海底缆线综合探测方法及应用

蔡 璇,许宝华,李道鹏,王 露,肖仲凯

(1.长江水利委员会水文局 长江下游水文水资源勘测局,江苏 南京 210011; 2.长江水利委员会水文局 长江口水文水资源勘测局,上海 200136; 3.宁波海大工程勘察设计有限公司,浙江 宁波 315200)

0 引 言

探测已敷设的海底缆线路由准确位置和掩埋状态,查明缆线路由区域内可能存在的障碍物和海床冲淤情况,可为海底缆线安全运行和自然资源、海事及航道等部门的管理提供技术支撑。目前水域物探勘察与检测技术有水上地震、水上电法、浅剖、水下机器人等技术[1]。利用多波束测深系统、单波束测深、浅地层剖面仪、侧扫声呐等多种技术手段,可确定海底输油管道掩埋、裸露、悬空的长度[2]。采用多波束与单波束相结合的方式,可应用于水下防护工程的检测[3]。采用探地雷达技术,可对水下沉积物地质分布及地形状态进行探测[4]。

虽然以上方法都能实现海底缆线的有效探测,但在探测精度、适用性方面均存在不足。为此,本文利用综合比较分析法,提出了一种海底缆线综合探测法。多波束测深系统能够精确快速地测出沿航线一定宽度范围内水下目标的大小、形状和高低变化,从而描绘出水底地形地貌的精细特征;侧扫声呐通过拖鱼的发射单元两侧,同时向海底发射一定频率声波脉冲,根据海底地物反射信号强度大小,转换成不同灰度像素影像目标图像;浅地层剖面仪是一种通过发射机发射声波脉冲信号,使声波在水中和水下地层中传播和反射,接收机接收反射声波脉冲,并形成图像来探测水下地层结构[5],可识别管线等目标体,对管径较大并埋藏较浅的管道探测明显;磁力仪是通过测量不同磁化强度的目标体在地磁场中所引起的磁异常位置和分布规律,确定被探测目标体的位置走向及其他信息[6]。海底缆线本身具有磁性,磁力仪对磁性物质敏感精度高,能探测出海底电缆引起的磁场变化,根据这种异常曲线就可判断海底电缆的位置,并逐点绘制出海底电缆的走向[7]。综合应用以上多种海洋探测设备,可充分发挥各个设备的优点,从而提高海底缆线的探测精度和适用性。

1 综合探测法

利用多波束、侧扫声呐、浅地层剖面仪、磁力仪对海底缆线进行综合探测。将多波束系统安装在距测船船首1/3～1/2处,建立船体坐标系,假定多波束换能器的吃水面为零点,建立外围设备GNSS、OCTANS姿态仪和多波束换能器相对于零点在船体坐标系中的关系。在预定的水域进行横摇(roll)、纵摇(pitch),艏摇(yaw)校正[8];侧扫声呐利用固定支架将拖鱼悬挂于船舷左侧中部,根据现场调整拖鱼位置和姿态,量算GNSS天线中心至固定支架的距离,改正拖鱼位置;浅剖拖鱼固定在船舷右侧中部,与侧扫声呐位置相对;磁力仪采用尾拖法由船尾释放入海,拖鱼与海底面保持2～5 m的距离,为避免船体磁性对测量造成干扰,仪器释放距离约为船长3倍,水深较浅时,适当减少缆长。船速控制在3节左右,调查时准确量算拖鱼海缆的释放长度,并使用Hypack软件改正拖鱼位置。为评估不同方法对海底缆线探测精度的影响,从平面坐标偏差和埋深偏差两个方面进行精度验证和比较分析。

2 应用实例

2.1 研究区域与数据获取

应用实例位于江苏大丰海域,是海上风电大丰H6项目(装机容量300 MW)路由探测项目,具体位置见图1,利用海底缆线综合探测法进行测量,来确定已敷设的海缆路由位置和埋深。

