第七节 海洋技术
海洋技术是一门以海洋开发为核心的工程技术，包括海洋资源开发技术和装备设施技术两方面。海洋技术是当代新兴的科学技术部门之一，也是一个涉及许多门类的综合性学科。由于海洋具有地球上最雄厚的资源，是一个新兴的、具有战略意义的开发领域。因此，在当今世界范围内出现食物、能源、物质资源短缺的情况下，各国都希望寄托在海洋开发上。海洋开发在人类生活中的地位和作用，越来越受到重视。人类开发海洋的活动已从海面、海底、海空全面展开，进入了一个综合、立体开发利用海洋的新时代。
一、现代海洋技术的发展
现代海洋技术是20世纪50年代后，围绕着海洋探测技术和海洋资源开发技术两个方面的变革发展起来的。
1．海洋调查方法的变革
传统的海洋调查一般是单船进行的单一目的、小范围的海洋考察，技术水平较低。现代海洋调查一般是多国家、多船只、多项目的立体调查，即建立从空中到海下，从沿岸到大洋的调查体系，以获取全球性多方面的海洋资料。例如，1957～1958年国际地球物理年组织的海洋调查，调查范围遍及世界各大洋，调查船70多艘，参加国家17个。
20世纪60年代深海深潜器和70年代资源卫星的应用，标志着现代海洋调查进入了立体调查的新阶段。而后，随着现代新的科学技术革命的兴起，调查技术手段得到更大的提高，广泛地应用海底探测新技术，如回声探测、红外照相、立体摄影、海底电视等等，并正逐步地向自动化、电子化、数字化、综合化方向发展。特别是计算机应用于海洋调查和资料整理后，效率大大提高，往往在调查船完成任务的返航途中，就已经把资料整理出来了。
大型海洋考查船的建造是海洋调查手段的又一重大发展。1964年，美国几个主要研究海洋的科学机构，共同组成了"地球深部取样联合海洋研究机构"，提出了"深海钻探计划"，其目的是揭示海洋沉积物的性质及其形成的历史，探讨海底构造的演化过程。为此，建造了一艘大型的设备先进的考察船"环球挑战者号"，于1968年8月正式投入使用。该船前后航行了25万海里，遍及世界各大洋，共钻井429处，海底钻探总长19万米，获取了大量的大洋沉积层和岩石样品，此外还进行了回声测深、地震勘探、海底红外照相、古地磁、海底岩石绝对年龄测定等方面的工作，取得了一系列重大成果。目前，海洋调查活动，已经遍及包括两极在内的世界各大洋。
2．海洋开发利用技术的进展
海洋调查方法和手段的发展，为大规模开发利用海洋创造了条件。20世纪60年代，海洋的开发利用进入了一个崭新的时代。不仅以海洋运输业、海洋捕捞业为主的传统的海洋产业迅速发展，而且新兴的海洋产业，如海水养殖业、海洋矿业开发、海洋化学资源的开发、海洋能的发电、海水淡化工程以及海洋水下工程的开发利用等也迅速地建立起来，其中以海洋油气产业的发展最快。
目前，现代海洋工程已经使用了世界上最先进的技术，包括卫星导航和定位技术、遥感技术、通信技术、电子技术、水声技术、生物工程技术、造船技术、深潜技术、打捞技术等。这些先进技术的使用，使传统海洋开发走上高技术发展轨道，同时出现了许多高新技术领域，使海洋开发向全面利用及纵深方面发展。现代海洋技术是建立在现代海洋科技理论和其他技术领域最新成就基础上的跨学科的综合性高技术体系。现代海洋开发正在由浅海向深海大洋推进，无论其广度还是深度都是历史上空前的。
二、海洋探测技术
在当代海洋技术中首先获得发展的就是海洋探测技术，它是认识海洋、探测海洋资源的手段。人类用科学方法进行海洋科学考察已有100余年的历史，而大规模、系统地对世界海洋进行考察则仅有30年左右。
（一）海洋科学考察船
海洋科学考察船只又称海洋调查船，专供对海洋进行水文、气象、生物、矿产资源和物理、化学性质的调查研究。在60年代以前，全世界所获取的有关海洋资料中，95％左右是由科学考察船取得的。
