Badania hydrograficzne wraku Franken

Badania hydrograficzne wraku Franken
Artur Grządziel
[email protected]
BADANIA HYDROGRAFICZNE WRAKU
FRANKEN
STRESZCZENIE
W referacie zaprezentowano wyniki badań hydrograficznych wykonanych przez okręt
hydrograficzny ORP „Arctowski” z dywizjonu Zabezpieczenia Hydrograficznego MW (dZHMW).
Obiektem badań był niemiecki wrak zaopatrzeniowca Franken zalegający na dnie Zatoki Gdańskiej. Celem podstawowym było ukazanie zmian jakościowych w dziedzinie hydrografii jakie mają
miejsce wraz ze zmieniającą się techniką i metodyką prowadzenia pomiarów.
WSTĘP
Do końca 2002 roku jednostki pływające dZHMW dysponowały sprzętem
hydrograficznym, który umoŜliwiał wykonywanie standardowych prac sondaŜowych, tj. w oparciu o konwencjonalne echosondy jednowiązkowe oraz burtowe sonary boczne. Rok 2003 był przełomowym dla słuŜby hydrograficznej MW. Poprzez
doposaŜenie platform pomiarowych w nowoczesny sprzęt i oprogramowanie zwiększył się potencjał hydrograficzny jednostek a w rezultacie istotnej poprawie uległa
jakość i ilość uzyskiwanych danych. Dzięki temu dzisiaj mamy moŜliwość uzyskania informacji o obiekcie podwodnym w znacznie szerszym zakresie.
IDEA WYKONYWANIA BADAŃ OBIEKTÓW PODWODNYCH
Poszukiwanie i badanie przeszkód podwodnych to specjalny rodzaj szeroko
pojętych prac hydrograficznych, których głównym celem jest ustalenie pozycji
obiektu (wraku) oraz określenie głębokości minimalnej nad nim. Z punktu widzenia
bezpiecznej nawigacji niezwykle istotnym jest wykrywanie wszystkich tych natural-
Badania hydrograficzne wraku Franken
nych jak i sztucznych cech dna, które w jakikolwiek sposób mogą stanowić zagroŜenie dla Ŝeglugi. Nowo odkryte obiekty podwodne stwarzające potencjalne niebezpieczeństwo dla nawigacji zarówno powierzchniowej jak i podwodnej powinny być
zgłaszane w trybie natychmiastowym do narodowych słuŜb hydrograficznych [3].
W przypadku prac weryfikacyjnych głównym celem takich pomiarów jest
sprawdzenie rzeczywistego stanu wraku, ustalenie ewentualnych zmian połoŜenia,
głębokości i wielu innych parametrów niezbędnych do aktualizacji numerycznej
bazy danych hydrograficznych. Weryfikacja danych o wrakach i innych przeszkodach nawigacyjnych występujących w określonym akwenie morskim jest jednym
z pomocniczych zadań realizowanych w ramach typowego sondaŜu morskiego. Zadania takie mają słuŜyć przede wszystkim weryfikacji informacji o obiekcie podwodnym i uaktualnieniu numerycznej bazy danych hydrograficznych. Pozycja
wraku na dnie jak i minimalna głębokość nad nim nie jest stała. Ogromny wpływ na
zmianę wymienionych parametrów odgrywa zjawisko podmywania wraku i jego
osiadania w dnie pod wpływem swojego cięŜaru. Nie mniejsze znaczenie ma silne
oddziaływanie prądów morskich, które wypłukując piasek spod wraku przyczyniają
się do zmiany ukształtowania dna oraz ułoŜenia na nim obiektu. Wszystkie wymienione czynniki i procesy przyczyniają się do powolnych i stopniowych zmian wcześniej pomierzonych danych hydrograficznych. Wrak moŜe ulec przełamaniu na
części zmieniając połoŜenie elementów najwyŜej wystających ponad poziom dna
morskiego. Ponadto takie cechy wraku jak maszty czy kominy wskutek działania
silnej korozji mogą ulec pęknięciu, przełamaniu lub oderwaniu się zmieniając tym
samym rozkład głębokości nad wrakiem [2].
