西沙永乐龙洞探秘前期调查工作综述

刘焱雄,杜 军,吴志露,田梓文,丰爱平

(国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061)

综 述

西沙永乐龙洞探秘前期调查工作综述

刘焱雄,杜 军,吴志露,田梓文,丰爱平

(国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061)

西沙永乐龙洞是目前已知的最深蓝洞,具有极高的科学研究与社会价值。目前永乐龙洞调查研究仅处于初级阶段,科学揭秘亟待展开,基于此,国家海洋局第一海洋研究所拟大规模开展西沙永乐龙洞探秘工作。龙洞处于永乐环礁之上,水浅礁多,周边暗礁林立,水下情况复杂多变,缺乏直接大规模探测条件,前期的进出航路探测和作业条件调查必不可少。本次调查综合利用大地控制测量、单波束测深、多波束测深与潮位控制等相关技术,对龙洞周围以及永乐环礁大船进出航路进行了综合勘测,建立了龙洞周边的大地基准,获取了目标海域的水深资料,为后期大型作业船进入永乐环礁提供了合理航道,并为其选择了最优锚地,也为工作驳船进入龙洞选定了安全航路。

永乐龙洞;水深测量;航道;锚地

蓝洞是海洋中黝蓝、深邃、神秘的海洋地质遗迹,蕴藏着许多未解之谜,属于最重要的世界海洋自然遗产和世界地质奇迹之一,也是地球演化和人类进化的参与者和见证者。近30 a,蓝洞已被广泛应用于喀斯特过程、全球气候变化、海洋生态学和碳酸盐岩地球化学等方面的研究,极具科学研究价值[1-5]。西沙群岛永乐环礁的蓝洞很早已被发现,直至2015年我国才对该洞进行了探测。三沙航迹珊瑚礁保护研究所初步探明该蓝洞圆形敞口宽约130 m,深达300.89 m,是目前发现的全球最深的海洋蓝洞,也是目前我国唯一已知的海洋蓝洞[6]。2016-07-24三沙市政府正式命名该海洋蓝洞为“三沙永乐龙洞”(Sansha Yongle Blue Hole)。

永乐龙洞是南海岛礁形成与演化的参与者,虽然三沙航迹珊瑚礁保护研究所研究人员对其进行了大量的调查勘察,但未对其深入探测与研究。基于此,国家海洋局第一海洋研究所拟对已发现的西沙永乐龙洞开展专项调查,探索龙洞成因机制,探讨我国南海海平面变化与气候变化的关系,揭示西沙蓝洞独特生物群落结构和生态系统维持机制,以服务于海洋科学研究、经济建设和文化传播等。为此,国家海洋局第一海洋研究所计划利用驳船搭载工作级水下机器人(Remote Operated Vehicle,ROV),深入蓝洞进行精密探测并获取各种成因证据。

利用工作级ROV进行探测,其需要搭载工作母船进行现场作业,工作母船一般吃水超过6 m。为了保护龙洞周边珊瑚礁生态系统,拟采用工作母船搭载驳船方式进行就位作业,亦即需要精确获得工作母船和驳船的航道。然而,永乐环礁由众多岛屿、小礁盘和小环礁断续相接,中间为礁湖[7],但礁湖中暗礁林立,尤其是龙洞周边,平潮时平均水深不到1 m,工作母船如何安全进入蓝洞附近、工作母船锚地的选择以及驳船到蓝洞中心航道设计对于项目顺利执行至关重要,因此前期的作业条件调查必不可少。本文主要综述了前期调查工作情况和主要结论,通过对蓝洞四周及航行水道进行的水深地形测量工作,得到航行通道的水深和宽度,给出了工作母船的船行路线和锚地,划定了工作驳船进入蓝洞的安全路线,保障大规模探秘工作的顺利实施。

(陈 靖 编辑)

1 西沙永乐龙洞概况

永乐环礁位于西沙群岛西南部,由琛航岛、晋卿岛、银屿、全富岛、珊瑚岛和甘泉岛、羚羊礁等岛洲滩礁组成[8],龙洞位于永乐环礁东端的晋卿岛与石屿相连的礁盘中,地理坐标为(111°46'06″E,16°31'30″N),距晋卿岛7 km、石屿3 km、永兴岛70 km,距离海南省三亚市约328 km(图1)。

