1、本科毕业论文（20 届）东极养殖海区水动力环境监测与分析所在学院 专业班级 海洋科学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要随着近年来,科学经济与社会的发展,对于海洋的研究也越来越被人们注重了。人们为了更好的观测了解海洋从而利用海洋,就必须借用各种便捷的仪器。这些仪器就像人类的衍生器官一样,不断给人类以信息的反馈。所以,每一次的仪器技术革新,就可以进一步的了解海洋,从而产生更完善的理论,为人类带来更多的便捷。出于这个大体的原因,我们选择了关注仪器,关注海洋调查,关注对水动力的分析。在此,会先回顾一下早期人类调查活动所使用的仪器与近期海洋仪器的前沿。接着是以部分海区为例,使用一定
2、的调查仪器进行水动力观测,主要侧重于海流与水深的观测,并对所用仪器进行详细的说明。其中,对于海流采用电磁海流计进行单点定点调查。测量水深主要会用到回声测深仪和激光测距一起,我们会采用散点式随机测量。当然,在利用仪器的过程中,必须有详细的出海规程,即相应的方法,没有科学合理的观测方法,即使有再先进的仪器也是测量不出想要的数据。无规矩不成方圆。后期,便是采用各种先进的软件对调查数据进行分析与处理,从而取得一定的结果。关键词：水动力； 海流； 水深； 海洋调查仪器IIAbstractRecently, along with the social economy and the development
3、 of science, people pay more and more attention to the research of marine. In order to better use Marine, people observe ocean. So we need various kinds of advanced Marine observation apparatus. These instruments just like human derivative organs that give feedback constantly. So every instrument te
4、chnology innovation, we can further understanding of ocean and produce more perfect theory to guide the practice. In this reason, we chose to attention to instruments, attention to water ocean survey, paying attention to the dynamic analysis. Here, we will review the early human survey activity usin
5、g instruments and recent Marine instruments field.With the part sea area as an example, we will use some survey instrument to do some hydrodynamic observation. It is mainly to the current and depth observations. And we will describe the used instruments detailed. So, we will use ACM to measure the c
6、urrent in one place. And we will survey the depth using the echo sounder. The position will be sure by laser distance measuring instrument. Of course, in the process of using instruments, there must have the detailed rules of sea, namely, the corresponding methods. No scientific and reasonable obser
