知识窗▏漫谈海洋调查的常见作业方式 -海洋调查的定义

魏辉兵 · 发表于海洋地质专业 2024-4-3 04:14:37

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实施调查作业的依据是航次调查作业实施计划。在绝大多数情况下，海上调查作业的方式有大3类，即定点调查作业、拖曳作业和走航探测，并且在这些作业中定点和拖曳作业居多，调查中的设备布放和回收也是最为常见的作业内容。比如布放和回收CTD、各类采样设备以及布放和回收浮标、潜标等水下观测系统，布放和回收AUV、ROV、HOV等水下精确观测运载器，还有在走航期间定点投放抛弃式观测设备（比如XBT）；或短时停航布放Argo浮标、滑翔机等。以下将分述这些常见的调查作业方式。

定点观测和采样

定点观测是一种最常用的调查作业方式，即在一个设计站位附近（所谓附近取决于定位和船舶能力）进行各类舷外调查观测或采样作业。有时为某一特定需求采用定点连续观测的作业方式，比如在一昼夜中每间隔数小时进行一次CTD观测和水样采集，但这种观测方式并不经常采用。采样是定点作业的主要内容，比如：⑴水样采集。通常是结合CTD观测设备进行分层采水，有时在需要更多样本时也会进行多次CTD采水作业；CTD观测使用专用的CTD绞车和铠装电缆，如果是自容CTD（有的也可靠压力设置进行分层采水）也可使用钢缆绞车进行观测作业；⑵生物采样。定点时为垂直生物拖网，通常是使用钢缆绞车，作业深度多在200米左右，回收时需要用海水冲洗网具。CTD采水和生物垂直拖网一般为侧舷作业，但需要注意船体对CTD观测和生物采样的污染（比如热污染）；⑶地质采样。通常地质采样设备是机械式的，使用尾部A型架和地质绞车进行作业，有时也在侧舷作业。这些机械设备有：柱状采样器、箱式采样器、多管采样器，其中长柱状52作业多数是在侧舷实施收放，因为这样会比在尾部收放更为方便安全。在使用可视抓斗、钻机时需要铠装光电缆和对应绞车的配合。在多数情况下在地质采样为接触海底的采样过程（不同于CTD采水）钢缆的受力比较大，属于重载作业；⑷在使用水下运载器进行精细调查作业时（如ROV）也要铠装光电缆绞车的配合，与地质采样作业基本类似也是重载作业。在设备自重较大时，作业中就需要注意止荡的问题。

在定点作业中（也包括在其他作业中）动力定位系统的作用很重要（以下不再重述）。动力定位系统不仅保障了作业站位与设计站位的一致，同时也克服了早期因船舶移动带来的滑轮偏转等问题。尤其是在深海作业时，使用动力定位后在几个小时的下放过程中，可使缆绳基本保持垂直状态。尤其是对于接触海底的地质采样设备动力定位尤为重要，可大大提高了采样作业的成功率。正是因为动力定位在调查作业中的突出表现，如今已经成为新一代海洋调查船的“标准配置”。按照能力动力定位划分为0、1、2级……，级别越高，在不良海况下保持船位稳定的能力就越强。即便是“大洋一号”船没有入级的动力定位系统，在实际使用中同样发挥出了巨大的作用。

在多数情况下，定点作业是对一个断面或大面进行的观测中的一个“点”，所以只要设备不出现故障就不需要考虑设备就位的问题（下一个站还是使用这台设备）。常见的问题是，在结束观测/采样后没有固定好设备，在航渡中因船舶摇摆使设备移位，从而导致设备受损。或者是因没有及时冲淡水或进行传感器保护处理，导致CTD传感器结盐而影响了下一个站位的观测数据。

部分常用定点观测（采样）设备

在近海，定点作业内容和方式与远海基本类似。由于水浅，作业过程所需的时间很短，比如水深100米的CTD观测用时仅需不到10分钟，与4000米深度3个多小时的观测过程相比时间是很短的。但是，尽管水浅如果没有动力定位，调查船的飘移仍会对观测带来不利的影响。假如船以1节速度移动，在100米水深作业中船舶移动的距离大约是水深的三倍左右，这足以使滑轮出现偏转。如果是在深海作业期间，调查船将移动数公里远，这几乎可以算得上是在进行低速拖曳了，所以在早期的观测记录表上，会有“到站位置”和“离站位置”经纬度两项记录内容，尽管如今仍在使用但到、离站的经纬度差值已经很小了。