图1 西沙永乐龙洞位置概况Fig.1 Location for the Blue Hole in Xisha islands

永乐礁盘是个大型环礁,其周边有许多岛屿、小礁盘和小环礁断续相接,中间为大礁湖,湖内大部分水深为40～50 m[7],大部分地区适合航行。但环礁东部龙洞西侧水浅且有礁墩发育,水深变化剧烈,从2～20 m陡然变化且毫无规律,缺乏能让大型船舶进入的明确航道。龙洞位于石屿-晋卿岛礁盘中,国家海洋局第一海洋研究所2016-08中旬初步探测得知,该地平潮期水深只有0.5～0.8 m,高潮持续约2 h,大潮潮差约1 m,水深和潮汐情况不利于船只航行,因此精确掌握龙洞周边水深资料对于项目顺利开展至关重要。西沙群岛潮汐属不正规日潮型,少数为不规则半日潮类型[9],西沙群岛平均潮差0.5 m,最大潮差为1～2 m[10-11],探明龙洞周边潮汐特性也是本次调查重要任务。

2 调查技术与过程

2.1 调查方案讨论

龙洞探秘只能从西向进入,因为龙洞东边500 m处为永乐环礁的边缘,水浅、浪高、流急,母船和工作驳船无法进入,环礁外部水深陡然变深到800 m,也无法作为母船锚地。进入通道可考虑石屿门、银屿门、晋卿门:1)石屿门的距离最近,但是,石屿门航道狭窄、流急浪高,水深很快由20多m变浅到3～5 m,其与龙洞之间多为暗礁区域,工作母船无法抵进龙洞。调查期间发现,该处并无大船停泊,当地渔民也证实,该地不可作为锚地。2)银屿门位于全富岛和银屿之间,在龙洞的西北方向,为狭长水道,水深达20 m,是西沙旅游游轮的锚地之一;调查期间也发现多船在此地停靠避风。但是,银屿门水道南端与石屿门的交叉处,水深只有5 m,往龙洞方向为连绵的暗礁。工作母船无法抵进龙洞,只能停靠在龙洞西北6 km处,距离龙洞较远,转运驳船来回母船较远,非理想锚地和航行线路。3)晋卿门在龙洞的东南方向,为浅湖外通重要航道,水深30～40 m,海底地形平缓,且距离龙洞近,也适合大船停锚。

从海图上看,晋卿岛和全富岛之间有20 m等深线,适合大船航行,实地探测也证实了航路可行。该航道在龙洞正西方,最近处不足5 km,所以,本次调查选择了从龙洞正西向进入的方案,勘察工作也由此展开。另外,我们从海南方向航行至永乐环礁时,从老粗门(珊瑚岛和甘泉岛之间水道)进入,所以本次调查也包含老粗门至晋卿岛之间的航行水道。因此本次作业调查主要任务为老粗门至龙洞附近锚点以及锚点至龙洞的水深测量与航道设计,调查范围如图2所示。调查使用工作母船为500 t,还配有多艘小船,调查内容包括控制测量、潮位测量以及水下地形地貌测量三部分内容。

图2 调查范围示意图Fig.2 Sketch Map of survey area

2.2 控制测量

控制测量主要任务是为潮位测量以及水深测量提供参考基准点,也为后续的调查提供大地基准。具体设计方案:1)在银屿与晋卿岛布设大地控制点并架设GNSS(Global Navigation Satellite System)观测设备,与海南岛内GNSS连续观测站点进行不低于48 h联测。银屿与晋卿岛的布设站点选择视野开阔、无遮挡且远离电磁场地区,接收机接收GPS和GLONASS双频数据,卫星截止高度角设为10°,并配备扼流圈天线。2)数据处理使用专业高精度GNSS数据处理软件进行静态长基线解算,得到控制点CGCS2000坐标,并利用高斯-克吕格3度带投影,获得研究区域内的平面控制坐标。3)进一步利用“927”一期工程的高精度大地水准面精化成果,计算控制点的1985国家高程,获得研究区域的高程控制基准点。

银屿与晋卿岛都为有人岛屿,可作为长期参考点保留,但考虑到龙洞作业区域离银屿、晋卿岛距离都超过7 km,当地的电磁场情况复杂,在这2处架设GPS RTK基站无法覆盖龙洞周边的作业区域,因此在距离不足3 km的石屿布设了临时控制点。石屿控制点CGCS2000坐标通过与银屿及晋卿岛的联测获得。在石屿的控制点上架设基站,通过外置无线电台发送差分信号,可覆盖整个作业区域。

