Технология исследования дна акваторий и подводных объектов гидролокационными методами

Практически все естественные процессы происходящие в прибрежных областях суши, в толще вод, в глубинах Земли отражаются в рельефе дна акваторий. Антропогенные воздействия, такие как добыча полезных ископаемых, сброс сточных вод, строительство морских сооружений и т. д., имеющие место в придонном слое акваторий, так или иначе, определяют морфологию поверхности дна либо характер ее изменения во времени. Исследование рельефа дна, его морфологии, мощности и свойств осадочного покрова дает ключ к пониманию природных процессов, а также эволюции загрязнений, вызванных присутствием потенциально опасных объектов и подводных сооружений в акваториях.

По мере развития цивилизации человечество производит все больше отходов, требующих утилизации: переработки либо захоронения. Уникальные растворяющие и экранирующие свойства воды, а также существование обширных акваторий, в том числе глубоководных, удаленных от населенных районов, сделали Мировой океан местом сброса сточных вод, местом захоронения отходов вредных производств, отработавших свой срок ядерных реакторов, местом свалок взрывчатых и отравляющих веществ, химического оружия.

Морской, речной и трубопроводный транспорт, несмотря на техническое совершенствование материальной части, является причиной загрязнения водоемов нефтепродуктами, вытекающими из затонувших судов и аварийных подводных продуктопроводов.

Помимо экологических катастроф, жизни населению могут грозить катастрофы техногенные, связанные с разрушением гидротехнических и транспортных сооружений, мостов, плотин ГЭС и т. п. На шельфе и во внутренних водоемах ведется строительство дамб, плотин, каналов, устройство водохранилищ, которые изменяют их водный режим, соответственно режим течений, осадконакопления и рельеф дна, что в свою очередь может пагубно повлиять на сложившуюся геолого-экологическую структуру водоема.

К актуальным задачам исследования акваторий следует отнести картирование, определение характера и количественную оценку форм рельефа дна океана, шельфа и внутренних водоемов, а также обследование и мониторинг состояния подводных объектовпотенциальных источников загрязнений акваторий и создания угрозы жизни населению.

К источникам подобной угрозы относятся:

— затопленные суда с грузом нефтепродуктов;

— затопленные образцы оружия и боеприпасов;

— затопленные химические и радиоактивные отходы;

— подводные переходы магистральных продуктопроводов через водные преграды;

— прочие подводные трубопроводы и кабели;

— плотины, дамбы, транспортные сооружения;

— очистные сооружения, дюкеры, пруды-охладители;

— морские добычные сооружения, платформы.

Важным объектом является само дно акваторий, на фоне которого ведется вся морская деятельность, а также поиск и мониторинг потенциально опасных объектов.

Наиболее эффективными средствами обследования и изучения поверхности дна акваторий являются гидролокационные средства, в том числе эхолоты, системы бокового обзора и акустического профилирования. Производительность таких систем изменяется в пределах от 80 до 15 000 кв. км/сут., полоса обследуемой поверхности вдоль движения суднаот 0,2 до 40 км, размеры регистрируемых неоднородностей — от долей метра до нескольких километров. Рабочая глубина — от долей метра во внутренних водоемах до максимальных глубин в океане.

Применение гидролокации бокового обзора (ГБО) для исследования донной поверхности показало большую перспективность этого метода. Первоначально он использовался только для поиска затонувших военных объектов. Впоследствии локация донной поверхности позволила получить уникальные научные данные о геоморфологии в ряде интереснейших геологических районов (провинций): рифтовые зоны, подводные горы, абиссальные равнины с ЖМК и т. п. С помощью ГБО были найдены исторические объекты: «Титаник», «Бисмарк», обследованы многочисленные районы дна, представляющие археологический интерес. Перечисленные области применения ГБО были, как правило, связаны с большими глубинами океана — свыше 2000 метров. Большой научный и особенно практический интерес представляет применение метода ГБО для обследования природных и техногенных объектов в территориальном море и внутренних водоемах России. Практический интерес возник в связи мониторингом подводных переходов продуктопроводов, проходящих через реки и другие акватории, плотин ГЭС, дамб, затонувших судов-носителей токсичных веществ и нефтепродуктов, а также других подводных сооружений.

