Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Комплексная система технических средств для поиска и прогноза рыбных скоплений по косвенным признакам
1.1. Измерители промыслово-значимых факторов среды 16
1.1.1. Измерители СТД-параметров 19
1.1.1.1. Датчики температуры 19
1.1.1.2. Автономные регистраторы температуры 21
1.1.1.3. Датчики электропроводности 23
1.1.1.4. Датчики гидростатического давления 25
1.1.1.5. СТД-зонды 28
1.1.2. Электродные измерители гидрохимических параметров 33
1.1.2.1. Датчики растворенного кислорода З 3
1.1.2.2. Датчики и измерители рН. 36 1.1.3 Измерители светового режима 3 9
1.1.4. Оценка кормовой базы рыбных скоплений на основе оптических принципов измерений 41
1.1.4.1. Измерители биолюминисценции 43
1.1.4.2. Классические флюориметры 45
1.1.4.3. Нелинейные флюориметры (продукциометры) 48
1.1.4.4. Спектральные флюориметры 50
1.1.1.1. Флюоресцентный датчик растворенного кислорода 52
1.1.4.1. Спектральные измерители ослабления 53 направленного света
1.1.4.2. Измерители размерно-количественных 56 характеристик мезопланктона
1.2. Измерительные комплексы и системы 58
1.2.1. Зондирующие комплексы для работы на станциях 59
1.2.1.1. Пробоотборники для зондирующих комплексов 61
1.2.2. Измерительные системы для работы на ходу судна 67
1.2.2.1. Возвратные сбрасываемые зонды 70
1.3. Палубно-лабораторные комплексы экспедиционных судов 72
1.3.1. Оборудование центра забортных работ 73
1.3.2. Варианты конфигурации центра забортных работ 77
1.4. Экспедиционные суда для промысловых исследований 81
1.4.1. Классификация экспедиционных судов 82
1.4.2. Конструктивные особенности зарубежных судов, связанные со спецификой промысловых исследований 84
1.4.3 Анализ расположения и состава ПЛК на НИС и НПС 87
1.4.3.1. Новые НИС - суда, построенные вокруг ПЛК 88
1.4.3.2. Особенности новых НИС США (проект FRV-40) 95
1.4.3.3. НПС - интеграция ПЛК в конструкцию траулера 99
Глава 2 Критерии выбора измерителей для выполнения промысловых задач на примере СТД-зондов 104
2.1. Анализ качества измерений промыслово-значимых параметров 104
2.2. Точностные критерии промыслово-значимых параметров для решения промысловых задач разного уровня 107
2.2.1. Масштабность исследований ' 109 2.2Л. 1. Классификация СТД-зондов 111
2.2.2. Критерии, вызванные расчетом вторичных параметров 115
2.2.3. Метрологическое обеспечение СТД-зондов 118
2.2.3.1. Создание калибровочного комплекса ВНИРО 119
2.2.3.2. Совершенствование методики калибровки СТД-зондов по электропроводности нормальной воды 122
2.2.3.3. Методические результаты 15-летнего функционирования калибровочного комплекса 143
2.2.4. Экспериментальная оценка пригодности использования 126
разных типов СТД-зондов в промысловых исследованиях
2.2АЛ. Исследование характеристик СТД-зондов при совместном зондировании продуктивного слоя
2.2.4.2. Исследование характеристик СТД-зондов при 134
имитации погружения в воде постоянной солености
Глава 3 Разработка методов и приборов, основанных на оптических принципах измерений, для исследований кормовой базы промысловых скоплений 143
3.1. Разработка методики оценки промыслово-значимых характеристик водных масс по их прозрачности 143
3.1.1. Результаты применения прозрачномера ЛФП-2 в съемке промысловых районов ЮВТО 145
3.1.2. Исследование возможности применения прозрачномера ЛФП-2 для оценки распределения фитопланктона 159
3.2. Разработка теневых измерители размерно-количественных характеристик мезопланктона и примеры их использования 167
3.2.1. Первое поколение лазерных измерителей планктона с концентрирующей сетью (зонд ТРАП-4) 167
3.2.2. Зонд ТРАП-7 — в качестве дополнительного датчика для зондирующих комплексов 171
3.2.3. Примеры использования зондов серии ТРАП. 175
3.2.4. Вопросы методики применения оптических счетчиков 182
Глава 4 Новая технология фоновых съемок, как один из путей сокращения продолжительности экспедиций и поиска промысловых скоплений 188
4.1. Сокращение продолжительности станций за счет комплексирования зондирующей аппаратуры. 191
4.1.1. Оптимизация состава зондирующих комплексов для оценки промыслово-значимых параметров среды 192
4.1.2. Реализованные варианты комплексирования 196
4.1.2.1. Комплексная аппаратура ОКА 197
4.1.2.2. Интегрированный зондирующий комплекс 199
4.2. Сокращение продолжительности съемок в результате применения некоторых систем измерений на ходу судна 201
4.2.1. Устройство и результаты применения проточных систем с 202
прокачкой забортной воды в промысловых съемках
4.2.1.1. Проточная установка НПС "Академик Книпович" 202
4.2.1.2. Система "Проток" на РТМ-С "Возрождение" 205
4.2.2. Пассивные буксируемые системы с гирляндами датчиков 208
4.2.2.1. Термокоса "Сейнер" и результаты ее применения 209
