西气东输海底管道地形地貌探测

张 平，王志良

1. 辰源海洋科技（广东）有限公司，广东 广州 510300；

2. 国家海洋局南海调查技术中心，广东 广州 510300

0 引 言

西气东输二线管道的建成，将中亚天然气与我国联网，为长三角、珠三角和香港地区提供可靠的天然气资源保障。西气东输二线包括1 条干线和8 条支线，其中香港支线位于珠江口海域，海底管道建成运营后，需要进行定期检测[1]。在最近一次检测中，发现海底管道西侧分布了不少采砂活动区，采砂坑边缘处水深变化剧烈，采砂活动会产生较大的深坑和较陡的边坡，采砂坑的存在会对海洋水动力环境造成一定的影响[2]。由于采砂区底部水深已经超过管道顶部标高，对管道的安全构成了较大隐患，如果采砂区继续向管道方向扩展将可能严重影响管道的在位正常运行。为确保海底管道运行安全，需要对西气东输二线香港支线大陆段海底管道两侧进行调查，查明采砂坑目前的分布范围、大小、水深情况、边坡地形地貌情况等。为此，本文根据项目实际情况，采用侧扫声纳扫测、多波束水深测量以及浅地层剖面测量并辅以单波束水深测量和表层沉积物采样等手段，扫测香港支线大陆段海底管道重点区域的地形地貌，获取采砂坑的分布和特点，为相关研究和决策提供参考。

1 调查范围

根据管道检测结果、历史海砂开采区分布情况，确定调查范围为深圳段海管的东西两侧，调查面积约45 km²。由于管道周边实际采砂活动范围不明确，已发现的采砂活动区和距离管道较近的历史采砂区为重点调查范围，面积约13 km2。同时，根据侧扫声呐的全域扫测结果适时调整多波束调查和浅地层剖面调查范围，对勾勒出的采砂活动范围开展多波束水深调查工作（图1）。

图1 测区范围Fig.1 Measuring area range

2 探测技术方法

2.1 测量技术

1）水深测量技术。海洋水深测量目前主要采用单波束或多波束测量方式进行[3]。单波束测深仪采用换能器向水下发生超声波，利用计时器计算超声波在海底往返的时间，然后计算出海底到换能器位置的水深[4]，再利用全球卫星定位系统等方式，得到换能器的三维位置坐标。在实际应用中，还需要考虑水深改正、潮汐改正、声速改正等[5]。多波束测深系统是从单波束测深系统发展而来的，多波束测深仪可以发射超声波脉冲，反射的信号也可以被多个接纳器接收，相对于单波束测深系统而言，能够获得海量的测深值，具有分辨率高、精度高、覆盖范围大、自动化成图、效率高等特点[6]。

2）侧扫声呐扫测技术。侧扫声呐是利用回声测深原理来探测海底地貌和水下物体，根据海底表面物质背散射特征的差异来判断目标物的沉积属性或形态特征[7]。侧扫声呐通常安装在拖体上，到海底面的距离是可以调节的，作业时向两侧发送宽角度声波波束，可以覆盖海底大面积区域，通常单侧每个条带探测宽度可以达到数十米到数百米，然后接收海底返回的背散射数据对海底进行成像，能直观地提供海底形态的声成像。与多波束水深测量技术相比，侧扫声呐不能准确给出海底的深度，横向分辨率取决于声呐阵的水平角宽[8]。总体来看，侧扫声呐适合做大面积测量，多波束水深探测适合于确定对象的精细测量[9]。

3）地层剖面探测技术。地层剖面探测是在回声测深技术的基础上发展起来的，利用声波在水中和水下沉积物内传播和反射的特性来探测水底地层剖面[10]。对海洋、江河、湖泊底部地层进行剖面主要采用浅地层剖面仪，声波信号通过水体穿透床底后继续向底床更深层穿透，结合地质解释，可以探测到海底以下浅部地层的结构和构造情况。浅地层剖面探测在地层分辨率和地层穿透深度方面有较高的性能[11]，以声学剖面图形反映浅地层组织结构，能够经济高效地探测海底浅地层剖面结构和构造。

