基于Envirtech海嘯預(yù)警浮標(biāo)的改進(jìn)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(jìn)口一套海嘯預(yù)警浮標(biāo)，并在南海海域成功布放，這是我國首次開展海嘯預(yù)警浮標(biāo)業(yè)務(wù)。浮標(biāo)的布放和數(shù)據(jù)資料接收過程中，發(fā)現(xiàn)該海嘯浮標(biāo)標(biāo)體長度太長，對(duì)布放作業(yè)船只要求太高，布放操作相當(dāng)困難，數(shù)據(jù)接收率也不高。針對(duì)該海嘯浮標(biāo)的運(yùn)行情況，本文研究了意大利海嘯浮標(biāo)的工作原理、結(jié)構(gòu)組成及布放方法，并提出了改進(jìn)措施。對(duì)原海嘯浮標(biāo)進(jìn)行了升級(jí)改造，通過海上布放驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，改造后的海嘯浮標(biāo)布放操作明顯方便，數(shù)據(jù)接收率由80%提高到100%，該研究為我國自主開展海嘯浮標(biāo)設(shè)計(jì)研發(fā)提供有力參考。

關(guān)鍵詞：海嘯 浮標(biāo) 海嘯預(yù)警 海嘯監(jiān)測

海嘯是由海底地震、海底火山爆發(fā)、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(chǎn)生的具有超大波長和周期的大洋行波。海嘯波波長通常達(dá)到100千米或以上，而周期則從10分鐘至1小時(shí)。在深海大洋中，海嘯波以每小時(shí)800千米以上的速度傳播，但波高卻只有幾十厘米或更小。當(dāng)海嘯波移近岸邊淺水區(qū)時(shí)，波速會(huì)減慢，波高陡增，可形成十?dāng)?shù)米或更高的水墻?？梢?，海嘯具有超強(qiáng)的破壞力，對(duì)沿海城市人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大威脅。目前海嘯預(yù)警監(jiān)測的主要方法有：壓力式海嘯監(jiān)測浮標(biāo)、GPS海嘯監(jiān)測浮標(biāo)、衛(wèi)星遙感、水下地震臺(tái)等。日本和美國都擁有由海底壓力記錄儀、浮標(biāo)、衛(wèi)星、地面接收站等組成的全天候海嘯動(dòng)態(tài)監(jiān)視和預(yù)警系統(tǒng)。在我國，東海、南海特別是臺(tái)灣島附近海域具備產(chǎn)生海嘯的條件。然而，我國尚未能自主研制海嘯預(yù)警浮標(biāo)。2011年3月11日，日本本州島東部海域發(fā)生里氏9.0級(jí)強(qiáng)烈地震，隨后引發(fā)太平洋越洋海嘯。日本大海嘯再次喚起人們對(duì)海嘯預(yù)警浮標(biāo)的迫切需求。2010年我國從意大利Envirtech公司進(jìn)口一套海嘯預(yù)警浮標(biāo)，并成功布放。業(yè)務(wù)化運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)該浮標(biāo)存在布放回收困難，接收率不高的問題。針對(duì)該海嘯浮標(biāo)，做了深入研究并提出了具體改進(jìn)措施。

1.海嘯浮標(biāo)預(yù)報(bào)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(dòng)。在正常的大多數(shù)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(fā)等異常情況發(fā)生，那么海底將不再平靜，海底的水位會(huì)突然變化，就有可能引發(fā)海嘯。海嘯浮標(biāo)預(yù)警系統(tǒng)正是通過對(duì)比相鄰兩次海底水位差來判斷是否會(huì)發(fā)生海嘯。當(dāng)相鄰兩次海底水位差超過某一閥值時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為海嘯已經(jīng)發(fā)生。該意大利海嘯浮標(biāo)預(yù)警系統(tǒng)將這一閥值設(shè)定為30mm，而美國SAIC海嘯浮標(biāo)將此閥值設(shè)定為50mm。

