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专家视点 | 中国海洋科技发展的潜力与挑战
作者：李春峰
深海是国际海洋科学技术的热点领域, 是人类解决资源短缺、拓展生存发展空间的战略必争之地, 也是全球军事与经济竞争的重要领域。无论是探索深海科学奥秘, 还是开发海洋战略资源, 都离不开海洋高技术的支撑。2016年, 国务院印发《“十三五”国家科技创新规划》, 明确提出“十三五”期间, 要面向2030年再部署一批体现国家战略意图的重大科技项目, “发展深海探测、大洋钻探、海底资源开发利用、海上作业保障等装备和系统。推动深海空间站、大型浮式结构物开发和工程化”以及突破“龙宫一号”深海实验平台建造关键技术难关等。
国家大项目的投入、经费的迅速增加以及“一带一路”倡议的实施, 给我国海洋科技工作带来前所未有的发展契机, 这可能成为我国开始引领国际海洋科技发展的重大转折点。机遇与挑战并存, 尽管我国海洋科技发展具有后发优势、大工程和大项目组织优势等, 但在此超速发展的阶段之下, 我国的创新理念不足、总体管理水平落后、行政性指令多于科学驱动、国际化规范化水平不高、环境和科普意识落后, 可能会极大制约我国引领国际海洋科技发展的步伐和能力。本文简单回顾海洋技术的迅猛发展, 就中国深海科技发展中的潜力与挑战提出一些看法和建议。
我国现代科技起步较晚, 早期人才匮乏、创新不足, 严重制约了我国海洋科技教育的发展, 大多数海洋设备都依赖于进口。21世纪以来, 在国家海洋战略和国际化战略的支撑下, 我国海洋领域最明显的进步在海洋技术和装备方面。海洋石油981钻井平台、“蛟龙号”载人深潜器、大深度无人遥控潜水器、深海半潜式智能“超级渔场”装备, 以及规划酝酿中的载人深海空间站、深海综合大洋钻探考察船、海底观测网等, 使得科研人员能够长时间进入深海作业, 为深海探测创造了前所未有的工作环境, 可以适应不同水深和对象的具体作业要求, 成为在海底从事科学研究、资源勘探、检修维修作业等任务的移动工作平台。我国研发的深海地震仪目前已得到广泛应用, 实现了在万米深渊的布设条件和长期观测的能力;深海大地电磁仪的研发已经趋于成熟;深海移动地震观测设备也在迅速开发研制中。大型海底观测网络系统、潜标观测网也开始规划、设计或建成。此外, 近年来也下水了一大批装备精良、功能各异的海洋科学考察船。上述成就极大地缩小了我国与发达海洋国家在技术上的差距, 我国甚至在个别技术领域已经开始起到引领带头作用。可以预见, 到2030年, 我国将成为真正意义上的海洋技术装备强国。
海洋技术与装备的进步极大地推动了全海域实时科学观测与研究, 拓展了科学研究的领域和广度。例如, 深海空间站的装置和设备全在水下, 海面上没有任何设备, 所以海上油气田的生产作业不受台风等恶劣环境条件的影响。随着深海实时通信能力的提升和大量深海科学观测仪器的布设, 未来的海洋科学家将能够在全球各种海洋环境中实时高分辨率地观测相关的海洋过程, 深海观测仪器能够提供海量观测数据供科学家分析研究, 并及时提出环境、灾害、资源等方面的预测模式。
以海洋地球物理观测为例, 未来的技术发展将实现全方位的实时立体观测, 海底地震仪与观测网相连开展长期海底地震观测, 在近海底可以利用水下机器人实现近海底地球物理场的测量, 在不同的水深可以发展深潜式或浮游式地震观测设备, 而在海面上传统的人工地震观测技术可以观测到高分辨率的海水温盐结构和海水以下的地质结构。此外, 我国还在大力发展高分辨率的海洋观测卫星。目前的卫星重力异常和地形测量已经可以达到很高的分辨率, 但在卫星磁异常的观测上还不能实现高分辨率资料的获得, 今后的技术进步有可能会突破这一瓶颈, 实现全球高分辨率全覆盖的卫星磁异常观测, 大大提升我们认识海底结构的能力。