для оценки условий распределения каспийской анчоус ОБИДНОЙ кильки 4.2.3. Активные буксируемые системы (ондуляторы) 216
4.2.3.1. Разработка методики применения ондулятора "Aquashuttle" в промысловых исследованиях 217
4.2.3.2. Результаты применения ондулятора в съемке промысловых районов Норвежского моря 223
Глава 5 Конструктивные особенности экспедиционных судов и 228
палубно-лабораторных комплексов (ПЛК) в связи с промысловой спецификой 5.1. Общие вопросы разработки ПЛК для отраслевых судов 228
5.1.1. Обобщенные требования к составу и расположению ПЛК 228
5.1.2 Оборудование и конфигурация центра забортных работ 230
5.1.3 Методика выбора лебедок для зондирующих комплексов 234
5.2. Разработка ПЛК для действующих отраслевых судов 247
5.2.1. Проект модернизации ПЛК для НИС пр. 12961- 247 "Исследователь Каспия" и "Профессор Бойко"
5.2.2. Проект ПЛК для НИС М-0102 "Вильнюс'ТНИС М-0103 253 "Смоленск" (пр. 1441)
5.2.2.1. Вариант 1. Распределенный ПЛК 253
5.2.2.2. Вариант 2. Интегрированный ПЛК 257 5.2.3. Проект ПЛК для промысловых судов на примере 262
оборудования траулера "Александр Масленников"
5.3. Разработка новых проектов НПС 265
5.3.1. НПС на основе проекта 05025РПМ ЦКБ "ШХУНА" 266
5.3.1.1. ПЛК с центром забортных работ типа "Open Yard" 267
5.3.2. Разработка новых отраслевых НПС с электродвижением 271
5.3.2.1. Пр. ТК-5345 совместной разработки с А/О Hollming 271
5.3.2.2. Разработка исходных требований к НПС нового поколения на основе арктического траулера
Заключение 281
Список использованной литературы
- Автономные регистраторы температуры
- Точностные критерии промыслово-значимых параметров для решения промысловых задач разного уровня
- Результаты применения прозрачномера ЛФП-2 в съемке промысловых районов ЮВТО
- Оптимизация состава зондирующих комплексов для оценки промыслово-значимых параметров среды
Введение к работе
Актуальность. В настоящее время, в связи с сокращением запасов в традиционных районах промысла и необходимостью поиска новых, все большее значение приобретает техника экспедиционных исследований среды. Здесь значение слова "техника" охватывает технические средства, инструментальные методики и технологию ведения исследований для поиска запасов промысловых гидробионтов по косвенным признакам.
В промышленном рыболовстве выделяются основные направления и очевидные связи объектов и среды, диктующие необходимые, но еще не достаточные условия существования объектов промысла [Гершанович, Кочиков, 1986]. В частности, их реакцию на такие абиотические факторы, как температура, соленость, концентрация кислорода [Адров, 1975; Сапожников, 1991], освещенность [Зуссер, 1967; Протасов, 1978; Чуксин, 1971]. Из биотических факторов наиболее существенной считается обеспеченность рыбы пищей (фито- и зоопланктон) [Parsons, Takahashi, 1973]. Эти же факторы исследуются и в промысловой океанологии [Ижевский, 1961; Юданов, 1998]. Разница состоит в подходе - в промышленном рыболовстве, дисциплине практической, исследования ведутся "от рыбы". Промысловая океанология в большей степени охватывает теоретический аспект - "от водоема". Но в отношении методов и технических средств разница весьма условна, что позволяет рассматривать совместно их для обеих дисциплин.
До 70-х годов, арсенал технических средств состоял из устройств для отбора проб и простейших измерителей. С развитием измерительной и вычислительной техники, а также появлением информационных технологий, в промысловой науке начинает формироваться новое научно-техническое направление - техника экспедиционных исследований (ТЭИ), что схоже с появлением "технической океанологии" [Михальцев, 1998; Заферман, 1999.]. В круг рассматриваемых вопросов нового направления входят:
инструментальные методы, в том числе измерительная аппаратура и ее носители, обеспечивающие исследования среды обитания промысловых гидробионтов;
программно-аппаратные средства для калибровки и поверки экспедиционной измерительной аппаратуры;
палубно-лабораторные комплексы, их функциональные элементы, а также конструктивные особенности экспедиционных судов.
Новое направление призвано обеспечивать исследования, как в промышленном рыболовстве, так и промысловой океанологии. Необходимость такого объединения вызвана тем, что, с одной стороны, океанология, имеющая более высокий исследовательский потенциал, инициирует появление новых инструментальных методов, а с другой стороны, внедрение их в практику промышленного рыболовства позволяет увеличить поток информации, необходимой для анализа и прогнозов. При этом, для сохранения информации, как наиболее затратной части экспедиционных исследований, требуется сопоставимость данных, полученных из разных источников и в разное время, что возможно только при соблюдении принципа единства методов и средств.
