A NEWLY DEVELOPED BOTTOM-SUPPORTED SUBMERSIBLE BUOYANT SYSTEM AND ITS TESTING APPLICATION TO A NATURAL GAS HYDRATE AREA
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摘要: 为满足天然气水合物调查区对海底环境长期原位监测的需求，研发了坐底式潜标观测系统(海底观测基站)，该系统是研究海底尤其是天然气水合物区海底环境特征的关键技术手段，可用于采集海底边界层位长期连续环境参数，评估天然气水合物开采可能引发的环境影响，为安全有效地使用天然气水合物资源提供科学依据。坐底式潜标观测系统采用坐底式设计，最大工作深度4 000 m，搭载了甲烷、二氧化碳、温盐深、溶解氧、浊度计、透射计、声学多普勒剖面仪以及定点海流计等传感器，通过声学释放器丢弃抛载锚完成上浮回收。研制完成后，成功在南海北部陆坡区进行了试验性应用，顺利完成回收，并采集到试验站位海底边界层位预定观测的各海洋物理化学环境参数。本系统在水下连续工作时间不小于180天，并可根据需求增加电池仓，延长观测周期，使长期监测能力覆盖整个水合物开采周期，可对开采前、中、后海底甲烷的泄漏情况进行对比，并对甲烷的来源进行分析，具有重要的现实意义和良好的应用前景。Abstract: A bottom-supported submersible buoyant system is designed for long-term seabed environmental monitoring in a natural gas hydrate area. It can be used to study the characteristics of submarine environment in the area and to collect long-term environmental parameters for seabed boundary layers. Through comparison of related parameters acquired before and after, the changes near seafloor resulted from the exploration and pilot production of natural gas hydrate could be monitored and assessed, for the purpose to reduce the risk of environmental changes. The submersible may carry various sensors, such as those for measurement of methane and carbon dioxide, CTD (Conductance, Temperature and Depth), dissolved oxygen, turbidity, transmittance, ADCP (Acoustic Doppler Current Profilers) and single-point RCM (Recording Current Meter). It can be recovered by discarding the clump weight through deep-sea acoustic release transponder. The maximum working depth of this system is 4000 meters and the batteries are sufficient to provide power for all the sensors for more than 180 days. After a successful deep-sea test with effective data and safe recovery in northern South China Sea, it is confirmed that the bottom-supported submersible buoyant system has a promising prospect of application in improving safe and effective use of natural gas hydrate resources.
