李寶鑫

(廣州博瑞信息技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 510440)

1 引 言

隨著海洋大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的深入實(shí)施，對(duì)海洋資源的開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)成為重要課題。在海洋工程開(kāi)發(fā)建設(shè)中，需對(duì)開(kāi)發(fā)海域地下管線和地質(zhì)地貌進(jìn)行詳細(xì)的勘測(cè)[1]，為項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)管理提供重要的支持?jǐn)?shù)據(jù)。受到海洋環(huán)境的影響，海洋管線探測(cè)具有復(fù)雜性和困難性[2]。目前，探測(cè)地下管線應(yīng)用最廣泛的方法是磁法探測(cè)[3]，該方法根據(jù)測(cè)區(qū)磁場(chǎng)的分布確定磁性物體的位置，具有經(jīng)濟(jì)高效的特點(diǎn)，但是其探測(cè)定位是由磁異常曲線的峰值來(lái)確定的[4]，會(huì)存在一定誤差，對(duì)于一些非線性的水下物體，磁異常曲線模型無(wú)法準(zhǔn)確建立[5]。近年來(lái)，隨著側(cè)掃聲吶、淺地層剖面等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，為水下探測(cè)提供了更多選擇[6]。為了準(zhǔn)確探明地下管線情況，需要研究不同探測(cè)方法的原理和特點(diǎn)，充分利用各類探測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)測(cè)區(qū)情況制定合理的探測(cè)方法。本文在磁法探測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，綜合采用側(cè)掃聲吶探測(cè)和淺地層剖面探測(cè)技術(shù)，探明了某海域地下管線和障礙物的分布情況。

2 探測(cè)技術(shù)

2.1 磁法探測(cè)技術(shù)

磁法探測(cè)是利用不同物質(zhì)具有不同磁性的這一差異，來(lái)探測(cè)空間區(qū)域內(nèi)相關(guān)障礙物的大小、分布、位置等屬性信息的探測(cè)技術(shù)[7-8]。正常情況下，探測(cè)空間區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)是均勻分布的，管道和線路等物質(zhì)的存在，會(huì)導(dǎo)致磁異常現(xiàn)象，理論上都可以被磁力儀探測(cè)到。通過(guò)磁力儀等探測(cè)設(shè)備，探測(cè)出磁場(chǎng)的變化參數(shù)和特性，然后判定探測(cè)區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)分布等信息。磁法探測(cè)技術(shù)常用于地下和水下空間的管線探測(cè)[9]。在管線磁法探測(cè)中，海底管線的材質(zhì)、埋深、走向、橫截面積等因素，都可以影響磁場(chǎng)的大小[5]。為了盡可能探測(cè)到管線的微弱磁信號(hào)，要使磁力儀的拖魚盡可能地貼近海底表面。磁法探測(cè)技術(shù)具有探測(cè)精度高、可靠性強(qiáng)、成本低等優(yōu)勢(shì)，對(duì)掩埋深、管徑細(xì)的管線也具有很好的探測(cè)效果。

2.2 側(cè)掃聲吶探測(cè)技術(shù)

側(cè)掃聲吶是利用回聲測(cè)深原理來(lái)探測(cè)海底地貌和水下物體[10]。通過(guò)發(fā)射高頻率的聲波信號(hào)，經(jīng)海底表面物質(zhì)背散射后，接收水底的聲波回聲信號(hào)，根據(jù)反射特征的差異來(lái)判斷目標(biāo)物的沉積屬性或形態(tài)特征。側(cè)掃聲吶通常安裝在拖體上，作業(yè)時(shí)向兩側(cè)發(fā)送寬角度聲波波束，然后接收海底返回的背散射數(shù)據(jù)對(duì)海底進(jìn)行成像，能直觀地提供海底形態(tài)的聲成像，作業(yè)過(guò)程如圖1所示。側(cè)掃聲吶適合做大面積測(cè)量，分辨率較高，信噪比較好，能夠清晰反映淺部地層分層，而且能達(dá)到管線排查的目的[11]。

