CN111351528B - 一种海底边界层观测装置及其布放回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋测量技术领域，特别涉及一种海底边界层观测装置及其布放回收方法。本发明采用了观测平台和回收装置的分体式设计，将体积庞大的浮体材料跟观测设备分离开来，避免了其对海流等关键参数的影响，大大提高了观测数据的准确性；利用连接缆绳回收海底的观测平台，可以提供足够的拉力，避免了观测平台陷入沉积物中，不能顺利脱离海底的情况；回收装置链式设计，当其上浮至水面后，更利于大型科考船的回收；其布放回收方法针对该装置的特点设置，稳妥可靠，适用于各类船舶，具有较好的推广前景。

Description

一种海底边界层观测装置及其布放回收方法

技术领域

本发明涉及海洋测量技术领域，具体而言，特别涉及一种海底边界层观测装置及其布放回收方法。

背景技术

海底边界层包括从床底至受其显著影响的水体之间的水层厚度，对海底动力过程，尤其是沉积物搬运及近海底化学物质输运有重要影响，因此亟需研究底边界层观测技术。

传统的海底观察海床基多采用自浮式设计，完成观测后抛弃载荷利用自身浮力上升至水面。然而海床基大量浮体材料的加入，导致其体积增大，从而影响水下动力环境，无法测量出真实的底边界层动力特征。因此急需一种结构简单、对底边界层水流影响小且布放回收可靠的底边界层观测装置。本发明将填补这一空缺，推动我国海底边界层观测的进步。

发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，最大程度上减小装置对海底水动力环境的影响，实现海底边界层的原位观测，提供了一种海底边界层观测装置及其布放回收方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种海底边界层观测装置，包括连接缆绳、观测平台和回收装置，所述连接缆绳一端连接观测平台的顶部，另一端连接在回收装置中部；

所述观测平台包括仪器平台，仪器平台采用框架式设计，仪器平台下端四角设有4条支腿，支腿的另一端连接底座，仪器平台内部活动安装有若干个横杆，仪器平台内部中心位置的横杆上安装低频声学流速剖面仪，低频声学流速剖面仪周围的横杆顺时针依次安装多参数水质仪、边界层悬浮物剖面测量仪、声学侵蚀仪、单点式海流计、高频声学流速剖面仪和波潮仪；

所述回收装置包括有小浮球组，小浮球组通过浮球连接缆连接大浮球组，大浮球组的另一端通过Y形钢缆连接释放器组，释放器组采用两个声学释放器并联设计，释放器组的两个声学释放器释放机构连接短钢链，短钢链的另一端穿过钢环，钢环上还通过长钢链连接配重块；

作为优选方案，所述底座设计为圆盘形。

作为优选方案，所述高频声学流速剖面仪的声学频率为2MHz。

作为优选方案，所述低频声学流速剖面仪的频率为300KHz。

作为优选方案，所述小浮球组和大浮球组材质为玻璃浮球。

作为优选方案，所述浮球连接缆采用凯夫拉缆，长度为20m。

作为优选方案，所述配重块材质为钢筋混凝土或者铁制品。

一种海底边界层观测装置的布放回收方法，包括以下步骤：

1）实验室内确定配重的重量和浮球的数量：浮球的数量应能够保证回收装置整体能沉入海底，释放器组抛弃配重块后能浮上水面；单个浮球水下的浮力设为F_浮球，采用N个浮球其总浮力F_总浮力=N*F_浮球；水下部分的总重力主要包括配重块、长钢链、短钢链、钢环、声学释放器和Y形钢缆，因此水下总重力为F_总重力=F_配重块+F_长钢链+F_短钢链+F_钢环+F_Y形钢缆+2*F_释放器；释放器释放后，抛弃配重块、长钢链和钢环，此时的总重力为F’_总重力=F_短钢链+F_Y形钢缆+2*F_释放器；因此在选择配重的重量和浮球数量时需要满足F_总浮力<F_总重力且F_总浮力>F^’ _总重力；

2）对目标区域进行地球物理测量，包括但不限于多波束测量、浅地层剖面测量和侧扫声纳测量；选择地形平坦、底质均匀、地层稳定的点位进行布放；布放前进行观测仪器参数设置；