Однако, как теоретические основы, так и техническая база нового направления пока имеют явно неравноценный характер. Исторически, здесь преобладают методы классической океанографии. В меньшей степени применяются методы других наук, причем заимствование часто носит формальный характер без учета промысловой специфики. В результате, с одной стороны, среди множества разных измерителей абиотических параметров водной среды трудно найти аппаратуру, требуемую для решения конкретных промысловых задач. С другой стороны, почти полное отсутствие методов оценки кормовой базы in situ приводит к методологическому разрыву в комплексных исследованиях. Инструментальная специфика также
часто не учитывается при проектировании как палубно-лабораторных комплексов (ПЛК), так и самих экспедиционных судов.
Планируемое обновление отраслевого научно-исследовательского флота в соответствии с Морской Доктриной России [2001] и Концепцией развития рыбного хозяйства до 2020 года [2003] определяет неотложность решения данной проблемы и актуальность работы, особенно очевидную при переходе на новые экономические условия ведения экспедиционных исследований.
Цель и задачи работы. Целью работы является создание комплексной системы технических средств для поиска и прогноза рыбных скоплений по косвенным признакам, как основы нового направления в промысловой науке - техники экспедиционных исследований. Элементы иерархического ряда технических средств на всех уровнях (от простых измерителей до ПЛК и экспедиционных судов) обязаны обеспечивать как решение задач отдельными исследователями на промысловых судах, так и проведение комплексных экспедиций на НИС (рис. 1).
Конкретными техническими и методическими задачами, решаемыми в настоящей работе, являются:
определение перечня промыслово-значимых параметров водной среды, достоверно определяемых инструментальными методами, и их точностных критериев для промысловых задач разного уровня;
анализ существующих измерителей параметров среды и разработка новых, выбор оптимального ряда с учетом промысловой специфики;
синтез аппаратурных комплексов для экспедиционных работ, как на станциях, так и на ходу судна;
разработка оптимального состава ПЛК для существующих проектов НИС, НПС и ПС с учетом их конструктивных особенностей.
Промыслово-значимые факторы среды
і ч і ^ і ^ і )
І Температура і I Движение вод і I Световой режим і I Кормовая база і
Оптические
Метрологическое обеспечение
Измерители
СТД параметров
Электродные
Измерительные комплексы для работы:
г 1
і на ходу судна і
Бортовые системы
Кабельные с отбором проб
Забортные
і на станциях j
i^^^^^^Hl-
Автономные с памятью
\
Распределенные
Интегрированные
Буксируемые системы
V і * \
V Пассивные ъ
Активные
Проточные
Палубно-лабораторные комплексы
Лебедки
Кабельные
Тросовые
Гидравлические
Электро-гидравлические
Укрытия для погружных устройств
Ангары
Контейнеры
Электрические
борту
4>У**
В надстройке
Спуско-подъемные устройства
Выстрелы
Кран-балки
Заваливающиеся
Поворотные
Промысловые суда (ПС)
Экспедиционные суда
Научно-промысловые суда (НПО
Научно-исследовательские суда (НИС)
Новые проекты Переработанные проекты ПС Перестроенные ПС
С дизельной СЭУ С дизель-электрической СЭУ
Дооборудованные ПС
Рис. 1 Структура комплексной системы технических средств (выделены элементы в разработке которых принимал участие автор)
Общая методика исследований. Диссертация содержит результаты теоретических и экспериментальных исследований. В первую очередь были определены предмет, цели и задачи нового направления в промышленном рыболовстве. Затем проведен анализ имеющихся научных наработок в этом направлении и по основным проблемам, требующим решения, разработаны методы исследований. Далее, рассмотрены наиболее важные задачи, на основе которых с широким привлечением экспериментальных данных решены частные, имеющие практическое значение. В необходимых случаях эффективность принятых решений проверена в промысловых условиях.
Основные положения, выносимые на защиту:
Структура комплексной системы технических средств для поиска и прогноза промысловых скоплений по косвенным признакам, как основа нового направления в промышленном рыболовстве.
Методы и аппаратура на основе оптических принципов измерений для оценки кормовой базы рыбных скоплений.
Оптимизация состава зондирующих комплексов и разработка новых технологий исследований на ходу судна, как средство сокращения продолжительности экспедиций и повышения их информативности.
Конструктивные и организационные решения в разработке вариантов палубно-лабораторных комплексов в связи с особенностями экспедиционных судов и применяемыми средствами оценки параметров среды.
