北極海纜路由工程地質勘察問題探析

顧洋 李萍 劉杰 劉焱光 馮秀麗

摘要：跨北極海纜以其鋪設成本低、海纜傳輸距離短、信息傳輸速率高等優點成為多個國家優先選擇的海纜線路。文章簡要介紹了環北極國家和我國的北極海纜建設現狀。

探討了海冰對工程地質勘察區域的限制、海冰對工程地質調查取樣的影響、海霧對工程地質勘察進度的影響和北極地緣政治對工程地質勘察的制約。

提出增強調查船舶破冰性能、加速勘察技術革新、提升海冰氣象預報能力和深化國際合作等建議，以提升我國北極區域海上綜合勘察能力。

關鍵詞：北極;海纜路由;工程地質勘察;地緣政治;極地調查船

中圖分類號：P7 文獻標志碼：A 文章編號：1005-9857（2020）01-0010-05

Abstract：The trans-Arctic submarine cable had become the preferred submarine cable line in many countries due to its low laying cost，short submarine cable transmission distance， and high information transmission rate.The paper summarized the progress of Arctic submarine cable construction in Arctic countries and China.The effects of sea ice，sea fog and geopolitics on the engineering geological survey area，survey sampling and survey progress of Arctic submarine cable routing were discussed.Suggestions were put forward to enhance the ice-breaking performance of survey vessels，accelerate the innovation of survey technology，enhance the ability of sea ice weather forecast and deepen international cooperation，so as to enhance the comprehensive marine survey capability of the Arctic region in China.

Key word：Arctic，Submarine cable routing，Engineering geological survey，Geopolitics，Polar expedition ship

0 引言

目前，全球互聯網的主要框架是由連接美國與歐亞的海纜構成，它們遍布在大西洋和太平洋中[1]。在過去的數十年中，受全球氣候變暖的影響，北極冰蓋和海冰逐漸消融，加之海纜設計與鋪設技術的快速發展，使得鋪設北極海纜成為世界關注的熱點。作為“近北極國家”和“北極利益攸關方”，我國制訂了北極長期計劃，將建設北極海纜作為實現 “規劃建設洲際海底光纜項目”“促進聯合規劃建設海底光纜項目，提高國際通信互聯互通水平”“推動共建經北冰洋連接歐亞大陸的藍色經濟通道”等目標的具體行動[2-3]。建設北極海纜已成為我國北極發展戰略的重中之重。

由于北極地理位置特殊，在北極海域開展科學考察，面臨諸多自然環境和地緣政治的限制，開展海纜路由工程地質勘察也不例外。本研究通過分析北極對海纜路由工程地質勘察的影響，針對具體的影響因素提出建設性意見，對降低我國北極海纜路由工程地質勘察中遇到問題的可能性，提升我國的海上綜合勘察能力具有重要意義。

1 北極海纜建設進展

1.1 環北極國家海纜計劃與實施

目前連接歐亞大陸的海纜通信系統集中在通過蘇伊士運河、馬六甲海峽等南方路線以及通過太平洋、美國和大西洋路線，不僅傳輸距離遠、海纜鋪設維護成本高，還易受政治不穩定的中東地區影響。跨北極海纜以其鋪設成本低、連接歐亞大陸的海纜傳輸距離短（縮短約40%）、信息傳輸速率高等優點成為多個國家優先選擇的海纜線路。2010年以來，以美國、俄羅斯、芬蘭、加拿大等為主的環北極國家先后計劃在北極地區建設海底光纜，由于受資金、技術以及地緣政治等多方面因素限制，大部分計劃被擱置，只有阿拉斯加地區的海底光纜計劃順利實施并開始運作[4-5]。

迄今為止，在北極鋪設海底光纜主要有兩條線路：一條是從俄羅斯北冰洋沿岸城市摩爾曼斯克出發，向西連接倫敦，向東沿東北航道以及北冰洋大陸架，穿過白令海峽連接中國和東京的 “俄羅斯北極海底光纜系統”（ROTACS）。ROTACS是第一個計劃沿北極圈鋪設的海纜通信系統，也是連接歐亞大陸距離最短的海纜信息通道。該項目于2011年10月獲得俄羅斯政府信息和通信技術委員會的批準，并在2013年1月獲得了電信部的財政支持，但最終由于技術和資金的限制被迫停滯。另外一條是加拿大多倫多北極光纖電信公司計劃開發的“北極光纜計劃”（Arctic Fibre）。Arctic Fibre通過西北航道連接東京、美國和歐洲，并兼顧連接加拿大和美國的北極區域。該計劃在2016年被總部位于阿拉斯加的Quintillion公司收購，于2017年年底完成了第一階段從阿拉斯加的諾姆市到普拉德霍灣海纜的鋪設，并開始為阿拉斯加州提供帶寬互聯網服務。目前，Quintillion公司正致力于第二和第三階段的路由勘查與海纜鋪設工作。

