美国政府、工业界和科用。学界的个人及团体在研究和开发海洋技术方面进行了大量的工作。本文将讨论一部分有关将来开发和利用海洋及其资源的重要技术议题。

海洋科学与工程研究，合成技术和系统将为迅速增长的人口提供食品、能源和居住环境等基本需求，卓有成效地保持和改善21世纪人类生活的质量。

技术进步包括了自动遥控装置，自控水下运载器，海洋测量系统，生物技术，环境监测技术，用于深海系统和大型漂浮城市的新材料及建造工艺，海洋能量转换技术，水下观察测量技术，知识基础系统的应用，计算机辅助设计和制造。这些先进技术将会卓有成效地促进21世纪海洋装备系统的发展。在讨论将来的技术需求之前，有必要回顾当代的重大发展。

卫星和浮标系统

过去20年里，海洋资料采集方面最显著的进步是推广环境观测卫星和资料中继卫星技术。卫星和卫星通讯系统已能够以前所未有的能力从世界各大洋采集到广泛的资料。原地观测技术对卫星测量而言是必不可少的补充，它取决于回收资料，特别是回收偏远地区的实时资料的卫星遥测装置。

现代环境卫星装备了传感器系统，对海洋进行遥感测量，其能力包括成像（云层状态及所产生的高空气流，海洋水色等的可见光谱，海洋边缘和涡流的红外谱）；微波辐射测量（海面和海冰温度）；雷达测高（确定海面形态，冰缘线，有效波高和气流速度）；雷达散射仪测量（海面气流）和微波合成孔径雷达（定向波谱）。

根据大面积的海面及海面以下的特征如整个湾流的表面温度图像，卫星系统能够提供有关的天气资料。地球资源卫星应用了雷达测高仪，提供了沿卫星地面轨道的连续海平面记录。国家海洋与大气管理局（NOAA）和国家科学基金会的热带海洋环球大气计划（TOGA）应用了这些资料推测影响全球天气和气候变化的赤道大洋质量分布变化趋势，从而预测如中太平洋东部的埃尔尼诺现象。将于1991年发射的TOPEX/Poseidon卫星是美 - 法合作的成果，它将用于测量海面形态、提供海洋环流模型资料、供热转换和气候研究用。

遥控操纵运载器

在过去10年里，世界上趋于使用无人驾驶的水下运载器和作业系统。目前世界上已有约150种型号，1000多个遥控操纵运载器（ROV）应用于不同的领域a这些设备在续航性，低风险和作业成本等方面均优于人工操纵设备。ROV的拖缆的优点是可用于传递动力，控制指令和输送资料，其缺点是可能被纠缠失落。而且运载器在极大深度作业时需要有精湛的控制能力。海军的高级带缆运载器是先进的作业系统之一，可工作在6000 m水深。它是遥控无人作业系统的一个支属，斯克里普斯海洋研究所的遥控无人操纵器RUMIII是一个非凡的遥控操作海底履带式作业系统NOAA。

自控水下运载器

目前的趋势是无人驾驶、无缆的程序控制自控水下运载器（AUV）。值得一提的有海军的高级水下搜索系统和新罕布什尔大学用于检查管道及平台的小型实验自控运载器。另一种构想是复式AUV，母体运载器发射出一个子运载器，而由后者去执行一些辅助功能，如接通或遮挡照明光源。从母体运载器或潜水艇中发射AUV去执行特殊功能的子母式系统在将来具有宽阔前景。Alvin - Jason Jr. 号潜水器在搜索《泰坦尼克》号沉船的过程中已证实了这种能力。

AUV和水下遥控装置为许多水下运载器的应用自动化提出了挑战，提供了机会。例如资源调查及评价，海底取样，物体回收，海底测绘，环境监测，检查维修和基本的水下作业功能。在深水区，冰层之下和长续航性的作业都可应用AUV。将来AUV要向以下方面发展：高分辨率的三维成像系统，计算机辅助的观察系统，人工智能/知识基础计算机系统，卫星 - 地下声学 - 激光遥测系统，以及模仿人工操作技能的高灵敏度自控双臂或三臂操作器系统。

