CN108267126A - 深海内波对海底沉积物再悬浮量的观测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海内波对海底沉积物再悬浮量的观测系统和确定方法，观测系统包括海底观测平台、缆绳和锚泊系留配重，海底观测平台装有声学释放器、单点海流计、浊度仪、高精度温盐深仪和沉积物捕获器，缆绳上设置有主浮体与子浮体，主浮体位于缆绳中部安装有声学多普勒流速剖面仪，子浮体设置有浊度仪和高精度温盐深仪，锚泊系留配重为有方框形卡槽和固定环的重力锚。其确定方法包括：室内校正仪器，利用辅助船布放和回收观测系统，读取观测仪器数据和分析捕获悬浮物成分，确定内波对沉积物的再悬浮量。本发明可以安全、稳定的放置于深海海底，可以实现从海底到海面全水深的海洋动力环境参数观测，并可确定内波对沉积物的再悬浮量。

Description

深海内波对海底沉积物再悬浮量的观测系统及方法

技术领域

本发明涉及海洋观测技术领域和海洋工程地质领域，具体地说是一种深海内波对海底沉积物再悬浮量的观测系统及方法。

背景技术

随着我国对海洋资源的勘查和开发，深海海底以其广阔的空间、丰富的资源和特殊的政治地位日益成为世界各国关注的战略区域，特别是复杂深海海洋的研究。由于各种传统技术手段获取的数据有限，对深水环境的观测更加困难，人类对深海大洋多尺度变化过程的认识非常有限，制约着对未来发展的预估能力。因此，对海洋全深度、特别是大深度近底的原位综合观测数据的采集就显得尤为重要。

海洋内波发生在海洋内部密度不均匀水层间，可以贯穿海洋全深度，具有振幅大、流速强、传播速度快等特点，广泛分布在全球海洋中，特别是中国南海。内波能够诱发极强的垂向流动，造成沉积物与污染物的运移，对海洋环境产生重要的影响，日益受到人们的关注。已经在多个海域观测到内波悬浮海底沉积物，并形成巨大的海底雾状层。

传统的海洋原位观测平台主要是潜标和海床基。潜标搭载的观测设备距离海床较远，无法观测到近底的海洋参数。而海床基可以实现对海床的近底观测，但投放作业时难以保证落底姿态，一旦倾覆或陷入淤泥难以回收，最重要的是传统海床基搭载能力有限，仅可以观测近底海洋动力，不能实现对海洋的全深度观测。如果实现海洋全深度综合观测，必须使用两个及以上的观测平台，不仅操作复杂、安全性差，而且多个观测平台的数据需要统一到相同的站位进行校正。目前急需一种综合观测系统实现对深海海洋全空间的观测，全面和深入的认识海洋动力对海底沉积物的作用。同时，观测海底沉积物多依靠光学和声学仪器，仅能反映悬浮浓度大小，缺乏定量参数的确定。本发明将填补以上空白，不仅可以从近底到海面全深度观测海洋内波对海底沉积物的悬浮，还可以准确的确定对海底沉积物的悬浮量，有助于预测海洋内波对海底的侵蚀情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种深海内波对海底沉积物再悬浮量的观测系统及方法，以实现海洋全深度环境参量同步观测，除了近底的温度、盐度、压力、三维流速、浊度等测量外，还可以获取海洋上层内波和浊度的剖面数据等。

一种深海内波对海底沉积物再悬浮量的观测系统，其特征在于包括位于系统底部的海底观测平台框架、位于海底观测平台框架下方的锚泊系留配重和竖向布置的缆绳，所述锚泊系留配重为上表面中央设有固定环的长方体重力锚，所述海底观测平台框架顶部设有浮体材料，海底观测平台框架上还搭载有浊度仪、沉积物捕获器、高精度温盐深仪、单点式海流计以及两个并联的声学释放器，所述两个声学释放器上端均与海底观测平台框架相连，两个声学释放器下两端用绳索相互连接，且该绳索穿过所述的固定环；所述缆绳下端连接所述海底观测平台框架、顶端连接第一玻璃浮球组合，该缆绳自下端至顶端的第一玻璃浮球组合之间依次设有第二玻璃浮球组合、释放环、主浮体，并且还有两个或两个以上的子浮体安装在缆绳的不同位置，所述主浮体位于缆绳中部，并搭载有两台声学多普勒流速剖面仪，其中一个朝向上方用于观测主浮体上部的流场，另一个朝向下方用于观测主浮体下部的流场，从而以实现表层至海底全深度测流，子浮体同时搭载有一台浊度仪和一台高精度温盐深仪。

