侧扫声呐在海底管道路由调查中的应用

肖志广，潘广山，刘圣彪，胡庆辉



侧扫声呐在海底管道路由调查中的应用

肖志广1，潘广山2，刘圣彪1，胡庆辉2

( 1.中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266100；2.山东省第四地质矿产勘查院，山东 潍坊 261021)

在复杂的海洋环境中，海底管道局部悬空和周围土层的冲刷是影响管道安全的重要因素。本文针对某海域海底输油管道的安全状态问题，利用侧扫声呐对管道在役状态及管道区海底地形、地貌特征开展了探测工作；结合管道区水动力条件和海底沉积物工程性质，分析了未冲刷海底、局部冲刷海底、塌陷凹坑和管道局部裸露悬空时的侧扫声呐图像特征。结果表明，声强度对各种异常海底都有明显的反映，当海底未冲刷时，声波强度很弱，图像中呈现出亮色区域；当声波强度增强时，为局部冲刷海底，图像表现为深暗色调；当出现塌陷凹坑时，声波强度会突然很弱，甚至没有，图像中上部为深色调，下部为浅色调；而当管道局部裸露悬空时，声波强度很强，在图像中呈现黑色的深色调。同时也证实了侧扫声呐探测法在海底管道安全状态调查中是可行的、有效的。

海底管道；侧扫声呐；图像特征；在役状态；冲刷

( 1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,OceanUniversityofChina,QingdaoShandong266100,China；2.Shandong4thInstituteofGeologyandMineralResourcesExploration,WeifangShandong261021,China)

1 引 言

海底管道被视为海上石油的生命线。近几十年来，随着海洋石油工程的发展，海底管道铺设日益增多。自1954年美国Brown & Root公司在墨西哥湾铺设世界上第一条海底管道以来, 世界各国已在北海、墨西哥湾、地中海等海域累计铺设了数十万千米的海底管道[1]。由于我国海洋石油开采较晚、技术设备相对落后，但在引进、消化吸收的基础上，近年来也得到了迅速发展。海底管道作为一种经济、有效的油气运输设施，具有陆地交通运输无法比拟的优势。然而，由于海洋环境的复杂性，在强烈的水动力(波浪、海流等)条件下，有些铺设时间较早的海底管道周围土层很容易被冲刷、掏空，引起管道悬空，进而直接暴露在海水中，对管道的安全埋下隐患[2]。世界上已经有过许多诸如管道失稳，管道折断的事故发生。如2010年，由于海底管道断裂导致墨西哥湾发生石油泄漏事故，无论是对海洋环境的影响，还是人类的财产安全都造成了巨大的伤害[3]。因此，采用适当的手段对海底管道路由以及海底地形、地貌的调查，对准确确定诱发海底管道失稳的影响因素，适时采取维护措施、确保海底管道路由的正常运营具有重要意义。

对海底管道在役状态的调查方法较多，早期采用人工浅水探摸法，但这种方法效率低，通常适用于浅海。随着深海仪器设备水平的不断提高，相继出现了ROV技术、多波束测深技术、侧扫声呐、海洋磁力仪和浅地层剖面仪等。其中侧扫声呐法是一种目前广泛采用的方法，对探测海底工程构筑物形态，海底地形、地貌具有良好的效果[4,5]。侧扫声呐探测法具有两个突出的特点：① 分辨率高，可以显示海底微地貌形态和分布；② 可获取连续、全覆盖的海底声学图谱影像[6-8]。因此，被广泛应用于海洋工程勘探，如海底电缆、海底输油管道的路由器调查等[9]。

本文采用侧扫声呐探测的方法，在某海域海底管道路由调查中进行声学剖面探测。结合实测资料，分析了可能诱发海底管道失稳地质现象的典型图像特征，以便为海底管道路由的安全运营提供依据。

2 侧扫声呐工作原理

侧扫声呐基本系统的组成一般包括工作站、绞车、拖鱼、热敏记录器或打印机、GPS导航定位仪及其它外部设备[10]。拖鱼在测量过程中拖在测量船后，通过电缆与船上记录系统连接。工作时，声呐发射窄波束、一定周期的高频声波，并在一定角度范围内扫描，当高频声波遇到海底后被反射回到声呐接收换能器，并将声波由声能转换成电能，通过电缆向上传送到海面上的记录显示单元内。将每一条扫描线有序地排列起来，并以灰度或者彩色图像的方式显示在屏幕上。根据反射声波图像的强度特征，就可以了解海底的地形、地貌特征，进而分析海底管道周围的冲刷状况[11]。

