下放式海洋观测是长久以来最常用的一种海洋水体调查方式，是将仪器吊装在缆绳下方通过缆车等下放至海底从而获取全剖面数据或不同水层水样的一种方式，其最典型的应用为温盐深仪（CTD）大面观测。自1989年夏威夷大学（University of Hawaii）的Firing和Gordon（1990）首次尝试将自容式声学多普勒海流计（ADCP）和CTD捆绑在一起进行下放式海洋观测以来，下放式声学多普勒海流剖面仪（LADCP）便越来越多地被应用于海洋水体调查。CTD/LADCP的捆绑式测量保证了一次观测就可同时获得海洋测站全剖面的温度、盐度、海流等多项海洋要素，且随着相应资料处理技术的日臻完善，该种测量方式也成为一种主流的观测方式，在国内外各个大型海洋水体调查航次中发挥关键作用。
目前国内外最广泛使用的CTD为Sea-Bird911 Plus CTD。该型CTD为直读式测量仪器，主要测量海水温度、电导率和压力三要素，此外，仪器上还可以加装其他多种传感器。整套CTD系统由船基操作部分和水下单元两部分构成，二者之间通过绞车电缆连接。LADCP作为搭载设备，被安装在CTD水下单元的框架内。目前广泛使用的LADCP型号为RDIWH 300kHz LADCP，它是一种自容式测量仪器。在大面观测中，水下单元通过绞车电缆通常以1m/s的速度下放/上升，通过绞车电缆（一般为同轴铠装缆）将水下单元测量的物理量实时传输到船上操作部分，从而实现数据的实时显示、存储，并实时执行采水动作。
2016年执行原国家海洋局东印度洋南部水体综合调查夏季航次中，我们利用CTD/LADCP进行了大面站观测。调查期间，CTD的同轴铠装缆频繁出现折痕，甚至出现自缠绕和打结现象。这些自缠绕/打结（以下简称为打结）都出现在离仪器框架200m以内，大多出现在几十米的距离以内。
打结现象的出现使得同轴铠装缆的承重力减小，直接威胁到仪器安全和数据传输。为安全起见，我们在每个大面站观测完毕后，都不得不密切关注同轴铠装缆的磨损状况，必要时在打结处进行断缆操作，并重新与CTD框架连接。这样的操作大大增加了工作量，也导致铠装缆损失严重，不仅降低了观测效率、加剧了观测人员的疲劳程度，还极易造成安全事故。所以，在不断的断缆、接缆过程中，我们从观测实践出发，从多个角度分析铠装缆出现打结现象的原因，提出在同轴铠装缆与仪器框架之间加装转环装置的改进措施，进而为海洋调查实践及相关应用提供一种低成本且有效的实用性改进方案。
一、铠装缆打结现象原因分析
⒈作业海况
调查期间，调查海区的作业海况会影响海洋观测资料质量、引入测量误差，并影响观测安全，同时对海洋观测实施造成直接影响。
观测海域位于东印度洋赤道附近的开阔海域，范围为（85°00′～104°30′E，9°30′S～4°00′N），水深大都在4000m以上。调查期间正值印度洋夏季季风盛行期，大面站调查伊始就遭遇了比较恶劣的天气，海况持续恶劣。整个观测期间平均风速可达7～8m/s，最大风速超过10m/s，平均有效波高达3m以上，调查船侧摇角度最大近40°。
在较差的海况下，调查船的摇晃幅度较大，此时布放CTD/LADCP存在着较大风险。调查船上的CTD作业舱位于船头位置，这种作业布局使得整个布放过程都处于船只晃动最为剧烈的位置，船只随海浪上下浮动，导致CTD的水下单元也产生相应的上下浮动。当仪器布放水深较深时，这种上下浮动产生的应力作用在较长的同轴铠装缆上，对同轴铠装缆产生的影响较小；但当仪器接近海面时，同轴铠装缆长度短，受到的影响就会大幅度增大。
⒉CTD/LADCP捆绑式观测水下单元架构
大面观测设计的CTD/LADCP捆绑式观测水下单元如图1所示。采取一上一下并联的方式将2台LADCP（图1中右侧黄色仪器）安装于仪器架的同一侧。为保持整个框架的重心平衡，在仪器架LADCP对面位置固定了一些铅块。在空气中整个框架是平衡的，但当观测架入水之后，可能会因为搭载各型号的仪器重量不同、体积不同、安装位置等而造成水下浮力与重力的力矩不平衡。
图1 CTD/LADCP捆绑式观测水下单元
初始设计中水下观测单元的框架与同轴铠装缆之间用卸扣直接连接，无其他转接装置，这也是目前观测中广泛使用的连接方式。假若CTD框架有旋转，这样的连接方式产生的扭力会直接传导到同轴铠装缆上。
