田培先,陳偉堅(jiān),林啟輝,周偉斌

(廣東省廣建設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,廣東 廣州 511453)

0 引言

為了發(fā)展對外貿(mào)易,維護(hù)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性發(fā)展,需擴(kuò)(新)建海上航道,而擴(kuò)(新)建前,需要進(jìn)行海上航道地球物理勘查,工作內(nèi)容包括:水深、海底地形測量,底質(zhì)組成、厚度和分布勘察;在測量、勘察基礎(chǔ)上進(jìn)行疏浚設(shè)備和工藝選擇,確保航道達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此,尋找經(jīng)濟(jì)、高效的海上航道地球物理勘查技術(shù)具有現(xiàn)實(shí)性和緊迫性。對于水深及海底地形測量,主要采用多波束測深技術(shù)。國內(nèi)大學(xué)最早開展了多波束測深儀的研發(fā),在成功研發(fā)儀器的基礎(chǔ)上,將電子海圖與GPS數(shù)據(jù)相結(jié)合,進(jìn)行了反射波采集、處理、解釋以及精度評估等方面的研究,保證了儀器的有效應(yīng)用[1-3];馬建林[4]基于多波束測深數(shù)據(jù),采用ArcGIS、GeoDatabase技術(shù),建立了大區(qū)域、高分辨率的海底數(shù)字高程模型(DEM)并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫管理;一些學(xué)者應(yīng)用國外的多波束測深儀進(jìn)行了特定水域水深、海底地形測量[5-9]。對于海底底質(zhì)組成、厚度和分布的勘察,主要使用兩種物探方法:人工地震法和淺地層剖面探測技術(shù),前者采用穿透深度超過千米、頻率百赫茲以內(nèi)的波,分辨率低,成本高,主要應(yīng)用于水上油氣勘探;后者采用穿透深度百米以內(nèi)、頻率幾百至幾十千赫茲的波,分辨率高,成本低,主要應(yīng)用于淺層天然氣水合物勘探、地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造以及海底管線、沉船調(diào)查[10-12],還可以基于淺地層剖面探測技術(shù)的海底反射信號進(jìn)行海底地形測量[13]。目前,鮮有涉及兩種技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于海上航道勘查領(lǐng)域的報(bào)道。海上航道的測量和勘察有其特殊性,需要獲得水深、底質(zhì)等資料,因此需要多波束測深、淺地層剖面探測兩種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、高效的海上航道地球物理勘查。

針對海上航道地球物理勘查的實(shí)際需求及現(xiàn)實(shí)問題,本文依托南方某港口30萬噸新航道勘查項(xiàng)目,選取外航道K30+000至K31+100段,利用多波束測深技術(shù)和淺地層剖面探測技術(shù),獲得了新航道水深、海底地形以及底質(zhì)的組成、厚度和分布,為新航道的疏浚設(shè)備和工藝的選擇奠定了基礎(chǔ);同時(shí),對涌浪較大時(shí)海上航道地球物理勘查系統(tǒng)選型、數(shù)據(jù)采集、關(guān)鍵技術(shù)處理措施、不同勘查技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)相互校核,對底質(zhì)軟土層、硬土層反演特征等進(jìn)行了總結(jié)。上述成果不僅可供同行在開展類似工作時(shí)參考,而且能延拓到含有毒物質(zhì)的水下沉積物調(diào)查工作中[14]。

1 項(xiàng)目概況

某港口30萬噸級的舊航道需要加長、加寬和加深成為新航道。舊航道已運(yùn)營多年,所在區(qū)域浪高0.5～1 m,受波浪和潮汐影響,海底沉積物發(fā)生了搬運(yùn)、沉積,使舊航道的水深、海底地形發(fā)生了變化,因此,本次工作的重點(diǎn)是獲得最新的水深、底質(zhì)資料,以便為新航道疏浚及其他工程決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。新航道設(shè)計(jì)要求為:長度向外海方向延深10.1 km后變?yōu)?4.1 km;航道邊線各加寬15 m,寬度由310 m變?yōu)?40 m;內(nèi)航道水深由21.6 m變?yōu)?3.0 m,外航道水深由21.9 m變?yōu)?3.6 m(圖1)。