虽然我国近几年在海洋科技方面取得长足的发展, 到2030年有望成为世界海洋强国, 但是, 我们过去的很多工作, 总体还是以跟踪和模仿居多, 原创性引领性成果偏少。下面我们以深海工作站和载人深潜方面的发展为例进行说明。
早在20世纪60年代, 美国就提出水下工作站的概念, 研制了一艘核动力研究潜艇NR-1号 (郭亚东, 2009;吉雨冠等, 2011) , 负责水下搜索与回收、海底地质调查、海洋科学研究以及水下设备的安装与维护等任务。目前美国正在研制NR-2型军民两用深海作业装备, 正在酝酿的“海洋大气海底综合研究”平台将是世界上第一个深海研究基地。自20世纪90年代开始, 俄罗斯联合包括挪威在内的多个国家, 围绕北极开展了海洋油气开发新装备体系的论证与研究, 研制了具备强大深海探测作业能力的核动力深海空间站, 成功参加多次科考工作。俄罗斯目前仍在积极开展“多功能水下工作站”的研究;日本于2014年提出了“海底城市”的概念, 计划2030年建成移动的海底城市;法国则专门针对水下核电站进行了深入的设计和研发, 解决深海空间站的动力供给问题。
载人深潜器方面, 美国1964年建造的“阿尔文 (Alvin) ”号工作深度已达到4500米, 成为国际上使用效率最高的载人潜水器, 已累计完成5000次以上的下潜作业。法国1985年研制成的“鹦鹉螺 (Nautile) ”号潜水器最大下潜深度可达6000m, 累计下潜1500多次, 完成过多金属结合区域、深海海底生态等调查搜索任务 (Leveque、Drogou, 2006) 。俄罗斯是目前世界上拥有载人潜水器最多的国家。日本在1989年建成了“深海6500”潜水器, 水下作业时间可长达8小时, 已下潜1000多次, 对6500米深的海底斜坡和大断层进行了调查, 提升了关于地震、海啸等方面的研究水平。“深海6500”潜水器曾下潜到6527米深的海底, 创造了当时载人潜水器深潜的纪录 (Nanba等, 1990) 。
我国也于20世纪90年代初开始在深海空间站技术领域开展相关论证和关键技术研究, 提出研制大深度载人潜水器的建议书, 但早期进展缓慢。2005年, 我国提出研制深海空间站, 以开发深海资源, 进行长周期、全天候、全海域海洋科学研究为目标。2013年中国首个实验型深海移动工作站完成总装, 并在次年进行了海试。2015年首次成功实现自治式潜器与深海空间站对接的关键技术验证。目前, 我国正在研发外形类似于潜艇但工作潜深远大于一般军用潜艇的小型深海空间站, 主要用于海洋科学探索, 与航天领域“天宫一号”相似, 被称为“龙宫一号”。此外, 我国还在规划最深将达2500米, 海底最大载员50人左右的深海空间站 (华夏经纬网, 2017) 。
科技部在“十五”期间立项支持“蛟龙”号载人潜水器项目, 经过10年立项申请、10年研制的艰辛历程, 其研制过程历经设计建造、总装集成、水池试验及海试等四个阶段。虽然起步较晚, 但是实现了载体性能和作业要求的一体化。目前, “蛟龙”号具有7000米的最大工作深度和悬停定位能力, 可到达世界99.8%的洋底 (崔维成等, 2008) 。2012年, “蛟龙”号在马里亚纳海沟下潜到达7062米的深度, 创造了国际上同类作业型载人潜水器下潜深度的最大纪录 (刘涛等, 2012) 。
从以上例子可以看出, 我国海洋科技起步较晚, 类似的海洋科技差距在我国目前积极酝酿的大洋钻探平台、海底观测网、海洋机器人等领域也同样存在。美国的大洋钻探平台在50年前就已经开始了全球的科学发现, 创立了辉煌的科学成就, 早期海底观测网的雏形也起始于大约3 0年前, 这方面我们比欧美发达海洋强国落后许多。当然, 随着我国科技的快速发展, 我们可以充分吸收国际上已有的研究经验, 利用明显的后发优势, 快速追赶甚至超越国际上目前的发展水平, 建造符合我国国情的海洋技术装备。
