Океанология, 2020, T. 60, № 1, стр. 138-145

ВВЕДЕНИЕ

Оперативная океанография включает в себя наблюдательный сегмент, базирующийся на регулярных измерениях параметров морской среды с передачей данных измерений в центры обработки информации в реальном времени [2, 4]. Некоторые параметры усваиваются в математических моделях циркуляции вод, на основе расчетов которых делаются диагноз и прогноз состояния морской среды. Это дает возможность раннего выявления экстремальных явлений на море, прогнозирования и предотвращения экологических катастроф.

С целью получения длинных рядов данных измерений параметров морской среды, на Полигоне “Геленджик” (ИО РАН) [3] установлено несколько автоматизированных измерительных комплексов. Эти комплексы работают как в режиме внутренней записи данных на твердотельные носители, так и режиме оперативной передачи данных. Некоторые измерительные комплексы расположены на заякоренных буйковых станциях с подповерхностными плавучестями (с заглублением от поверхности от 7 до 20 м). Данная методика постановки приборов практически исключает возможность выполнения измерений в поверхностном слое водной среды, что существенно ограничивает возможность использования этих комплексов как средств проведения подспутниковых измерений [3].

С целью устранения указанного недостатка в 2018 г. в ЮО ИО РАН была разработана стационарная станция вертикального зондирования (ССВЗ) водной среды, позволяющая выполнять измерения от придонного слоя до поверхности водоема. В состав станции входят подводное устройство – лебедка, предназначенная для подъема и опускания посыльного зонда на гибком прочном кабеле; сам посыльный зонд с датчиками, обладающий положительной плавучестью; блок электроники, управляющий лебедкой и осуществляющий сбор, хранение и передачу данных измерений по каналу связи. Эта станция может быть адаптирована к любым морским измерительным датчикам и, что немаловажно, она передает данные в береговой центр в режиме реального времени. В настоящее время макет станции прошел стадию лабораторных испытаний и предварительные натурные испытания, результаты которых, равно как и описание самой станции и ее технических характеристик, приводятся в данной статье.

Подобные станции выпускаются фирмой InterOcean [7], они имеют несколько модификаций со следующими характеристиками (см. табл. 1).

Из характеристик видно, что эти станции – громоздкие, хотя весьма мощные. Имеют интерфейс управления. Работают в автоматическом режиме. Очень энергоемкие, это не дает использовать их в автономном режиме. В них использован подводный токосъемник: это усложняет изготовление таких станций и значительно уменьшает долговечность. Применение масло-заполненного двигателя, также уменьшает долговечность работы станции.

Мы постарались, используя современные технологии и накопленный опыт, максимально учесть при конструировании недостатки и достоинства подобных станций.

ОПИСАНИЕ СТАЦИОНАРНОЙ СТАНЦИИ ВЕРТИКАЛЬНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ (ССВЗ)

Общий вид макета ССВЗ в лабораторных условиях изображен на рис. 1.

Рис. 1.

Общий вид макета ССВЗ в лабораторных условиях. Пояснения в тексте.

На прямоугольной прочной станине горизонтально крепится неподвижная катушка – барабан лебедки диаметром 450 мм, на котором в гладкой прорези шириной 5 мм намотан в один слой коаксиальный кабель диаметром 4 мм, усиленный изнутри кевларовой нитью. Прочность кабеля на разрыв составляет 1 кН. Под барабаном (катушкой), также горизонтально, на одной и той же с ним оси расположена широкая латунная шестерня диаметром 300 мм. Она не связана с барабаном механически, но вращается вокруг этой оси. Ее приводит в движение электродвигатель (привод) посредством червячной передачи. Применение червячной передачи дает возможность не использовать специальных механизмов для торможения шестерни лебедки: для этого достаточно остановить электродвигатель. На шестерне установлено “водило”, которое вместе с ней коаксиально вращается вокруг катушки и разматывает или наматывает на нее кабель. Отметим, что кабель имеет в воде плавучесть, близкую к нейтральной.

При работе лебедки ее барабан не вращается, внутренний конец кабеля надежно закреплен на катушке без токосъемника и герметично подсоединен к электронному блоку управления лебедкой и записи данных. Передача момента вращения двигателя на червячный механизм осуществляется через магнитную муфту, что избавляет от необходимости герметизации выходного вала привода. Эти инновации существенно упрощают условия герметизации основных узлов подводной лебедки и повышают надежность функционирования станции при долговременной работе.

Намотка кабеля в один слой исключает его “закусывание” на барабане лебедки, однако ограничивает его общую длину. Именно из-за этого для намотки 50 м кабеля (длина, необходимая для обеспечения работы донной лебедки при глубине постановки станции около 30 м) приходится использовать барабан такого большого диаметра.