实际外业观测过程中,在银屿与晋卿岛上使用了TRIMBLE NETR9 GNSS接收机,配置了扼流圈天线,有效观测时长72 h;在石屿架设Topcon HiPer IIG接收机,并与银屿、晋卿岛进行联测,观测时长70 min。数据处理时,采用了TRIMBLE公司的商业软件TBC(Trimble Business Center),与海南岛的东方、海口和清澜GNSS长期观测站组网进行基线解,这些站点为已知站点,其CGCS2000坐标由国家海洋局第一海洋研究所的GNSS数据中心提供。由于GNSS网基线长短边差异太大,银屿、晋卿与海南本岛三处站点单独组网解算。解算采用IGR快速星历,卫星高度截止角设为15°,处理历元间隔为10 s。固定清澜与东方站坐标,分别解算得到银屿和晋卿坐标,最后解算银屿—晋卿—石屿GNSS网,获得3个控制点精确坐标。利用高斯-克吕格3度投影至平面,对控制点进行高程异常归算,得到站点的1985国家高程。

图3 验潮站位置示意图Fig.3 Sketch Map of tide gauge stations

2.3 潮位测量

精确的潮位资料可为当地理论深度基准面的计算提供起算数据,也可在RTK定位信号较差时对潮位数据做必要补充。故本次在进行水深地形测量之前,根据测区实际情况布设潮位数据采集站,所采集的潮位数据可以准确反应整个测区潮位变化。经过现场勘察后,分别在晋卿岛、石屿、银屿和龙洞四处投放了水位计进行联合观测,验潮站点分布如图3所示。

潮汐测量设备为加拿大RBR潮位仪。安置验潮仪时,需用重物捆绑RBR,保证RBR可以沉至海底且在测量期间仪器固定不动,放置地点需保证最低潮时验潮仪仍然在海面以下,同时还需要绑好浮于水面的标志物,便于日后仪器的回收。验潮仪的坐标通过GNSS-RTK或者静态观测的方式获得。同时,GNSS-RTK无验潮模式测深的同时可直接获得水面在相应高程基准下的潮位变化,此外还在银屿码头进行人工验潮,多个站点、多种验潮方式结合,观测结果相互验证对比,确保潮位数据的准确。

RBR观测时间不完全相同,其中银屿、石屿、晋卿岛观测时间约为8 d,龙洞验潮点仅为2 d,具体验潮结果如图4所示,水面高程基准为1985国家高程。潮汐性质的划分主要以F=(HK1+HO1)/HM2值来判断,其中HK1,HO1,HM2分别为分潮K1,O1,M2的振幅,0＜F≤0.5为半日潮性质,0.5＜F≤4为混合潮,F＞4为日潮[13]。本次潮位观测时间不够长,无法进行调和分析计算,但观察多天的潮位变化图,发现龙洞周边具有不规则半日潮特性。

在读取银屿水位计数据之后,重新放入海中,计划在所有项目完成后再取出,届时观测时长将超过3个月,由此进行更为科学的区域海潮特性分析,进一步完善当地潮汐特性的研究。

图4 龙洞周边潮位观测结果Fig.4 Observations of tidal levels around the Blue Hole

2.4 水深地形测量

2.4.1 多波束测量

水深地形分为单波束测量与多波束测量。深水区域采用多波束测量方式,共获得10 km2航路及母船锚地区域水深数据,主要区域包括龙洞西侧锚地—晋卿门—老粗门(图2)之间的深水航道,调查区域水深17～40 m,宽度100～600 m。本次多波束测深设备为Reson SeaBat 7125测深仪,导航设备为NavCom SF-3050星站差分接收机,船行姿态记录设备为POS MV 320,数据采集软件为PDS2000。

在多波束测量系统安装完成后,进行了海上横摇(Roll)校准、纵摇(Pitch)校准及仰角(Yaw)校准,在作业区附近选择符合对应条件的地形区域,布设校准测线,最终获取偏差值-0.97°,-1.81°,-2.31°。由于海水是不均匀介质,因此声波在水中传播会导致传播声线的弯曲,因此测量前对调查区域进行了声速剖面测量,以提高水深测量精度。在多波束测量过程中,通过PDS2000软件实时监控多波束数据质量,进而判断是否需要更新声速文件。

同时利用PDS2000进行多波束数据后期处理,原始测量数据经过预处理、潮位改正、基准转换等后处理工作,最后生成水深地形图。

2.4.2 单波束测量

单波束测量主要在龙洞周边0.5 km2及母船抛锚点至龙洞航道水深较浅、地形复杂区域开展,共3艘小船同时工作,其中2艘吃水小于50 cm,主要在龙洞周围作业,另一艘小船吃水80 cm左右,在计划锚点至龙洞外侧工作,部分浅水区需趁高潮时开展。龙洞北侧水浅,不是本次测量重点,测线适当放宽至20 m;龙洞南侧水较深,为驳船候选进入区域,因此主测线间距加密为5 m;同时,两片区域在垂直测线方向都布设了检查线,检验测深精度,测线布设如图5所示。