⒊CTD/LADCP捆绑式观测水下单元的水下姿态
下放式观测过程中，仪器受波浪、海流、浮力、下放速度和船只摇晃等因素的影响，使其姿态并非稳定不变，而是存在着各种方向的姿态变化。LADCP与CTD框架固定在一起，因此LADCP的姿态也就代表了整个观测单元的姿态。由于LADCP本身带有姿态传感器，为了解CTD/LADCP捆绑式观测水下单元在观测过程中的姿态，可以利用其反演出的仪器纵摇（Pitch）、横摇（Roll）、艏向（Heading）等姿态数据分析观测单元的姿态。艏向为角度值，反映仪器艏向的变化，利用艏向数据可以判断CTD观测架在水下是否发生旋转现象。
在观测系统自身重量作用下，仪器的纵摇和横摇角度变化均是有限的。分析CTD/LADCP捆绑式观测水下单元在观测期间的纵摇和横摇角度以及所在水深随时间的变化（图2和图3）可知：观测系统在其下放和上升期间，并非处于绝对的垂直状态，而是存在一定的倾角，这和观测系统水下浮力与重力的力矩不平衡有较直接的关系。该倾角随时间不断发生变化，但其纵摇和横摇角度大都维持在30°以内，且短时间内并没有大角度的变化情况发生。仪器的纵摇和横摇角度变化对同轴铠装缆应力的影响远小于艏向角度的变化，即观测单元在水下的旋转是对同轴铠装缆产生应力的主要影响因素。
图2 （88°00′E，4°00′N）站仪器艏向、横摇和纵摇角度及所在水深随时间的变化
图3 （89°30′E，8°00′S）站仪器艏向、横摇和纵摇角度及所在水深随时间的变化
分析LADCP的艏向发现，在布放过程中存在2种比较典型的情况。其中第一种情况是：在整个布放过程中，艏向的数值没有太大的变动。如图2（88°00′E，4°00′N）站下放/上升观测过程中，仪器姿态较平稳，艏向值在西北方向摆动，没有旋转发生，纵、横摇的角度均维持在0°～30°。第二种情况与第一种情况相反：CTD/LADCP捆绑式观测水下单元在整个布放过程中，艏向数值变化较大。如（89°30′E，8°00′S）站CTD/LADCP捆绑式观测水下单元在下放/上升过程中存在多个时间段（图3，2016年7月27日17:15前后），艏向数值在各较短时段内变化较大，且在此过程中，纵、横摇的角度均维持在0°～30°，绝大部分时刻维持在10°之内。
选择（89°30′E，8°00′S）站17:27:30至17:31:20时间段的仪器艏向、横摇和纵摇角度以及所在水深数据，分析其随时间的变化，结果如图4所示。可以看出：17:27:30，艏向数值为−146.21°（SW向），此时所在水深为4392m。随着时间推移，LADCP的艏向发生顺时针旋转：17:27:40，艏向转到W向（所在水深为4410m）；17:28:30，艏向转到N向（所在水深为4410m）；17:30:12，艏向转到E向（所在水深为4313m）；17:30:27，艏向转到S向（所在水深为4289m）；17:30:24，艏向转回151°（SW向），所在水深为4288m。在此期间观测系统的倾角变化幅度较小，纵横摇的角度变化区间为0°～10.56°。
图4 2016年7月27日17:27:30至17:31:20（89°30′E，8°00′S）站仪器艏向、横摇和纵摇角度及所在水深随时间的变化
为了更直观地展示水下单元随水深的旋转情况，将图4中对应的数据进行三维化处理，在角度值和水深值之外，另增加一固定值R为第三维，使得艏向、横摇角度、纵摇角度和水深值在半径为R的圆柱体表面变化，继而得到艏向、横摇、纵摇随水深变化的三维图（图5）。图中垂直坐标为仪器所在深度，水平坐标代表E−W、S−N方位。结合图4和图5可见：在不到3min的时间，艏向便完成了一周的旋转。
图5 （89°30′E，8°00′S）站仪器艏向、横摇和纵摇角度随水深的三维变化
图6 （89°30′E，8°00′S）站地形及近海底层背景水平流场分布
分析（89°30′E、8°00′S）站的地形和背景流场（图6）可知，该站东侧为南北向的海沟，西侧为南北向的海底山脊。与之相对应的，该站海底附近水平方向海流流向以W向为主，流速不稳定，存在由大变小、而后又由小变大的过程。由此，可以认为艏向的旋转与海流的不稳定有一定关系，但确切关系还需进一步确认。
