對現(xiàn)有ADCP海床基不能避免漁業(yè)拖網(wǎng)破壞的缺陷，對海床基的結構、功能進行了全新設計，成功研制了新型抗拖網(wǎng)ADCP海床基，并設計了合理有效的布放回收方法。海上應用表明，抗拖網(wǎng)ADCP海床基能夠在淺海漁業(yè)捕撈區(qū)完成水文數(shù)據(jù)的采集，可實現(xiàn)對海洋環(huán)境的長期有效監(jiān)測。

聲學多普勒流速剖面儀；淺水區(qū)；海床基；抗拖網(wǎng)

聲學多普勒流速剖面儀 (Acoustic Doppler Current Profiler，以下簡稱ADCP)利用聲學多普勒頻移效應，對江河、海洋流速流向和水中懸浮物濃度分布進行測量，采集的數(shù)據(jù)可用來進行洋流模型的建立，進行海洋學研究，也可開展工程環(huán)境質(zhì)量評價[1-2]。目前，由于世界各國對淺水區(qū)海洋環(huán)境的日益重視及海洋軍事方面的應用，越來越多的國家都在積極開展海洋近岸和淺海環(huán)境的長期監(jiān)測。通過在海底布放搭載ADCP的海床基，實現(xiàn)海底到海面海流的連續(xù)測量，獲得有效的聲學數(shù)據(jù)，更好地對海洋環(huán)境進行監(jiān)測。但由于近海淺水區(qū)愈演愈烈的海洋工程和頻繁的漁業(yè)捕撈，使得布放于淺水區(qū)海底的ADCP海床基經(jīng)常受到撞擊破壞或被漁船拖網(wǎng)拖拉移位甚至丟失，無法獲得有效的測量數(shù)據(jù)[3]。針對海床基惡劣的工作環(huán)境，國外科研工作者開展了大量的研究，在抗拖網(wǎng)方面取得了許多重要成果，形成了包括抗拖網(wǎng)罩（架）、常平架、高強耐壓異型浮體制造等相關產(chǎn)業(yè)鏈，涌現(xiàn)出了FloTec[4]、Benthos[5]等一批專業(yè)公司。與國外相比，我國在海床基的研制與應用方面起步較晚。在國家國際科技合作項目“中、美、?。幔⑷?，南海與鄰近海域水交換及其變異合作研究”的支持下，作者及其團隊成功研制了一種適用于100 m水深的抗拖網(wǎng)ADCP海床基。通過該設備的研制、試驗及其在實際調(diào)查航次應用和獲得的實際數(shù)據(jù)可知，該抗拖網(wǎng)ADCP海床基能夠實現(xiàn)對淺水區(qū)海洋環(huán)境的長期、定點、連續(xù)自動監(jiān)測，并且能夠有效地避免漁業(yè)拖網(wǎng)、流網(wǎng)和淺海工程施工對ADCP海床基所造成的破壞影響。

1 抗拖網(wǎng)ADCP海床基的組成及功能

圖1為抗拖網(wǎng)ADCP海床基的組成框圖，主要有海床基平臺和ADCP固定裝置兩部分組成。

圖1 抗拖網(wǎng)ADCP海床基系統(tǒng)框圖

海床基平臺主要由抗拖網(wǎng)外罩、壓艙底板、儀器艙、布放裝置及聲學釋放器組成。抗拖網(wǎng)外罩采用圓臺狀流線型設計，具備較高的強度，可有效防止各種漁船拖網(wǎng)、流網(wǎng)對海床基平臺及其搭載的ADCP等儀器設備的破壞。

