加拿大VENUS海底观测网

陈绍艳，张多，麻常雷

(国家海洋技术中心 天津 300112)



加拿大VENUS海底观测网

陈绍艳，张多，麻常雷

(国家海洋技术中心 天津 300112)

加拿大在海底观测网研究方面居于世界领先地位，它的“海王星”海底观测网(NEPTUNE-Canada)被誉为人类的水下“哈勃”，是全球首个深海海底大型联网观测站。维多利亚海底试验网(VENUS)与NEPTUNE都从属于加拿大海洋观测网络(ocean networks Canada，ONC)，有着许多相同的概念和设计。VENUS支持研究近海观测，本文主要介绍VENUS的背景及科学研究目标，并在分析其基础设施及构建进展的基础上，提出对我国开展海底观测网建设的启示。

VENUS；海底观测网；管理形式

地球超过2/3的区域是海洋，人类对海洋的探索与观测，自古以来从未停止过。而海底观测的发展，使得人类对海洋的认识从海面发展到海底。海底观测系统可在海底实现能源供应和信息提取的网络化，使其在海底进行长期、连续、直接观测成为可能。因此，海底观测系统的建成，将从根本上改变人类对海洋研究观测的途径，为人类观测海洋提供了新的研究平台。因此，各个国家都在着力发展海洋观测，并提高到国家战略的高度。

1 VENUS系统

1.1 VENUS系统简述

VENUS在2001年首次由加拿大海洋学家提出。全称“维多利亚海底试验网”(Victoria experimental network under the sea)，简称为“VENUS”，属于加拿大不列颠哥伦比亚州，位于温哥华岛的南端。VENUS是一个先进的有缆海洋观测系统，它代表了新一代网络海洋探测的工具。海底网络连接海洋传感器和仪器平台，可进行实时和交互式海洋研究。世界各地的研究人员都可以访问VENUS网，数据、信号和图像经由数据管理归档系统，通过网络实时转播。在海洋环境下，科学家可以随着环境的改变来对海洋环境进行监测，并对发生的事件做出响应。除了实时数据流，还可进行长期的运行并对信息进行存档，以便进行季节性、年度性研究，以及在复杂的海洋环境下进行气候研究。

VENUS观测海域水深在300 m左右，属于中等深度。2006年，在山尼治湾(Saanich Inlet)建立了一个水深96 m海底节点，缆线长3 km。2008年年初和年末在乔治亚(Georgia)海峡分别建立了170 m和300 m的两个海底节点[1]。布放的仪器类型主要包括：温盐深仪(CTD)、溶解氧传感器、水下总溶解气体压力仪(GTD)、回波声码器、海流计、高清晰度视频摄像机、浊度计、声学多普勒海流剖面仪(ADCP)、水听器、沿岸海洋动力应用雷达、散射计等。

1.2 VENUS的主要科学目标

1.2.1 河口循环和河口羽流动力学

乔治亚(Georgia)海峡是一个大型区域河口系统的一部分，河流中盐度相对低的表层水与盐度较高的深层水混合为一条稳定的水流，经由胡安·德富卡(Juan de Fuca)海峡和约翰斯通(Johnstone)海峡流向大海。其中最大的河流是菲沙河(Fraser)，河水流量每秒达上千立方米，负载沉积物水注入乔治亚海峡。VENUS科学家将利用对温度、盐度、海水密度、溶解氧、海平面(压力)、海流、潮汐和海洋混合物的测量值，研究河口的循环过程和交换过程。

1.2.2 浮游动物动力学

海洋食物链由几种营养等级组成，包括：初级生产者，用显微镜可见的浮游植物(浮游藻类)；次级生产者，肉眼可见的浮游动物和异养的鱼类和哺乳动物。浮游生物涉及所有漂浮类生物体，浮游植物只生长在有可见光的海洋表面。浮游动物以浮游植物为食，因此必须有一定的时间待在海表面。同时还要试图避免被白天在深海游动的鱼类所捕食。每天的迁移可通过VENUS网络连接的高频率反向回声测深仪来进行监测和量化。