7、vation methods, will have a wanted data even when there are advanced instruments. Later, we will use a variety of advanced software to analysis the data, thus obtained a certain result.Keywords: hydrodynamic; current; depth; ocean survey instrumentIII目 录摘 要 .IIAbstract. III 第 1 章 绪 论 .11.1 本论文的背景和意义
8、 .11.2 本论文的主要方法和研究进展 .21.3 本论文的主要内容 .31.4 本论文的结构安排 .3第 2 章 仪器与方法 .42.1 回声测深仪器 .42.2 激光测距仪 .52.3 海流计 .62.3.1 电磁海流计 .72.3.2 声学多普勒海流剖面仪 .7第 3 章 水深与海流的数据分析 .93.1 水深的数据分析 .93.1.1 水深测量概况. 93.1.2 数据处理. 93.2 海流的数据分析.113.2.1 海流测量概况.113.2.2 数据处理与分析.13第 4 章 东极养殖海区水深与海流的实测与数据分析 .174.1 东极养殖海区概况 .174.2 东极养殖海区水深观测
9、与数据分析 .174.3 东极养殖海区海流观测与数据分析 .23结 论 .32参考文献 .33附 录 1 标题 .34外文与翻译 .44致 谢 .801第 1 章 绪论1.1 本文的背景和意义水动力环境监测与分析是海洋科学中十分基础的内容，虽然基础但是十分的必要。对于水动力的监测可以得到理论所需要的基本数据，再对其进行分析可以完善理论或创造理论。也就是一项理论与实践相结合的工作，这种辩证的存在必定通过一种否定之否定的路径走向提高而完善。所以选择了这个课题，也是在于其基础性可以学到不少东西。又可以在实践中创造少许价值。可以说是一种双赢的状态。海洋水动力环境观测与水文观测有些相似，主要是为了能了解
10、到海洋水文要素的分布状况和变化的规律。其观测的项目一般随着任务的不同而有所不同，一般包括温度，盐度，密度，海流，海浪，海潮， ，有时也需要测海洋深度或者海底地形，透明度，海发光，海冰等。对于海洋调查这个大范围来讲，相信都耳濡目染了不少信息，从 1542 年的哥伦布时期，到 1615 年的麦哲伦环球航行，至今为止，人类通过海洋调查不断完善自己的知识体系，从而更好的了解世界，帮助实践。海洋调查已经从单船走航模式调查到多船联合调查，再到立体化海洋调查，随着技术的不断更新，海洋调查的要求越来与广泛和精确。当然海洋水动力环境的调查是占很大比重的了。在这里先不考虑生物方面和化学方面的了。21 世纪是海洋的
11、时代，人类要更好的生存，必须对海洋有足够的了解，我们要了解天空外的高度，必然也得搞清楚海底的世界。海洋的物理性质有着十分重要的地位，运动决定存在，存在必定运动，对于海水的运动和其运动的环境要有足够的了解，必须通过海洋调查来完成，这是必须的，从中就可以看出其重要性来，所以选择了这个课题，一种理论更是一种实践吧。做学术研究必须有数据资料，任何轻视海洋调查工作的人，都会导致自身的研究受限，无法前进。而海洋调查，研究水动力环境，的重要手段，就是各种仪器和工具，他们是人类各种感官的延伸与提高。因此要注重仪器的更新，每次技术的革新，都可能导致海洋理论的深刻革命。通过各种海洋仪器和仪表对水动力环境的监测，主
12、要是物理方面的数据，可以获取海洋环境要素资料，主要是为了弄清其时空分布和变化规律，为海洋科学的研究，海洋资源的开发利用，对海洋工程的建设和航道的保证，及海洋灾害预防提供了充实的基础资料和科学的依据。这就是为什么选择了海洋水动力环境监测和意义。当然因为海洋观测的用途不同，面对的着重点不同就会利用不同的观测手段。反过来讲，因为我们只能处理一些方面的问题，所以选择了相应的用途。从其所适用的方向看，可分为，经济的，政治的，军事的和科学的用途。在科学方面，主要是为了通过实验调查研究来的得到数据资料，分析数据资料，归纳得出理论，使得2理论适合实际，从而可以使理论有预见性。所以，所有海洋方面的研究都离不开海
13、洋观测。在军事方面，对于特定海区的水动力环境监测也是十分必要的，现代战争早就从陆地转型了对海洋的争夺，没有海洋意识的国家是十分脆弱的，20 世纪每一个军事大国都是海洋强国，由于军事的原因，又促进了海洋水文调查的发展。当然，也会产生一定的抑制，譬如本国不准外国对其领土海域进行水文观测，这是必要的。再就是为经济服务的了，人们要发展经济，要进行水产养殖，就必定离不开对海洋水动力环境的认识，通过海洋水动力环境的观测和分析，得出一定的理论与结论，可以更好的指导生产，科学技术是第一生产力呀。而对于生活方面，各种灾害性天气都与海洋水动力的变化有关，所以对其进行长期的观测与分析是十分必要的。而我选择了对于养殖
