西沙永樂龍洞探秘前期調查工作綜述

劉焱雄,杜 軍,吳志露,田梓文,豐愛平

(國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061)

綜 述

西沙永樂龍洞探秘前期調查工作綜述

劉焱雄,杜 軍,吳志露,田梓文,豐愛平

(國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061)

西沙永樂龍洞是目前已知的最深藍洞,具有極高的科學研究與社會價值。目前永樂龍洞調查研究僅處于初級階段,科學揭秘亟待展開,基于此,國家海洋局第一海洋研究所擬大規模開展西沙永樂龍洞探秘工作。龍洞處于永樂環礁之上,水淺礁多,周邊暗礁林立,水下情況復雜多變,缺乏直接大規模探測條件,前期的進出航路探測和作業條件調查必不可少。本次調查綜合利用大地控制測量、單波束測深、多波束測深與潮位控制等相關技術,對龍洞周圍以及永樂環礁大船進出航路進行了綜合勘測,建立了龍洞周邊的大地基準,獲取了目標海域的水深資料,為后期大型作業船進入永樂環礁提供了合理航道,并為其選擇了最優錨地,也為工作駁船進入龍洞選定了安全航路。

永樂龍洞;水深測量;航道;錨地

藍洞是海洋中黝藍、深邃、神秘的海洋地質遺跡,蘊藏著許多未解之謎,屬于最重要的世界海洋自然遺產和世界地質奇跡之一,也是地球演化和人類進化的參與者和見證者。近30 a,藍洞已被廣泛應用于喀斯特過程、全球氣候變化、海洋生態學和碳酸鹽巖地球化學等方面的研究,極具科學研究價值[1-5]。西沙群島永樂環礁的藍洞很早已被發現,直至2015年我國才對該洞進行了探測。三沙航跡珊瑚礁保護研究所初步探明該藍洞圓形敞口寬約130 m,深達300.89 m,是目前發現的全球最深的海洋藍洞,也是目前我國唯一已知的海洋藍洞[6]。2016-07-24三沙市政府正式命名該海洋藍洞為“三沙永樂龍洞”(Sansha Yongle Blue Hole)。

永樂龍洞是南海島礁形成與演化的參與者,雖然三沙航跡珊瑚礁保護研究所研究人員對其進行了大量的調查勘察,但未對其深入探測與研究。基于此,國家海洋局第一海洋研究所擬對已發現的西沙永樂龍洞開展專項調查,探索龍洞成因機制,探討我國南海海平面變化與氣候變化的關系,揭示西沙藍洞獨特生物群落結構和生態系統維持機制,以服務于海洋科學研究、經濟建設和文化傳播等。為此,國家海洋局第一海洋研究所計劃利用駁船搭載工作級水下機器人(Remote Operated Vehicle,ROV),深入藍洞進行精密探測并獲取各種成因證據。

利用工作級ROV進行探測,其需要搭載工作母船進行現場作業,工作母船一般吃水超過6 m。為了保護龍洞周邊珊瑚礁生態系統,擬采用工作母船搭載駁船方式進行就位作業,亦即需要精確獲得工作母船和駁船的航道。然而,永樂環礁由眾多島嶼、小礁盤和小環礁斷續相接,中間為礁湖[7],但礁湖中暗礁林立,尤其是龍洞周邊,平潮時平均水深不到1 m,工作母船如何安全進入藍洞附近、工作母船錨地的選擇以及駁船到藍洞中心航道設計對于項目順利執行至關重要,因此前期的作業條件調查必不可少。本文主要綜述了前期調查工作情況和主要結論,通過對藍洞四周及航行水道進行的水深地形測量工作,得到航行通道的水深和寬度,給出了工作母船的船行路線和錨地,劃定了工作駁船進入藍洞的安全路線,保障大規模探秘工作的順利實施。

(陳 靖 編輯)