圖1 側(cè)掃聲吶探測(cè)

2.3 淺地層剖面探測(cè)技術(shù)

淺地層剖面探測(cè)利用聲波在水中和水下沉積物內(nèi)傳播和反射的不同特性來(lái)探測(cè)水底地層剖面[12]。聲波信號(hào)能夠通過(guò)水體穿透床底后繼續(xù)向底床更深層穿透，通過(guò)對(duì)水下地層或目標(biāo)物發(fā)射聲脈沖，利用聲脈沖傳播時(shí)所遇界面聲阻抗不同的規(guī)律，通過(guò)換能器接收記錄反射回來(lái)的部分，結(jié)合地質(zhì)解釋，在淺剖探測(cè)圖譜上可解譯地層的分層情況[13]，淺剖資料具有橫向連續(xù)性，能準(zhǔn)確反映地層的發(fā)育特征，淺地層剖面探測(cè)過(guò)程如圖2所示。

圖2 淺地層剖面探測(cè)過(guò)程

3 工程案例

3.1 磁法探測(cè)

某海域計(jì)劃新建海上風(fēng)電場(chǎng)，根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)需要對(duì)海域范圍內(nèi)的水下管線進(jìn)行探測(cè)，探明管線的分布和埋深。項(xiàng)目采用SeaSPY海洋磁力儀，該系統(tǒng)包括1個(gè)數(shù)字磁力拖魚，1個(gè)數(shù)字發(fā)射接收系統(tǒng)，1套凱夫拉高強(qiáng)度拖纜。其探測(cè)范圍在 18 000 nT～120 000 nT，靈敏度為 0.01 nT，分辨率為 0.001 nT，采樣周期為 0.25 s～4 s。采用華測(cè)B30DGPS信標(biāo)機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航和定位，信標(biāo)機(jī)接收頻率范圍為 283.5 KHz～325 KHz，海上有效作業(yè)距離為 500 km，定位精度為 0.5 m。工作時(shí)磁力儀探頭拖曳于船尾，通過(guò)試驗(yàn)確定的探頭位置距信標(biāo)儀天線約 29.4 m放置，測(cè)量探頭距船尾 60 m，在外業(yè)工作開(kāi)始前通過(guò)試驗(yàn)確定采樣頻率設(shè)為 10 Hz，磁力儀器布設(shè)示意圖如圖3所示。作業(yè)船按設(shè)計(jì)測(cè)線航行，逐點(diǎn)記錄采樣點(diǎn)的磁場(chǎng)值，與定位數(shù)據(jù)生成統(tǒng)一的文件。信標(biāo)機(jī)工作期間，差分信號(hào)穩(wěn)定，定位數(shù)據(jù)正常，定位間距 1.0 s，能實(shí)時(shí)顯示船只運(yùn)行航速、航向、航跡以及船只偏離設(shè)計(jì)航線的距離等。

圖3 磁力儀器布設(shè)示意圖

日變站位于海邊樹(shù)林，遠(yuǎn)離建筑物，周圍地形平坦，附近沒(méi)有磁性干擾物，磁場(chǎng)的水平梯度和垂直梯度較小，在半徑 2 m及高差 0.5 m范圍內(nèi)磁場(chǎng)變化未超過(guò)設(shè)計(jì)總均方根誤差的1/2。選取最新發(fā)布的地磁橢球參數(shù)geomag IGRF11.COF，通過(guò)GEOMAG70軟件計(jì)算本工區(qū)基本場(chǎng)為 47 247.5 nT，與校正點(diǎn)經(jīng)日變改正后的均值 4 236 nT。地面高精度磁測(cè)數(shù)據(jù)總場(chǎng)值T經(jīng)日變改正后得到磁異常dt。

