何慶

[摘要]海底管線探測(cè)的方法有很多，包括側(cè)掃聲吶，磁力儀，測(cè)深儀等。本文所用的方法是經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐之后認(rèn)為比較實(shí)用、直觀、簡(jiǎn)單且行之有效的方式。將會(huì)對(duì)探測(cè)的原理和一些發(fā)展過(guò)程，注意事項(xiàng)做一些說(shuō)明。

[關(guān)鍵詞]淺地層剖面儀;管線探測(cè);測(cè)量 文章編號(hào)：2095—4085（2019）08—0013—03

1前言

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來(lái)越快的今天，我國(guó)對(duì)海島的開發(fā)利用也越來(lái)越多，中間會(huì)用到很多的管線。而由于管線在保護(hù)，埋設(shè)等各種原因所致下，會(huì)直接或間接污染海洋，而且還會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。這不是我們的初衷。怎么檢查管線在海底的埋設(shè)狀況，掌握海底管線的狀態(tài)，及時(shí)排除解決隱患，也成為了一個(gè)新的課題。

2淺地層剖面儀的發(fā)展

聲波在水和底部物質(zhì)中傳播并通過(guò)不同的介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)聲阻抗的差異，會(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)度的回波信號(hào)，從而在輸出記錄上形成不同級(jí)別的地層結(jié)構(gòu)圖。淺地層剖面儀是利用聲波原理設(shè)計(jì)的。

起初，使用連續(xù)波技術(shù)，但是如果你想獲得高分辨率，你必須使用相對(duì)窄的發(fā)射脈沖，這減少了發(fā)射的能量和目標(biāo)探測(cè)深度。但是，如果想要獲得更大的檢測(cè)深度，必須增加發(fā)射脈沖的寬度以增加發(fā)射能量，這反過(guò)來(lái)又會(huì)降低分辨率。因此，連續(xù)波技術(shù)中穿透深度與高分辨率之間存在技術(shù)矛盾。

在實(shí)踐過(guò)程中，人們慢慢發(fā)現(xiàn)，線性調(diào)頻技術(shù)可以解決利用連續(xù)波探測(cè)海底淺層結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。然而，由于現(xiàn)線性調(diào)頻技術(shù)工作機(jī)理的限制，為了產(chǎn)生具有足夠穿透功率的低頻，其換能器必須做得又大又重，這不便于使用和安裝。此外，由于其發(fā)射的光束角很大，地層分辨率相對(duì)較低。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，非線性調(diào)頻技術(shù)（即參量陣差頻SES技術(shù)）也在不斷提高。換能器發(fā)射的主頻附近的兩組頻率采用略有不同的高頻聲波。由于聲波在高聲壓下傳播的非線性，兩組聲波相互作用，與甚低頻（稱為子頻率）產(chǎn)生一種新的聲波，高頻的光束角保持不變。因此，利用該技術(shù)的淺地層剖面儀具有穿透性強(qiáng)，分辨率高，光束角發(fā)射量小的特點(diǎn)，能夠探測(cè)海底淺層的細(xì)節(jié)。此外，該換能器體積小，重量輕，可以推廣應(yīng)用。

以此為典型的就是德國(guó)的Innomar公司的SES系列淺剖儀，如圖1所示。

3淺地層剖面儀的原理和優(yōu)缺點(diǎn)

淺地層剖面儀也使用聲波原理。當(dāng)聲波信號(hào)在穿透水體后繼續(xù)深入海底時(shí)，反射波組的振幅，頻率，連續(xù)性，波形和反射形式會(huì)在遇到不同層時(shí)發(fā)生相對(duì)變化。當(dāng)海底為沉積物時(shí)，沉積物的存在會(huì)使反射波的波形和反射形式由于沉積物相對(duì)于周圍介質(zhì)的強(qiáng)烈反射而變得隨機(jī)和不規(guī)則。因此，當(dāng)遇到管道時(shí)，它也將呈現(xiàn)無(wú)序狀態(tài)。

最新的SES一2000淺地層剖面儀就是采用的新的非線性調(diào)頻技術(shù)，他具有高穿透性，高的分辨率和很小的發(fā)射波束角特點(diǎn)，可以探測(cè)更深處地層的詳細(xì)情況，而且換能器體積小，重量輕便于我們外業(yè)攜帶。且最大的特點(diǎn)就是集成度非常高，安裝輕便，通常在半個(gè)小時(shí)內(nèi)完成安裝，即使比較小的船也是可以作業(yè)的，同時(shí)其精度也比較高，采用GPS定位，天線應(yīng)在換能器的上方，可以有效的避免拖魚拖在船后面的水下定位不準(zhǔn)的難題，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)的獲取高精度的水深數(shù)據(jù)，由于其在低頻段帶寬高，波束角窄，該系統(tǒng)可獲得非常好的分辨率，而線性系統(tǒng)受此影響很大，因此參量陣系統(tǒng)在勘測(cè)近底層及海底表層物體的檢測(cè)時(shí)，效果要比線性系統(tǒng)好很多。就算是在比較渾濁的水域，也可以比較好的完成探測(cè)任務(wù)。

