深遠海大噸位沉船打撈中的實時海流監測

王洪戰，吳昊,付東

（1.中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456）

深遠海大噸位沉船救助打撈，受深水海洋環境的影響，往往風大浪高、水流湍急，是世界沉船救助打撈領域的一個難題，鮮有成功實施的經典案例。某10 萬噸危化品貨輪受臺風襲擊，沉沒于離岸約300 公里的外海。因其貨物屬性對海洋環境有極大的污染風險，當地海事救撈部門組織對該船進行打撈工作。按照打撈方案，施工方將進行沉船周邊除泥、船艏系固重力錨安放、鋼梁牽引導向塊安放、托底鋼梁海底開溝等作業，每道工序或關鍵節點均需要潛水員進行潛水輔助或探摸確認。但因為受海底地形、周邊島嶼等的影響，海水在不同的深度其流動速度和流動方向是各不相同的。尤其受不規則半日潮潮汐規律的影響，漲、落潮轉換期間，不同海水深度的各層流速流向更是差異巨大。為了掌握沉船水域的海流運動變化規律，極大地利用平緩流期間的憩流時間進行水下施工作業，需要實時監測海流情況，統計分析海流變化規律，預報未來漲落潮趨勢，為潛水施工和其他水下作業提供準確的參考。

1 直讀式海流儀

直讀式海流儀是海洋施工中最常用的一種海流觀測方法。直讀式海流儀外觀呈紡錘形，內置一個磁通門羅經，尾部安裝有一個螺旋槳。海流沖擊海流儀時，磁通門羅經采集設備的磁北方位角作為當前海流的流向，然后根據其螺旋槳轉速計算當前海流的速度，從而完成海流的流速和流向觀測。為了保持海流儀測量時姿態的穩定性，防止風浪沖擊造成海流儀劇烈翻滾或大幅度搖擺，通常會為其配重約10—20kg 不等的鉛魚。所以在海上觀測時，一般需要使用絞車或滑輪將其懸吊于舷邊，依次沉放于某一設定的海水深度才能完成整條垂線的觀測。直讀式海流儀的懸吊式作業方式受天氣、風浪、船舶搖擺等外部環境影響較大，同一時刻只能監測某一固定深度的海流情況，所以要想監測整條垂線，就必須不斷地下放和回收設備，人力無法長期堅持，必須要設備機械輔助。

圖1 直讀式海流儀

2 ADCP

ADCP（Acoustic Doppler Current Profiler），中文全稱為“聲學多普勒海流剖面儀”，又稱為“海流垂線儀”[1]。ADCP 的探頭部分由4 個聲波脈沖換能器組成，各換能器都按照與探頭內置坐標系的固定夾角排列[2]。每個換能器既是發射源又是接收源，換能器按照某一頻率發出集中于一定狹窄范圍內的聲波脈沖后[3]，即開始聆聽被水體中懸浮顆粒物體反射回來的聲波。假設懸浮顆粒物的運動速度與海水流速相同[4]，則當顆粒物向換能器靠近移動時，換能器接收到的回聲頻率比發射頻率要高；當顆粒物遠離換能器移動時，換能器接收到的回聲頻率要比發射頻率低。這種因為懸浮顆粒物的運動而引起聲波頻率的改變稱為聲學多普勒頻移，即為發射聲波頻率與返回聲波頻率之差[5]。公式如下：

式中：Fd為聲學頻移；V 為懸浮顆粒物沿聲束方向的移動速度（即沿聲束方向的水流速度）；F 為聲波發射頻率；2為多普勒頻移雙倍乘積系數；C 為聲波在水中的傳播速度[6]。聲束坐標沿ADCP 換能器的軸線建立，每條軸線對應一個聲束坐標，每個換能器測量的流速方向與聲束坐標方向相同，則任意的三條軸線即可組成一個獨立的空間聲束坐標系[7]。ADCP 探頭內部按照換能器指向自定義有空間直角坐標系：X-Y-Z，Z 方向為豎直方向。ADCP 首先測量計算出各聲束坐標的流速分量，然后根據內置空間直角坐標系與聲束坐標系的七參數轉換關系[8]，采用赫爾默特變換法將聲束坐標系海流矢量轉換為內置空間直角坐標系下的三維矢量。然后，再根據電羅經測量的真北艏向數據和姿態儀測量的姿態數據，將內置空間直角坐標系下的海流矢量歸算至絕對地理坐標系[9]。

