下放式海洋觀測是長久以來最常用的一種海洋水體調(diào)查方式，是將儀器吊裝在纜繩下方通過纜車等下放至海底從而獲取全剖面數(shù)據(jù)或不同水層水樣的一種方式，其最典型的應(yīng)用為溫鹽深儀（CTD）大面觀測。自1989年夏威夷大學(xué)（University of Hawaii）的Firing和Gordon（1990）首次嘗試將自容式聲學(xué)多普勒海流計（ADCP）和CTD捆綁在一起進行下放式海洋觀測以來，下放式聲學(xué)多普勒海流剖面儀（LADCP）便越來越多地被應(yīng)用于海洋水體調(diào)查。CTD/LADCP的捆綁式測量保證了一次觀測就可同時獲得海洋測站全剖面的溫度、鹽度、海流等多項海洋要素，且隨著相應(yīng)資料處理技術(shù)的日臻完善，該種測量方式也成為一種主流的觀測方式，在國內(nèi)外各個大型海洋水體調(diào)查航次中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

目前國內(nèi)外最廣泛使用的CTD為Sea-Bird911 Plus CTD。該型CTD為直讀式測量儀器，主要測量海水溫度、電導(dǎo)率和壓力三要素，此外，儀器上還可以加裝其他多種傳感器。整套CTD系統(tǒng)由船基操作部分和水下單元兩部分構(gòu)成，二者之間通過絞車電纜連接。LADCP作為搭載設(shè)備，被安裝在CTD水下單元的框架內(nèi)。目前廣泛使用的LADCP型號為RDIWH 300kHz LADCP，它是一種自容式測量儀器。在大面觀測中，水下單元通過絞車電纜通常以1m/s的速度下放/上升，通過絞車電纜（一般為同軸鎧裝纜）將水下單元測量的物理量實時傳輸?shù)酱喜僮鞑糠郑瑥亩鴮崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲，并實時執(zhí)行采水動作。

2016年執(zhí)行原國家海洋局東印度洋南部水體綜合調(diào)查夏季航次中，我們利用CTD/LADCP進行了大面站觀測。調(diào)查期間，CTD的同軸鎧裝纜頻繁出現(xiàn)折痕，甚至出現(xiàn)自纏繞和打結(jié)現(xiàn)象。這些自纏繞/打結(jié)（以下簡稱為打結(jié)）都出現(xiàn)在離儀器框架200m以內(nèi)，大多出現(xiàn)在幾十米的距離以內(nèi)。

打結(jié)現(xiàn)象的出現(xiàn)使得同軸鎧裝纜的承重力減小，直接威脅到儀器安全和數(shù)據(jù)傳輸。為安全起見，我們在每個大面站觀測完畢后，都不得不密切關(guān)注同軸鎧裝纜的磨損狀況，必要時在打結(jié)處進行斷纜操作，并重新與CTD框架連接。這樣的操作大大增加了工作量，也導(dǎo)致鎧裝纜損失嚴(yán)重，不僅降低了觀測效率、加劇了觀測人員的疲勞程度，還極易造成安全事故。所以，在不斷的斷纜、接纜過程中，我們從觀測實踐出發(fā)，從多個角度分析鎧裝纜出現(xiàn)打結(jié)現(xiàn)象的原因，提出在同軸鎧裝纜與儀器框架之間加裝轉(zhuǎn)環(huán)裝置的改進措施，進而為海洋調(diào)查實踐及相關(guān)應(yīng)用提供一種低成本且有效的實用性改進方案。

⒈作業(yè)海況

調(diào)查期間，調(diào)查海區(qū)的作業(yè)海況會影響海洋觀測資料質(zhì)量、引入測量誤差，并影響觀測安全，同時對海洋觀測實施造成直接影響。

觀測海域位于東印度洋赤道附近的開闊海域，范圍為（85°00′～104°30′E，9°30′S～4°00′N），水深大都在4000m以上。調(diào)查期間正值印度洋夏季季風(fēng)盛行期，大面站調(diào)查伊始就遭遇了比較惡劣的天氣，海況持續(xù)惡劣。整個觀測期間平均風(fēng)速可達7～8m/s，最大風(fēng)速超過10m/s，平均有效波高達3m以上，調(diào)查船側(cè)搖角度最大近40°。