拖曳作业

拖曳作业也是常用的作业方式之一，拖曳作业通常是对预定区域的观测过程，或是搜索一个特定目标的过程。拖曳观测设备有很多种，拖曳方式也有多种。比如：海面附近的磁力拖曳观测、在近海底处（距离海底几十或几百米）的声学拖曳体探测、很接近海底但不发生接触（距离海底几米到十几米）的摄像照相拖曳体观测、在水中上下起伏一定幅度（数百米）的拖曳式CTD剖面观测、在自下而上（或自上而下）移动中进行的生物分层采样（生物分层拖网）的拖曳作业，甚至是在固定深度水层进行的渔业拖网（渔业资源调查）等。通常拖曳作业是以尾部A型架的滑轮为支点进行的，所以拖曳作业需要使用钢缆、铠装电缆或铠装光电复合缆和配套绞车收放设备和进行拖曳作业。

拖曳作业的预定规划线长度与调查作业目标紧密相关，在多数情况是一定间隔的规则的往复路线。当船舶沿规划航线航行时，在风和海流的共同作用下拖曳体并不一定正好位于船的正后方，因此无论是向左偏还是向右偏，其结果都是造成滑轮向一侧偏转。在拖曳过程中，因缆绳入水点远离船尾，所以缆绳在滑轮上的包角（指缆绳与滑轮的包裹程度）比较小，当滑轮偏转角度较大时就存在缆绳跳槽的危险。一旦出现跳槽不仅可能损伤钢缆，甚至造成缆绳断裂丢失设备。所以在拖曳作业时，调查队员和驾驶室都应该密切关注滑轮偏转情况。改变航向会减小滑轮偏转，但无法沿着预定规划线航行，在有动力定位的情况下，可通过改变船首向但不改变船舶运动轨迹的方式，达到即能减小滑轮偏转角度，又可保障沿规划线航行的目的。

左上图摄像照相拖曳体；左中图声学拖曳体（左）和压载器（右）；左下图侧扫声呐；右上图拖曳体入水；右中图拖曳探测潜艇的示意图；右下图多道地震探测。

常用拖曳观测设备

另一方面，在制订拖曳规划线时应有一个备用的方案，因为有时即便是采用了上述办法，滑轮的偏转依然较大，这时就需要考虑改变拖曳规划线。在拖曳观测设备中，声学拖曳体需要保持在水下运行平稳，常采用压载体加脐带缆的连接方式。由于拖曳设备被分成了压载体（数百公斤到1吨多）、脐带缆（通常有几十米长）和拖曳体（1吨左右）三部分，这类设备在下放时（也包括回收时）需要辅助吊点和辅助绞车的配合，以便将压载体和拖曳体分别送入水中。影响这类拖曳的另一个问题是缆绳的抖动和旋转53，在拖曳作业中缆绳会一直在抖动并将抖动传递给压载体和脐带缆，造成拖曳体运行的不稳定。另外无扭矩缆在数千米长距离情况下缆绳仍会有旋转，在收放时绳缆的旋转方向相反，旋转的圈数基本相等。使用脐带缆在一定程度上提高了拖曳体的稳定性，控制好拖曳的速度会有利于保持拖曳体的稳定性，但是抖动和旋转的问题至今仍没有较好地解决方法。

对于近海底观察设备（如摄像拖曳体）照明是十分重要的，因为在海洋里光很快被吸收掉，在深海里数百瓦甚至是上千瓦的灯，形成较为清晰的可视距离仅有10多米，所以摄像拖曳作业中需要拖曳体尽量地靠近海底，但又不能太近（太近了视场小看不到东西），这就需要绞车操控人员随时通过收放缆绳，来控制拖曳体到海底的距离，但是由于无法预测前方海底的起伏，碰撞是在作业中经常发生的事。作业中不仅要求绞车操控人员精力集中，更要在发生碰撞时做出正确合理的反应，这就需要了解作业中海底的基本特点，而作业经验则是做出合理反映必不可少的基本前提。

