【摘要】文中簡要介紹當(dāng)前海上風(fēng)電場勘察中存在的問題及成因，闡述海洋物探技術(shù)在海上風(fēng)電場勘察應(yīng)用中的優(yōu)勢和必要性，分析研究了多波束測深技術(shù)、側(cè)掃聲吶技術(shù)、淺地層剖面探測技術(shù)、高分辨率單道地震探測技術(shù)，探討了上述各種方法在確定海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)、尋找可行的風(fēng)能資源區(qū)和評(píng)估風(fēng)電場潛在風(fēng)險(xiǎn)方面的適用性，促進(jìn)海洋物探技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】海上風(fēng)電；海洋物探；風(fēng)電場勘察；多波束測深；側(cè)掃聲吶；地層剖面探測；單道地震探測

【中圖分類號(hào)】TU195" " " "【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A" " " "【文章編號(hào)】1673-6028（2024）01-0107-03

0 引言

海洋物探技術(shù)是利用聲波、電磁波等不同物理原理開展海洋探測和調(diào)查的技術(shù)。隨著海上風(fēng)電工程的迅速發(fā)展，海洋物探技術(shù)在海上風(fēng)電場勘察中的應(yīng)用日益受到重視。海上風(fēng)電場是利用海洋風(fēng)能發(fā)電的重要方式，其建設(shè)與運(yùn)營面臨著眾多技術(shù)挑戰(zhàn)。海洋物探技術(shù)的應(yīng)用為海上風(fēng)電場的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)營提供了重要的技術(shù)支持與決策依據(jù)。

1 海上風(fēng)電場勘察存在的主要問題

當(dāng)前海上風(fēng)電場勘察中存在一些明顯問題，對(duì)于海上風(fēng)電場的開發(fā)和建設(shè)產(chǎn)生了一定的影響。

首先，海上風(fēng)電場的勘察工作面臨著海洋環(huán)境的復(fù)雜性和多變性。海洋中的波浪、潮流、海流等自然因素增加了勘察工作的難度和風(fēng)險(xiǎn)，需要開展更加精細(xì)和全面的調(diào)查和分析[1]。其次，海上風(fēng)電場勘察中涉及海底地質(zhì)情況的調(diào)查和評(píng)估。由于海底地質(zhì)復(fù)雜多樣，包括沉積物的類型、層位、穩(wěn)定性等，需要進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘察，以評(píng)估海域的適宜性和風(fēng)電機(jī)組的安全性。同時(shí)，還需要考慮水深、海底地形等因素，來確定適宜的風(fēng)電場布局。第三，海上風(fēng)電場勘察還需要解決與航道、船舶交通、漁業(yè)等方面的沖突問題。海上風(fēng)電場的建設(shè)往往需要占用一定的海域空間，與其他海上活動(dòng)存在一定的場地競爭關(guān)系。如何平衡不同利益主體的需求，確保風(fēng)電場的建設(shè)與周邊活動(dòng)的協(xié)調(diào)，也是勘察工作中需要解決的重要問題之一[2]。

2 海洋物探技術(shù)在風(fēng)電場勘察中的必要性和潛在優(yōu)勢

海洋物探是一種利用物理方法探測海洋地球物質(zhì)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造和地下資源分布的技術(shù)。在海上風(fēng)電場的勘察和建設(shè)過程中，采用海洋物探方法具有顯著的必要性和潛在優(yōu)勢。首先，海洋物探可以提供準(zhǔn)確的地質(zhì)構(gòu)造信息，幫助判斷海底地質(zhì)條件是否適合建設(shè)風(fēng)電場。通過利用聲波、電磁波等物理信號(hào)在海底的傳播特性以及其反射、折射等變化，確定地質(zhì)構(gòu)造，如斷層、褶皺、坳陷等，從而評(píng)估該區(qū)域的地質(zhì)穩(wěn)定性和承載能力。這對(duì)于建設(shè)安全穩(wěn)定的海上風(fēng)電場非常重要。其次，海洋物探可以提供豐富的地下資源信息，為風(fēng)電場建設(shè)中的平臺(tái)設(shè)置和電纜敷設(shè)等提供參考。通過分析聲波、電磁波等信號(hào)在不同地下介質(zhì)中傳播的特征，可以探測到地下的礦產(chǎn)資源、天然氣水合物等。這些信息不僅可以為風(fēng)電場的規(guī)劃提供有力支持，還有望為后續(xù)的能源利用和開發(fā)工作提供參考。

