B A D A N I A H Y D R O G R A F I C Z N E W R A K U F R A N K E N

A r t u r G r ządz i e l a r t o l a 7 4 @ p o c z t a. o n e t. p l B A D A N I A H Y D R O G R A F I C Z N E W R A K U F R A N K E N 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-

nych jak i sztucznych cech dna, które w jakikolwiek sposób mogą stanowić zagro- Ŝenie 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 Polskie obszary morskie, obejmujące wody wewnętrzne, morze terytorialne oraz wyłączną strefę ekonomiczną, to akwen o powierzchni 33 800 km 2, 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 zaprojektowa- 1 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.

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 h min = 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.

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.

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 h min =47.4 metra znajduje się nad dziobową nadbudówką. Drugi charakterystyczny punkt z minimalną głębokością h min =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.

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.

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.

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-

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, 1 st 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