（机械电子工程专业论文）深海近底层多网分段分层生物幼体保压取样器研究.pdf

浙江文学硕士学位论文 摘要 随着陆地资源的耗竭，人们把目光投向了浩瀚的海洋。伴随着科技的进步，人 们加紧了探索海洋生物的步伐，因此各种海洋生物取样器应运而生。本文主要是针 对深海近底层的热液生物幼体研制一套生物幼体保压采样系统。目前大多数的生物 拖网取样系统存在两大问题：( 1 ) 不能保压；( 2 ) 只能在水柱中垂直分层拖曳采样， 不能在近底层分段采集，本文设计的取样器可望解决上述两大问题。 全文共分六章： 第一章首先引入深海生物取样器的背景知识，然后分析了生物取样器在国内外 的研究现状，最后提出了课题研究的目的、意义和主要内容。 第二章先介绍了生物幼体保压取样器的总体结构。然后就三个研究内容进行了 原理上的阐述。 第三章主要针对生物幼体保压取样器的多网分段分层自动开闭机构进行了研 究。提出三种设计方案：弹簧机构、拨杆机构和液压缸驱动机构。通过对这三种方 案的比较，最后采用了液压缸驱动方案来实现网的自动开闭功能。 第四章首先大体介绍了生物取样器保压系统的总体结构，接着研究了保压筒材 料的选择和保压筒的耐压设计准则，在设计保压筒的时候，采用了五个耐压准则中 最保守的壁厚，使得设计出的保压筒更安全可靠。为了验证设计的可靠性，我们对 简体做了有限元分析。然后介绍了球阀的设计，借助于a n s y s 软件对球阀进行了 应力分析。接着阐述了保压系统主要部件的密封设计。 第五章主要围绕压力补偿器设计进行了深入研究，通过对保压筒压力损失的计 算证明了设计压力补偿器的必要性。通过对四种压力补偿装置的研究，选择了预充 压力蓄能器作为取样器的压力补偿器。接着对蓄能器的保压过程进行了深入研究， 建立了蓄能器压力补偿过程的数学模型，推导出了保压筒样品最终压力计算公式。 通过m a t l a b 仿真研究得出了蓄能器容积和预充压力和保压筒样品最终压力之间 的关系。最终我们选取了容积为0 6 3 l 预充压力为3 0 m p a 的蓄能器。 第六章总结全文，阐述本论文的研究成果，并提出了下一步的研究方向。 关键词：深海；热液生物幼体；保压取样；多网；分段分层；球阀 浙江太学硕士学位论文 _ - ，_ - 、- 一一 a b s t r a c t w i t ht h ee x h a u s t i o no ft h er e s o u r c ei nm a i n l a n d ，h u m a n b e i n g sp a yt h e i ra t t e n t i o nt o t h ev a s to c e a n w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y ，h u m a nb e i n g ss p e e du pt h ep a c eo f e x p l o r a t i o no fm a r i n el i f e ，t h u sav a r i e t yo fm a r i n el i f es a m p l e ra p p e a r e d a i m i n ga t m a i n l yn e a rt h eb o t t o mo ft h ed e e p - s e ah y d r o t h e r r n a lb i o l o g i c a ll a r v a e ，t h i sa r t i c l e d e v e l o p e das e to fb i o l o g i c a ll a r v a ep r e s s u r e r e t a i n e ds a m p l i n gs y s t e m m o s to ft h e m a r i n el i f e s a m p l i n gs y s t e mh a v et w om a j o ri s s u e s f i r s to fa l li tc a n n o tm a i n t a i n p r e s s u r e ，s e c o n d l yo n l yc a nb ei nt h es t r a t i f i e dw a t e rc o l u m ni nt h ev e r t i c a ld r a gs a m p l i n g t h e yc a nn o tb en e a rt h eb o t t o mi nt h es u b c o l l e c t i o ns a m p l i n g i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g no f t h es a m p l e ri se x p e c t e dt os o l v et h e s et w oi s s u e s t h et h e s i si n c l u d e ss i xc h a p t e r s i nc h a p t e r1 ，f i r s t l yw ei n t