4 SES-2000淺地層剖面儀的測(cè)量實(shí)施

SES-2000參量陣探淺地層剖面儀通常安裝在小船上。安裝時(shí)，主機(jī)和導(dǎo)航定位系統(tǒng)應(yīng)位于同一位置。全球定位系統(tǒng)定位天線、傳感器和浪涌濾波器應(yīng)位于同一鉛垂線下，這樣定位相對(duì)準(zhǔn)確，并可節(jié)省安裝和更換測(cè)量距離時(shí)的測(cè)量誤差。這樣定位會(huì)相對(duì)準(zhǔn)確，省去了量取距離進(jìn)行裝換時(shí)的測(cè)量誤差。換能器則是用金屬架固定在船舷的一側(cè)，確保牢固，防止突然風(fēng)浪過(guò)大或者撞擊到浮游物上面時(shí)造成一定的損壞。同時(shí)安裝時(shí)要注意螺旋漿的位置，避免由螺旋漿攪動(dòng)水流產(chǎn)生影響，入水深度宜在0.8m左右，可根據(jù)風(fēng)浪和船吃水深度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

開始工作之前，盡量搜集工作海域的地質(zhì)資料，根據(jù)海底底質(zhì)情況來(lái)確定儀器參數(shù)，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，已利于后期的內(nèi)業(yè)軟件來(lái)進(jìn)行分析外業(yè)采集數(shù)據(jù)。參數(shù)設(shè)置好之后，要考慮到檢測(cè)區(qū)海域潮流和海底地形特點(diǎn)等因素來(lái)確定測(cè)線。對(duì)于比較重要的測(cè)段，如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題點(diǎn)，我們要及時(shí)加大測(cè)量量，以提供更詳細(xì)的數(shù)據(jù)。探測(cè)過(guò)程中，船探測(cè)航線與計(jì)劃線可以布設(shè)成與海管成45。方向，增加聲波測(cè)量海管的時(shí)間。這樣可以我們可以更容易的判斷管線位置。通常在工作中導(dǎo)航衛(wèi)星要大于7，這樣才能提供比較高的定位精度。測(cè)量過(guò)程中必須嚴(yán)格控制船的航行速度，管線剖面測(cè)量船速為2.0kN～4.0kN左右，最大不要超過(guò)3.4kN，而且在內(nèi)業(yè)處理效果不好時(shí)還要進(jìn)一步放慢船速。

5檢測(cè)成果解釋

為了檢測(cè)SES-2000的儀器準(zhǔn)確性，我們?cè)诖牧硗庖粋?cè)安裝了多波速測(cè)深系統(tǒng)。

下圖為舟山某項(xiàng)目，在管道埋設(shè)之后進(jìn)行的多波速測(cè)量成果圖（如圖2所示）和SES-2000的成果圖（如圖3所示），經(jīng)過(guò)內(nèi)業(yè)處理后，我們可以從多波速建立的模型中（圖4）很清醒的看到管線的鋪設(shè)位置的精準(zhǔn)坐標(biāo)和鋪設(shè)管線時(shí)所造成的痕跡，但是并無(wú)法確定埋設(shè)深度，無(wú)法判定其具體有沒有達(dá)到管線的埋設(shè)要求。

但是，SES-2000系統(tǒng)測(cè)量成果（如圖3所示）可以準(zhǔn)確的看到管線的埋設(shè)深度和埋設(shè)的坐標(biāo)，和實(shí)時(shí)的水深。經(jīng)過(guò)附近的潮位站改正之后，我們與多波速測(cè)量的水深和坐標(biāo)進(jìn)行了比對(duì)，數(shù)據(jù)基本是吻合的。多波速也從側(cè)面證明了SES-2000淺地層剖面儀測(cè)量的準(zhǔn)確性。

下圖為福建某項(xiàng)目的管線掃測(cè)圖（圖4、圖5），由圖中可以清晰的分辨出管線的埋設(shè)深度和坐標(biāo)位置。因?yàn)檫@個(gè)位置靠近岸邊，且最低潮的時(shí)候是可以看見上面的鋪設(shè)痕跡的，然后用RTK進(jìn)行測(cè)量位置，經(jīng)過(guò)內(nèi)業(yè)處理后，坐標(biāo)數(shù)據(jù)與SES-2000測(cè)量所得基本吻合。

經(jīng)過(guò)多個(gè)工程項(xiàng)目的實(shí)踐證明，SES-2000的測(cè)量數(shù)據(jù)是真實(shí)可靠的。

6結(jié)論

經(jīng)過(guò)多波速測(cè)量和SES-2000淺地層剖面儀的聯(lián)合測(cè)量資料和現(xiàn)場(chǎng)勘查，可以判斷出SES-2000淺地層剖面儀的定位數(shù)據(jù)還是比較準(zhǔn)確的，經(jīng)過(guò)多次的測(cè)量作業(yè)實(shí)踐，也證明了淺地層剖面儀在海底路由探測(cè)中的效果。如檢測(cè)到海纜裸露于淺海的海底或者處于懸空狀態(tài)，就需采取措施以防止海纜被刮斷，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)也可以作為海底管線鋪設(shè)的工程驗(yàn)收依據(jù)。

雖然用SES-2000淺地層剖面儀可以檢測(cè)到管線的位置和埋設(shè)深度，但是在工作中我們還是發(fā)現(xiàn)他有一定的局限性，比如轉(zhuǎn)彎位置的確定就很困難，但是如果我們?cè)诹硗庖粋?cè)裝上多波速或者側(cè)掃聲吶系統(tǒng)則可以完美解決這個(gè)問(wèn)題。

所以這就需要我們?cè)诠ぷ髦胁粩嗟靥剿?，不斷嘗試用多種儀器一起組合的方式來(lái)進(jìn)行管線探測(cè)研究和探索，來(lái)更好的探測(cè)管線的位置和狀態(tài)。為后期的管線維護(hù)為以后的管線管理和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。避免造成經(jīng)濟(jì)的損失和海洋污染。