Наиболее крупный блок задач обследования поверхности дна акваторий носит мезо-масштабный характер. Это подводные объекты и формы рельефа с горизонтальными размерами от единиц до сотен метров, а также стратификация первых десятков метров осадочной толщи. К этому классу объектов можно отнести все затопленные объекты и результаты антропогенных воздействий, инженерные гидротехнические сооружения, трубопроводы и навигационные опасности. Практически все процессы, протекающие на шельфе и во внутренних водоемах выражены в мезо-масштабных формах рельефа.

Для обнаружения и исследования мезо-масштабных подводных объектов искусственного и естественного происхождения, а также исследований рельефа дна, используются эхолоты и гидролокаторы бокового обзора, в том числе батиметрические, с дальностью действия до 1000 м с рабочей частотой от 50 до 500кГц. Для обнаружения объектов в толще донных осадков и изучения их тонкой структуры, применяются высокочастотные акустические профилирующие системы, (акустические профилографы) с глубиной зондирования осадочного слоя до 100 м и рабочей частотой 1 — 12 кГц.

Для эффективного использования перечисленной аппаратуры с целью исследования дна акваторий и подводных объектов, в том числе ППОО необходимо решить целый комплекс технических и методических задач. К этим задачам следует отнести, во-первых, выбор гидролокационных средств с теми или иными рабочими характеристиками в зависимости от конкретной цели исследования для обоснования состава и структуры аппаратурных комплексов, во-вторых, выбор способа и средства доставки приборов к объекту исследования. Под способом и средством подразумеваются не только плавсредства, но и комплексы глубоководных аппаратов при исследованиях на максимальных глубинах в океане. В-третьих, должна быть решена задача привязки получаемой информации к географическим координатам с требуемой точностью, позволяющей в случае необходимости вести мониторинг или утилизировать обнаруженные исследуемые объекты. В-четвертых, должна быть разработана последовательность действий по проведению исследований. В-пятых, должен быть разработан вид представления получаемых данных. Данные обследования дна и подводных объектов должны представляться в виде удобном для анализа специалистами тех направлений, в интересах которых проводятся исследования. Это должны быть батиметрические карты и планы, схемы расположения природных объектов и объектов искусственного происхождения, разрезы осадочной толщи, карты мощности осадочного покрова, планы конфигураций инженерных объектов, монтажи сонограмм (гидролокационные мозаики).

Совокупность технических средств, программного обеспечения и научно-обоснованного способа их использования для обнаружения и обследования подводных объектов и прилегающего дна акватории составляет технологию гидролокационного обследования.

Удельный вес и практическая значимость работ по исследованию дна акваторий, обследованию гидротехнических сооружений, трубопроводов и других подводных объектов, особенно на морском шельфе и во внутренних водоемах, постоянно возрастает, в том числе в связи с морской добычей углеводородов, необходимостью предупреждения чрезвычайных ситуаций на потенциально опасных объектах и мониторингом экологической обстановки.

В то же время остается недостаточно обобщенным имеющийся опыт использования гидролокационных средств с исследовательскими целями и слабо разработана методическая основа таких исследований. Ограниченное число публикаций, касающихся этих вопросов, посвящено в основном результатами конкретных исследований и конструированию приборов.