該意大利海嘯浮標(biāo)預(yù)警系統(tǒng)有三種工作模式：正常模式、修護(hù)模式和警報(bào)模式。修護(hù)模式是用于浮標(biāo)布放前調(diào)試通訊系統(tǒng)和設(shè)置浮標(biāo)各種參數(shù)。正常模式是沒有監(jiān)測到海嘯時(shí)的工作狀態(tài)。海底水位傳感器每15秒鐘采集一個(gè)壓力數(shù)據(jù)，每15分鐘求取一個(gè)壓力平均值，每個(gè)小時(shí)或幾個(gè)小時(shí)將這些壓力平均值數(shù)據(jù)通過海事衛(wèi)星傳送給陸地海嘯預(yù)警中心。當(dāng)某時(shí)刻壓力值突然發(fā)生變化，超過30mm的閥值時(shí)，該系統(tǒng)立刻發(fā)出海嘯預(yù)警信號(hào)，立刻自動(dòng)切換到警報(bào)模式。在海嘯發(fā)生后，預(yù)警系統(tǒng)每5分鐘將采集的瞬時(shí)壓力數(shù)據(jù)傳送陸地預(yù)警中心。30分鐘后，自動(dòng)切換到每10分鐘傳送一次數(shù)據(jù)，直到3小時(shí)后海嘯預(yù)警解除。

2.海嘯浮標(biāo)系統(tǒng)組成

該意大利海嘯預(yù)警系統(tǒng)主要由兩部分組成：一個(gè)錨式海底壓力采集單元即水下單元和一個(gè)同步停泊在水面的浮標(biāo)。水下單元實(shí)時(shí)采集海底精確的水壓力數(shù)據(jù)，然后通過聲通訊傳感器把數(shù)據(jù)從水下平臺(tái)傳輸?shù)剿娓?biāo)系統(tǒng)，再通過海事衛(wèi)星C實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳送至陸地海嘯預(yù)警中心。該海嘯預(yù)警系統(tǒng)就是通過精確測量海底水壓力來監(jiān)測是否有海嘯發(fā)生。海嘯浮標(biāo)系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

2. 1水面浮標(biāo)

海嘯浮標(biāo)水面浮標(biāo)是通過聲通訊接收水下單元的監(jiān)測數(shù)據(jù)，再通過海事衛(wèi)星將數(shù)據(jù)發(fā)回接收岸站。水面浮標(biāo)包括：標(biāo)體及錨燈、免維護(hù)太陽能供電系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、聲學(xué)換能器及衛(wèi)星通信模塊。

意大利海嘯水面浮標(biāo)的浮力系統(tǒng)為一個(gè)直徑為1450mm高2350mm的浮體，該浮體外殼為聚乙烯滾塑而成，內(nèi)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(biāo)自重約1670kg。浮標(biāo)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(biāo)頂部裝有機(jī)械式雷達(dá)反射板和免維護(hù)式太陽能錨燈。水面浮標(biāo)內(nèi)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(jīng)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(biāo)的控制軟件可以分為三個(gè)模塊：衛(wèi)星通訊模塊、聲通訊模塊和診斷模塊。衛(wèi)星通訊模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星傳送回接收岸站。聲通訊模塊處理與水下單元的數(shù)據(jù)通信。診斷模塊采集浮標(biāo)系統(tǒng)的電壓、電流、工作溫度等數(shù)據(jù)。水面浮標(biāo)控制軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3。

2.2水下單元

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

意大利海嘯浮標(biāo)水下單元的支架為一個(gè)輕巧而堅(jiān)固的金屬框架。該金屬框架的材料為AISI316L型號(hào)的海洋級(jí)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(yīng)力成比例。壓力的計(jì)算是通過石英晶體溫度信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，這樣實(shí)現(xiàn)在一定寬廣的溫度范圍內(nèi)達(dá)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(dòng)保護(hù)浮標(biāo)裝置。