进入70年代以后，尽管飞机、卫星等新的手段进入海洋探测领域，但科学调查船的地位却不可替代，科学考察船的数量仍在继续增加。据统计，70年代初全世界总共有科学调查船800多艘，10年后便增加了1600艘，其中美国300多艘，原苏联200多艘，日本180多艘。
（二）海洋卫星
从60年代开始，随着空间技术的发展，人们开始利用人造地球卫星从空中观测海洋，海洋探测技术跨入了卫星时代。自1972年以来，美国发射了"地球资源技术"1号卫星、"天空实验室"空间站、"海洋卫星～A"号卫星和"诺阿"系列卫星等全部或部分为海洋研究与探测服务。
1979年，原苏联也发射一颗专门的海洋卫星"宇宙1076"号。80年代，欧洲宇航局也发射了海洋监测系统卫星。1988年9月7日，我国利用"长征4号"运载火箭成功地把带有海洋观测通道的气象卫星"风云1号"送上了太空。风云1号卫星运行周期103s，每昼夜绕地球飞行14圈。它的5个通道中有2个用于海洋水色的探测，第五个通道探测海洋表面温度。现在风云2号也已经上天。
（三）潜水器
海洋科学考察船、海洋卫星等只能对海洋空间、水面进行观测，对海中以至海底的各种性质的探测无能为力。特别是70年代以后由于石油危机所导致的对海洋石油的需求刺激下，深海探测技术得到了很大的发展。潜水器既是深海探测的工具，又是进行水下工程的重要设备。
潜水器可分为载人潜水器和无人潜水器。第一个有科学意义的潜水器是1934年美国制造的，是一个由水面船上吊放的钢球，可载人下潜到906m深处。1953年，法国人建成"底里雅斯特"号自航式潜水器，于1960年下潜到世界上最深的马里亚纳海沟，创深潜10916m的世界记录。然而，这一时期的潜水器主要用于深海探险，探索人类下潜深度的能力。60年代后，潜水器的发展才开始转向海洋探测与海洋开发作业。
无人潜水器又称遥控潜水器，也称海洋机器人。美国在50年代后期首先研制出缆控可回收的遥控潜水器。60年代，在军事需要的推动下，美国和其他工业发达国家在研制潜水器方面有很大的进展。1963年，美国核潜艇"长尾鲨"号沉没海底，1966年美国空军的一架B～52重型战略轰炸机将一枚氢弹掉落在西班牙附近的太平洋海底，需要有深潜设备进行打捞。美国海军由此启动"深潜系统"研究计划，相继建成了几艘无人潜水器。1973年爆发了世界第一次石油危机，促进了海底石油和天然气钻探开采事业的大发展，越来越多的水下作业任务促进了无人潜水器的发展，成为一种实用而经济的海洋技术装备。
三、海洋资源开发技术
（一）海洋矿产资源开发
1．石油和天然气开发技术
被人们誉为"工业血液"的石油，是人类社会发展的一种不可缺少的动力资源。随着工业化水平的日益提高，石油消费也急剧增长。随着陆地石油资源的逐步耗尽，人们开始把眼光转向了海洋。人们发现，不仅在大陆向海洋延伸的地区蕴藏着丰富的油气资源，而且在许多水深超过5000m、离海岸1500m以上的小洋盆或边缘盆也都找到了油气矿床。据估计，世界油气资源藏量很可能有1/3在大陆架，1/3在深海。因此，海洋将成为未来世界油气开采的重要基地。
石油和天然气的开发大致分为3个阶段：第一阶段是普查性的地球物理勘探，目的是寻找可能贮油、气的地质构造；第二阶段是在找到的构造上打勘井，包括打初勘井查明是否有油、气存在，以及打估价井来查明油、气的范围、类型、储量等情况，以便制定开采方案；第三阶段是打生产井并进行石油的采集、初步加工、贮存、运输等生产手段的建设，以及进行生产。
最初开发海洋油、气资源是用陆地上的办法，即在紧靠海边的海滨钻斜井，利用井身的斜度，使井底伸到海底的油层里。但斜井伸向海洋的水平距离毕竟有限，并不能从根本上解决海洋油气的开采问题。要想在茫茫大海里把油、气直接开采出来，首先要把钻机搬到海上，在海上直接建井，这就要求在海上建造一个稳定的井场。
