浅水区抗拖网ADCP海床基的研制

于凯本 ，刘忠臣，魏泽勋 ，纪育强，范 斌

（1.中国海洋大学，山东 青岛 266100；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061）

浅水区抗拖网ADCP海床基的研制

于凯本1,2，刘忠臣2，魏泽勋2，纪育强2，范 斌2

（1.中国海洋大学，山东 青岛 266100；2.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266061）

搭载声学多普勒流速剖面仪 （ADCP）的海床基是实现浅水区水文环境长期监测的有效装置。针对现有ADCP海床基不能避免渔业拖网破坏的缺陷，对海床基的结构、功能进行了全新设计，成功研制了新型抗拖网ADCP海床基，并设计了合理有效的布放回收方法。海上应用表明，抗拖网ADCP海床基能够在浅海渔业捕捞区完成水文数据的采集，可实现对海洋环境的长期有效监测。

声学多普勒流速剖面仪；浅水区；海床基；抗拖网

声学多普勒流速剖面仪 (Acoustic Doppler Current Profiler，以下简称ADCP)利用声学多普勒频移效应，对江河、海洋流速流向和水中悬浮物浓度分布进行测量，采集的数据可用来进行洋流模型的建立，进行海洋学研究，也可开展工程环境质量评价[1-2]。目前，由于世界各国对浅水区海洋环境的日益重视及海洋军事方面的应用，越来越多的国家都在积极开展海洋近岸和浅海环境的长期监测。通过在海底布放搭载ADCP的海床基，实现海底到海面海流的连续测量，获得有效的声学数据，更好地对海洋环境进行监测。但由于近海浅水区愈演愈烈的海洋工程和频繁的渔业捕捞，使得布放于浅水区海底的ADCP海床基经常受到撞击破坏或被渔船拖网拖拉移位甚至丢失，无法获得有效的测量数据[3]。针对海床基恶劣的工作环境，国外科研工作者开展了大量的研究，在抗拖网方面取得了许多重要成果，形成了包括抗拖网罩（架）、常平架、高强耐压异型浮体制造等相关产业链，涌现出了FloTec[4]、Benthos[5]等一批专业公司。与国外相比，我国在海床基的研制与应用方面起步较晚。在国家国际科技合作项目“中、美、印（尼）、日，南海与邻近海域水交换及其变异合作研究”的支持下，作者及其团队成功研制了一种适用于100 m水深的抗拖网ADCP海床基。通过该设备的研制、试验及其在实际调查航次应用和获得的实际数据可知，该抗拖网ADCP海床基能够实现对浅水区海洋环境的长期、定点、连续自动监测，并且能够有效地避免渔业拖网、流网和浅海工程施工对ADCP海床基所造成的破坏影响。

1 抗拖网ADCP海床基的组成及功能

图1为抗拖网ADCP海床基的组成框图，主要有海床基平台和ADCP固定装置两部分组成。

图1 抗拖网ADCP海床基系统框图

海床基平台主要由抗拖网外罩、压舱底板、仪器舱、布放装置及声学释放器组成。抗拖网外罩采用圆台状流线型设计，具备较高的强度，可有效防止各种渔船拖网、流网对海床基平台及其搭载的ADCP等仪器设备的破坏。

ADCP固定装置由浮球舱、浮球、仪器架、ADCP及顶盖组成。仪器架设有多个扩展接口，可根据实际研究需要，安装相应的监测仪器。

为保证抗拖网ADCP海床基的实用性和搭载仪器的安全性，采用了两套回收系统。第一套回收系统由回收绳索、浮球、ADCP和仪器架组成，用于优先回收海床基中的仪器设备；第二套回收系统则由回收绳索与海床基本体组成，通过回收绳索实现海床基本体的回收。

如图2、图3所示，抗拖网ADCP海床基平台为圆台状，底部直径φ=2 000 mm，顶部直径φ=700 mm，高度L=500 mm。由于海水具有较强的腐蚀性，因此对加工制作所用的材料进行了充分的调研与测试，确定了最终使用的材料。其中抗拖网外罩、仪器舱、浮球舱均采用玻璃钢工艺制作，压舱底板、仪器架、布放装置采用耐腐蚀性较强的316L不锈钢制作。

