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(fā)戰(zhàn)略的深入實施，對海洋資源的開發(fā)利用和保護成為重要課題。在海洋工程開發(fā)建設中，需對開發(fā)海域地下管線和地質(zhì)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(shù)據(jù)。受到海洋環(huán)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(jù)測區(qū)磁場的分布確定磁性物體的位置，具有經(jīng)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(fā)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(yōu)勢，根據(jù)測區(qū)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(zhì)具有不同磁性的這一差異，來探測空間區(qū)域內(nèi)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(qū)域內(nèi)的磁場是均勻分布的，管道和線路等物質(zhì)的存在，會導致磁異?，F(xiàn)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(shù)和特性，然后判定探測區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)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(zhì)、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(yōu)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(fā)射高頻率的聲波信號，經(jīng)海底表面物質(zhì)背散射后，接收水底的聲波回聲信號，根據(jù)反射特征的差異來判斷目標物的沉積屬性或形態(tài)特征。側掃聲吶通常安裝在拖體上，作業(yè)時向兩側發(fā)送寬角度聲波波束，然后接收海底返回的背散射數(shù)據(jù)對海底進行成像，能直觀地提供海底形態(tài)的聲成像，作業(yè)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(nèi)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(xù)向底床更深層穿透，通過對水下地層或目標物發(fā)射聲脈沖，利用聲脈沖傳播時所遇界面聲阻抗不同的規(guī)律，通過換能器接收記錄反射回來的部分，結合地質(zhì)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(xù)性，能準確反映地層的發(fā)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(jù)項目建設需要對海域范圍內(nèi)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(tǒng)包括1個數(shù)字磁力拖魚，1個數(shù)字發(fā)射接收系統(tǒng)，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(yè)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(yè)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(yè)船按設計測線航行，逐點記錄采樣點的磁場值，與定位數(shù)據(jù)生成統(tǒng)一的文件。信標機工作期間，差分信號穩(wěn)定，定位數(shù)據(jù)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(nèi)磁場變化未超過設計總均方根誤差的1/2。選取最新發(fā)布的地磁橢球參數(shù)geomag IGRF11.COF，通過GEOMAG70軟件計算本工區(qū)基本場為 47 247.5 nT，與校正點經(jīng)日變改正后的均值 4 236 nT。地面高精度磁測數(shù)據(jù)總場值T經(jīng)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(jīng)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(fā)現(xiàn)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(nèi)，且不成線性，只在單條測線發(fā)現(xiàn)，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(lián)合探測

側掃聲吶探測使用Klein3900側掃聲吶系統(tǒng)，工作時側掃聲吶系統(tǒng)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(jù)實際圖像顯示情況進行調(diào)整。側掃數(shù)據(jù)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(diào)整增益、對比度等參數(shù)，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(fā)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(jīng)過探測發(fā)現(xiàn)，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(shù)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(nèi)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(qū)域的海底側掃聲吶圖和淺地層剖面圖聯(lián)合解譯，分析異常值所在區(qū)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。