2.2 扫测方案

为了充分了解海底地形地貌，采用单波束和多波束测量技术、侧扫声呐技术和地层剖面探测技术相结合，通过前期大范围扫测和后期局部精细化探测相结合，能够充分利用各类技术优点，实现高精度海底地形地貌测量[12]。具体扫测方案如下。

1）首先对调查范围内进行全域的侧扫声呐扫测，辨识采砂区砂体堆积及冲刷，寻找采砂活动痕迹，以确定采砂活动区的分布。侧扫声呐调查的同时，同步开展单波束水深测量作业。

2）根据侧扫声呐的扫测结果，辅以单波束测得的水深地形数据，进行现场初步解译。摸清楚采砂活动区的空间位置分布之后，初步划定采砂坑区域。

3）采用多波束测深系统对上一步划定的采砂坑区域开展精细的水深地形调查，重点调查近管道侧的采砂坑边坡现状，获取采砂区全覆盖水深地形数据。此外，对采砂区与管道之间开展地层剖面结构调查。

水深地形测量工作贯穿于整个调查期间，先期随侧扫声呐扫测采砂活动区开展单波束水深地形测量，明确采砂活动区分布后，针对采砂区开展多波束全覆盖水深地形测量，为满足水深测量需要，测量期间需同步开展潮位观测、声速剖面（SVP）观测用以辅助。使用验潮站的实时验潮数据对水深测量数据进行潮汐改正，潮汐基准采用当地理论最低潮面。采用C-NAV3050 星站差分定位系统进行导航定位，出航前开通StarFire 星站差分信号，并与控制点进行比对和8 小时稳定性测试，开通星站差分信号的GNSS 系统精度可达到分米级，大大优于规范要求。

单波束测深仪和多波束测深仪采用船舷固定安装，GNSS 天线头尽量安置在多波束探头附近，侧扫声呐采用船右舷拖曳式作业，拖缆长度固定在4.5 m，浅地层剖面设备与多波束设备采用同一点位，在多波束完成作业之后开始浅地层剖面调查（图2）。仪器设备安装位置科学合理，以最大程度减少设备间的信号干扰，设备安装完成后使用全站仪测量GNSS 天线头、多波束探头和运动传感器的相对位置关系，并形成记录。

图2 调查船型及设备安装位置示意图Fig.2 Schematic diagram of survey ship type and equipment installation location

3 工程实例

3.1 扫测过程

1）海底地貌扫测。使用EdgeTech4200SP 侧扫声呐采集系统进行海底测区全覆盖微地貌调查，该设备最大单侧扫幅宽度可达600 m，侧扫频率为120 kHz&410 kHz，横向分辨率可达2 cm，纵向分辨率可达0.5 m。扫测之前，对侧扫声呐在工程海区进行调试，使声图的海底混响的灰度适当。在扫测过程中不得随意变动，仅当水深变化较大且灰度不适当时，稍微调试仪器，使声图的海底混响的灰度恢复到原来的程度。侧扫过程中保持船速不超过5 kn/h，拖鱼拖曳长度4.5 m，作业过程中固定拖曳长度；测量船换测线转向使用小舵角大旋回圈。由于调查区域水深较浅，为确保调查精度和全覆盖及重叠要求，调查选用单侧扫幅宽度为75 m，覆盖宽度为150 m 进行扫测，测线间距为100 m。利用侧扫声呐对整个调查区开展海底地貌调查，查明管道周边采砂活动区存在的范围边界，采砂区整体地貌起伏变化情况和采砂区边缘地貌情况，辨识采砂区砂体堆积及冲刷痕迹。