⒊同轴铠装铠打结过程归纳及原因分析
通过对作业海况、水下单元架构、水下姿态三方面的分析，归纳同轴铠装铠打结的整个过程如图7所示。
图7 铠装缆打结过程
尽管已在仪器架LADCP对面固定了铅块以保持整个框架的重心平衡，但由于搭载仪器的型号不同，仪器重量、体积、安装位置等均存在差异，所以，观测架在水中存在水下浮力与重力的力矩不平衡现象。搭载仪器的体积不同，故其随观测架在水中运动时与运动方向的切面面积也不同，从而导致框架在下放过程中受到海水的阻力出现不均衡。不均衡的阻力，再叠加海流等作用，使得仪器框架整体因受力不均衡而发生旋转。仪器框架旋转产生的扭力，会通过连接处直接传导到同轴铠装缆上，并在同轴铠装缆上不断累积。
当观测架上升至海面附近时，若此时海况较差，船只的摇摆幅度会比较大且没有规律，船只的摇摆会带动CTD框架在水下发生比较剧烈的上下浮动，进而导致同轴铠装缆短时间内须承受剧烈变化的拉力。船只随海浪做无规律摇摆，当船只的摇摆偏向于CTD框架时，同轴铠装缆受到的拉力会突然变小，累积的扭力就会使得同轴铠装缆发生自缠绕。当船只向CTD框架的另一侧摇摆时，同轴铠装缆受到的拉力反而会突然变大，自缠绕的同轴铠装缆便发生打结现象。
二、解决方案
通过以上分析可知：同轴铠装缆受到的扭力若得不到释放，就很容易发生打结现象；而使同轴铠装缆发生打结现象的扭力来自于CTD框架自身的旋转。为了能在恶劣海况下继续开展大面调查，在保证全要素观测的前提下，我们现场研究得出的解决方案为：在同轴铠装缆与仪器框架之间加装转环，同时数据缆留有余量。当仪器框架转动时，多余的数据缆会缠绕在转环附近，这样就释放了仪器框架旋转产生的扭力，防止了同轴铠装缆“打结”，消除了自缠绕隐患，从而保证了仪器的安全和数据的传输。为此，在对CTD观测架改装之前，我们准备了转环、Kevlar缆、塑料管、鸡心环、钢缆卡扣、电工胶带、高压胶带、扎带、木棍等主要材料，如表1所示。
表1 对CTD观测架改装准备的材料
⒈同轴铠装缆与CTD框架的连接
主要材料准备好之后，开始对同轴铠装缆与CTD框架进行连接，在仪器框架和同轴铠装缆的连接处断开卸扣的直接连接，增加转环，并加以改进，改进后的装置如图8所示。同轴铠装缆与CTD框架具体连接流程如下。
注：1为同轴铠装缆；2为钢缆卡扣；3为转环；4为框架；5为CTD主机；6为CTD主机连接端；7为数据缆固定点；8为缠绕/富余的数据缆；9为同轴铠装缆-外层钢缆；10为同轴铠装缆-同轴线；11为套管；12为数据缆（与8为同一根数据缆）；13为Kevlar缆。
图8 铠装缆与CTD框架连接图
⑴将转环加装在框架与同轴铠装缆之间。
⑵CTD数据缆通过框架上的立杆连接到横杆数据缆固定点，富余的数据缆在实际中会缠绕在
转环上（图9），数据缆穿过套管与同轴铠装缆连接，其正极连接同轴铠装缆内部的同轴线，其负极连接同轴铠装缆外部包裹的钢丝。将Kevlar缆的上端与转环的上半部分绑紧，将其下端与数据缆固定点固定在一起。再将Kevlar缆和套管并行绑定（图10）。
注：8为缠绕/富余的数据缆。
图9 富余的数据缆缠绕于转环的示意图与实物图
注：7为数据缆固定点；11为套管；12为数据缆；13为Kevlar缆。
图10 Kevlar缆与套管并行绑定示意图
在具体连接同轴铠装缆与CTD框架时，注意事项如下。
⑴Kevlar缆与套管并行绑定（图10）时，Kevlar缆的长度应短于套管的长度，绑定时中间应设置几个合适的捆绑点，目的是当数据缆缠绕时，使Kevlar缆为主要受力对象、套管为次要受力对象、数据缆为不受力对象。缠绕时尽量使Kevlar缆靠里圈，这样抗磨损效果更好。
⑵用于缠绕的数据缆为防水信号缆，选择设备自带的原装数据缆为佳。
⑶套管材质耐低温，在－4℃时套管依然柔软，所以，缠绕时应保护数据缆，使其免受损伤。
⑷用于缠绕的数据缆外径应小于套管的内径，并能活动自如。
⑸在连接之前，需将缠绕缆梳理顺畅，并置于框架上面。
⑹将鸡心环垫安放在同轴铠装缆对折处，以增强铠装缆强度。
⑺根据缠绕的材料余量及架子大小差异，选择不同材料的型号及长度。
⒉回收后数据缆缠绕的恢复