圖1 新航道位置

本著勘查方法經(jīng)濟(jì)高效和勘查資料準(zhǔn)確的原則,此次工作布置了少量海上鉆孔,并利用港口附近已有驗(yàn)潮站進(jìn)行水位校正,同時(shí)選擇多波束測深技術(shù)進(jìn)行水深測量,選擇淺地層剖面探測技術(shù)進(jìn)行底質(zhì)勘察,兩種技術(shù)數(shù)據(jù)相互支持。

2 勘查原理

2.1 多波束測深技術(shù)原理

多波束測深技術(shù)采用正交的發(fā)射、接收兩組換能器(圖2),發(fā)射陣平行船縱向排列,并且呈兩側(cè)對稱向下方發(fā)射2°(沿船縱向)×44°(沿船橫向)扇形脈沖聲波。接收陣沿船橫向排列,但在束控方向上接收與發(fā)射方向正好相反,以20°(沿船縱向)×2°(沿船橫向)的16個(gè)波束角接收來自海底照射面積為2°×44°扇形的回波。接收波束與發(fā)射波束疊加后,形成沿船橫向兩側(cè)、對稱的16個(gè)2°×2°波束,在海底形成16個(gè)矩形投影區(qū)。這些矩陣投影區(qū)內(nèi),回波波束將按入射的路途返回?fù)Q能器接收并記錄各波束回波的到達(dá)角和旅行時(shí)間,獲得每一個(gè)矩形的深度,獲得船正下方垂直航向排列的水深剖面[15]。

2.2 淺地層剖面探測技術(shù)原理

淺地層剖面探測技術(shù)是利用聲波在聲阻抗界面即不同底質(zhì)界面發(fā)生反射波與透射波,透射波在下一個(gè)底質(zhì)界面繼續(xù)產(chǎn)生反射波與透射波,因?yàn)榻邮盏降姆瓷洳ㄐ畔⑴c穿透的底質(zhì)物理性質(zhì)有關(guān),通過反演反射波得到的反射波振幅、反射系數(shù)獲得底質(zhì)特性[16]。以兩層水平展布的底質(zhì)為例:

Ar=R×Ai,

(1)

(2)

式中:Ar為反射波振幅;Ai為入射波振幅;R為反射系數(shù);ρ1、V1和ρ2、V2分別表示上部底質(zhì)和下部底質(zhì)的平均密度和傳播速度。

3 勘查技術(shù)

3.1 準(zhǔn)備工作

海上航道地球物理勘查的主要工作流程可歸納為4個(gè)階段:準(zhǔn)備工作—海上勘查—室內(nèi)分析—成果輸出。無論多波束測深還是淺地層剖面探測,準(zhǔn)備工作階段的要點(diǎn)如下:

1)平面控制采用已有的3個(gè)點(diǎn):K01、K02、K03(圖1)。

2)多波束測深線平行于航道中軸線,間距為4倍底質(zhì)水深,相鄰測深線間重疊大于20%,滿足全覆蓋要求;兩組換能器陣安裝在離測量船船頭約1/3處且不活動的船舷側(cè)面,超過船底10～30 cm,安裝位置遠(yuǎn)離噪音源;表面聲速儀固定在換能器陣上;光纖羅經(jīng)固定在船重心位置,避免震動和電磁場干擾;定位系統(tǒng)安裝在船頭中間位置,接收機(jī)高出船體最高處;船速為5～6節(jié)。

