极地锚碇潜标系统回收探索与研究

袁东方 朱兵 夏寅月 陈清满 崔丽娜 吴浩宇

(1 中国极地研究中心,上海 200136;2 上海彩虹鱼海洋科技股份有限公司,上海 201306;3 自然资源部第一海洋研究所,山东 青岛 266061)

0 引言

锚碇系统是海洋环境监测和观测的重要技术手段,海洋锚碇潜标系统具有观测时间长、隐蔽、不易受海面气象条件影响等优点[1]。锚碇系统一般可分为潜标和明标,由于极地区域冰山、浮冰密布,漂移方向不定,对明标或者布置较浅的潜标带来很大风险[2],甚至造成缆绳断裂以及仪器丢失等损失,所以在极地海域布放锚碇系统一般以潜标为主,明标布置的较少。

用于海洋水文观测的锚碇潜标一般由水下部分和水上甲板单元组成。水下部分主要包括主浮体、探测传感器、缆绳、玻璃浮球、声学释放器、重力锚以及搭载的各类观测仪器,观测结束后通过发送声学信号打开声学释放器,使观测系统与锚碇分离并浮出水面进行回收[3-5]。海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer,OBS)是一种将检波器直接放置在海底的地震观测系统,也是一种特殊的潜标观测系统。在海洋地球物理调查和研究中,OBS 既可以用于对海洋人工地震剖面的探测,研究海洋地壳和地幔的速度结构及板块俯冲带、海沟、海槽演化的动力学特征,也可以用于对天然地震的观测,天然地震的地震层析成像研究以及地震活动性和地震预报等[6]。

我国目前已经开展了37 次南极科学考察和11次北极科学考察,随着考察的深入,锚碇潜标系统的布放和回收逐渐成为历次考察的常规化作业。极地环境具有特殊性,天气恶劣且变化快、浮冰密集,虽会给锚碇系统布放工作带来一定的困难,但是对于锚碇系统的回收存在更大的影响,尤其是海面浮冰的存在,常常导致锚碇系统无法准时回收,甚至会出现需要等待数月或者第2 年回收的情况。本文从南北极锚碇系统中潜标回收存在的问题出发,分析极地浮冰区回收方法,提出改进意见,为以后南北极潜标系统的回收积累经验。

1 极地潜标发展及回收现状

2003 年,中国第2 次北极科学考察队在65°30′N,168°50′W 的白令海峡峡口50 m 水深的陆架海域,布放了中国极地考察的第一个潜标[7]。

在2008 年中国第3 次北极科学考察中,中国首次在北冰洋布放一套1 年期深水潜标,用于观测北冰洋海洋要素的演变,以进一步探索北冰洋环境变化对全球气候变化,尤其是对中国气候变化的影响[8]。

2010 年,中国第26 次南极科学考察队在南极普里兹湾海域成功回收一套潜标系统,这是中国首次在南极成功投放并回收潜标,潜标记录的观测数据为研究南极环境提供了重要参考[9]。

2013 年,中国第28 次南极科学考察队在普里兹湾海域投放了2 台海底地震仪(OBS),这是我国首次在南极海域进行海底地震观测[10]。

极地潜标系统可以获得长期的水体温度、盐度、压力、流速、流向等观测数据,揭示水体变化特征与运动过程,为北极海-冰-气相互作用以及南极深层水和底层水的变化规律研究提供支持,也为研究极地海洋对全球海洋和气候变化的作用提供了物理海洋学的客观背景[11]。随着极地考察的发展,近年来潜标的布放和回收任务越来越多,业已成为南北极现场考察的常态化内容(表1)。

表1 近年来我国南北极考察潜标布放和回收数量[12-17]Table 1.The number of submersible beacons laid and recovered in the Chinese Arctic and Antarctic Research Expeditions in