Научная новизна работы. Впервые, сформированы основы нового направления в промышленном рыболовстве в виде комплексной системы технических средств для поиска и прогноза рыбных скоплений по косвенным признакам. В том числе, автором впервые теоретически и экспериментально обосновано, разработано и реализовано следующее:
Сформирован ряд измерителей промыслово-значимых характеристик водной среды, рекомендуемых для решения научных и промысловых задач разного уровня, при этом:
исследована реакция датчиков электропроводности основных типов СТД-зондов в совместных зондированиях продуктивного слоя;
исследована стабильность характеристик СТД зондов при имитации погружения до 2000 м в гипербарической камере (совместно с ИФРЕМЕР).
Разработаны оптические методы и аппаратура для оперативной оценки кормовой базы рыбных скоплений in situ, в частности:
пространственного распределения фитопланктона и качественной оценки его состава по спектральному ослаблению света;
пространственного распределения и размерно-количественного состава мезопланктона (разработан зонд, патент РФ №2112955).
Разработана новая технология фоновых съемок с целью сокращения их продолжительности и повышения информативности, в том числе:
оптимизирован состав зондирующих комплексов, вплоть до оценки всех промыслово-значимых параметров за одно зондирование;
разработаны оригинальные установки прокачки забортной воды на ходу судна и измерительные комплексы на их основе;
разработана новая методика фоновых съемок с попеременным использованием зондирующей и буксируемой аппаратуры.
Сформулированы требования к палубно-лабораторным комплексам и на их основе разработан ряд ПЛК для промысловых судов, при этом:
- разработана методика выбора лебедок для зондирующей техники;
- обоснована и решена интеграция ПЛК на промысловых судах.
Практическая ценность работы и реализация результатов.
Создание комплексной системы технических средств, обеспечивающей
поиск и прогноз рыбных скоплений по косвенным признакам, позволяет:
- сократить продолжительность фоновых съемок в 1,5-2 раза в
результате применения зондирующих комплексов рекомендуемого состава и
новой технологии съемок на ходу судна;
ликвидировать методологический разрыв при комплексной оценке параметров среды с помощью оптических методов исследования планктона;
оптимизировать затраты при строительстве и оснащении новых судов и перевооружении научно-исследовательского флота отрасли.
Практическую ценность имеют научные результаты, полученные при испытаниях отдельных элементов системы. Например, исследования суточной миграции планктона, спектральной прозрачности вод, зон кислородного минимума, и других, выполненных автором в различных районах Мирового океана.
Практическое значение для специалистов отрасли имеют монография, методические рекомендации и другие печатные работы, опубликованные автором в процессе работы над диссертацией.
Часть технических средств, созданных в рамках данной работы, была принята к промышленному производству и оснащению отрасли:
в ЦПКТБ "Запрыбы" (Рига) малой серией выпущен комплекс "ОКА", разработанный при участии автора (зонд "Диодон", зонд "ТРАП-4");
фирмой "Технополь" выпущена серия зондов "ТРАП-7", разработанных автором (эксплуатируются в ПИНРО, ТИНРО-Центре, СахНИРО и в Институте полярных и морских исследований — ФРГ);
фирмой "Технополь" выпущено более 50 комплектов регистраторов температуры "ПИРАТ", разработанных под руководством автора.
Под руководством автора, во ВНИРО создан единственный в России метрологический комплекс, который позволяет калибровать СТД-зонды в соответствии с международными требованиями.
Разработанные автором варианты палубно-лабораторных комплексов приняты за основу при проектировании и оснащении отраслевых НИС и НПС пр. 420НИС-М, 503РОС, 12961РП, 05025РПМ, при переоборудовании НИС М-0102 "Вильнюс" и НИС М-0103 "Смоленск", а также дооборудован новый траулер-фабрика пр. 2767 "Александр Масленников".
Практический материал и личный вклад. Основной материал собран в 14-и морских и океанских экспедициях, где автор исследовал, испытывал и внедрял в отраслевую практику отечественные и зарубежные технические средства оценки промыслово-значимых параметров. С целью валидации данных зонда ТРАП-4 автор работал на подводном аппарате "Аргус". Часть материалов получена в результате совместных экспериментов на фирмах-производителях гидрооптических измерителей (LI-COR, США, 1988), буксируемых систем (Chelsea Instruments, Англия, 1994) и в научном центре IFREMER (Франция, 1997, 2003), а также при личном общении автора с зарубежными коллегами на международных конференциях и выставках.
Из упоминаемых в диссертации разработок, авторскими являются зонды серии ТРАП, системы прокачки забортной воды, все варианты ПЛК, а также методика качественной оценки фитопланктона с помощью спектрального прозрачномера. Остальные работы выполнены также при участии или под руководством автора (если нет специальных ссылок).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и симпозиумах, в том числе:
на международных - Oceanology International'94 (Brighton, 1994), OCEANS'95 MTS/IEEE (San Diego, 1995), Coastal Ocean Space Utilization (Singapore, 1997), X Международная конференция по промысловой океанологии (Санкт-Петербург, 1997), III и IV Международные научно-технические конференции "Современные методы и средства океанологических исследований" (Москва, 1997, 1998), OCEANS'98 IEEE/OES (Nice, 1998), 98'Western Pacific Geophysics Meeting (Taipei, 1998), Научно-технический симпозиум на 7-ой международной выставке ИНРЫБПРОМ-2000 (С.-Петербург. 2000), XII Международная конференция по промысловой океанологии (Калининград, 2002), Oceanology International 2002 (London, 2002), ICES Annual Science Conference (Tallinn, 2003);
на всесоюзных и всероссийских — V Всесоюзная конференция "Вопросы промысловой океанологии Мирового океана" (Калининград, 1979), III Всесоюзная конференция по морской биологии (Севастополь, 1988), Всероссийская конференция "Экосистемы морей России в условиях антропогенного пресса (включая промысел)" (Астрахань, 1994), XI Всероссийская конференция по промысловой океанологии (Калининград, 1999), 4-я российская научно-техническая конференция "Современное состояние, проблемы навигации и океанографии" (С- Петербург. 2000);
а также на VII и VIII съездах Гидробиологического общества РАН (Казань, 1996; Калининград, 2001).