图1 侧扫声呐观测系统示意图Fig.1 Observation system diagram of side-scan sonar

图1为侧扫声呐的观测系统示意图。其中线段A为拖鱼深度，线段B为拖鱼到海底的高度，线段C为拖鱼到目标物的斜距，线段D为声图阴影区长度，线段E为目标物的高度。

3 资料处理与解释

3.1 声呐数据的处理

侧扫声呐数据的处理是获取海底信息的重要环节，通常需要以下几个步骤。

1)声速校正。侧扫声呐是一种以二维平面图像形态测绘水下微地貌特征的仪器[12]。声呐系统并不是直接测量深度或者距离，实际上测量的是从所发射的声呐脉冲离开换能器在介质中传播到目标，然后返回换能器的时间，而测量结果需要的是从换能器到目标的距离，这个距离是与声波的传播时间相关的，即与声波在水中的速度相关的。因此首先需要确定海水中声波的速度，通常的做法是使用数字温度计测量海水表层、中层和底层的水温，求出该海区的平均水温，再用该海区的盐度值[13]，利用已知的声速经验公式，计算海区的声速，进行声速改正。

2)潮位改正。侧扫声呐最终的测量成果中应体现为目标体距离参考基准面的深度。因受到周期性涨落潮的影响，测量时的海面高程并非与参考基准面高程一致，需要在测量时同步验潮，获得即时的潮位信息。

3)时变增益。声波在海水中存在吸收、扩散、散射，它们都会减弱返回到声呐的信号强度，且衰减变化的范围很大。为了弥补这种损失，使回声波信号能够在整个量程上均匀地显示，必须加一个随时间变化的增益(简称TVG)到回波信号上，以补偿声波在传播过程中所产生的损耗。

4)镶嵌。目的是将各条测线获得的瀑布图拼接为整个测量范围内的海底图像。其方法包括消除涌浪效应的平滑滤波和海底跟踪。

3.2 声呐图像的解释

声呐图像的色调变化所反映的各类图像特征是解释声图目标的关键，而影响色调变化的因素在于换能器接收声波的强弱变化，引起声波强弱变化的主要因素有海底起伏、底质类型与粗糙度、水中目标的性质与状态、各类噪声以及水体物理特性的变化等。绝大多数声呐系统中，强回声信号在监视器和记录仪上显示黑色或深色的，这种现象通常发生在粗糙海底或者存在人工构筑物的情况；而对于平滑海底，只会有很少的反散射回声信号返回到接收换能器，此时图像将会表现为浅色调。

4 工程概况

探测区域位于某河口三角洲上，属于水下三角洲岸坡和水下平原部分。近几年的资料显示，该区域海洋动力逐年增强, 且具有较强的输沙能力, 长期存在的余流可将较细的悬移质泥沙输往外海,每年都要发生的风暴潮对于泥沙的输送也有举足轻重的作用,从而对海床大冲大淤，并可能导致海床土体液化，对海底管道路由产生影响。

调查采用英国Geoacoutics公司生产的2094 Digital声呐系统同步测深仪开展工作，导航定位采用Trimble GPS导航定位系统。调查范围为某海域海底输油管道两侧各250 m，长度为0.54 km。

5 典型地质图像特征

5.1 未冲刷海底

侧扫声呐以扇形波来发射声脉冲，声波向拖鱼两侧传播，并被海底物质反向散射，对于平滑的海底表面，由于海底的吸收作用和反散射现象较弱，基本上没有能量返回到侧扫声呐换能器，因此在记录上显示成亮色区域。图2为典型平滑海底的侧扫声呐图像。由图2可以看出探测区域内图像整体呈现浅色调，这是由于表层沉积物颗粒较细，声波反射强度弱且均匀所造成的。同步测深资料也揭示了该海域海底平滑，深度变化小。这类地貌多分布在水深大于10 m的深水区域，水动力条件较弱[14]。