所述缆绳的上部设置有若干子浮体，根据需要可设置不同的数量，子浮体等间距布置，且相邻子浮体间距不超过20米；在缆绳的顶端和下部分别设置有第一玻璃浮球组合和第二玻璃浮球组合，在第二玻璃浮球组合上部的缆绳上设置有释放环，该释放环位于第二玻璃浮球组合上部可确保回收时浮出海面，方便释放和回收海底观测平台。

所述海底观测平台可以坐底观测，包括由耐腐蚀的轻质金属管体焊接成的模块框架结构，根据深海海底观测的技术要求可拆卸和自由组合。

所述海底框架上部呈四角锥形，下部呈长方体形，并在上部固定有浮体材料，保证观测系统下放时的姿态

所述锚泊系留配重包括与海底观测平台相匹配的长方体重力锚，重力锚中部有固定环与声学释放器相连，重力锚有方框形卡槽与观测平台嵌固，释放时二者可自由脱离，两个声学释放器下端用绳索相互连接，且该绳索穿过所述的固定环。

利用上述观测系统获得深海内波对海底沉积物再悬浮量的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)对观测系统上搭载的各个仪器进行校正，并设定各仪器的工作参数；

2)利用辅助船及GPS定位系统将观测系统运输至目标点位，准备好船上配备的起吊装置及布放缆，首先布放观测系统的缆绳及其固定仪器，然后通过释放环15下放海底框架；

3)待布放完成后，观测系统上的各个仪器按照设定的参数开始进行自容式观测；

4)观测完成后，利用辅助船回收观测系统，首先通过双并联声学释放器释放锚泊系留配重，使海底观测平台框架与锚泊系留配重脱离，由于设置了两个声学释放器，且两个声学释放器底端的绳索穿过了锚泊系留配重顶部的固定环，可以确保只要有一个声学释放器能够正常工作就能完成分离释放的操作，整个缆绳及海底观测平台框架在各个浮体的作用下浮出海面，然后通过释放环回收浮到海面的海底观测平台框架，最后回收缆绳及其上固定仪器；

5)各观测仪器均为自容式，读取观测仪器数据，收集沉积物捕获器捕获的悬浮物；

6)使用H₂O₂去除沉积物捕获器捕获的部分悬浮物的有机成分，根据下述公式计算沉积物在所有悬浮物中的百分比：

其中，f为沉积物在悬浮物中的百分比，m_s为去除悬浮物有机成分后的质量，m为悬浮物总质量；

然后，使用马尔文粒度分析仪确定剩余沉积物的粒径，最后使用悬浮物配制悬浊液标定各个浊度仪，从而由浊度数据得到悬浮物浓度；

7)通过分析流速数据和温盐剖面数据确定内波；

8)根据步骤6的标定结果和步骤7得到的内波结果，确定内波对沉积物的再悬浮量：

再悬浮量的计算公式如下：

其中，T为内波对沉积物的再悬浮量，f为沉积物在所有悬浮物中的百分比，若本观测系统搭载n-1个子浮体，每个子浮体包含1个浊度仪，加上海底平台的1个浊度仪则总共包含n个浊度仪，从下到上依次为第1、第2、···、第n浊度仪，L1、L2、···、Ln分别为每个浊度仪距离海底的高度，SSC为悬浮物浓度，为步骤6标定的结果，由于设置了多个子浮体，因此会获得各个子浮体所在位置的悬浮物浓度数据，通过多个不同高度的悬浮物浓度数据计算出各个子浮体所达高度区域内的悬浮物浓度SSC，SSC₁为海底到第1个浊度仪之间的悬浮物平均浓度，SSC₂为第1个到第2个浊度仪之间的平均悬浮物浓度，···，以此类推；u₁为声学多普勒流速剖面仪测得与SSC₁对应高度的流场，u₂为声学多普勒流速剖面仪测得与SSC₂对应高度的流场，···，以此类推。

本发明可以安全、稳定的放置于深海海底，可以实现从海底到海面全水深的海洋动力环境参数观测，并可确定内波对沉积物的再悬浮量。本发明通过搭载多种仪器的海底观测平台可以测量近底的海洋动力环境参数，同时通过缆绳设置的仪器可观测上层海洋动力的变化，这两部分共同组成海洋全水深的综合观测系统，二者同步获取可实现内波对海洋动力环境变化机理的进一步深入认识，并可定量分析内波对海底沉积物的悬浮量，是未来海洋观测的发展趋势，有较好的市场前景。