14、海区的水动力环境调查，大底是受到自己能力的限制，人是社会性和自然性动物，所以，这些决定了我应该这么选也只能这么选。如今，海洋调查越来越平凡，对海洋领域的研究也越来越深入。由于科学发展的不断深入，对相关数据的需要也就越来越严格和全面。所以，用来测量数据的设备也就越来越先进了，在这个科学离不开实验，实验隔离不了数据，数据必须有相关设备测取的时代，对于学会并应用设备观测数据的能力要求也越来越凸显。所以，进行出海调查的锻炼也就十分必要了。通过出海调查，需要明确几方面事项，其一是对相关概念的把握；其二是对仪器的操作；其三是对数据的处理；其四是对出海调查时的注意事项和规则的明晰。当然选择是在东极进行，也是
15、导师的帮助和安排，如果自己进行这方面课题的研究，根本就是寸步难行，幸好学校在东极有养殖场所。监测，可以通过操作各种仪器得到相应的数据，从而又了解了一般海洋调查的流程的。分析，可以通过各种软件处理，提高了自己分析事物的能力，可以说选择了水动力环境的检测与分析，是一种全方面的学习和历练。综上的意义和依据，我选择了对东极的养殖海区进行水动力环境的分析和监测的项目。1.2 本论文的主要方法和研究进展本论文的研究方法，即海洋调查方法，主要是采用了两种测量方法。第一，采用了随机方法。我们雇佣了一艘小船，在东极养殖海区网箱附近携带ADCP 和回声测深仪进行了绕网箱而进行的观测。采用激光测距仪代替了 GPS
16、记录相对距离，又采取人工读取记录数据，因为数据量相对较少，虽然比较简陋，但是有可行性。第二，采用了定点方法，即站台观测方法。在 4806 工厂的港口处，使用日本产的 ALEC compact 1221 型电磁海流计进行测流，本次海流观测又叫做单定点测量，流速仪间歇模式中间隔时间为 30min，采样频率为 2s，采样数为 90，单次采样持续时间 3min。流速和流向采用 3min 平均值。3此论文的研究进展主要是在于得到了一些可加参考的数据。如对东极养殖海区的水动力分析，主要是对水深的测量，可以对当地地形有一个更好的了解，从而帮助与生产时间。而且通过把数据图像化，可以通过水深更加生动的了解当地地
17、形情况。而对于 4806 工厂港口处的海流分析，为在当地建造码头时可能遇到的水流冲刷问题，做出了相关疑难的解答。这主要是为工程实践做的前期铺垫调查工作。当然，现在测量方式繁多，对海洋的测量也越来越精确的，现在已经不仅仅停留在陆地与海洋的海洋监测，而起太空监测也加入进来，是的海洋监测变得越来越精确与方便。但是，几种最原始也是最必要的测量方式也是要会的，至少有了这些基础，才能走得更远。1.3 本文的主要内容本论文的主要内容是对东极养殖海区网箱附近的水动力环境的观测与分析，以此为目的和内容的前提下，对相关仪器和观测方法有一个感性又理性的认识。其主要内容中的水动力分析，由于条件限制，所以只能观测水深数
18、据，而海流数据主要是通过 4806 工厂处的单点观测来实现的。在一起认知和海洋观测以后，将观测数据进行相应的数据分析。1.4 本文的结构安排论文的绪论作为首章，主要分为四部分，第一部分是阐明写作该论文的背景与意义。第二部分是叙述一下该论文研究的主要方法和它的研究进展。第三部分是要引出本文的主要内容。第四部分是做一个总结，并规划出框架来。论文的第二章主要规划用来写关于仪器与方法，两者相依相随，不可孤立存在，所以选择了讲此两方面归为一章叙述。主要要介绍的一起为，回声测深仪，激光测距仪， ADCP,及电磁海流计。在此期间，还会讲到海洋调查中用的较为平凡的海流计。 论文的第三章主要是要讲述测量数据和数
19、据处理。这里主要是处理为主，叙述为辅。主要是将测量得到的数据进行分析，然后把数据相应的形象化图像化，使得数据更有亲和力和说服力。在文章的二三两章正文结束以后，便是要做一个结论和致谢，再附加参考文献和附录。这样，一篇论文的脉络就开始清晰了。4第 2 章 仪器与方法2.1 回声测深仪器回声测深仪应用的主要原理是声波能在均匀介质中匀速直线传播，遇不同介质面产生反射的原理设计的一种测量水深的仪器。常温时海水中的声速的典型值为1500 米秒，淡水中的声速为 1450 米秒。但在特定情况下会做适应的修改。因为水中声速是受到水温和盐度的影响，当浑浊度较低的时候还需要通过加粉，从而使测试更加精确。它的原理十分