При лабораторных испытаниях лебедки свободный конец намотанного на барабан кабеля был перекинут через подвешенный к потолку комнаты вращающийся блок и подвязан к пробному грузу (рис. 1). При включении лебедки на намотку кабеля осуществляется подъем груза, масса которого изменяется от опыта к опыту. В результате эксперимента удалось установить, что лебедка способна поднимать груз весом до 15 кг.

При проведении натурных измерений “внешний” конец кабеля подсоединяется к блоку измерительных датчиков, размещенных в макете посыльного зонда с обтекаемой формой и положительной плавучестью (рис. 2). Минимальный состав датчиков в зонде включает в себя измерители давления и температуры воды.

Рис. 2.

Макет зонда с положительной (5 кгс) плавучестью. Черными стрелками показаны датчики давления и температуры.

Первоначально кабель полностью намотан на барабан лебедки, зонд находится вблизи донного блока станции, привод выключен. Питание на зонд в это время не подается, измерение параметров среды не производится. В заданное время на зонд подается электропитание, датчики переходят в режим измерения, после чего включается привод лебедки. Благодаря положительной плавучести зонд квазиравномерно поднимается к поверхности воды, сматывая кабель с барабана лебедки. Скорости подъема зонда (зондирования) и вращения “водила”, управляющего сматыванием кабеля с катушки, являются согласованными для того, чтобы обеспечить плавность движения зонда и предотвратить запутывание и зацепление кабеля за конструктив лебедки. Во время зондирования осуществляется измерение параметров водной среды и передача данных на электронный блок лебедки. В этом блоке проводится регистрация горизонта положения зонда и его изменения во времени. При надежном достижении зондом поверхности воды (определяется по показаниям датчика давления и по отсутствию тренда в изменении горизонта), подается команда остановки лебедки на запрограммированное время. Затем лебедка переключается на намотку кабеля на барабан, и зонд затягивается вниз к барабану донного блока лебедки в режиме проведения измерений.

Чуть ниже зонда на кабеле расположен магнитный ключ. Когда зонд опускается до уровня барабана донной лебедки, магнитный ключ подходит к блоку герконов, подавая сигнал электронному блоку на остановку лебедки и измерений. Станция, получив этот сигнал, автоматически останавливает наматывание кабеля, датчики и привод обесточиваются, и режим измерения прекращается до начала следующего цикла зондирования. Впрочем, можно не прекращать измерение параметров и в режиме нахождения зонда в придонном слое, если есть необходимость в получении таких данных.

В настоящее время посыльный зонд укомплектован датчиком температуры фирмы Honeywell серии 700 с платиновым напылением на керамическую основу и датчиком давления, представляющим собой тензопреобразователь Д-0.6, серийно выпускаемый в г. Орле. Технические характеристики датчиков и самой станции приведены в табл. 2.

В июне 2019 г. ССВЗ вошла в состав многофункциональной системы автоматического измерения параметров водной среды на Полигоне “Геленджик” (ИО РАН) ([3], см. рис. 3). Одно из достоинств этой станции заключается в том, что она не ограничена энергоресурсами, питание на нее поступает по проложенному на дне оптоволоконному кабелю, по которому также передаются данные измерений в береговой центр. ССВЗ может работать в автоматическом или в ручном режиме управления с берегового поста.

Рис. 3.

ССВЗ на дне в районе Голубой бухты г. Геленджик. Лебедка с блоком управления (слева); плавучий посыльный зонд (справа).

ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ССВЗ

На рис. 4 представлены результаты измерений ССВЗ вертикального распределения температуры и его изменения во времени от придонного слоя до поверхности моря.

Рис. 4.

Временнóй разрез изменения вертикального распределения температуры, построенный по данным измерений ССВЗ. Время – локальное.

Измерения проводились в течение 10-ти дней в конце июня–начале июля 2019 г. Глубина места постановки ССВЗ составляла 25.5 м. За счет размера станции (высота 0.5 м) и размера зонда (длина 0.5 м) измерения начинаются на расстоянии одного метра от дна с глубины 24.5 м. Скорость подъема зонда к поверхности моря составляла 12 см/c. При каждом зондировании частота измерений равнялась 1 Гц. Станция работала в автоматическом режиме. Зондирования проводились с периодичностью 2 ч.

Характерной чертой изменчивости вертикального распределения температуры на рис. 4 является наличие колебаний положения термоклина, с общей тенденцией его подъема от начала до конца декадного периода измерений. В значительной степени, это связано с изменчивостью динамики вод [6]. Фактором, свидетельствующим об отсутствии в период измерений сильных ветровых воздействий, является неоднородность вертикального распределения температуры в верхнем 10-метровом слое моря. Физические закономерности изменчивости вертикальных распределений температуры, измеренных с помощью ССВЗ, являются предметом дальнейших научных исследований.