附图说明

图1为本发明的观测系统整体结构示意图；

图2是锚泊系留配重示意图，图2a俯视图，图2b正视图；

图3是海底观测平台结构示意图；

图4为本发明的方法的流程框图。

图中1-锚泊系留配重，2-海底观测平台框架，3-声学释放器，4-浊度仪，5-沉积物捕获器，6-高精度温盐深仪，7-单点式海流计，8-浮体材料，9-第二玻璃浮球组合，10-缆绳，11-主浮体，12-声学多普勒流速剖面仪，13-子浮体，14-第一玻璃浮球组合，15-释放环，16-固定环，17-方框形卡槽，18-绳索。

具体实施方式

如图1-3，一种深海内波对海底沉积物再悬浮量的观测系统，其特征在于包括位于底部的海底观测平台框架2、位于海底观测平台框架2下方的锚泊系留配重1和竖向布置的缆绳10，所述锚泊系留配重1为上表面中央设有固定环16的长方体重力锚，所述海底观测平台框架2顶部设有浮体材料8，海底观测平台框架2上还搭载有浊度仪4、沉积物捕获器5、高精度温盐深仪6、单点式海流计7以及两个并联的声学释放器3，所述两个声学释放器3上端均与海底观测平台框架2相连，两个声学释放器3下端用绳索18相互连接，且该绳索18穿过所述的固定环16；所述缆绳10下端连接所述海底观测平台框架2、顶端连接第一玻璃浮球组合14，该缆绳10自下端至顶端的第一玻璃浮球组合14之间依次设有第二玻璃浮球组合9、释放环15、主浮体11，并且还有两个或两个以上的子浮体13安装在缆绳10的不同位置，其中主浮体11位于缆绳10中部，并搭载有两台声学多普勒流速剖面仪12，分别为朝向上方的学多普勒流速剖面仪和朝向下方的声学多普勒流速剖面仪，朝上的声学多普勒流速剖面仪12观测主浮体11上部的流场，朝下的声学多普勒流速剖面仪12观测主浮体11下部的流场，从而以实现表层至海底全深度测流，测流层厚8-24m，子浮体13同时搭载有一台浊度仪4和一台高精度温盐深仪6，相邻子浮体13等间距且间距不超过20米。

所述主浮体11位于缆绳10的中间，主浮体11包括主框架，主框架由316不锈钢制成，在主框架的外侧设置有浮体材料层，用以提供系统静浮力；在主框架上安装有两台75kHz声学多普勒流速剖面仪12。

所述子浮体13包括316不锈钢制成的子框架，在子框架的外侧设置有浮体材料层，用以提供系统静浮力；子框架上安装有浊度仪4和高精度温盐深仪6，用来测量单点的浊度和温盐数据，一个浊度仪和一个高精度温盐深仪为一组。根据深度(即缆绳10的长度)来确定子浮体13的数量，若缆绳10长度达到200米时，可等间距布置11个子浮体13，用于观测距底200米范围内的温盐和浊度变化。

在缆绳10的顶端设置有第一玻璃浮球组合14，在缆绳10的下部设置有第二玻璃浮球组合9，第一玻璃浮球组合14与第二玻璃浮球组合9可根据需要为潜标系统提供静浮力，在第二玻璃浮球组合9上部的缆绳上设置有释放环15，该释放环15位于第二玻璃浮球组合9上部，当回收时第二玻璃浮球组合9上浮可确保将该释放环15带出海面，方便释放和回收海底观测平台框架2。

在缆绳的下部设置有海底观测平台(参见图1-3)，其是装有两个双并联的声学释放器3、浊度仪4、沉积物捕获器5、高精度温盐深仪6、单点式海流计7、浮体材料8的海底观测平台框架2。该框架是由耐腐蚀的轻质金属管体焊接成的模块框架结构，根据深海海底观测的技术要求可拆卸和组合成具有各自特征的观测框架，从而构成海底观测平台结构，在观测平台框架的顶部设置有浮体材料8，用以保证观测系统下落的姿态和提供系统静浮力，防止倾覆。海底观测平台可以实现深海近底的温度、盐度、浊度、压力及三维流速的测量。

