海床基结构设计技术发展综述

海床基结构设计技术发展综述

1海床基的设计与研究随着海洋科学研究、海洋环境保护、海洋灾害预防、海洋权益维护、海洋经济等领域的快速发展，对海洋环境观测和研究技术的要求越来越高。相比于第一观测平台(地面/海面)和第二观测平台(空间),第三观测平台(海底)更便于探测海洋环境系统的物理、化学、生物和地质过程。海底观测平台的建设将从根本上改变海洋研究观测的途径,同时也必将推向全球,实现海底观测联网国际化。与传统观测方式相比,海底观测平台具有原位、长期连续、不受海况和天气影响、数据质量高、可多要素同步观测的技术优势。作为海底观测平台的主要形式,海床基已受到各海洋国家的重视,相关结构设计技术得到了长足的发展。海床基结构设计主要基于海床基实现的功能,此外还包括外形尺寸和内部结构,同时还需要考虑适用海域的环境特点、安全保障、加工生产、布放回收、成本和安装等诸多方面。海床基应用主要有两种形式,即独立的坐底式监测平台和海底观测网络节点。海床基结构设计是决定海床基调查或监测应用能否顺利实施的前提。对于独立坐底式监测平台海床基技术,国外经过近几十年的不断发展,已初步实现了产业化,多个海洋仪器公司和科研机构,如Oceanscience,MSI,PROTECOSUB,Approtekmooring,Technicap,Flotec等都设计有各自特色的海床基平台(见表1)。国内经过近20年“863”计划、国家科技攻关等项目的支持,一些海洋单位也积累了一些海床基结构设计的技术。国家海洋技术中心在90年代末开始进行海床基设计研发,早期设计的海床基平台工作水深只有50m、系统仪器舱和配重支撑架为敞开式设计;2000年以后设计的海床基工作水深达到了100m,并采取了防拖网、提高安全性和环境适应性的结构设计。国家海洋局第一海洋研究所研制了一种适用于100m水深的抗拖网ADCP海床基,通过应用表明该海床基能够有效减少渔网的破坏影响。国家海洋环境监测中心针对粘土、砂土、淤泥质等不同底质海域、泥沙淤积严重海域以及使用者不同的布放回收条件进行了海床基系列化研制,通过室内数值模拟实验和海上试验改进完善,成功地对海床基进行了业务化应用。在海底观测网方面,20世纪末以美国为首的海洋强国开始进行海底观测网的建设,例如长期生态系统观测计划LEO-15。进入21世纪以来,建设海底地球观测平台,通过光缆联网供电和传递信息,对海洋水层的物理、化学、生物以及大气进行实时和连续的长期观测,是海洋科技的重大举措,预示着海洋环境科学的革命性变化,并且也有军事上的重要性,必将成为海上权益之争的新手段。各海洋强国纷纷制定、调整海洋发展战略计划和科技政策,以确保在新一轮海洋竞争中占据先机。相应的国际和区域海底观测网络逐步实施,如美国的OOI,HOBO,LEO215,H2O,NJSOS,MARS,DEIMOS系统,欧洲的NEMO,SN21,ESONET系统,加拿大的NEPTUNE系统,日本的ARENA和DONET系统。这些海底观测系统多数已成为全球海洋观测网GOOS(GlobalOceanObservingSystem)的一部分。我国海底观测网研究起步较晚,2000年后我国开始尝试在局部海域构建海底观测网络,如“上海海洋环境立体观测和信息服务示范系统”和福建省“台湾海峡及毗邻海域海洋环境实时立体观测系统”。近几年我国已将海床基观测技术列为《国家“十二五”海洋科学和技术发展规划》、《全国海洋观测网规划(2012-2020)》和《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》中重点发展的海洋立体观测技术之一。海床基平台结构设计虽然由于应用形式的不同而有所差异,但是其设计理念基本相同。本文通过对国内外海床基结构设计进展情况的归纳整理,总结海床基结构设计主要有4个方面,即支架保护系统、供电通信系统、安全保障系统和布放回收系统,着重阐述了不同系统的分类、功能和技术特点,并简要分析其适用性和发展趋势,以期为我国海底观测平台结构设计、加工生产和调查应用提供参考。