ADCP固定裝置由浮球艙、浮球、儀器架、ADCP及頂蓋組成。儀器架設有多個擴展接口，可根據(jù)實際研究需要，安裝相應的監(jiān)測儀器。

為保證抗拖網(wǎng)ADCP海床基的實用性和搭載儀器的安全性，采用了兩套回收系統(tǒng)。第一套回收系統(tǒng)由回收繩索、浮球、ADCP和儀器架組成，用于優(yōu)先回收海床基中的儀器設備；第二套回收系統(tǒng)則由回收繩索與海床基本體組成，通過回收繩索實現(xiàn)海床基本體的回收。

如圖2、圖3所示，抗拖網(wǎng)ADCP海床基平臺為圓臺狀，底部直徑φ=2 000 mm，頂部直徑φ=700 mm，高度L=500 mm。由于海水具有較強的腐蝕性，因此對加工制作所用的材料進行了充分的調(diào)研與測試，確定了最終使用的材料。其中抗拖網(wǎng)外罩、儀器艙、浮球艙均采用玻璃鋼工藝制作，壓艙底板、儀器架、布放裝置采用耐腐蝕性較強的316L不銹鋼制作。

圖2 抗拖網(wǎng)ADCP海床基外觀設計圖

圖3 抗拖網(wǎng)ADCP海床基內(nèi)部設計圖

1.1 抗拖網(wǎng)ADCP海床基平臺

抗拖網(wǎng)外罩是海床基平臺的主要部件之一，采用玻璃鋼工藝加工制作，頂端壁厚為10 mm，底端壁厚20 mm，中間厚度采用了均勻平滑過渡，抗壓強度可達380 MPa?？雇暇W(wǎng)外罩、壓艙底板及儀器艙由支撐板固定連接，形成主艙結構，整體外觀為圓臺形，外罩表面進行光滑處理，形成了具有抗拖網(wǎng)、高強度、耐壓耐沖撞的流線型外觀。該外形設計減小了漁船的拖網(wǎng)與海床基外罩表面接觸的相對摩擦力，能夠使拖網(wǎng)與流線型外罩產(chǎn)生相對滑動，從而有效地避免了海床基平臺的傾斜、倒塌、拖拉和移位，同時也大大提高了海床基平臺抵御碰撞的能力。

壓艙底板采用316L不銹鋼板制作而成，底板加工為平整圓板型，直徑φ=2 000 mm，厚度為δ=10 mm。利用316L不銹鋼良好的焊接性能，在底板上增加了相應的輔助部件：采用氬弧焊焊接的8組與抗拖網(wǎng)外罩連接的裝配支撐板，均勻布置于底板的四周；海床基平臺的布放裝置及聲學釋放器支架也均采用焊接方式固定在底板上。為保證儀器的安全性，焊接后對焊縫進行清渣及拋光處理，并進行焊縫檢測，以保證焊接強度。為增強壓艙底板的耐海水腐蝕性，在壓艙底板上設置了犧牲陽極（Zn塊）的安裝結構。壓艙底板一側另設有2個直徑φ=160 mm的圓孔，分別安裝有單向橡膠板，一個為注水孔，在海床基布放時打開注入海水，增加自身的重量并減小海水的浮力影響；一個為排水孔，在海床基平臺回收過程中打開排放海水，便于回收。

儀器艙也采用玻璃鋼工藝加工制作，外觀設計為圓筒狀，上下端各設計有法蘭邊，上法蘭邊通過螺栓與外罩固定裝配，下法蘭邊則與底板上預先焊結固定的螺栓裝配，同時在儀器艙底端一側開有半圓孔，用于聲學釋放器與浮球拉緊繩索的連接。

布放裝置用于抗拖網(wǎng)ADCP海床基的布放，采用316L不銹鋼管及鋼板加工，焊接固定于儀器艙的一側。2套聲學釋放器采用并聯(lián)方式安裝連接，每一套聲學釋放器采用2組塑料夾具固定于底板上。布放裝置與聲學釋放器的外觀及安裝位置如圖4所示。

