全球发展态势
1.海洋环境监测装备
深海采矿活动环境影响的环境监测工作主要分成三个阶段：采矿活动前的环境监测，获取环境基线；采矿活动期间和之后的环境监测，监测采矿活动对环境和生物群落产生的影响，以及之后生物群落的恢复和修复情况。国际海底管理局的各种规章和指南对上述三个阶段所需进行环境监测的要素进行了详细的规定。基于这些监测要素，我们可以将监测设备大致分为底栖生态系统监测装备、水体生态系统监测装备、水体剖面环境监测装备等几类。
1）底栖生态系统监测装备
目前用于底栖生物监测的技术主要包括底拖网、箱式、多管、着陆器（Lander）、摄像拖体和水下机器人等。底拖网是应用时间最久的深海底栖生物调查工具，目前比较常用的是底表拖网（epibenthic sledge，EBS），在克拉里昂－克利伯顿断裂带（CC）区的底栖生物监测中进行了大规模的应用，取得了不错的效果（见图7－40）。对于一些活动能力较强的生物如鱼类、甲壳类等，底表拖网、多管箱式等常规装备的采样效果较差，为此开发了深海着陆器系统（见图7－41），通过诱捕方式监测深海巨型底栖生物和食腐动物。除了上述设备外，各类水下机器人已经广泛用于深海底栖生态系统的监测，包括ROV、AUV、HOV等，这些装备可以获得海洋中高时空分辨率的近底观测数据，并提供在所有地形环境中的精准采样方法，从而极大促进了深海底栖生态系统的监测与研究。
图7－40 整合了视像系统的底表拖网（C－EBS）
图7－41 深海着陆器系统
2）水体生态系统监测装备
水体生态系统监测装备大致可以按照是否直接采集和获得样品而分为两大类。直接采样的装备主要是各类浮游生物拖网（见图7－42）、泵等。直接采样调查的优势在于可获得直观的样品用于种类鉴定，得到较为准确的浮游生物多样性数据以及群落结构。非直接采样的装备则包括声学反演探测和可见光成像探测两类装备（见图7－43），这些手段可以用于各类无人装备，开展长期观测和大尺度监测等。声学反演探测应用多普勒原理，发现具有一定主动游泳能力的浮游动物会产生的声反射异常数据，区别海水中的颗粒物和浮游生物，其最大优势在于能够在比较大的空间尺度上及三维空间高频率展示浮游生物的分布。可见光成像探测是采用激光投影或数字成像技术，结合先进的深度学习图像识别技术进行浮游生物的统计分析。目前世界上成熟应用的仪器有激光浮游生物计数仪、浮游生物录像记录仪、水下录像剖面仪等。
图7－42 浮游生物分层拖网
3）水体剖面环境监测装备
根据锚定方式，锚定式海洋水体剖面观测通常分为浮标和潜标两大类（见图7－44），近年也有“跨界”的带有通信小浮标的实时通信潜标、水下滑翔机、波浪滑翔机等新型装备（见图7－45）。锚定观测方式具有观测位置固定、观测时间长、数据连续性好等优点，而水下滑翔机、波浪滑翔机则是实现低成本和大范围长期观测的良好手段。针对海底采矿活动可能引起的羽状流，目前主要的监测技术是在采矿车活动区域周围布设海底潜标，利用搭载在潜标上的传感器监测海底物理、化学环境的变化，推测羽状流的扩散方向和范围。(https://www.daowen.com)
2.资源开采环境评价系统
在深海矿产资源开采环节，采矿设备、输送设备和支撑平台等都会对海洋生态系统产生扰动。环境扰动的主要类型包括生境移除与破坏、沉积物羽状流、沉积物覆盖、缺氧、噪音、溢油等。针对这些环境扰动类型，已经开发了不同的评价研究体系。代表性的主要包括两类，一类是基于各种深海采矿或者深海采矿模拟试验的环境影响评价系统，另一类是各种模拟深海采矿的评价系统。
图7－43 当前用于生态监测的各种主动声学反演探测设备
图7－44 锚系潜标观测系统和水下滑翔机等移动观测系统
图7－45 水下滑翔机
1）基于各种深海采矿或者深海采矿模拟试验的环境影响评价系统
美国、德国、俄罗斯、法国、日本等国家和一些国际财团相继开展了一系列与深海采矿有关的环境研究。第一次海底采矿环境影响实验于1970年7月进行，美国深海投资财团和哥伦比亚大学拉蒙特－多尔蒂地质所在离佛罗里达－佐治亚沿岸150公里的北大西洋布莱克海底高原，在对气泵提升采矿系统实验的同时开展了环境影响研究，研究的主要焦点是底层沉积物在表层排放时所产生的表层羽状流及其对营养盐生态的影响。此后，一些工业国家和国际财团都相继开展了一系列的环境影响实验研究项目，代表性的包括美国的深海采矿环境研究计划（DOMES）、多国联合开展的底层影响实验（BIE）以及德国的扰动和再迁入实验（DISCOL）等。就这类研究来说，其采矿的最大规模只有商业采矿的1/19左右，而且采矿实验是断断续续进行的，最长一次的实验时间也只有54小时，这些实验结果只对环境造成短期的、小范围的影响。此外，各种复杂生态学过程的相互作用效应也要较长时间才能显示出来。因此，这些结果还不足以阐明采矿的长期效应、各种复杂生态学过程的相互作用效应和尾矿物质沿密度跃层的扩散与累积等一系列问题，将它们外推时需特别谨慎。
2）深海采矿环境影响的数值模拟评价系统
国际上关于深海采矿环境影响的数值模拟研究主要集中在采矿羽流的数值模拟技术方面。国外在一系列的模拟采矿试验中，如日本深海影响实验（JET）、BIE，全球海洋矿产资源公司（GSR）和德国联邦地球科学与自然资源研究（BGR），均采用数值模型对深海采矿底层羽状流扩散范围、沉积物再沉降厚度等开展关于羽流的数值模拟研究，应用了欧拉方法和拉格朗日方法[24]。数值研究的重点在于通过对不同海流条件、粒径及不同浓度下悬浮物的絮凝、沉降以及再悬浮过程的实验室研究，确定沉降速度、侵蚀应用等沉积动力学的相关参数，并将这些参数应用到羽流的数值模型中。然而，目前的采矿实验或数值实验中扰动的规模比商业采矿小得多，这些结果无法评估规模采矿下作业羽流和排放羽流的影响程度；此外，羽状流的扩散速度与底层流流速有关，在深海海底底层流流速也是不断变化的，在平静状态和高涡动状态下，羽流的扩散程度将有显著差别，目前的数值模拟时间都较短，无法系统评估在不同海流状态下羽流的扩散情况。