Кроме того, комплекс "ОКА" в 1989 г. экспонировался на ВДНХ и получил золотую медаль. Зонд "ТРАП-4" был выставлен на международной выставке в Лондоне СЕЕТЕХ 94, а зонды "ТРАП-б" и "ТРАП-7" в 1995-2004 гг. на международных выставках в С.Петербурге и в Москве (ИНРЫБПРОМ, РЫБА), а также на Всемирной выставке в Лиссабоне в 1998 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 66 работ, в том числе 1 монография и 2 изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка, включающего 287 наименований, и приложения. Работа изложена на 329 листах машинописного текста, содержит 82 рисунка, 11 таблиц.
Автономные регистраторы температуры
Благодаря быстрому развитию микропроцессорной техники в последнее время за рубежом получили широкое распространение в гидрологических исследований автономные регистраторы температуры. Такие регистраторы в течение длительного времени записывают значения температуры во внутреннюю память и, благодаря своей миниатюрности и относительно малой стоимости, используются в массовом порядке для установки на буйковых станциях, тралах, крабовых ловушках и т.п.
Во ВНИРО под руководством автора также разработан и выпускается подобный регистратор температуры ПИРАТ-2001 [Левашов, Буланов, 2001а], В качестве датчика применена микросхема фирмы DALLAS Inc., в корпусе которой, кроме термистора и 13-битного АЦП, размещаются контроллер и служебная память [Левашов, Буланов, 2001а,б]. Также, в состав прибора входит энергонезависимая память, рассчитанная на 4096 измерений, микроконтроллер и таймер. Микроконтроллер снимает данные с датчика температуры в соответствии с установленным режимом работы таймера и записывает их в энергонезависимую память. Основные характеристики регистратора ПИРАТ-2001 и зарубежных регистраторов, представляющих наибольший интерес, приведены в таблице 1.2.
В отличие от зарубежных моделей, конструкция прочного корпуса регистратора ПИРАТ-2001 разработана с учетом особенностей эксплуатации на отечественных промысловых судах и обладает повышенной эксплуатационной надежностью.
В океанологической аппаратуре широкое и практически одинаковое распространение получили датчики, основанные на двух методах измерения электропроводности воды: кондуктивном и индуктивном.
Конструктивно, оба типа датчиков имеют один общий элемент — проточный канал, в объеме которого измеряется проводимость протекающей через него морской воды. Объем канала определяется его площадью сечения и длиной. В связи с тем, что степень неизменности этих величин в течение срока службы характеризует стабильность точностных параметров датчиков, для проточного канала используются трубки из диэлектрического материала с малым температурным коэффициентом расширения. Для этих целей применяются алюмооксидная (корундовая) керамика или специальные сорта стекла - кварцевое, боросиликатное (пирекс).
Кондуктивные датчики основаны на методе измерения проводимости морской воды на участке между двумя (или более) электродами [Ковчин, 1991; Степанюк, 1986; Brown, 1974; Dauphinee, 1972; Lancaster, Baron, 1984; Pederson, 1973; Pederson, Gregg, 1979; Stiiben et al„ 1994]. С целью уменьшения химического взаимодействия электродов с морской водой и снижения возникающих дополнительных погрешностей датчика, электроды выполняют из химически пассивных металлов, обычно это платина, иногда титан или нержавеющая сталь.
Индуктивные датчики представляют собой герметизированные тороидальные трансформаторы, в общее отверстие которых вставлена трубка проточного канала [Парамонов и др., 1979;]. Проводимость определяется по изменению величины взаимоиндукции в тороидальных трансформаторах, где одна из обмоток представляет собой "виток" морской воды.
Недавно разработан новый датчик NXIC [Fougere, 2000; Fougere et al., 2002], в котором снижен уровень ряда погрешностей, благодаря практически полному отсутствию внешнего электромагнитного поля. В основу датчика положен тот факт, что если взять два обычных тороидальных индуктивных датчика и расположить их рядом в одной плоскости, то кратчайшая траектория общего "витка воды" будет проходить через их оба отверстия и не зависеть от каких-либо других проводящих элементов, находящихся рядом.
