极地冰区拖曳作业探索与实践_夏寅月.pdf

第 35 卷第 1 期 极地研究 Vol.35,No.1 2023 年 3 月 CHINESE JOURNAL OF POLAR RESEARCH March 2023 收稿日期 2021 年 12 月收到来稿,2022 年 7 月收到修改稿 基金项目 广东省渔业生态环境重点实验室开放基金(FEEL-2019-13)资助 作者简介 夏寅月,男,1986 年生。高级工程师,主要从事科考船实验室建设、管理和科考支撑保障研究。E-mail:xiay- 通信作者 陈清满,E-mail: 极地冰区拖曳作业探索与实践 夏寅月1 陈清满1 朱兵1 丁峰 1 沈悦1 廖周鑫1 裴佳豪1 陈际雨2,3(1中国极地研究中心,上海 200136;2自然资源部南海调查中心,广州 510300;3自然资源部海洋环境探测技术与应用重点实验室,广州 510300)摘要 极地海域作为海洋中极具战略地位和影响力的关键地区之一,越来越受国内外科学研究的关注。拖曳作业是开展海洋调查的重要手段之一,但在极地冰区开展拖曳作业往往受天气、海冰、调查装备类型等因素的影响,此外还面临各种突发问题,可能影响考察任务的顺利实施。我国极地考察在开展冰区拖曳作业中经历了从冰区边缘试探到密集浮冰区实践,从结构简单的拖网采样到系统复杂的地球物理综合调查,通过不断的探索试验,积累了丰富的极地冰区考察实践经验。本文总结了我国在极地冰区开展拖曳作业中遇到的主要风险,开展了深入的分析与探讨,同时对比和借鉴国外的相关考察作业经验,并针对性地提出改进措施和建议,以期为今后在极地冰区开展相关调查作业提供参考和借鉴。关键词 海洋调查 拖曳作业 极地 冰区 南北极考察 doi:10.13679/j.jdyj.20210097 0 引言 地球两极地区的广袤海洋中,不仅蕴藏着宝贵的生物资源和丰富的矿产资源,还是全球气候变化的放大器,在全球气候系统演化中扮演了关键角色,日渐成为海洋生物资源开发与利用、矿产资源调查与评价和全球气候变化研究的热点区域1。截至 2021 年,我国已经开展了 38 次南极科学考察和 12 次北极科学考察,依托“雪龙”号和“雪龙 2”号极地考察破冰船,在南北极海域长期开展综合性海洋科学调查,获取了一大批宝贵的数据和样品,取得了一系列有价值的调查数据与研究成果,为极地海洋环境变化研究、海洋生物资源调查与评估以及生物多样性保护等提供了大量的基础资料和重要的科学依据2-7。拖曳作业作为海洋调查的主要技术手段,是获取海洋生物样品、海底沉积物和岩石样品以及开展地球物理综合调查的重要方法,在全球的海洋科学考察中应用十分广泛。基于“雪龙”系列考察船及其搭载的各型绞车和取样设备开展的拖曳作业,在我国极地冰区海洋调查中扮演了极为关键的角色。然而极地海域地理位置特殊,具有严酷的自然环境、多变的天气系统，覆盖密集的海冰。与其他海区相比,极地冰区拖曳作业存在较大差异,浮冰区体积较大的浮冰会对钢缆和调查设备乃至整个拖曳作业的安全性和可行性产生较大的威胁。本文主要基于我国历次南、北极考察的现场拖曳作业实施情况,对由拖曳作业带来的设备故障情况、作业安全风险进行梳理分析,在探究极地冰区特殊的自然环境对拖曳作业影响的同时,第 1 期 夏寅月等:极地冰区拖曳作业探索与实践 153 对已采取的应对措施优缺点进行研究,并提出进一步的改进措施,以期为更进一步增强我国极地考察海上现场作业的安全性提供有益思考与借鉴。1 我国极地冰区拖曳作业现状 1.1 海洋调查拖曳作业的主要方式 拖曳作业主要有垂直拖曳和水平拖曳两种方式。在早期的海洋调查作业中多以定点垂直拖曳作业为主要调查手段,即在一个设计站位进行舷外调查作业,通过各型绞车及其配属的不同规格 的钢缆将悬挂于钢缆末端的各类取样器送达指定深度,获取数据或样品。浮游生物垂直拖网采样、多联生物网垂直拖曳、温盐深剖面仪(CTD)采水垂直拖曳、海底表层沉积取样等均属于垂直拖曳作业。