季凱敏 范明華

（交通運(yùn)輸部東海航海保障中心上海海事測(cè)繪中心，上海 200090）

隨著海上風(fēng)電建設(shè)的加快發(fā)展，海底電纜管線的鋪設(shè)越來越多，海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)過程中可能產(chǎn)生實(shí)際影響船舶作業(yè)安全的障礙物，這些因素給水上交通安全帶來較大的潛在安全隱患。航行和作業(yè)船舶因不了解海底海纜情況，水上交通意外事故時(shí)有發(fā)生，同時(shí)錨泊船舶造成海底電纜損傷，給海上風(fēng)電綠色能源建設(shè)也造成了不可估量的損失。

為了保障船舶通航安全，有必要在海纜敷設(shè)完成后，對(duì)海纜路由情況及相關(guān)水域的水深變化等信息進(jìn)行全面采集，摸清施工后的周圍水深情況、海底地形現(xiàn)狀，查明斷管、殘管等影響通航安全的障礙物，更新港口航道圖資料，確保各類通航和作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)受控。同時(shí)，為港口規(guī)劃建設(shè)及港航服務(wù)提供依據(jù)，為海底電纜維護(hù)提供技術(shù)支持。

1 采集方法研究

1.1 采集內(nèi)容

為了保障船舶通航安全，需要對(duì)海纜電纜鋪設(shè)后的水域情況進(jìn)行信息采集。從信息采集的目的出發(fā)，可以將采集的內(nèi)容分為水深測(cè)量、障礙物探測(cè)、海纜路由探測(cè)3 個(gè)主要部分，如圖1 所示。

圖1 海纜信息采集內(nèi)容

1.2 采集方法

海底電纜管道路由勘察一般在沿路由中心線兩側(cè)一定寬度的走廊帶范圍內(nèi)進(jìn)行。寬度在登陸段一般為500 m，在近岸段一般為500 m，在淺海段一般為500～l 000 m。為了調(diào)查施工水域周圍的水深變化情況，摸清影響通航安全的障礙物，水深測(cè)量和障礙物探測(cè)的范圍宜選擇500～l 000 m。

1.2.1 水深測(cè)量

水深測(cè)量的主要方法為單波束測(cè)深系統(tǒng)和多波束測(cè)深系統(tǒng)。本文建議結(jié)合水域港口航道圖資料，可采用單波束測(cè)量的方式進(jìn)行水深數(shù)據(jù)的采集。在需要采集信息的水域范圍內(nèi)，測(cè)線垂直于海底管線方向布設(shè)，如圖2 所示。岸側(cè)測(cè)至等深線2 m 處為宜。

1.2.2 障礙物探測(cè)

探測(cè)航行障礙物的基本要求是準(zhǔn)確測(cè)定其位置、最淺深度(或干出高度或高程)、延伸范圍和性質(zhì)。大面積海區(qū)障礙物探測(cè)通常是將多波束測(cè)深系統(tǒng)與側(cè)掃聲吶掃測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，在側(cè)掃聲吶系統(tǒng)對(duì)水域進(jìn)行粗掃的基礎(chǔ)上，采用多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)側(cè)掃聲吶系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的障礙物的概略位置、高度進(jìn)行精掃。

采用側(cè)掃聲吶系統(tǒng)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行全覆蓋測(cè)量，測(cè)線平行于路由方向，其中一條測(cè)線應(yīng)沿路由布置。

1.2.3 海纜路由探測(cè)

海纜路由探測(cè)常用的手段為磁力儀或者淺地層剖面儀。磁力儀通常以拖曳方式，由于受潮流、風(fēng)浪等因素的影響，位置歸算會(huì)存在一定誤差，可采用同一測(cè)線往返取平均的方式減小位置歸算誤差的影響。

相比拖曳式的磁力儀，淺地層剖面可固定安裝于船舷，定位精度相對(duì)較高，如圖3 所示。如SES-2000 Light 型參量陣淺地層剖面儀，其換能器小巧輕便，安裝快捷，同時(shí)具有很高的分辨率(100 KHz 換能器束角僅為1.8°)，適合于淺地層及海底電纜等目標(biāo)的精確探測(cè)。

本文建議一般情況下可使用淺地層剖面儀進(jìn)行海纜路由探測(cè)的主要手段，將磁力儀作為補(bǔ)充手段，如部分水域的海底底質(zhì)淺剖無法穿透。同時(shí)，為了探明特殊路段的海纜信息，如裸露段、拐彎段、海上升壓站附近等，可借助ROV 水下機(jī)器人或者水下三維聲吶系統(tǒng)，水下三維聲吶系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 水下三維聲吶系統(tǒng)組成示意圖

如EchoScope 三維成像聲吶系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)讀取水下目標(biāo)數(shù)據(jù)，形成清晰的三維圖像，展現(xiàn)水下結(jié)構(gòu)和目標(biāo)物的細(xì)部構(gòu)造，準(zhǔn)確獲取物體上每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。選取EchoScope 三維成像聲吶系統(tǒng)復(fù)核路由拐點(diǎn)附近的淺剖數(shù)據(jù)，確認(rèn)路由拐彎段是否存在裸露。同時(shí)，探測(cè)出升壓站及周邊海纜的水下三維狀況，確定升壓站的準(zhǔn)確位置。