r o d u c et h eb a c k g r o u n do fm a r i n e l i f es a m p l e r , t h e n a n a l y z et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fp r e s e n tm a r i n el i f e s a m p l e r , a n di t s d e v e l o p i n g 骶n d f i n a l l y ，w ep u tf o r w a r dt h ep u r p o s e ，s i g n i f i c a n c ea n dm a i nc o n t e n to f t h i sp r o j e c t i nc h a p t e r2 ，w ef i r s ti n t r o d u c et h e o v e r a l ls t r u c t u r eo ft h e b i o l o g i c a ll a r v a e p r e s s u r e 。r e t a i n e ds a m p l e r t h e ne x p o u n do np r i n c i p l eo nt h et h r e es t u d i e s i nc h a p t e r3 ，w eh a v eb e e nm a i n l ys t u d i e do nm u l t i p l en e t w o r k ss u b s e c t i o n l a y e r e d a u t o m a t i c a l l ys w i t c hm a c h i n eo ft h eb i o l o g i c a ll a r v a ep r e s s u r e r e t a i n e ds a m p l e r t h e np u t f o r w a r dt h r e ed e s i g n o p t i o n s ：s p r i n gm a c h i n e 、l e v e rm a c h i n ea n dh y d r a u l i cd r i v e m a c h i n e c o m p a r i n gw i t ht h et h r e eo p t i o n s ，f i n a l l yw ea d o p tt h eh y d r a u l i cd r i v em a c h i n e t oa c h i e v et h ea u t o m a t i cs w i t c h i n gn e t w o r kf u n c t i o n s i nc h a p t e r4 ，w ef i r s ti n t r o d u c et h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ep r e s s u r e r e t a i n e ds v s t e m o fm a r i n el i f es a m p l e r t h e ns t u d yt h em a t e r i a la n dp r e s s u r ed e s i g ng u i d e l i n e so ft h e p r e s s u r e r e t a i n e dc y l i n d e r i nt l l ed e s i g no ft h ep r e s s u r e r e t a i n e dc y l i n d e r , w ea d o p tt h es a f e s td e s i g nc r i t e r i at o m a k et h ed e s i g nm o r es e c u r e i no r d e rt ov e r i f yt h e r e l i a b i l i t yo ft h ed e s i g n ，w eh a v ed o n e t h ef e at ot h ec y l i n d e r t h e nw ei n t r o d u c et h ed e s i g no fb a l lv a l v e ，w i t ht h ef e a s o f t w a r e ，s u c h 嬲a n s y s ，w eh a v ed o n et h es t r e s sa n a l y s i so nab a l lv a l v e i nt h ee n d w e i n t r o d u c et h es e a ld e s i g no ft h ep r e s s u r e r e t a i n e dc y l i n d e r i nc h a p t e r5 ，w em a i n l yd oaf u r t h e rs