Для промысловых целей датчики, основанные на обоих методах, имеют практически равноценные метрологические характеристики, а их выбор обусловлен лишь задачами использования и условиями эксплуатации самой измерительной аппаратуры. При выборе конкретного типа датчика кондуктометрического измерителя следует учитывать несколько моментов.
Кондуктивная измерительная ячейка обладает малым расстоянием между электродами, что позволяет использовать ее для исследований тонкой структуры океанских вод, вплоть до слоев толщиной несколько сантиметров. Специальные конструкции позволяют исследовать мелкомасштабную турбулентность с разрешением в несколько миллиметров.
Точностные критерии промыслово-значимых параметров для решения промысловых задач разного уровня
Ценность единицы информации определяется точностью измерения. Но точность не является самоцелью, а определяет меру допустимой потери информации [Тюрин, 1985]. Избыточный подход к промысловым исследованиям не оправдан как с теоретических позиций, так и с технико-экономических. Иногда простые приборы с невысокой точностью измерений вполне могут обеспечить требуемую достоверность решений промысловых задач. При этом повышается надежность использования и упрощаются условия эксплуатации аппаратуры, а также снижается стоимость работ. Таким образом, для выбора аппаратуры, позволяющей обеспечить измерение нужных промыслово-значимымых параметров водной среды с точностью, необходимой и достаточной для решения отраслевых задач разного уровня, первоначально необходимо сформулировать эти требования.
Океанологические измерители характеризуются рядом особенностей, специфика которых состоит в том, что измерения производятся в естественной среде, сильно изменяющейся как в пространстве, так и во времени. Эта изменчивость определяется различной масштабностью и, в целом, может рассматриваться как случайный процесс [Степанюк, 1986]. При этом, в области мелкомасштабной изменчивости энергия флуктуации наиболее изменчивых величин, как правило, уменьшается по степенному закону [Физика океана, 1978]. Применительно к задачам измерений в этой области такой факт приводит к необходимости снижения погрешности измерителей и к более тщательному учету различных методических и технических факторов, влияющих на качество информации.
Как известно, природным процессам свойственны неограниченные функции спектральной плотности, поэтому в измерительных задачах отсутствует какой-либо конкретный предел повышения точности. Длительное время тезис "чем точнее, тем лучше" вообще считался общепринятым. Однако стремление "беспредельного" повышения точности наталкивается на ряд ограничений как методического, так и технического характера. В связи с тем, что группа СТД-измерителей является наиболее изученной с этой точки зрения, рассмотрим точностные факторы, влияющие на выбор конкретных измерителей для определенных промысловых задач на примере этой группы измерителей, а точнее, на примере СТД-зондов.
Во-первых, совершенно очевидно, что требования к оценке измерений зависят от масштаба исследуемых процессов, и, чаще всего, по мере увеличения масштаба требования к точности измерений снижаются.
Во-вторых, занижать уровень точности не всегда можно, так как по первичным данным СТД-зондов проводится расчет вторичных параметров, требуемая точность которых обусловливает необходимую точность первых.
В-третьих, необходимо учитывать возможность метрологического обеспечения СТД-зондов соответствующего уровня.
И, наконец, в-четвертых, специфика рыбопромысловых исследований обусловливает применение таких приборов, которые могут представлять достоверную информацию в тех особых условиях, которые существуют в среде обитания промысловых скоплений, например в водах с повышенным содержанием фитопланктона или с высокими градиентами температуры и солености, а также могут работать в условиях эксплуатации с эпизодическими зондированиями.
Еще более сложное положение с методическими ограничениями возникает при измерениях, связанных с оценкой кормовой базы [Современные методы..., 1983]. Для оценки концентрации планктона разного размера необходимо исследовать объемы воды величиной от миллилитров до сотен кубометров. Неоднородность распределения жизни в океане заставляет обращать внимание на стратегию и тактику проведения подобных измерений. Очень важным фактором, в этом случае, является суточный ритм изменения стратификации и количественных характеристик планктона, связанных с процессами миграций зоопланктона [Виноградов, 1968] и жизнедеятельностью, например, выеданием фитопланктона [Семина, 1977].
Таким образом, для выбора необходимых точностных характеристик измерителей с целью репрезентативной оценки требуемых промыслово-значимых параметров среды, в каждом отдельном случае, кроме учета указанных критериев, а также стратегии и тактики исследований, требуется всесторонняя оценка всех влияющих факторов и разумный компромисс между инструментальными качествами измерителей и эксплуатационно-экономической целесообразностью их применения.