2海床基固定装置海床基支架保护系统包括海床基平台内部支架、防护外罩和搭载传感器的固定装置,主要涉及海床基的材料、形状、尺寸和重量等。其相关设计主要由海床基实现的功能、搭载传感器的种类和数量、应用海域的水深等方面决定。表1列举了目前国外应用较成熟海床基平台的主要技术指标。2.1海床基负载物理海洋观测传感器海床基平台可对如下传感器进行搭载设计:(1)物理海洋观测传感器:水温、盐度、深度、浊度、海流、波浪等。(2)物探观测仪器传感器:海底重力仪、磁力仪、地震仪、海啸传感器等。(3)生物化学海洋观测传感器:叶绿素、DO、PH值、CO2、甲烷、营养盐、H2S等。(4)其它传感器:实时视频等。目前海床基多搭载物理海洋观测传感器,主要由于物理海洋传感器技术相对成熟、观测数据较稳定。由于搭载传感器、采集器种类和数量的不同,平台的尺寸、形状和重量也不尽相同。通常搭载少量传感器的海床基多用于浅海,结构设计简单、尺寸较小、重量较轻,如MIS公司仅搭载ADCP的Micro-MTRBM(图1),空气中重量仅为36kg,长、宽、高仅为1.32m、0.67m、0.35m,可单人小船独立布放和回收。而搭载十几种甚至上百种传感器的海床基,结构设计复杂、尺寸较大、重量较重,如“海王星”海底观测网络节点海床基(图2)搭载100多个仪器和传感器,底座长约5m、重约13t,需专业的调查船布放回收。此外,海床基搭载不同传感器或采集器,需根据不同设备的使用要求进行结构设计,如搭载声学多普勒流速剖面仪(ADCP),海床基平台应设计常平装置,以免海床基因布放在斜坡或水下长期监测局部倾斜,而导致ADCP姿态超出正常工作范围。2.2防拖网型海床基基于海床基平台布放的水深,可将海床基划分为两种,即浅海型(水深小于200m)和深海型(水深大于200m),其中浅海型又可划分为一般型和防拖网型。浅海一般型海床基设计简单,不具有防拖网能力,适用于渔业活动较少的海域。由于没有防护外罩,降低了重量便于布放和回收。如SeaSpider海床基(图3)由玻璃钢材料制成,一体结构设计可保证其强度和负荷,可利用浮球进行非潜水回收,三个支腿设计有压载物可布放在不平的海底。防拖网型海床基是浅海海床基发展的主要方向,其针对浅海渔业拖网、流网等网具设计,防止网具将海床基移动,避免对仪器设备安全和数据质量产生较大影响。此类海床基平台设计有防拖网罩,其多为棱台设计和曲面设计。基于棱台设计理念的防拖网罩便于加工生产,美国伍兹霍尔海洋研究所和美国国家海洋和大气管理局研制的防拖网海床基、Flotec公司、MSI公司以及Approtekmooring等公司生产的防拖网海床基底座以多边形结构为主。基于曲面设计理念的防拖网罩具有低轮廓、对局部流场影响小的特点,代表海床基有意大利ProtecoSub生产的BarnySentinel、NAVOCEANO生产的LTRBM和美国Oceanscience生产的Barnacle(见图4)。有些防拖网海床基还进行了异型浮体的设计,可进一步增加海床基表面的流线性,加强防拖网能力,如Flotec公司设计AL-200。防拖网海床基除了进行了流线型防拖网罩的设计外,通常还需要适当地增加平台重量,以保证其抗拖拉能力。深海型海床基,搭载传感器较多,材料坚固、可抗高压。由于布放深度较大,通常不需要防拖网功能。如INGV设计的GEOSTAR海床基(见图5)最大布放深度达4000m,平台尺寸长3.5m、宽3.5m、高3.3m,空气中重2.5t、水中重1.4t,可承受30kN的深海压力。3供电通信系统海床基供电通信系统设计上可划分为三类,即无缆、有缆接岸和有缆接浮体。3.1观测要素设计作为海床基供电通信设计的基本方式,平台无外接电缆,只依靠自身仪器电源供电,观测要素较少,观测数据自容存储。