綜合物探技術在海底管線探測的實踐

于洋 王俊剛 李建委 王家文 梁詠杰 徐建龍

1.國能黃驊港務有限責任公司；2.中交水運規劃設計院有限公司

1.物探設備介紹

多波束測深系統：多波束測深系統與慣導相結合，可以獲取高精度、高密度的水下三維點云，可以直觀的獲取水下坡度、水底底質、水下地貌等信息[1]。包括換能器陣列、定位系統、收發機和處理單元、羅經和聲速剖面儀及后處理系統。

磁力儀：磁力儀主要為3種，分別為質子旋進式、機械式、光泵式，儀器指標主要包括靈敏度、精度、分辨率、量程等[2]。

淺地層剖面儀：由處理單元和換能器組成，通過換能器向水下垂直發射聲波信號，再由換能器接收回波信號，經信號處理可獲取海底淺部地層結構。一般淺地層剖面測量頻率大于3000Hz，垂向分辨率可達厘米級，穿透深度幾十米[3]。

2.工程實例

本工程水域位于珠江口，水底標高為-7m，航道設計疏浚深度為-9.4m。區域底質為淤泥、淤泥混砂。海底管線為石油輸氣管線，管線為東西走向，管徑為900mm的金屬管，管線下部為50cm砂墊層，管線周邊為30-50mm的碎石墊層，管線上部為330-380mm的石塊作為覆蓋保護層，保護層的厚度為3m，保護層的上部為自然回填。按照工程要求，需要探測出管線保護層頂標高。外業實施按照對測區進行多波束掃測，管線區域進行1:200比例尺掃測，利用磁力儀沿垂直管線進行走航探測，確定管線的平面位置，然后利用拖曳式淺地層剖面儀進行泥面與管線拋石頂標高劃分，結合多波束的泥面高程進行改正，最后計算出管線的保護層頂標高。

2.1 多波束獲取管線區域三維地形

采用德國ATLAS FANSWEEP20多波束測深系統，該系統由FANSWEEP 20主機操作站和發射換能器陣、接收換能器陣、RTK、TSS公司的M A R SH姿態傳感器、GPS定位儀、海鷹公司的聲速剖面儀、電腦以及ATLAS控制軟件處理單元、Hypack海洋測繪導航軟件組成。

圖1 CARIS多波束數據處理流程圖

圖2 管道引起的磁異常點特征圖

（1）水位觀測。工程區水域寬闊，無遮擋，水位站控制范圍為上下游2km。測深前將測深儀與水位觀測時間進行同步。水深測量前10min開始，水深測量后10min結束，水位觀測時間間隔為10min。水位觀測記錄采用人工及HY-01型自計水位儀自動記錄方式進行。

（2）多波束測深系統安裝和校準。本工程多波束測深系統固定安裝在專用測量船上，在干船塢內進行安裝及系統參數測量，測量時采用徠卡TCRA1201全站儀進行高精度測量，測量的相對位置關系數據記錄存檔，水深測量時輸入測深系統進行系統固定改正。

使用多波束水深測量前進行系統穩定性試驗及航行試驗。穩定性試驗選擇在測區水深20m處平坦區域，對水深進行重復測量，并利用單波束測深儀進行水深比對；在進行多波束校準之前，需要針對各個校準項設計相應的測線，然后將測線數據導入校準軟件，在軟件中對數據進行分析，計算出校準參數，最終完成校準工作。本次測量中多波束測深系統采用了PPS秒脈沖時間同步，統時延值（latency）為0ms，無需測量。根據規范要求，在測區布設相應的測線，計算縱搖偏差（Pitch）、橫搖偏差（Roll）、艏向偏差（Gyro）校準參數。

（3）多波束數據處理。后處理順序為：定位點數據檢查-姿態數據檢查-聲速改正-線模式編輯-潮位改正-合并數據-面模式編輯數據處理等。處理后數據利用CARIS GIS對管線區域按照1:200比例尺水深壓縮。

2.2 磁力儀獲取管線平面位置

采用加拿大Sea SPY標準質子旋進式磁力儀，量程為18000 nT-120000nT，作業區域地磁場矢量與傳感器長、短軸夾角均大于6度，自動進行南、北球轉換；分辨率為0.001nT，靈敏度為0.015nT；采樣頻率為0.1-4 H z；絕對精度為0.2nT。

1）測線布設：管道探測區域測線垂直于管道方向布設，測線間距50m，單條測線長200m。

2）儀器安裝及平面定位：GPS定位天線與換能器中心不在同一豎直面，通過偏移校正歸算，使GPS定位點與聲吶數據統一。設備主機和導航系統安裝在駕駛室內。平面定位采用SPS351接收機獲取實時差分數據。