多次的现场作业表明,与布放相比,锚碇潜标回收作业困难重重,尤其是在极区海域,作业时受到浮冰的影响很大[18]。我国南极科学考察的周期是每年1 次,第1 年投放设备,第2 年才能回收,长期的潜标系统需要至少1 年才能回收。由于南北极考察作业任务多,作业窗口受恶劣自然环境影响,不能保障布放的潜标第2 年一定能够顺利回收,在第3 年完成回收或者释放器无法通讯导致无法回收的情况也时有发生。中国第29次南极科学考察期间布放的OBS,由于中山站附近海域冰情严重,无法开展回收作业,海底地震仪在南极海底“沉睡”了两年,直到中国第30 次南极科学考察期间才成功回收[19]。由于浮冰及航行计划的调整,中国第34 次南极科学考察布放的2 套潜标直到中国第36 次南极科学考察才进行回收,中间间隔时间接近三年[20]。

2 潜标回收方法

经过多年的潜标布放和回收工作,形成了一套较为成熟的船队协助方案和机制。考察船在回收潜标时的方式主要有两种,一种是依靠考察船船基作业回收,另一种是释放小艇作业回收,两种方式都存在一定的优势和不足。

2.1 船基回收

在极地现场作业期间,潜标和OBS 的回收主要依靠我国极地科考破冰船“雪龙”号和“雪龙2”号进行。回收作业时若涌浪超过1 m、风力大于6 级或浮冰密集度超过60%,则无法吊放小艇对浮球进行拖曳作业,只能以大船为平台,通过船舶的机动航行从风、洋流的上方靠近潜标,利用抛绳器、锚钩等打捞工具将潜标的浮球间绳子勾住,并拉至船上,然后利用船上的绞缆机或吊车,对潜标进行回收作业(图1)。

图1 使用吊车回收潜标(a)和吊笼回收OBS(b)Fig.1.Use the crane to recover the submersible beacon (a)and use the crane cage to recover OBS (b)

由于船舶结构的差异性,“雪龙”号和“雪龙2”号在回收OBS 和水文潜标时情况也有很大的差别。OBS 回收时,OBS 浮出水面后需要大船逐渐靠近OBS,并将OBS 控制在船舶的有利位置,然后通过甲板上的回收网具进行回收。“雪龙”号使用常规的轴-桨推进方式,机动性较差,在回收OBS 时较为困难;“雪龙2”号使用新型的吊舱电力推进方式,机动性强,回收OBS 时仅靠自身机动性就可以靠近 OBS,方便回收。水文潜标回收时,“雪龙”号由于其螺旋桨带有导流罩,在回收潜标时潜标缆绳不易被螺旋桨缠绕(图 2a),可以更近的靠近潜标位置进行回收;“雪龙2”号由于其螺旋桨无导流罩保护,潜标缆绳很容易缠绕螺旋桨,在回收时船不能过于靠近潜标(图2b)。

图2 “雪龙”号(a)和“雪龙2”号(b)推进器对比Fig.2.Comparison of thrusters of Xuelong (a) and Xuelong 2 (b)

即便如此,船基回收锚碇潜标仍存在着较大的困难,由于两条船的船舷都比较高,回收人员距离浮球或缆绳较远,很难顺利地用抛钩勾住潜标的缆绳。此外,当过于靠近潜标时,“雪龙”号螺旋桨虽然有导流罩保护,但是在极地现场作业时仍有数次挂住潜标缆绳的情况发生,存在一定的安全风险(表2)。

表2 “雪龙”号和“雪龙2”号关键参数对比表Table 2.Parameters comparison table of Xuelong and Xuelong 2

2.2 小艇回收

在天气和海况允许的情况下,考察船也可以通过随船携带的小艇进行潜标或OBS 的回收作业。由于极地作业的特殊性,很多科考项目、考察站物资补给都需要使用小艇进行作业。“雪龙”号和“雪龙2”号一般都会携带小艇,“雪龙”号由于货仓空间充足,可以装载2 艘钢质小艇,或者一艘钢质小艇和一艘橡皮艇;“雪龙2”号一般装载一艘橡皮艇(图3)。

图3 橡皮艇(a)和钢质小艇(b)回收潜标作业Fig.3.Raft (a) and steel boat (b) recovery of submersible beacon