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天然气水合物是在高压低温环境下由甲烷、乙烷和二氧化碳等气体与水分子结合形成的固态物质，主要存在于陆地永久冻土带和水深超过300 m的海洋沉积物中[1, 2]。全球天然气水合物中含碳总量相当于已知煤、石油和天然气碳储量的两倍，且完全燃烧时只生成几乎无污染的二氧化碳和水，是未来最有潜力的新型绿色能源之一[3-5]。但是天然气水合物也具有极强的环境灾害效应，当其赋存区稳定环境遭到破坏，如海平面快速下降、强烈的构造活动、地震等，海底沉积物中的水合物就会分解并在很短时间内大规模排放甲烷气体[6]，进而引发一系列严重的环境问题，如温室效应、海底滑坡、海洋生态环境破坏等[7-10]。因此，天然气水合物的勘探和开发必须首先对其环境效应及可能引发的环境灾害进行评估，确保安全、有效的使用天然气水合物资源。
潜标是对海洋水下环境进行长期、连续、定点、多参数同步观测的设备系统[11]，可以获取水合物区的连续长时间序列环境参数，通过对相关参数的前后对比和综合研判，评估天然气水合物开发的环境效应及潜在的环境风险。海洋锚系潜标技术于20世纪50年代率先由美国发展起来，此后前苏联、法国和日本等国也分别研制了自己的潜标系统，用于海流监测及黑潮研究等[12]。锚系潜标系统可以获取不同深度的海洋环境参数，而坐底式潜标则可以对海底层位进行原位监测。最早的坐底式潜标是美国于1970年布放的FVGR和MANOP-Lander，主要用于深海沉积物通量和海底地磁观测[13]。20世纪90年代，美国Scripps研究所研制了深海海底生物化学观测站ROVER，可在最深6 000 m的海底进行最长6个月的连续观测[14]。进入21世纪以来，德国Geomar研究所开发的生物地球化学观测站BIGO[15]、意法的海底地球物理监测系统GEOSTAR[16]、挪威Kongsberg的可用于海底原位监测的K-Lander观测基站等均处于国际领先地位。这些先进的坐底式潜标系统也被广泛应用于国际上各个大型海底观测网，如美国主导的大洋观测计划(OOI)以及海王星计划(NAPTUNE)、欧洲的海底观测网计划(ESONET)以及日本的海底监测计划(DONET&ARENA)等，针对海洋生物与气候变化、深海生态系统、海底地震等领域开展长期连续监测[17]。近年来，国内也开始重视坐底式潜标系统的研制开发。中科院海洋研究所在2014年成功研制出可用于定点多参数海洋环境监测的自升式连体潜标系统[18]。同年，中国海洋大学开发了海底边界层原位监测装置Benvir，具备近海底边界层多环境参数的连续原位观测能力，以及近海底微尺度剖面的监测功能，在观测海底甲烷渗漏过程和生物地球化学研究方面具有良好的应用前景[19, 20]。青岛海洋地质研究所于2015年研制成功适用于天然气水合物赋存区的海底环境原位观测系统，集成了多参数传感器，可以对天然气水合物目标赋存地区进行长期的水体、气体环境参数的观测[21]。
随着煤、石油等常规能源的日渐枯竭，各国越来越重视天然气水合物的开发和利用。我国已于2017年进行了水合物试采并取得圆满成功，其中对天然气水合物环境效应的基线调查和原位监测工作是必不可少的。坐底式潜标可用于对水合物区海底环境进行长期原位监测，评估天然气水合物勘探和开发可能诱发的环境问题，研究并提出如何避免或降低对环境造成的负面影响，具有重要的现实意义和良好的应用前景。
1. 坐底式潜标观测系统设计
中国地质调查局广州海洋地质调查局(以下简称广海局)自主研发的坐底式潜标观测系统——环评系列海底潜标观测系统，集成有甲烷、二氧化碳、温盐深(Conductance, Temperature and Depth. CTD)、溶解氧、浊度计、透射计、声学多普勒剖面仪(Acoustic Doppler Current Profilers. ADCP)、定点海流计(Recording Current Meter. RCM)等传感器，可用于对天然气水合物区或冷泉区进行长期原位监测，采集长时间序列海底环境参数，获取海底边界层位物理海洋及海洋化学基线，为天然气水合物环境效应的研究提供依据。此外，结合天然气水合物开采，潜标系统的长期连续监测能力可以覆盖其整个周期，可以获取开采前、中、后的海水甲烷含量并进行对比，评估开采对海底甲烷泄漏的影响，并对甲烷的来源进行分析。
与国内外现有的其他潜标设备相比，环评系列海底潜标观测系统搭载多种传感器，可以获取更多的海底环境参数；携带大容量电池，可进行长时间的连续观测；底座采用开放式设计，不会堵塞海底气体泄漏通道，且能适应更广泛的海底底质类型；配备了声通讯机，可以在调查船或平台上及时获取潜标数据，对海底环境进行同步监测。
1.1 系统设计
环评系列海底潜标观测系统由结构框架、回收定位系统、电控系统组成，结构框架用于安装搭载的各种仪器及辅助设备；回收定位系统用于保障潜标的安全回收；电控系统集成于电池仓中，主要对系统的整体时序进行控制；传感器则用于采集环境参数，以供研究。
坐底式潜标观测系统结构如图 1所示。
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图 1 环评系列潜标观测系统结构示意图Figure 1. Structure diagram of the bottom-supported submersible buoy system![]()