1 西沙永樂龍洞概況

永樂環礁位于西沙群島西南部,由琛航島、晉卿島、銀嶼、全富島、珊瑚島和甘泉島、羚羊礁等島洲灘礁組成[8],龍洞位于永樂環礁東端的晉卿島與石嶼相連的礁盤中,地理坐標為(111°46'06″E,16°31'30″N),距晉卿島7 km、石嶼3 km、永興島70 km,距離海南省三亞市約328 km(圖1)。

圖1 西沙永樂龍洞位置概況Fig.1 Location for the Blue Hole in Xisha islands

永樂礁盤是個大型環礁,其周邊有許多島嶼、小礁盤和小環礁斷續相接,中間為大礁湖,湖內大部分水深為40～50 m[7],大部分地區適合航行。但環礁東部龍洞西側水淺且有礁墩發育,水深變化劇烈,從2～20 m陡然變化且毫無規律,缺乏能讓大型船舶進入的明確航道。龍洞位于石嶼-晉卿島礁盤中,國家海洋局第一海洋研究所2016-08中旬初步探測得知,該地平潮期水深只有0.5～0.8 m,高潮持續約2 h,大潮潮差約1 m,水深和潮汐情況不利于船只航行,因此精確掌握龍洞周邊水深資料對于項目順利開展至關重要。西沙群島潮汐屬不正規日潮型,少數為不規則半日潮類型[9],西沙群島平均潮差0.5 m,最大潮差為1～2 m[10-11],探明龍洞周邊潮汐特性也是本次調查重要任務。

2 調查技術與過程

2.1 調查方案討論

龍洞探秘只能從西向進入,因為龍洞東邊500 m處為永樂環礁的邊緣,水淺、浪高、流急,母船和工作駁船無法進入,環礁外部水深陡然變深到800 m,也無法作為母船錨地。進入通道可考慮石嶼門、銀嶼門、晉卿門:1)石嶼門的距離最近,但是,石嶼門航道狹窄、流急浪高,水深很快由20多m變淺到3～5 m,其與龍洞之間多為暗礁區域,工作母船無法抵進龍洞。調查期間發現,該處并無大船停泊,當地漁民也證實,該地不可作為錨地。2)銀嶼門位于全富島和銀嶼之間,在龍洞的西北方向,為狹長水道,水深達20 m,是西沙旅游游輪的錨地之一;調查期間也發現多船在此地停靠避風。但是,銀嶼門水道南端與石嶼門的交叉處,水深只有5 m,往龍洞方向為連綿的暗礁。工作母船無法抵進龍洞,只能停靠在龍洞西北6 km處,距離龍洞較遠,轉運駁船來回母船較遠,非理想錨地和航行線路。3)晉卿門在龍洞的東南方向,為淺湖外通重要航道,水深30～40 m,海底地形平緩,且距離龍洞近,也適合大船停錨。

從海圖上看,晉卿島和全富島之間有20 m等深線,適合大船航行,實地探測也證實了航路可行。該航道在龍洞正西方,最近處不足5 km,所以,本次調查選擇了從龍洞正西向進入的方案,勘察工作也由此展開。另外,我們從海南方向航行至永樂環礁時,從老粗門(珊瑚島和甘泉島之間水道)進入,所以本次調查也包含老粗門至晉卿島之間的航行水道。因此本次作業調查主要任務為老粗門至龍洞附近錨點以及錨點至龍洞的水深測量與航道設計,調查范圍如圖2所示。調查使用工作母船為500 t,還配有多艘小船,調查內容包括控制測量、潮位測量以及水下地形地貌測量三部分內容。