在近海区域，由于海区环境复杂（养殖区、渔网、航船多）的原因，拖曳设备难以使用。通常用于水下目标搜索的侧扫声呐（探测一个较宽的面的声学影像）；用于浅层管线探测的浅地层剖面仪（探测一个狭窄的“剖面”）；用于油气探测的多道地震（探测一定宽度的海

底地层剖面结构）是较为常见的拖曳作业。在多道地震作业时，拖曳的水听器和气枪在展开后有数百米宽甚至是数千米长，而且探测设备不易频繁收放，因此需要探测区域的海面较为“干净”，即需要辅助船舶的协助（探路），否则探测船和设备就难以避开的障碍物。尽管近海不太适合拖曳作业，但有时也不得不进行拖曳作业（如海底管线探测），因此了解海区养殖现状以及障碍物，在作业中加强海面瞭望是防止发生意外情况的主要方法。

走航观测

上述拖曳作业也可以认为是一种走航作业，但通常所说的走航作业更多是指：⑴在站位之间航渡中，使用船载调查设备进行的连续剖面或地形观测；⑵在长距离航渡时，使用船载调查设备进行的连续观测，比如地形地貌探测、浅地层剖面观测、海面温度走航观测等；⑶在航渡过程中投放抛弃式观测设备。需要注意的是航渡中的走航观测不一定与航次调查任务直接有关，其目的是充分利用走航观测设备获取观测数据。最常见的是通过船载ADCP进行走航观测；重力测量；在长距离航渡时，按等空间间距投放XBT、XCTD等抛弃式设备或在特定区域投放Argo浮标等，这些都是最为常见的航渡走航观测内容。

使用船载多波束按照规划航线进行地形地貌测量，或使用船载浅地层剖面设备进行海底地层观测，都是常见的与调查航次使命任务有关的走航调查作业。这些观测都涉及到安装在船底的船载声学设备，尽管这些设备的换能器发射频率不同，但换能器彼此靠近还是有干扰的，因此在实际观测中并不能同时使用船载声学设备。尽管有的船上加装了声学同步器，但分时发射和接收并不能完全解决干扰问题，并且在分时收发后拉长了两次发射之间的时间间隔，对于某些观测来说并不很合适，其实际作用很有限。针对不同的调查作业任务或需求，停止声学设备的发射是减少声学干扰最有效的方法。近海海洋调查船存在同样的问题，而且由于近海水浅，声波的来回反射造成的声混淆要比深海更为突出。在近海区域，除了地形地貌和地层剖面走航观测外，因站位间距离较短并且是以潮流为主，ADCP走航测流的意义并不太大（特殊用途除外）。

左图是多波束走航观测示意图，右图是MVP（拖曳CTD）观测示意图。

常用走航观测设备

在近海，多波束、单波束和浅地层剖面观测多采用便携式设备和侧舷悬挂安装方式。对于海底地形测量，潮汐涨落会影响测量的结果，因此需要进行潮汐订正。但是，在距离海岸数公里或数十公里远的区域，由于没有潮位观测所以潮汐水深订正就存在一些问题。对于单点水深测量来说似乎并不明显（是一种假象），但是对分时进行的多波束全覆盖测量，在拼图时潮汐订正的问题就会凸显出来。如今，采用GNSS技术可以进行远离海岸的潮位观测，但如何解决潮汐订正以及理论深度基准面不连续的历史遗留问题，我们至今还没有提出一个行之有效的解决方案。随着陆地三维激光地形扫描设备的发展，在航道等近岸海域，使用水下地形扫描结合陆地三维激光地形扫描可将水下和水上测量拼接在一起，构成一个完整的水下和陆地地形。在此情况下理论深度基准面与高程便成为同一个基准。

布放回收作业

海洋调查中经常要布放和回收水下观测装置，常见的有：长度和工作深度数千米的潜标观测系统、OBS海底地震观测设备、IES以及类似的声学坐底观测设备等。布放由数千米绳缆连接数组观测设备末端为声学释放器和重块组成的潜标时，就如同将一个“糖葫芦串”放到海里，或回收从海底上浮的“糖葫芦串”。通常采用与声学拖曳体收放（参见拖曳作业）类似的方法，在船尾通过辅助吊点依次进行潜标的布放和回收。无论是在布放还是在回收时，需要船舶低速航行，用推进器产生的尾流阻止绳缆和设备靠近螺旋桨。由于螺旋桨附近的水流很复杂，东西容易被卷入，因此应高度重视和防止绳缆被螺旋桨缠绕。潜标收放作业时人员会很靠近船尾一定要做好个人安全保护（如穿戴救生衣和系好安全带）防止出现人员落水。