在較差的海況下，調(diào)查船的搖晃幅度較大，此時布放CTD/LADCP存在著較大風(fēng)險。調(diào)查船上的CTD作業(yè)艙位于船頭位置，這種作業(yè)布局使得整個布放過程都處于船只晃動最為劇烈的位置，船只隨海浪上下浮動，導(dǎo)致CTD的水下單元也產(chǎn)生相應(yīng)的上下浮動。當(dāng)儀器布放水深較深時，這種上下浮動產(chǎn)生的應(yīng)力作用在較長的同軸鎧裝纜上，對同軸鎧裝纜產(chǎn)生的影響較小；但當(dāng)儀器接近海面時，同軸鎧裝纜長度短，受到的影響就會大幅度增大。

⒉CTD/LADCP捆綁式觀測水下單元架構(gòu)

大面觀測設(shè)計的CTD/LADCP捆綁式觀測水下單元如圖1所示。采取一上一下并聯(lián)的方式將2臺LADCP（圖1中右側(cè)黃色儀器）安裝于儀器架的同一側(cè)。為保持整個框架的重心平衡，在儀器架LADCP對面位置固定了一些鉛塊。在空氣中整個框架是平衡的，但當(dāng)觀測架入水之后，可能會因為搭載各型號的儀器重量不同、體積不同、安裝位置等而造成水下浮力與重力的力矩不平衡。

圖1 CTD/LADCP捆綁式觀測水下單元

初始設(shè)計中水下觀測單元的框架與同軸鎧裝纜之間用卸扣直接連接，無其他轉(zhuǎn)接裝置，這也是目前觀測中廣泛使用的連接方式。假若CTD框架有旋轉(zhuǎn)，這樣的連接方式產(chǎn)生的扭力會直接傳導(dǎo)到同軸鎧裝纜上。

⒊CTD/LADCP捆綁式觀測水下單元的水下姿態(tài)

下放式觀測過程中，儀器受波浪、海流、浮力、下放速度和船只搖晃等因素的影響，使其姿態(tài)并非穩(wěn)定不變，而是存在著各種方向的姿態(tài)變化。LADCP與CTD框架固定在一起，因此LADCP的姿態(tài)也就代表了整個觀測單元的姿態(tài)。由于LADCP本身帶有姿態(tài)傳感器，為了解CTD/LADCP捆綁式觀測水下單元在觀測過程中的姿態(tài)，可以利用其反演出的儀器縱搖（Pitch）、橫搖（Roll）、艏向（Heading）等姿態(tài)數(shù)據(jù)分析觀測單元的姿態(tài)。艏向為角度值，反映儀器艏向的變化，利用艏向數(shù)據(jù)可以判斷CTD觀測架在水下是否發(fā)生旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

在觀測系統(tǒng)自身重量作用下，儀器的縱搖和橫搖角度變化均是有限的。分析CTD/LADCP捆綁式觀測水下單元在觀測期間的縱搖和橫搖角度以及所在水深隨時間的變化（圖2和圖3）可知：觀測系統(tǒng)在其下放和上升期間，并非處于絕對的垂直狀態(tài)，而是存在一定的傾角，這和觀測系統(tǒng)水下浮力與重力的力矩不平衡有較直接的關(guān)系。該傾角隨時間不斷發(fā)生變化，但其縱搖和橫搖角度大都維持在30°以內(nèi)，且短時間內(nèi)并沒有大角度的變化情況發(fā)生。儀器的縱搖和橫搖角度變化對同軸鎧裝纜應(yīng)力的影響遠(yuǎn)小于艏向角度的變化，即觀測單元在水下的旋轉(zhuǎn)是對同軸鎧裝纜產(chǎn)生應(yīng)力的主要影響因素。

圖2 （88°00′E，4°00′N）站儀器艏向、橫搖和縱搖角度及所在水深隨時間的變化

圖3 （89°30′E，8°00′S）站儀器艏向、橫搖和縱搖角度及所在水深隨時間的變化

分析LADCP的艏向發(fā)現(xiàn)，在布放過程中存在2種比較典型的情況。其中第一種情況是：在整個布放過程中，艏向的數(shù)值沒有太大的變動。如圖2（88°00′E，4°00′N）站下放/上升觀測過程中，儀器姿態(tài)較平穩(wěn)，艏向值在西北方向擺動，沒有旋轉(zhuǎn)發(fā)生，縱、橫搖的角度均維持在0°～30°。第二種情況與第一種情況相反：CTD/LADCP捆綁式觀測水下單元在整個布放過程中，艏向數(shù)值變化較大。如（89°30′E，8°00′S）站CTD/LADCP捆綁式觀測水下單元在下放/上升過程中存在多個時間段（圖3，2016年7月27日17:15前后），艏向數(shù)值在各較短時段內(nèi)變化較大，且在此過程中，縱、橫搖的角度均維持在0°～30°，絕大部分時刻維持在10°之內(nèi)。