Таким образом, актуальны исследования, разработки и обоснования технологии изучения дна акваторий и разнообразных подводных объектов, в том числе потенциально опасных, методом гидролокации в океане, на шельфе и во внутренних водоемах с целью повышения эффективности подводных исследований, а также предупреждения чрезвычайных ситуаций и мониторинга экологической обстановки. При этом под технологией понимается совокупность аппаратно-программных комплексов, а также научно обоснованная методика их формирования и использования для исследований, включающих картирование рельефа, объектов, их фрагментов, изучение морфологии, регистрацию конфигураций и размеров форм рельефа и объектов, а также фактов и тенденций их изменения. Под гидролокационными методами, в основном, понимается гидролокация бокового обзора на средних для этого метода частотах, высокочастотное акустическое профилирование и эхолотирование.

В процессе создания высокоэффективной технологии широкого спектра применения для исследования дна и подводных объектов гидролокационными методами в различных условиях и акваториях потребовалось решить следующие задачи:

1. Исследовать структуру и состав технологии изучения дна акваторий и подводных объектов с помощью гидролокационных средств.

2. Провести анализ существующих основных и вспомогательных технических средств исследования дна акваторий и подводных объектов гидролокационными методами.

3. Определить основные требования к построению технологии исследования дна акваторий и подводных объектов гидролокационными методами.

4. Провести анализ существующих морских средств навигационной привязки местоположения плавсредств и объектов на акваториях.

5. Разработать и теоретически обосновать методику координатно-временной привязки результатов исследований дна акваторий и подводных объектов, с использованием гидролокационных средств.

6. Разработать методологию формирования исследовательских аппаратурно-программных комплексов на базе основных и вспомогательных, гидролокационных и навигационных технических средств исследования дна акваторий и подводных объектов.

7. Разработать научно обоснованную методику использования аппаратурно-программных гидролокационных комплексов для исследований дна акваторий и подводных объектов и определить основные параметры и режимы процесса исследований.

8. Разработать основные принципы построения системы сбора и обработки получаемой информации и представления ее в виде, удобном для анализа специалистами.

9. Создать образцы исследовательских аппаратурно-программных комплексов для проведения натурных испытаний и практических исследований на акваториях.

10. Внедрить разработанную технологию при проведении всего спектра работ по исследованию дна и подводных объектов различных акваторий в океане, на шельфе и во внутренних водоемах.

Выводы по Главе 5.

Результаты, представленные в главе свидетельствуют о том, что автором успешно разработана в полном объеме и внедрена в практику экспедиционных работ технология широкого спектра применения для исследования дна акваторий и подводных объектов с помощью гидролокационных средств.

Эта технология, включающая гидролокационные аппаратурно-программные гидролокационные исследовательские комплексы, сформированные и использованные в соответствии с разработанной методологией организации процесса исследований, позволила полностью решить поставленные задачи при выполнении:

— океанологических исследований дна океана, морского шельфа и мелководья в соответствии с фундаментальными задачами, решаемыми РАН;

— определения местоположения объектов на дне, на больших глубинах;

— обследования участков дна, предназначенных для строительства ответственных подводных сооружений и инженерных объектов;

— исследований и картирования объектов морфологии и морфолитодинамики дна морского мелководья, водохранилищ и русел рек, позволяющих, в том числе оценить прессинг придонных процессов на инженерные сооружения;

— поиска, и обследования 111ЮО в территориальном море России, содержащих отравляющие и взрывчатые вещества, а также твердые радиоактивные отходы;

— обследования, контроля состояния и поиска повреждений подводных переходов продуктопроводов через водные преграды;

— обследования ответственных подводных элементов и конструкций гидротехнических, транспортных и других подводных инженерных сооружений;

Заключение

.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке технологии исследования дна акваторий, природных и техногенных подводных объектов, в том числе потенциально опасных методом гидролокации в океане, на шельфе и во внутренних водоемах с целью повышения эффективности научных исследований природных процессов, а также предупреждения чрезвычайных ситуаций, мониторинга и прогнозирования изменений экологической обстановки.

