深遠(yuǎn)海大噸位沉船打撈中的實(shí)時(shí)海流監(jiān)測(cè)

王洪戰(zhàn)，吳昊,付東

（1.中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456）

深遠(yuǎn)海大噸位沉船救助打撈，受深水海洋環(huán)境的影響，往往風(fēng)大浪高、水流湍急，是世界沉船救助打撈領(lǐng)域的一個(gè)難題，鮮有成功實(shí)施的經(jīng)典案例。某10 萬噸危化品貨輪受臺(tái)風(fēng)襲擊，沉沒于離岸約300 公里的外海。因其貨物屬性對(duì)海洋環(huán)境有極大的污染風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)?shù)睾Ｊ戮葥撇块T組織對(duì)該船進(jìn)行打撈工作。按照打撈方案，施工方將進(jìn)行沉船周邊除泥、船艏系固重力錨安放、鋼梁牽引導(dǎo)向塊安放、托底鋼梁海底開溝等作業(yè)，每道工序或關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)均需要潛水員進(jìn)行潛水輔助或探摸確認(rèn)。但因?yàn)槭芎５椎匦?、周邊島嶼等的影響，海水在不同的深度其流動(dòng)速度和流動(dòng)方向是各不相同的。尤其受不規(guī)則半日潮潮汐規(guī)律的影響，漲、落潮轉(zhuǎn)換期間，不同海水深度的各層流速流向更是差異巨大。為了掌握沉船水域的海流運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，極大地利用平緩流期間的憩流時(shí)間進(jìn)行水下施工作業(yè)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海流情況，統(tǒng)計(jì)分析海流變化規(guī)律，預(yù)報(bào)未來漲落潮趨勢(shì)，為潛水施工和其他水下作業(yè)提供準(zhǔn)確的參考。

1 直讀式海流儀

直讀式海流儀是海洋施工中最常用的一種海流觀測(cè)方法。直讀式海流儀外觀呈紡錘形，內(nèi)置一個(gè)磁通門羅經(jīng)，尾部安裝有一個(gè)螺旋槳。海流沖擊海流儀時(shí)，磁通門羅經(jīng)采集設(shè)備的磁北方位角作為當(dāng)前海流的流向，然后根據(jù)其螺旋槳轉(zhuǎn)速計(jì)算當(dāng)前海流的速度，從而完成海流的流速和流向觀測(cè)。為了保持海流儀測(cè)量時(shí)姿態(tài)的穩(wěn)定性，防止風(fēng)浪沖擊造成海流儀劇烈翻滾或大幅度搖擺，通常會(huì)為其配重約10—20kg 不等的鉛魚。所以在海上觀測(cè)時(shí)，一般需要使用絞車或滑輪將其懸吊于舷邊，依次沉放于某一設(shè)定的海水深度才能完成整條垂線的觀測(cè)。直讀式海流儀的懸吊式作業(yè)方式受天氣、風(fēng)浪、船舶搖擺等外部環(huán)境影響較大，同一時(shí)刻只能監(jiān)測(cè)某一固定深度的海流情況，所以要想監(jiān)測(cè)整條垂線，就必須不斷地下放和回收設(shè)備，人力無法長期堅(jiān)持，必須要設(shè)備機(jī)械輔助。

圖1 直讀式海流儀

2 ADCP

ADCP（Acoustic Doppler Current Profiler），中文全稱為“聲學(xué)多普勒海流剖面儀”，又稱為“海流垂線儀”[1]。ADCP 的探頭部分由4 個(gè)聲波脈沖換能器組成，各換能器都按照與探頭內(nèi)置坐標(biāo)系的固定夾角排列[2]。每個(gè)換能器既是發(fā)射源又是接收源，換能器按照某一頻率發(fā)出集中于一定狹窄范圍內(nèi)的聲波脈沖后[3]，即開始聆聽被水體中懸浮顆粒物體反射回來的聲波。假設(shè)懸浮顆粒物的運(yùn)動(dòng)速度與海水流速相同[4]，則當(dāng)顆粒物向換能器靠近移動(dòng)時(shí)，換能器接收到的回聲頻率比發(fā)射頻率要高；當(dāng)顆粒物遠(yuǎn)離換能器移動(dòng)時(shí)，換能器接收到的回聲頻率要比發(fā)射頻率低。這種因?yàn)閼腋☆w粒物的運(yùn)動(dòng)而引起聲波頻率的改變稱為聲學(xué)多普勒頻移，即為發(fā)射聲波頻率與返回聲波頻率之差[5]。公式如下：