Результаты применения прозрачномера ЛФП-2 в съемке промысловых районов ЮВТО
Из всех гидрооптических характеристик пока наиболее информативной является показатель ослабления "є", который дает возможность перейти к такой характеристике морской воды, как прозрачность [Иванов, 1975; Шифрин, 1983; Иванов, 1978; Ерлов, 1980]. Прозрачностью морской воды называется отношение потока излучения, прошедшего в ней слой единичной длины (как правило, 1 м), к потоку излучения, вошедшему в этот слой. Здесь имеется в виду прозрачность, измеряемая фотометром-прозрачномером, которая отличается от прозрачности, определяемой с помощью диска Секки [Руководство..., 1977]. Прозрачность воды Г рассчитывается [Иванов, 1975] через показатель ослабления света є, который численно равен величине, обратной расстоянию, ослабляющему параллельный световой поток в 10 раз: z = -IgwT (3.1)
Как указывалось выше (см. первую главу), показатель ослабления, а следовательно, и прозрачность морской воды являются наиболее легко измеряемыми величинами. Для этих целей используются так называемые прозрачномеры [Иванов, 1978; Ерлов, 1980; Левашов, 2003], которые состоят из излучателя и фотоприемника с известным расстоянием между ними — оптической базой. В некоторых случаях, для сокращения размеров прибора используется схема измерения с поворотом луча на 180 градусов посредством зеркал или призменных отражателей. Независимо от оптической схемы прозрачномера, пропускание направленного света 7г вычисляется как: Тг = ес\ (3.2) где х — длина оптической базы. Простейшие прозрачномеры, измеряющие ослабление света на одной длине волны, как правило, служат стратификаторами вертикального распределения взвеси и используются в составе СТД-комплексов с кассетой батометров для выбора горизонтов отбора проб.
В то же время, распределение показателя ослабления света в водах Мирового океана определяется совокупностью факторов, в связи с чем, измерение прозрачности в разных участках светового спектра позволяет дать оценку распределения многих параметров: гидрофизических, в частности, гидрологической структуры, циркуляции вод [Козлянинов, 1981; Ерлов, 1980], гидрохимических — концентрации растворенных солей, в том числе биогенных элементов [Копелевич, Шифрин, 1981; Copin-Montegut et al., 1971], количества взвешенного вещества - фитопланктона, детрита, минеральной взвеси [Иванов, 1978; Копелевич, Карабашев, 1983; Кобленц-Мишке и др., 1974], а также наличие растворенного органического вещества [Kalle, 1962; Yentsch, 1962; Ерлов, 1980].
В 18-м рейсе НПС "Академик Книпович" в юго-восточной части Тихого океана (ЮВТО) была предпринята попытка использования прозрачномера ЛФП-2 [Левашов, Шершнев, 1980] для изучения пространственной стратификации водных масс по их прозрачности в различных участках светового спектра, а также возможности использования прибора для оперативной оценки биопродуктивности и поиска новых промысловых районов. Наличие рыбных скоплений наиболее вероятно в зонах контакта различных водных масс, где характерны резкие изменения цвета воды, вызванные пониженной прозрачностью из-за высокой концентрации планктона [Юданов и др., 1988].
Логарифмический фотометр-прозрачномер ЛФП-2 [Ли и др., 1969; Левашов, Шершнев, 1980] разработан и изготовлен малой серией в МГИ АН УССР. Прибор снабжен шестью стеклянными светофильтрами на длинах волн 425, 495, 540, 600, 640 и 675 нм с полосой пропускания 40-80 нм, которые располагаются перед фотоприемником на турели и могут сменяться по команде с борта. Таким образом, если измерения проводить и при опускании прибора, и при его подъеме, то для получения данных на всех светофильтрах необходимо выполнить не менее трех зондирований. Этот недостаток не только увеличивает продолжительность работ на станциях, но и, как мы увидим ниже, отрицательно влияет на возможность надежной интерпретации полученных при этом данных, поскольку "нельзя дважды войти в одну и ту же воду".
Съемка проводилась в период с июля по сентябрь в районе от 5 до 25 ю.ш. и от 90 до 93 з.д. за пределами 200-мильной зоны Перу на девяти широтных разрезах. Станции располагались через 40-60 миль. Всего было выполнено 124 станции до глубины 250-300 м, на которых было получено 702 профиля вертикального распределения показателя ослабления света на 6-и длинах волн. Следует заметить, что другой пример гидрооптической съемки подобного объема в отраслевых исследованиях нам неизвестен.
Пространственное распределение показателя ослабления света в воде или прозрачности водных масс отдельных районов по всей исследованной акватории сформировано под действием совокупности гидрологических, гидрохимических и гидробиологических факторов, каждый из которых нашел свое подтверждение при измерении прозрачности на одном или нескольких светофильтрах прозрачномера.
Влияние гидрохимических факторов наиболее явно прослеживалось при измерениях в коротковолновой части спектра на длинен волны 425 нм, где наибольший вклад в общее ослабление света вносит поглощение солями и растворенными веществами. Гидрологический факторы — разделение водных масс и выявление глубины термоклина, хорошо отслеживались при измерениях на длине волны 600 нм, где все другие факторы проявлялись в наименьшей степени.
Оптимизация состава зондирующих комплексов для оценки промыслово-значимых параметров среды
Еще на заре освоения первых СТД-зондов в морских экспедициях ВНИРО выявился методологический разрыв между оперативным получением данных по абиотическим параметрам водной среды и использованием традиционных способов исследования планктона. В связи с этим 1972 г. автор начал разработку зонда для оперативной оценки кормовой базы рыбопромысловых скоплений. Он должен был применяться на судах промразведки, поэтому в качестве основного объекта исследований был выбран мезопланктон с размерами от 0,5 до 30 мм.