3）測量過程：將磁力儀在船只甲板連接調試正常后，下水后，觀察設備信號，將拖魚壓力傳感器值歸零，投放拖魚至最佳位置，注意電壓值、信號強度、磁場值、深度等信息。各信號正常后，測量船只沿設計的測線進行測量，采用連續走航式探測采集數據，船速控制在5節左右，拖魚盡量貼近海底，采樣頻率設定為1Hz。測量時調節磁力顯示尺度，保證能分辨出磁性物體的磁力異常。

4）探測成果：此次磁力探測因管道引起的磁力異常點較明顯，可以明確探測出管道的位置，每條測線異常點（既管道位置）根據磁力異常點連線即為海底管線的平面位置。

2.3 淺地層剖面儀獲取管線覆蓋層厚度

采用英國GeoPulse Pipeliner，聲能水平可達200db，發射頻率為2KHz-14KHz調頻脈沖波，可穿透海底地層深度達50m（淤泥），如遇粘土、殘積土、礫砂等高聲阻地層則其穿透深度將降低，分辨率為0.1m-0.5m，地層淺部分辨率較高、深部分辨率較低。采集軟件為SonarWiz5專業采集處理軟件，配合GeoPulse Pipeliner記錄海底地層反射。

1）測線布設：管道探測區域測線垂直于管道走向布設，測線間距50m，單條測線長200m。

2）儀器安裝及平面定位：發射聲波震源和接收地層反射的水聽器陣列被安裝在測量船左側、水面下2m處。由于淺地層換能器位于船左中部，螺旋漿噪聲對地層反射信號影響較少，可提高記錄圖像信噪比。GPS天線在地層反射源中心一側，在采集軟件中進行坐標改正，就能準確利用GPS實時定位換能器中心的位置。平面定位采用SPS351接收機，工作方式為實時差分方式。

3）測量過程：進場前對所有儀器進行靜態校準。正式探測前，進行全系統動態調試，檢查各儀器工作狀態，進行最佳參數比較選取與確認，選擇在特定環境條件下獲取最佳質量聲圖的參數設置。現場資料采集儀器值班人員負責記好班報，包括進入測線開始時間和完成測線時間、定標號、儀器工作狀態與條件、工作儀器參數選取、過往船只和水上作業情況、測線兩邊地形地貌特征、特殊聲圖映象現場注釋、工作時突發事件及影響測量工作因素等。本次淺地層剖面儀聲源置于水面下2m。發射能量為全功率，頻率3.5Hz，觸發0.40s，掃描80ms，延遲0.08s（配合設備數據處理滯后時間）。施測時船速盡可能慢，一般控制在3-4節左右，以10m等距離定標。

4）淺地層探測聲圖數據解釋：淺地層聲波探測是通過安裝在調查船甲板上的主機，控制安裝在水下的聲學震源（電聲換能器）垂直向海底發射圓柱形聲波，海底地層信息（海底反射波）通過接收水聽器（聲電換能器）接收，控制主機通過對地層信息信號放大、濾波等數據處理后，通過SonarWiz5軟件記錄出海底地層剖面聲圖及坐標位置，在剖面圖上計算出每一個定位點的各聲學界面即沉積地層之間的厚度數值。由于剖面記錄的是時間分量，因此還要進行深度轉換，得到海底至物理分層頂面的厚度。

管線探測區域因管道鋪設時上方設立有保護層，無法直接探測到管道位置，平面位置采用磁力探測到管道位置，厚度采用淺地層探測數據，同時根據1:200的多波束海床高程數據，可以計算出每個管線點的頂標高。管溝位置在聲圖共有8條測線可體現出管溝與航道交叉。測線點聲圖見圖3、圖4，圖中紅線為海床面、藍色線為物理分層線。

圖3 管線處物理分層示意圖

圖4 管線處物理分層示意圖

3.結語

（1）工程海域底質為淤泥、含沙量較少，覆蓋層厚度約3m，利用多波束測深+磁力探測+淺地層剖面設備相結合，能夠獲取較準確的管線覆蓋層的三維坐標。砂層較密實的場區，淺地層剖面儀穿透能力有限，可以采用單道地震結合磁力的方法進行管線探測。

（2）該案例采用拖曳式淺地層剖面儀，需要結合多波束采集海底高程改正。

（3）受潮汐、水流、涌浪、行船等影響，在數據采集過程中，需要調整最佳采集參數，確保能獲得高信噪比的原始數據。