t u d yo nt h ed e s i g no fp r e s s u r ec o m p e n s a t i o n c o n t a i n e r s t h r o u g ht h ep r e s s u r el o s sc m c u l m i o no ft h ep r e s s u r e r e t a i n e dc y l i n d e r ，w e p r o v et h en e c e s s i t yo ft h ed e s i g no fp r e s s u r ec o m p e n s a t i o nc o n t a i n e r s t h r o u g hs t u d y i n g o nt h ef o u rk i n d so fp r e s s u r ec o m p e n s a t i o nc o n t a i n e r s ，w es e l e c tt h ep r e c h a r g ep r e s s u r e i i 浙江土学硕士学位论文 。一一 a c c u m u l a t o ra st h ep r e s s u r ec o m p e n s a t i o nc o n t a i n e r so fs a m p l e r t h e n r e s e a r c h i n g o nt h em a i n t a i n i n gp r e s s u r ep r o c e s s o fa c c u m u l a t o r d e e p l y , m a t h e m a t i c m o d e lo fp r e s s u r ec o m p e n s a t i o np r o c e s s i se s t a b l i s h e d ，a n d c a l c u l a t i o nf o r m u l ao fs a m p l e sf i n a lp r e s s u r ei sd e d u c e d t h r o u g hm a t l a b s i m u l a t i o n ， w eg e t 她r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev o l u m ea n dp r e c h a r g ep r e s s u r eo fa c c u m u l a t o ra n d s 锄p i e sf i n a lp r e s s u r e i nt h ee n d , w eu s eav o l u m eo f0 6 3 l i t e r sa n dt h ep r e c h a r g e p r e s s u r eo f 3 0m p a o fa c c u m u l a t o r t h el a s tc h a p t e r , w el o o kb a c kt ot h ew h o l et h e s i sa n dp u tf o r w a r dt h ef r u i t so ft h e s t u d y a tl a s t t h ef u r t h e rs t u d yd i r e c t i o ni sb r o u g h t o u t k e yw o r d s ： d e e ps e a ；h y d r o t h e r m a lb i o l o g i c a ll a r v a e ；p r e s s u r e - r e t a i n e ds a m p l i n g ； m u l t i p l en e t s ；s u b s e c t i o n l a y e r e d ；b a l lv a l v e i i i 学号2 0 6 0 8 0 9 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：蔼娴寺 签字日期榭年么月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权逝江盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：蔼朝平 导师签名： 签字日期：易彩年z 月。日签字日期：也话年月胺日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 晰江_ 大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 联合国2 1 世纪议程指出：海洋是全球生命支持系统的个基本组成部分， 也是一种有助于实现可持续发展的宝贵财富。但是至今人类对占海洋面积很大比例 的深海和洋底的了解还很少，因此在2 1 世纪中全面深入认识海洋、开发利用海洋和 保护海洋将具有重大的战略意义。