为了解决这一问题，曾先后出现土堤法和在海水中修栈桥的办法。前者靠堆石镇土，采用修建人工陆地或人工岛来建立海中井场。后都则是把井场建立在桥面上，1896年，美国在加利福尼亚的圣巴腊巴海峡曾采用这种方法，在伸向海中的木质栈桥上钻井。
为了在更深更远的海水中开发油气，又出现了与岸无引桥相连的孤立在海中的海上井场----海上固定平台。固定平台经历了木质→钢质→钢筋混凝土重力平台的过程。钢筋混凝土重力平台在防止水腐蚀、节省钢材方面显示出很大的优点。同时，这种平台十分稳定，特别适用于风浪大、水流急的海域。海上固定平台的出现，为海洋油气资源的开采向远海、深海发展，提供了一个重要手段，标志着海洋石油和天然气开发进入了一个新的阶段。
2．深海锰结核矿的开发
深海锰结核矿的开发，是现代海洋矿产资源开发的另一项重要内容。锰结核又称多金属结核，是浅褐色至墨黑色的结核状矿物体，主要由锰组成，并富含铁、镍、钴等多种金属元素，具有很高的经济价值，广泛分布于水深4000～6000m的海底，估计总储量约为3×1013t，仅太平洋中锰结核中锰的含量就为陆地上的67倍，而且这种多金属结核还以每年1×107t的速度不断生长。
19世纪80年代英国的"挑战者号"探险船第一次采集到锰结核，目前，一些发达国家已经对锰结核进行了工业开采，并已取得了开采技术方面的成功经验。但是深海锰结核的开发十分复杂，必须解决两个问题，即深海勘探和深海采掘。在茫茫大海中找到适宜的开发矿区，须有现代化的勘探设备和方法，如深海照相设备、高速拖曳深海闭路电视系统、各种海底取样工具、荧光分析设备、物控系统以及船用卫星导航系统和各种海洋定位系统等。目前，旁侧声纳系统的研究和应用，船用计算机系统的采用，为锰结核资源的勘探增添了手段，提高了工作效率。
（二）海洋生物资源的开发
人类对海洋生物资源的开发利用虽然有悠久的历史，但直到近代，海洋生物资源的开发利用范围还是很狭窄。即使是现代，以干品计算，海洋也只为人类提供2％的食物。随着现代海洋技术的进步，人们对海洋生物资源的开发和利用正在发生根本性的转变。其主要内容是：
1．实现由常规捕捞技术向现代捕捞技术的转变
为了确保海洋渔业捕捞的高产稳产，世界各国都在努力实现捕捞技术的现代化。它主要包括三个方面的内容：
（1）鱼群探测仪器化
过去，渔民捕鱼是凭经验来探测鱼群的，现在已经开始使用现代化探鱼仪器，如电子探鱼器、红外探鱼器、声纳探鱼器、激光探鱼器。一些国家还利用资源卫星、飞机、电子计算机辅助侦探鱼群，也取得了良好的效果。1978年美国发射了两颗专业卫星和一颗实用卫星，借助于多光谱扫描设备和高分辨辐射仪，从实用卫星上获得渔业情报图，通过传真系统，提供给渔业公司和渔民，渔民利用这些渔业情报，从事金枪鱼、旗鱼和箭鱼的捕捞，取得了很大的效益。
（2）先进的诱捕技术
所谓诱捕就是利用某些鱼类的生活习性，创造某种条件把鱼群引诱集中，然后捕捞。目前人们根据鱼类对光、声以及特定的食物具有较强反应的原理，发明了光诱捕鱼和声诱捕鱼等多种先进的诱捕技术。光诱捕鱼是根据鱼类的趋光性，用光将分散的鱼诱集起来 ，然后借助其它渔具达到捕捞的目的。音响捕鱼就是在水中播放鱼发出的声音、恐吓鱼的声音和鱼所喜欢的声音来诱集捕捞鱼类。
（3）捕捞器具现代化和自动化
现在捕鱼使用最多的还是网具。在网具自动化方面，日本发明了网板自动收绞装置，实现了拖网的自动化。挪威为拖网渔业试制了一种综合数据显示系统，该系统用计算机综合处理来自船上各种仪器的数据，把渔船鱼具和鱼群之间的状态用图像展现在驾驶室的荧光屏上，从而实现用电子计算机自动控制操纵拖网的起放网装置和瞄准捕捞，使拖网捕捞完全自动化。捕捞技术的现代化，还包括鱼产品的初级加工处理。目前，现代化的渔船都配有浓缩冷冻加工和热处理装置。发达国家的远洋渔船还配有新式流动鱼类罐头厂。捕捞的鱼产品通过海上加工后，可以制成各种成品和半成品，使现代海洋渔业捕捞技术进一步向系统化方向发展。
