基于Envirtech海嘯預警浮標的改進研究

劉同木+林冠英+黃虓寰

摘 要：2010年我國從意大利Envirtech公司進口一套海嘯預警浮標，并在南海海域成功布放，這是我國首次開展海嘯預警浮標業務。浮標的布放和數據資料接收過程中，發現該海嘯浮標標體長度太長，對布放作業船只要求太高，布放操作相當困難，數據接收率也不高。針對該海嘯浮標的運行情況，本文研究了意大利海嘯浮標的工作原理、結構組成及布放方法，并提出了改進措施。對原海嘯浮標進行了升級改造，通過海上布放驗證發現，改造后的海嘯浮標布放操作明顯方便，數據接收率由80%提高到100%，該研究為我國自主開展海嘯浮標設計研發提供有力參考。

關鍵詞：海嘯 浮標 海嘯預警 海嘯監測

海嘯是由海底地震、海底火山爆發、海岸和海底山體滑坡、小行星和彗星濺落大洋及海底核爆炸等產生的具有超大波長和周期的大洋行波。海嘯波波長通常達到100千米或以上，而周期則從10分鐘至1小時。在深海大洋中，海嘯波以每小時800千米以上的速度傳播，但波高卻只有幾十厘米或更小。當海嘯波移近岸邊淺水區時，波速會減慢，波高陡增，可形成十數米或更高的水墻。可見，海嘯具有超強的破壞力，對沿海城市人們的生命財產安全造成極大威脅。目前海嘯預警監測的主要方法有：壓力式海嘯監測浮標、GPS海嘯監測浮標、衛星遙感、水下地震臺等。日本和美國都擁有由海底壓力記錄儀、浮標、衛星、地面接收站等組成的全天候海嘯動態監視和預警系統。在我國，東海、南海特別是臺灣島附近海域具備產生海嘯的條件。然而，我國尚未能自主研制海嘯預警浮標。2011年3月11日，日本本州島東部海域發生里氏9.0級強烈地震，隨后引發太平洋越洋海嘯。日本大海嘯再次喚起人們對海嘯預警浮標的迫切需求。2010年我國從意大利Envirtech公司進口一套海嘯預警浮標，并成功布放。業務化運行過程中，發現該浮標存在布放回收困難，接收率不高的問題。針對該海嘯浮標，做了深入研究并提出了具體改進措施。

1.海嘯浮標預報原理

雖然海嘯是由多種因素引起的，但最常見的因素是海底下面的地震活動。在正常的大多數情況下，海底并不像海面那樣波濤洶涌，而是非常的平靜。如果海底有地震、火山爆發等異常情況發生，那么海底將不再平靜，海底的水位會突然變化，就有可能引發海嘯。海嘯浮標預警系統正是通過對比相鄰兩次海底水位差來判斷是否會發生海嘯。當相鄰兩次海底水位差超過某一閥值時，系統認為海嘯已經發生。該意大利海嘯浮標預警系統將這一閥值設定為30mm，而美國SAIC海嘯浮標將此閥值設定為50mm。

該意大利海嘯浮標預警系統有三種工作模式：正常模式、修護模式和警報模式。修護模式是用于浮標布放前調試通訊系統和設置浮標各種參數。正常模式是沒有監測到海嘯時的工作狀態。海底水位傳感器每15秒鐘采集一個壓力數據，每15分鐘求取一個壓力平均值，每個小時或幾個小時將這些壓力平均值數據通過海事衛星傳送給陸地海嘯預警中心。當某時刻壓力值突然發生變化，超過30mm的閥值時，該系統立刻發出海嘯預警信號，立刻自動切換到警報模式。在海嘯發生后，預警系統每5分鐘將采集的瞬時壓力數據傳送陸地預警中心。30分鐘后，自動切換到每10分鐘傳送一次數據，直到3小時后海嘯預警解除。

2.海嘯浮標系統組成

該意大利海嘯預警系統主要由兩部分組成：一個錨式海底壓力采集單元即水下單元和一個同步停泊在水面的浮標。水下單元實時采集海底精確的水壓力數據，然后通過聲通訊傳感器把數據從水下平臺傳輸到水面浮標系統，再通過海事衛星C實時將數據傳送至陸地海嘯預警中心。該海嘯預警系統就是通過精確測量海底水壓力來監測是否有海嘯發生。海嘯浮標系統組成示意圖如圖1所示。

2. 1水面浮標

海嘯浮標水面浮標是通過聲通訊接收水下單元的監測數據，再通過海事衛星將數據發回接收岸站。水面浮標包括：標體及錨燈、免維護太陽能供電系統、采集系統、聲學換能器及衛星通信模塊。

意大利海嘯水面浮標的浮力系統為一個直徑為1450mm高2350mm的浮體，該浮體外殼為聚乙烯滾塑而成，內部填充高密度聚氨酯泡沫材料。除傳感器、電池、電子部件及電纜重量外，水面浮標自重約1670kg。浮標龍骨由浮體中間穿過，龍骨下端留有末端卸扣安裝孔，龍骨上端焊接儀器艙及安裝支架。浮標頂部裝有機械式雷達反射板和免維護式太陽能錨燈。水面浮標內裝有3塊12v，50w的太陽能板和4塊12v，110Ah的可充電電池。所有的金屬部件都經過噴砂、電鍍及噴涂處理，并安裝有鋅塊犧牲陽極。主要尺寸如圖2所示。