水平拖曳即在垂直拖曳基础上结合船舶移动进行作业,如浮游生物水平拖网、磷虾拖网、中层鱼类拖网、近海底磁力探测等作业。近年来,随着水下机器人、光学拖体、电视抓斗等现代观测手段和新装备、新技术的应用8-9,同轴缆、光电复合缆也陆续成为拖曳作业的主要作业用缆。我国“雪龙”号和“雪龙 2”号极地考察破冰船搭载的船载设备可实施垂直拖曳作业和水平拖曳作业(表 1)。表 1“雪龙”号和“雪龙 2”号拖曳设备一览表 Table 1.List of towing equipment for R/V Xuelong and Xuelong 2 绞车类型 缆绳长度/m“雪龙”号“雪龙2”号 垂直拖网绞车 2000 生物拖网绞车 3000 CTD绞车 8000 地质绞车 10000 钢缆 纤维缆 同轴缆绞车 8000 光电缆绞车 10000 根据采集的样品种类,拖曳作业可分为以下4 大类:(1)生物样品采集(浮游生物采集、海洋微塑料拖网、磷虾拖网、中层鱼拖网、底栖生物拖网);(2)沉积物及岩石样品采集(箱式取样、重力柱取样、地质岩石拖网);(3)海底可视化影像采集(光学拖体观测、电视抓斗取样);(4)地球物理测线探测(磁力测线、多道数字地震调查)。为了获取高质量的观测数据、样品或海底影像资料,拖曳作业通常需要船舶保持固定船位或保持固定航向和恒定速度开展调查作业。1.2 我国极地考察冰区拖曳作业主要进展 我国极地冰区海洋调查主要依托“雪龙”号和“雪龙 2”号极地考察破冰船开展。截至 2021 年,“雪龙”号已承担了 24 次南极科学考察和 9 次北极科学考察;“雪龙 2”号已承担了 3 次南极科学考察和 2 次北极科学考察。两船均积累了丰富的极地冰区拖曳作业经验。我国南大洋海洋考察起步于 1984 年,经过近40 年的积累,通过拖曳作业对南极半岛周边等重点海域的海洋科学调查取得了丰硕成果10。尤其是在“十二五”期间,针对南极周边海域的海洋生物多样性开展了大量的拖网作业调查11,是我国首次对南大洋生态系统进行的系统性调查,获取了丰富的研究数据和样品,取得了一系列有价值的调查与研究成果,为探索南大洋海洋生物对全球气候变化的响应及南大洋生物多样性保护研究、生物资源的开发利用与评估等提供了重要的科学依据12-13。北极资源的开发利用对我国经济社会的发展也具有重要意义14。在中国极地考察“十五”能力建设项目期间,完成了对“雪龙”号的升级改造,增配了各式绞车、CTD 系统(美国海鸟 SBE911),并于 2007 年开始投入调查作业。“雪龙 2”号 2019 年入列后,进一步地推进我国南北极业务化调查。尤其是近年来的 4 次南极考察14和 2 次北极考察,对共计 53 个断面、388 个站位开展了含拖曳作业在内的海洋科学综合调查(表 2),取得了一系列丰硕的成果。如:第 9 次北极科学考察中,“雪龙”号首次成功在极区开展岩石拖网取样作业;第 36 次南极考察中,“雪龙”号首次进入阿蒙森海开展冰间湖综合调查,“雪龙 2”号首 154 极地研究 第 35 卷 次开展宇航员海综合调查;第 11 次北极和第36 次南极科学考察期间“雪龙2”号首次在两极地区开展大型重力活塞取样作业,分别获取了长度为 18.36 m 和18.65 m 的岩芯样品,创造了我国极区柱状沉积物取样的新记录;第 12 次北极科学考察期间,“雪龙 2”号进入北冰洋中心区开展地球物理综合调查。表 2 近年来我国南北极考察海洋综合调查信息统计15-18 Table 2.Statistics of marine comprehensive survey information in recent years15-18 年度 考察航次 断面数量 综合调查站位 拖曳作业占比 考察船 20182019年 第35次南极科学考察 6 19 15%“雪龙”号 2019年 第11次北极科学考察 5 44 36%“雪龙2”号 20192020年 第36次南极科学考察 18 141 42%、27%“雪龙”号、“雪龙2”号 20202021年 第37次南极科学考察 5 41 33%“雪龙2”号 2021年 第12次北极科学考察 3 15 39%“雪龙2”号 20212022年 第38次南极科学考察 16 128 95%、47%“雪龙”号、“雪龙2”号 2 极地冰区拖曳作业面临的挑战 极地冰区自然环境特殊而严酷,部分海域常年为海冰所覆盖,在密集冰区开展拖曳调查作业困难重重,需综合考虑以下的多种因素。