海上风电场址浅地层剖面信息采集及关键处理技术

龙 成,孙 辉,安永宁

(1.天津水运工程勘察设计院有限公司 天津市水运工程测绘技术重点实验室,天津 300456;2.深圳市恒永晔海洋技术有限公司,深圳 518101)

海上风能是一种清洁的可再生能源,是当今发展最快的绿色能源之一。中国海上风能资源丰富,可开发风能资源约7.5亿 kW,是陆上风能资源的3倍[1-2],且靠近沿海城市负荷中心,发展海上风电将是我国能源结构转型的重要战略支撑[3]。风电场建设的制约因素有多种,其中要求场址区具备良好的地质环境[4],且需要面对风机建成后桩基附近普遍存在的海床冲刷问题[5]。因此,建设前需对海上风电场址进行勘察,浅地层剖面调查作为勘察的重要手段,在探查海底地层结构、基岩埋深,进而评价海底地质条件及确定桩基础类型等工作中具有重要意义[6]。

当前浅地层剖面探测系统种类较多,震源各有不同,如电火花、压电陶瓷声学释放器、参量阵、标准化震源等,不同震源类型获得的剖面效果及分辨率不同[7],其中电火花震源因其较高的分辨率和良好的穿透性,被广泛应用于海上风电场场址剖面调查中,本文主要讨论电火花剖面系统在海上风电场中信息采集与处理方法及应用,文中浅地层剖面资料取自渤海及北部湾等风电场勘察中获取的数据。

1 剖面信息的采集

1.1 剖面信息采集原理

浅地层剖面调查设备通常由震源系统、声信号接收器、甲板控制单元及信号采集系统组成[8]。工作时,震源激发后,声波在不同介质(如泥、砂等)的波阻抗界面发生反射、透射,直至信号逐渐衰减并消失。声信号接收器通过接收反射波信号传回时间、振幅及频率等信息,并将接收到的声信号转换为电信号传输至信号采集系统,获得最终的浅地层剖面的信息资料。

通常把海底地质结构看作一个层状的模型[9](图1-a),声波在其介质中的速度、衰减特征、振幅强度等要素与沉积物性质、结构特征密切相关。在通过波阻抗界面时,其反射振幅及反射强度系数如下

Ar=R×Ai

(1)

(2)

式中：Ar为反射振幅;Ai为入射振幅;R为波阻抗界面反射系数;ρ1、v1、ρ2、v2分别为上、下层介质的平均密度及声波在介质中的传播速度。其中平均密度与波速的乘积为波阻抗值,由式中可见波阻抗差值越大,界面反射系数越大,反射振幅(即能量)越强[10]。

1.2 剖面信息的采集

多电极电火花震源是最早应用于海洋地层剖面探测的非炸药类震源,数据采集时,一般采用后拖的方式进行,电火花震源及水听器分别位于调查船尾两侧,以避开船舶螺旋桨转动产生的尾流的影响。进行探测前一般需要进行能量测试,在同一测线上,根据地质情况、探测深度等实际因素,采用不同的能量参数进行信息的采集,通过对均一性、穿透能力及图像分辨率等方面特征进行比较,选择图像效果最佳的能量值。图1-b为在同一测线分别采用300 J、500 J及700 J能量进行测试获得剖面图像。风电场剖面调查一般要求探测到泥面以下约100 m或到基岩顶界面为止。电火花系统的工作原理如图1-a所示。

在海上风电场剖面信息采集中,影响数据质量的因素有多种,主要包括海况、采集方法、地质及地形变化因素等。在剖面上则表现为高频杂乱信号干扰、多路径虚反射、多次波等。分别表述如下：

(1)海况引起的信号干扰。在仪器正常的情况下,海况是影响剖面质量的主要因素,因电火花震源及水听器均通过软连接后拖于船尾,海况较差时,起伏的涌浪会使电火花震源和水听器的相对位置发生空间上不规律的变化,造成剖面海底地形的起伏变化,同时搅动的海浪对声学信号的发射及接受亦会产生不良影响,在子波全范围内出现较多的高频干扰,在削弱有效信号的同时会增加干扰信号(如图2-a)。