2．实现由传统的自然捕捞技术向海洋农牧业的转变
海洋水资源虽然十分丰富，但也不是无穷无尽的。光靠捕捞技术的现代化来提高产量，不能满足人们日益增长的需要。而且过度捕捞和自然变异，还将导致近海、浅海渔业资源的急剧下降甚至枯竭。因此，海洋鱼类资源的开发利用必须改变有什么捕捞什么的传统，走海洋农牧化道路。
海洋农牧化包括海洋农业化和海洋畜牧化两个方面的内容。海洋农业化是指人工把海洋（包括海滩）围起来，搞池养、围养等，实现工厂化海洋水产品的生产。利用先进的技术设施，实现从饵料生产到投放，从鱼卵孵化到放养，从捕获到加工的完全工厂化生产。
海洋畜牧化是指把鱼苗放进大海或人工海洋牧场，通过放养和其他技术措施让鱼苗定期回游，然后捕捞，以充分利用海洋的自然生产力。海洋牧鱼主要有两种形式，一是通过筑坝、网围、"气泡帷帐"、"电栅栏"等方法，在海洋中圈定一个海域，在人造海洋牧场上牧鱼。另一种是利用海中各区域的不同的自然条件，让鱼类或其它生物只能生活在一定的海域，形成"自然牧场"。如日本正在积极进行鱼类驯化的研究。他们设想每次在给幼鱼喂食的时候，重复播放一种特殊的声音，使鱼类逐渐熟悉这种声音并形成条件反射。然后把幼鱼投放海洋牧场中去上膘，等到这些鱼类膘肥体壮以后再播放那种声音，经过驯化的鱼听到自己熟悉的声音，便会"自投罗网"。
3．实现海洋生物资源从单一获取型向综合利用型转变
海洋植物的综合利用就是要从海洋植物中充分地提取食物、饲料、原料和能源。海洋植物中含有多种维生素、脂肪酸等有机物质，利用这些植物可以制造肥料、饲料、醇类物质、琼胶、褐藻胶、叶红素、维生素、抗菌素以及沼气等产品。特别重要的是，海洋中的植物具有富集能力，能够富集海水中的化学元素。
目前，人类已能从海洋植物中提取碘、钾、溴、镁等物质。但是自然状态下的海洋植物的富集能力不是很强，因此，海洋生物资源利用技术的一个重要方向，就是要培养出具有很强富集能力，并能定向吸收特定物质的海洋植物新品种，建立海底农场，从事海底栽培。这也是海洋农业化的重要内容之一。
海洋动物资源的综合利用价值也很高，除食用、药用、制革、化工、橡胶、机器制造等领域的广泛应用外，在防止海洋环境污染、保护生态平衡等方面也大有作为。
4．蓝色革命
海洋生物资源的开发，受海洋本身的生产力和海洋食物网特性的制约。海洋生产力的分布主要取决于表层营养盐的更新速度。海洋表面阳光充足，如果营养盐丰富，则浮游生物多，生产力高。上升流区就是这种高产海域，也是大渔场的所在地。面积只占海洋面积0.1％的上升流区域，其海产捕获量占总产量的44％。"蓝色革命"就是计划创造人工上升流，在大洋中营造人工"绿洲"。因为深层水的温度只有8～9℃，而氮和磷分别是表层水的200倍和15倍，将这种深层水抽上来，遇到充足的阳光，就会形成一个产量倍增的新的人工生态系统。表层和深层的海水的温差，还可用来进行温差能发电。
5．海洋食品与海洋药物
在海洋生物资源开发中，除了直接食用海洋生物外，利用海洋生物特有的蛋白质、脂肪酸、无机盐和微量元素，加工海洋生物成特制海洋食品，形成新兴的海洋食品加工产业。将是提高海洋产品附加值，促进生活水平提高的一个手段。
海洋不仅可以提供食品，而且是人类未来的大药房。利用生长在海洋这一特殊生态环境中的海洋生物所积累的大量天然产物所具有的抗癌、抗菌、抗病毒等功效，提炼人类所需要的海洋药物，将是海洋资源开发的新热点。
（三）海洋化学资源的开发
1．提取海洋中的化学原料