因木质材料质量轻、质地软（可有效防止与其他器件接触时造成碰撞或摩擦损坏）、操作方便、现场便于获取、易于更换、造价低廉等，所以，在需要转动CTD框架时，选择提前准备一根长约1m、端头直径小于转环孔径的木棍进行操作。
当CTD回收到船上并离甲板约10cm高时，绞车停止运行，将木棍的一端放在转环的孔内，另一端用手固定住，根据数据缆缠绕的方向逆向转动框架，直到缠绕的部分全部解开，随即用绞车将CTD框架下放到甲板，固定好即可。
⒊实践案例
在2016年东印度洋南部水体综合调查夏季航次中，于7月21日至8月14日完成了整个大面站的调查工作，25d内共作站102个（含2个周日站），其中10个站位发生了钢缆打结现象。现场发生钢缆打结现象之后，我们积极在船上就地取材，在同轴铠装缆与仪器框架之间加装转环装置，高效解决了钢缆打结问题，而且我们不断改进解决方案，应用到了后期的海洋调查实践中。
统计分析2016年7月21日至8月14日每日的调查站位、钢缆打结站位数量，以及平均波高（图11）可见：整个大面站调查期间，每日的调查站位数量为1～7个；平均波高为1.75～4.50m；在这种作业海况的背景下，前5日内共在7个调查站位发生了钢缆打结现象，占整个钢缆打结站位的70%；而采用我们的改进解决方案后，在其后20天的调查时间内，仅在第9天、第11天、第20天各发生1次钢缆打结现象。
图11 东印度洋南部水体综合调查夏季航次每日调查站位、钢缆打结站位数量及平均波高时序分布
从整体分布来看，在类似的作业海况下，钢缆打结站位绝大多数集中在调查航次前段，其分布规律与每日的调查站位及平均波高未呈现相关性。这充分说明利用本文方案中的增加机械转环及附属结构等改进措施，能够有效避免钢缆打结现象的发生。
三、结论
本文结合实测数据，从海洋调查中遇到的实际问题出发，分析了下放式海洋观测中同轴铠装缆打结状况的发生原因，并对同轴铠装缆打结的整体过程进行了归纳总结，进而提出解决方案并在实践中检验。主要结论如下。
⑴从作业海况、水下单元架构、水下姿态三方面开展研究，得知仪器观测架在布放过程存在旋转，旋转产生的扭力作用于同轴铠装缆；扭力得不到释放，在海况较差的情况下就极易造成同轴铠装缆的打结。
⑵通过增加机械转环及附属结构，有效避免了CTD铠装缆由于自缠绕造成的“打结”现象，消除了铠装缆存在的安全隐患，从而确保了仪器的安全及数据的顺利传输。此方法可提高工作效率，减少断缆及接缆的重复工作，并具有施工简单、易操作、材料易获取、成本低等优点。
⑶在2016年东印度洋南部水体综合调查夏季航次的执行过程中，运用本文方法很好地解决了铠装缆自缠绕造成的“打结”现象，为顺利完成航次调查任务起到了重要作用。该解决方案可以较低的成本有效解决铠装缆及类似装置打结问题，保障观测仪器和数据的安全，可广泛应用于海洋调查或类似作业情况。
【作者简介】文/云升军 郭延良 熊学军 于龙，分别来自自然资源部第一海洋研究所、自然资源部海洋环境科学与数值模拟重点实验室、山东省海洋环境科学与数值模拟重点实验室、青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室。第一作者云升军，1970年出生，男，工程师，主要从事区域海洋学和调查技术方面研究；通信作者郭延良，1988年出生，男，助理工程师，硕士，主要从事区域海洋学和调查技术方面研究。本文为基金项目，国家自然科学基金青年基金项目（41806123和41706034）、中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目（2020Q05）、山东省自然科学基金项目（ZR2022MD020）。
END
信息来源 | 文章来自《海岸工程》（2023年第3期），参考文章略，用于学习与交流，版权归出版单位与作者所有。
转载：由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。
声明：本公众号相关内容均来自主流媒体及公众号，非商业用途，并不意味着赞同其观点或证实其内容的真实性。版权归原作者所有，如有发现侵犯您的权益，请后台联系编辑，我们会尽快删除相关侵权内容。