海洋中几乎到处都有生物，但不同的环境，生物 群落的种类组成和结构，以及各种群数量、个体大小、形态、生理生化特性等都很 不同。海洋生物分布的格局是与海洋环境相互作用，协调进化的。一般常按生活方 式将海洋生物分为浮游生物，游泳动物和底栖生物3 类n 3 1 。 浮游生物无游泳能力或游泳能力弱，悬浮于水中随水流移动，包括细菌， 浮游植物( 如硅藻，甲藻等) 和浮游动物( 如水母，腹足纲软件动物的翼足类、异足 类，许多海洋动物的幼虫等) 。多数终生营浮游生活，称为永久性浮游生物；少数种 类仅于生活史的某个阶段营浮游生活，称为阶段性浮游生物，如许多海洋动物的幼 虫；也有些原非浮游生物，被水流冲荡而出现在浮游生物中，如某些低等甲壳类的 介形类，涟虫类等，称为暂时性浮游生物。浮游植物只能生活在有光的水层；浮游 动物则不然，有的可以生活在千米以下的深水中，而且多数能在水中作垂直移动。 浮游生物一般体重轻( 外壳重量轻，体内脂肪含量高，富有黏液) 、沉降阻力大( 身体 相对面积大，体表多刺毛、突起，群体连成片) 或者具有纤毛，鞭毛而有一定的运动 能力。 游泳生物指那些具有发达的运动器官而游泳能力强的动物。包括鱼类、哺 乳动物( 如鲸、海豚，海豹) 、爬行动物( 如海蛇、海龟) 、软件动物( 如乌贼、章鱼) 和一些大型虾类( 如对虾、龙虾) 等，它们的游泳能力，速度和方式也有很大差异。 有些种类能横跨大洋作长距离的洄游，如金枪鱼等；有的游泳很快，如剑鱼每小时 速度达7 0 千米以上。海鳗以整个身体弯曲摆动向前游动，乌贼和章鱼则从漏斗口向 外喷射水流以推动身体反向运动。它们有时生活在上层水域( 如太平洋鲱鱼) ，有的 生活在中层或底层水域( 如小黄鱼、真鲷、牙鲑) 。游泳动物除了有发达的游泳器官 外，身体大多呈流线型，以减小阻力，提高游泳速度。 底栖生物生活在海洋水域底部和不能长时间在水中游动的各种生物，包括 底栖植物( 几乎全部大型藻类和红树等种子植物) ，底栖动物( 海绵、腔肠、环节，线 浙江大学硕士学位论文 形、软件，甲壳、棘皮，脊椎等门类均有底栖种) 。底栖生物按其与底质的关系，又 可区分为底上、底内和底游3 大生活类型；在岸边还存在潮间带生物。 本文中所述的生物幼体指的是生活于深海3 0 0 0 m 6 0 0 0 m 靠近海底的高压环境 下的生物幼体，包括以上所述的海洋生物中的深海浮游动物幼体，深海小型游泳动 物幼体，以及活动于近海底水面上的底栖生物幼体。正是这些嗜压型生物的幼体极 其依赖深海高压的环境，当采样器回收到陆地后大都已死亡，因此，必须对其进行 保压处理。 由于热液幼体在理论和实践上都具有重要的意义。从上世纪9 0 年代未开始，热 液幼体的调查与研究正越来越受到重视，欧盟和美国分别实施了a m o r e s ( a z o r e s m i do c e a nr i d g ee c o s y s t e ms t u d i e s ) 计划和l a r v e 计划( l a r v a ea tr i d g ev e n t s ) ，对 热液幼体的扩散、迁移和补充机制、幼体的培养和发育生物学开展研究。但由于目 前国外深海近底生物幼体采样设备都没有保压装置，只能对蟹类大眼幼体和多毛类 幼体等极少数种类的幼体进行培养实验乜卜2 引。我国目前用于热液硫化物调查的设备 还比较落后，在2 0 0 5 年首次环球考察期间在印度洋三联点附近洋中脊用电视抓斗首 次采集了甲壳动物、藤壶及海葵等少量热液成体生物标本，而对于热液幼体的调查 尚未开展。在未来十五年我国将开展热液硫化物、生物资源和热液环境调查。因此， 本课题所研发的系统将会有很大的市场需求，特别是对那些研究深海生物幼体活体 的研究单位、研究深海环境对生物生存能力的单位等将有很大的吸引力，而且本课 题所研发的系统也不仅仅具有保压的能力，是一套保压直视分层拖曳取样系统，即 兼具有直视、保压、分段分层拖曳等功能。这样，能满足多种生物资源和环境调查 的需要，在国内外均有潜在用户，在同类设备中将占有更大的市场份额。 深海热液喷出口附近环境是一个较极端、复杂环境，温度高达4 0 0 0 c 、具有几 百个大气压，有硫化物等许多有毒物质n 1 ，但是，在那里也生存着不计其数的耐高 温、耐高压、耐剧毒的生物及这些环境下的生物现象，有着巨大的科研、应用前景， 是目前最大的技术和工业尖端领域。对深海生物幼体，特别是对深海生物基因资源 的研究开发将在未来至少一个世纪以内影响人类的生活方式和思维方式。 对深海生物幼体的活体采样，有以下几方面的经济和社会作用：一、能丰富和 发展对生命形式的认识，促使生物学家更深刻地去研究、理解生命的起源和进化， 为人类探索地球以外星球的生命存在形式提供理论和依据；二、为新型药用活性物 质以及各种极端条件工业用酶的开发、应用提供活的样品；三、在实验室进行培养 2 晰江土学硕士学位论文 为热液生物幼体的形态学、生理学研究提供了条件，为研究热液生物在各种极端条 件下的调节适应机制，帮助设计提高人类、动物、植物抵御疾病、适应环境能力的 方法。甚至有人认为，可从中获取一些原始生物稀有的化学物质或生物基因用于医 疗，以攻克疑难杂症。