圖2 調查范圍示意圖Fig.2 Sketch Map of survey area

2.2 控制測量

控制測量主要任務是為潮位測量以及水深測量提供參考基準點,也為后續的調查提供大地基準。具體設計方案:1)在銀嶼與晉卿島布設大地控制點并架設GNSS(Global Navigation Satellite System)觀測設備,與海南島內GNSS連續觀測站點進行不低于48 h聯測。銀嶼與晉卿島的布設站點選擇視野開闊、無遮擋且遠離電磁場地區,接收機接收GPS和GLONASS雙頻數據,衛星截止高度角設為10°,并配備扼流圈天線。2)數據處理使用專業高精度GNSS數據處理軟件進行靜態長基線解算,得到控制點CGCS2000坐標,并利用高斯-克呂格3度帶投影,獲得研究區域內的平面控制坐標。3)進一步利用“927”一期工程的高精度大地水準面精化成果,計算控制點的1985國家高程,獲得研究區域的高程控制基準點。

銀嶼與晉卿島都為有人島嶼,可作為長期參考點保留,但考慮到龍洞作業區域離銀嶼、晉卿島距離都超過7 km,當地的電磁場情況復雜,在這2處架設GPS RTK基站無法覆蓋龍洞周邊的作業區域,因此在距離不足3 km的石嶼布設了臨時控制點。石嶼控制點CGCS2000坐標通過與銀嶼及晉卿島的聯測獲得。在石嶼的控制點上架設基站,通過外置無線電臺發送差分信號,可覆蓋整個作業區域。

實際外業觀測過程中,在銀嶼與晉卿島上使用了TRIMBLE NETR9 GNSS接收機,配置了扼流圈天線,有效觀測時長72 h;在石嶼架設Topcon HiPer IIG接收機,并與銀嶼、晉卿島進行聯測,觀測時長70 min。數據處理時,采用了TRIMBLE公司的商業軟件TBC(Trimble Business Center),與海南島的東方、海口和清瀾GNSS長期觀測站組網進行基線解,這些站點為已知站點,其CGCS2000坐標由國家海洋局第一海洋研究所的GNSS數據中心提供。由于GNSS網基線長短邊差異太大,銀嶼、晉卿與海南本島三處站點單獨組網解算。解算采用IGR快速星歷,衛星高度截止角設為15°,處理歷元間隔為10 s。固定清瀾與東方站坐標,分別解算得到銀嶼和晉卿坐標,最后解算銀嶼—晉卿—石嶼GNSS網,獲得3個控制點精確坐標。利用高斯-克呂格3度投影至平面,對控制點進行高程異常歸算,得到站點的1985國家高程。

圖3 驗潮站位置示意圖Fig.3 Sketch Map of tide gauge stations

2.3 潮位測量

精確的潮位資料可為當地理論深度基準面的計算提供起算數據,也可在RTK定位信號較差時對潮位數據做必要補充。故本次在進行水深地形測量之前,根據測區實際情況布設潮位數據采集站,所采集的潮位數據可以準確反應整個測區潮位變化。經過現場勘察后,分別在晉卿島、石嶼、銀嶼和龍洞四處投放了水位計進行聯合觀測,驗潮站點分布如圖3所示。

潮汐測量設備為加拿大RBR潮位儀。安置驗潮儀時,需用重物捆綁RBR,保證RBR可以沉至海底且在測量期間儀器固定不動,放置地點需保證最低潮時驗潮儀仍然在海面以下,同時還需要綁好浮于水面的標志物,便于日后儀器的回收。驗潮儀的坐標通過GNSS-RTK或者靜態觀測的方式獲得。同時,GNSS-RTK無驗潮模式測深的同時可直接獲得水面在相應高程基準下的潮位變化,此外還在銀嶼碼頭進行人工驗潮,多個站點、多種驗潮方式結合,觀測結果相互驗證對比,確保潮位數據的準確。

RBR觀測時間不完全相同,其中銀嶼、石嶼、晉卿島觀測時間約為8 d,龍洞驗潮點僅為2 d,具體驗潮結果如圖4所示,水面高程基準為1985國家高程。潮汐性質的劃分主要以F=(HK1+HO1)/HM2值來判斷,其中HK1,HO1,HM2分別為分潮K1,O1,M2的振幅,0＜F≤0.5為半日潮性質,0.5＜F≤4為混合潮,F＞4為日潮[13]。本次潮位觀測時間不夠長,無法進行調和分析計算,但觀察多天的潮位變化圖,發現龍洞周邊具有不規則半日潮特性。