当作业区域海况满足放艇条件时,在潜标浮出水面后,大船会将小艇吊放至海面,小艇航行至潜标位置附近,可以清楚的观察到水中潜标浮球和缆绳的状态,通过拖拽的方式可将部分潜标拖到大船旁边,依靠大船上的机械设备进行回收。当潜标缆绳或者浮球被浮冰压住或阻挡时,也可以通过小艇将绳子剪断,把潜标分成几段进行回收。

小艇回收作业也存在一定的风险。首先是吊运小艇工作量大,危险系数较高,实际作业时海浪对小艇和人员安全的威胁很大,海况超过3 级或者能见度较低时,无法使用小艇作业。其次是海冰对小艇的阻碍,若吊运的是钢质小艇,一般的浮冰对小艇不会存在伤害;若使用橡皮艇作业,需要不断地规避海冰,避免海冰划破橡皮艇,增加了作业的时间,当海冰密集度超过50%后,橡皮艇作业的风险就会大大增加。

3 存在的困难

3.1 天气因素

由于南北极地理环境的特殊性,恶劣天气频繁发生,例如南大洋平均每个考察航次出现约18次气旋大风过程(风力大于14 m·s–1)和4 次强过程(风力大于20 m·s–1),平均每隔约6.5 d(30 d)就会出现一次气旋大风过程(强过程)[21]。这些天气过程会造成作业区域风力加强,海面涌浪增高以及能见度降低,从而导致科考船无法开展潜标的回收作业。由于每次科考的计划安排非常饱满,在潜标点附近作业预留的时间有限,遇到恶劣天气无法等待过多的时间,也往往造成潜标无法顺利回收。虽然潜标浮球都使用醒目颜色,但是在能见度低的情况下,仍然无法快速发现浮球的位置。在极地现场作业过程中,因为天气因素导致潜标回收窗口关闭的情况时有发生,考察队也不得不更改作业任务和计划,以创造机会进行回收作业[22]。

3.2 浮冰因素

由于浮冰具有流动性,在风和洋流等的作用下会在某个区域出现堆积或者消散,目前国际上先进的海冰预报模式也无法对浮冰的短期运动趋势进行预报。浮冰对于潜标的回收存在巨大的威胁,若海面存在浮冰,潜标上浮时浮球可能会被浮冰阻挡而无法浮出水面,或者仅有部分浮球浮出水面,而其他浮球和设备被浮冰分割在不同的水域,增加回收的困难程度,甚至造成无法回收(图4)。历次南北极考察在浮冰区回收潜标都需要充分评估浮冰对潜标的影响,若存在大块浮冰或者密集度过高,则无法进行回收。中国第29 次南极科学考察期间布置的OBS 就是因为浮冰密集度太高无法进行回收作业,直到中国第30 次南极科学考察才成功回收。

图4 浮冰区潜标回收作业Fig.4.Recovery of submersible beacon in ice covered area

3.3 潜标定位精度

潜标在布放后一般采用三点定位法确定其最终位置,但是三点定位精度依赖于声学释放器的系统定位精度,而声学释放器的精度受其数据处理方法的影响 (如默认声速为1500 m·s–1),假设水深为5000 m,综合考虑各设备精度,实际误差在50～100 m 之间,可达水深的1%～2%。此外,上浮后最上部浮球的位置与其布放的最终位置也会有几米到几十米的误差,水深越深,误差越大[23]。

潜标上浮过程中也时刻受到水平海流的影响[24],这种横向作用力对深水潜标的位置预测产生影响,潜标上浮过程中只能对潜标声学释放器所处深度进行跟踪测量,无法对其在海流影响下的横向移动距离进行有效的跟踪,所以无法准确计算上浮位置。这种误差导致潜标在极地浮冰区回收的风险大大增加,有可能上浮至浮冰密集区域。