1.2.3 深水循环

在每年的特定时期，深层水流入乔治亚海峡最深密度最大的水域。海水密度主要由海水的温度和盐度的浓度所控制。冷水的密度大于暖水密度，盐水密度大于淡水密度。在早春/晚冬，冷/新鲜海水进入峡谷沿着底部流向盆地深处的北部。在夏末，暖/盐水流进盆地。冬天循环的海水带来低营养/高溶解氧海水流到乔治亚海峡深处。然而，到了夏末深水循环把高营养/低溶解氧海水带到盆地。两个循环过程都为深水特性提供了重要的补充，维持盆地的生态系统。通过对温度、盐度、海水密度、溶解氧和海流的近底部测量，VENUS将为这些循环事件提供直接的测量值和时间。

1.2.4 海洋哺乳动物

太阳晒在身上暖烘烘的，谁不喜欢晒太阳呢？我真想变成一只猫，与可乐在阳光下嬉戏，伴橙汁儿在阳光下散步，再到阳光下打上几个滚儿，我便别无所求。我有时还真搞不懂我自己，为什么会羡慕两只猫。

虽然海水可见度只有几米，但是声音可有效传播数千米。海洋哺乳动物，例如逆戟鲸很大程度上依靠声音来进行沟通和寻找食物。乔治亚海峡还有一些长期的和偶尔经过的动物，可利用主动声呐来了解它们的“语言”，并把它作为VENUS主要的研究课题。利用精密的宽频水下阵列对哺乳动物的声音进行监测。乔治亚海峡也是一个繁忙的运输走廊，海洋哺乳动物是如何反应和适应船舶制造的噪音也是一个重要的研究课题。VENUS水听阵列的音频分组和存档可在VENUS的网站上获得。

1.2.5 潮汐和海流混合

不列颠哥伦比亚沿海水域复杂的潮汐变化不仅导致海平面的上升和下降，还诱发强烈的涨潮和退潮。在岛屿之间，潮流通廊内部，这里的潮流是世界上最活跃的，使具有代表性的分层海流打乱成为紊流。配合河口环流，潮汐混合产生的淡水从上层向下，夹带深层的海水向上。潮汐调节混合过程并强行深层海水更新和交换流动的时间是两周。VENUS系统将直接测量乔治亚海峡南部的潮汐和海平面的高度，利用先进的声学多普勒海流剖面仪(ADCP)，提供海洋剪切流和海洋紊流的实时测量。

1.2.6 鱼类跟踪

了解和管理鱼类资源需要明白物种迁移的时间和地点，以及它们如何利用特定的生存环境。目前，新技术可以紧随未成年鱼，利用微小的声学信标定期地发出微弱的识别叫声。VENUS网络布放接收器将可以监测鱼类活动。目标包括了解在区域海洋环境下当地鱼类洄游特性和死亡率。声学标记的候选鱼为鲑鱼和岩石鱼类。

1.2.7 三角洲大陆坡稳定性

菲沙河对乔治亚海峡局部的海洋环境有巨大的影响。特别是在河的入口，湍急的河流与平静的海水相遇。通过减少动力和凝结物的结合，在河水的入口，沉积物在几千米内迅速沉积，形成菲沙河三角洲。 在河口，底部的等高线降到陡峭的盆地，三角洲大陆坡现在是压实的，其本身是一个动态的地质结构。了解大陆坡稳定和大陆坡失稳是VENUS系统的关键组成部分，VENUS系统将维护一套专业的仪器来监测和研究大陆坡进程。传感器将包括水压计、孔隙压力传感器、高频声呐、近底部声学多普勒海流剖面仪、精密的海平面压力测量仪。

1.2.8 沉积物搬运和海底形态动力学

VENUS的三角洲动态实验室将沿着三角洲大陆坡边界研究和监测沉积物。利用主动、窄波束声呐和摄像机的图像，可监测沉积物增加比率、再悬浮、沉积物搬运和海底形态的演变。

1.2.9 对海-气相互作用进行声学监测

VENUS水听器阵列，除了监测海洋哺乳动物和人为噪音，还将探测和研究与海-气相互作用的自然声音产生的原理。海洋底部利用VENUS宽频水听器跟踪和分析的水听信号，将会是一个重要的研究项目。