图 2 环评系列潜标观测系统实物图Figure 2. Actual diagram of the bottom-supported submersible buoy system结构框架采用316不锈钢材料制成，大小为2.20 m×1.80 m×2.50 m(长×宽×高)(表 1)，用于搭载相关设备并提供保护。上部安装浮力材料为潜标系统提供浮力，底部通过两个并联的声应答释放器挂载抛载锚。抛载锚由碳素钢Q235材料加工而成，为潜标系统提供负浮力，回收时通过释放器丢弃抛载锚实现潜标上浮回收。潜标系统空气中总重约1.5 t，其中抛载锚重350 kg，浮力材料可提供水下正浮力70 kg(表 1)。
表 1 环评海底潜标主要技术参数Table 1. Main technical parameters技术参数 坐底式潜标观测系统 整体尺寸 2.20 m×1.80 m×2.50 m 空气中重量 1.5 t 水下正浮力 70 kg 上浮速度 60~70 m/min 最大工作深度 4 000 m 最长工作时间 ≥180 d 距边界层位距离 ≤50 cm 通信方式 水声通讯 回收定位设备包括无线电信标机以及闪光灯。前者可在潜标出水后确定其大概方位，后者可以在光线不好时保证潜标的安全回收。另外，还加装旗帜，便于出水后瞭望寻找。
电控系统由耐压壳、综合控制电路、电池单元组成。耐压壳采用钛合金TC4材料，具备4 000 m的水下耐压强度；综合控制电路具备系统自检、参数预置、休眠控制及定时唤醒功能，可根据设定时序控制测量仪器采集并存储数据，同时通过水声通信装置接收指令并传输观测数据；电池单元具备为潜标系统提供大于180天电力的能力，而且可根据实际需求，扩展电池仓，使潜标能够在海底工作更长时间。
1.2 集成的传感器
传感器是潜标的核心部件，其主要的数据采集功能要通过传感器实现。搭载的传感器包括CH4传感器、CO2传感器、温盐深多参数定点测量仪(CTD，集成溶解氧、浊度计、透射计等传感器)、深水声学多普勒海流剖面仪(ADCP)、深海海流计(RCM)等，其具体型号及性能参数见表 2。其中，CH4、CO2传感器通过数采面板控制工作时序，由电池仓供电，其他均为自容式传感器。潜标支架有预留空间，可以按后续需要加装其他传感器。
表 2 集成传感器类型及工作参数设置Table 2. Working parameters settings of the sensors序号 传感器 型号 主要技术参数 1 CH4 Contros’HydroCTMHISEM CH4 Plus Sensor 最大工作水深：4 000 m；探测原件：NDIR光学分析系统；工作温度：0~30 ℃；测量范围：1 ~ 40 000 μatm；分辨率：＜1 μatm；精度：±1%测量值。 2 CO2 Contros’HydroCTM CO2 Sensor 最大工作水深：4 000 m；探测原件：NDIR光学分析系统；工作温度：0~30 ℃；测量范围：(100 ~ 3 000)×10-6；分辨率： < 1×10-6；精度：±1%测量值。 3 CTD SBE 16 Plus V2 最大工作水深：7 000 m采样频率：≥4 HZ温度测量范围：-5 ℃~35 ℃；分辨率：≤0.000 1 ℃；精度：≤0.005 ℃。压力测量范围：0~20/100/350/600/1 000/2 000/3 500/7 000 m分辨率：≤0.002%满量程；精度：≤0.1%满量程。电导率测量范围：0~9 S/m；分辨率：≤0.000 05 S/m；精度：≤0.000 5 S/m。溶解氧测量范围：120%表面饱和度分辨率：≤0.2 μM/kg；精度：≤±3 μM/kg。浊度测量范围：0~30/60/125/250/500/1 000 NTU 4 ADCP RDI WHS-300 最大工作水深：6 000 m流速精度：≤水流速的±0.5%±5 mm/s流速分辨率：≤1 mm/s流速范围：±5 m/s(默认)；±20 m/s(最大)发射频率：≥2 Hz测量范围：宽带模式126 m，大量程模式165 m 5 RCM Anaderaa Seaguard Rcm (DW) 最大工作水深：6 000 m；流速测量范围：0~300 cm/s；分辨率：0.1 mm/s；平均精度：±0.15 cm/s；相对精度：±1%读数；流向测量范围：0~360°磁角；分辨率：0.01°；精确度：±5°在0~15°倾角，±7.5°在15~35°倾角。 2. 试验性应用
2.1 海试过程
在成功通过水池实验和湖试后，于2016年3月在南海北部陆坡区成功进行了海上试验性应用。海试区域水深约为1 300~1 400 m，海底地形较为平坦。
投放前，设置好各传感器工作参数，采用“带缆定点投放”方式，用钢缆挂载潜标进行下放，至距海底50 m左右时令潜标脱钩自由下落完成投放。这种投放方式可以保证投放精度，并对潜标设备提供保护。在完成预定的测量任务后，成功对潜标进行了回收，上浮时间约20 min，上浮速度约60~70 m/min，证明回收系统设计可靠、有效(如图 3)。