本次海洋磁法勘測(cè)所有測(cè)線均進(jìn)行日變校正、高度校正和經(jīng)緯度校正等預(yù)處理后，得到磁場(chǎng)值等值線圖，從磁場(chǎng)值等值線圖中發(fā)現(xiàn)磁力值跳點(diǎn)28個(gè)(如圖4所示)。在核對(duì)班報(bào)記錄后，剔除了其中23個(gè)由于往來(lái)船舶而引起的磁異常。剩余3號(hào)、5號(hào)、19號(hào)、24號(hào)、26號(hào)等5個(gè)點(diǎn)位異常值均在 30 nT以內(nèi)，且不成線性，只在單條測(cè)線發(fā)現(xiàn)，排除了是海底管線和電纜引起的可能。為進(jìn)一步探明引起異常的原因，采用側(cè)掃聲吶探測(cè)和淺地層剖面探測(cè)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步探測(cè)。

圖4 磁場(chǎng)值等值線圖

3.2 聯(lián)合探測(cè)

側(cè)掃聲吶探測(cè)使用Klein3900側(cè)掃聲吶系統(tǒng)，工作時(shí)側(cè)掃聲吶系統(tǒng)的拖魚懸掛于船舷左側(cè)中部，工作頻率選用單頻 445 kHz，拖魚入水深度確定為 26 m，對(duì)探測(cè)范圍進(jìn)行全覆蓋掃描，增益根據(jù)實(shí)際圖像顯示情況進(jìn)行調(diào)整。側(cè)掃數(shù)據(jù)處理使用Sonarwiz軟件，利用回放功能實(shí)時(shí)鑲嵌，并對(duì)海底面進(jìn)行跟蹤和斜距校正、速度校正，調(diào)整增益、對(duì)比度等參數(shù)，處理后形成聲吶圖像。

淺地層剖面探測(cè)采用ChirpⅢ淺地層剖面儀，淺剖換能器基陣安裝于船舷中部外側(cè)，DGPS天線置于換能器正上方，震源能量 600 J，發(fā)射間隔 70 ms。采用Sonarwiz5和Triton淺剖處理軟件，處理手段包括：水位改正、噪聲壓制、振幅控制等。利用Vista 11進(jìn)行頻譜分析，確定船體和波浪等引起的噪聲頻率，利用帶通濾波，提高信噪比，加強(qiáng)有效地層信息，獲得淺剖圖像。

經(jīng)過(guò)探測(cè)發(fā)現(xiàn)，5號(hào)、19號(hào)、24號(hào)、26號(hào)等4個(gè)點(diǎn)位的聲吶鑲嵌圖和淺剖圖像均未見(jiàn)異常，推測(cè)引起點(diǎn)位異常的可能是體積很小的鐵磁性物體。3號(hào)點(diǎn)位的側(cè)掃聲吶鑲嵌圖中顯示有一個(gè)直徑小于 1 m的凸起(如圖5所示)，但其淺剖圖像未見(jiàn)異常，推斷引起該點(diǎn)異常的可能為數(shù)百公斤的鐵磁性物體。

圖5 3號(hào)點(diǎn)位側(cè)掃聲吶鑲嵌圖

4 結(jié) 語(yǔ)

水下探測(cè)是海洋工程勘察中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，本文采用磁法探測(cè)、側(cè)掃聲吶和淺地層剖面探測(cè)相結(jié)合的綜合探測(cè)技術(shù)，首先用磁法探測(cè)進(jìn)行大范圍的掃測(cè)，然后通過(guò)對(duì)異常值所在區(qū)域的海底側(cè)掃聲吶圖和淺地層剖面圖聯(lián)合解譯，分析異常值所在區(qū)域有沒(méi)有鐵磁性物體的存在，能夠快速、準(zhǔn)確探測(cè)出目標(biāo)海洋的地下管線和障礙物分布情況，具有一定的借鑒意義。