目前必须面临的问题是, 如何提出国际领先的科学问题并进行技术创新。一时的技术追赶可能容易, 但是保持持续的技术领先和创新需要强大的推动力, 其中推动力之一就是全球性海洋基础科学问题的提出, 以科学问题的需求驱动技术的进步。目前, 我国的研究视野大多局限在近海区域, 深海和极地研究正在投入很大的力量, 但是起步较晚。以我国为主的大型国际研究计划几乎空白。国际上载人深潜器、大洋钻探平台、海底观测网等发展热潮已经过去, 大部分基础的比较容易解决的科学问题已经得到回答, 这个时候更加迫切需要凝练更基础和领先的科学问题, 引领海洋技术装备的发展, 而不是纯粹地以某个技术指标、领先的技术手段、甚至经费的获得来驱动海洋技术装备的发展。在强大的技术推动下, 我国海洋科学家可以充分发挥自己的学术潜能和梦想, 以大胆自信的国际视野和领导能力积极地参与国际竞争与创新。
我国海洋科技资源越来越丰富, 近几年呈现出井喷的态势, 各地创立了很多海洋学院、海洋研究机构, 海洋科考船的数量也在快速增加, 但是管理上的问题也日益凸显, 表现为各个管理机构之间缺乏沟通协调, 条块分割明显, 对同一个海域的同样问题, 不同地方的科研或企业单位都启动一些类似的研究项目, 如海洋基础调查、水深测量等, 而不同单位之间资料互相封闭, 造成资源的重复和浪费、科研工作的低水平重复等一系列问题, 很难有较高的国际竞争力。
在海洋科学家队伍不断壮大, 特别是越来越多的国外顶尖科学家和留学回国人员加入中国科研单位的情况下, 老旧的过于行政化的条块分割型管理模式严重制约了我国海洋科技的进步和国际竞争力。很多时候国内不同政府机构管理下的单位之间很难有长期资料共享的可能性, 这不符合国家财政资助下的非涉密资料只能在一定时间范围内公开的原则。而美国自然科学基金委要求其资助的项目所采集的资料, 在一定时间内有独立使用权, 但是过了此优先拥有期之后, 资料必须公开。在这一点上, 我国还需要破除重重阻碍。
要缩小与欧美等海洋大国科研单位之间的差距, 国内政府资助下的科研和生产单位应该更自信、包容、开放。跟海洋技术的发展一样, 一般非纯行政管理性质的涉海单位的发展需要以前沿科研为驱动, 而不是以行政管理任务为驱动, 行政管理任务可能往往是非科研一线的行政人员所确定的, 通常是没有经过充分的科技调研而制定的决策, 不代表当时的技术和科学前沿。而如果以科学家的科研动力为驱动, 所研究的问题和领域肯定是较为前沿且极具前景的问题, 能够极大地提升涉海单位的科研产出、国家化水准和世界知名度, 从而促进海洋科技更加良性地发展。
这方面美国是一个很好的范例:美国地质调查局 (USGS) 、美国海洋与大气管理局 (NOAA) 在资料公开、软件共享、社会服务等方面都相当成熟, 所共享的资料往往超过我们国家自己在相同领域所采集的资料的覆盖率和分辨率, 供全世界的科学家使用, 从而极大地提升了其知名度和领导国际合作的能力和水平。与此同时, 通过全球共享与合作, 科学家的科研水平也会得到极大的提升。目前, 我国科研单位总体也在向着更加开放合作的方向迈进, 开始设置共享的数据中心等, 但是所共享的往往都是老旧的资料, 或者没有原始数据, 很难被重复开发利用。跨部门国家实验室的设立应该是打破部门垄断的一个很好的尝试, 但是如何真正成为在科学管理层面上国际领先的实验室, 将是一个很大的挑战。
欧美的大项目和大平台运作, 都有非常开放与严谨的讨论流程。美国的大洋钻探计划运行50年来, 组织结构严谨, 讨论充分并且坚持国际化运营, 取得了非常显著的成果。这方面我们与国际领先科学管理组织存在很大的差距, 人为和行政化干扰因素突出, 关系网存在的副作用明显。
