王恒波

(1.自然資源部 第三海洋研究所海洋與海岸地質(zhì)實驗室,福建 廈門361005;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院,湖北 武漢430074)

隨著海洋經(jīng)濟的迅速發(fā)展以及人類生活水平的不斷提高,為了海底石油輸送以及海島居民供水供電等的需求,人類在海底鋪設(shè)了越來越多的海底管線。由于受海流沖刷或者地質(zhì)災(zāi)害等因素的影響,海底管線會出露海底,甚至懸空、變形,從而造成管線的破裂或斷裂,供水供電等海底管道的斷裂會影響海島居民正常的工作生活,而海底石油管道的斷裂很可能會造成巨大的經(jīng)濟損失和生態(tài)災(zāi)難。因此,定期檢測海底管線,尤其定期檢測強潮汐環(huán)境下的海底管線顯得尤為重要。

如何快速、高效和準確地獲取海底管道的在位狀態(tài)是海底管道檢測的關(guān)鍵所在。近年來,眾多學(xué)者嘗試研究多種方法對海底管線狀態(tài)進行準確檢測,如來向華等[1]、魏景灝等[2]、蔣俊杰等[3]和安永寧[4]分別采用側(cè)掃聲吶對海底管線懸空狀態(tài)進行檢測測量,獲取了海底管線的懸空和出露狀態(tài),但單獨的側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)精度和準確度不夠,而且無法探測埋藏管線狀態(tài);王繼立等[5]采用淺地層剖面探測方法對海底管線進行檢測,能夠準確地獲取管道的埋藏深度和出露高度,但是,淺地層剖面探測獲取的是斷面信息,對管道整體的出露長度、位置偏移等狀態(tài)信息缺乏直觀表現(xiàn),也無法了解管道周邊的地形變化和微地貌特征等;周興華等[6]和董玉娟等[7]分別采用側(cè)掃聲吶和淺地層剖面探測相結(jié)合的方式對海底管線狀態(tài)進行檢測,可形成互補,提高檢測的效率和準確度。除了上述聲學(xué)方法,還有磁力儀探測和水下人工探摸等方法,各有優(yōu)缺點:磁力儀局限于探測磁性體,無法探測無磁性管道,而人工探摸雖然能夠獲得管道的準確位置,但是費時費力,僅限于小范圍探測或者驗證。隨著海底聲學(xué)技術(shù)的發(fā)展,單波束測深系統(tǒng)、多波束測深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶系統(tǒng)和淺地層剖面系統(tǒng)等多種聲學(xué)探測設(shè)備在精度和使用方便性方面都有了極大的提高[8],它們完全能夠滿足海底管線在位狀態(tài)探測的要求。

舟山群島位于杭州灣南部,是中國最大的群島。杭州灣是典型的高含沙量、強潮型海灣,海底管線容易受到潮流沖刷影響。本文以杭州灣南部舟山大陸引水工程海底管線檢測項目為例,將應(yīng)用單波束測深、多波束測深、側(cè)掃聲吶探測和淺地層剖面探測方法對海底管線的整體在位狀態(tài)進行檢測,以期快速、高效、準確地摸清海底管線懸空、出露、淺埋等埋藏狀態(tài),為后續(xù)的管道治理與保護提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究對象為舟山大陸引水工程項目中位于杭州灣口南部的4條海底水管,水管下海端在寧波鎮(zhèn)海,登陸端在舟山馬目,走向大致為NE向。4條水管分三期建設(shè),自南向北分別為一期管道、二期管道南、二期管道北、三期管道,管道間距50～80 m;一期管道外徑1.0 m,設(shè)計埋深1.0～1.5 m,埋設(shè)時間為2001年;二期管道管徑1.2 m,設(shè)計埋深1.0～1.5 m,埋設(shè)時間為2012年;三期管道管徑1.2 m,設(shè)計埋深1～2 m,鋪設(shè)于2017年。

研究區(qū)海底地形特征為西南部淺,東北部深且地形起伏較大,整體平緩東傾。研究區(qū)主要有西部淺灘和東部潮流沖刷槽兩大地貌單元。西部淺灘位于路由西南部,從鎮(zhèn)海海岸至10 m 等深線處(圖1),距離約20 km,約占路由總長度的2/3,平均坡度0.25/1000(約0.9'),屬于灰鱉洋西部淺灘;東部潮流沖刷槽位于路由東北部,處于杭州灣口沖刷堆積平原與島間潮流沖刷槽的交匯海域,海底地形起伏較大,最大水深約20 m,主要包括西堠門沖刷槽尾梢和菰茨門沖刷槽尾梢地貌(圖1)。

圖1 海底管線位置Fig.1 Location of submarine pipelines

1.2 研究方法

2018年7月至8月,我們完成了舟山大陸引水工程海底管道檢測的野外測量工作,在此期間,采用的研究方法主要有單波束測深、多波束測深、側(cè)掃聲吶探測和淺地層剖面探測。