5.2 冲刷海底

由于海底底质物理性质的差异，在海流作用下，局部海域沉积物容易受到强烈的冲刷，从而产生条带状、月牙状及斑块状小型凹坑。图3为冲刷海底的典型侧扫声呐图像。由图3可见，冲刷凹坑处，表现为深、暗色调。这是由于凹坑边缘斜坡处粗糙海底引起的声呐回声能量增强所致。研究资料表明该类地貌体多分布在水深小于的区域，水力条件较强。

图2 平滑海底声呐图谱Fig.2 Smooth seabed sonar image

图3 粗糙海底声呐图谱Fig.3 Rough seabed sonar image

5.3 塌陷凹坑

深色的回声和浅色的阴影斑纹常常表现出海底底床上目标的凸起和凹陷，在凹陷的情形中，海底下陷。底部没有反射回声学能量，这样将导致在记录上出现浅色的区域。在凹陷的下降沿上，声呐脉冲将会遇到一面向声呐换能器的斜坡，这样在记录上将产生深色的反射信号。这种深色跟随在浅色区域后面的记录模式为典型的凹陷，如图4所示。由图4可见，海底存在面积较大的凹坑，凹坑处水深比周围深0.5～1.0 m左右。这种现象在井组平台周围极为发育，在管道路由和桩腿附近仅分布着较小的椭圆形凹坑，这是由于路由和桩腿的存在改变了平台周围原有的水动力环境，水流流速增加，地层受到强烈冲刷。

5.4 裸露(悬空)

声学阴影对侧扫声呐记录图谱解释有很大的帮助，人造物体经常伴有轮廓线非常明确、清晰的声学阴影。图5为某测线局部海底管道裸露时的侧扫声呐图像，显示出管线横卧在海底并出现了悬空。由图5可以看到，由金属管道对声波的强反射作用，在图像中呈现黑色的深色调；同时由于管道对声波的阻挡作用，其中一侧有明显的浅、亮色声学阴影，使得裸露管道在图像上表现为具有凸起特征的图像。借助于阴影的长度，可以计算出管道悬空的高度。

图4 塌陷凹坑声呐图谱Fig.4 Collapse pit sonar image

图5 裸露(悬空)管道声呐图谱Fig.5 Exposed (suspended) pipeline sonar image

6 结 论

本文根据具体的事例，讨论了侧扫声呐在海底管道路由调查中应用，得出以下几点结论。

1)侧扫声呐图像可以清晰地反映海底油气管道的在役状态，并能精确刻画海底地形、地貌形态、海底障碍物和冲刷状况，证实了方法的高效性和可行性。

2)通过对侧扫声呐典型图像分析，得出了平滑海底表现为浅色调图像，海底冲刷为深、浅色调相间出现，塌陷凹坑内部为浅色调、凹坑斜坡带为深色调，而海底管线则表现为深色线状带、管道边缘具有浅色回声阴影区的结论。

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The Application of Side-scan Sonar to Investigation of Submarine Pipeline Route

Xiao Zhiguang1，Pan Guangshan1，Liu Shengbiao2，Hu Qinghui2

In complex marine environment, local suspension of submarine pipelines and scouring of seabed soil is one of the important factors which affect the safety of the pipeline. Aiming at the problem of the safe-state of submarine oil pipelines, the side-scan sonar method was used to detect in-service state of pipelines and the seafloor topography, geomorphology in pipeline area. Combined with the hydrodynamic conditions and the seabed sediment physical properties, the characteristics of the non-erosion seafloor, the partial scour seafloor, the collapse pit and the local suspension of pipelines in side-scan sonar images were discussed. The results show that the sound wave intensity can reflect variable abnormal seabed, when it is the non-erosion seafloor, the sound wave intensity is weak, showing the bright area in the image; when the sound wave intensity is strong, it is the partial scour seafloor, showing the darker hue in the image; when it is the collapse pit, the sound wave intensity becomes very weak suddenly and even none, the upper part of the image is dark hue, the lower is light hue; when it is the local suspension of pipelines, the sound wave intensity is grand, showing black dark hue in the image. It is high effective and feasible for using the side-scan sonar method in detecting the safety status of submarine pipelines.

submarine pipeline; side-scan sonar; image characteristics; in-service state; scouring

1672—7940(2016)05—0627—05

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.05.012

国家自然科学基金(编号：41427803)

肖志广(1989-)，男，硕士，主要从事工程勘察、岩土工程风险控制方面研究工作。E-mail: xiaozhiguang1989@126.com

P631

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2016-06-05