海洋研究的范围和广度要求打破部门之间的壁垒, 国家自然科学基金委或类似的全国性机构应该担负起运作大的海洋科研平台的责任, 建立平台运作组织委员会, 统一协调和讨论, 而不是将这个责任分摊到各个部门或某个固定的首席科学家, 以尽量实现公平公开。现在全国很多单位都在建造海洋科学调查船, 很多配置类似, 没有特色或特别的研究目标, 不可避免地造成很大的重复建设, 而真正有需求的单位或项目却找不到合适的科学调查船。
高校与科研院所跨部门联合的模式在某种程度上可以缓和上述矛盾, 这在欧美著名海洋研究机构和高校之间是比较好的运作模式。一般高校可以下设专业研究所, 与一般教师不同, 研究员的一半左右收入来自于科研项目本身。研究员几乎可以全职从事科研, 构成科研的专业队伍, 研究所也因此是最可能产生大成果的地方。此外, 独立的高校还可以与另一个独立的研究所联合培养研究生。高校的优势是人才培养、多学科发展, 为研究所提供人力资源, 但是在支撑大的科考项目方面可能不如专业的研究所, 而研究所为高校师生提供了很多第一手的实践机会和大平台大项目运作的机会。因此, 中国的涉海高校和研究所应该积极考虑并真正实现这种双赢的运作模式。欧美著名的私立海洋研究机构与高校的共同点是能够充分利用民间力量和资金从事科研与教学, 没有类似于中国的行政管理壁垒, 更有利于开展合作共享。
21世纪是海洋大开发的时代, 全球性的海洋开发和利用将成为国际竞争的焦点。海洋强国需要适应不断变化的国际形势, 积极承担海洋引领者的角色。中国海洋事业发展的未来走向需要顺应时代的动态要求, 即符合世界潮流和人类发展需要的治理要求。通过国际海洋治理模式, 建立国家间的平等、合作关系, 共同开发、探索海洋对人类生命支持的可持续模式, 从而形成海权影响力, 获得国际海洋领域的话语权, 成为世界性海洋强国。
我国海洋科普教育还不全面, 中小学教育中涉及海洋意识培养的内容既不系统也不全面;在大学里海洋教育所占比重也很低, 往往集中在某些区域, 不能给学生国际化的全球视野 (吴青林, 2010;杨洪红、狄聚圳, 2015) 。要有准确的海洋意识定位, 大力培养有国际视野和国际竞争力的青年科学家队伍, 才能更准确地朝着海洋强国的目标前进, 为全方位引领海洋科技的发展打下基础。
海洋强国建设依赖于经济、文化、科技、政治、外交、法律、管理等各个方面的全面提升, 虽然我国科学技术的进步明显, 但是目前海洋管理、海洋法律、海洋政治、海洋经济等学科尚未形成体系 (胡振宇, 2014) , 与海洋强国之间的差距依然存在。科学技术的先进性决定了我们是否在国际外交、法律、管理等各个方面拥有话语权。日本非常重视基础海洋科学的研究, 在西太平洋开展了详细大量的科学探索, 其目的之一就是为了提升他们在大陆架划界和相关资源方面的话语权。我国过去的研究主要侧重在邻近海域, 虽然近年来在西太平洋开展了一些调研, 但是大都比较孤立零星, 没有整合全国力量开展系统深入的西太平洋调查研究, 这给我们在海底命名、资源争夺、大陆架划界等方面都造成了一定的被动局面, 大力支持西太平洋科学调查、大力发展中国—东盟海洋科技合作应该是我国加强同东盟关系的重要策略之一。
从海洋地质的角度看, 西太平洋是最理想的天然科学实验室, 这里是世界上两个最大洋——太平洋和印度洋——的交汇处, 有世界上最深的海沟、最老和最年轻的洋壳、最大的边缘海、最具破坏性的地震、最大的火山、最大的弧后盆地、最活跃的造山带、最活跃的海陆作用以及最大规模的俯冲带, 以西太平洋海洋科技合作为突破口, 不但可以解决世界级的科学问题, 也是加强我国海洋科技战略实施和“一带一路”倡议推进的重要一环, 可以快速提升我国科学家的话语权和国际影响力。