1.2.1 單波束測深

單波束測深系統(tǒng)采用換能器垂直向下發(fā)射短脈沖聲波,聲波遇到海底時反射返回,并被換能器接收,通過聲波在海底間的雙程旅行時間和水介質(zhì)的平均聲速確定水深值[9]。單波束測深系統(tǒng)的特點是單點連續(xù)測量,數(shù)據(jù)沿航跡十分密集,而在測線之間沒有數(shù)據(jù)分布。

本研究采用HY1600型數(shù)字式測深儀(無錫海鷹加科海洋技術(shù)有限公司生產(chǎn))進行單波束測深,主要用來測量近岸5 m 以內(nèi)淺水區(qū),作為對多波束測深的補充。

1.2.2 多波束測深

多波束測深系統(tǒng)的工作原理與單波束測深儀的工作原理相似,但不同之處是:單波束測深通過接收聲波的反射信號進行測量,而多波束測深通過接收聲波的反向散射信號進行測量。多波束測深系統(tǒng)的信號發(fā)射和接收是由n個組成一定角度分布的指向性正交的2組換能器來完成的。發(fā)射單元平行于船縱向(龍骨)方向,并呈兩側(cè)對稱向正下方發(fā)射扇形脈沖聲波。接收單元沿船橫向(垂直龍骨)排列。在垂直于測量船航向的方向上,通過波束形成技術(shù)在若干個預(yù)成波束角方向上形成若干個波束,根據(jù)各角度聲波到達的時間或相位就可以分別測量出每個波束對應(yīng)點的水深值[10]。若干個測量周期組合起來就形成了一條以測量船航跡為中心線的帶狀水深圖,因此多波束測深系統(tǒng)也被稱為條帶測深系統(tǒng)[11]。

本次多波束測深采用Reson SeaBat 7125 sv2多波束系統(tǒng),工作頻率為200 k Hz,波束為256束,多波束測線沿管道路由方向布置,測線間隔50 m,在淺水區(qū)根據(jù)數(shù)據(jù)覆蓋情況適當增加測線密度,確保工程海域大于5 m 水深的海域范圍內(nèi)多波束數(shù)據(jù)全覆蓋。數(shù)據(jù)覆蓋了管道兩側(cè)100 m 區(qū)域。通過潮位改正,得到研究區(qū)水深數(shù)據(jù),并據(jù)此繪制海底地形圖。

1.2.3 側(cè)掃聲吶探測

側(cè)掃聲吶的工作原理是聲吶換能器發(fā)出聲脈沖,聲脈沖遇到海底或水中物體后發(fā)生散射,換能器接收返回的反向散射波,并將返回的聲波由聲能轉(zhuǎn)換成電能,距離近的回波先到達換能器,距離遠的回波后到達換能器,在設(shè)備終端的顯示器或記錄器上形成一條掃描線,掃描線的灰度強弱取決于海底底質(zhì)性質(zhì)和海底起伏形態(tài)。掃描線一條緊挨一條有序地排列起來,形成一幅記錄圖像,這樣我們便可觀察海底的所有特征和位于海底面的目標[6]。

本研究側(cè)掃聲吶探測采用美國Klein S3000型側(cè)掃聲吶系統(tǒng),工作頻率為100 k Hz或500 k Hz,單側(cè)量程選用50～75 m,以滿足分辨率和覆蓋寬度的要求,達到相鄰測線掃測范圍重疊100%的要求。測量GPS接收天線和聲吶拖魚之間的位置關(guān)系,利用聲吶采集軟件自帶的Layback模塊進行位置改正。側(cè)掃聲吶與多波束測深同步進行,測線與多波束測線相同,聲吶數(shù)據(jù)有效覆蓋寬度為管道兩側(cè)各100 m 區(qū)域。通過對側(cè)掃聲吶的處理和解釋,確定海底管道出露情況,確定海底障礙物的位置、形狀、大小和分布范圍等,了解沖刷地貌等海底微地貌特征。

1.2.4 淺地層剖面探測

淺地層剖面探測的工作原理是淺地層剖面儀的換能器按一定時間間隔垂直向下發(fā)射聲脈沖,聲脈沖穿過海水觸及海底以后,部分聲能反射返回換能器;另一部分聲能繼續(xù)向地層深層傳播,同時回波陸續(xù)返回,聲波傳播的聲能逐漸損失,直到聲波能量損失耗盡為止。通過測量聲波穿透地層傳播的時間,測量地層厚度,反映地層分層情況和各層底質(zhì)特征[6]。