意大利海嘯水面浮標的控制軟件可以分為三個模塊：衛星通訊模塊、聲通訊模塊和診斷模塊。衛星通訊模塊負責將數據通過衛星傳送回接收岸站。聲通訊模塊處理與水下單元的數據通信。診斷模塊采集浮標系統的電壓、電流、工作溫度等數據。水面浮標控制軟件設計流程圖如圖3。

2.2水下單元

海嘯浮標水下單元為一套坐底潛標，包括浮球、系留、儀器支架、高精度壓力傳感器、聲學換能器、聲學釋放器、電池艙、電子控制部件及配重錨塊。水下單元儀器設備布局如圖4。

意大利海嘯浮標水下單元的支架為一個輕巧而堅固的金屬框架。該金屬框架的材料為AISI316L型號的海洋級不銹鋼。底板長寬均為90cm，配重錨塊以上高度為67.5cm。水下單元重158kg。配重錨塊高100.5cm，重220kg。

水下單元搭載的高精度水壓傳感器為Paroscientific8000型，其精確的石英晶體諧振器頻率的振蕩與壓力引起的應力成比例。壓力的計算是通過石英晶體溫度信號進行補償，這樣實現在一定寬廣的溫度范圍內達到水位傳感器高精度目的。水壓傳感器包括防水外罩與完整的防震動保護浮標裝置。

意大利海嘯浮標水下單元的控制軟件設計可以分為有三個模塊：水壓采樣模塊、通訊模塊及診斷模塊。水壓采樣模塊負責實時采集海底水壓數據，判斷是否有海嘯波產生。通訊模塊負責通過聲學換能器與水面浮標通訊，將采集水壓數據傳送到水面浮標。診斷模塊主要負責采集電路狀態、電池電壓等診斷數據。水下單元的軟件工作流程圖如圖5。

3.布放方法

海嘯浮標的布放方法采用傳統的“先放浮標后放錨”的作業流程。首先布放水面浮標，然后布放水下單元潛標。具體步驟如下（如圖6）：

（1）儀器設備在碼頭進行組裝、測試，在工作狀態正常的情況下，用起重機和絞盤將浮標轉到作業船只上，確認工作狀態正常；

（2）將系留繩纜在甲板上按照“8”字形狀排列整齊，并做好連接。

（3）船只到達布放站位，用DGPS定位儀測定浮標的布放點后測量水深。

（4）將船開到布放點的下風，離布放點約2/3錨系長度處，調整船向使船首向迎風方向，停船開始作業，吊放水面浮標到海里；

（5）依次布放系留，作業船只以小于2節速度緩慢前進，布放過程中系留始終保持一定張力；

（6）重新定位，船只徐徐拖動浮標到布放點；

（7）確定系留不打絞的情況下布放錨；

（8）利用聲學釋放器的測距功能，進行三點測距定位，并記錄水面浮標布放時間、位置和水深等相關參數；

（9）布放水下單元浮球及系留

（10）布放水下單元錨塊。

（11）布放完成。

4.改進措施

在意大利海嘯浮標業務化運行過程中，發現存在布放困難、數據接收率不高等不足之處。根據實際作業經驗，提出以下改進措施（如圖7）：

（1）縮短浮標體龍骨長度。在不影響海嘯浮標系統正常工作情況下，為了減小海嘯浮標布放、回收難度，根據作業船現有甲板設備（如A型架高度），可以把龍骨切掉3～4m。將切掉的配重，采取在龍骨中灌注鉛的方式補回。

（2）水面“X”特殊作業標識，增大了布放與回收作業難度，此標識宜在淺海或航道使用，對深海區使用意義不大，可以割掉不用。

（3）浮力系統高度太高，不利于登標作業。可以增大浮體直徑，降低高度，保持總浮力不變。

（4）海事衛星終端天線桿結構不牢固，底座強度小，需要重新設計加固。

（5）意大利海嘯浮標沒有設起吊點，需要加裝起吊固定座。

（6）針對海嘯浮標數據接收率低的問題，可以在龍骨底部增加一套聲學換能器，采取雙系統接收通訊，提高數據接受率。

（7）將水下單元聲學釋放器改為可靠性更高的IXSEA型。

5.海上驗證

根據上述改進措施，國家海洋局南海工程勘察中心對意大利海嘯浮標進行了升級改造（改造前后照片見圖7、圖8），并于2012年4月22日至4月29日，使用中國海監83船，在南海中部（北緯15°31′，東經115°49′，水深4240米）成功布放了改造后的海嘯浮標，改造前后海嘯浮標海上姿態如圖9、圖10所示。改造后的海嘯浮標，布放操作明顯方便，數據接收率從80%提高到100%。

參考文獻：

[1]葉琳，于福江，吳瑋.我國海嘯災害及預警現狀與建議[J].海洋預報，2005，22（增刊）：147-156.

[2]閆明，張國友，佟凱，俞慕耕.淺談海嘯[J].海洋預報，2005，22（2）：47-52.

[3]程世來，張小紅.基于PPP技術的GPS浮標海嘯模擬研究[J].武漢大學學報（信息科學版），2007，32（9）：764-766.

[4]劉佳佳.實時海嘯監測和預報技術[J].海洋技術，2007，26（1）：20-25.

[5]郭彩玲，王曉峰.中國東部海域發生海嘯的可能性分析[J].自然災害學報，2007，16（1）：7-11.

[6]陳顒，陳棋福，張尉.中國的海嘯災害[J].自然災害學報，2007，16（2）：1-6.