3.4 回收工具

“雪龙”号和“雪龙2”号在极地现场回收潜标和OBS 作业时,主要还是依靠人工完成,工具配备也相对简单。近年来虽然也尝试配备了一些专用工具,但是在现场使用过程中难以达到预期的效果。如船上配备抛绳器,但其前端的抛钩需要现场自制,抛钩重量对抛绳器工作距离的影响也难于评估,因此事实上抛钩操作仍需人工完成。而OBS 一般为单个球体,直径在0.6～0.8 m之间,相比大尺寸的科考船和大尺度的海洋来说,很难分辨,回收时较为困难,“雪龙”号回收OBS时需要回收人员站在吊笼里,用网具回收,作业也存在一定的风险(图5)。

图5 回收OBSFig.5.Recovery of OBS

由于缺乏专业、实用的回收技术,目前对于在浮冰区回收潜标和OBS 作业还存在一定的困难和风险,若回收区域海冰较为密集则无法进行回收,需要进一步研究专用工具和技术,以提升南北极高密度冰区潜标回收作业效能。

4 浮冰区潜标回收新技术和方法

4.1 潜标回收新技术探讨

极地潜标的回收作业除了要考虑天气、海况等因素外,浮冰也是造成潜标无法顺利回收的重要因素。虽然天气、海况、浮冰等外在困难因素无法改变,但是可以通过研究开发新的技术和设备,提高在复杂环境中的潜标回收成功率和延长作业时间窗口。本文针对极地浮冰区潜标系统尤其是OBS 回收特点,研制新的回收设备,以减少回收时间,提高OBS 在极地回收的成功率。

OBS 在极地布置一般采用锚碇式、单浮球的形式,航次初期布放,后期回收,布放时间较短,一般为3–4 个月。相对于其他潜标长达千米甚至数千米的缆绳和种类繁多的仪器,在浮冰区采用新的技术和设备回收OBS 可行性更高。

根据浮冰区特点以及潜标回收经验,以“雪龙 2”号为平台,基于小型水下机器人(Remote Operated Vehicle,ROV)设计一种OBS 回收系统,例如冰海回收专家Ⅰ型水下作业机器人(Ice Sea Recycler-Ⅰ,ISR-Ⅰ)(图6)。“雪龙2”号配备有月池系统、超短基线(USBL)和全方位声呐系统,OBS和ISR-Ⅰ同时携带信标的情况下,可以定位OBS和ISR-Ⅰ在水下位置,这为ISR-Ⅰ在极地现场使用创造了条件。

图6 ISR-Ⅰ系统图Fig.6.ISR-Ⅰsystem diagram

根据极地冰区作业特点,若海面有浮冰且OBS 被压在浮冰下,其作业流程如下。

(1)布放过程:OBS 配置USBL 信标,从科考船甲板布放到海底,下放开始时即开启 USBL,跟踪OBS 下放的深度和位置,结合OBS 甲板单元定位OBS 在海底的坐标。

(2)搜寻过程:使用甲板单元激活OBS 释放器,OBS 释放后上浮,同时船载USBL 和OBS 信标进行通讯,记录OBS 与科考船的位置和距离,并进行跟踪和定位,直到OBS 上浮至浮冰底部;此时释放ISR-Ⅰ,通过USBL 的引导,寻找OBS在冰下的位置,其顶部配置的云台摄像机和LED灯光系统也可以实时获取浮冰下图像,操作人员通过实时画面进行搜索。

(3)捕获过程:ISR-Ⅰ搭载体感机械手,搜索到目标后操作人员上浮至OBS 下方,通过体感手套发出指令,使机械手握住OBS,完成OBS 冰下的捕获过程。

(4)回收过程:找到后使用机械手抓住OBS并向下运动,到达一定深度后横向移动,将OBS拉至船边,承重脐带缆可以辅助将OBS 从浮冰下拉出,然后进行回收(图7)。

图7 ISR-Ⅰ作业示意图Fig.7.Schematic diagram of ISR-Ⅰoperation

ISR-Ⅰ基于浮冰区潜标回收经验进行设计,充分考虑了OBS 在浮冰下的各种状态,可以很方便的将OBS 拉出浮冰区。同时也可以对其他潜标回收进行简单的辅助作业,比如潜标绳子被浮冰卡住或者缠绕船舶推进器桨叶时,可以通过切割缆绳等方式进行辅作业,协助潜标的回收。