本次淺地層剖面探測采用美國EdgeTech 3200-XS淺層剖面系統(tǒng)工作頻率2～12 k Hz,測線垂直于海底管道布設(shè),測線長度400 m,測線間隔50 m,獲得垂直管道斷面655幅,通過對淺地層剖面的處理和解釋,獲得管道埋深位置信息及路由區(qū)淺部地層結(jié)構(gòu)信息。

2 結(jié)果與討論

2.1 水深地形

通過對單波束測深和多波束測深數(shù)據(jù)的處理,繪制了研究區(qū)水深地形圖(圖2)。由圖2可知,研究區(qū)水深(Z)變化范圍為2.0～19.5 m,西南側(cè)海底以淺灘為主,沿管道長約18.5 km,水深2.0～12.0 m,平均水深7.0 m,由西南向東南微傾;東北側(cè)為2個凹槽,沿管道長約12.9 km,分別為西堠門潮流沖刷槽的尾梢影響區(qū)和菰茨門潮流沖刷槽的尾梢影響區(qū),水深分別為12.0～19.5 m 和12.0～14.0 m;舟山登陸段長約1.6 km,為水下岸坡和邊灘,水深2.0～12.0 m。

圖2 研究區(qū)海底地形Fig.2 Seafloor topography of the study area

2.2 海底地貌特征

通過單波束測深、多波束測深以及側(cè)掃聲吶探測,我們查明了研究區(qū)海底地貌總體特征以及海底微地貌特征。研究區(qū)海底地貌總體特征為:西南部淺灘地貌,地形平坦;東北側(cè)有2個沖刷槽,分別為西堠門沖刷槽和菰茨門沖刷槽。海底微地貌有海底管道平面位置偏移、管道出露位置和出露長度、管道溝以及海底片狀沖刷區(qū)等。研究區(qū)有一處海底管線平面位置偏移,位于一期管道KP12.9—KP14.6處,最大偏移145 m;管道出露分為在管道溝內(nèi)出露和在平均泥面以上出露兩種情況,大部分情況為在管道溝內(nèi)出露,一期、二期和三期管道均有在管道溝內(nèi)出露的情況出現(xiàn),其中,二期管道南線和北線在沖刷區(qū)(大約KP10.0—KP21.0)均大面積出露,一期管道和三期管道在管道內(nèi)出露的情況只是零星出現(xiàn)(圖3和圖4)。在平均泥面上出露的海底管道主要是少部分二期管道和三期管道鎮(zhèn)海近岸段和馬目近岸段;管道溝在研究區(qū)廣泛存在,為管道敷設(shè)后未完全回淤的溝槽(圖5),大多數(shù)溝內(nèi)管道未出露,僅少部分管道溝內(nèi)管道出露;海底片狀沖刷區(qū)在路由約KP9—KP19海域,沖刷微地貌呈條帶狀或不規(guī)則片狀,走向近NW—SE 向,與該海域潮流流向相近,相對沖刷幅度可達數(shù)十厘米,部分沖刷微地貌疊加比較明顯的流痕(圖6和圖7)。

圖3 多波束探測到的管道出露Fig.3 Exposures of submarine pipelines detected by multi-beam bathymetry

圖4 側(cè)掃聲吶探測到的海底管線出露Fig.4 Exposures of submarine pipelines detected by side-scan sonar

圖5 多波束探測到的海底管道溝Fig.5 Submarine pipeline grooves detected by multi-beam bathymetry

圖6 多波束探測到的海底片狀沖刷區(qū)Fig.6 Seabed sheet scouring area detected by multi-beam bathymetry

2.3 管道埋藏狀況

研究區(qū)內(nèi)4條海底管道為一期管道、二期管道南線、二期管道北線和三期管道,管道埋藏狀況可以分為管道淺埋區(qū)(可回淤)、管道淺埋區(qū)(不回淤)、管道出露區(qū)(管溝內(nèi))、管道出露區(qū)(海底面上)和未來危險區(qū)五種。管道淺埋區(qū)(可回淤)是管道處于淺埋、臨界出露狀態(tài),但位于淤積區(qū),后期會自然回淤的區(qū)域;管道淺埋區(qū)(不回淤)是管道處于淺埋狀態(tài),但位于沖刷區(qū),后期不會自然回淤的區(qū)域;管道出露區(qū)(管溝內(nèi))是管道在管溝內(nèi)出露的區(qū)域;管道出露區(qū)(海底面上)是管道直接出露于海底面之上的區(qū)域,主要由管道溝深度不足所致;未來危險區(qū)是海底管道區(qū)暫時滿足設(shè)計埋深要求,但管道處于沖刷區(qū),經(jīng)過一段時間管道可能出現(xiàn)淺埋、出露或懸空狀況的區(qū)域。海底管道在淺地層剖面圖譜上表現(xiàn)為拋物線形狀的繞射波,拋物線頂部指示管頂位置,管頂位置為海底面以上表示管道出露(圖8),管頂位置為海底面以下且深度小于設(shè)計埋深表示管道淺埋(圖9)。根據(jù)探測結(jié)果繪制了研究區(qū)海底管道埋藏狀況圖(圖10),由圖10可知,管道出露主要見于二期管道南線和二期管道北線,多位于海底沖刷區(qū)位置,一期管道和三期管道僅在近岸段有零星出現(xiàn);管道淺埋在4條管道均有出現(xiàn),主要位于近岸段和海底沖刷區(qū)。