图5 小船测线布设方案Fig.5 Layout scheme of boat surveying lines

单波束测深采用中海达公司的HD-MAX和HD-370测深仪,测深导航模式为RTK,基站架设在石屿上,导航与测深软件都为中海达内置软件,实现测深与导航软件一体化。每次正式开始测深前,进行了声速改正,与比对盘进行深度比对,检校测深仪是否工作正常。

单波束数据处理软件为中海达公司的水深处理软件HI-MAX,主要通过手动或自动平滑以消除涌浪和噪声因素影响。本次水深测量采用GNSS-RTK无验潮方式进行,故不需考虑动态吃水改正和潮位改正。对单波束数据测深数据进行涌浪和噪声处理以及水面高程改正之后,得到龙洞周围地形图(1985国家高程基准)。

3 调查结果及分析

通过控制测量、水位测量、水深测量(单波束与多波束测量)等技术手段,获得了龙洞附近的平面与高程基准和潮汐特性,也获得了西沙永乐岛礁(主要为龙洞附近)精确的水深数据资料。

3.1 控制测量结果分析

使用TBC进行数据处理时,采用了不同方案以验证结果的精度和可靠性。首先,采用单基线的方式,分别计算晋卿岛至清澜、海口、东方站的基线向量,根据这3个站推算晋卿岛的三维坐标,发现不同站点和时段推算的晋卿岛坐标互差不超过2 cm。然后,利用清澜站为控制点,推算银屿的三维位置,获得银屿—晋卿岛之间的位置差,再与直接计算出二者之间的基线向量进行比较,发现他们之间的差异也小于2 cm。最后,分别以晋卿岛和银屿为控制点,计算石屿的三维坐标,比较二者的差异,发现它们之间的互差也小于2 cm。经过这些外部(与海口站等站联测比较)和内部(银屿与晋卿岛基线向量)检核,不同方式得到的控制点坐标相差不超过2 cm,由此推及控制点绝对位置精度优于2 cm,解算结果见表1。1985国家高程的转换采用了“927”一期工程的成果,利用其大地水准面精化模型,计算晋卿岛、银屿和石屿三点的高程异常,再由3点的大地高减去高程异常,得到3点的1985国家高程。由于“927”一期工程的成果精度优于10 cm,由此可见3点的1985国家高程精度也优于10 cm。

表1 控制点结果Table 1 Control points results

3.2 潮位数据分析

基于4个验潮点短期的验潮数据对当地潮位特性进行初步研究,得到龙洞区域为不规则半日潮;各站点一天之内最大潮差为1.1 m,平均潮差为80 cm。站点之间平均海平面高程差小于3 cm。为了安全,不再详细描述各验潮站的平均海平面、最低潮位面和最高潮位面。

3.3 水深地形结果分析

水深地形测量结果如图6～图7所示,相关高程基准为1985国家高程,其中图6为单波速测深结果,图7为多波速航道测深图。平面坐标为高斯-克吕格3度投影坐标,中央经线为111°。

由测深结果可知:从老粗门至龙洞西侧5 km处水深从35～60 m变化,呈现中间深两边浅的趋势,符合环礁的水深变化特性;龙洞西侧5 km左右有大片礁盘发育,其中距离龙洞1～5 km范围内水深为20～30 m,随着距离龙洞越近水深越浅,浅点较多且分布杂乱,最浅处仅有5 m左右,水道最窄处不足50 m;龙洞周围1 km范围内水深从20 m骤减至0.5 m,北浅南深,水深主要变化范围为0.5～0.9 m。永乐环礁内呈现东浅西深的趋势,西边的水深条件利于大型母船航行,东边礁石林立,水道浅且窄,进一步印证了工作母船只能从西边水门进入;龙洞位于一片大礁盘之上,周围平均水深不足1 m,而西南方向水深更深,可作为驳船进入通道。

图6 龙洞周边单波束测量的水深地形图(剔除洞内水深)Fig.6 Single beam bathymetric survey results of water depth and topography around Blue Hole (after excluding the depth of the tunnel)

图7 航道水深地形多波束测量成果图Fig.7 Multibeam bathymetric survey results for channel depth and its topography

3.4 锚地分析

考虑到作业平台就位方式和ROV作业便捷性等因素,也参考水深测量结果,最终给出4个参考抛锚点,如图8所示。其中距离龙洞西侧2 km锚点为最佳锚点,西侧4.5 km锚地为母船无法到达最佳锚地的备选锚地,其余2个锚地为本次测量曾经落锚地点,也可作为备选落锚点,4个锚地的优缺点如表2所示。