3）利用辅助船的起吊装置和绞车钢缆将观测平台放置水面，连接缆绳缠绕船用锚绞盘，利用脱钩装置断开观测平台与绞车钢缆的连接；

4）打开船用锚绞盘开关，跟随船用锚绞盘的旋转松开连接缆绳，观测平台随着连接缆绳的释放缓慢下落，直至触底；此时可以明显感觉连接缆绳无下坠力；

5）辅助船缓慢移动，尽可能增大观测平台和回收装置的距离，移动距离

，式中L为连接缆绳长度，H为水深；

6）利用辅助船的起吊装置和绞车钢缆进行回收装置下放；按照小浮球组、大浮球组、释放器组和配重块的顺序依次入水；配重块入水后，总重力大于总浮力，回收装置缓慢着底；

7）海底边界层观测装置布放在海底后，观测平台平稳着地，连接缆绳平铺在海底，回收装置在小浮球组、大浮球组的作用下呈垂直状态；

8）完成观测后，释放器组的声学释放器接收到释放指令后，断开与短钢链的连接，在浮力的作用下，回收装置抛弃配重块等物体上浮至水面。如果一套释放器没有响应，可以向第二套释放器下达释放指令；

9）回收装置抛弃配重块等载荷后，缓慢上浮直至上浮至水面；

10）在辅助船上使用钩子打捞小浮球组和大浮球组之间的浮球连接缆，然后将回收装置回收至辅助船后甲板；

11）连接缆绳缠绕船用锚绞盘，开启锚绞盘后，缓慢回收连接缆绳，观测平台逐渐上升，直至出水；

12）利用辅助船起吊装置和绞车钢缆将观测平台回收至船甲板，并连接设备下载观测数据。

进一步地，步骤（5）中移动距离为

。

本发明由于采用了以上技术方案，与现有技术相比使其具有以下有益效果：

1、本装置采用了观测平台和回收装置的分体式设计，将体积庞大的浮体材料跟观测设备分离开来，避免了其对海流等关键参数的影响，大大提高了观测数据的准确性。

2、利用连接缆绳回收海底的观测平台，可以提供足够的拉力，避免了观测平台陷入沉积物中，不能顺利脱离海底的情况。

3、回收装置链式设计，当其上浮至水面后，更利于大型科考船的回收。

4、其布放回收方法针对该装置的特点设置，稳妥可靠，适用于各类船舶，具有较好的推广前景。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明海底边界层观测装置总体示意；

图2为本发明观测平台的立体结构示意图；

图3为本发明回收装置结构示意图；

图4为图2的俯视结构示意图；

图5为海底边界层观测装置的布放回收流程示意图，

其中，图1至图5中附图标记与部件之间的对应关系为：

1连接缆绳，2观测平台，3回收装置，201仪器平台，202支腿，203底座，401多参数水质仪，402边界层悬浮物剖面测量仪，403声学侵蚀仪，404单点式海流计，405高频声学流速剖面仪，406波潮仪，407低频声学流速剖面仪，301小浮球组，302浮球连接缆，303大浮球组，304Y形钢缆，305释放器组，306短钢链，307钢环，308钢链，309配重块。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合图1至图5对本发明的实施例的海底边界层观测装置及其布放回收方法进行具体说明。

如图1所示，本发明提出了一种海底边界层观测装置及其布放回收方法，包括连接缆绳1、观测平台2和回收装置3，连接缆绳1一端连接观测平台2的顶部，另一端连接在回收装置3中部；

如图2所示，观测平台2包括仪器平台201，仪器平台201采用框架式设计，仪器平台201下端四角设有4条支腿202，支腿202的另一端连接底座203，底座203设计为圆盘形，一方面方便增加配重，降低所述观测平台2的重心，提高稳定性，另一方面增大观测平台2与海底的接触面积，减少沉降量，仪器平台201正下方为观测的海底边界层区域，支腿202尺寸较小，基本不影响观测区域的水动力环境，最大程度上提高了数据的准确性。

如图4所示，仪器平台201内部活动安装有若干个横杆，横杆用于固定不同尺寸的观测仪器向下观测；仪器平台201内部中心位置的横杆上安装低频声学流速剖面仪（ADCP)407，低频声学流速剖面仪407周围的横杆顺时针依次安装多参数水质仪401、边界层悬浮物剖面测量仪402、声学侵蚀仪403、单点式海流计（ADV）404、高频声学流速剖面仪(ADCP)405和波潮仪406。高频声学流速剖面仪405的声学频率为2MHz，低频声学流速剖面仪407的频率为300KHz。高频声学流速剖面仪(ADCP)405向下探测海底边界层流速剖面，低频声学流速剖面仪(ADCP)407向上探测海底至表面流速剖面，多参数水质仪401用于观测水体的温度、盐度等信息，波潮仪406用于观察海面的潮位及波浪，声学侵蚀仪403用于探测海底的侵蚀情况，单点式海流计（ADV）404向下探测，用于填补高频声学流速剖面仪(ADCP)405向下观测的盲区，边界层悬浮物剖面测量仪402用于测量悬沙浓度。