1)一期管道:KP5.20-KP7.85為管道淺埋區(qū)(可回淤),KP9.10-KP9.65為管道淺埋區(qū)(不回淤),該位置管道淺埋并有3處明顯的管道出露情況,KP10.40-KP18.35為未來危險區(qū)。

2)二期管道南線:KP7.50-KP10.05,KP11.50-KP12.05,KP22.45-KP23.95和KP24.40-KP28.35為管道淺埋區(qū)(不回淤),KP19.20-KP19.80 和KP31.40-KP31.95 為管道淺埋區(qū)(可回淤),KP10.10-KP11.40和KP12.20-KP13.70為管道出露區(qū)(管溝內(nèi))且位于沖刷區(qū),最大出露高度為1.0 m,管溝平均深度約為1.1 m,管道后期不會自然回淤;KP18.60-KP18.85為管道出露區(qū)(管溝內(nèi))且位于淤積區(qū),平均出露高度約為0.2 m,最大出露高度為0.5 m,管溝平均深度約為0.3 m,后期會自然回淤;KP24.00-KP24.35為管道出露區(qū)(海底面上),平均出露高度約為0.3 m,最大出露高度為0.8 m,該處管道處于沖刷區(qū),后期不會自然回淤。KP13.80-KP16.90為未來危險區(qū)。

3)二期管道北線:KP8.75-KP10.05,KP21.35-KP23.60 和KP24.40-KP29.4 為管道淺埋區(qū)(不回淤),KP31.50-KP31.80為管道淺埋區(qū)(可回淤),KP10.15-KP11.75,KP12.70-KP13.05和KP21.00-KP21.30為管道出露區(qū)(管溝內(nèi))且位于沖刷區(qū),后期不會自然回淤;KP23.70-KP24.35為管道出露區(qū)(海底面上),平均出露高度約為0.3 m,最大出露高度為0.7 m,處于沖刷區(qū),后期不會自然回淤;KP13.05-KP16.95為未來危險區(qū),在該區(qū)發(fā)現(xiàn)5處管道微出露于管道溝內(nèi)的情況。

4)三期管道:KP0.15-KP0.25,KP0.60-KP0.80 和KP31.60-KP32.60 為管道出露區(qū)(海底面上),KP6.30-KP6.65為管道淺埋區(qū)(可回淤),KP11.3-KP18.5為未來危險區(qū)。

圖8 淺地層剖面探測到的海底管線出露Fig.8 Exposures of submarine pipelines detected by sub-bottom profiler

圖9 淺地層剖面探測到的海底管線淺埋Fig.9 Shallow buried state of submarine pipelines detected by sub-bottom profiler

圖10 研究區(qū)海底管道埋藏狀況Fig.10 Buried status of submarine pipelines in the study area

3 結(jié) 論

舟山大陸引水工程是解決舟山市水資源緊缺的重要工程,位于杭州灣南部海域,該海域?qū)儆趶姵焙Ｓ?背景沖刷強烈,路由區(qū)內(nèi)有菰茨門沖刷槽和西堠門沖刷槽兩個潮流沖刷槽,所以,對該工程海底供水管線的定期檢測十分重要。本次檢測充分運用了4種地球物理方法,包括單波束測深、多波束測深、側(cè)掃聲吶探測和淺地層剖面探測。多波束測深系統(tǒng)測量范圍大、測量速度快、精度和效率高,特別適合在水深大于5 m 的海域進行大面積的海底地形探測,單波束測深用于水深小于5 m 的淺水區(qū)域作業(yè),是多波束測深的有效補充,通過單波束和多波束測深,可以了解測區(qū)整體海底地形特征。多波束測深和側(cè)掃聲吶結(jié)合,可以查明研究區(qū)海底地貌總體特征以及海底微地貌特征,準確查明海底管道平面位置偏移、管道出露位置和出露長度、管道溝位置等管道信息;淺地層剖面探測通過合理的測線布設(shè),可以準確地查明海底管線懸空、出露或淺埋狀態(tài);淺地層剖面探測和多波束、側(cè)掃聲吶結(jié)合分析,可以清晰地了解出露管線的具體特征和出露范圍。因此,綜合地球物理方法的應(yīng)用,可以有效地增強不同數(shù)據(jù)之間的互補,提高海底管線檢測的效率和質(zhì)量。

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