選擇（89°30′E，8°00′S）站17:27:30至17:31:20時間段的儀器艏向、橫搖和縱搖角度以及所在水深數(shù)據(jù)，分析其隨時間的變化，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯?/span>17:27:30，艏向數(shù)值為?146.21°（SW向），此時所在水深為4392m。隨著時間推移，LADCP的艏向發(fā)生順時針旋轉(zhuǎn)：17:27:40，艏向轉(zhuǎn)到W向（所在水深為4410m）；17:28:30，艏向轉(zhuǎn)到N向（所在水深為4410m）；17:30:12，艏向轉(zhuǎn)到E向（所在水深為4313m）；17:30:27，艏向轉(zhuǎn)到S向（所在水深為4289m）；17:30:24，艏向轉(zhuǎn)回151°（SW向），所在水深為4288m。在此期間觀測系統(tǒng)的傾角變化幅度較小，縱橫搖的角度變化區(qū)間為0°～10.56°。

圖4 2016年7月27日17:27:30至17:31:20（89°30′E，8°00′S）站儀器艏向、橫搖和縱搖角度及所在水深隨時間的變化

為了更直觀地展示水下單元隨水深的旋轉(zhuǎn)情況，將圖4中對應(yīng)的數(shù)據(jù)進行三維化處理，在角度值和水深值之外，另增加一固定值R為第三維，使得艏向、橫搖角度、縱搖角度和水深值在半徑為R的圓柱體表面變化，繼而得到艏向、橫搖、縱搖隨水深變化的三維圖（圖5）。圖中垂直坐標(biāo)為儀器所在深度，水平坐標(biāo)代表E?W、S?N方位。結(jié)合圖4和圖5可見：在不到3min的時間，艏向便完成了一周的旋轉(zhuǎn)。

圖5 （89°30′E，8°00′S）站儀器艏向、橫搖和縱搖角度隨水深的三維變化

圖6 （89°30′E，8°00′S）站地形及近海底層背景水平流場分布

分析（89°30′E、8°00′S）站的地形和背景流場（圖6）可知，該站東側(cè)為南北向的海溝，西側(cè)為南北向的海底山脊。與之相對應(yīng)的，該站海底附近水平方向海流流向以W向為主，流速不穩(wěn)定，存在由大變小、而后又由小變大的過程。由此，可以認(rèn)為艏向的旋轉(zhuǎn)與海流的不穩(wěn)定有一定關(guān)系，但確切關(guān)系還需進一步確認(rèn)。

⒊同軸鎧裝鎧打結(jié)過程歸納及原因分析

通過對作業(yè)海況、水下單元架構(gòu)、水下姿態(tài)三方面的分析，歸納同軸鎧裝鎧打結(jié)的整個過程如圖7所示。

圖7 鎧裝纜打結(jié)過程

盡管已在儀器架LADCP對面固定了鉛塊以保持整個框架的重心平衡，但由于搭載儀器的型號不同，儀器重量、體積、安裝位置等均存在差異，所以，觀測架在水中存在水下浮力與重力的力矩不平衡現(xiàn)象。搭載儀器的體積不同，故其隨觀測架在水中運動時與運動方向的切面面積也不同，從而導(dǎo)致框架在下放過程中受到海水的阻力出現(xiàn)不均衡。不均衡的阻力，再疊加海流等作用，使得儀器框架整體因受力不均衡而發(fā)生旋轉(zhuǎn)。儀器框架旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭力，會通過連接處直接傳導(dǎo)到同軸鎧裝纜上，并在同軸鎧裝纜上不斷累積。

當(dāng)觀測架上升至海面附近時，若此時海況較差，船只的搖擺幅度會比較大且沒有規(guī)律，船只的搖擺會帶動CTD框架在水下發(fā)生比較劇烈的上下浮動，進而導(dǎo)致同軸鎧裝纜短時間內(nèi)須承受劇烈變化的拉力。船只隨海浪做無規(guī)律搖擺，當(dāng)船只的搖擺偏向于CTD框架時，同軸鎧裝纜受到的拉力會突然變小，累積的扭力就會使得同軸鎧裝纜發(fā)生自纏繞。當(dāng)船只向CTD框架的另一側(cè)搖擺時，同軸鎧裝纜受到的拉力反而會突然變大，自纏繞的同軸鎧裝纜便發(fā)生打結(jié)現(xiàn)象。