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图 3 潜标“投放-回收”过程图(a)设置系统参数；(b)投放前状态；(c)投放过程；(d)发送释放指令；(e)回收过程；(f)出水后状态Figure 3. The process of deep-sea test(a) Setting system parameters; (b) Pre-delivery status; (c) Process of delivery; (d) Sending release instruction; (e) Process of recovery; (f) Status after recovery2.2 数据情况及初步分析
经试验，潜标系统顺利完成投放与回收，各传感器工作正常，成功获取海底边界层位环境参数(表 3，图 4-图 8)。各传感器均为新购置(已校准)或者返厂校准过，运行状况良好，测量精度符合要求。
表 3 各传感器测量结果Table 3. The results of all the sensors测量参数 单位 变化范围 平均值 CH4 nmol/L 13.7~42.4 26.3 CO2 μatm 820~845 830 温度 ℃ 2.94~3.05 3.01 盐度 PSU 34.563~34.570 34.566 压力 dB 1 370.2~1 374.7 1 372.8 溶解氧 mg/L 2.95~3.06 2.99 浊度 NTU 0~16.0 0.3 透射度 % 0~4.3 1.5 流速(底流) m/s 0.009~0.301 0.107 流速(距海底4 m) m/s - 0.051 流速(距海底36 m) m/s - 0.083 流速(距海底68 m) m/s - 0.079 ![]()
图 4 试验站位海底边界层位甲烷含量特征Figure 4. Characteristics of methane content near seabed boundary in the test area![]()
图 5 试验站位海底边界层位二氧化碳含量特征Figure 5. Characteristics of carbon dioxide content near seabed boundary in the test area![]()
图 6 试验站位底层海水温度、盐度、深度、溶解氧、浊度及透射度特征(CTD传感器数据)Figure 6. Bottom seawater temperature, salinity, pressure, dissolved oxygen, turbidity and transmittance characteristics in the test area(The data of CTD sensor)![]()
图 7 试验站位海底边界层位流场特征(RCM传感器数据)Figure 7. Characteristics of seabed boundary flow field in the test area(The data of recording current meter)![]()
图 8 试验站位海底剖面流场特征(ADCP传感器数据)(a)流向剖面图；(b)流速剖面图Figure 8. Characteristics of seabed profile flow field in the test area(The data of acoustic Doppler current profilers) (a)Section of flow direction; (b)Section of flow velocity测量期间，甲烷和二氧化碳传感器每4 h工作40 min。海底边界层位pCH4(海水甲烷分压)波动较大，其变化范围为7.8~24.2 μatm，平均含量为15.0 μatm (26.3 nmol/L，据文献[22]公式转换)。与之前该地区的调查结果相仿[23]，高于全球平均海水甲烷含量0.5~2 nmol/L[24, 25]。而海水pCO2(二氧化碳分压)在测量周期一开始急剧攀升，到一定程度后就保持不变，基本稳定在820~845 μatm，平均值为830 μatm，亦与前人在南海北部同水深区域的测量结果十分吻合[26]。
海试站位海底边界层位海水温度变化范围为2.94~3.05 ℃，平均温度为3.01 ℃(图 6a)；盐度变化范围为34.563~34.570，平均盐度为34.566(图 6b)；压力变化范围为1 370.2~1 374.7 dB，平均压力为1 372.8 dB(图 6c)；溶解氧含量变化范围为2.95~3.06 mg/L，平均含量为2.99 mg/L(图 6d)；浊度变化范围为0~16.0 NTU，平均含量为0.3 NTU(图 6e)；透射度变化范围为0~4.3 %，平均含量为1.5 %(图 6f)。测量期间，海底溶解氧含量逐渐降低，趋于稳定，表明海底边界层位海底化学环境相对稳定，海底生物活动也相对稳定；海底浊度偶有异常高值，其余时间稳定在较低水平，表明海底物理环境相对稳定，进一步表明试验站位附近海底表层沉积物未发生明显扰动。