如图3所示，回收装置3包括有小浮球组301，小浮球组301通过浮球连接缆302连接大浮球组303，小浮球组301和大浮球组303材质为玻璃浮球，耐压水深大于布放站位水深，浮球连接缆302采用凯夫拉缆，长度为20m；大浮球组303的另一端通过Y形钢缆304连接释放器组305，释放器组305采用两个声学释放器并联设计，释放器组305的两个声学释放器释放机构连接短钢链306，短钢链306的另一端穿过钢环307，钢环307上还通过长钢链308连接配重块309，配重块309材质为钢筋混凝土或者铁制品。

如图5所示，一种海底边界层观测装置的布放回收方法，包括以下步骤：

1）实验室内确定配重的重量和浮球的数量：浮球的数量应能够保证回收装置3整体能沉入海底，释放器组305抛弃配重块309后能浮上水面；单个浮球水下的浮力设为F_浮球，采用N个浮球其总浮力F_总浮力=N*F_浮球；水下部分的总重力主要包括配重块309、长钢链308、短钢链306、钢环307、声学释放器和Y形钢缆304，因此水下总重力为F_总重力=F_配重块+F_长钢链+F_短钢链+F_钢环+F_Y形钢缆+2*F_释放器；释放器释放后，抛弃配重块309、长钢链308和钢环307，此时的总重力为F’_总重力=F_短钢链+F_Y形钢缆+2*F_释放器；因此在选择配重的重量和浮球数量时需要满足F_总浮力<F_总重力且F_总浮力>F^’ _总重力；

2）对目标区域进行地球物理测量，包括但不限于多波束测量、浅地层剖面测量和侧扫声纳测量；选择地形平坦、底质均匀、地层稳定的点位进行布放；布放前进行观测仪器参数设置；

3）利用辅助船的起吊装置和绞车钢缆将观测平台2放置水面，连接缆绳1缠绕船用锚绞盘，利用脱钩装置断开观测平台2与绞车钢缆的连接；

4）打开船用锚绞盘开关，跟随船用锚绞盘的旋转松开连接缆绳1），观测平台2）随着连接缆绳1）的释放缓慢下落，直至触底；此时可以明显感觉连接缆绳1）无下坠力；

5）辅助船缓慢移动，尽可能增大观测平台2和回收装置3的距离，一方面可以减小回收装置3对观测平台2位置的水动力影响，另一方面可以减弱连接缆绳1在水下的缠绕；移动距离

，式中L为连接缆绳1长度，H为水深，根据经验可取移动距离为

；

6）利用辅助船的起吊装置和绞车钢缆进行回收装置3下放；按照小浮球组301、大浮球组303、释放器组305和配重块309的顺序依次入水；配重块309入水后，总重力大于总浮力，回收装置3缓慢着底；

7）海底边界层观测装置布放在海底后，观测平台2平稳着地，连接缆绳1平铺在海底，回收装置3在小浮球组301、大浮球组303的作用下呈垂直状态；

8）完成观测后，释放器组305的声学释放器接收到释放指令后，断开与短钢链306的连接，在浮力的作用下，回收装置3抛弃配重块309等物体上浮至水面。如果一套释放器没有响应，可以向第二套释放器下达释放指令；