圖4 底板三維布局圖

1.2 ADCP固定裝置

ADCP固定裝置是整個抗拖網(wǎng)海床基的核心部分，如圖5所示，固定裝置安裝于主艙的中心部位，通過抗拖網(wǎng)外罩為ADCP提供保護。儀器架采用直徑φ=12 mm的316L不銹鋼棒彎制、焊接成型，焊縫均進行了清渣、拋光處理。儀器架由浮球艙安裝座及ADCP垂直固定安裝結構組成。浮球艙也采用玻璃鋼工藝加工，內(nèi)壁光滑處理，便于浮球釋放上浮，同時浮球艙內(nèi)設計加工有繩索艙，用于放置第一套回收繩索，這套繩索一端與浮球連接，另一端與儀器架連接。儀器艙底部開有通孔，穿有浮球與壓艙底板聲學釋放器之間的固定繩索，通過這根較短繩索，ADCP在豎直方向上拉緊。同時，儀器艙底部設計有繩索艙，放置第二套回收繩索，繩索一端連接儀器架，另一端連接壓艙底板。

圖5 ADCP固定裝置三維結構圖

1.3 抗拖網(wǎng)ADCP海床基的組裝和性能參數(shù)

抗拖網(wǎng)ADCP海床基的組裝過程如下：

（1）將儀器艙、2套聲學釋放器安裝固定于壓艙底板；

（2）通過螺栓將ADCP及浮球艙安裝在儀器架上；

（3）將安裝ADCP及儀器艙的儀器架放置于儀器艙中，并且將一組足夠長回收繩索放在繩索艙內(nèi)，一端與底板焊接固定的大U型環(huán)連接，另一端與儀器架連接；

（4）將另一組足夠長回收繩索一端與儀器架連接，另一端與浮球連接，并將多余繩索盤繞于浮球艙內(nèi)的繩索艙中；

（5）通過一條短繩索將浮球與壓艙底板上的聲學釋放器拉緊，通過此繩索保證儀器架在縱向上的受力限位；

（6）檢查各連接部分，將抗拖網(wǎng)外罩與壓艙底板、儀器艙安裝固定，并蓋好頂蓋。

安裝完成的抗拖網(wǎng)ADCP海床基如圖6所示。

圖6 安裝完成的抗拖網(wǎng)ADCP海床基

抗拖網(wǎng)ADCP海床基的性能參數(shù)見表1。

表1 抗拖網(wǎng)ADCP海床基性能參數(shù)

1.4 海床基的布放與回收

抗拖網(wǎng)ADCP海床基布放前需對使用海域進行水深、沉積物及海底地形情況的調(diào)查，這些資料將對海床基的成功布放與回收起到關鍵作用。

1.4.1 海床基布放

海床基利用后甲板A型架和絞車吊裝布放，同時需要一臺聲學釋放器配合海床基的布放。該聲學釋放器安裝有釋放脫鉤的一端通過U型環(huán)與海床基布放裝置連接，聲學釋放器尾部一端與A型架吊裝鋼絲繩連接，并在聲學釋放器尾部加掛2套適用于100 m水深的浮球。通過后甲板絞車及A型架將海床基吊起，緩緩放入水中，待海床基由底板進水口充滿海水后，海床基在絞車的釋放下落至海底，最后由布放聲學釋放器甲板單元向水下發(fā)出釋放指令，布放聲學釋放器釋放鉤打開，在2套浮球的浮力下上浮，同時回收絞車，至此海床基布放工作結束。

1.4.2 海床基回收

由于海床基搭載的2套聲學釋放器采用并聯(lián)方式，利用搭載聲學釋放器配套甲板單元向水下搭載的任意一臺聲學釋放器發(fā)出釋放指令，都可以釋放與其連接的浮球，保證了浮球釋放的可靠性。浮球攜帶與ADCP固定裝置連接的繩索上浮至水面，由船上工作人員將浮球打撈至甲板，利用浮球攜帶繩索進行ADCP固定裝置的回收。待ADCP固定裝置回收至水面后，再利用ADCP固定裝置攜帶的與海床基平臺底板連接的繩索，將海床基平臺回收到船上。整臺儀器的回收方案以ADCP優(yōu)先回收進行設計，在保證測量數(shù)據(jù)獲取的前提下，再回收海床基平臺。若由于海況的惡劣及其它原因，儀器回收成功后，可拋棄海床基壓艙底板和抗拖網(wǎng)外罩。