3 常用的海洋物探方法

3.1 多波束測深技術(shù)

波束測深技術(shù)的測探原理是利用換能器向海底發(fā)射扇形陣列聲波波束，再利用接收器陣列對(duì)聲波進(jìn)行接收繪制海底地形（見圖1）。發(fā)射的聲波會(huì)在與海底碰撞后被反射回來，接收器會(huì)記錄并分析這些聲波的走時(shí)數(shù)據(jù)，從而得到波束對(duì)應(yīng)的海底深度，建立起海底的地形地貌圖像。多波束測深是利用多個(gè)方向的聲波束來測量海底的深度和地貌的技術(shù)。它廣泛應(yīng)用于海洋勘探領(lǐng)域，為海洋工程設(shè)計(jì)建設(shè)、能源開發(fā)和環(huán)境保護(hù)，提供詳細(xì)的海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息。在確定海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)方面，多波束測深技術(shù)能夠準(zhǔn)確測量海底的高程、地形、海底丘陵、沉積物分布等數(shù)據(jù)，為海洋地質(zhì)學(xué)家、地質(zhì)勘探者提供海底地質(zhì)信息的重要數(shù)據(jù)。通過對(duì)海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解，可以更好地預(yù)測地震、海嘯等自然災(zāi)害的發(fā)生概率，防范和減輕災(zāi)害造成的損失，為海洋科學(xué)研究、海洋資源開發(fā)以及海底工程建設(shè)等提供重要的數(shù)據(jù)支持[3]。

尋找可行的風(fēng)能資源區(qū)是多波束測深技術(shù)的另一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。在海上風(fēng)電場勘察中，經(jīng)常使用多波束測深技術(shù)開展調(diào)查（見圖2）。通過多波束測深技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)海底地形的全覆蓋調(diào)查。通過測量海底地形和沉積物的分布，可以確定哪些地區(qū)具有較好的風(fēng)能資源。這對(duì)于風(fēng)能發(fā)電設(shè)備的選址和風(fēng)能開發(fā)的可行性研究非常關(guān)鍵。多波束測深技術(shù)提供的豐富數(shù)據(jù)，可以幫助工程技術(shù)人員制定科學(xué)合理的風(fēng)能開發(fā)規(guī)劃，提高風(fēng)能利用效率。

3.2 側(cè)掃聲吶勘測技術(shù)

側(cè)掃聲吶技術(shù)的工作原理是利用水下勘察設(shè)備發(fā)射高頻波束（見圖3），這些波束與設(shè)備的前進(jìn)航向垂直。在勘察過程中，水下勘察設(shè)備以固定的時(shí)間間隔發(fā)射波束，并接收物體反射回來的信號(hào)。這些反射信號(hào)的強(qiáng)度與物體的特性有關(guān)，通過分析信號(hào)反饋強(qiáng)度，勘察人員可以了解海底凸出物以及海水中懸浮物的分布情況。側(cè)掃聲吶技術(shù)的優(yōu)勢在于它可以提供高分辨率的海底圖像。通過接收波束的反射信號(hào)，勘察人員可以繪制出準(zhǔn)確的海底地形圖，這對(duì)于選址工作非常重要。在海上風(fēng)電場的選址過程中，需要找到適合建設(shè)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的海底區(qū)域，而側(cè)掃聲吶技術(shù)能夠幫助勘察人員確定海底的平坦度和適合建設(shè)的區(qū)域。