深水技术

对深水区设施的构想包括常规的固定导管架式平台，柔性塔式平台，张力腿式平台和浮式生产平台。在发展实用的系统的过程中存在许多复杂的技术难题，各有其利弊。

壳牌石油公司的Cognac号平台曾长期保持82 cm水深的工作记录，1988年壳牌石油公司在840 m水深的Bullwinkle号平台成为世界上工作水深最大的固定平台，该平台由重约50001的钢结构导管架构成。

从技术上来说，钢结构导管架式平台可以适用于500 m水深。然而，这些巨大的设施会由于共振所加剧的运动反应力作用导致难以承受的疲劳寿命。柔性平台可以摆动以适应波浪和海流的作用，减少承受的负荷量。其中一种柔性平台是由一个底座和一个具有挠性桁架及组装浮力舱的牵索井塔或柔性井塔所组成，它可工作于1000 m水深。

另一种柔性平台是张力腿式平台（TLP），利用其超浮性及放置承受张力的系泊腿，允许平台轻微摆荡，同时又限制其上下起伏和左右摇晃的幅度。大陆石油公司正计划在620 m水深处安装一台TLP。TLP的—个主要弱点是甲板上部的净载重量受到限制。浮式生产系统（FPS）用悬状锚链系泊于水下的完井系统。目前在世界上正在安装的FPS达22个，Placid石油公司布置在墨西哥湾500 m水域的FPS是第一个深水作业系统、它具有最深的油井完井系统，能工作在大约700 m深处，同时还具有世界上第一座5 m直径，400 m长的刚性无索浮式生产竖井。这种竖井的构想对于浮式海洋热能转换系统的冷水管可能也有价值。

太阳能系统

目前，开发由太阳所引起的海洋能的最广阔领域是海洋热能转换（OTEC）。所产生的OTEC电能可用电缆向陆上输送，或在海上用于脱盐，氨水生产，氢气液化，铝或深海矿物加工等能量集中型工业等不同目的。一个海上或陆上的OTEC厂附带水产养殖场或生物量工厂，脱盐加工厂是一种合适的安排，能取得多种效益。深部的冷水是非常有价值的资源，含有丰富的营养素，这些冷水已被成功地用于水产养殖和生物量的生产。

除OTEC之外，世界上许多沿海地区还有大量的波能可以开发。这种能量可为生产近岸的能量集中型产品提供动力，但却不具有储存能力，也不能提供OTEC同等数量的副产品。

在美国，利用佛罗里达州海岸湾流流能的能量转换技术已得到试验，该湾流的流量为3000万m²/s，比世界上所有淡水河流流量总和高50倍以上。其表层流速有时超过2.5 m/s，可开发的能量约为2000 W/m²，然而却需要非常大型的，像风车一样缓慢旋转的叶片式水轮机。

与海洋温度梯度相比，盐度梯度在世界范围内可，提供巨大的能S。目前，主要是缺乏充足的渗漏膜限制了对这种能源的开发利用。

海洋能源研究需求

需要在许多领域进行研究，提供基础知识，新构想和新技术，论证开发各种形式的太阳 - 海洋能的技术可行性。

需要各种新合成材料和新技术，减少生物附着，提高OTEC系统的热传导性能；生产经济、可靠、安装简便的冷水管；制造大型的柔性海上设施；在渗漏膜技术方面有所突破，适应将来盐度梯度系统的发展。翻新的构想和技术，利用压力、温度随深度变化而产生的固有动力，浮力和重力之间的反向作用力等形式从海洋中开发能量。需要新的构想从湾流中经济地开发能量，或者在将来粗略地控制湾流流量以影响天气和候的变化。

需要评价这些新构想和新技术的可行性，从OTEC中开发多种产品及综合性应用，如海洋采矿，鱼类养殖和巨藻养殖等相结合。需要调查研究以评价OTEC作业时向上泵送深部冷水而导致营养素上涌，增强光合作用的有利影响。浮游生物吸收二氧化碳，结果与碳物质一道坠落到海底，从而吸收大气层的二氧化碳。数以百计的OTEC“涌流”系统对燃矿能源系统的替代及其导致的二氧化碳平衡都可能在一定程度上抵消温室效应。

