基于海底纜線的海洋觀測系統在我國近海應用的前景分析*

連展，官晟，魏澤勛，孫寶楠

(1. 國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061； 2.海洋環境科學和數值模擬國家海洋局重點實驗室 青島 266061；3.青島海洋科學與技術國家實驗室區域海洋動力學和數值模擬功能實驗室 青島 266071)

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基于海底纜線的海洋觀測系統在我國近海應用的前景分析*

連展1，2，3，官晟1，2，3，魏澤勛1，2，3，孫寶楠1，2，3

(1. 國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061； 2.海洋環境科學和數值模擬國家海洋局重點實驗室 青島 266061；3.青島海洋科學與技術國家實驗室區域海洋動力學和數值模擬功能實驗室 青島 266071)

通過海洋中的各類海底纜線，可以搭建海洋觀測系統，有效地開展長期海洋觀測。雖然我國該類系統建設起步較晚，但是具有理論和硬件多方面的后發優勢。只要海洋管理和科研部門注意溝通協作和前期籌劃，可以保證我國此類系統建設的速度和質量。文章將從我國近海與海底纜線有關的海洋現狀出發，分析建設基于海底纜線的海洋觀測系統在我國近海的重要意義，梳理我國建設該系統所面臨的機遇與挑戰，展望該類系統在我國近海的應用前景，并考慮我國近海的實際情況，提出在青島膠州灣灣口海區建立本系統示范應用的設計方案。

海底纜線；海洋觀測；我國近海

直接海洋觀測是海洋學最基本的研究方法之一，可靠的觀測數據可以幫助我們探究各類海洋現象內在規律。針對海峽或水道的水通量觀測，是海洋觀測中的一個重要分類。對半封閉海灣與外海聯通的海峽進行水通量觀測，可以確定海灣水交換律，給海灣排污能力等一系列評估工作提供重要參數。對重要海洋流系所經過的水道進行水通量觀測，可以確定海流不同時間尺度變化規律，建立并深化我們對觀測海區海流特征的認識，并且可為海流對航運和海洋工程的影響、與氣候變化之間的相互作用等研究提供可靠的背景資料。

海洋觀測獲取的各類數據中，最為可貴的莫屬長期連續性觀測數據，該類數據可真實展現海洋在較長時間尺度內的連續變化特征。但是受船只續航能力、惡劣不可控天氣等限制，該類觀測數據較為少見。尤其是針對海峽或水通道的水通量觀測，傳統觀測方法難以實現長期定點連續觀測。而通過海洋中的各類海底纜線，搭建海洋觀測系統，可克服以上不利因素，有效地開展針對海峽或水道的長期海水通量觀測[1-2]。

我國近岸島嶼密布，而且近年來各類遠離大陸的海洋工程也是層出不窮，致使我國近海存在密度可觀的各類海底纜線，并且在未來一段時間內，纜線數量將呈加速增加的趨勢。我國雖然在搭載于海底纜線的海洋觀測系統建設上落后于其他發達國家，但是也因為該項工作起步時間晚，使得我們在建設節點和總體設計上存在后發優勢。我國近海范圍廣闊，不同海區內該類海洋觀測系統的科學意義、觀測目標和社會經濟效應各有不同。該觀測系統的建立在渤海海區應充分利用渤海海峽優良的客觀條件，在黃東海海區應注意兩岸海洋合作，而在南海海區不但可以填補對此區域重點海洋現象長期觀測的空白，還可借助科學研究這一平臺，充實我國在此海區的國際影響力。考慮我國近海的實際情況，文章還提出了在青島膠州灣灣口海區建立本系統示范應用的設計方案。

1 基于海底纜線的海洋觀測系統發展概況

基于海底纜線的海洋觀測系統建立的主要理論依據為通過測量海水中帶電粒子穿過地球背景磁場運動產生的電場參數，從而反演目標水道的海水通量[3]。該理論自被提出以來，經歷了許多實際工作的驗證，已經比較成熟[4-5]。迄今為止全球某一海峽水道海水通量連續觀測時間最長的美國佛羅里達東岸觀測系統，即是基于此理論建立的，該系統自1982年起一直延續工作至今[6]，觀測數據被應用于多種研究中[7-8]。在我國鄰近海域，日本、韓國和我國臺灣地區均有嘗試性工作開展，而我國大陸地區暫未有類似工作見諸報道[9-10]。除此之外，海底纜線也可以直接搭載海洋溫度、鹽度等觀測儀器，由纜線作為傳導介質，實時傳送并接收海洋觀測數據[11]。