圖2 ADCP 探頭

與傳統直讀式海流儀相比，ADCP 的優點有：

作業方式可采用走航式動態測量。直讀式海流儀只能采用固定點位拋錨的靜態觀測模式，一般按照水深分為三層或五層測點，將設備沉放至各層測點測量，然后計算出整條垂線的平均流速和流向。

海水垂線觀測密集且分層多。直讀式流速儀只能固定幾條代表性垂線來覆蓋整個測量海域，每條垂線也只能按照海水實際深度分為1～5 層觀測。因為ADCP 可以在船舶航行中進行走航式測量，所以可以根據需要設定采樣密度和觀測層數，則能夠生成測量范圍內任意位置的垂線和任意深度的海流情況。

海況適應性強。直讀式海流儀要求風平浪靜的良好氣象條件。而ADCP 可以接入慣性導航系統、全球定位系統、電羅經、傾斜儀等定位定姿設備，能夠有效減弱或消除因位移、俯仰、橫滾、升沉等產生的誤差，在不利海況下依然能夠作業[7]。

3 工程應用

3.1 設備選型

該貨輪沉沒現場海域水體渾濁、泥沙含量較大、懸移質和浮游生物濃度高，則低頻聲波脈沖較難穿透水體得到準確的觀測數據。因此，選用美國TELEDYNE公司生產的WORK HORSE 高頻ADCP。WORK HORSE ADCP 的脈沖頻率為600kHZ，是一種適用于水深200m以淺水域的海流剖面儀，它既可以自容存儲數據，也可以通過有線電纜用于直讀式海流測量，并且具有海底跟蹤功能，可以自動識別海底干擾進行走航式測量。

3.2 安裝設置

因為打撈作業施工船為大型浮吊船，其航行時產生的水體阻力巨大，為了保證ADCP 換能器姿態穩定和設備安全，使用壁厚8mm、外徑168mm 的高強度鋼管作為固定裝置，將ADCP 探頭安裝固定于舷側。為了防止船體和底部對海流移動和聲波信號的阻擋，固定鋼管在下放時超出船底龍骨線約1.5 米。將高精度星站差分GPS 和電羅經數據接入測量采集軟件，實時修正船舶對地速度和方向對設備采集的影響，解算得正確的流速和流向數據。設置步驟如下：

（1）高精度星站差分GPS 以NMEA-0183 協議格式將$GPGGA 數據傳輸至測量軟件。解析數據中的經緯度信息轉換為平面坐標，然后計算船舶運動的航速，繼而可得到ADCP 換能器的絕對地理速度，從而消除探頭相對海水移動的影響。

（2）電羅經真北方向測量數據以$HEHDT 協議格式傳輸至測量軟件。因為ADCP 內置的磁羅經在受到鋼鐵等金屬材質干擾時，會發生數值抖動和漂移，從而無法得到正確的艏向數據，所以必須采用穩定的外部羅經數據。

（3）ADCP 觀測參數設置。根據換能器的安裝情況和實際水深情況，設置盲區深度、吃水深度、海水觀測層數、單層寬度、聲波頻率、海底跟蹤等參數。

3.3 數據分析

使用涵蓋大、中、小，一個完整潮汐周期的海流觀測進行調和統計分析，計算各垂線平均流速、流向，其中垂線平均流速、流向采用“矢量加權平均法”計算，公式如下：

根據長期觀測分析結果，該貨輪沉沒水域漲潮主流向為230°，落潮主流向為40°，為典型不規則半日潮型。漲潮歷時長于落潮歷時，漲潮一般為7.5 個小時，落潮一般為4.5 個小時。高平潮的憩流歷時明顯長于低平潮的憩流歷時，漲潮憩流時間一般為50—130 分鐘，落潮憩流時間一般為20—60 分鐘。流速最快可至2m/s-2.5m/s，小潮汛期間全天流速可小于0.5m/s。典型各層流速、流向數據，如圖3-4：

圖3 典型各層流速

圖4 典型各層流向

4 總結

ADCP 采用多波普勒聲波頻移原理，對海水垂線發射若干組聲波，根據每層海流回波的情況即可推算該層海流的流速和流向，再結合自動控制和分析軟件，即可全天候、高精度監測各層海流的流速和流向。ADCP 解決了傳統直讀式海流儀抗環境干擾性差、人力資源占用大、測量精度低、采集數據密度低等問題。ADCP 應用于該沉沒貨輪打撈施工后，極大提高了潛水作業和水下施工對憩流時間的利用率，并可根據統計規律對未來的海流變化情況進行模擬預判，為施工方案編制、作業計劃制定和現場施工作業提供了精準的參考。