而由这些功能带来的经济上的效益也将是十分巨大的，特别 是深海生物幼体活体的成功采集，将大大促进药品、特殊工业酶的开发，这将有力 促进社会经济的发展乜引。 1 2 国内外研究现状 对于深海浮游生物的研究，最常用的方法还是从海底取回样本到科学考察船上 进行研究。传统的取样方法主要是利用深海拖网、取样器或者抓斗获取生物样本， 近年来随着深海潜水器的出现，国外普遍采用一体化的探测、过滤与取样技术，利 用深海作业的机械手通过虹吸式取样器捕获浮游生物。装置的基本组成为：驱动海 水流动的泵；用于捕获浮游颗粒物、生物以及微生物的一组过滤网罩，滤网孔径最 小为o 2 5 微米。操作过程分以下四步乜引： 1 将装置安放在深潜器上并下放到指定深度： 2 在预定深度，或预设条件下开启动力泵，使大量海水流过滤网，流经滤网的 海水体积能够较精确地计量； 3 捕获了悬浮颗粒物、浮游生物的滤网连同一定体积的水样密封于耐压样品容 器中； 4 下一个样品容器被送入工作位置，全部容器满容后，装置结束工作，随潜器 提取上船。 但是，这种一体化的探测、过滤与取样技术只能在采样前设定好采样的深度， 预设采样条件进行工作，也就是说，不能实时在线进行监控，不能实时观察采样的 具体情景，也不能对海下复杂的环境进行应变。 针对这种情况，国内也有许多相应的研究和相应产品，如中国海洋大学的一种 水下采样装置，它包括中央控制装置、监测装置和抓取装置。中央控制装置与监测 装置和抓取装置通过导线连接，其中监测装置包括探测装置和显示装置，抓取装置 包括抓斗及其驱动装置，中央控制装置接收监测装置的信号并控制抓取装置的动作。 利用上述水下采样装置的采样方法包括下述步骤：甲板上通过缆绳将抓取装置吊装 放入水中；通过控制装置打开摄像装置、传感装置和照明装置，并在显示装置上监 测：传感信号和观察水底状况和搜寻目标；通过控制装嚣、驱动装置使抓斗抓取目 标；起吊，至甲板张开抓斗。采用了上述方法和装置，由于带有摄像装置，可以直 接观察和搜索目标物，有选择地抓取所需的矿样，大大提高了采样的准确率和作业 效率。 但是由于该系统不能保持生物原有的生存环境，如高压、低温、适当的盐度和 氧浓度等- 绝大多数嗜压型生物到达海面时已经死亡，只有少数适应力强的生物可 以存活短短的一段时闻。这对研究深海生物的物种特性是十分不利的。而且该系统 也投有分层分时采样功能，只能让抓斗一次性下海，然后直接打捞上来，不能保证 采样的多样性一次下海采得的样品种类不多，只有一种。 图卜1z p s 采样器结构原理| 生i 圈卜2z p s 采样器的实物圈 m c l a n e 公司的水下采样器z o o p l a n k t o ns a m p l “z p s ) ，是一种深海浮游动物采 样器，可以根据用户定义的时间序列现场采集并保存多大5 0 个浮游动物样品， 其结构如图卜1 所示。浚系统通过微处理嚣( 1 ) 的控制能工作在“时间序列” ( t i m e - s e r i e s ) 和“动态触发”( a c t i o n - t r i g g e r ) 两种工作方式下。工作时，依靠一特殊 设计的瞻产生负压的泵( 2 ) 将浮游生物吸入到两平板空间( 3 ) 中。再由输送装置 将样品输送到一3 5 x 6 c m 的卷筒式n i t e x 网套( m l lo f n i t e xm e s h ) 中，而最多可以 有2 5 0 l 水可以过滤到每个网中( 共5 0 个网) ，每一个网的大小可以是不一样的。 在一次采样完成后，卷筒式n i t e x 网套将自动卷入到一个固定容器( f i x a t i v eb a t h ) ( 4 ) 中，新的n i t e x 网套自动就位，以准备下次的采样。此外，在安装相应的传感 器后，该系统也能工作于“动态触发”( a e t i o n , - t r i g g e r ) 状态。该设备的最大采样深 * 4 女t 且女t t 静i 度为5 0 0 0 m 。 m e l a n e 公司开发的这个设备，已能较好实现深海浮游生物的采样，也具有分层 分时采样的功能，总采样量也较大( 有5 0 次) 但是，其同样不具有保温保压的功 能使深海浮游生活采集上来后都已死亡，这是其虽大的缺点。此外，其采样量虽 能达5 0 次，但每次的采样量太少，不像拖曳采样那样能对整个浮游生物种群进行采 集，而且它也没有直视的功能。图卜2 是其实物图。 此外，国外还有一种浮游植物的采样装置“州1 ，如图卜3 所示它能对水下的 浮游植物及悬浮颗粒等进行采样，采样时打开泵对样品进行吸取，同时通过滤网对 样品进行过滤，防止样品的污染。也能针对不同的大海环境，对设备进行参数的预 设置，使设备在“时间序列”( t i m e s e r i e s ) 状态下工作。但其仍不具有保温保压能 力。 j o 叫o k 矗z ) a 蜘 粤骂 阡 ll 图卜3 浮游植物采样装置 封 颤 云立h “ 圈卜4 高压培养装置 为了提高深海浮游生物存活率，延长科学研究的时问，国外出现了一种高压培 养装置( p r e s s t t r e - s t a r a q u a r i u ms y s t e m ) ，通过在实验室模拟深海环境来实现对深海 浮游生物的培养，如图卜4 所示。