图1 大丰H6勘测位置示意 Fig.1 Schematic diagram of survey position of Dafeng H6

水下地形扫测采用Reson SeaBat 7125型多波束系统,该系统是浅水型双频高分辨率测深系统,其技术特点为:动态聚焦和窄波束声学技术、横摇稳定性和底跟踪技术、覆盖扫宽可调、波束密度可调、在线实时输出高分辨率三维水深和侧扫声呐数据等高新技术配置[8]。海底面状侧扫采用EdgeTech 4200-FS双频侧扫声呐系统(120/400 kHz),通过系统控制软件,可选择高分辨率工作模式(HDM)和高速工作模式(HSM),并配备了艏向、纵摇和横摇传感器[9],用于观测泥面上可能存在的海缆敷设痕迹或裸露的海缆以及施工区域内施工后障碍物分布情况。采用EdgeTech 3400浅地层剖面仪探测泥面下海缆的路由位置和埋深情况;该系统包括甲板系统和拖鱼系统两个主要子系统,甲板子系统包括声呐工作站和软件包,拖鱼子系统包括浅剖拖鱼、多路调制解调器及电子仓套件等;该系统采用实时纵横升沉补偿及深度传感器,还特有水面噪声抑制技术,既提升穿透能力,又能够提供高分辨率地层分层图像[10]。采用G882SX海洋磁探仪探测泥面下海缆的路由位置和埋深情况;G882SX海洋磁探仪应用灵活,可用于小船、浅水调查中,也可用在深水拖体中,适用于探测和定位各种尺寸的磁性目标。

测量范围为以各段海缆路由中心线为基准的两侧各500 m范围,多波束扫测测线间距40 m,测线宽控制在2～3倍水深,保证扫宽有20%的重复覆盖率;侧扫声呐沿路由中心线及中心线向左、右两侧按照100 m间距各布设5条测线,共布设侧扫测线11条;浅剖测线间距200 m,垂直于电缆路由方向共63条;磁法测线主测线间距一般为200 m,转弯段加密为20 m间距,垂直于推荐电缆路由方向。

2.2 数据处理

多波束扫测的水深数据,采用PDS2000内外业一体化软件进行处理,其基本流程:波束水深编辑→校正系统偏移值→加入声速剖面计算→加入水位计算→建立数据格网模型→拼接数据[11]。多波束测量现场展示见图2。

图2 多波束测量现场展示Fig.2 Field display of multibeam measurement

侧扫声呐扫测利用专业后处理软件对侧扫声呐资料进行数据回放,对资料进行解释和分析,管线典型声像见图3,在回放记录上识别海底异常反射现象,掌握海底面状况特征[12]。重点关注海底裸露基岩、沉船、冲刷和其他障碍物等可能对管线安全造成影响的地貌特征,并注意区分船舶尾流和渔网等干扰信号和噪声的影响。利用SonarWiz软件标注海底目标物的位置、形状、大小和分布范围,并对典型记录进行截图。将解释结果导入到AutoCAD软件中,绘制路由区海底面状况图。

图3 管线典型声像Fig.3 Typical acoustic image of pipeline

浅地层剖面数据使用SGY存储格式,运用Discover 3400专业后处理软件进行资料解释,在解释过程中注意观察记录面貌,实时调节TVG等参数。识别地层剖面图像记录上的干扰信号,根据剖面图像的反射结构、振幅、频率、同相轴连续性和反射波接触关系等特征划分声学地层层序,解释地层沉积结构、地层构造,判断沉积类型及其工程地质特征等,电缆典型声像见图4。分析路由海域沿程浅部地层的不良地质(灾害地质)情况,如浅层气、海底滑坡、沙波、沙脊、埋藏古河谷、微断层等,确定其性质、形态及分布范围。根据浅地层声像图地层反射特征分析,该工程海域的表层岩性为砂质,浅地层剖面探测效果差,几乎无法穿透,仅能探测到埋深较浅的电缆。鉴于该海域表层岩性的特性,采用磁法探测手段代替浅地层剖面测量,对于浅地层剖面能探测到的区域,采用两者相结合的探测方法相互印证。