意大利海嘯浮標(biāo)水下單元的控制軟件設(shè)計(jì)可以分為有三個(gè)模塊：水壓采樣模塊、通訊模塊及診斷模塊。水壓采樣模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集海底水壓數(shù)據(jù)，判斷是否有海嘯波產(chǎn)生。通訊模塊負(fù)責(zé)通過聲學(xué)換能器與水面浮標(biāo)通訊，將采集水壓數(shù)據(jù)傳送到水面浮標(biāo)。診斷模塊主要負(fù)責(zé)采集電路狀態(tài)、電池電壓等診斷數(shù)據(jù)。水下單元的軟件工作流程圖如圖5。

3.布放方法

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

（1）儀器設(shè)備在碼頭進(jìn)行組裝、測試，在工作狀態(tài)正常的情況下，用起重機(jī)和絞盤將浮標(biāo)轉(zhuǎn)到作業(yè)船只上，確認(rèn)工作狀態(tài)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(dá)布放站位，用DGPS定位儀測定浮標(biāo)的布放點(diǎn)后測量水深。

（4）將船開到布放點(diǎn)的下風(fēng)，離布放點(diǎn)約2/3錨系長度處，調(diào)整船向使船首向迎風(fēng)方向，停船開始作業(yè)，吊放水面浮標(biāo)到海里；

（5）依次布放系留，作業(yè)船只以小于2節(jié)速度緩慢前進(jìn)，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(dòng)浮標(biāo)到布放點(diǎn)；

（7）確定系留不打絞的情況下布放錨；

（8）利用聲學(xué)釋放器的測距功能，進(jìn)行三點(diǎn)測距定位，并記錄水面浮標(biāo)布放時(shí)間、位置和水深等相關(guān)參數(shù)；

（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(jìn)措施

在意大利海嘯浮標(biāo)業(yè)務(wù)化運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)存在布放困難、數(shù)據(jù)接收率不高等不足之處。根據(jù)實(shí)際作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，提出以下改進(jìn)措施（如圖7）：

（1）縮短浮標(biāo)體龍骨長度。在不影響海嘯浮標(biāo)系統(tǒng)正常工作情況下，為了減小海嘯浮標(biāo)布放、回收難度，根據(jù)作業(yè)船現(xiàn)有甲板設(shè)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(bǔ)回。

（2）水面“X”特殊作業(yè)標(biāo)識(shí)，增大了布放與回收作業(yè)難度，此標(biāo)識(shí)宜在淺海或航道使用，對(duì)深海區(qū)使用意義不大，可以割掉不用。

（3）浮力系統(tǒng)高度太高，不利于登標(biāo)作業(yè)?？梢栽龃蟾◇w直徑，降低高度，保持總浮力不變。

（4）海事衛(wèi)星終端天線桿結(jié)構(gòu)不牢固，底座強(qiáng)度小，需要重新設(shè)計(jì)加固。

（5）意大利海嘯浮標(biāo)沒有設(shè)起吊點(diǎn)，需要加裝起吊固定座。

（6）針對(duì)海嘯浮標(biāo)數(shù)據(jù)接收率低的問題，可以在龍骨底部增加一套聲學(xué)換能器，采取雙系統(tǒng)接收通訊，提高數(shù)據(jù)接受率。

（7）將水下單元聲學(xué)釋放器改為可靠性更高的IXSEA型。

5.海上驗(yàn)證

根據(jù)上述改進(jìn)措施，國家海洋局南海工程勘察中心對(duì)意大利海嘯浮標(biāo)進(jìn)行了升級(jí)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(jiān)83船，在南海中部（北緯15°31′，東經(jīng)115°49′，水深4240米）成功布放了改造后的海嘯浮標(biāo)，改造前后海嘯浮標(biāo)海上姿態(tài)如圖9、圖10所示。改造后的海嘯浮標(biāo)，布放操作明顯方便，數(shù)據(jù)接收率從80%提高到100%。

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