(2)多路径虚反射。在地震波数据接收的过程中,因水听器自重的原因,检波器接收段一般会入水一定深度,因海面水体与空气间较为明显的波阻抗面,水听器在收到一次波时的同时,会收到经过水面的反射形成虚反射(亦称鬼波)。虚反射限制了有效频带的宽度,对紧邻的有效信号形成遮盖(如图2-b)。在现场工作中一般将水听器前方线缆包裹住一定量的泡沫等起浮物,从而确保水听器漂浮于海面,有效地压制鬼波的形成。或采用上下缆法[11],在不同深度同时进行信号采集,获得两组剖面信息,再通过后处理对鬼波进行消除,获得有效波信号。

(3)多次波干扰。在风电场所在的浅水区,因海底及水面为强声阻抗界面,通常伴随有周期性的强振幅多次波反射(如图2-c),对数据解译带来严重干扰,一般通过数据后处理加以解决。

2 剖面特征分析及处理策略

2.1 数据基本特征分析

在数据处理之前,需要对数据总体特征进行相应的分析和判断,本次研究区域大部分为砂质海底,地质条件一般,采集质量整体一般,主要数据特征包括以下几个方面：

(1)风浪等外部环境对资料的影响分析。在本风电场区域风浪噪音干扰严重,如图3-a中剖面深部区域可以看到明显的风浪噪音,海况差时对有效信号干扰较强。这类噪音能量强,几乎是全频带分布,而且出现具有随机性。

3-a 受海浪影响的剖面 3-b 海底识别困难区域 3-c 多次波反射图像图3 剖面资料受海浪、地形及不良地质影响Fig.3 Profile effected by wave、topography or unfavorable geology

(2)区域地形地貌对资料的影响分析。通常在水深较浅区域,由于仪器设备的缘故,子波震荡较长,直达波与海底很难分清楚,海底识别较难,如本区域剖面图3-b所示。

(3)由于水深较浅且底质较硬,数据中多次波非常发育。在工区主要发育海底的一阶多次波[12](图3-c)。这种多次波主要是由于海底的一次反射造成的,其能量较强,且与有效波相叠加,因此在保护有效信号的基础上如何去除多次波是浅剖数据处理的难点。

2.2 数据处理的基本策略

地震剖面根据采集设备、采集所处的天气及地质地貌环境的不同而有不同的特点,因而采用的处理策略亦会有所不同。如从本研究区域地震剖面面貌上看,本区数据可以分为两类,一类剖面表现为子波无气泡震荡,无虚反射,浅层分辨率高,但是穿透弱;另一类特点为子波包含气泡震荡和虚反射,浅层分辨率低,但是穿透强。通过进行相应处理,发现消除子波气泡和虚反射后,虽然部分剖面浅层分辨率得到极大提升,但是对于剖面的前积地层及古河道中较弱的反射也会衰减,同时在分辨率提高的同时,降低了剖面的信噪比。由于本区地震剖面大部分底质为砂质底,剖面本身的信噪比不高,因此处理时不再对子波进行进一步处理。

处理的重点工作主要是噪音和多次波的去除工作。在近海浅水风电场,往往伴随海底崎岖和较浅的海底,海底反射不清楚,且海底能量差异太大,造成很难进行数字化海底识别,此时一般结合同步探测的地形资料进行海底识别工作。对于多次波的处理,通过多年经验的积累,目前已经探索出一套适合浅剖的多次波处理技术,然而由于本地区海底崎岖,子波复杂,多次波类型多样,处理时各项参数需根据实际地形、地质情况及每条测线不同的特点做针对性的改进,以获得最佳多次波去除效果。

3 剖面处理关键技术在海上风电场勘察中的应用

受外业资料采集干扰因素的影响,当外业采集资料效果不佳时,剖面信息不可避免地需要进行相应的数据处理,以下内容应用异常振幅去除、多次波压制等剖面处理关键技术,对北部湾及渤海等风电场剖面信息进行了处理,并取得了良好的效果。

3.1 异常大值的去除

异常大值在浅剖中并不常见,在渤海某风电场区域中部分测线中较明显,推测可能跟仪器静电释放不佳相关,在浅地层剖面上表现为瞬时异常值,在密度剖面上表现为一个奇异值点,通过对地震子波的幅值进行统计分析,筛选并去除异常大值即可有效消除这种干扰。去除效果如图4所示。

4-a 去除前 4-b 去除后 4-c 去除的噪音图4 异常大值去除前后剖面图像Fig.4 Profile images before and after process of abnormal large amplitude