图2 抗拖网ADCP海床基外观设计图

图3 抗拖网ADCP海床基内部设计图

1.1 抗拖网ADCP海床基平台

抗拖网外罩是海床基平台的主要部件之一，采用玻璃钢工艺加工制作，顶端壁厚为10 mm，底端壁厚20 mm，中间厚度采用了均匀平滑过渡，抗压强度可达380 MPa。抗拖网外罩、压舱底板及仪器舱由支撑板固定连接，形成主舱结构，整体外观为圆台形，外罩表面进行光滑处理，形成了具有抗拖网、高强度、耐压耐冲撞的流线型外观。该外形设计减小了渔船的拖网与海床基外罩表面接触的相对摩擦力，能够使拖网与流线型外罩产生相对滑动，从而有效地避免了海床基平台的倾斜、倒塌、拖拉和移位，同时也大大提高了海床基平台抵御碰撞的能力。

压舱底板采用316L不锈钢板制作而成，底板加工为平整圆板型，直径φ=2 000 mm，厚度为δ=10 mm。利用316L不锈钢良好的焊接性能，在底板上增加了相应的辅助部件：采用氩弧焊焊接的8组与抗拖网外罩连接的装配支撑板，均匀布置于底板的四周；海床基平台的布放装置及声学释放器支架也均采用焊接方式固定在底板上。为保证仪器的安全性，焊接后对焊缝进行清渣及抛光处理，并进行焊缝检测，以保证焊接强度。为增强压舱底板的耐海水腐蚀性，在压舱底板上设置了牺牲阳极（Zn块）的安装结构。压舱底板一侧另设有2个直径φ=160 mm的圆孔，分别安装有单向橡胶板，一个为注水孔，在海床基布放时打开注入海水，增加自身的重量并减小海水的浮力影响；一个为排水孔，在海床基平台回收过程中打开排放海水，便于回收。

仪器舱也采用玻璃钢工艺加工制作，外观设计为圆筒状，上下端各设计有法兰边，上法兰边通过螺栓与外罩固定装配，下法兰边则与底板上预先焊结固定的螺栓装配，同时在仪器舱底端一侧开有半圆孔，用于声学释放器与浮球拉紧绳索的连接。

布放装置用于抗拖网ADCP海床基的布放，采用316L不锈钢管及钢板加工，焊接固定于仪器舱的一侧。2套声学释放器采用并联方式安装连接，每一套声学释放器采用2组塑料夹具固定于底板上。布放装置与声学释放器的外观及安装位置如图4所示。

图4 底板三维布局图

1.2 ADCP固定装置

ADCP固定装置是整个抗拖网海床基的核心部分，如图5所示，固定装置安装于主舱的中心部位，通过抗拖网外罩为ADCP提供保护。仪器架采用直径φ=12 mm的316L不锈钢棒弯制、焊接成型，焊缝均进行了清渣、抛光处理。仪器架由浮球舱安装座及ADCP垂直固定安装结构组成。浮球舱也采用玻璃钢工艺加工，内壁光滑处理，便于浮球释放上浮，同时浮球舱内设计加工有绳索舱，用于放置第一套回收绳索，这套绳索一端与浮球连接，另一端与仪器架连接。仪器舱底部开有通孔，穿有浮球与压舱底板声学释放器之间的固定绳索，通过这根较短绳索，ADCP在竖直方向上拉紧。同时，仪器舱底部设计有绳索舱，放置第二套回收绳索，绳索一端连接仪器架，另一端连接压舱底板。