培养装置的主体是一个隔热保压的球形舱体 ( t h e r m a l i n s u l a t i n g g e lb a g ) ，可以承受2 0 m p a 的内压力并能保持舱内温度，从海 底获取的浮游生物样本被放养在培养舱内，可以通过舱体上的有机玻璃观察窗进行 观察研究。为了维持并控制培养舱内的压力、温度、盐度和氧浓度，系统利用高压 广n心 一 j i 阂删圈甘h * 4 f 日+ f t 静t 泵抽取新鲜海水注入培养舱；循环泵实现培养舱内外海水的循环、冷却，并提供食 物给浮游生物样本：压力控制器、压力传感器和电磁阀通过反馈闭环控制海水的捧 出，保持舱内压力在一恒定范围内，从而为生物样本提供了一个与深海环境几乎完 全相同的生存环境。资料显示，该培养装置曾经在恒定压力下让一只深海鱼存活长 达4 6 天。 国家海洋局第二海洋研究所研制的邦哥网，是一种长8 m 、丌口直径12 r a 的浮 游生物拖网，可借助于母船的钢缆在一定水深下进彳亍浮游生物的拖曳采样。但由于 没有遥控的网口启闭装置和样品保压装置，还不能实现分层采样以及样品的保压。 十五期间中南大学与浙江大学联合研制的深海悬浮颗粒物和浮游生物浓缩僳真 采样器，如图卜5 所示，其本体利用母船的钢缆吊放到指定水深位置，利用吸尘原 理快速抽取海水，让浮游生物浓缩后留在保压滤网上，从而获得保压的浮游生物样 品。但由于长时间抽取海水的能耗太大，获取的样品量远没有邦哥网来得多，根难 获取完整的浮游生物群薄脚。 露 ：_ f_ 。 笠皇l 一 、一 ，t - ：。一 图卜5 深海悬浮颗粒物和浮蝣生物浓缩保真采样器 以上是深海浮游生物采样系统的国内外研究现状，在一定程度上能代表国内外 对深海生物幼体采样方面的研发状况，但并没有列出与生物幼体采样直接相关的采 样系统，国内外直接面向深海生物幼体采样的系统( 设各) 是比较少的，只要有以 下三种： 第一种使用m o c n e s s ( m u l t i p k o p e n i n # c l o s 堍n e ta n d e n v i r o n m e n t a ls e n s i n g s y s t e f l d 多层可控开闭网和环境参数采集系统，如图卜6 所示) 分层采集上升热渡羽 流中的热液生物幼体，并可同步测量浊度、温度等与热液羽流相关的环境参数。该 系统使用电机驱动多层网的开闭。此外，在控制筒中还装有温、盐、深和浊度等传 感器，能将数据实时传回甲板控制室，便于操作人员有效地在甲板上控制开闭网的 时问和位置。但不足之处是没有可视装置无法在近底层水平拖曳，因而很难采集到 近底层热液生物幼体。而现有的结果表明，在热液口离底1 5 m 以下水层中热液生物 幼体丰度最高，向上幼体丰度逐渐递减； 第二种使用r m t ( m u l t i p l er e c t a a g u l a rm i d w a t e rt r a w l 多层矩形中层拖网，如 图1 _ 7 所示) 网多层采集上升热渡羽流中的热液生物幼体( h e r r i n ge ta 1 1 9 9 8 ) ， 该网由甲板上发出不同频率的声波来控制网的开闭装置。不足之处同m o c n e s s 网； 圈l _ 6m o c n e s $ 同 圈卜7r m t 网 第三种用拖网和浮游生物泵挂在深潜器的侧面采集近底层热液生物幼体，该方 法可以采集近底层热液生物幼体。但由于潜器活动范围及下潜的时间有限，同时还 要考虑到潜器的安全性拖挂的拖网网口比较小，滤水量不大，采集的幼体也不多。 至于浮游生物泵，它被安放在深潜器上并下放到预定涤度后开启动力泵，使大量海 水流过滤网，捕获了悬浮颗粒物和微生物的滤网连同一定体积的水样密封于耐压样 品容器中，但由于深海底大型生物的丰度低，泵过滤的水量有限，几乎采集不到底 栖生物幼体等较大的生物，偶尔采到一些，也都是死的标本，因此这种方法不常使 用。此外，上述这3 种方法都有一个共同的缺点，都没有保压装置所采集的幼体出 水面时已几乎全部死亡( 除了极个别的蟹类大眼幼体能在1 个大气压下经历变态发 育过程外) 。 上述基于深海拖曳或泵过滤的生物取样系统还报难在深海生物幼体取样方面得 到良好应用，其主要原因有：( 1 ) 不能保持在深海的原位压力，导致所采集的生物 幼体出水面时己几乎全部死亡；( 2 ) 只能在拖体前进方向上捕获到网口范围以内的 浙江大学硕士学位论文 生物幼体，很难获得完整的热液生物幼体群落；( 3 ) 没有精确控制取样水深，很难 区分各类不同热液生物幼体生活的实际水深。而捕获到的热液生物幼体的成活率、 群落的完整性与层次性对深海热液生物幼体取样系统来说至关重要。 因此，本课题的研究可望一方面大幅度提高生物幼体的成活率，另一方面保证 捕获到的生物幼体群落的完整性与层次性，使生物取样系统在深海生物幼体取样方 面得到良好应用。 通过十五期间深海彩色数字摄像系统( 地科院矿床所等) 、电视抓斗( 中国海 洋大学、国家海洋局第二海洋研究所等) 、深海浅地层岩芯取样钻机( 长沙矿山院 和国家海洋局二所) 和多次取芯富钴结壳潜钻( 长沙矿山院和地科院矿床所) 等8 6 3 项目和大洋技术专项的研究，我国在深海可视化技术方面日趋成熟；通过沉积物保 真取样器( 浙江大学) 和机械手持式悬浮体及浮游生物浓缩保真采样器( 中南大学 与浙江大学) 的研究，在深海保真取样技术方面也取得了显著的进步。