优点是平台结构设计、布放回收操作相对简单,观测成本较低;缺点是受自带电池容量限制无法长期连续监测,观测数据无法实时获取。3.2海底拼接盒观测方式海床基通过电缆连接岸基供电设备,可对多个海洋环境要素长期观测,但是需要专业的施工船进行海底电缆铺设,施工过程复杂,且不同的海域环境、施工条件、电缆型号等因素需要不同的针对性措施,观测成本高。本方式通常采用海底接驳盒,其相当于海底观测平台的一部分,可设计在观测平台内部,也可设计在观测平台外部。它是观测仪器设备与主缆之间的一个连接纽带,是岸基站与各观测仪器之间的能量和通信输送的一个中继点。它将主缆传来的电能进行转化,分配给不同的观测仪器,同时将岸基站的控制信号发送给相关观测仪器,并将各观测仪器采集的数据通过主缆传输到岸基站。优点是可实时连续观测,观测数据保密性高;缺点是观测系统布设环境条件要求高。3.3无线电通信实时传输数据到监控终端海床基通过短距离电缆连接到海面的浮体,利用浮体上的太阳能或风能供电。平台如搭载声通机,可通过水下声通机水声传输海床基观测数据到浮标,再通过水面上的无线电通信实时传输数据到监控终端;平台如没有搭载声通机,可利用短距离数据通信缆将海床基观测数据传输到浮体,再通过水面上的无线电通信实时传输数据到监控终端。这两种方式优点是可进行长期连续观测,缺点是海面上的浮体有可能被人为破坏或自然损坏,从而影响观测的正常进行。此外若观测数据水下无缆传输对环境条件要求高,观测数据保密性差。4安全系统海床基的安全保障系统设计上通常包括三方面,即防材料腐蚀、防生物附着和防泥沙淤积。4.1海床基平台的材料选择海床基金属构件在海洋环境中易发生腐蚀。这种腐蚀具有普遍性、隐蔽性、渐进性和突发性的特点。由于海洋环境是一种复杂的腐蚀环境,在这种环境中,海水本身是一种强的腐蚀介质,同时波、浪、潮、流又对金属构件产生低频往复应力和冲击,加上海洋微生物、附着生物及它们的代谢产物等都对腐蚀过程产生直接或间接的加速作用。防止海洋腐蚀的措施除正确设计金属构件、合理选材外,通常有以下几种方式:(1)采用厚浆型重防式涂料;(2)对重点部件采用耐腐蚀材料包套;(3)设计构件时要考虑到足够的腐蚀余量;(4)根据电化学腐蚀原理,采用牺牲阳极。由表1可知,海床基平台多采用耐海水腐蚀的金属材料,如316不锈钢和高分子材料如高密度聚乙烯(PEHD)。金属材料平台的特点是重、稳固、需专业布放回收设备,需涂防腐蚀涂料,加载牺牲阳极以保护金属支架、外壳、螺丝和仪器不被腐蚀;高分子材料平台的特点是轻便、耐海水腐蚀、便于布放。4.2生物措施的措施布放在海底的海床基平台不可避免地受海洋附着生物影响,海洋附着生物指生长在船底和海中一切设施表面的动物、植物和微生物,是影响海洋设施安全与使用寿命的重要因素。其种类繁多,能够耐受海洋特有的高盐、高压、低营养、低光照等极端条件,在物种、基因组成和生态功能上具有多样性。因此,其对金属进行腐蚀的形式和机理也是多样的。针对海床基平台,海洋生物的附着一是破坏海床基内部金属构件的漆膜,加速金属构件的腐蚀;二是海洋生物附着在监测仪器的传感器上,干扰声学仪器声波的传输;三是堵塞监测仪器传感器探头,影响仪器测量精度。迄今为止,防污涂料依然是防止海洋生物附着经济有效的措施。防污涂料通常具有以下特点:(1)在一定时间内能防止海洋附着生物的附着;(2)漆膜内的毒料可稳定地逐步向海水渗出;(3)漆膜具有一定的透水性,以保证毒性连续渗出;(4)防污涂料有较好的层间附着力,可与防锈漆微溶;(5)漆膜有良好的耐海水冲击性,在水中长期浸没不起泡、不脱落。防污涂料的类型有传统型防污涂料、释放型防污涂料、烧蚀型防污涂料、自抛光防污涂料和自释放型防污涂料。其中自抛光防污涂料有两类:含锡型和无锡型(不含锡)。由于有机锡类防污涂料污染海洋环境,国际海事组织(IMO)已于2008年全面禁止了有机锡在防污涂料中的使用。