В процессе выполнения исследований, разработки и обоснования технологии решены следующие основные задачи и защищены основные положения диссертационной работы:

1. Исследована структура и состав технологии изучения дна акваторий и подводных объектов с помощью гидролокационных средств. Технология включает гидролокационные и навигационные средствавспомогательное оборудование плавсредств и подводных аппаратурных комплексовцифровые программно-аппаратные системы сбора, отображения и комплексной обработки гидролокационной и навигационной информацииметодику натурных исследований и использования технических средствметодики камеральной обработки данных, в том числе программными пакетами общего назначения для представления их к виду удобному для анализа и составления отчетных материалов.

2. Проведен сравнительный анализ существующих основных и вспомогательных, в том числе навигационных технических средств исследования дна акваторий и подводных объектов гидролокационными методами. Основными, исследовательскими средствами являются ГБО, АП и эхолоты. Основными средствами надводной навигации являются КНС GPS и ГЛОНАСС, а подводной — ГАНС.

3. Определены основные требования к построению технологии исследования дна акваторий и подводных объектов гидр о локационными методами, а именно: широкий спектр решаемых задач исследования разнообразных объектов в условиях различных акваторий, разработка методических основ организации процесса исследований, разработка технических средств и апробация технологии в целом.

4. Разработан, теоретически обоснован и реализован на практике метод координатно-временной привязки результатов исследований дна акваторий и подводных объектов, с использованием гидролокационных средств.

5. Разработаны методические основы формирования исследовательских аппаратурно-программных комплексов на базе основных и вспомогательных, гидролокационных и навигационных технических средств исследования дна акваторий и подводных объектов.

6. Разработана научно обоснованная методика применения аппаратурио-программных гидролокационных комплексов для исследований дна акваторий и подводных объектов и определены основные параметры и режимы процесса исследований. При этом определяются объекты, цели, объем и материально-техническое обеспечение работсодержание отчетных материаловтребования к навигационно-гидрографическому обеспечению работпорядок и методика использования ГБО, АП, ЭХ и ГАНС в ходе исследований, в том числе выбор направления галсов съемки, определение расстояния между галсами, выбор скорости движения и расстояния до дна, определение места начала съемки, расчет траектории разворота на соседний галснавигационное обеспечение проводки плавсредства по маршруту.

7. Разработаны методические основы построения системы сбора и обработки получаемой информации и представления ее в виде, удобном для анализа специалистами. При этом определены принципиальные технические решения программно-аппаратных средств системы реального времени, и структуры камеральной обработки информации исходя из требований к отчетным материалам.

8. Под руководством и при непосредственном участии автора созданы, испытаны и внедрены образцы технических средств, а именно: глубоководные исследовательские многофункциональные и гидролокационные комплексы «Звук-Комплекс», «Звук-МАФТ», «Звук-4», и «Звук-Л»,"Звук-Л2″, «Мезоскан» и «Мезоскан-М" — шельфовый исследовательский гидролокационный «Микросаунд" — аппаратурный комплекс для мелководья и внутренних водоемов «МКС" — цифровые программно-аппаратные средства, позволяющие отображать, накапливать и обрабатывать в реальном времени и в камеральном режиме информацию, поступающую от гидролокационных и навигационных средств, а также управлять их работой с помощью настольных и портативных ПЭВМ;

9. Разработанная технология исследования дна и подводных объектов гидролокационными методами внедрена при проведении всего спектра работ на различных акваториях в океане, на шельфе и во внутренних водоемах. Эта технология, включающая гидролокационные, навигационные и программно-аппаратные средства, методологию организации морской съемки, а также сбора и обработки данных, позволила полностью решить поставленные задачи при выполнении картирования и исследования морфологии рельефа и морфолитодинамики морского дна и русел рекобследовании подводных переходов продуктопроводов через водные преградыпоиске и обследовании ППОО в территориальном море России, поиске объектов, затонувших на больших глубинахобследовании ответственных подводных конструкций инженерных сооружений и участков дна, предназначенных для их строительства. Таким образом автором решены поставленные задачи, создана эффективная технология широкого спектра применения для исследования дна и разнообразных подводных объектов на различных акваторий гидролокационными методами.