2 實驗及應用

隨著2006年中國—印尼合作項目的開始，本文所述的抗拖網(wǎng)ADCP海床基在卡里馬塔海峽和爪哇海域觀測研究中參與了實際應用，與美國、印尼等國的海床基觀測系統(tǒng)同時布放在印尼的卡里馬塔海峽海域，如圖7、圖8所示。

圖7 抗拖網(wǎng)ADCP海床基布放地點

圖8 抗拖網(wǎng)ADCP海床基的布放

在海床基回收的時候，只有本文所述的抗拖網(wǎng)ADCP海床基實現(xiàn)了成功回收，獲得了該海域海流流速等數(shù)據(jù)，如圖9所示。本海床基的研制以及成功應用，證明了抗拖網(wǎng)ADCP海床基經(jīng)受住了海上惡劣環(huán)境的考驗，能夠較好地完成海洋觀測任務，為我國在東南亞地區(qū)的內(nèi)海開展長期海洋觀測提供強有力的技術支撐，并為今后與印尼及其他東南亞國家建立長期、穩(wěn)定的海洋科技合作起到促進和推動作用。

圖9 卡里馬塔海峽A1站2008年1-2月垂向平均流速

3 結論

本文詳細介紹了新研制抗拖網(wǎng)ADCP海床基的組成和功能，并對實際應用進行了簡單說明。結果表明抗拖網(wǎng)ADCP海床基能夠在實際海上惡劣環(huán)境中較好地完成布放回收和海洋觀測任務，有效地避免了海洋漁業(yè)拖網(wǎng)、流網(wǎng)和海洋工程對海床基的干擾，可以安全地完成海洋觀測任務。

[1]胡平，李文杰.ADCP聲波流速流向剖面儀在海洋環(huán)境監(jiān)測與評價中的應用[J].物探與物化，2004，28（4）：341-344.

[2]Pettigrew N R,J D Wood,E H Pape,et al.Acoustic doppler current profiling from moored subsurface floats[C]//Oceans'87,The Ocean,An International Workplace,IEEE,NewYork,1987:100-116.

[3]HenryPerkins,Federicode Strobel.The barnysentinel trawl-resistant ADCP bottommount[J].Oceanic Engineering ，2000，25（4）：430-436.

[4]Flotation technologyTRBMs.http://www.flotec.com.

[5]pop up buoy.http://www.Benthos.com.

Design of Trawl Resistant Seabed Based System with ADCP in Shallow Water

YU Kai-ben1,2,LIU Zhong-chen2,WEI Ze-xun2,JI Yu-qiang2,Fan Bin2
（1.Ocean University of China,Qingdao Shandong 266100,China;2.The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao Shandong 266061,China）

Seabed based system fitted with the acoustic doppler current profilers (ADCP)is available for the long term monitoring applications of hydrological environment in shallow water.A seabed based system with upgraded structure and function design was described,which can overcome the defect that the seabed based system can not avoid the damage of the trawl.The method of laying and recovery are also designed.The practical application shows that the trawl resistant seabed based system with ADCP can acquire the hydrological data in shallow water which is full of trawls and achieve the long term monitoring applications of marine environment.

ADCP;shallow water;seabed based system;trawl resistant

P715.5

B

1003-2029（2012）01-0041-04

2011-10-08

于凱本（1977-），男，助理研究員，工學碩士，研究方向為海洋監(jiān)測技術。Email：yukb@fio.org.cn