2）单波束水深测量（图3）。单波束测量使用无锡海鹰HY1601 单频测深系统进行，测深精度为量程的1 cm±1‰H（H 为所测水深），自动化采集实时定位数据、数字化水深数据和模拟水深记录。设备出航前在码头进行8 h 的稳定性测试，并进行内、外符合性检查。船速保持在5 kn/h 匀速直线航行，水深数据采用中海达导航软件进行采集，同步记录电子水深和模拟信号数据。单波束作业声速采用每日实测声速剖面数据的表层声速，作业人员将实测声速输入测深仪，继而使用比测板分别于1 m、2 m、3 m 水深进行吃水改正校准，将最终校准后的吃水值40 cm 和声速数据一同输入测深仪，水深采集时进行实时的声速和吃水改正。

图3 单波束比测水深模拟信号图Fig.3 Single beam ratio sounding depth analog signal diagram

在调查过程中，侧扫声呐测量与单波束水深测量同步进行，测线布设与水深测量测线一致。对于水深变化较大，侧扫声呐测量不能达到全覆盖的区域加密测线，以达到全覆盖侧扫声呐测量的技术要求。

3）多波束水深测量。多波束测量使用Reson T50P型浅水多波束测深系统，多波束换能器固定安装于船左舷中间位置环境噪声较低且不容易产生气泡位置，罗经姿态传感器安装于船舱内平行于测量船轴线，GNSS 天线尽量安装在靠近多波束换能器且比较开阔的位置。在测区范围内选择地形起伏区域布设井字型4 条校正测线进行校正。调查期间，每天进行早中晚3 次声速剖面测量，采取全深度声速数据、典型SVP 剖面（图4），共获取各种深度声速剖面20 个，供后续处理动态改正。

图4 典型声速剖面数据Fig.4 Typical sound velocity profile data

多波束设备安装完成后，需要对多波束的探头安装姿态进行校正，根据多波束校正的标准程序进行各项指标的校正工作，把所有的姿态修正值输入到多波束系统中去。调查先进行测区多波束的扫测，再根据扫测结果选定满足校正要求的区域，获得的多波束校正参数见表1。

表1 参数校准情况Tab.1 Parameter calibration

多波束测量分别布设主测线和检查测线，航次主测线采用平行等深线走向布设，检查测线与主测线垂直布设。多波束全覆盖测量中，测量船保持5 kn/h 船速匀速直线航行，测量的同时记录多波束数据采集班报表。测量检查线总长度达到全部测线长度的5%，测线间条幅重叠率大大满足规范要求。对发现的采砂活动区采用多波束测深系统对采砂活动区整个区域的水深情况进行全覆盖精细调查，绘制比例尺为1 ∶2000，对因为测线间距而无法达到全覆盖测量的区域进行加密测量。

4）地层剖面探测。采砂区边界至管道路由区域内水深在5 ～10 m 之间。单道地震系统相对于浅地层剖面仪系统，能量大，频率低，穿透地层的能力比较强，但在10 m 以内浅海域，震源触发后声呐在水下发生混响现象，严重干扰了水听缆接收到的地层信号。鉴于单道地震系统在浅水区的局限性，使用SES2000 Quattro三维浅剖系统开展调查区内的地层结构探测。SES2000三维浅剖系统采用非线性调声呐作为声源来探测海底浅地层的构造情况，是一种轻便灵活、高分辨率、高精度探测水深及海底浅地层剖面的新型仪器，是国内首套用于工程地质勘探的设备，可获取海底0 ～20 m 的地层结构。在调查作业前，采用三维浅剖系统在水深5 m 海域进行探测试验，获取的地层剖面（图5）。