在缆绳10的底端设置有海底观测平台框架2，所述海底观测平台框架2固定有两个双并联的声学释放器3，通过双并联声学释放器3与锚泊系留配重1相连，锚泊系留配重1是与海底观测平台框架2相匹配的中部有固定环16的长方体重力锚，重力锚有方框形卡槽17与观测平台嵌固，防止观测期间观测平台摆动，回收时二者自由分离，锚泊系留配重1位于观测系统的最底端为观测系统提供系留重力，其上是采用两个双并联的连接的声学释放器3，且两个声学释放器3底端的绳索18穿过了锚泊系留配重1顶部的固定环15，可以确保只要有一个声学释放器3能够正常工作就能完成分离释放的操作，以确保观测系统的可靠回收。

回收该观测系统时，由声学释放器3释放锚泊系留配重1，由诸多浮球和浮体材料产生的正浮力将海底观测平台框架整体及观测仪器设备与系留配重1分离，并提升到水面，供回收船只将该观测框架整体及观测仪器设备回收到海上调查船。

上述一种深海内波对海底沉积物再悬浮量的观测系统和确定方法，能同步获取海洋全深度的温度、盐度、压力、流速、流向等定点数据和海洋流速的剖面数据等参量。一种深海内波对海底沉积物再悬浮量的观测系统和确定方法中的所有测量仪器，如浊度仪4、沉积物捕获器5、高精度温盐深仪6、单点式海流计7、声学多普勒流速剖面仪10等都是自容的，即先将测量数据自己存储，待观测系统回收后再读取数据。

本发明的深海内波对海底沉积物再悬浮量确定方法主要包括：通过室内校正试验校正观测仪器，对个观测仪器进行检测和设置，利用辅助船装载观测仪器，并开到目标点位，使用辅助船后甲板起吊装置布放观测仪器，布放完成后观测仪器根据设置的周期进行观测记录，原位观测周期结束后进行回收，通过分析和标定数据可获得深海内波对海底沉积物再悬浮量。

下面结合图4对本实施例的步骤做如下说明:

1)对观测系统上搭载的各个仪器进行室内校正，并设定各仪器的工作参数；

2)利用辅助船及GPS定位系统将观测系统运输至目标点位，准备好船上配备的起吊装置及布放缆，首先布放观测系统的缆绳及其固定仪器，然后通过释放环15下放海底框架；

3)待布放完成后，观测系统上的各个仪器按照设定的参数开始观测；

4)观测完成后，利用辅助船回收观测系统，首先通过双并联声学释放器3释放锚泊系留配重1，使海底观测平台框架2与其自由脱离，由于设置了两个声学释放器3，且两个声学释放器3底端的绳索18穿过了锚泊系留配重1顶部的固定环15，可以确保只要有一个声学释放器3能够正常工作就能完成分离释放的操作，整个缆绳10及海底观测平台框架2在各个浮体的作用下浮出海面，然后通过释放环15回收浮到海面的海底观测平台框架2，最后回收缆绳10及其上固定仪器；