3.2 涌浪校正

当海况较差时,由于海浪的起伏较大,造成不同震源和检波器无法保持在同一水平面上,且海浪的不断变化,使得两者之间的高度不断变化,这样使得采集的不同炮点之间的数据出现上下跳动的现象,即有一种“毛刺”感。实际上,这种炮点与检波点存在高度差的现象普遍存在于山地采集过程中,在渤海某风电场剖面数据处理中也采用类似于山地静校正的方法,数据处理前后的剖面对比如图5所示。可以看到静校正前后“毛刺”现象消失,剖面同相轴连续性增强,信噪比提高。静校正的关键在于海底的平滑因子,平滑因子越小,海底越不光滑,但是对于起伏海底的形态保持较好。而当平滑因子越大,则海底越光滑,但是对比海底形态的保持越差。在实际的工作中,应根据受海浪影响程度和当地地形变化情况采用合适的平滑因子,在去除涌浪影响和海底形态保持中取得一种较好的折中。

5-a 校正前5-b 校正后图5 涌浪校正前后剖面对比Fig.5 Profile images before and after swell correction

3.3 异常振幅去除

当风浪较大时,易造成电缆接收到较严重的噪音,由于其能量较强,可以根据其能量大于有效信号能量的方法进行去除,即采用分频分时振幅衰减方法(AAA)来进行压制,该方法是将数据从时间域转换到频率域,应用中值滤波来压制异常振幅,设定门槛值,在一定的时窗内与振幅中值差异较大的振幅,对其衰减或用相邻道插值,去噪效果如图6所示。可以看到压制前剖面上有明显的振幅异常,剖面上似被竖条分割,异常振幅压制后的地震剖面,竖条带现象消失,异常振幅得到了较好的压制。异常振幅噪音压制中,中值宽度是非常重要的参数,中值宽度越大,则去噪越强,但是对于倾斜构造和孤立地质体的伤害也在加大,在处理中以能基本消除较强的风浪噪音为限[5],一般选择合适的中值宽度,基本可以满足测线处理的要求。

海底多次波是地层剖面探测中经常出现的一类干扰波。由于与多次波伴随的随机噪音发育比较严重,去除多次波时,首先要对随机噪音进行衰减[13-14]。这种随机噪音为高频噪音、无连续性,自适应相减无法去除,且由于其能量较强,容易掩盖多次波,造成自适应相减时无法判断去除效果的好坏,因此首先要将随机噪音进行衰减。对于多次波去除主要采用零炮检距的多次波去除方法[15],该方法从数据本身的静态漂移或自相关得到多次波模型,运用自适应算法,将多次波模型从原始波场中减去,能够有效地压制多次波,同时不会影响与多次波交叉的有效波。

对于具体的处理,涉及海底底质不同,海底地形变化较大,参数一般无法做到统一,只能根据测线的情况做相应的调整。对于海底崎岖,且水深较深,多次波发育明显,在处理时需要选择具有针对性的参数,在北部湾海域某风电场勘察中,剖面信息处理效果如图7所示。

7-a 去除前 7-b 去除后 7-c 去除的多次波图7 水深较深区域多次波去除前后效果图Fig.7 Profile images before and after multiple wave suppression at relative deep sea area

4 结论

本文通过对海上风电场地层剖面调查外业数据采集及剖面信息处理过程关键技术方法的分析及研究,得出以下结论：

(1)海况、采集方法、地形地貌及仪器状态是影响外业剖面信息质量的关键因素,外业数据采集时应从这几个方面加以控制。

(2)通过异常振幅去除、涌浪改正、多次波压制等数据处理技术,可达到去除干扰波、地质假象,还原海底以下真实地层信息的要求,大幅提高浅地层剖面的数据质量。

对于在浅水区剖面信息采集及数据处理的思考：对水深很浅的区域,受直达波及声波传播路径的影响,基本无法区分海底面,后期处理难度很大,这时应结合使用单波束测深仪进行海底位置的判别,同时考虑使用其他类型的浅地层剖面系统,如固定安装的参量阵或压电陶瓷类型的浅地层剖面仪,可有效地分辨海底面并对浅部地层进行较高分辨率的探测。在海上风电场浅地层剖面探测的过程中,综合使用多种浅剖设备进行探测的方法,进行更为精细化的探测已较为普遍。