在讀取銀嶼水位計數據之后,重新放入海中,計劃在所有項目完成后再取出,屆時觀測時長將超過3個月,由此進行更為科學的區域海潮特性分析,進一步完善當地潮汐特性的研究。

圖4 龍洞周邊潮位觀測結果Fig.4 Observations of tidal levels around the Blue Hole

2.4 水深地形測量

2.4.1 多波束測量

水深地形分為單波束測量與多波束測量。深水區域采用多波束測量方式,共獲得10 km2航路及母船錨地區域水深數據,主要區域包括龍洞西側錨地—晉卿門—老粗門(圖2)之間的深水航道,調查區域水深17～40 m,寬度100～600 m。本次多波束測深設備為Reson SeaBat 7125測深儀,導航設備為NavCom SF-3050星站差分接收機,船行姿態記錄設備為POS MV 320,數據采集軟件為PDS2000。

在多波束測量系統安裝完成后,進行了海上橫搖(Roll)校準、縱搖(Pitch)校準及仰角(Yaw)校準,在作業區附近選擇符合對應條件的地形區域,布設校準測線,最終獲取偏差值-0.97°,-1.81°,-2.31°。由于海水是不均勻介質,因此聲波在水中傳播會導致傳播聲線的彎曲,因此測量前對調查區域進行了聲速剖面測量,以提高水深測量精度。在多波束測量過程中,通過PDS2000軟件實時監控多波束數據質量,進而判斷是否需要更新聲速文件。

同時利用PDS2000進行多波束數據后期處理,原始測量數據經過預處理、潮位改正、基準轉換等后處理工作,最后生成水深地形圖。

2.4.2 單波束測量

單波束測量主要在龍洞周邊0.5 km2及母船拋錨點至龍洞航道水深較淺、地形復雜區域開展,共3艘小船同時工作,其中2艘吃水小于50 cm,主要在龍洞周圍作業,另一艘小船吃水80 cm左右,在計劃錨點至龍洞外側工作,部分淺水區需趁高潮時開展。龍洞北側水淺,不是本次測量重點,測線適當放寬至20 m;龍洞南側水較深,為駁船候選進入區域,因此主測線間距加密為5 m;同時,兩片區域在垂直測線方向都布設了檢查線,檢驗測深精度,測線布設如圖5所示。

圖5 小船測線布設方案Fig.5 Layout scheme of boat surveying lines

單波束測深采用中海達公司的HD-MAX和HD-370測深儀,測深導航模式為RTK,基站架設在石嶼上,導航與測深軟件都為中海達內置軟件,實現測深與導航軟件一體化。每次正式開始測深前,進行了聲速改正,與比對盤進行深度比對,檢校測深儀是否工作正常。

單波束數據處理軟件為中海達公司的水深處理軟件HI-MAX,主要通過手動或自動平滑以消除涌浪和噪聲因素影響。本次水深測量采用GNSS-RTK無驗潮方式進行,故不需考慮動態吃水改正和潮位改正。對單波束數據測深數據進行涌浪和噪聲處理以及水面高程改正之后,得到龍洞周圍地形圖(1985國家高程基準)。

3 調查結果及分析

通過控制測量、水位測量、水深測量(單波束與多波束測量)等技術手段,獲得了龍洞附近的平面與高程基準和潮汐特性,也獲得了西沙永樂島礁(主要為龍洞附近)精確的水深數據資料。