Wraki spoczywające na polskich obszarach morskich stanowią bezcenne
źródło informacji, w szczególności o historii słuŜby na morzu, handlu i rzemiosła
oraz działaniach wojennych. Niektóre z nich identyfikowane jako przeszkody nawigacyjne stwarzają zagroŜenie dla statków handlowych, pasaŜerskich czy turystycznych. Dla rybaków są często przyczyną utraty sieci czy całego osprzętu
połowowego. Inne niepokoje budzi moŜliwość występowania niebezpiecznych materiałów chemicznych na starych zatopionych wrakach. Dokładna znajomość pozycji i cech przestrzennych obiektów podwodnych stanowi waŜny element
zabezpieczenia nawigacyjno-hydrograficznego działań sił Marynarki Wojennej w
zakresie obrony przeciwminowej oraz operacji podwodnych.
Badania hydrograficzne wraku Franken
BADANIA HYDROGRAFICZNE WRAKU FRANKEN
Polskie obszary morskie, obejmujące wody wewnętrzne, morze terytorialne
oraz wyłączną strefę ekonomiczną, to akwen o powierzchni 33 800 km2, na dnie
którego spoczywa ogromna ilość wraków statków pasaŜerskich, handlowych, okrętów wojennych z II wojny światowej, parowców i drewnianych Ŝaglowców. Szczególnie duŜo wraków leŜy na dnie Zatoki Gdańskiej, która w minionych wiekach
była akwenem o wyjątkowo duŜym natęŜeniu ruchu [1]. Największym prawdopodobnie wrakiem tej części Bałtyku jest niemiecki zaopatrzeniowiec Franken 1, którego stępkę połoŜono w grudniu 1937 roku w stoczni niemieckiej w Kilonii (rys. 1).
Rys. 1. Sylwetka niemieckiego okrętu zaopatrzeniowego „Franken” klasy Dithmarschen
Źródło: http://www.german-navy.de/index.html, stan z dnia 01.02.2007
Jednostki hydrograficzne MW do prowadzenia sondaŜy morskich oraz
szczegółowych badań wraków przez wiele lat wykorzystywały typowe echosondy
z pojedynczą wiązką hydroakustyczną. Klasyczny sondaŜ głębokości w wybranym
akwenie polegał na przemieszczaniu się okrętu po ściśle zaplanowanych, równoległych profilach oddalonych od siebie o 100 m (200 m) w zaleŜności od kategorii
pomiarów. W przypadku sondaŜu szczegółowego nad wrakiem profile musiały być
rozmieszczane bardzo gęsto. Wynikało to przede wszystkim z potrzeby wykrycia
najmniejszej głębokości oraz zebrania wystarczającej ilości danych do stworzenia
przybliŜonego modelu 3D.
W celu uzyskania głębokości minimalnej nad wrakiem okręt hydrograficzny
przemieszczał się po profilach równoległych do dłuŜszej osi wraku i zaprojektowa1
Franken miał długość 179 m, szerokość 22 m i zanurzenie 10.2 m. Posiadał 22 850 ton wyporności. Jego głównym zadaniem było operowanie jako tankowiec w rejonie Morza Bałtyckiego
wraz z pancernikiem Prinz Eugen. Dodatkowo pływał jako zaopatrzeniowiec dla kutrów torpedowych, niszczycieli min, trałowców oraz kutrów patrolowych Kriegsmarine. 8 kwietnia 1945
roku tankowiec Franken został zaatakowany przez radzieckie lotnictwo kilka mil od Helu.