3)淺地層剖面探測主測線平行于航道中軸線、沿新航道邊線各布設(shè)1條主測線,另外布設(shè)了1條聯(lián)絡(luò)線。電火花水下聲源和接收底質(zhì)反射的寬間距拖曳式水聽器陣列被列置于離探測船船尾30 m處,消除螺旋漿噪聲對反射信號的影響。GPS接收機(jī)天線在底質(zhì)反射源中心,在數(shù)據(jù)采集軟件中進(jìn)行坐標(biāo)改正。探測參數(shù):發(fā)射能量為1 200 J,觸發(fā)時(shí)間0.6 s,記錄深度100 m,延遲時(shí)間0.08 s;探測船的船速為3～4節(jié),定標(biāo)為等距離20 m。

4)新航道外邊線上以長度1 km為單元布置1個(gè)鉆孔。在外航道K30+000至K31+100段,淺地層剖面探測主測線上分別布置了ZK101、ZK42,鉆孔深度以理論深度基準(zhǔn)面為基準(zhǔn),超過外航道設(shè)計(jì)水深2 m孔底標(biāo)高-25.60 m終孔。

勘查所用儀器及主要技術(shù)參數(shù)見表1、表2。

表1 多波束測深系統(tǒng)主要部件

表2 淺地層剖面探測系統(tǒng)主要部件

3.2 主要工作流程

圖3給出了多波束測深的主要工作內(nèi)容:①海上勘查,主要包括平面定位、部件安裝和調(diào)試、現(xiàn)場校正、聲速測定;②室內(nèi)分析,把海上勘查獲得的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入到處理軟件,室內(nèi)校正后得到數(shù)字化勘查成果;③成果輸出,把數(shù)字化勘查成果變成水深圖、海底地形圖。

圖3 多波束測深主要工作流程

淺地層剖面探測的主要工作流程與圖3展示的內(nèi)容基本相同,在室內(nèi)分析階段增加了以海上鉆孔資料為基礎(chǔ)的底質(zhì)特性反演及用多波束測深獲得的海底地形數(shù)據(jù)對淺地層剖面進(jìn)行海底歸位校正,而成果輸出是把數(shù)字化勘查成果變成淺地層剖面圖。

3.3 室內(nèi)分析關(guān)鍵技術(shù)措施

3.3.1 水位校正

由于海面時(shí)時(shí)變化,導(dǎo)致船上發(fā)射、接收聲波的系統(tǒng)部件在起始點(diǎn)高度上下起伏,需要進(jìn)行水位校正。水位校正是提高勘查精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,通常采用2種方法:①近海區(qū)域利用或建立驗(yàn)潮站;②全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)。本航道勘查時(shí)利用港口附近已有的驗(yàn)潮站進(jìn)行水位校正,驗(yàn)潮站位于距離外航道K30+000～K31+100段最近的Y01(圖1)。

多波束測深系統(tǒng)水位校正原理如圖4所示。以1985國家高程基準(zhǔn)點(diǎn)為基礎(chǔ),水深測量前10 min開始在驗(yàn)潮站觀測海面高程h3,此后每隔10 min觀測一次,直至測量結(jié)束后10 min。以時(shí)間為橫坐標(biāo)、以海面高程為縱坐標(biāo)繪制曲線圖。1985國家高程基準(zhǔn)點(diǎn)和理論深度基準(zhǔn)面之間的深度h2是固定已知的,因此可以把多波束測深過程中得到的每10 min實(shí)時(shí)海面高程歸算至理論深度基準(zhǔn)面,即航道水深h1=H-h2-h3。

圖4 多波束測深水位校正原理示意

3.3.2 淺地層剖面探測反演

淺地層剖面探測技術(shù)反演是基于不同年代或不同沉積物底質(zhì)會產(chǎn)生不同的底質(zhì)聲阻抗界面來獲得底質(zhì)界面。反演要點(diǎn)為:利用鉆孔資料確定聲阻抗界面,然后在淺地層剖面探測聲圖中進(jìn)行該聲阻抗界面的追蹤;進(jìn)行海底歸位校正;利用主測線和聯(lián)絡(luò)線的交點(diǎn),進(jìn)一步驗(yàn)證聲阻抗界面的判斷。