图4 电缆典型声像Fig.4 Typical sound image of cable

磁力仪探测路由通常使用国内外常用的GEOSOFT OASIS Montaj软件,画出由管线磁异常引起的磁异常平面剖面(图5),再将异常的中心点坐标连成直线,从而得到管线路由。根据拖体的泥面高度和磁异常信号的宽度,通过建立精确的磁法探测数学模型,并根据现场作业条件确定变量参数,最终反演计算得到的海缆平面位置和埋深。

图5 双回路埋深接近的典型磁异常剖面Fig.5 Typical magnetic anomaly profile with double circuit burial depth approaching

2.3 结果分析与精度评价

2.3.1浅地层剖面探测与磁法探测结果精度分析

已敷设电缆浅剖测线间距为200 m,垂直于电缆路由方向,由于该海区为硬砂底质,浅剖穿透效果不佳,故用磁法探测手段全程补测,即磁法探测与浅地层剖面测线除特殊区域外100%重叠,重叠测线59条。其中,浅地层能同时探测到两条电缆的测线22条,能探测到其中一条电缆的测线27条,剩余10条测线均未探测到较为明显的电缆声像。共获取浅地层剖面探测与磁法探测同时能探测到电缆的点位71处。磁法探测获取的电缆位置及埋深相较于浅地层剖面获取的电缆信息差值统计见表1～2。两者平面位置互差在1.5 m以内的占比达到97.2%。

表1 磁法探测相较于浅地层剖面探测电缆平面坐标差值Tab.1 Difference in plane coordinates of magnetic detection compared to shallow layer profile detection cable

表2 磁法探测相较于浅地层剖面探测电缆埋深差值Tab.2 Difference in cable burial depth between magnetic detection and shallow profile detection

2.3.2磁法探测往返测精度分析

该海区由于水深较浅,浅地层剖面探测无法进行,采用磁法探测的手段代替,对直线段部分区域采用往返测的方式获取电缆信息,均能明显探测到两条电缆引起的磁异常。对获取重叠点位的电缆位置信息进行差值统计如表3所示。往返测平面位置互差在1.5 m以内的占比达到97.1%。

表3 磁法探测往返测获取的电缆平面坐标差值Tab.3 Difference in cable plane coordinates obtained from magnetic detection and round trip surveys

2.4 探测精度分析

(2) 磁法探测海缆坐标位置平面精度ML为±1.5 m,海缆估算埋深精度MH为±0.3 m。

(3) 浅剖数据反映的是垂直换能器正下方的海底剖面数据,经偏心改正后,浅剖精度近似于GNSS定位精度,平面精度优于±1.0 m。

(4) 海缆总体精度:综合侧扫声呐扫测、磁法探测和浅剖测量成果,得到海缆最终的平面坐标位置精度ML为±1.5 m,埋深精度MH为±0.3 m。

3 结 论

为提高海底缆线探测精度和适用性,本文综合应用多种海洋探测设备,充分发挥各个设备的优点,提出了海底缆线综合探测法并成功应用在江苏大丰海上风电海底输电缆线的探测,具体结论如下。

(1) 采用多波束、侧扫声呐扫测、浅地层剖面仪探测、磁法探测等方法,基本查明了海底电缆敷设后的现势路由位置和埋深以及区域内施工后障碍物分布情况。

(2) 综合侧扫声呐扫测和磁法探测测量成果,得到海缆最终的平面坐标位置精度ML为±1.5 m,埋深精度MH为±0.3 m。

(3) 在声学方法探测中,侧扫声呐和多波束只能探测裸露或者悬空在海床面上的电缆,且无法识别直径较小的电缆;浅地层剖面仪可以对裸露或者埋藏在海床以下的电缆进行探测,但不能连续探测,需要正切海底电缆上方,可能会缺失对某些裸露电缆的探测。而且,对于底质为硬砂质段,浅地层剖面无法穿透,在水深较浅的海域,浅地层剖面探测无法进行;磁力仪是通过探测水下磁场变化,从而探测出水下管线等磁异常体,在磁法探测范围内,使用高精度海洋磁力仪,均明显探测到由海底管线引起的磁异常,但易受周围磁性物质的干扰。因此,磁力仪、浅剖仪、侧扫声呐和多波束探测技术方法具有局限性,需综合应用。