通過以上分析可知：同軸鎧裝纜受到的扭力若得不到釋放，就很容易發(fā)生打結(jié)現(xiàn)象；而使同軸鎧裝纜發(fā)生打結(jié)現(xiàn)象的扭力來自于CTD框架自身的旋轉(zhuǎn)。為了能在惡劣海況下繼續(xù)開展大面調(diào)查，在保證全要素觀測的前提下，我們現(xiàn)場研究得出的解決方案為：在同軸鎧裝纜與儀器框架之間加裝轉(zhuǎn)環(huán)，同時數(shù)據(jù)纜留有余量。當(dāng)儀器框架轉(zhuǎn)動時，多余的數(shù)據(jù)纜會纏繞在轉(zhuǎn)環(huán)附近，這樣就釋放了儀器框架旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭力，防止了同軸鎧裝纜“打結(jié)”，消除了自纏繞隱患，從而保證了儀器的安全和數(shù)據(jù)的傳輸。為此，在對CTD觀測架改裝之前，我們準(zhǔn)備了轉(zhuǎn)環(huán)、Kevlar纜、塑料管、雞心環(huán)、鋼纜卡扣、電工膠帶、高壓膠帶、扎帶、木棍等主要材料，如表1所示。

表1 對CTD觀測架改裝準(zhǔn)備的材料

⒈同軸鎧裝纜與CTD框架的連接

主要材料準(zhǔn)備好之后，開始對同軸鎧裝纜與CTD框架進行連接，在儀器框架和同軸鎧裝纜的連接處斷開卸扣的直接連接，增加轉(zhuǎn)環(huán)，并加以改進，改進后的裝置如圖8所示。同軸鎧裝纜與CTD框架具體連接流程如下。

注：1為同軸鎧裝纜；2為鋼纜卡扣；3為轉(zhuǎn)環(huán)；4為框架；5為CTD主機；6為CTD主機連接端；7為數(shù)據(jù)纜固定點；8為纏繞/富余的數(shù)據(jù)纜；9為同軸鎧裝纜-外層鋼纜；10為同軸鎧裝纜-同軸線；11為套管；12為數(shù)據(jù)纜（與8為同一根數(shù)據(jù)纜）；13為Kevlar纜。

圖8 鎧裝纜與CTD框架連接圖

⑴將轉(zhuǎn)環(huán)加裝在框架與同軸鎧裝纜之間。

⑵CTD數(shù)據(jù)纜通過框架上的立桿連接到橫桿數(shù)據(jù)纜固定點，富余的數(shù)據(jù)纜在實際中會纏繞在

轉(zhuǎn)環(huán)上（圖9），數(shù)據(jù)纜穿過套管與同軸鎧裝纜連接，其正極連接同軸鎧裝纜內(nèi)部的同軸線，其負(fù)極連接同軸鎧裝纜外部包裹的鋼絲。將Kevlar纜的上端與轉(zhuǎn)環(huán)的上半部分綁緊，將其下端與數(shù)據(jù)纜固定點固定在一起。再將Kevlar纜和套管并行綁定（圖10）。

注：8為纏繞/富余的數(shù)據(jù)纜。

圖9 富余的數(shù)據(jù)纜纏繞于轉(zhuǎn)環(huán)的示意圖與實物圖

注：7為數(shù)據(jù)纜固定點；11為套管；12為數(shù)據(jù)纜；13為Kevlar纜。

圖10 Kevlar纜與套管并行綁定示意圖

在具體連接同軸鎧裝纜與CTD框架時，注意事項如下。

⑴Kevlar纜與套管并行綁定（圖10）時，Kevlar纜的長度應(yīng)短于套管的長度，綁定時中間應(yīng)設(shè)置幾個合適的捆綁點，目的是當(dāng)數(shù)據(jù)纜纏繞時，使Kevlar纜為主要受力對象、套管為次要受力對象、數(shù)據(jù)纜為不受力對象。纏繞時盡量使Kevlar纜靠里圈，這樣抗磨損效果更好。

⑵用于纏繞的數(shù)據(jù)纜為防水信號纜，選擇設(shè)備自帶的原裝數(shù)據(jù)纜為佳。

⑶套管材質(zhì)耐低溫，在－4℃時套管依然柔軟，所以，纏繞時應(yīng)保護數(shù)據(jù)纜，使其免受損傷。

⑷用于纏繞的數(shù)據(jù)纜外徑應(yīng)小于套管的內(nèi)徑，并能活動自如。

⑸在連接之前，需將纏繞纜梳理順暢，并置于框架上面。

⑹將雞心環(huán)墊安放在同軸鎧裝纜對折處，以增強鎧裝纜強度。

⑺根據(jù)纏繞的材料余量及架子大小差異，選擇不同材料的型號及長度。

⒉回收后數(shù)據(jù)纜纏繞的恢復(fù)