由RCM数据可知：底层流向以西北向为主(占比约65%)，西向为辅(占比约25%)，北向占比7%。流向主要集中于292.5°~337.5°之间，流速范围为0.009~0.301 m/s，流速差异较小，平均流速为0.107 m/s。而ADCP的剖面有效数据对应距海底4~68 m以内的水层：由海底向上，海流平均水平流速由0.051 m/s(距海底4 m处)逐渐升至0.083 m/s(距海底36 m处)，又缓慢降至0.079 m/s(距海底68 m处)，越靠近海底(距海底24 m以内)，流速波动越小。结合RCM和ADCP的数据可知，海底底部存在稳定的西北/西向流动，当距离海底一段距离(距海底4 m以上)时，这种稳定流动逐步消失，取而代之的是旋转流，流向以东向和东南向为主，其原因可能为海底处存在稳定的底部暗流或者与水下地形有关，即近海底底部存在一个稳定低速西北/西向水团，其余为一连续水团。
3. 结论
(1) 环评系列海底潜标观测系统集成了甲烷、二氧化碳、温盐深、溶解氧、浊度计、透射计、声学多普勒剖面仪以及定点海流计等传感器，可以进行多参数原位监测，是获取水合物区海底环境特征的关键技术手段。与国内外现有的其他潜标设备相比，该系统可以获取更多的海底环境参数，进行更长时间的连续、同步监测，底座的设计使海底气体泄漏更易通过，且能适应更广泛的海底底质类型。
(2) 在南海北部成功进行了海上试验性应用，采用“带缆定点投放”方式完成精准投放，顺利回收并采集到了海底边界层位的连续环境参数。表明此潜标系统工作稳定，达到了设计的预期效果，可用于天然气水合物区海底环境长期监测，具有良好的应用前景。
致谢: 感谢广海局方法所赵庆献教授、盛堰教授在潜标观测系统设计时提出的宝贵意见，感谢环工所路剑飞博士在数据处理解释中的贡献，感谢“海洋六号”船工作人员在海试过程中提供的大力支持。 -
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图 1 环评系列潜标观测系统结构示意图
Figure 1. Structure diagram of the bottom-supported submersible buoy system
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图 2 环评系列潜标观测系统实物图
Figure 2. Actual diagram of the bottom-supported submersible buoy system
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图 3 潜标“投放-回收”过程图
(a)设置系统参数；(b)投放前状态；(c)投放过程；(d)发送释放指令；(e)回收过程；(f)出水后状态
Figure 3. The process of deep-sea test
(a) Setting system parameters; (b) Pre-delivery status; (c) Process of delivery; (d) Sending release instruction; (e) Process of recovery; (f) Status after recovery
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图 4 试验站位海底边界层位甲烷含量特征
Figure 4. Characteristics of methane content near seabed boundary in the test area
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图 5 试验站位海底边界层位二氧化碳含量特征
Figure 5. Characteristics of carbon dioxide content near seabed boundary in the test area
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图 6 试验站位底层海水温度、盐度、深度、溶解氧、浊度及透射度特征
(CTD传感器数据)
Figure 6. Bottom seawater temperature, salinity, pressure, dissolved oxygen, turbidity and transmittance characteristics in the test area