4.2 其他方法和建议

ISR-Ⅰ的现场应用需科考船配备 USBL,且OBS 和ISR-Ⅰ同时配备信标,才能有效提高作业效率。虽然使得先期对于硬件成本投入较高,但是对极地冰区回收OBS 是有效的探索。在极地考察过程中,经过多年的现场实践,不断创新作业方法、改进回收设备、积累经验,也大大提高了回收潜标的成功率。

(1)优化航线及作业任务,选择有利条件进行回收作业。由于极地考察的特殊性以及时间紧迫性,在制订考察航线及作业任务时就要考虑潜标回收的时间和困难程度,通过对南北极多年气候、浮冰分布情况等因素进行分析,提出最有利于潜标回收的时间节点,同时与极地考察任务相结合,选择有利条件进行回收作业。

(2)配备抗冰型小艇。小艇在潜标回收中方便灵活,配备能够在浮冰区航行的小艇以代替目前的橡皮艇作业,配备一定的吊重或绞拉设备,依托小艇将潜标部分或整体回收,可以大大提高潜标回收的成功率和效率。

(3)加强水下声学观测,预测上浮路线。“雪龙2”号配备USBL 和全方位声呐,可以对水下目标进行探测。在以后的潜标布放时为潜标配备USBL 信标,通过船上的USBL 观测潜标上浮路线和方向,可以快速寻找潜标和OBS,提高回收成功率。在浮冰密集度不高且风速和海流流速较小的情况下,利用破冰船回旋航行,将大块浮冰碾碎,可以清理出一块开放水域,以便回收潜标。这种方式曾在中国第11 次北极科学考察中进行过尝试,在实际操作中需要结合冰区浮冰、海况等实际情况,对于单个OBS 回收有效果,但是对于有缆绳潜标还不够理想,且船时耗费较长。

(4)提高声学释放器续航时间。目前潜标一般设计为1 年观测时间,最多延迟1 年回收,越早回收对数据质量和科研项目的完成越有利。但是由于极地考察作业时间紧迫,受自然环境影响大,造成潜标回收作业时间窗口短,第2 年无法回收的情况时有发生。在设计潜标或者OBS 时,需要做好于第3 年回收的预案,关键设备例如声学释放器应选择续航时间超过3 年的设备,在极端情况下,即使第2 年无法回收,仍然可以在第3 年继续对潜标进行回收。

(5)配备ROV 系统对故障潜标进行救援作业。潜标或OBS 声学释放器失效也是一个锚碇系统存在的巨大风险,虽然在锚碇系统设计时采用双声学释放器并联连接以提高释放成功率,但是仍然会存在声学释放器无法释放的风险。“雪龙2”号配备有4000 米级ROV 系统,当潜标回收失败后可以使用ROV 对潜标进行检查,并对声学释放器的关键部位进行切割,完成潜标系统的回收作业。

5 结论

随着研究的深入,锚碇系统的布放和回收已经成为南北极考察的一项重要任务,“雪龙”号和“雪龙 2”号执行考察任务期间都要布放和回收数套潜标,但是受天气、海况、浮冰等因素的影响,无法回收潜标的情况时有发生,尤其是部分潜标的布放工作需要在回收前套潜标的基础上才能进行,潜标回收不成功会直接影响到后续任务的开展。

本文根据“雪龙”号和“雪龙2”号多年南北极考察锚碇系统回收作业经验,分析了船基和小艇回收方式的优缺点以及影响锚碇回收的因素,针对浮冰区锚碇系统尤其是OBS 冰区回收新技术方案进行了探讨,设计了新的技术和设备用于提高极地潜标回收的效率和成功率。同时基于“雪龙2”号科考仪器的搭载情况,提出了未来南北极锚碇系统回收方案的建议,对以后极地锚碇系统的布放和回收具有一定的借鉴意义。