因木質(zhì)材料質(zhì)量輕、質(zhì)地軟（可有效防止與其他器件接觸時造成碰撞或摩擦損壞）、操作方便、現(xiàn)場便于獲取、易于更換、造價低廉等，所以，在需要轉(zhuǎn)動CTD框架時，選擇提前準(zhǔn)備一根長約1m、端頭直徑小于轉(zhuǎn)環(huán)孔徑的木棍進行操作。

當(dāng)CTD回收到船上并離甲板約10cm高時，絞車停止運行，將木棍的一端放在轉(zhuǎn)環(huán)的孔內(nèi)，另一端用手固定住，根據(jù)數(shù)據(jù)纜纏繞的方向逆向轉(zhuǎn)動框架，直到纏繞的部分全部解開，隨即用絞車將CTD框架下放到甲板，固定好即可。

⒊實踐案例

在2016年東印度洋南部水體綜合調(diào)查夏季航次中，于7月21日至8月14日完成了整個大面站的調(diào)查工作，25d內(nèi)共作站102個（含2個周日站），其中10個站位發(fā)生了鋼纜打結(jié)現(xiàn)象?，F(xiàn)場發(fā)生鋼纜打結(jié)現(xiàn)象之后，我們積極在船上就地取材，在同軸鎧裝纜與儀器框架之間加裝轉(zhuǎn)環(huán)裝置，高效解決了鋼纜打結(jié)問題，而且我們不斷改進解決方案，應(yīng)用到了后期的海洋調(diào)查實踐中。

統(tǒng)計分析2016年7月21日至8月14日每日的調(diào)查站位、鋼纜打結(jié)站位數(shù)量，以及平均波高（圖11）可見：整個大面站調(diào)查期間，每日的調(diào)查站位數(shù)量為1～7個；平均波高為1.75～4.50m；在這種作業(yè)海況的背景下，前5日內(nèi)共在7個調(diào)查站位發(fā)生了鋼纜打結(jié)現(xiàn)象，占整個鋼纜打結(jié)站位的70%；而采用我們的改進解決方案后，在其后20天的調(diào)查時間內(nèi)，僅在第9天、第11天、第20天各發(fā)生1次鋼纜打結(jié)現(xiàn)象。

圖11 東印度洋南部水體綜合調(diào)查夏季航次每日調(diào)查站位、鋼纜打結(jié)站位數(shù)量及平均波高時序分布

從整體分布來看，在類似的作業(yè)海況下，鋼纜打結(jié)站位絕大多數(shù)集中在調(diào)查航次前段，其分布規(guī)律與每日的調(diào)查站位及平均波高未呈現(xiàn)相關(guān)性。這充分說明利用本文方案中的增加機械轉(zhuǎn)環(huán)及附屬結(jié)構(gòu)等改進措施，能夠有效避免鋼纜打結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生。

本文結(jié)合實測數(shù)據(jù)，從海洋調(diào)查中遇到的實際問題出發(fā)，分析了下放式海洋觀測中同軸鎧裝纜打結(jié)狀況的發(fā)生原因，并對同軸鎧裝纜打結(jié)的整體過程進行了歸納總結(jié)，進而提出解決方案并在實踐中檢驗。主要結(jié)論如下。

⑴從作業(yè)海況、水下單元架構(gòu)、水下姿態(tài)三方面開展研究，得知儀器觀測架在布放過程存在旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭力作用于同軸鎧裝纜；扭力得不到釋放，在海況較差的情況下就極易造成同軸鎧裝纜的打結(jié)。

⑵通過增加機械轉(zhuǎn)環(huán)及附屬結(jié)構(gòu)，有效避免了CTD鎧裝纜由于自纏繞造成的“打結(jié)”現(xiàn)象，消除了鎧裝纜存在的安全隱患，從而確保了儀器的安全及數(shù)據(jù)的順利傳輸。此方法可提高工作效率，減少斷纜及接纜的重復(fù)工作，并具有施工簡單、易操作、材料易獲取、成本低等優(yōu)點。

⑶在2016年東印度洋南部水體綜合調(diào)查夏季航次的執(zhí)行過程中，運用本文方法很好地解決了鎧裝纜自纏繞造成的“打結(jié)”現(xiàn)象，為順利完成航次調(diào)查任務(wù)起到了重要作用。該解決方案可以較低的成本有效解決鎧裝纜及類似裝置打結(jié)問題，保障觀測儀器和數(shù)據(jù)的安全，可廣泛應(yīng)用于海洋調(diào)查或類似作業(yè)情況。

END