(The data of CTD sensor)
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图 7 试验站位海底边界层位流场特征
(RCM传感器数据)
Figure 7. Characteristics of seabed boundary flow field in the test area
(The data of recording current meter)
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图 8 试验站位海底剖面流场特征
(ADCP传感器数据)(a)流向剖面图；(b)流速剖面图
Figure 8. Characteristics of seabed profile flow field in the test area
(The data of acoustic Doppler current profilers) (a)Section of flow direction; (b)Section of flow velocity
表 1 环评海底潜标主要技术参数
Table 1 Main technical parameters
技术参数 坐底式潜标观测系统 整体尺寸 2.20 m×1.80 m×2.50 m 空气中重量 1.5 t 水下正浮力 70 kg 上浮速度 60~70 m/min 最大工作深度 4 000 m 最长工作时间 ≥180 d 距边界层位距离 ≤50 cm 通信方式 水声通讯 
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表 2 集成传感器类型及工作参数设置
Table 2 Working parameters settings of the sensors
序号 传感器 型号 主要技术参数 1 CH4 Contros’HydroCTMHISEM CH4 Plus Sensor 最大工作水深：4 000 m；探测原件：NDIR光学分析系统；工作温度：0~30 ℃；测量范围：1 ~ 40 000 μatm；分辨率：＜1 μatm；精度：±1%测量值。 2 CO2 Contros’HydroCTM CO2 Sensor 最大工作水深：4 000 m；探测原件：NDIR光学分析系统；工作温度：0~30 ℃；测量范围：(100 ~ 3 000)×10-6；分辨率： < 1×10-6；精度：±1%测量值。 3 CTD SBE 16 Plus V2 最大工作水深：7 000 m采样频率：≥4 HZ温度测量范围：-5 ℃~35 ℃；分辨率：≤0.000 1 ℃；精度：≤0.005 ℃。压力测量范围：0~20/100/350/600/1 000/2 000/3 500/7 000 m分辨率：≤0.002%满量程；精度：≤0.1%满量程。电导率测量范围：0~9 S/m；分辨率：≤0.000 05 S/m；精度：≤0.000 5 S/m。溶解氧测量范围：120%表面饱和度分辨率：≤0.2 μM/kg；精度：≤±3 μM/kg。浊度测量范围：0~30/60/125/250/500/1 000 NTU 4 ADCP RDI WHS-300 最大工作水深：6 000 m流速精度：≤水流速的±0.5%±5 mm/s流速分辨率：≤1 mm/s流速范围：±5 m/s(默认)；±20 m/s(最大)发射频率：≥2 Hz测量范围：宽带模式126 m，大量程模式165 m 5 RCM Anaderaa Seaguard Rcm (DW) 最大工作水深：6 000 m；流速测量范围：0~300 cm/s；分辨率：0.1 mm/s；平均精度：±0.15 cm/s；相对精度：±1%读数；流向测量范围：0~360°磁角；分辨率：0.01°；精确度：±5°在0~15°倾角，±7.5°在15~35°倾角。
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表 3 各传感器测量结果
Table 3 The results of all the sensors
测量参数 单位 变化范围 平均值 CH4 nmol/L 13.7~42.4 26.3 CO2 μatm 820~845 830 温度 ℃ 2.94~3.05 3.01 盐度 PSU 34.563~34.570 34.566 压力 dB 1 370.2~1 374.7 1 372.8 溶解氧 mg/L 2.95~3.06 2.99 浊度 NTU 0~16.0 0.3 透射度 % 0~4.3 1.5 流速(底流) m/s 0.009~0.301 0.107 流速(距海底4 m) m/s - 0.051 流速(距海底36 m) m/s - 0.083 流速(距海底68 m) m/s - 0.079
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