上述技术将 为开展本课题研究提供良好的基础口吲。 1 3 课题研究的目的和意义 本课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) ；本课题主要针对深海的热 液生物幼体，研制一套生物幼体保压直视采样系统，可利用科考船上的同轴缆吊放 到深海，在近海底进行水平分段拖曳或在水柱的不同层次分别进行垂直拖曳取样， 并在保压条件下将获取的生物幼体回收至海面。课题将对其多网分段分层自动开闭 取样系统、网底管样品保压系统等关键技术进行理论分析和样机试验研究。 一个热液口关闭后热液生物( 尤其是管栖蠕虫一类的固着生物) 是如何迁移到 新热液口的? 直到目前仍知之甚少。回答这个问题的关键是要了解热液生物的繁殖、 幼体扩散和补充的机制。而要阐明这些机制首先要采集热液羽流中和热液口周围水 体中的生物幼体。其次，活的热液幼体采集上来后，可以在实验室进行培养，通过 对不同发育期热液生物幼体的形态学、生理学和分子生物学的研究有助于阐明调控 热液生物生长、繁殖的相关机制，并为提取具有特殊功能的基因和酶提供丰富的样 品；此外，热液生物幼体运动能力弱，它们的分布受海流的强烈影响，幼体可以由 底层流输运到热液区一定距离之外。也可以进入上升的热液羽流，由它将幼体输送 至离底数百米高的地方，然后再向四周扩散至较远处，因此热液生物幼体还可为寻 找热液羽流提供辅助的指标。因而开展热液生物幼体的调查，并获取活的热液生物 8 浙江上学硕士学位论文 幼体，在理论和实践上都具有重要的意义。 但现有的生物拖网存在三大问题：a 不能保压，导致所采集的生物幼体出水面 时己几乎全部死亡；b 没有摄像系统，只能在水柱中垂直分层拖曳，不能在近底层 分段采集。本课题能克服上述二大问题，将大大提高深海热液生物幼体的捕获率和 成活率，在深海生物幼体取样方面将有广泛的应用前景。 本课题的预期目标是研制一套针对深海热液生物幼体的保压直视取样系统，突 破取样系统的现场保压、多网分段分层自动开闭二大技术瓶颈，为该系统在深海生 物幼体取样方面的推广应用扫清主要技术障碍。 主要技术指标有： a 取样能力指标：多层开闭网数量3 套，网口尺寸 i m x o 6 m ； b 保压筒数量与有效尺寸：3 个，每个保压筒有效尺寸 矽1 0 0 m m x 2 0 0 m m ； c 样品保压指标：上船后6 小时内样品压力不低于采样点原位压力的9 5 ： d 工作水深指标：3 0 0 6 0 0 0 m ； e 体积重量指标：拖体总重量 1 s t ，尺寸 2 5 r e x l 6 m x l 2 m 。 1 4 课题的主要研究内容 本课题将针对采样过程的保压、多网分段分层自动开闭二大问题展开研究， 研制一套保压直视采样系统，可利用科考船上的同轴缆吊放到深海，在近海底进行 水平分段拖曳取样，或在水柱的不同层次分别进行垂直拖曳取样( 在垂直拖曳时， 在拖体前端系一条钢缆与同轴缆的承重头连接) ，并在保压条件下将获取的生物幼体 回收至海面。主要研究内容包括： 1 基于多网分段分层自动开闭拖曳原理的深海热液生物幼体取样系统研制 首先研制一套基于多网分段分层自动开闭拖曳原理的深海热液生物幼体取样 系统。该系统包括3 套水平布置的热液生物幼体拖网，网口是方形的，当拖体到达指 定地点及水深时，启动换网驱动机构打开第一套网对生物幼体进行采集，采集结束 时关闭第一套网。需要继续采集时可以依次打开第二、三套网。三套网可以独立工 作互不影响。 2 适用于多网分段分层拖曳取样系统的网底管样品保压系统研制 针对深海热液生物幼体的取样系统与常规的浅海生物取样系统不同，被捕获的 9 浙江土学硕士学位论文 热液生物幼体一直生活在深海高压环境里，很难适应海面的常压环境，导致出水面 时几乎全部死亡。利用“十五”期间浙江大学与国家海洋局第二海洋研究所、中南 大学成功研制的沉积物保压取样器、悬浮颗粒物泵吸浓缩保压取样器的原理，用一 个保压舱体把整个拖网都封闭起来保压，其代价很高( 包括成本与重量) ，不现实也 无必要。 考虑到9 5 以上的热液生物幼体都集中在拖网尾部，因而本课题将研究只针对 多网分段分层拖曳取样系统尾部网底管样品的保压系统，研制专用的保压舱体启闭 与取样控制机构、控制阀组，以最小的代价，对最大多数的热液生物幼体进行保压， 大幅度提高捕获到的热液生物幼体的成活率。 1 0 浙江土学硕士学位论文 第二章生物幼体保压取样器总体设计 引言 随着陆地资源的日趋紧张，人们把目光投向了海洋。海洋是生命的摇篮，浩瀚 的海洋水体在不同深度上都有生物分布。随着科技的进步，人们加紧了探索海洋生 物的步伐，因此各种海洋生物取样器应运而生。本课题主要是针对深海近底层的热 液生物幼体研制一套生物幼体保压直视采样系统。目前大多数的生物拖网取样系统 存在两大问题：( 1 ) 不能保压；( 2 ) 只能在水柱中垂直分层拖曳采样，不能在近底 层分段采集，本课题设计的取样器可望解决上述两大问题。 