2 建設基于海底纜線的海洋觀測系統的意義

我國近海島嶼與大陸間、島嶼與島嶼間構成了大大小小各類海峽和水道。如渤海海峽、舟山群島間水道、臺灣海峽、瓊州海峽和南海諸島間水道等。針對這些海峽和水道開展海水通量以及其他特性的長期系統性觀測，對我國近海海洋研究、海洋工程建設、海嘯預警、防災減災[12]等都有重大的指導作用。但是，受我國近海大量的漁業活動、頻繁的水道交通等客觀條件的限制，該類觀測系統的建設一直沒有代表性進展。相對于其他國家針對固定海峽通道最長可達近30年的連續觀測[6]，我國針對近海海洋通道的長期連續型觀測工作開展已經明顯落后。

在渤海海區，渤海海峽作為此海區最為重要的海峽通道，應作為此類海洋觀測系統建設的首選目標。渤海海峽島嶼眾多，如大小長山島、南北隍城島等。該地區島嶼基本為沿海峽斷面分布，并且大部分為有居民島嶼，配套有生活服務用海底纜線。隨著渤海海峽兩岸經濟的發展，興建跨渤海海峽交通通道的呼聲日益提高。該大型工程的建設，也需要配套建設相關海底纜線。本觀測系統的建立，可以獲取渤海海峽水通量的長期連續數據，該類數據對渤海內部環境容量、污染物排放以及附近海洋工程建設中極值統計、工況設計等都有重要意義。因此，在渤海海峽處充分利用各島嶼和鄰近海洋工程，可以為搭建基于海底纜線的海洋觀測系統提供良好的試驗場所，并且該系統建設也可以滿足渤海沿岸地區的實際需求。

在我國黃海和東海海區，海上島嶼和石油平臺等數量也非常豐富，值得充分利用。同時，我國最大的島嶼臺灣島位于此海區，我國臺灣地區已經積累了此類觀測系統實際搭建和數據分析經驗[10]。與我國臺灣地區開展合作，可以對臺灣海峽等臺灣島周邊海域的水通道開展觀測，獲取對臺灣暖流、閩浙沿岸流等我國近海重要流系的第一手觀測資料，也可以對黑潮入侵東海陸架的具體位置和流量有所掌握，在海洋科學研究上具有重要意義。同時，該系統建設也將會顯著提升兩岸海洋合作水平，推動兩岸海洋學者的相互交流。該系統是海洋科學研究平臺，更將成為兩岸海洋合作交流平臺。

在我國南海海區，與本系統建設有關的最為突出的特點是我國近期在南海諸島興建的大量海洋工程。所有這些海洋工程，均以長期化、大型化為建設目標，這使得配套建設海底纜線的可能性非常之大，并且隨著我國在此海域設施的全面更新換代，也存在相當數量的老舊纜線就此退役，這都為基于此建設海洋觀測系統提供了硬件基礎。本海域的海洋現象是我國近海中最為豐富的，如西沙群島附近的南海西邊界流等可能對我國氣候和南海漁獲量有著重要影響[13]。在南海大部分區域，迄今為止長期定點的海洋水道觀測仍屬空白，本系統在南海建立的實際價值和科學意義尤為突出。

3 建設基于海底纜線的海洋觀測系統面臨的機遇與挑戰

通過海水運動產生的微量電壓反演在通過海道的海水流量這一具體問題上，相關理論經過多年完善與實際檢驗，已比較成熟。我國在此階段如果開始搭建此類觀測系統，在理論方面所面臨的困難將遠遠小于20世紀六七十年代。在本理論中，海底沉積物導電率、岸基導電率、纜線特性等參數都已經被考慮進來，這使得我們在系統搭建的前期，可以進行更有針對性的準備工作。并且因為已有多次工作負載纜線成功投入海洋觀測的先例，也使得我們在可用纜線的范圍上大大增加。

近年來我國近海海洋工程數量呈逐年增加的趨勢。在渤海和東海海區，存在相當數量的海上石油平臺，各平臺均配套有各類相關纜線，如果能夠充分利用，將會是相當合適的海洋觀測平臺。在南海海區，除了海上石油平臺之外，我國在一些遠海島礁上進行了大量的海上工程作業，為了滿足島上生產生活，勢必會搭載建設部分通信、供電等海底纜線。該類新建工程，更是實現同步海洋觀測的良機。另外，在綠色能源日益受到重視的今日，風力發電、潮汐能發電、波浪發電、溫差能發電等海洋能發電發展速度勢必得到加快。在該類海洋工程中，與大陸相連的纜線更是必不可少。只要我們進行好各類前期準備工作，這也是搭載海洋觀測的良好平臺。