Как уже указывалось выше, на полигоне “Геленджик” установлены и осуществляют регулярные измерения несколько измерительных комплексов. В состав одного из них входит кластер из трех цепочек термодатчиков (термокос) [5] и акустический измеритель скорости течений ADCP фирмы RDI (рис. 5). ССВЗ вошла в состав этого комплекса тоже. Все измерительные приборы данного комплекса обеспечиваются электропитанием, а также осуществляют оперативную передачу измеренных данных в береговой центр по проложенному по дну моря оптоволоконному кабелю. В береговом центре происходит первичная обработка и сохранение данных измерений. Из него также осуществляется управление всеми приборами, подключенными к оптоволоконному кабелю. Это дает возможность оперативно наблюдать за изменением подводной обстановки.

Рис. 5.

Подводный многофункциональный комплекс, подсоединенный к оптоволоконному кабелю в районе Голубой бухты (слева) и расположение измерительных приборов в нем (справа).

Датчики в термокосах расположены на расстоянии около одного метра друг от друга по вертикали и проводят измерения в автоматическом режиме с периодом 10 с. Верхние датчики термокос находятся на глубине около 5–6 м от поверхности. Соответственно термическая структура самого приповерхностного слоя не регистрируется при проведении измерении заякоренными термокосами. На дне в специальной пирамиде расположен профилограф скорости течения ADCP, который проводит измерения профиля скорости течения в водной толще над собой каждые 30 с.

Из схемы, изображенной на рис. 6, видно, что ближайшая термокоса А располагалась в 40 м от ССВЗ. Таким образом, есть смысл сравнить данные измерений температуры, полученные ближайшей к этой станции термокосой А, с измерениями температуры, полученными при проведении зондирований ССВЗ для одного и того же интервала времени (см. рис. 6).

Рис. 6.

Попарные профили температуры, полученные при помощи термокосы А и ССВЗ установленных в поблизости друг от друга для трех различных моментов времени. Измерения были проведены: слева (а)– 27.06.2019 15:42, в центре (б) – 02.07.2019 14:56, справа (в) – 03.07.2019 09:04. Время – локальное.

Попарное сопоставление между собой профилей температуры, измеренных ССВЗ и близко расположенной термокосой в трех различных случаях, показывает, что они могут как практически совпадать друг с другом (рис. 6б), так и существенно отличаться друг от друга (рис. 6а и 6в). Практическое совпадение профилей наблюдается в случаях низкой пространственно-временнóй изменчивости поля температуры в окрестности кластера станций. Существенное различие профилей наблюдается в противоположных случаях, когда пространственно-временнáя изменчивость поля температуры высока. Высокая пространственно-временнáя изменчивость поля температуры может быть вызвана внутренними волнами [5], турбулентными возмущениями и субмезомасштабными вихрями.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Разработана конструкция и изготовлен макет автоматической стационарной станции вертикального зондирования природных водоемов на основе донной лебедки. ССВЗ обеспечивает периодическое профилирование водного столба от придонного слоя до поверхности моря с измерением температуры воды с высоким разрешением. Полученные данные записываются в память станции и передаются по линии связи в прибрежный центр по кабелю, проложенному по дну водоема. По этому кабелю осуществляется также электропитание станции.

Проведены лабораторные и натурные испытания основных узлов станции. По результатам этих испытаний станция включена в состав многофункционального измерительного комплекса Полигона “Геленджик” (ИО РАН) как одно из средств наблюдательного сегмента прибрежной оперативной океанографии.

Одним из недостатков данного макета ССВЗ является низкая скорость движения зонда (порядка 12 см/с). Из-за этого зонд подвержен сильному влиянию вертикальных движений воды, обусловленных поверхностными и внутренними волнами. Другим недостатком является небольшая емкость барабана лебедки, ограничивающая длину намотанного на барабан кабеля. Вследствие этого при большой скорости течения воды, зонд либо не доходит до поверхности моря, либо, достигнув ее, начинает “нырять” при полностью вытравленном кабеле. В силу этих обстоятельств данный макет ССВЗ нельзя устанавливать в море на глубину, превышающую 30 м.

По результатам тестирования данного макета ССВЗ выработаны рекомендации для усовершенствования этой станции. Планируется изготовить ее новый макет с многоходовой укладкой кабеля на барабан емкостью до 150 м кабеля. Будет также в несколько раз увеличена скорость зондирования (до 40–50 см/c), снижено электропотребление станции, чтобы она могла работать в автономном режиме, питаясь от блока встроенных аккумуляторов. Посыльный зонд будет дополнен средствами мобильной связи, чтобы при всплытии на поверхность моря автономно работающая станция могла оперативно передавать измеренные данные. В дальнейшем планируется также дооснащение посыльного зонда дополнительными датчиками – гидрофизическими, гидрохимическими и биооптическими. В результате появится возможность более полного мониторинга ключевых параметров морской среды и проведения комплексных подспутниковых измерений с оперативной передачей данных потребителю.

Источник финансирования. Работа выполнена в рамках темы госбюджета № 0128-2019-0009 и при частичной поддержке грантов РФФИ № 17-05-00381, РФФИ № 19-45-230 002.