在尋找可行的風(fēng)能資源區(qū)方面，側(cè)掃聲吶勘測技術(shù)有著至關(guān)重要的作用。它可以幫助研究人員評(píng)估和判斷海域中是否存在適宜發(fā)展風(fēng)能的條件，例如水深、海底地質(zhì)、水流等因素。通過對(duì)海底地質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)的勘測，研究人員可以確定風(fēng)能資源分布的情況，找到適合建設(shè)風(fēng)電場的區(qū)域，從而提高風(fēng)能開發(fā)的效益。此外，側(cè)掃聲吶勘測技術(shù)還能對(duì)風(fēng)電場的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。通過對(duì)風(fēng)電場周邊海域進(jìn)行詳細(xì)勘測，研究人員可以獲得海底地質(zhì)完整的圖像，從而準(zhǔn)確評(píng)估潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素，例如海底地形的復(fù)雜性、地震活動(dòng)的頻率等。這些信息對(duì)風(fēng)電場的規(guī)劃和設(shè)計(jì)至關(guān)重要，可以幫助提前發(fā)現(xiàn)潛在的問題，并采取相應(yīng)的措施來降低風(fēng)電場建設(shè)和運(yùn)營過程中可能面臨的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 淺地層剖面探測技術(shù)

淺地層剖面探測技術(shù)是風(fēng)電建設(shè)中不可或缺的勘察手段，它通過一系列復(fù)雜的步驟來獲取海底地形信息。當(dāng)信號(hào)發(fā)生器啟動(dòng)后，起初對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，然后將其輸送到安裝在水下震源中的發(fā)射陣列，開始向水下發(fā)射某一頻率范圍的調(diào)頻脈沖信號(hào)。這些脈沖信號(hào)在遇到不同的波阻抗界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的反射信號(hào)。反射信號(hào)被記錄到設(shè)備中后，利用信號(hào)放大和A/D轉(zhuǎn)換處理等技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理。處理完畢后，這些信號(hào)將被記錄到計(jì)算機(jī)中，通過計(jì)算機(jī)軟件完成陰影波形顯示處理、數(shù)據(jù)信息處理和信息存儲(chǔ)等工作，最終可以得到詳細(xì)的海底地形信息。淺地層剖面探測技術(shù)可以通過測量海底的地下巖石層、沉積物厚度和含水層等參數(shù)，為確定風(fēng)能資源的地點(diǎn)和潛力提供科學(xué)依據(jù)。此外，淺地層剖面探測技術(shù)還可以提供風(fēng)力渦旋、浪涌和地質(zhì)災(zāi)害等數(shù)據(jù)信息，以評(píng)估風(fēng)電場建設(shè)和運(yùn)行中的潛在風(fēng)險(xiǎn)，保障風(fēng)電場的安全。

3.4 高分辨率地震勘探技術(shù)

在風(fēng)電場勘察過程中，高分辨率地震勘探技術(shù)的應(yīng)用起到了至關(guān)重要的作用。地震探測儀安裝在勘察船只上，實(shí)現(xiàn)水中激發(fā)，水中接收，不停船的連續(xù)觀測。啟動(dòng)地震探測儀器后，激發(fā)一系列的震源信號(hào)，這些地震信號(hào)會(huì)被傳輸回勘測船只，進(jìn)行反饋信息的處理和分析。通過使用高分辨率地震勘探技術(shù)，可以更加準(zhǔn)確地分析風(fēng)電場區(qū)域存在的災(zāi)害問題，以及災(zāi)害地質(zhì)分布區(qū)域。這一點(diǎn)對(duì)于后續(xù)的風(fēng)電場建設(shè)和運(yùn)營活動(dòng)的順利推進(jìn)至關(guān)重要。通過對(duì)收回的數(shù)據(jù)分析，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，并采取相應(yīng)的預(yù)防和治理措施，為風(fēng)電場的建設(shè)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在系統(tǒng)安裝過程中，將激發(fā)震源和采集電纜拖在工作船只的尾部的海水中，與船只之間保持安全距離。同時(shí)，按照偏移距要求將電纜及相關(guān)設(shè)備布置到相應(yīng)的位置上。這樣做的目的是為了確?？睖y設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性，以便能夠獲得準(zhǔn)確且可靠的勘測數(shù)據(jù)。