图5 ADCP固定装置三维结构图

1.3 抗拖网ADCP海床基的组装和性能参数

抗拖网ADCP海床基的组装过程如下：

（1）将仪器舱、2套声学释放器安装固定于压舱底板；

（2）通过螺栓将ADCP及浮球舱安装在仪器架上；

（3）将安装ADCP及仪器舱的仪器架放置于仪器舱中，并且将一组足够长回收绳索放在绳索舱内，一端与底板焊接固定的大U型环连接，另一端与仪器架连接；

（4）将另一组足够长回收绳索一端与仪器架连接，另一端与浮球连接，并将多余绳索盘绕于浮球舱内的绳索舱中；

（5）通过一条短绳索将浮球与压舱底板上的声学释放器拉紧，通过此绳索保证仪器架在纵向上的受力限位；

（6）检查各连接部分，将抗拖网外罩与压舱底板、仪器舱安装固定，并盖好顶盖。

安装完成的抗拖网ADCP海床基如图6所示。

图6 安装完成的抗拖网ADCP海床基

抗拖网ADCP海床基的性能参数见表1。

表1 抗拖网ADCP海床基性能参数

1.4 海床基的布放与回收

抗拖网ADCP海床基布放前需对使用海域进行水深、沉积物及海底地形情况的调查，这些资料将对海床基的成功布放与回收起到关键作用。

1.4.1 海床基布放

海床基利用后甲板A型架和绞车吊装布放，同时需要一台声学释放器配合海床基的布放。该声学释放器安装有释放脱钩的一端通过U型环与海床基布放装置连接，声学释放器尾部一端与A型架吊装钢丝绳连接，并在声学释放器尾部加挂2套适用于100 m水深的浮球。通过后甲板绞车及A型架将海床基吊起，缓缓放入水中，待海床基由底板进水口充满海水后，海床基在绞车的释放下落至海底，最后由布放声学释放器甲板单元向水下发出释放指令，布放声学释放器释放钩打开，在2套浮球的浮力下上浮，同时回收绞车，至此海床基布放工作结束。

1.4.2 海床基回收

由于海床基搭载的2套声学释放器采用并联方式，利用搭载声学释放器配套甲板单元向水下搭载的任意一台声学释放器发出释放指令，都可以释放与其连接的浮球，保证了浮球释放的可靠性。浮球携带与ADCP固定装置连接的绳索上浮至水面，由船上工作人员将浮球打捞至甲板，利用浮球携带绳索进行ADCP固定装置的回收。待ADCP固定装置回收至水面后，再利用ADCP固定装置携带的与海床基平台底板连接的绳索，将海床基平台回收到船上。整台仪器的回收方案以ADCP优先回收进行设计，在保证测量数据获取的前提下，再回收海床基平台。若由于海况的恶劣及其它原因，仪器回收成功后，可抛弃海床基压舱底板和抗拖网外罩。

2 实验及应用

随着2006年中国—印尼合作项目的开始，本文所述的抗拖网ADCP海床基在卡里马塔海峡和爪哇海域观测研究中参与了实际应用，与美国、印尼等国的海床基观测系统同时布放在印尼的卡里马塔海峡海域，如图7、图8所示。

图7 抗拖网ADCP海床基布放地点

图8 抗拖网ADCP海床基的布放

在海床基回收的时候，只有本文所述的抗拖网ADCP海床基实现了成功回收，获得了该海域海流流速等数据，如图9所示。本海床基的研制以及成功应用，证明了抗拖网ADCP海床基经受住了海上恶劣环境的考验，能够较好地完成海洋观测任务，为我国在东南亚地区的内海开展长期海洋观测提供强有力的技术支撑，并为今后与印尼及其他东南亚国家建立长期、稳定的海洋科技合作起到促进和推动作用。

图9 卡里马塔海峡A1站2008年1-2月垂向平均流速

3 结论

本文详细介绍了新研制抗拖网ADCP海床基的组成和功能，并对实际应用进行了简单说明。结果表明抗拖网ADCP海床基能够在实际海上恶劣环境中较好地完成布放回收和海洋观测任务，有效地避免了海洋渔业拖网、流网和海洋工程对海床基的干扰，可以安全地完成海洋观测任务。

[1]胡平，李文杰.ADCP声波流速流向剖面仪在海洋环境监测与评价中的应用[J].物探与物化，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

于凯本（1977-），男，助理研究员，工学硕士，研究方向为海洋监测技术。Email：yukb@fio.org.cn