海洋采矿技术

在海底和海水的组成元素中都具有丰富的矿物，但尚未能确定具有经济价值的矿物的分布和含量。由于海上生产相对比陆上生产的成本高，所以海洋采矿工业还没有充分开发。

大部分的陆地矿床在未来30年内仍有丰富的产量。但是随着世界经济日益不稳定，进口的硬矿物特，别是钴、铬、锰和铂族金属等战略性矿物可能中断供应的忧虑不断增长。从战略眼光来看，政府有必要支持继续研究和发展深海技术，在允许的时间内能够开发深海战略性矿物。现在的技术能够取得高分辨率声纳图像，进行走航式取样及测试。然而，资料采集费时长，耗资大。在未来10—20年内海底调查作业可以采用大量可靠、续航性长的AUV，用程序控制沿海底进行走航式测试，用中子活化分析，X射线荧光性或原子吸收等调查和原位评价系统从事长期的调查。

一旦勘测确定一个战略矿物含量高的锰结壳或锰结核矿区以后，将来可用遥控操作装置，碎石器和液压抓斗进行选择性开采。样品被送到另一艘船进行现场分选和初步处理，然后再转运到陆上的实验室进行分析。佐治亚大学已经研制出一套走航式表层沉积物取样、近乎实时的矿物分析和绘图系统，作近岸浅水矿物鉴定。该系统用于调查重金属污染物也十分有效。

海洋食品资源开发

美国的沿海渔业每年生产超过454万吨食品，人均约23 kg，每年为国民经济创值超过230亿美元，并为100万人提供就业机会。美国的鱼类和水生贝壳动物的种类和数量在世界上均居首位，美国专属经济区内的海洋生物资源占世界总量的15%。随着人口的不断增长，对捕获海洋生物资源的需求也日益增加。因此，海洋养殖，水产养殖，海湾和沿海水域保护区内的人工礁也需要相应发展。

在以下方面都取得了进展：用渔情的方怯在公海饲养，控制摄食和鱼的行为便于捕获；鱼况遥测监视鱼群移栖；在大面积的近岸地区用大型漂浮笼状设施或产生声电场栅栏养殖鱼类。日本和挪威在这一领域取得显著成效。将来还可以应用分子遗传学，遗传工程学等海洋生物技术生产出生长快、质量好、抗疾病的产品，改善鱼类养殖。

需要提高鱼群探测和分类的技术，以进行资源评价和捕获。采用离分辨率多频声呐声统在母船上控制ROV或AUV的声讯号作资源评价。自动化的鱼类加工船可以提高作业工艺和效率。同时，也要开发捕捞利用率低的鱼类的能力，用来制作具有鱼类营养和昂贵海鲜之风味的仿鱼类产品。

海洋生物技术

现代的分子生物学、遗传学、微生物学、细胞生理学以及生物化学等领域的迅速发展，有可能生产出具有重要经济价值的生物源物质。结合工程技能和生命科学进行研究是探索性开发的关键。

可以利用青蟹的神经末梢等对污染水体中某些化学成分的敏感反应来研制海洋生物传感器。

海洋生物技术研究在食品、药物和化学工业方面的应用可取得显著的实际效益。认识生物粘着的基本原理，研究减少这些粘着物的新技术将可以改善海洋运输系统及其它设备如海水热能转换器等的工作状态和效率。

要研究海底热液孔周围的深海微生物，确定它们生存广这种高温高压化合环境中的独特性。

沿海空间利用

在美国和其它发达的沿海国家，人口和工业向沿海地区发展的趋势不断增长。在美国超过50%的人口集中在距离海岸80 km的范围内，到2000年，这个比例可高达76%。因此，开发海湾和沿海地区的海洋空间，包括兴建港口、码头和沿海社区的来势迅猛，并将导致21世纪沿海地区复兴。

日本对于扩展沿海地产业的需求导致在海湾及沿海地区发展人工岛，用于建电站、娱乐场所、民用机场等各种专门用途，或是提供高水准的生活、工作、教育和娱乐条件的综合用途。美国许多主要的港口，码头区如洛杉矶、长滩、巴尔的摩、纽约都已经开始或正在筹备大规模的海洋空间利用计划。