图5 浅地层剖面图Fig.5 Stratigraphic profile

浅地层剖面调查在测区内最大规模的采砂坑处开展，测线布设间距50 m，垂直管道路由方向布设主测线，主测线横跨采砂坑东侧边缘至海管位置，在采砂坑北、中、南各布设一条穿越整个采砂坑的测线，主测线共144 条；平行于管道路由方向布设检测线，共两条。采用侧舷固定安装，探头震源采用1×4 侧舷固定安装，接通GNSS定位信号和Heading 信号，精确量取震源和GNSS 天线的相对位置、量取探头吃水，并在SESWIN 采集系统中输入。为了更好地解译侧扫声呐、浅地层剖面数据，作业过程中还采用蚌式采样器进行了5 个表层样抓取。

3.2 数据处理

侧扫声呐数据处理采用SonarWiz5 软件完成，该软件为侧扫声呐镶嵌后处理软件，通过TVG 增益、叠加、带通滤波、底追踪、AGC 增益后，可得到水下地形扫测图像。单波束水深数据采用中海达水深资料处理软件，首先检查任务并导入，采用适合的波法方法对水深数据进行滤波，剔除大部分干扰脉冲信号，然后对比回波数据检查人工平滑剔除跳点，设置采样间隔按比例尺需求采样，最后用验潮站数据进行潮位改正并导出数据。单波束数据处理完成水位改正后对所有交叉点水深数据进行检查统计，满足规范要求方可进入成图软件。多波束水深资料处理采用CARIS HIPS and SIPS软件，流程为建立船型文件、声速改正、潮位改正、数据合并、子区编辑、区域三维成图、数据质量检查、成果数据输出等。多波束水深数据处理时对所有测线数据的完整有效性、覆盖宽度、重叠度等逐一检查，利用检查线检查水深数据的内符合情况形成内业处理记录。浅地层剖面数据使用SES2000 Quattro 系统后处理软件，结合SonarWiz5 数据处理软件对获取浅地层剖面数据进行处理。通过TVG 增益、叠加、带通滤波、底追踪、AGC 增益后，绘制高分辨率浅地层采砂区三维地形图（图6）。

图6 采砂区三维地形图Fig.6 Three-dimensional topographic map of sand mining area

使用侧扫声呐全覆盖扫测调查范围，获取海底面的声呐影像资料，根据扫测结果初步圈定凹坑范围，再根据侧扫影像资料在采砂活动上的典型反应，判断凹坑是否由吸砂活动形成，是否为近期形成的采砂坑。在管道西侧调查范围内共发现3 处凹坑（图7），I 号采砂坑吸砂作业痕迹明显，规模大，水深变化剧烈，Ⅱ、Ⅲ号凹坑吸砂作业活动早已终止，处于逐步淤浅状态。

图7 3 处采砂坑三维效果Fig.7 Overall three-dimensional rendering of 3 sand pits

同时，根据剖面地形图中统计的18 条地形剖面图数据分析，Ⅰ号采砂坑段坡度较大，剖面坡度最大达19.6°，为陡坡；Ⅱ、Ⅲ号采砂坑地形剖面在距管道最近处边坡坡度分别为0.7°及2.5°，坡度较小。

4 结 论

调查在海管西侧3 km 范围内共发现3 个采砂坑。I 号采砂坑位于海底海管中段KP3+500 至KP12+328，采砂坑东侧边界平行于海管分布长达6.7 km，距离海管大部分在500 m 以内，最近处仅278 m，对海管的安全构成一定的隐患，需重点关注。Ⅱ号采砂坑位于KP3贴近海管处，Ⅲ号采砂坑位于KP1-KP3 西侧距离海管最近532 m 处，二者规模较小，并处于淤平阶段，采砂坑底部多位于埋设海管之上。针对I 号采砂坑应尽快开展补充勘察，调查采砂坑及周边水动力环境特征和地层土力学特性，进一步评估采砂坑边坡的稳定性和对海管的影响，及时采取防护措施，将采砂坑对海管安全的影响降到最小。建议后续对已有采砂坑边坡实行常态化监测，掌握采砂坑的动态变化情况，每年至少开展两次已有边坡和近海管采砂坑的状态监测，加密台风等极端天气后的监测。