Badania hydrograficzne wraku Franken
nych bezpośrednio nad wrakiem. Przejście wzdłuŜ obiektu z rejestracją echosond
jednowiązkowych (pionowych) dostarczało pełnego zapisu echa (rys. 2). Dwa charakterystyczne wypiętrzenia to echa od dziobowej nadbudówki oraz komina na rufie
okrętu. Głębokość minimalna nad wrakiem wynosi hmin = 48.86 m nad dziobową
nadbudówką a głębokości otoczenia wraku średnio H = 68 m (rys. 3). Taki sposób
prezentacji danych hydrograficznych nie jest w pełni doskonały, bowiem jest to
tylko zobrazowanie dwuwymiarowe. Dlatego podczas sondaŜu szczegółowego
z wykorzystaniem echosondy jednowiązkowej wymagane było rejestrowanie głębokości na kilkudziesięciu profilach sondaŜowych, tak aby uzyskać jak najwięcej danych batymetrycznych. W oparciu o dane z wszystkich profili obliczany był planszet
batymetryczny w odpowiedniej skali z naniesionymi izobatami (rys. 4). Dodatkowo
uzyskaliśmy numeryczne modele dna generowane przy wykorzystaniu oprogramowania hydrograficznego HOMAR. Niestety nie oddawały one rzeczywistych kształtów wraku i dna (rys. 5). Spełniały natomiast rolę materiału pomocniczego
(poglądowego).
W badaniach hydrograficznych wraków nieodzownym urządzeniem pomiarowym jest sonar boczny, który w optymalnych warunkach pracy jest źródłem
wysokiej jakości danych sonarowych. Do końca 2002 roku okręty hydrograficzne
MW dysponowały jedynie tzw. burtowym sonarem bocznym z przetwornikami zamontowanymi wzdłuŜ poszycia kadłuba, poniŜej linii wodnej. Podstawowym
przeznaczeniem tego urządzenia było hydroakustyczne przeszukanie dna określonego akwenu i wykrywanie wyróŜniających się obiektów podwodnych oraz wszelkich
zanieczyszczeń dna. Rysunki 6 i 7 przedstawiają fragmenty sonogramów z zarejestrowanym echem od wraku Franken.
W wyniku ataku bombami lotniczymi okręt przełamuje się na dwie części i tonie na głębokości
68 metrów.
Badania hydrograficzne wraku Franken
Rys. 2. Echogram wraku Franken
Rys. 3. Cyfrowy zapis profilu przejścia nad obiektem w systemie komputerowym
Rys. 4. Planszet batymetryczny z izobatami
Rys. 5. Numeryczny model dna
Rys. 6. Fragment sonogramu zarejestrowanego przez burtowy sonar boczny
Rys. 7. Fragment sonogramu zarejestrowanego przez burtowy sonar boczny
Źródło: pomiary hydrograficzne ORP „Arctowski”, lipiec 2003 r.
Badania hydrograficzne wraku Franken
Wrak leŜy na kursie 271°. Długość zasadniczej części kadłuba wynosi 135
metrów. Dane sonarowe zarejestrowane zostały z prędkością 3-4 węzłów na róŜnych
kursach przejścia z zakresem pracy sonaru 200 m (na burtę). Strefa martwa (dead
zone) dla głębokości 68 metrów wynosiła 112 metrów. Przedstawione na rys. 6 i 7
sonogramy nie posiadają wysokiej rozdzielczości co wynika przede wszystkim
z niskiej częstotliwości operacyjnej sonaru (100 kHz) oraz znacznej odległości przetwornik-dno. Nie jesteśmy w stanie określić jaki jest ogólny stan obiektu, wyróŜnić
takie elementy jak złamany maszt, polery, bom czy występowanie szczątków wokół
obiektu. Z perspektywy czasu dzisiaj moŜemy powiedzieć, iŜ sonar boczny w wersji
kadłubowej jaki jest na wyposaŜeniu okrętów hydrograficznych MW uzyskiwał
optymalne parametry pracy w akwenach do 60-70 metrów, pomimo iŜ instrukcja
podawała tu wartość 100 metrów.