5)各观测仪器均为自容式，读取观测仪器数据，收集沉积物捕获器捕获的悬浮物；

6)使用H₂O₂去除沉积物捕获器5捕获部分悬浮物的有机成分，根据下述公式计算沉积物在所有悬浮物中的百分比：

其中，f为沉积物在悬浮物中的百分比，m_s为去除悬浮物有机成分后的质量，m为悬浮物总质量；

然后，使用马尔文粒度分析仪确定剩余沉积物的粒径，最后使用剩余沉积物配制悬浊液标定各个浊度仪4，从而由浊度数据得到悬浮物浓度；

7)通过分析流速数据和温盐剖面数据确定内波；

8)根据步骤6的标定结果和步骤7得到的内波确定内波对沉积物的再悬浮量：

再悬浮量的计算公式如下：

其中，T为内波对沉积物的再悬浮量，f为沉积物在所有悬浮物中的百分比，若本观测系统搭载n-1个子浮体，每个子浮体包含1个浊度仪，加上海底平台的1个浊度仪则总共包含n个浊度仪，从下到上依次为第1、第2、···、第n浊度仪，L1、L2、···、Ln分别为每个浊度仪距离海底的高度，SSC为悬浮物浓度，为步骤6标定的结果，由于设置了多个子浮体，因此会获得各个子浮体所在位置的悬浮物浓度数据，通过多个不同高度的悬浮物浓度数据估算出各个子浮体所达高度区域内的悬浮物浓度SSC，SSC₁为海底到第1个浊度仪之间的悬浮物平均浓度，SSC₂为第1个到第2个浊度仪之间的平均悬浮物平均浓度，···，以此类推；u₁为声学多普勒流速剖面仪测得与SSC₁对应高度的流场，u₂为声学多普勒流速剖面仪测得与SSC₂对应高度的流场，···，以此类推。上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种深海内波对海底沉积物再悬浮量的观测系统，其特征在于包括位于系统底部的海底观测平台框架(2)、位于海底观测平台框架(2)下方的锚泊系留配重(1)和竖向布置的缆绳(10)，所述锚泊系留配重(1)为上表面中央设有固定环(16)的长方体重力锚，所述海底观测平台框架(2)顶部设有浮体材料(8)，海底观测平台框架(2)上还搭载有浊度仪(4)、沉积物捕获器(5)、高精度温盐深仪(6)、单点式海流计(7)以及两个并联的声学释放器(3)，所述两个声学释放器(3)上端均与海底观测平台框架(2)相连，两个声学释放器(3)下两端用绳索(18)相互连接，且该绳索(18)穿过所述的固定环(16)；所述缆绳(10)下端连接所述海底观测平台框架(2)、顶端连接第一玻璃浮球组合(14)，该缆绳(10)自下端至顶端的第一玻璃浮球组合(14)之间依次设有第二玻璃浮球组合(9)、释放环(15)、主浮体(11)，并且还有两个或两个以上的子浮体(13)安装在缆绳(10)的不同位置，所述主浮体(11)位于缆绳(10)中部，并搭载有两台声学多普勒流速剖面仪(12)，其中一个朝向上方用于观测主浮体(11)上部的流场，另一个朝向下方用于观测主浮体(11)下部的流场，从而以实现表层至海底全深度测流，测流层厚8-24m，子浮体(13)同时搭载有一台浊度仪(4)和一台高精度温盐深仪(6)。

2.如权利要求1所述的深海内波对海底沉积物再悬浮量的观测系统，其特征在于所述的子浮体(13)之间的间距相等，且子浮体(13)之间的间距不超过20米。

3.利用权利要求1所述的观测系统获得深海内波对海底沉积物再悬浮量的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)对观测系统上搭载的各个仪器进行校正，并设定各仪器的工作参数；

2)利用辅助船及GPS定位系统将观测系统运输至目标点位，准备好船上配备的起吊装置及布放缆，首先布放观测系统的缆绳及其固定仪器，然后通过释放环(15)下放海底观测平台框架(2)；

3)待布放完成后，观测系统上的各个仪器按照设定的参数开始进行自容式观测；

4)观测完成后，利用辅助船回收观测系统，首先通过双并联声学释放器(3)释放锚泊系留配重(1)，使海底观测平台框架(2)与锚泊系留配重(1)脱离，整个缆绳(10)及海底观测平台框架(2)在各个浮体的作用下浮出海面，然后通过释放环(15)回收浮到海面的海底观测平台框架(2)，最后回收缆绳(10)及其上固定仪器；

5)各观测仪器均为自容式，读取观测仪器数据，收集沉积物捕获器捕获的悬浮物；

6)使用H₂O₂去除沉积物捕获器(5)捕获的部分悬浮物的有机成分，根据下述公式计算沉积物在所有悬浮物中的百分比：

其中，f为沉积物在悬浮物中的百分比，m_s为去除悬浮物有机成分后的质量，m为悬浮物总质量；

然后，使用马尔文粒度分析仪确定剩余沉积物的粒径，最后使用悬浮物配制悬浊液标定各个浊度仪，从而由浊度数据得到悬浮物浓度；

7)通过分析流速数据和温盐剖面数据确定内波；

8)根据步骤6的标定结果和步骤7得到的内波结果，确定内波对沉积物的再悬浮量：

再悬浮量的计算公式如下：

其中，T为内波对沉积物的再悬浮量，f为沉积物在所有悬浮物中的百分比，若本观测系统搭载n-1个子浮体，每个子浮体包含1个浊度仪，加上海底平台的1个浊度仪则总共包含n个浊度仪，从下到上依次为第1、第2、…、第n浊度仪，L1、L2、…、Ln分别为每个浊度仪距离海底的高度，SSC₁为海底到第1个浊度仪之间的悬浮物平均浓度，SSC₂为第1个到第2个浊度仪之间的悬浮物平均浓度，…，以此类推；u₁为声学多普勒流速剖面仪测得与SSC₁对应高度的流场，u₂为声学多普勒流速剖面仪测得与SSC₂对应高度的流场，…，以此类推。