我們正處于技術突飛猛進的時代，20世紀建設的各類通信電纜以及電力電纜許多已經到了更新換代的時期。尤其是通信電纜，原本是海島與大陸通信往來的唯一手段，隨著技術的發展，微波通信等無線通信已經普遍地被應用到各遠離大陸的海島中。這種技術進步使得大量的海底纜線退役。負載中的工作纜線雖然也可用于海洋觀測，但是需要進行數據處理，并且纜線所有方在安全生產等方面的相關規定也會對海洋觀測產生不利。因此，退役的海底纜線將是海洋觀測系統建立的最佳載體。這就要求海洋管理部門應注意與相關部門溝通，了解海洋工程規劃，抓住時機，提前著手。

4 膠州灣灣口試點觀測系統建設構想

我國近海尚未有類似觀測系統建設，在大規模建設前，有必要選取試點海區開展海上實際測試，從而積累系統搭建實際經驗。從成本和建設難度等多方面考慮，試點海區空間范圍不易選取過大。我國山東省青島市下轄的膠州灣灣口海區兩岸經濟發展充分，利于觀測系統選址，灣口海流特征明顯，利于驗證反演結果，灣口海水通量的長期監測也有利于對膠州灣與外海水交換，確定污染物容量等多方面實際需求。因此，本海區為基于海底電纜的海水通道通量觀測系統建設的適宜試點海區。

在本海區，系統建設最關鍵點海底纜線可有以下多種選擇對象：① 青島主城區和黃島區之間的供電電纜；② 青島主城區和黃島區之間的通信電纜；③ 膠州灣海底隧道所有的配套電纜。雖然以上纜線可能處于工作狀態，負載電壓等參數較大，直接觀測其上的海水運動感生電場參數可行性不高，但是可以借助纜線外殼或中間金屬導電保護層，以此作為觀測媒介。借助以上纜線作為載體，實現海洋觀測，對海洋科研機構與海洋管理部門的組織協調能力提出了一定的要求。需要溝通的部門可能涉及供電部門、通信部門、交通部門、海事部門等。此工作可以借助當地科技協會搭建合作平臺，從而使多部門共同協作推進完成。

觀測系統搭建完成后，還需進行傳統方法的同步海洋觀測，用于比測校對和確定各類參數。對于海水通量的確定，可選用船載ADCP往復式走航觀測方法，在不同時段多次測量，使之與觀測系統反演得到的海水通量值相比較，驗證系統所得數據的真實性。同時還需應用CTD測量海水溫度、鹽度，以確定海水電導率，測量背景磁場強度和岸基、沉積物電導率用以反演計算。

5 總結和展望

我國基于海底纜線的海洋觀測系統建設雖然起步較晚，但是具有理論和硬件多方面的后發優勢。只要海洋管理和科研部門注意溝通協作和前期籌劃，可以保證我國此類系統建設速度和質量。

我國近海范圍廣闊，不同海區內該類海洋觀測系統的科學意義、觀測目標和社會經濟效應各有不同。該觀測系統的建立在渤海海區應充分利用渤海海峽優良的客觀條件，在黃東海海區應注意兩岸海洋合作，而在南海海區不但可以填補對此區域重點海洋現象長期觀測的空白，還可借助科學研究這一平臺，充實我國在此海區的國際影響力。

目前該系統建設的最大困難已不是理論、資金和客觀條件等，而是纜線所有方對海洋科學研究熱情不高，對纜線搭載觀測儀器是否會導致其生產、設備安全顧慮重重。解決此類問題的方法，不能僅僅依靠某一海洋科研院所或某一熱心于海洋觀測的纜線所有企業，而是應該由海洋管理機構統一協調，經由沿岸各省、市、自治區科技協會，搭建海洋科研機構與纜線所有企事業單位有效的溝通橋梁。這也是國際各大組織(國際電聯/氣象組織/教科文組織海委會)正在大力推行的行動路線圖的一部分。

只有通過海洋管理部門、科研機構和各大企業共同協作，才能將此海洋觀測計劃早日上升至國家政府層面，最終訂立行業標準，使得海洋生產、海洋建設可以與海洋科研有機結合。

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1005-9857(2015)11-0033-04