“一带一路”倡议的提出是我国发展海洋强国的契机, 东盟国家海洋资源丰富, 在海洋资源、环境、灾害、交通安全等很多方面的治理与我国有共同需求, 但研究条件和基础都比较弱, 我们应大力发展与东盟国家之间的海洋科技合作。首先通过科学家之间的国际合作, 逐步增强两国的人员交往和互相理解, 逐步建成由中国引领的地区间海洋合作组织, 共同协力解决地区间的政治问题。科学家是增强国家之间友谊的先行军, 因此大力支持国际海洋领域的科技合作, 大力吸引优秀留学生来华, 同时积极派出优秀教师到相关国家开展短期合作与访学, 应成为发展海洋强国的一项基本政策。
极地具有重大的环境与资源影响, 加强对极地的调查研究具有重大战略意义, 极地也是关系到我国是否能够成为海洋强国的关键区域。俄罗斯和加拿大等国家都非常重视北极的研究, 俄罗斯积极推进北极深海大陆架考察和作业, 加拿大海岸警卫队积极支持北极海洋科学、海洋管理和海上安全, 以此加强其保护加拿大居民和整个北极的海洋环境的能力。国际南极研究科学委员会 (SCAR) 于2017年1月发布了《2017~2022南极战略计划》, 该计划提出通过广泛的科学研究和国际合作, 系统了解南极自然环境, 了解南极在全球系统中的作用以及环境变化和人类活动对南极的影响。该计划重点强调进一步加强和拓展高质量协作及前瞻性南极研究、提供独立的科学建议、加强和提高SCAR成员国的研究能力、交流南极研究成果并增强公众对南极问题的认识和理解、推进南极研究数据的自由和开放获取。
目前, 我国对两极的调查仍然缺乏类似于《SCAR南极战略计划》的系统和宏观的规划, 不同部门之间没有形成合力, 缺少科学驱动的重大调查项目。我们应该推出由中国牵头的极地科学调查计划, 今后应有长远的类似于国际大洋发展计划的规划和组织形式, 在不同的学科都要制定10年或更长期的规划, 并积极向完成目标的方向发展, 避免开展零星、象征性而缺少重大科学目标的极地考察。建议每年的极地航次都要公开征求全国甚至全球科学家的意见, 并建立关键科学目标, 根据科学重要性、可操作性以及与长远科学规划的符合度等, 确定优先探索领域, 提前确定一到两个关键年度考察区域或技术实施手段, 最大程度地保障极地科考的成效。
海洋在全球演变中起着非常重要的调节作用, 而海洋探测与资源开发利用一定会影响海洋环境本身。目前, 严峻的海洋环境问题, 如赤潮、海洋酸化、海洋荒漠化和生态灾害等, 越来越受到人们的重视。
近年来, 随着海洋石油勘探技术和装备技术的不断发展, 深海油气田的勘探和开发数量迅速增加, 在全球油气勘探中占的比重也迅速加大, 人类不断创造着深海油气田开发的记录。在油气田海上施工阶段或者正常生产阶段, 都无法避免台风和内波等恶劣环境影响, 海洋环境对油气田开发的影响逐渐成为制约油气田收益的重要因素。同样, 海洋开发对于海洋环境的影响也成为了全球关注的重大科学和社会问题。2015年7月, 联合国大会开始计划制定一份在国际公约下有法律约束力的公海海洋生物多样性保护和可持续利用的法律。美国拟制定本国海洋生物多样性保护和可持续利用法律;加拿大也在修订海洋法, 加快海洋保护。
环境保护问题一直是我们国家的软肋, 与欧美和日本等发达国家相比较, 我们的国土资源利用监管混乱, 自然环境污染严重, 某些地区或领域可谓千疮百孔。海洋是全球生命赖以生存的基础, 我们只有保护好它, 才能利用好它。在近海海域, 应该避免无节制的拦海围垦或填岛, 因为会破坏原有的水动力环境和生态环境, 导致岸滩游移多变和生态平衡失调。新的海洋工程建设必须经过严格的科学和环境论证, 提高并切实实施环境监测标准。尽量减少排放入海的工业污水和生活污水, 降低海底石油、天然气的勘探和开发生产, 以及往来船舶含油污水的排放, 同时要积极提升公众的海洋环境保护意识。
文章来源：本文原刊于《人民论坛·学术前沿》2017年第18期
作者：李春峰，浙江大学海洋地质与资源研究所所长