W roku 2003 jednostki pływające dZHMW zostały doposaŜone w nowoczesny sprzęt pomiarowy i oprogramowanie do zbierania i przetwarzania danych. ORP
„Arctowski” wyposaŜony został między innymi w echosondę wielowiązkową
EM-3000D z oprogramowaniem zarządzającym QINSy. Milowym krokiem w dziedzinie badań sonarowych było pozyskanie nowego sonaru bocznego w wersji holowanej EdgeTech model DF-1000, opartego na zaawansowanej technologii cyfrowej.
Obecnie w hydrografii morskiej stosuje się coraz lepsze rozwiązania techniczne
dyktowane wzrostem wymagań uŜytkowników morza, rozwojem nowych kierunków badań zasobów morskich oraz zwiększaniem standardów dokładnościowych.
Dzięki zastosowaniu nowoczesnych środków pomiarowych oraz specjalnych pakietów programowych hydrograf dysponuje dzisiaj znacznie bogatszym
zbiorem informacji o potencjalnym obiekcie podwodnym (wraku). W pierwszym
etapie badań hydrograficznych danego obiektu wykorzystuje się echosondę wielowiązkową MBES (Multibeam Echosounder), która umoŜliwia stosunkowo szybkie
zlokalizowanie obiektu oraz 100% pokrycie dna pomiarami głębokości. Dane mogą
być rejestrowane z prędkością nawet do 10 węzłów.
W przypadku badania hydrograficznego wraku Frankena uzyskaliśmy rozkład głębokości wzdłuŜ całego kadłuba (rys. 8). Najmniejsza głębokość nad wrakiem hmin=47.4 metra znajduje się nad dziobową nadbudówką. Drugi
charakterystyczny punkt z minimalną głębokością hmin=49.8 metra rozmieszczony
jest nad kominem (na rufie okrętu). Taki rozkład głębokości w przekroju wzdłuŜnym moŜe być szczególnie przydatny dla grupy nurków przygotowujących się do
zejścia pod wodę w celu przeprowadzenia inspekcji wraku.
Badania hydrograficzne wraku Franken
Rys. 8. Rozkład głębokości wzdłuŜ kadłuba wraku
Rys. 9. Plan batymetryczny rejonu badania
Rys. 10. Widok wraku w przekroju poprzecznym
Rys. 11. Numeryczny model dna
Rys. 12. PołoŜenie oderwanej części dziobu w stosunku do kadłuba
Źródło: pomiary hydrograficzne ORP „Arctowski”, 2005 r.
Badania hydrograficzne wraku Franken
Opracowany na podstawie danych wielowiązkowych (multibeam data) plan
batymetryczny (rys. 9) ukazuje wrak w rzucie z góry, o długości 135 metrów, leŜący
na kursie 271°. Pomierzone szerokości kadłuba w trzech punktach wynoszą średnio
21-23 metry i odpowiadają rzeczywistej szerokości 22 m jaką posiadał niemiecki
transportowiec. Obiekt o wysokości 20 metrów nie stoi na równej stępce lecz jest
nieco przechylony na prawą burtę, co ilustruje rys. 10. W przypadku pomiarów
echosondą pionową nie byliśmy w stanie po przetworzeniu danych ocenić kąta przechylenia obiektu podwodnego. Jednym z ciekawszych typów zobrazowania danych
jest numeryczny model dna tzw. DTM (Digital Terrain Model) jaki został przedstawiony na rys. 11 i rys. 12. Dzięki ogromnej ilości pomiarów jakie zapewnia echosonda wielowiązkowa obliczone modele przestrzenne odzwierciedlają rzeczywiste
kształty , sylwetkę i rozmiary wraku. Techniki wizualizacyjne stanowią dzisiaj bardzo waŜny element wspomagania procesów percepcji zachodzących u człowieka.