Хотя для оценки размерно-количественных характеристик планктона in situ можно использовать акустический, кондуктометрический и оптический методы, в результате всестороннего анализа их достоинств и недостатков [Левашов, Ерофеев, 1983] для создания зонда был выбран оптический метод. В процессе разработки зонда был создан ряд экспериментальных конструкций [Levashov, Zhavoronkov, 1995].
Все разработанные автором приборы имеют общую оптическую схему и состоят из проекционного осветителя, измерительного объема с протекающим планктоном и фотоприемника, на который проецируется тень частиц планктона. Специально для выбора рабочего участка светового спектра проведены исследования оптических характеристик массовых видов мезопланктона. В результате, с учетом спектрального распределения оптических характеристик морской воды, для оптоэлектронного датчика выбран рабочий участок светового спектра в ближней инфракрасной области с границами 850-930 нм. Проекционным осветителем во всех датчиках служит импульсный полупроводниковый ИК-лазер. Для регистрации тени частиц, в зависимости от конструкции датчика, используются кремниевые фотоприемники различного типа.
Первоначально в связи с тем, что технические возможности датчика не позволяли увеличить исследуемый объем воды до требуемых размеров, аппаратура была ориентирована на работу в комплексе с концентрирующей планктонной сетью (размер ячеи 0,3 мм). Зонд крепился к ее кутовой части так, чтобы весь процеженный сетью планктон проходил через специальную проточную камеру, где располагался измерительный объем оптоэлектронного датчика. Ниже проточного канала предусмотрена возможность установки планктонного стакана для отбора планктонных проб. Измерения проводились при подъеме сети с закрепленным на ней зондом.
Наибольший интерес представляет зонд ТРАП-4 [Левашов, Крылов, 1991], у которого конструкция датчика оказалась наиболее удачной (рис. 3.11). Он был разработан и выпущен малой серией в конце 80-х годов. Принципиальное отличие датчика этого зонда от других конструкций заключалось в применении матричного МОП-фотоприемника, имеющего организацию 32x32 ячейки и возможность произвольной выборки строк. Матрица работает в режиме с запоминанием: при освещении импульсами лазера фотоячейки запоминают принятую световую информацию, а в промежутках между импульсами с ячеек считывается информация. Тщательная проработка геометрических параметров и конфигурации проточного канала обеспечила оптимальный режим потока воды, что способствовало концентрации частиц и их ориентации вдоль оси потока.
Произвольная выборка строк позволила классифицировать частицы по пяти размерным группам в диапазоне 0,5-15 мм непосредственно в самой матрице, при этом расстояние между строками определяет разрешающую способность датчика. Для классификации частиц по размерным группам задействовано пять строк. Четыре верхние строки считаются измерительными, а пятая (нижняя) является сигнальной. Таким образом, расстояние между сигнальной и любой парой смежных измерительных строк соответствует пределам длин определенной размерной группы. Нижний предел размерной группы определяет минимальное расстояние между строками, а верхний предел - максимальное расстояние. Как только тень частицы, проходя сверху вниз, достигает сигнальной строки и в момент считывания регистрируется, сразу включается специальная схема обработки. Она определяет номер последней затененной измерительной строки и выдает счетный импульс в счетчик соответствующей размерной группы.
Одновременно с планктоном измеряются глубина погружения зонда (до 1000 м), температура воды и ее расход через сеть при помощи гидрометрической вертушки, устанавливаемой во входном отверстии планктонной сети. Питание зонда и его связь с бортовым устройством осуществлялись по одножильному кабель-тросу.
Опытная эксплуатация зонда ТРАП-4 в 10 рейсе РТМС "Возрождение" показала экономическую эффективность использования таких приборов на судах промразведки, оцениваемую в 266,4 т.руб. на один прибор в год (в ценах 1988 г.). Но главным результатом создания зонда ТРАП-4 следует считать то, что впервые в мировой практике реализована возможность оперативной оценки концентрации и размерного состава кормовой базы рыбных скоплений непосредственно во время зондирования.
Однако из-за громоздкости сети и присущих ей недостатков (прилипание организмов к сетному полотну, задержка планктона в сети вследствие ухудшения фильтрации) этот прибор широкого распространения не получил. Кроме того, наличие закрытого проточного канала и возникающий перепад давления в приемном отверстии прибора отпугивает активных зоопланктеров, что вызывает расхождение между измеренными и реальными характеристиками распределения планктона. Наличие сети и проточного канала также ограничивает область применения прибора. Например, его нельзя использовать на буйковых станциях. Ограничениями в применении может служить также высокая стоимость и сложность его калибровки. В общем, по мнению океанологов, необходим компактный и недорогой прибор, который можно подключать к стандартному СТД-зонду в качестве дополнительного датчика и использовать его без всяких планктонных сетей.