2.1 天气因素 由于南北极地理环境的特殊性,南极周边海域恶劣天气频发。据统计,我国南大洋考察期间,每个考察航次平均 6.5 天出现一次气旋过程(风力14 ms1),每隔 30 天出现一次强过程(风力20 ms1)19。恶劣天气带来两个方面的直接风险:能见度变低,导致作业现场安全风险的可预见性急剧降低;风力驱动涌浪增大,导致拖曳设备起吊时产生大幅摇摆、作业过程中缆绳受力突变,严重威胁作业安全和数据质量。此外,“雪龙”系列考察船需兼顾极地考察后勤保障任务,在每个南极考察航次期间都面临时间紧、任务重的压力,多次发生因气象条件和海冰状况而被迫调整拖曳作业站位数量和作业内容20。2.2 浮冰因素 设计航线和作业站点时需充分考虑历年的南北极海冰覆盖情况,但受风和洋流影响,海冰具有较强流动性,对其实施精准的预报尚存在一定的困难,目前只能通过卫星遥感图像获取目标区域的准实时海冰覆盖情况21。在极地冰区开展拖曳作业时,通常在五成及以下海冰覆盖时,船舶破冰航行过程中浮冰有空间漂移至船舶两侧,对拖曳作业设备和缆绳等构成风险较小。而在海冰覆盖达到五成以上的海区,船体周围可供海冰扩散的空间较少,浮冰受船舶挤压无法飘散到船舶两侧,只能下沉到船底。随船舶行进,从船尾漂浮露出,对缆绳和拖曳设备的威胁较大,严重影响拖曳作业安全。例如,在中国第 12 次北极科学考察期间,地球物理调查作业时用于提供水下爆炸冲击波的枪阵系统在拖曳作业时受浮冰影响,被迫将其提出水面(图 1),以保证设备安全。此外,在定点拖曳作业期间,如果有大块浮冰漂移至船体附近,极有可能会挂住缆绳或拖曳设备,坚硬而锋利的浮冰断面容易割伤甚至割断缆绳或拖网等设备。图 1 枪阵系统吊运出水避开浮冰 Fig.1.The gun array system was hauled out of water to avoid ice floes 第 1 期 夏寅月等:极地冰区拖曳作业探索与实践 155 在国际上,通过多船协作方式开展冰区拖曳作业,可在一定程度上减轻浮冰造成的不利影响。例如 2001 年“希利”号和“北极星”号两艘船组成北极洋中脊探险队(AMORE),对北极扩张最慢的洋中脊区域地幔融化以及海洋地壳进行调查。“希利”号主要负责在 Gakkel 洋中脊上从 7W85E 进行取样,并为“北极星”的地震调查拖曳作业提供破冰支持。2007 年,加拿大在北冰洋西部加拿大盆地开展地球物理综合调查,使用加拿大海岸警卫队“路易斯”号破冰船和美国海岸警卫队的“希利”号破冰船,采用两艘破冰船同步方式开展作业,其中“希利”号为“路易斯”号领航清除浮冰打开水道。得益于两船精密配合协同作业,在 20082011 年间,加拿大共进行了 4次联合考察,获取了 15481 km 的地震反射数据、171 条地震折射剖面和约 38000 km 的多波束声纳、重力和海底剖面仪数据22。2.3 海底地形因素 利用底栖生物拖网、岩石拖网等底拖设备开展海底底质和生物群落调查是大洋调查的常见方法。这一方法需要将不同类型的拖网通过拖曳钢缆下放至海床,并通过船舶向前航行提供的拉力拖行,进而采集底栖生物或岩石样品。通常情况下,需要释放水深的 23 倍的缆绳,以防止取样设备在拖曳过程中被拖离海床造成采样失败。这种方法对海底地形和底质环境均有较高要求,拖曳操作稍有不慎,就会面临极大的危险。比如,拖网可能被海底突起的岩石挂住,造成网具破损无法有效保存样品,甚至彻底损坏、无法完成采样;冗余的拖曳钢缆有可能会卡在岩石缝隙中,无法自行脱开,这