式中：Fd為聲學(xué)頻移；V 為懸浮顆粒物沿聲束方向的移動(dòng)速度（即沿聲束方向的水流速度）；F 為聲波發(fā)射頻率；2為多普勒頻移雙倍乘積系數(shù)；C 為聲波在水中的傳播速度[6]。聲束坐標(biāo)沿ADCP 換能器的軸線建立，每條軸線對(duì)應(yīng)一個(gè)聲束坐標(biāo)，每個(gè)換能器測(cè)量的流速方向與聲束坐標(biāo)方向相同，則任意的三條軸線即可組成一個(gè)獨(dú)立的空間聲束坐標(biāo)系[7]。ADCP 探頭內(nèi)部按照換能器指向自定義有空間直角坐標(biāo)系：X-Y-Z，Z 方向?yàn)樨Q直方向。ADCP 首先測(cè)量計(jì)算出各聲束坐標(biāo)的流速分量，然后根據(jù)內(nèi)置空間直角坐標(biāo)系與聲束坐標(biāo)系的七參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系[8]，采用赫爾默特變換法將聲束坐標(biāo)系海流矢量轉(zhuǎn)換為內(nèi)置空間直角坐標(biāo)系下的三維矢量。然后，再根據(jù)電羅經(jīng)測(cè)量的真北艏向數(shù)據(jù)和姿態(tài)儀測(cè)量的姿態(tài)數(shù)據(jù)，將內(nèi)置空間直角坐標(biāo)系下的海流矢量歸算至絕對(duì)地理坐標(biāo)系[9]。

圖2 ADCP 探頭

與傳統(tǒng)直讀式海流儀相比，ADCP 的優(yōu)點(diǎn)有：

作業(yè)方式可采用走航式動(dòng)態(tài)測(cè)量。直讀式海流儀只能采用固定點(diǎn)位拋錨的靜態(tài)觀測(cè)模式，一般按照水深分為三層或五層測(cè)點(diǎn)，將設(shè)備沉放至各層測(cè)點(diǎn)測(cè)量，然后計(jì)算出整條垂線的平均流速和流向。

海水垂線觀測(cè)密集且分層多。直讀式流速儀只能固定幾條代表性垂線來覆蓋整個(gè)測(cè)量海域，每條垂線也只能按照海水實(shí)際深度分為1～5 層觀測(cè)。因?yàn)锳DCP 可以在船舶航行中進(jìn)行走航式測(cè)量，所以可以根據(jù)需要設(shè)定采樣密度和觀測(cè)層數(shù)，則能夠生成測(cè)量范圍內(nèi)任意位置的垂線和任意深度的海流情況。

海況適應(yīng)性強(qiáng)。直讀式海流儀要求風(fēng)平浪靜的良好氣象條件。而ADCP 可以接入慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、電羅經(jīng)、傾斜儀等定位定姿設(shè)備，能夠有效減弱或消除因位移、俯仰、橫滾、升沉等產(chǎn)生的誤差，在不利海況下依然能夠作業(yè)[7]。

3 工程應(yīng)用

3.1 設(shè)備選型

該貨輪沉沒現(xiàn)場(chǎng)海域水體渾濁、泥沙含量較大、懸移質(zhì)和浮游生物濃度高，則低頻聲波脈沖較難穿透水體得到準(zhǔn)確的觀測(cè)數(shù)據(jù)。因此，選用美國TELEDYNE公司生產(chǎn)的WORK HORSE 高頻ADCP。WORK HORSE ADCP 的脈沖頻率為600kHZ，是一種適用于水深200m以淺水域的海流剖面儀，它既可以自容存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，也可以通過有線電纜用于直讀式海流測(cè)量，并且具有海底跟蹤功能，可以自動(dòng)識(shí)別海底干擾進(jìn)行走航式測(cè)量。