1.2 我國參與北極海纜建設現狀

自2017年年初以來，我國與俄羅斯、丹麥、芬蘭、美國、挪威和加拿大就國際重大問題以及雙邊關系展開討論，北極的發展合作也是其重要組成部分。中國和芬蘭聯合發布的《中華人民共和國和芬蘭共和國關于建立和推進面向未來的新型合作伙伴關系的聯合聲明》為之后共同開展北極海纜計劃奠定堅實的合作基礎。2017年6月，中國將北極納入“一帶一路”貿易和基礎設施倡議中，并為北極開發與管理制訂廣泛的計劃，加速了與北極國家達成共建通信基礎設施藍色通道的共識。2017年7月，梅德韋杰夫總理表示愿意在北極航道上開展中俄合作。同年12月，俄羅斯總統普京在年度新聞發布會上正式邀請中國參加建設北極交通走廊，打造“冰上絲綢之路”[6]。至此，中俄為全面開展包括通信基礎設施建設在內的北極開發合作達成了深刻戰略共識、奠定了堅實的合作基礎。

目前，在俄羅斯的積極支持下，中國和芬蘭正開展合作，計劃建設一條北極圈海底光纜系統（Arctic Connect）。該項目由中國工信部、中國電信集團以及芬蘭方面主導，日本、挪威也將參與合作。Arctic Connect全長約1.8萬km，途徑北極東北航道，在芬蘭、挪威、俄羅斯和日本均有登陸。這一項目本質上是陷入停滯的俄羅斯北極海底光纜系統（ROTACS）項目的重啟，中國的“一帶一路”倡議和中俄共同打造“冰上絲綢之路”的戰略共識推動了該項目的復興。一旦完成鋪設并投入使用，將打造成連接歐洲和亞洲的最快速、最穩定的數據傳輸系統，實現歐洲和亞洲信息交流與發展的“雙贏”。

2 北極海纜路由工程地質勘察的問題研究

2.1 海冰對工程地質勘察區域的限制

北冰洋多數海域全年被海冰覆蓋是與其他大洋相比最突出的特征之一。聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在第四次評估報告指出，近百年來北極地區平均地面溫度上升幅度是全球平均溫度上升幅度的兩倍[7]，實際觀測數據[8-9]也表明北極地區在進入21世紀后快速升溫，夏季海冰覆蓋面積逐年縮小，無冰區海域范圍不斷擴大。但在北極海域進行海纜路由工程地質勘察時，海冰對勘察區域依然會有很大限制。主要包括兩個方面：一是北冰洋各海域在全年不同時段被禁止航行。雖然東北航道和西北航道在每年的7-9月有部分航道允許通行，但受氣候、海冰等因素影響，與其他大洋航道相比每年允許通行時間和航道使用率都存在較大差距;二是在北冰洋海域進行海洋調查活動時，較厚的海冰會壓縮可調查的區域。即便是夏季，受洋流、氣壓和海風的共同影響，浮冰和冰山的漂流也會對海上作業造成嚴重阻礙。

2.2 海冰對工程地質調查取樣的影響

在冰區開展定點調查取樣作業時，由于調查船和海冰的漂流速度不同步，易出現絞車鋼纜鉤掛海冰并隨之漂移的現象，俗稱“掛冰”。掛冰后難以掙脫，當鋼纜與A架定滑輪形成過大夾角時，極易導致鋼纜從滑輪脫槽，甚至絞車鋼纜和水下設備丟失。目前的通用做法是在冰區作業時，開辟足夠大的作業水域，保持在迎風面作業，并將絞車鋼纜盡量靠近船舷，同時加強艉部甲板冰情瞭望，注意觀察浮冰分布和運移狀態，盡量避免絞車鋼纜和設備拖纜掛碰浮冰。在實際操作中，受風速、海霧、海流等因素影響，該方法依舊無法避免 “掛冰”現象的發生。并且，在浮冰區進行如淺地層剖面、地震勘探等拖曳式調查時，設備遇到浮冰會出現拉拽、彈跳、甚至斷裂現象，導致測量結果無法使用，在全覆蓋的冰區更是不能利用常規方法進行拖曳式的調查和取樣工作。