在布放过程中潜标的重块是最后释放的，在低速航行至预定站位前，首先放入海中的是浮球、绳缆和悬挂的观测设备让长长的潜标拖曳在船尾，在到达站位时抛弃潜标重块，在重块作用下潜标被“拉入”水下，慢慢的下沉到海底。然后，停船并记录船位，通过水听器向声学释放器发送呼唤指令，接收回复信号，确认释放器工作正常。潜标的回收是一个逆过程。

左上图Argo漂流浮标；左中图福岛核电站Argo浮标漂流轨迹；左下角潜标结构示意图；右上图Argo浮标工作示意图；右中图布放Argo浮标；右下和右下角三张照片是潜标布放。

Argo浮标和潜标观测系统示意图

到达站位后，通过水听器唤醒声学释放器，在确认释放后，船舶撤离上浮区域等待潜标上浮到海面，然后搜索上浮的潜标54。“糖葫芦串”上浮后并不会堆积在一起，在风和海流的作用下被逐渐“拉开”延展在海面上。回收时同样需要船舶的配合，在船靠近漂浮的潜标时用抓钩挂住“糖葫芦串”的绳缆并拉上甲板，然后通过辅助吊点将观测设备打捞上来。布放和回收潜标需要多人（5～8）配合，需要与驾驶室保持通讯畅通以便随时得到船方的配合。

在潜标/深海浮标等布放中，参与布放和回收的辅助设备更多的是甲板吊运装置（如吊车、绞盘等）而不是绞车系统，布放和回收前应清理出较大的甲板作业面，以利于这类作业的实施。由于是自容观测设备，在布放前应根据观测设计认真、仔细、反复地检查设备工况，检查设备配置参数是否满足观测需要（设计要求）。尤其是声学释放器的工况检查，因为它决定着是否能够回收成功，对于潜标布放这是极为重要的检查内容。布放过程应注意保护观测设备，每一次碰撞和冲击设备都有可能造成观测设备出现故障。

由于这些自容设备是可重复使用的，因此在回收时同样要注意防止碰撞，应保护好观测设备。因为在同一个航次中，在导出观测数据，更换电池和特征设置参数后，有可能在下一个站点或其他航段再次被投放下去。即便是这个航次不再使用这些观测设备，也应该尽快的提取出自容设备的观测数据，如果做不到也应该用淡水很好的冲洗设备55并完成常规维护。

相比于潜标布放，OBS、IES等单体观测设备就要容易一些，但同样需要高度重视设备布放前的检测尤其是仔细检查释放机构。不同的是如果采用阵列观测方式，需要在不同站点多次甚至是数十次的完成布放（以及回收）工作。在近海布放作业通常是指浮标。对大型浮标（如直径10米的金属浮标）需要专用船舶才能完成布放和回收，对于直径小的（如6、3、1米复变）可用调查船（或渔船）布放，布放浮标与布放潜标有点类似，但要简单一些。在浅水水域通常不适合使用声学释放器，因此回收浮标就意味着要将锚和锚链56一并都回收起来，因此潜水区域的小型浮标的锚系设计中，应该降低锚的重量，增加拖地猫脸的长度，这样有利于浮标布放和回收作业。

总之，无论是哪一种调查作业方式都需要调查辅助装置或船舶运动的配合，需要现场作业人员之间的相互协助和配合。其次，作业班长应记录每一次作业的过程，尽管这很枯燥，但积累的多了以后，对评估观测数据和采样的品质，以及布放回收作业改进都会很有用处。

其他调查作业

海洋重力观测属于较为特殊的观测，首先重力测量的是相对变化量因此需要连续的封闭的观测过程。换言之，重力仪从起航开始一直要保持正常工况，并且直到再次回到开机时的港口，从而实现连续闭合观测。如果中途停机或出现设备故障，本次观测就失去了应有的作用（不连续或不闭合）。因此，海洋重力仪比其他设备更需要UPS（不间断电源），以保障设备供电。