Podstawowym schematem podczas badania sonarowego przeszkody podwodnej jest system profili równoległych. Przy duŜych obiektach takich jak Franken
dla uzyskania niezbędnej ilości danych wystarczy wykonać 4 przejścia z sonarem
obok wraku, przy czym kierunek jednej pary profili powinien być równoległy do
długiej osi wraku. Oczywiście pierwszy profil powinien przebiegać z jednej burty
wraku, a drugi profil z burty przeciwnej. Czasami okazuje się, Ŝe tak naprawdę tylko
z jednej burty uzyskuje się optymalne zobrazowanie sonarowe. Druga para profili
przejścia nad wrakiem powinna być zaprojektowana pod kątem prostym do pierwszej [3].
W przypadku badania wraku Frankena uŜyliśmy sonaru bocznego DF-1000
pracującego jednocześnie na dwóch częstotliwościach (100 i 500 kHz) i holowanego
za rufą okrętu na 200 metrowej kablolinie. W efekcie zarejestrowaliśmy dane zaprezentowane na rys. 13. DuŜa szczegółowość i ostrość sonogramów wynika przede
wszystkim z parametrów technicznych jakimi cechuje się wspomniany wyŜej sonar.
Ponadto uŜycie sonaru w wariancie holowanym umoŜliwia zmniejszenie odległości
„przetwornik hydroakustyczny – dno” co znacznie polepsza geometrię rozchodzącego się sygnału. Dzięki temu zapisane ujęcia sonarowe odsłaniają takie szczegóły
konstrukcyjne jak ładownie, komin, złamany maszt na rufie, nadbudówkę oraz pionowe elementy systemu cyrkulacji powietrza.
Badania hydrograficzne wraku Franken
Rys. 13. Obrazy sonarowe zarejestrowane przez sonar holowany DF-1000
Źródło: pomiary hydrograficzne ORP „Arctowski”, 2005 r.
PODSUMOWANIE
Proces rozwoju hydrograficznych technik pomiarowych jeszcze się nie zakończył. Pojawienie się sond wielowiązkowych w znacznym stopniu zrewolucjoni-
Badania hydrograficzne wraku Franken
zowało dotychczasowe pomiary batymetryczne. Zmianie uległa metodyka prowadzenia sondaŜy morskich. Systemy sonarowe w technologii cyfrowej umoŜliwiają
dzisiaj zbadanie obiektów leŜących na największych głębokościach.
WyposaŜenie jednostek pływających słuŜby hydrograficznej MW
w nowoczesny sprzęt pomiarowy, wymagany i zgodny ze standardami Międzynarodowej Organizacji Hydrograficznej (IHO) spowodowało zwiększenie ich potencjału
działania. Efektywność wykonywanych prac sondaŜowych uległa wzrostowi a jakość uzyskiwanych danych hydrograficznych znaczącej poprawie. Zaprezentowane
w referacie wyniki badań wraku Franken prowadzonych zarówno tradycyjnymi jak
i nowoczesnymi metodami badawczymi są Ŝywym przykładem zachodzących
zmian, które pozytywnie wpływają na zwiększenie bezpieczeństwa nawigacyjnego
wszystkich uŜytkowników morza.
BIBLIOGRAFIA
[1] Beczek D., Grządziel A., Pączek B., Zastosowanie wybranych systemów hydroakustycznych do wizualizacji wraków na polskich obszarach morskich, XIV
Konferencja Naukowo-Techniczna „Rola nawigacji w zabezpieczeniu działalności ludzkiej na morzu”, AMW Gdynia 2004
[2] Grządziel A., Metodyka wykonywania badań hydrograficznych przeszkód podwodnych, Przegląd Morski nr 7-8/2006, s. 27
[3] Manual on Hydrography, Publication M-13, 1st ed., IHO Monaco 2005
ABSTRACT
This paper presents the results of the surveying conducted by hydrographic
ship ORP „Arctowski” which belongs to Hydrographic Support Squadron of the
Polish Navy. The wreck of the German supply ship Franken, lying in the Gulf of
Gdańsk, was the object of investigation. The main purpose of that paper is to show
data quality changes in the field of hydrography due to emerging new modern techniques and methodology of executing hydrographic surveying.
Recenzent
prof. dr kpt. Ŝ.w. Daniel DUDA