20、简单，如图 2.1.1 所示。我们把发出超声波的装置称为发射振动器，接受回声的装置叫做接收振动器。把它固定在小船的一侧，用绳子固定，并部分浸没水面，产生一定的吃水。在仪器中设置好吃水深度，便可开始测量了。它的读数可以直接从仪器中读出。而且会有自动保存，此仪器的默认测量间隔为 30 秒。图 2.1.1 测深仪测深示意图此回声测深仪为单频回声测深仪，每 30s 记录一个组数据。主要为时间与水深。仪器由主机，支架和探头三部分组成。根据一般大面测深条件，我们还需要知道所测点的具体位置。因为测试点位置一般由 GPS 测量决定，所以此仪器要外接 GPS来使用。5而由于各种观测条件，要求和方法的不同，GPS
21、 可以被取代后者移除。例如，当我们观测定点单点水深时，由于此点位置我们已经提前知晓，所以就不必用GPSZ 再次测量。又如，在没有 GPS 的情况下，我们还可以用用激光测距仪来确定所测点的位置。此次对东极养殖海区的水深观测，就是通过激光测距仪器来定位的。2.2 激光测距仪器世界上第一台激光器，是由美国休斯飞机公司的科学家梅曼于 1960 年，首先研制成功的。美国军方很快就在此基础上开展了对军用激光装置的研究。1961 年，第一台军用激光 测距仪通过了美国军方论证试验，对此后激光测距仪很快就进入了实用联合体。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分
22、之一，因而被广泛用于地形测量，战场测量，坦克，飞机，舰艇和火炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。它是提高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备。由于激光测距仪价格不断下调，工业上也逐渐开始使用激光测距仪。国内外出现了一批新型的具有测距快、体积小、性能可靠等优点的微型测距仪，可以广泛应用于工业测控、矿山、港口等领域。 激光是六十年代发展起来的一项新技术。它是一种颜色很纯、能量高度集中、方向性很好的光。激光测距仪是利用激光进行测距的一种仪器。它的作用原理很简单：通过测定激光开始发射到激光从目标反射回来的时间来测定距离。为了发射和接收激光，并进行计时，激光测距仪由激光发射器、
23、接收器、钟频振荡器及距离计数器等组成。 激光测距仪能用来对人造卫星跟踪测距，测量飞机飞行高度，对目标进行瞄准测距，以及进行地形测绘，勘察等。当然，在这里，我们便是用来做勘察用的了。这次我们用到的激光测距仪，就是前面介绍的用来代替 GPS 做定位工具的一种测量距离的仪器。激光测距仪会在工作时向目标物射出一束很细的激光，再由光电元件接收目标反射的激光束，通过计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。激光测距仪重量非常轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一。所以，我们选择了激光测距一起加以替代。若激光是连续发射的，测程可达 40 公里左
24、右，并可昼夜进行作业。若激光是脉冲发射的，一般绝对精度较低，但用于远距离测量，可以达到很好的相对精度。激光测距仪分手持激光测距仪和望远镜式激光测距仪。手持激光测距仪：测量距离一般在 200 米内，精度在 2mm 左右。这是目前使用范围最广的激光测距仪。在功能上除能测量距离外，一般还能计算测量物体的体积。望远镜式激光测距仪：测量距离一般在 600-3000 米左右，这类测距仪测量距离比较远，但精度相对较低，精6度一般在 1 米左右。主要应用范围为野外长距离测量。我们这次采用的是望远镜式激光测距仪。再为在海中，一般要测的目标都是非常远的。像这次选择的点，其互相距离都在 600 米左右。所以，我们采
25、用望远镜式激光测距仪。关于它的操作，只要在模式选项中调好自己所需要的选项，就可以一直用来测自己想要的距离了，可以说是一种傻瓜式操作。为了在一个平面上精确定位。我们采用激光测距仪器需要找三个参考点。而一般的如果只要求测距离的话，就只需要一个参考点就够了。其主要原理和过程可以参照，图 2.2.1 所示。图 2.2.1先在地图上确定三个参考点 A,B,C, 算出此三点间的相互距离，分别记为d,CABA，。在测量过程中，用望远镜式激光测距仪测得测量点 D 点到各个参考点的距离，分别记为 。， ,DBC以 C 为原心，CB 连线指向 B 点为 y 轴正方向，建立直角坐标系。通过方程组d2FB2AAC可得 ,CFA。即得到 A 点到 x，y 轴的距离，从而得到坐标为（ FA， ） 。同理，得到测试点 D 点到 x，y 轴的距离。而 D 点的 x 坐标的正负，需要通过dDA来判断。用同样的方法把各个测量点的数据转化为此坐标系下的坐标。
