海洋水下管線綜合探測方法應用研究

李寶鑫

(廣州博瑞信息技術股份有限公司，廣東 廣州 510440)

1 引 言

隨著海洋大開發戰略的深入實施，對海洋資源的開發利用和保護成為重要課題。在海洋工程開發建設中，需對開發海域地下管線和地質地貌進行詳細的勘測[1]，為項目的設計、施工和運營管理提供重要的支持數據。受到海洋環境的影響，海洋管線探測具有復雜性和困難性[2]。目前，探測地下管線應用最廣泛的方法是磁法探測[3]，該方法根據測區磁場的分布確定磁性物體的位置，具有經濟高效的特點，但是其探測定位是由磁異常曲線的峰值來確定的[4]，會存在一定誤差，對于一些非線性的水下物體，磁異常曲線模型無法準確建立[5]。近年來，隨著側掃聲吶、淺地層剖面等技術的蓬勃發展，為水下探測提供了更多選擇[6]。為了準確探明地下管線情況，需要研究不同探測方法的原理和特點，充分利用各類探測技術的優勢，根據測區情況制定合理的探測方法。本文在磁法探測技術的基礎上，綜合采用側掃聲吶探測和淺地層剖面探測技術，探明了某海域地下管線和障礙物的分布情況。

2 探測技術

2.1 磁法探測技術

磁法探測是利用不同物質具有不同磁性的這一差異，來探測空間區域內相關障礙物的大小、分布、位置等屬性信息的探測技術[7-8]。正常情況下，探測空間區域內的磁場是均勻分布的，管道和線路等物質的存在，會導致磁異常現象，理論上都可以被磁力儀探測到。通過磁力儀等探測設備，探測出磁場的變化參數和特性，然后判定探測區域內的物質分布等信息。磁法探測技術常用于地下和水下空間的管線探測[9]。在管線磁法探測中，海底管線的材質、埋深、走向、橫截面積等因素，都可以影響磁場的大小[5]。為了盡可能探測到管線的微弱磁信號，要使磁力儀的拖魚盡可能地貼近海底表面。磁法探測技術具有探測精度高、可靠性強、成本低等優勢，對掩埋深、管徑細的管線也具有很好的探測效果。

2.2 側掃聲吶探測技術

側掃聲吶是利用回聲測深原理來探測海底地貌和水下物體[10]。通過發射高頻率的聲波信號，經海底表面物質背散射后，接收水底的聲波回聲信號，根據反射特征的差異來判斷目標物的沉積屬性或形態特征。側掃聲吶通常安裝在拖體上，作業時向兩側發送寬角度聲波波束，然后接收海底返回的背散射數據對海底進行成像，能直觀地提供海底形態的聲成像，作業過程如圖1所示。側掃聲吶適合做大面積測量，分辨率較高，信噪比較好，能夠清晰反映淺部地層分層，而且能達到管線排查的目的[11]。

圖1 側掃聲吶探測

2.3 淺地層剖面探測技術

淺地層剖面探測利用聲波在水中和水下沉積物內傳播和反射的不同特性來探測水底地層剖面[12]。聲波信號能夠通過水體穿透床底后繼續向底床更深層穿透，通過對水下地層或目標物發射聲脈沖，利用聲脈沖傳播時所遇界面聲阻抗不同的規律，通過換能器接收記錄反射回來的部分，結合地質解釋，在淺剖探測圖譜上可解譯地層的分層情況[13]，淺剖資料具有橫向連續性，能準確反映地層的發育特征，淺地層剖面探測過程如圖2所示。

圖2 淺地層剖面探測過程

3 工程案例

3.1 磁法探測

某海域計劃新建海上風電場，根據項目建設需要對海域范圍內的水下管線進行探測，探明管線的分布和埋深。項目采用SeaSPY海洋磁力儀，該系統包括1個數字磁力拖魚，1個數字發射接收系統，1套凱夫拉高強度拖纜。其探測范圍在 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B30DGPS信標機進行導航和定位，信標機接收頻率范圍為 283.5 KHz～325 KHz，海上有效作業距離為 500 km，定位精度為 0.5 m。工作時磁力儀探頭拖曳于船尾，通過試驗確定的探頭位置距信標儀天線約 29.4 m放置，測量探頭距船尾 60 m，在外業工作開始前通過試驗確定采樣頻率設為 10 Hz，磁力儀器布設示意圖如圖3所示。作業船按設計測線航行，逐點記錄采樣點的磁場值，與定位數據生成統一的文件。信標機工作期間，差分信號穩定，定位數據正常，定位間距 1.0 s，能實時顯示船只運行航速、航向、航跡以及船只偏離設計航線的距離等。

圖3 磁力儀器布設示意圖

日變站位于海邊樹林，遠離建筑物，周圍地形平坦，附近沒有磁性干擾物，磁場的水平梯度和垂直梯度較小，在半徑 2 m及高差 0.5 m范圍內磁場變化未超過設計總均方根誤差的1/2。選取最新發布的地磁橢球參數geomag IGRF11.COF，通過GEOMAG70軟件計算本工區基本場為 47 247.5 nT，與校正點經日變改正后的均值 4 236 nT。地面高精度磁測數據總場值T經日變改正后得到磁異常dt。

本次海洋磁法勘測所有測線均進行日變校正、高度校正和經緯度校正等預處理后，得到磁場值等值線圖，從磁場值等值線圖中發現磁力值跳點28個(如圖4所示)。在核對班報記錄后，剔除了其中23個由于往來船舶而引起的磁異常。剩余3號、5號、19號、24號、26號等5個點位異常值均在 30 nT以內，且不成線性，只在單條測線發現，排除了是海底管線和電纜引起的可能。為進一步探明引起異常的原因，采用側掃聲吶探測和淺地層剖面探測技術進行進一步探測。

圖4 磁場值等值線圖

3.2 聯合探測

側掃聲吶探測使用Klein3900側掃聲吶系統，工作時側掃聲吶系統的拖魚懸掛于船舷左側中部，工作頻率選用單頻 445 kHz，拖魚入水深度確定為 26 m，對探測范圍進行全覆蓋掃描，增益根據實際圖像顯示情況進行調整。側掃數據處理使用Sonarwiz軟件，利用回放功能實時鑲嵌，并對海底面進行跟蹤和斜距校正、速度校正，調整增益、對比度等參數，處理后形成聲吶圖像。

淺地層剖面探測采用ChirpⅢ淺地層剖面儀，淺剖換能器基陣安裝于船舷中部外側，DGPS天線置于換能器正上方，震源能量 600 J，發射間隔 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，加強有效地層信息，獲得淺剖圖像。

經過探測發現，5號、19號、24號、26號等4個點位的聲吶鑲嵌圖和淺剖圖像均未見異常，推測引起點位異常的可能是體積很小的鐵磁性物體。3號點位的側掃聲吶鑲嵌圖中顯示有一個直徑小于 1 m的凸起(如圖5所示)，但其淺剖圖像未見異常，推斷引起該點異常的可能為數百公斤的鐵磁性物體。

圖5 3號點位側掃聲吶鑲嵌圖

4 結 語

水下探測是海洋工程勘察中的一項重要內容，本文采用磁法探測、側掃聲吶和淺地層剖面探測相結合的綜合探測技術，首先用磁法探測進行大范圍的掃測，然后通過對異常值所在區域的海底側掃聲吶圖和淺地層剖面圖聯合解譯，分析異常值所在區域有沒有鐵磁性物體的存在，能夠快速、準確探測出目標海洋的地下管線和障礙物分布情況，具有一定的借鑒意義。