2.3 海霧對工程地質勘察進度的影響

北冰洋的海霧是海冰-大氣-海洋三者相互作用產生的天氣現象[10]。與其他大洋相比，北冰洋的海霧主要發生在夏季，并以平流霧、輻射霧和蒸汽霧為主。根據我國第三次和第四次北極考察記錄顯示，在海霧環境下開展科學考察的概率均超過50%[11]。特別是在夏季的7—8月，東西伯利亞海和楚科奇海的月平均霧日在15～20 d;白令海可達60%～70%，且海霧的生消與日變化關系不顯著;俄羅斯北部海岸的年平均霧日可達80 d以上，北極群島附近可達158 d[12]。與其他大洋相比，北冰洋海霧具有季節集中、種類突出、影響范圍大、持續時間長等特點，加之北極海域洋流和航道的復雜性，對北極航行和勘察進度造成了巨大的挑戰，往往導致任務延期完成，增加勘察成本和時間。特別是在搭建冰上作業平臺時，需要時刻觀察周圍是否有北極熊活動，海霧將嚴重影響觀察員的可視范圍，造成安全隱患。同時，在下放和回收海洋設備時，海霧也會影響工程地質勘察進度，降低工作效率。

2.4 北極地緣政治對工程地質勘察的制約

北極地區的陸地、島嶼及近岸海域隸屬于加拿大、美國、俄羅斯、瑞典、丹麥、挪威、冰島和芬蘭等8個環北極的國家[13]。豐富的自然資源、日益提高的戰略地位以及諸多利益的驅動，使得北極地區的地緣政治環境更加復雜，利益博弈更加激烈。首先，國際多種政治體爭相參與北極事務，參與北極事務的國家由環北極國家向整個北半球國家擴散，北極地緣政治的發展趨于全球化。其次，無論是環北極國家還是北極理事會觀察國又或是其他組織機構，紛紛制訂多層次、多領域的北極計劃，以獲得國際社會的合作和北極利益。

由于北極事務涉及多個國家的共同利益，并且目前還沒有針對各國在北極行為具有強制約束力的國際條約，因此在北極事務的諸多方面矛盾依然突出。根據《聯合國海洋法公約》，在他國海洋專屬經濟區內有鋪設海底光纜和管道的自由。但在環北冰洋國家領海和專屬經濟區內進行海纜路由工程地質勘察時，必須事先申請，在取得相關國家的許可后才能實施?；诤Ｑ蠊こ炭辈斓奶攸c、國際海底光纜的多國俱樂部合作形勢，以及美國并沒有加入公約等要素，為應對北極復雜的地緣政治條件，在北極國家專屬經濟區內進行北極海底光纜的路由勘察和鋪設應以雙邊或多邊合作的形式開展。

3 我國開展北極海纜路由工程地質勘察的建議

3.1 增強調查船舶破冰性能，提高自動化管理水平

國內外破冰船主要采用兩種破冰方式：一種是配備大馬力裝置推進船頭切割冰層;一種是利用船頭船尾壓水艙的注水排水，船頭沖上冰面再憑借自身重量壓碎冰層。這兩種傳統的破冰方式受破冰船尺寸的限制，開辟的航道寬度較小，且難以應對北極多年厚冰層和巨大冰山。我國最新自主建造的雪龍2號極地考察船搭載了雙向破冰技術，在一定程度上增強了科考船的極地破冰性能，但仍需進一步推進船型設計、破冰方法、勘察設備以及動力系統等方面的技術升級。近幾年，其他國家的實踐也為我國開發新的破冰技術提供了思路和經驗，如芬蘭阿克北極技術公司開發的“側向”破冰技術，俄羅斯開發的激光破冰技術[14]等。此外，北極地區不受《南極條約》的約束，允許核動力船舶在北極或者北極周邊海域活動，可以建造核動力破冰船，保障北極科考任務的圓滿完成，并為我國在今后的北極開發合作中贏得更多主動權。另外，為應對北極復雜的自然條件及諸多不確定因素，實現高度的自動化管理有助于提高海上作業的可靠性和操控性，顯著降低特殊海況和極端天氣對人為操作的影響，同時促進相關產業的設備升級和技術進步。