綜合以上內(nèi)容和方法的研究探討，總結(jié)形成以保障船舶通航安全為目的的海纜信息采集方法，如圖5 所示。

圖6 局部水深情況示意圖

2 海纜信息采集方法的應(yīng)用

基于船舶通航安全，在蘇北某海纜信息數(shù)據(jù)采集案例中，采用上述方法對(duì)海纜信息進(jìn)行了采集。

2.1 水深數(shù)據(jù)

水深測(cè)量采用ODOM 公司的MKIII 型雙頻測(cè)深儀，采集高頻水深數(shù)據(jù)，頻率為200 KHz。水深測(cè)量比例尺1:5 000，路由兩側(cè)各500 m，岸側(cè)測(cè)至等深線2 m 處重點(diǎn)關(guān)注路由附近水域水深變化情況，以及淺點(diǎn)分布情況。經(jīng)綜合分析，路由附近水深無明顯變化，測(cè)量范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯淺點(diǎn)。

2.2 障礙物探測(cè)

在障礙物探測(cè)過程中共使用藍(lán)創(chuàng)Shark-S455 和EdgeTech-Discover-4205 兩套聲吶進(jìn)行全覆蓋掃測(cè)。

障礙物探測(cè)范圍以路由中心線為基準(zhǔn)兩側(cè)各500 m。測(cè)線平行于路由中心線布設(shè)，在路由上方及左右50 m 處布設(shè)3 條測(cè)線精掃，其余范圍按照100 m 測(cè)線間距掃測(cè)。

在現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)和數(shù)據(jù)回放過程中，探測(cè)到部分裸露路由段，如圖7 所示。未在該水域發(fā)現(xiàn)影響船舶航行的礙航物。

圖7 裸露海纜管線

圖8 海纜管線探測(cè)信號(hào)示意圖

2.3 海纜路由探測(cè)

海纜路由探測(cè)主體部分采用淺地層剖面儀進(jìn)行，部分水域以三維聲吶輔助淺地層剖面儀進(jìn)行探測(cè)。

2.3.1 淺地層剖面儀

淺地層剖面儀探測(cè)范圍以海纜路由為中線，兩側(cè)各延伸250 m。海纜探測(cè)采用斷面調(diào)查的方式進(jìn)行作業(yè)，測(cè)量斷面垂直路由走向，間距100 m，拐點(diǎn)處加密至20 m 間距。

2.3.2 水下三維聲吶

利用水下三維聲吶對(duì)海纜路由拐彎段以及升壓站附近的海纜進(jìn)行輔助探測(cè)。通過對(duì)外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去噪、拼接后，分析發(fā)現(xiàn)，拐彎段無裸露海纜。將三維聲吶探測(cè)到的路由信息通過AutoCAD 成圖軟件將管溝位置輸出成圖，與淺地層剖面儀探測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，確認(rèn)三維聲吶管溝位置與淺剖探測(cè)位置一致。如圖9 所示，圖中紅色點(diǎn)位為淺剖探測(cè)數(shù)據(jù)，白色定位為三維聲吶探測(cè)數(shù)據(jù)。

圖9 拐彎段回路路由三維聲吶數(shù)據(jù)和淺剖數(shù)據(jù)比對(duì)圖

同時(shí)，利用三維聲吶獲得了升壓站附近海纜路由走向以及升壓站的位置信息，為更新海圖提供完整的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

利用本文研究的海纜信息采集方法，基于船舶航行安全對(duì)海纜路由情況及相關(guān)水域的水深變化等信息進(jìn)行全面采集，可以為更新港口航道圖資料提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確保各類通航和作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)受控。

但是，風(fēng)電場(chǎng)海纜情況和海底底質(zhì)情況都比較復(fù)雜，在實(shí)際采集信息的過程過程中會(huì)采用多種手段輔助。

1）對(duì)于一些底質(zhì)，淺地層剖面儀可能無法穿透或者信號(hào)強(qiáng)度不夠，須采用磁力儀輔助探測(cè)。

2）合成孔徑聲吶（SAS）具有很高的方位向空間分辨能力，30 kHz 甚至更低頻段的SAS，具有很好的掩埋物探測(cè)能力。搭載側(cè)掃聲吶和多波束的三維合成孔徑聲吶系統(tǒng)，可以對(duì)海底懸浮、沉底和掩埋目標(biāo)進(jìn)行三維成像探測(cè)。但是數(shù)據(jù)融合處理的效率偏低。

3）對(duì)于一些特殊需要，可利用水下機(jī)器人ROV 開展輔助探測(cè)。

對(duì)于通航環(huán)境復(fù)雜的水域，為了保障通航安全，海纜路由信息的采集要求可適當(dāng)提高，如對(duì)一定范圍內(nèi)的水域進(jìn)行多波束、側(cè)掃聲吶全覆蓋測(cè)量等等。