1.2.10 底栖生态学

英国哥伦比亚沿海区域是一个多元化的底栖生态系统，包括种类繁多的微生物和重要的海洋生物栖息地。VENUS既可监测微生物，也可监测大型深水动物。科学家们还计划对底栖群落对大型食物的反应进行研究。

2 VENUS观测网的特点

2.1 组网结构及先进的管理运行形式

VENUS的组成包括两个单独的电缆阵列下的3个海底节点、2个岸站、1个网络运营中心和1个数据归档中心。水下系统能让仪器与岸上进行通信服务，并维持仪器电源。仪器插入接口模块(SIIM)。然后，SIIM被连接到VENUS节点。该节点将SIIMs中的数据流组成一个单一的数据流，通过光纤电缆传回到岸站。则该节点也会控制及监测SIIMs提供的电源和通信服务。水上系统为该系统提供电源和网络的访问连接。岸站的设备将交流电转换为直流电，经Node和SIIMs传输到仪器。该岸站通过互联网还提供了光纤电缆和维多利亚大学之间的通信联系。

2.2 具有特色的管理运行形式

在管理和操作层面，由维多利亚大学网络操作中心(NOC)负责。NOC负责运营两个岸站和水下阵列。运营商必须能保障系统的正常，并能够探测到出现的任何故障。VENUS传到岸站的数据稍经处理就通过计算机网络输送到维多利亚大学的“数据管理和归档系统”(Data Management and archive system， DMAS)[5]，该系统采用了灵活便捷的软件模式(Agile)输送和传递数据，这些数据由科学家直接使用，稍经处理就在网站上公布并对信息进行存储，方便日后使用。这些功能由数据管理和归档系统提供。开发人员采用面向服务的架构，使用网络服务来呈现数据管理和存档系统各个组件的功能，建立起了一套实时信息系统。DMAS的建设和运营是VENUS的最大组成部分。布放仪器近实时的交互能力和环境，使VENUS超越了对观测网的传统定义，并把水下实验室带到一个新的领域。

3 对我国海底观测网运行的启示

VENUS在近海观测方面取得了巨大的成功，我们可以从中学到一些成功的经验。

(1)在财政支持方面，加拿大政府对VENUS给予了大力的财政支持，VENUS具备国家一级创新基金、州一级的发展基金以及其他政府机构、工业机构、大学等支持的资金，作为建设和运行资金。

(2)学习其开放系统管理模式，获得的数据在网上向全世界供应，交互式的数据管理及存档系统，既适用于专家也适用于普通用户，不仅能方便地进行数据访问及处理，而且还可以进行在线分析及资源共享。这样不仅吸引专业的科研者来关注此网的运行，同时也吸引高校研究人员、仪器生产商及海洋爱好者的关注，既扩大了观测网的影响，又可以拓宽资金来源的渠道。

(3)培养深海技术人员，定人定向地对深海观测进行跟踪了解，与国外接轨，加强合作交流[3]。开展观测设备、仪器研制，并对工程技术经验进行积累，使观测工作可持续发展。

4 结束语

现在各国越来越重视对海洋进行观测，而海底观测是海洋观测中非常重要的一部分。海底观测系统在海洋预测、海洋科学研究、海洋资源开发、地震观测、国家安全等方面具有重大的科学和现实意义， 目前已成为国际竞争的焦点技术领域[7]，我国是一个多台风国家，每年台风造成的损失巨大，加之军事海洋建设的需要，故发展我国的海底观测技术，迫在眉睫。

[1] 上海海洋科技研究中心和海洋地质国家重点实验室.《海底观测：科学与技术的结合》海底观测系统的现状与趋势[M].上海，同济大学出版社，2011.

[2] 姬再良，董树文.世界首座海洋观测网体系：加拿大“海王星”海底观测技术[J].地球学报，2012(1):13-22.

[3] 李建如，许惠平.加拿大“海王星”海底观测网[J].地球科学进展，2011(6):656-661.

[4] 罗续业，李彦.海王星海底长期观测系统的技术分析[J].海洋技术，2006(9):15-18.

[5] 陈鹰，杨灿军，陶春辉，等.海底观测系统[M].北京：海洋出版社，2006：4.

P715.5

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1005-9857(2015)11-0017-03