3.2 加速勘察技術革新，提高勘察作業效率

為應對浮冰對科考作業過程的影響，新修造的雪龍2號極地考察船已經為定點作業的水文調查專門設立了月池，來防止海冰對水文調查的影響，但對拖曳式的調查取樣、艉甲板的地質定點調查取樣來說，仍沒有好的辦法可以避免海冰對取樣過程的影響。因此，在進行北極海纜路由工程地質勘察時，特別是非開敞水域的冰區，亟須開發相關技術方法，減輕海冰對路由勘察作業的影響，降低勘察設備丟失、損壞風險，提高在極端環境下的勘察作業效率。此外，加強對北極海纜路由工程地質勘察影響因素的研究，分析超低氣溫、破冰產生的噪聲等因素對勘察的影響，通過優化設計，開發應用新技術等方式，實現勘察技術體系全面升級，保證勘察結果的可靠性。

3.3 加強水文氣象觀測，提升海冰氣象預報能力

提高海冰和氣象信息的觀測預報能力，為我國的北極海域科考和航運活動提供了強有力的保障，也顯著減少海冰快速變化給現場作業造成的危害。目前，環北極國家憑借地理優勢具有豐富的觀測手段、龐大的觀測數據和較完善的觀測預報產品，在北極的海冰和氣象觀測預報方面確立了全球領先的地位。且北極8國之間合作眾多，觀測數據和產品絕大多數僅實現合作國之間共享，因此計劃外的國家和機構都難以獲取和使用[15]。我國通過與環北極國家合作共建海冰氣象觀測站、組織多國極地聯合考察、成立北極海冰氣象觀測預報辦公室等形式，可直接或間接地獲取共享北極海冰氣象的觀測數據、歷史分析資料和預報產品等，以達到完善我國的北極海冰氣象觀測數據庫，為海冰氣象精準預報提供豐富的觀測資料的目標。目前國際上海冰預報時效一般在24～144 h，預報的準確度取決于海冰監測數據的數量和氣象預報的質量[16]。我國還要加強極地氣象精準預報研究，利用不斷豐富的海冰氣象觀測資料，通過細化影響海冰氣象變化趨勢的敏感度因素，改進現有的演算變化趨勢的數值模型等，在實現海冰氣象變化信息精準預報的前提下，進一步延長精準預報的時效，保障考察船的航行安全和考察進度。

3.4 深化國際合作，提高我國海纜路由勘察實力

與8個環北極國家相比，我國的地理位置決定了在開展北極海纜路由工程地質勘察過程中，會受到諸多條件的制約。加之北極地緣政治愈發復雜，使北極利益的攸關方之間處在矛盾與共識突出、合作與競爭并存的態勢中。為實現北極海纜建設、打造歐亞藍色經濟通道，我國需要深化與環北極國家之間的合作，特別是深化與俄羅斯之間的戰略合作伙伴關系，充分利用“一帶一路”倡議為深化合作提供有力保障，推動打造“冰上絲綢之路”戰略為北極海纜的路由勘察和鋪設提供更多服務和便利。

縱觀我國海纜產業的發展，由于缺乏大型國際海纜項目經驗，海纜項目參與度較低，積累經驗慢，難以支撐產業發展和技術突破。通過深化合作，組織開展聯合海纜路由勘察、參與北極海纜建設與維護，全面參與北極海纜建設的方方面面，有利于我國實現海纜產業跨越式發展，提升我國在國際海纜建設合作的話語權。也只有通過深化合作，借鑒國外的核心技術，實現海纜技術彎道超車，才能在北極復雜多變的政治環境中掌握海纜建設主動權，保障我國的核心利益。

4 結語

在全球海洋開發愈發聚焦在北極的大背景下，鋪設連接歐亞大陸的北極海纜憑借傳輸距離短、延遲低、安全穩定等優點成為多數環北極國家的重點計劃。我國國際海纜建設起步較晚，應加速應對北極復雜自然環境的研究，創新打造具有一流破冰性能、高級自動化管理水平、健全可靠的海冰、氣象觀測預報體系的海纜路由勘察船;加大影響勘察進度及可靠性的因素研究，加強與北極國家的技術合作，盡快實現我國勘察技術升級和體系優化;完善勘察規范，提升海上作業人員專業水平，確保勘察結果的可靠性。多措并舉，推動我國在北極海纜建設事業的蓬勃發展，為國際信息數據傳輸開辟新的篇章。

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