图8 最佳锚地与备选锚地分布图Fig.8 Layout of the best anchorage and standby anchorages

表2 4个锚地优缺点比较表Table 2 Comparison of merits and demerits of four anchorages

3.5 航路设计

本次测量工作母船吨位为500 t,吃水小于3 m,而后期进入永乐环礁的母船吨位8 000 t,吃水超过5 m,因此大船航行路线选择需非常谨慎。设计航路如图9所示:从老粗门进入后,沿着红线首先逐次通过1～4点,这段航路相对较为安全;其后从4号点进入礁石群,依次通过4～6号点;而后将会到达一个浅水拐点,航道宽度不足50 m,两侧水深不足5 m,这里将是未来母船到达最佳锚地的最大困难与挑战。建议在最高潮时驶入,航行时需警惕凸起的礁石,无法到达时,船停靠在锚地D上。

图9 大船进入龙洞航路图Fig.9 Chart of routes for ship entering

龙洞东北侧距离永乐环礁外围较近,涌浪较大;龙洞西北侧具有大面积的鱼排分布,均不适合作为航道。龙洞西南侧位于永乐环礁内部,距离潟湖较近,风浪较小,潟湖水位深,且水面无障碍物,适合通行。龙洞周边礁盘环聚,浅点较多,南侧水位相对较深,且无浅点分布。由此拟订驳船进入龙洞航路,如图10所示。具体由龙洞西南侧深水区,迂回至礁盘南部区,北拐后绕至龙洞东侧进入龙洞。拟选定的航道宽度大部分在40 m以上,最窄处23 m。在拟选定航道内,礁石较少,未发现水深浅点。在预报潮高1.2 m及以上时,水深不小于80 cm,可满足ROV驳船的通航要求,能够安全进入龙洞区域。

图10 ROV驳船进入龙洞航路图Fig.10 Chart of routes for ROV barge entering the Blue Hole

4 结 论

蓝洞蕴藏着极大的科学研究及社会价值,近30 a来国内外对于蓝洞的探测与研究工作从未停止。西沙永乐龙洞是世界已探知的最深的蓝洞,具有独特的结构与地理位置,蕴藏着巨大的科学秘密,但对于永乐龙洞的探知目前仅处于起步阶段,进一步揭秘西沙永乐龙洞的成因迫在眉睫。对西沙永乐龙洞的综合调查也有利于进一步开发利用龙洞资源、保护龙洞环境、发展三沙经济。

为确保西沙永乐龙洞大规模综合调查的顺利进行,前期勘察综合开展了控制测量、水位测量以及水深测量(多波束与单波束)等工作,建立了龙洞周边的大地基准,掌握了龙洞周边的潮位变化规律,获取了作业区域精确的水深数据资料,得到了工作母船最优的航行线路和最佳的锚地,并进一步拟订了驳船进入龙洞的航行路线。这些基础性的工作及结果将成为后期探测的关键支撑,其调查数据及成果也可服务于三沙市政建设和其他调查工作。

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Preliminary Investigation on the Yongle Blue Hole in Xisha Islands

LIU Yan-xiong,DU Jun,WU Zhi-lu,TIAN Zi-wen,FENG Ai-ping
(The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China)

Among all known blue holes in the world,the Yongle Blue Hole in Xisha Islands is the deepest one,which has high scientific research and social value.The investigation on the Yongle Blue hole is only in the initial stage,and its scientific secret need to be unfolded urgently.The First Institute of Oceanography(SOA,China)plans to carry out large-scale exploration for the Yongle Blue hole.However,many factors hinder us to carry out such exploration,for example,the hole is located on the Yongle Atoll,and there are many shallow reefs and submerged reefs around the hole,and the underwater situation is complex and unstable.In this preliminary survey,by using comprehensive,combined techniques such as geodetic control,single beam sounding,multibeam bathymetry,tidal level control and other relative techniques,we explored the Blue hole and the Yongle Atoll,found out the entrance and exit for the big ship, built the geodetic data,and obtained the water depth data for the targeted areas.Finally,we provide a reasonable channel for big ships entering the Yongle Atoll,and select the optimal anchorage for the safe route,which is very helpful for large-scale exploration work on the hole in the near future.

Yongle Blue Hole;bathymetry;channel;anchorage

May 16,2017

P711

A

1671-6647(2017)03-0305-12

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.03.001

2017-05-16

国家自然科学基金项目——中国沿海海洋潮汐特征的GPS响应研究(41374044)

刘焱雄(1968-),男,山东青岛人,研究员,博士,主要从事海洋测绘方面研究.E-mail:yxliu@fio.org.cn