尽管有内陆空间可供利用，但是需要更多的沿海空间以供沿海公众观赏海洋，享受清新空气及海上娱乐的要求仍十分强烈，而且在不断提高，这将会进一步推动人工岛和漂浮城市的发展。可以在环境不受影响之处设计和建造人工岛，先用作堆放民用废料及疏浚泥土的场所，然后再转作其它用途。选择海上场地时应考虑不影响内陆的地下水面，同时要建造密封容器，处置埋藏物和监测环境以保护环境安全。将来海洋生物技术的发展可以生产出能分解有害化合物、对环境无害的细菌，减少环境污染问题。

日本的研究设想包括建造位于100 m深水域，占地约25 km²的大型漂浮岛，约为纽约市曼哈顿岛面积的一半。该岛为4层结构，共有100 km. 的使用面积，可容纳50万人口。漂浮岛上有生活设施、商业中心、大学、研究中心以及医院、机场等民用设施。这一设计构想将由1万根锚固在海底的浮墩支承，墩内的传感器把数据反馈到中央计算机以控制浮力。漂浮城市建设项目的标价可能达1000~2000亿美元。

将来的漂浮城市可采取标准模件化设计，当城市需要扩展时，浮接上新的模件则可拓展一个郊区，一个公园或者增加一个工业区。模件化的漂浮式工厂或加工厂在日本已经实现，在日本建造一个木浆加工厂，然后沿亚马逊河拖曳到预定的桩锚地。漂浮城市还为海军基地建设提供了值得考虑的设想，这种基地可以理想地布设在海上，当需要时也可以重新易位。

废料处置技术

国际上限制在深海处置废料，各国政府反对在近海倾卸，使经济专属区成为处置包括有害废料和疏浚物等各种废弃物的唯一海域。要对经济专属区进行调查，包括了解生态环境情况，为特殊种类的废料选择可能的合适场地。有必要就上覆海水与沉放物之间的相互作用进行综合研究。

将放射性废料埋置于海底之下是另一种被考虑的选择。要进行深海海底调查，确定合适的场区及埋入海底的方式。如果国际社会认为这些选择可行，可以被实际采纳，则需要用特殊容器装载并埋入海底之下。

民用废料和疏浚物的处置已日益引起重视，在许多沿海大城市已成为严峻问题。必须要考虑选择现有陆区以外的场地进行处置，如海上焚化，人工岛，海底处置，实施这些计划需要新的海洋设施和系统。

环境保护

海洋科学家、工程师必须时常考虑和权衡开发的环境蕴涵。沿海地区受污水排泄，陆地废液，海洋倾卸物，砂砾开采，疏浚物，石油及有害物质溢出，塑料碎屑处置以及化学、工业废料污染的影响允为严重。沿海空间日益增长的多种应用要求有仔细的长期监测及评价，保证环境得到充分的保护。

各沿海国必须在本国的经济专属区内建立和维护一个综合环境计划，像这样一个国家性计划必须提高对自身的海洋环境及其资源的综合了解，向公海和领海区域内各种作业者提供环境资料和服务。这些计划的核心是要建立和保存原始资料，作连续的长期监测，检测和评价可能影响沿海环境正常状态，从而影响海洋生物资源，食物链和人类健康的轻微变化。

目前大多数海水和沉积物取样，以及实验室分析的办法既费时又繁琐，显然，将来需要发展迅速的原位实时测量和监测系统。光导纤维可以将激光传播到要求的深度，用光谱仪接收传递回来的反向散射的辐射波，测量和确定不同的物质。也需要其它走航式海水及沉积物取样，原位测试分析，自动化地形绘图等其它系统。

将来，自控水下运载器、海底自动监测站及先进的水面船只的另一应用是提供大面积覆盖的天气资料，获得用于研究、论证和应用环境模型的资料。

与地面、地下测量系统相连接的卫星资料传输系统，综合的卫星海洋测量系统都将是沿海环境变化和全球环境变化监测计划的主要组成部分。

[Sea Technology，1989年8月]