基于上述反演要點(diǎn),需要在剖面圖上計(jì)算出每一個(gè)定位點(diǎn)的聲阻抗界面之間的厚度數(shù)值。由于剖面記錄的是時(shí)間分量,因此要進(jìn)行以理論深度基準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的深度轉(zhuǎn)換。根據(jù)航道區(qū)域已有底質(zhì)沉積物聲學(xué)研究成果,把底質(zhì)淺部沉積松散層聲波速度選定為1 600 m/s。利用該速度進(jìn)行深度轉(zhuǎn)換,得到底質(zhì)界面之間的厚度。

4 成果解釋

通過波束測深技術(shù)、淺地層剖面探測技術(shù)和海上鉆孔的有機(jī)結(jié)合,南方某30萬噸級航道K30+000至K31+100段的勘查成果見圖5、圖6。

圖5 K30+000至K31+100航道段實(shí)測水深等值線平面

圖6 K30+000至K31+100航道段淺地層剖面

圖5顯示:①舊航道兩側(cè)水深小、中間水深大,水深范圍為18～22 m;②舊航道水深等值線沿航道中軸線平行分布;③舊航道邊線外延加寬15 m部分,水深為16～18 m;④舊航道水深達(dá)不到新航道水深23.6 m的設(shè)計(jì)要求。

利用淺地層剖面探測技術(shù)勘查底質(zhì)時(shí),將聲波易穿透的底質(zhì)稱為軟土層,如淤泥、淤泥質(zhì)黏土,軟土層在淺地層剖面圖中灰度強(qiáng),易被識別;將聲波不易穿透的底質(zhì)統(tǒng)稱為硬土層,如砂、黏土、粉土和礫砂,硬土層在淺地層剖面圖中灰度弱,不易被識別[16-18]。圖6、表3顯示淺地層剖面分為兩層:上部灰度強(qiáng),判斷為軟土層,相當(dāng)于ZK101鉆遇的淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土組成的底質(zhì),下部灰度弱,判斷為硬土層,相當(dāng)于ZK101鉆遇的中砂、粉質(zhì)黏土和礫砂組成的底質(zhì);兩種底質(zhì)厚度均勻、近水平分布。圖6顯示ZK101所在的淺地層剖面探測主測線水深為18 m,按設(shè)計(jì)要求,需疏浚5.6 m,因此需要進(jìn)入4 m厚的軟土層以及1.6 m的硬土層,根據(jù)地層特征,使用耙吸、鏈斗、鏟斗等一般疏浚方法即可。

表3 ZK101鉆孔底質(zhì)地層

5 結(jié)論

1)在近海區(qū)域進(jìn)行航道勘查時(shí),可用已有驗(yàn)潮站進(jìn)行水位校正,降低勘查成本。

2)用淺地層剖面探測技術(shù)勘查海上航道底質(zhì)時(shí),最好采用電火花水下聲源,其通過高壓放電氣化海水產(chǎn)生爆炸聲波,聲波能量高,穿透深度大。在淺地層剖面圖上,軟土層灰度強(qiáng),容易被識別,而硬土層灰度弱,不易被識別。

3)進(jìn)行海上航道勘查時(shí),要把波束測深技術(shù)、淺地層剖面探測技術(shù)和海上鉆孔有機(jī)地結(jié)合起來,數(shù)據(jù)相互校核,提高勘查精度,且能獲得水深、底質(zhì)等數(shù)據(jù),也能為疏浚設(shè)備和工藝的選擇提供依據(jù),提高勘查效率。

4)本文得到的海上航道勘查時(shí)的勘查系統(tǒng)選型、準(zhǔn)備工作、數(shù)據(jù)采集、關(guān)鍵技術(shù)處理措施和基于海上鉆孔的反演要點(diǎn)等,也適用于江河、湖上區(qū)域的水上勘查。