有些调查船具有地震（多为单道地震）作业能力，与之配套的是空压机、储气瓶和高压气管路。地震测量属拖曳作业，航速在6节左右，通常会与磁力和重力观测同步进行，拖曳在船尾的水听器缆较粗但重量不大，有数千米长，因此收放作业需要占用较大的甲板空间。地震观测属于一类大区域连续作业，沿规划线航行的船舶如同在海里面“耕地”，有时要连续进行数天或更长时间的观测。地震作业期间，船上的声学设备会受到气枪震波（广谱大能量）的干扰，会影响声学观测设备的运行。

航渡期间进行的抛弃式观测（如XBT、XCTD等）以及布放Argon浮标（无动力水下滑翔机也属于一种Argo观测设备）是最为常见的一类观测。早在1998年，由海洋学家组成的科学小组发起并计划建立一个由卫星跟踪的自动剖面浮标（简称“Argo浮标”）组成的海洋观测网，用来监测全球0～2000m水深范围内的上层海洋状态。该计划的初期目标是要在无冰海域布放并维持一个由数千个Argo浮标组成的实时海洋观测网，为新一代海洋气候模式提供实时观测数据和高质量的延迟观测数据（观测数据的质控过程，推迟了数据的实时性）。Argo观测计划是一个由世界上众多沿海国家（也包括中国）共同参与的大型海洋观测项目，是全球海洋观测系统的重要组成部分。据估计，自从19世纪末海洋学诞生以来，海洋调查船在过去的一百多年期间从全球深海大洋中只得到了约50万条0～1000m水深范围和20万条0～2000m水深范围内的温盐度剖面。然而，据目前Argon获取观测数据的速度估算，仅在8年多的时间里Argo观测网就收集到约100万条温盐度剖面，远大于历史观测数据量。这是人类海洋观测史上取得的又一具有“里程碑”意义的成就。

然而，至今为止海洋调查船仍是我们观测海洋的主要运载体。对于一个调查船基地来说，码头上应该具有三个基准，这些“基准”通常是在一个特定位置上的固定标志。一是准确的经纬度，即GPS基准；二是准确的高度基准（水准）；三是重力基准。一般情况下，前两个基础易于实现，可以通过高精度GPS定点测量和水准联测来确定，但对于重力基准就不是容易做到的事情，一方面是重力基准点较少引点不容易做到，另一方面是重力基准的测定设备较为娇贵，因此测定重力基准的难度较大。

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【作者简介】吉国，1956年出生，男，济南市人，1982毕业于山东海洋学院海洋系水文专业，大学毕业分配到烟台烟台海难救捞局，1984年调入（原）国家海洋局北海分局，1992年起任国家海洋局北海分局环海海洋工程勘察研究院副院长，2005年起任国家海洋局北海分局大洋调查设备技术管理中心/潜航管理办公室主任，正高级高级工程师。从事海洋调查工作三十余年，熟悉水体、地质、物探、ROV等各类海洋调查技术装备的使用和装备技术管理；曾多次主持和参与了“中日黑潮合租调查”、“中韩水动力循环调查”、“126 专项调查”、“西北太平洋环境调查”、“南极科学考察12次队”、“大洋深海资源勘查”、“首次北极科学考察”、“首次大洋环球科考”等国家大型海洋调查任务，主要从事海洋水体调查和调查数据处理与分析工作；2004年以后，主要从事“大洋一号”船绞车收放系统、深海摄像、深海拖曳体、ROV、AUV 等大型海洋调查技术装备管理，参与“大洋一号”船多波束选型和多波束安装，参与7000m载人深潜器海试母船（向阳红09船）技术改造并负责实验室和调查设备改装，主持“大洋一号”船多项技术改造等。曾获教育部“3500米深海观测和取样型 ROV 系统”科学技术进步一等奖（第5完成人），中国船舶重工集团公司“中国载人深潜潜航员培训体系创建与实践”二等奖。退休后，主要从事近海海洋环境技术装备研发，作为专家参与了万米ARV海上试验验收工作，等等。本文来自作者撰写的“杂谈海洋调查”一书的节选，编发已经取得了作者授权。

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