在海洋资源中利用潜力最大的是海水本身的化学资源。目前，在陆地上发现的100多种元素中，已有80多种在海水中找到，其中有70多种已经可以提取。除了传统的海水提盐外，海水提取镁、溴，是海水化学资源提取工程中进展最快、经济效益最高的项目，其提取量是除食盐外最多的。在一些发达国家，镁的产量有将近一半是从海水中提取的，80％以上的溴也是从海水中提取的。
此外，各发达国家都在竞相研究从海水中提取重水、铀等核工业原料。重水具有相当大的能量，据估计，1吨海水中所含重水的能量，能把约4000吨20度的水化为100度的蒸汽。如果在理论上和技术上解决了可控热核反应问题，人类将一劳永逸地解决能源问题。
2．海水淡化工程的开发
地球尽管是一个巨大的水球，但其总水量的97.2％是海水，淡水仅占2.8％，而且大部分是人类难以利用的两极冰盖、高山冰川和永久积雪。因此，人类真正可以利用的淡水只是江河湖泊以及地下水的一部分，它们只占全球淡水储量的0.34％。由于种种原因，淡水资源的缺乏目前已成为生存与发展的世界性问题。
海水淡化就是用化学的或物理的方法除去水中所含的盐分，以获取淡水。通俗地说，也就是海水脱盐技术。海水淡化是解决人类水资源缺乏的根本途径。正因为如此，从50年代起，一些发达国家就竞相进行海水淡化技术的研究。
目前，海水淡化的方法已发展到20多种，但其中技术上成熟，经济性能好、运用较多的则是蒸馏法、电渗析法、反渗透法和结晶法四种，其中蒸馏法、电渗析法等都已达到了工业生产的规模，为解决某些国家的"水荒"问题发挥了重要作用。现在，全世界海水淡化装置达2204个，总造水能力每天727万吨。科威特是世界上海水淡化产量最高的国家，日产淡水已达20多万吨。
建立海水综合利用工厂，在生产淡化水的同时，对海水中其他化学资源进行回收利用，是降低成本、增加收益的重要途径。目前，海水综合利用技术已有发展，从海水中直接提取钾、镍、碘的工作也有了一定的基础。
（四）海洋能源的开发
海洋中除了蕴藏着油气这类不可再生的能源外，还有巨大的可供开发利用的再生能源，如波浪能、海流能、潮汐能、温度差能、盐度差能等。海洋能源的特点是蕴藏量大、可再生、干净而不污染环境；但能量密度较低，如进行大规模开发利用，必须安装结构庞大的转换装置。目前正在开发的海洋能源主要是：波浪能、潮汐能、海洋温差能、海流能和盐度差能等。
（五）海洋空间资源的开发
海洋空间包括海洋面上空间和海洋"水内空间"。海洋的"水内空间"是一种特殊的空间，有人把它称为地球的"内空间"。海洋空间资源的开发利用必然是朝着海洋面上和水下两个方向发展。海洋环境是个比较稳定的环境，人类可以充分利用海洋空间，发展工矿企业和海洋农牧场，使人类部分活动仍回到生命发源地的海洋中去。如果把太平洋整个的空间开发利用起来，就等于把整个陆地扩大了1倍多。所以开发海洋空间具有长远而巨大的意义。
20世纪60年代以来，随着科学技术的发展，特别是海洋技术的进步，不断把新型建筑材料应用到海洋工程之中，使人们能够在海面开发新的活动空间，建立各种海上浮动设施。如日本在巴西建设了世界上第一座浮动工厂----巴西利亚纸浆厂。新加坡在海上建起了目前世界上最大的海上旅馆。德国在海上建起一座日产1000吨氨的浮动化工厂。随着海洋开发的深入和发展，人类将逐步把海洋空间作为生活空间和生产基地利用。预计在21世纪，海上城市、海上机场、海上工厂、海上油库以及海底城市、海底工厂、海底军事基地、海底农场等水下项目，将逐步建立和发展起来。
从以上几个方面，我们可以看到海洋工程的一个大体轮廓。海洋工程作为一门综合性很强的科学技术，正在不断地与各项现代科学技术成就的应用紧密联系在一起。可以肯定，现代科学技术 上的每一项新的成就，都将给海洋工程的发展带来新的推动力，使海洋技术产生一系列的重大突破。海洋开发的深度广度将越来越大，并逐步向着全面开发利用海洋资源、能源和空间的方向发展。