2 1 生物幼体保压取样器简介 本课题研究的生物幼体保压直视取样系统( 如图2 1 所示) ，可利用科考船上的 同轴缆吊放到深海，在近海底进行水平分段拖曳取样，或在水柱的不同层次分别进 行垂直拖曳取样( 垂直拖曳时，在拖体前端穿过四个耳环系二条纲缆与同轴缆的承 重头连接) ，并在保压条件下将获取的生物幼体回收至海面。主要研究内容包括：( 1 ) 生物幼体保压取样器的框架设计。( 2 ) 基于多网分段分层拖曳取样的自动开闭装置 的研制。( 3 ) 多网分段分层拖曳取样的网底管样品保压系统的研制。 首先介绍一下拖网取样器的工作原理，系统包括3 套水平布置的热液生物幼体 拖网，网口是方形的，网的相邻两边各有一个网杆连接在网上，三层网共有6 根网 杆连接在网上，网杆的一端跟液压缸连接在一起。网杆在液压缸的驱动下可以作9 0 0 的转动。网杆的转动支点固定在框架上。当液压缸处于最大位移位置时，所有网都 处于关闭状态。当拖体到达指定地点及水深时。启动网组自动开闭装置，液压缸驱 动网杆作顺时针9 0 0 转动，打开网进行采样。采样结束时，液压缸驱动网的另一根网 杆作9 0 0 转动关闭网，同时关闭球阀使采集到的样品进入保压状态。 在系统尚未取样的情况下，六个网杆都处于垂直状态，所有的网都关闭。每个 网杆的一端都通过转动副与框架连接在一起，网杆的末端跟液压缸的活塞连接在一 起，活塞的直线运动可以转化为网杆的摆动。当所有的网取样结束时，六个网杆都 处于水平状态。下次继续采样时，需要复位，使网杆处于垂直位置。当一层网在工 作时，网的一根网杆处于水平位置，另一个网杆处于垂直位置，采样结束后，处于 垂直位置的网杆在液压缸的驱动下顺时针转动9 0 0 处于水平位置。 嘶4 蕾女t 静 图2 - i 所示状态为第二三层网尚未取样处于关闭状态，第一层网正在进行取样 作业的状态。压力传感器用来检测拖体的工作水深，确保拖网能定深拖曳。此外， 运用云台技术使水下灯与摄像头能够旋转，既可俯视拖体下方，以免在近底拖曳时 拖体触底，又可直视拖体前方，每套拖网尾部阿底管处都配置了一个保压筒，可以 对拖网尾部网底管内的样品进行现场保压。 图2 - 1 深海蚯底层热液生物幼体保压直视l 仅样系统示意削 2 2 生物幼体保压取样器框架设计 生物幼体取样器的框架分内外框架两个部分( 如图2 - 2 所示) ，内框架和外框架 之间有导轨，内框架可以通过导轨在外框架里面滑动。在取样器工作时，内框架可 以从外框架里拉出来，等拉到极限位置时，通过六个螺拴把内外框架固定起来。此 时框架总长可达35 m ，当取样器不工作时，内框架可以完全缩回外框架此时框架 总长为2 5 辨。这种伸缩式结构可以有效减少框架放置在甲板上的占地面积。 图2 _ z 内外框架结构示意圈 外框架和内框架主要采用6 3 型号的热轧等边角钢焊接而成，外框架主要是用 浙江大学硕士学位论文 来安装生物幼体保压取样器的自动开闭装置、液压系统的各个部件以及导流罩等等， 内框架主要用来安装取样器的保压系统。生物幼体保压取样器需要下海取样时，内 框架在外框架中滑动到最大位置固定，取样结束生物取样器需要放置时，拆除固定 内外框架的螺栓把内框架缩回外框架内。外框架的结构图如下图2 3 所示，外框架 的总长为2 5 m ，总高为l ，l 。 i l _ 1 警 j- l f?f i 、j i i i “f h 女# 4 格i 图2 _ 5 上导轨部分的结构图 下导轨部分的结构如下图2 _ 6 所示，它主要由上滑板、下滑板和滚动机构三部 分组成。上滑板焊接在内框架的底部，下滑板焊接在外框架的底部。内外框架通过 滚动机构在滑道内滚动。采用滚动运动形式的好处在于减少了阻力，方便内框架的 拉出和缩回。 图2 _ 6 下导轨部分的结构图 滚机构的结构图如图z 一7 所示，它主要由自制螺钉、支撑螺套和钢球三部分构 成。通过调节自制螺钉和支撑螺套之间螺纹的连接长度来控制下导轨部分上滑板和 下滑板之间的距离。内框架的拉出和缩回主要靠钢球在下滑扳里的滚动来实现的。 图2 7 滚动机构的结构图 1 4 * * e h 女口t 静 2 3 基于多网分段f 分层拖曳取样的自动开闭装置的研制 目前国际上对热液生物幼体的采集主要有3 种方式，第一种使用m o c n e s s ( m u l t i p l e o p e n i n g c l o s i n g n e ta n d e n v i r o n m e n t a ls e n s i n gs y s t e m 多层可控开闭网和 环境参数采集系统) 分层采集上升热液羽流中的热液生物幼体，并可| 司步测量浊度、 温度等与热液羽流相关的环境参数。该系统使用电机驱动多层网的开闭。第二种使 用r m t ( m u l t i p l er c c t a n g m a rm i d w a t e rt r a w l 多层矩形中层拖网) 网分层采集上升 热液羽流中的热液生物幼体，该网由甲板上发出不同频率的声波来控制网的开闭装 置a 第三种用拖网和浮游生物泵挂在深潜器的侧面采集近底层热液生物幼体，该方 法可以采集近底层热液生物幼体。 如果采用水下电机控制网的开闭的话，我们由三层网需要控制那至少需要三台 电机，目前深海电机价格不菲，从成本角度考虑我们否定