9）回收装置3抛弃配重块309等载荷后，缓慢上浮直至上浮至水面；

10）在辅助船上使用钩子打捞小浮球组301和大浮球组303之间的浮球连接缆302，然后将回收装置3回收至辅助船后甲板；

11）连接缆绳1缠绕船用锚绞盘，开启锚绞盘后，缓慢回收连接缆绳1，观测平台2逐渐上升，直至出水；

12）利用辅助船起吊装置和绞车钢缆将观测平台回2收至船甲板，并连接设备下载观测数据。

在本发明的描述中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种海底边界层观测装置的布放回收方法，所述海底边界层观测装置，包括连接缆绳（1）、观测平台（2）和回收装置（3），其特征在于，所述连接缆绳（1）一端连接观测平台（2）的顶部，另一端连接在回收装置（3）中部；所述观测平台（2）包括仪器平台（201），仪器平台（201）采用框架式设计，仪器平台（201）下端四角设有4条支腿（202），支腿（202）的另一端连接底座（203），仪器平台（201）内部活动安装有若干个横杆，仪器平台（201）内部中心位置的横杆上安装低频声学流速剖面仪（407），低频声学流速剖面仪（407）周围的横杆顺时针依次安装多参数水质仪（401）、边界层悬浮物剖面测量仪（402）、声学侵蚀仪（403）、单点式海流计（404）、高频声学流速剖面仪（405）和波潮仪（406）；所述回收装置（3）包括有小浮球组（301），小浮球组（301）通过浮球连接缆（302）连接大浮球组（303），大浮球组（303）的另一端通过Y形钢缆（304）连接释放器组（305），释放器组（305）采用两个声学释放器并联设计，释放器组（305）的两个声学释放器释放机构连接短钢链（306），短钢链（306）的另一端穿过钢环（307），钢环（307）上还通过长钢链（308）连接配重块（309）；其特征在于，包括以下步骤：

1）实验室内确定配重的重量和浮球的数量：浮球的数量应能够保证回收装置（3）整体能沉入海底，释放器组（305）抛弃配重块（309）后能浮上水面；单个浮球水下的浮力设为F_浮球，采用N个浮球其总浮力F_总浮力=N*F_浮球；水下部分的总重力主要包括配重块（309）、长钢链（308）、短钢链（306）、钢环（307）、声学释放器和Y形钢缆（304），因此水下总重力为F_总重力=F_配重块+F_长钢链+F_短钢链+F_钢环+F_Y形钢缆+2*F_释放器；释放器释放后，抛弃配重块（309）、长钢链（308）和钢环（307），此时的总重力为F’_总重力=F_短钢链+F_Y形钢缆+2*F_释放器；因此在选择配重的重量和浮球数量时需要满足F_总浮力<F_总重力且F_总浮力>F^’ _总重力；

2）对目标区域进行地球物理测量，包括多波束测量、浅地层剖面测量和侧扫声纳测量；选择地形平坦、底质均匀、地层稳定的点位进行布放；布放前进行观测仪器参数设置；

3）利用辅助船的起吊装置和绞车钢缆将观测平台（2）放置水面，连接缆绳（1）缠绕船用锚绞盘，利用脱钩装置断开观测平台（2）与绞车钢缆的连接；

4）打开船用锚绞盘开关，跟随船用锚绞盘的旋转松开连接缆绳（1），观测平台（2）随着连接缆绳（1）的释放缓慢下落，直至触底；此时可以明显感觉连接缆绳（1）无下坠力；

5）辅助船缓慢移动，尽可能增大观测平台（2）和回收装置（3）的距离，移动距离

，式中L为连接缆绳（1）长度，H为水深；

6）利用辅助船的起吊装置和绞车钢缆进行回收装置（3）下放；按照小浮球组（301）、大浮球组（303）、释放器组（305）和配重块（309）的顺序依次入水；配重块（309）入水后，总重力大于总浮力，回收装置（3）缓慢着底；

7）海底边界层观测装置布放在海底后，观测平台（2）平稳着地，连接缆绳（1）平铺在海底，回收装置（3）在小浮球组（301）、大浮球组（303）的作用下呈垂直状态；

8）完成观测后，释放器组（305）的声学释放器接收到释放指令后，断开与短钢链（306）的连接，在浮力的作用下，回收装置（3）抛弃配重块（309）物体上浮至水面；若第一套声学释放器未响应，可以向第二套声学释放器下达释放指令；

9）回收装置（3）抛弃配重块（309）载荷后，缓慢上浮直至上浮至水面；

10）在辅助船上使用钩子打捞小浮球组（301）和大浮球组（303）之间的浮球连接缆（302），然后将回收装置（3）回收至辅助船后甲板；

11）连接缆绳（1）缠绕船用锚绞盘，开启锚绞盘后，缓慢回收连接缆绳（1），观测平台（2）逐渐上升，直至出水；

12）利用辅助船起吊装置和绞车钢缆将观测平台回收至船甲板，并连接设备下载观测数据。

2.根据权利要求1所述的一种海底边界层观测装置的布放回收方法，其特征在于，所述步骤（5）中移动距离为

。

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