3.1 控制測量結果分析

使用TBC進行數據處理時,采用了不同方案以驗證結果的精度和可靠性。首先,采用單基線的方式,分別計算晉卿島至清瀾、海口、東方站的基線向量,根據這3個站推算晉卿島的三維坐標,發現不同站點和時段推算的晉卿島坐標互差不超過2 cm。然后,利用清瀾站為控制點,推算銀嶼的三維位置,獲得銀嶼—晉卿島之間的位置差,再與直接計算出二者之間的基線向量進行比較,發現他們之間的差異也小于2 cm。最后,分別以晉卿島和銀嶼為控制點,計算石嶼的三維坐標,比較二者的差異,發現它們之間的互差也小于2 cm。經過這些外部(與海口站等站聯測比較)和內部(銀嶼與晉卿島基線向量)檢核,不同方式得到的控制點坐標相差不超過2 cm,由此推及控制點絕對位置精度優于2 cm,解算結果見表1。1985國家高程的轉換采用了“927”一期工程的成果,利用其大地水準面精化模型,計算晉卿島、銀嶼和石嶼三點的高程異常,再由3點的大地高減去高程異常,得到3點的1985國家高程。由于“927”一期工程的成果精度優于10 cm,由此可見3點的1985國家高程精度也優于10 cm。

表1 控制點結果Table 1 Control points results

3.2 潮位數據分析

基于4個驗潮點短期的驗潮數據對當地潮位特性進行初步研究,得到龍洞區域為不規則半日潮;各站點一天之內最大潮差為1.1 m,平均潮差為80 cm。站點之間平均海平面高程差小于3 cm。為了安全,不再詳細描述各驗潮站的平均海平面、最低潮位面和最高潮位面。

3.3 水深地形結果分析

水深地形測量結果如圖6～圖7所示,相關高程基準為1985國家高程,其中圖6為單波速測深結果,圖7為多波速航道測深圖。平面坐標為高斯-克呂格3度投影坐標,中央經線為111°。

由測深結果可知:從老粗門至龍洞西側5 km處水深從35～60 m變化,呈現中間深兩邊淺的趨勢,符合環礁的水深變化特性;龍洞西側5 km左右有大片礁盤發育,其中距離龍洞1～5 km范圍內水深為20～30 m,隨著距離龍洞越近水深越淺,淺點較多且分布雜亂,最淺處僅有5 m左右,水道最窄處不足50 m;龍洞周圍1 km范圍內水深從20 m驟減至0.5 m,北淺南深,水深主要變化范圍為0.5～0.9 m。永樂環礁內呈現東淺西深的趨勢,西邊的水深條件利于大型母船航行,東邊礁石林立,水道淺且窄,進一步印證了工作母船只能從西邊水門進入;龍洞位于一片大礁盤之上,周圍平均水深不足1 m,而西南方向水深更深,可作為駁船進入通道。

圖6 龍洞周邊單波束測量的水深地形圖(剔除洞內水深)Fig.6 Single beam bathymetric survey results of water depth and topography around Blue Hole (after excluding the depth of the tunnel)

圖7 航道水深地形多波束測量成果圖Fig.7 Multibeam bathymetric survey results for channel depth and its topography

3.4 錨地分析

考慮到作業平臺就位方式和ROV作業便捷性等因素,也參考水深測量結果,最終給出4個參考拋錨點,如圖8所示。其中距離龍洞西側2 km錨點為最佳錨點,西側4.5 km錨地為母船無法到達最佳錨地的備選錨地,其余2個錨地為本次測量曾經落錨地點,也可作為備選落錨點,4個錨地的優缺點如表2所示。

圖8 最佳錨地與備選錨地分布圖Fig.8 Layout of the best anchorage and standby anchorages

表2 4個錨地優缺點比較表Table 2 Comparison of merits and demerits of four anchorages

3.5 航路設計

本次測量工作母船噸位為500 t,吃水小于3 m,而后期進入永樂環礁的母船噸位8 000 t,吃水超過5 m,因此大船航行路線選擇需非常謹慎。設計航路如圖9所示:從老粗門進入后,沿著紅線首先逐次通過1～4點,這段航路相對較為安全;其后從4號點進入礁石群,依次通過4～6號點;而后將會到達一個淺水拐點,航道寬度不足50 m,兩側水深不足5 m,這里將是未來母船到達最佳錨地的最大困難與挑戰。建議在最高潮時駛入,航行時需警惕凸起的礁石,無法到達時,船停靠在錨地D上。