3.2 安裝設(shè)置

因?yàn)榇驌谱鳂I(yè)施工船為大型浮吊船，其航行時(shí)產(chǎn)生的水體阻力巨大，為了保證ADCP 換能器姿態(tài)穩(wěn)定和設(shè)備安全，使用壁厚8mm、外徑168mm 的高強(qiáng)度鋼管作為固定裝置，將ADCP 探頭安裝固定于舷側(cè)。為了防止船體和底部對(duì)海流移動(dòng)和聲波信號(hào)的阻擋，固定鋼管在下放時(shí)超出船底龍骨線約1.5 米。將高精度星站差分GPS 和電羅經(jīng)數(shù)據(jù)接入測(cè)量采集軟件，實(shí)時(shí)修正船舶對(duì)地速度和方向?qū)υO(shè)備采集的影響，解算得正確的流速和流向數(shù)據(jù)。設(shè)置步驟如下：

（1）高精度星站差分GPS 以NMEA-0183 協(xié)議格式將$GPGGA 數(shù)據(jù)傳輸至測(cè)量軟件。解析數(shù)據(jù)中的經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)，然后計(jì)算船舶運(yùn)動(dòng)的航速，繼而可得到ADCP 換能器的絕對(duì)地理速度，從而消除探頭相對(duì)海水移動(dòng)的影響。

（2）電羅經(jīng)真北方向測(cè)量數(shù)據(jù)以$HEHDT 協(xié)議格式傳輸至測(cè)量軟件。因?yàn)锳DCP 內(nèi)置的磁羅經(jīng)在受到鋼鐵等金屬材質(zhì)干擾時(shí)，會(huì)發(fā)生數(shù)值抖動(dòng)和漂移，從而無法得到正確的艏向數(shù)據(jù)，所以必須采用穩(wěn)定的外部羅經(jīng)數(shù)據(jù)。

（3）ADCP 觀測(cè)參數(shù)設(shè)置。根據(jù)換能器的安裝情況和實(shí)際水深情況，設(shè)置盲區(qū)深度、吃水深度、海水觀測(cè)層數(shù)、單層寬度、聲波頻率、海底跟蹤等參數(shù)。

3.3 數(shù)據(jù)分析

使用涵蓋大、中、小，一個(gè)完整潮汐周期的海流觀測(cè)進(jìn)行調(diào)和統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算各垂線平均流速、流向，其中垂線平均流速、流向采用“矢量加權(quán)平均法”計(jì)算，公式如下：

根據(jù)長期觀測(cè)分析結(jié)果，該貨輪沉沒水域漲潮主流向?yàn)?30°，落潮主流向?yàn)?0°，為典型不規(guī)則半日潮型。漲潮歷時(shí)長于落潮歷時(shí)，漲潮一般為7.5 個(gè)小時(shí)，落潮一般為4.5 個(gè)小時(shí)。高平潮的憩流歷時(shí)明顯長于低平潮的憩流歷時(shí)，漲潮憩流時(shí)間一般為50—130 分鐘，落潮憩流時(shí)間一般為20—60 分鐘。流速最快可至2m/s-2.5m/s，小潮汛期間全天流速可小于0.5m/s。典型各層流速、流向數(shù)據(jù)，如圖3-4：

圖3 典型各層流速

圖4 典型各層流向

4 總結(jié)

ADCP 采用多波普勒聲波頻移原理，對(duì)海水垂線發(fā)射若干組聲波，根據(jù)每層海流回波的情況即可推算該層海流的流速和流向，再結(jié)合自動(dòng)控制和分析軟件，即可全天候、高精度監(jiān)測(cè)各層海流的流速和流向。ADCP 解決了傳統(tǒng)直讀式海流儀抗環(huán)境干擾性差、人力資源占用大、測(cè)量精度低、采集數(shù)據(jù)密度低等問題。ADCP 應(yīng)用于該沉沒貨輪打撈施工后，極大提高了潛水作業(yè)和水下施工對(duì)憩流時(shí)間的利用率，并可根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律對(duì)未來的海流變化情況進(jìn)行模擬預(yù)判，為施工方案編制、作業(yè)計(jì)劃制定和現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)提供了精準(zhǔn)的參考。