4.3堆积装置设计海床基平台在浅海特别是淤积严重海域应用受泥沙影响较大,泥沙淤积可致释放装置无法正常释放,甚至有可能整个海床基都被泥沙掩埋,从而导致监测数据失真和海床基平台无法正常回收。海床基抗泥沙淤积方面设计通常有打桩或支腿、底部侧面开孔、提高释放装置三种方式。WHOI研究所设计的MVCO海床基平台采用底部打桩的方式,整个海床基仪器舱安装在基座上,基座支撑仪器舱部分,仪器舱距离海底大约0.5m,海底泥沙易在海流作用下流过基座,不易在仪器舱内部形成泥沙淤积。Flotec公司生产的的AL-200和AL-500TRBM海床基采用底部侧面开孔设计。国家海洋环境监测中心设计的自平衡抗淤积海床基采用提高释放装置的设计。底部侧面开孔和提高释放装置设计抗泥沙淤积效果不如第一种方式显著,但是便于操作实施,在泥沙淤积不严重的海域可起到一定的作用。5海底倾斜和平台回收海床基的布放通常有两种方式:一种是吊装方式布放,又可分为倾斜吊装下放或水平吊装下放。意大利PROTE公司抗拖网海床基采用的是倾斜吊装方式布放(图6);国家海洋环境监测中心海床基采用的是水平吊装方式布放(图7),以防止海床基布放在海底时倾斜。另外一种方式是重力布放,将海床基平台吊在水面上时打开释放装置,海床基依靠自重下沉到海底。这种方式针对一些特殊结构的抗拖网海床基,设计具有一定难度,美国WHOI研究所在1990年已完成可自重下放海床基的实体研制,Flotec公司的AL200-RATRBM也可通过自重下沉的方式进行布放。由于海洋环境和作业条件较复杂,海床基平台在应用过程中有可能出现倾斜、甚至翻扣等情况,针对海床基平台观测实施过程中可能出现的极端情况,海床基回收设计通常有三种方式,一是通过释放装置正常回收,二是丢弃压舱物紧急回收,三是利用ROV或潜水员辅助回收。第一种方式是海床基平台回收的基本方式,海床基平台的释放系统是海床基结构设计的重点之一。释放系统设计通常又可分为三种,即无释放器式、释放器分体式和释放器一体式。5.1海底平台的回收海床基回收设计的一种简易方式,平台并不搭载释放器。对于浅海型海床基,可通过明标的方式回收平台或通过潜水员、ROV回收平台。其中明标方式优点是成本低,安装、布放、回收操作简单;缺点是安全性差。而潜水员、ROV回收方式易受海况、海水透明度和水深的影响,回收难度大。由于深海复杂的物理环境背景,一些深海型海床基并不是通过释放装置回收,而是通过机器下潜方式进行回收,这种方式对水下定位等技术要求较高。如GEOSTAR海底平台的回收是由专门的电缆悬停模块(cablesuspendedmoduleMODUS)负责,该模块类似于水下机器人,是一个可实时人工操作的深海海底往返平台,其与船舶通过电缆相连接。MODUS配有两个推进器实现水平移动,还有一个应答器和一个测高仪(测量表层到MODUS的垂直深度),同时配有声纳来确定深海海床基平台的位置,并装备有照相机来观测海底。MODUS与海床基平台的对接口为锥体设计,便于在深海无法精确定位的情况下,完成对接回收。5.2浮体浮体可分步回收平台海床基平台配有释放器,浮体和仪器舱分体设计,浮体的功能只是作为上浮物和搜寻目标物。回收平台时打开释放装置,浮体浮出水面,即可分步回收整个平台。优点是浮体浮出水面的成功率高,缺点是需要分步回收整个平台,回收过程相对复杂。大部分分体式海床基不能在倾覆情况下进行回收,而MIS公司设计的MTRBM,其浮球筒为上下敞开式,即便平台出现了倾覆,浮球也可以上浮。5.3站式海床基海床基平台配有释放器,浮体和仪器舱一体设计,浮体的功能不仅是上浮物、搜寻目标物,也是搭载观测传感器的仪器舱。优点是平台海上回收操作简单;缺点是浮体设计上增加了仪器搭载功能,降低了浮体浮出保证率。Flotec公司的AL200-RATRBM为典型的一体式海床基。意大利SIELCO公司设计的“Barny”TrawlResistantBottomMountings(TRBMs)既是一体式,也是分体式,其设计较为先进。