圖9 大船進入龍洞航路圖Fig.9 Chart of routes for ship entering

龍洞東北側距離永樂環礁外圍較近,涌浪較大;龍洞西北側具有大面積的魚排分布,均不適合作為航道。龍洞西南側位于永樂環礁內部,距離潟湖較近,風浪較小,潟湖水位深,且水面無障礙物,適合通行。龍洞周邊礁盤環聚,淺點較多,南側水位相對較深,且無淺點分布。由此擬訂駁船進入龍洞航路,如圖10所示。具體由龍洞西南側深水區,迂回至礁盤南部區,北拐后繞至龍洞東側進入龍洞。擬選定的航道寬度大部分在40 m以上,最窄處23 m。在擬選定航道內,礁石較少,未發現水深淺點。在預報潮高1.2 m及以上時,水深不小于80 cm,可滿足ROV駁船的通航要求,能夠安全進入龍洞區域。

圖10 ROV駁船進入龍洞航路圖Fig.10 Chart of routes for ROV barge entering the Blue Hole

4 結 論

藍洞蘊藏著極大的科學研究及社會價值,近30 a來國內外對于藍洞的探測與研究工作從未停止。西沙永樂龍洞是世界已探知的最深的藍洞,具有獨特的結構與地理位置,蘊藏著巨大的科學秘密,但對于永樂龍洞的探知目前僅處于起步階段,進一步揭秘西沙永樂龍洞的成因迫在眉睫。對西沙永樂龍洞的綜合調查也有利于進一步開發利用龍洞資源、保護龍洞環境、發展三沙經濟。

為確保西沙永樂龍洞大規模綜合調查的順利進行,前期勘察綜合開展了控制測量、水位測量以及水深測量(多波束與單波束)等工作,建立了龍洞周邊的大地基準,掌握了龍洞周邊的潮位變化規律,獲取了作業區域精確的水深數據資料,得到了工作母船最優的航行線路和最佳的錨地,并進一步擬訂了駁船進入龍洞的航行路線。這些基礎性的工作及結果將成為后期探測的關鍵支撐,其調查數據及成果也可服務于三沙市政建設和其他調查工作。

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Preliminary Investigation on the Yongle Blue Hole in Xisha Islands

LIU Yan-xiong,DU Jun,WU Zhi-lu,TIAN Zi-wen,FENG Ai-ping
(The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China)

Among all known blue holes in the world,the Yongle Blue Hole in Xisha Islands is the deepest one,which has high scientific research and social value.The investigation on the Yongle Blue hole is only in the initial stage,and its scientific secret need to be unfolded urgently.The First Institute of Oceanography(SOA,China)plans to carry out large-scale exploration for the Yongle Blue hole.However,many factors hinder us to carry out such exploration,for example,the hole is located on the Yongle Atoll,and there are many shallow reefs and submerged reefs around the hole,and the underwater situation is complex and unstable.In this preliminary survey,by using comprehensive,combined techniques such as geodetic control,single beam sounding,multibeam bathymetry,tidal level control and other relative techniques,we explored the Blue hole and the Yongle Atoll,found out the entrance and exit for the big ship, built the geodetic data,and obtained the water depth data for the targeted areas.Finally,we provide a reasonable channel for big ships entering the Yongle Atoll,and select the optimal anchorage for the safe route,which is very helpful for large-scale exploration work on the hole in the near future.

Yongle Blue Hole;bathymetry;channel;anchorage

May 16,2017

P711

A

1671-6647(2017)03-0305-12

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.03.001

2017-05-16

國家自然科學基金項目——中國沿海海洋潮汐特征的GPS響應研究(41374044)

劉焱雄(1968-),男,山東青島人,研究員,博士,主要從事海洋測繪方面研究.E-mail:yxliu@fio.org.cn