高分辨率地震勘測技術(shù)的應(yīng)用不但能夠更好地了解風(fēng)電場的地質(zhì)情況，為風(fēng)電場建設(shè)的可行性研究和工程規(guī)劃提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持，還可以評(píng)估風(fēng)電場的潛在風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)電場的建設(shè)和運(yùn)營需要考慮多種因素，包括地質(zhì)、地形以及天氣條件等。通過高分辨率地震勘探技術(shù)，可以觀測到地下的地殼運(yùn)動(dòng)情況，檢測潛在的地震風(fēng)險(xiǎn)，為風(fēng)電場的規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。這有助于確保風(fēng)電場的安全運(yùn)營，減少潛在的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)[4，5]。

4 各種方法適用性

根據(jù)多波束測深技術(shù)、側(cè)掃聲吶勘測技術(shù)、淺地層剖面探測技術(shù)以及高分辨率地震勘探技術(shù)在海洋風(fēng)電場勘察中的應(yīng)用實(shí)踐和比較研究，各種物探方法的主要適用性如下。

4.1多波束測深技術(shù)的適用性

多波束測深技術(shù)的高精度測量能力使其成為海洋風(fēng)電場勘察的有力工具。多波束測深技術(shù)可以用來精確勘測海底地形，幫助確定風(fēng)機(jī)的布局、海底電纜的敷設(shè)路徑等。在海洋風(fēng)電場建設(shè)之前，需要對(duì)海底地形進(jìn)行詳細(xì)的勘測，以確定最佳的風(fēng)機(jī)布局和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。多波束測深技術(shù)能夠提供高分辨率的水深數(shù)據(jù)，不僅能夠快速準(zhǔn)確地測量水深，還可生成海底地形圖，幫助工程師更好地了解海底地貌，并進(jìn)行合理的規(guī)劃。

4.2 側(cè)掃聲吶技術(shù)的適用性

側(cè)掃聲吶技術(shù)可以用來檢測海底障礙物、地形特征、海洋生態(tài)等信息，有助于確定風(fēng)電場的建設(shè)區(qū)域和環(huán)境影響評(píng)估。側(cè)掃聲吶技術(shù)可以提供精確的海底地貌測量。通過掃描并記錄海底地形的細(xì)節(jié)，獲得關(guān)于海底地貌的詳細(xì)信息，比如海底的起伏、坡度和峽谷等。這些數(shù)據(jù)對(duì)于確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔基的最佳位置至關(guān)重要，確保其穩(wěn)固性和運(yùn)行的可持續(xù)性。此外，對(duì)海底地貌的詳細(xì)了解還可以幫助工程師規(guī)劃和設(shè)計(jì)電纜輸電的最佳路徑，以確保電力輸送的高效性和可靠性。

4.3 淺地層剖面探測技術(shù)的適用性

在海上風(fēng)電場的勘察中，淺地層剖面探測技術(shù)具有顯著的適用性。淺地層剖面探測技術(shù)通過分析海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及下方巖石層位置和結(jié)構(gòu)，確定風(fēng)電場建設(shè)地點(diǎn)的可行性和安全性。這種探測技術(shù)主要通過聲波傳播的方式，在地質(zhì)下層生成回波信號(hào)，從而揭示地下結(jié)構(gòu)的特征。首先，淺地層剖面探測技術(shù)能夠提供關(guān)于海底地質(zhì)條件的詳細(xì)信息。通過收集和分析回波信號(hào)，可以確定地質(zhì)構(gòu)造、土層特性以及潛在的地質(zhì)隱患。例如，使用淺地層剖面探測技術(shù)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的地質(zhì)隱患，如海底滑坡、活動(dòng)斷層等，根據(jù)海底地質(zhì)條件對(duì)于風(fēng)力渦輪機(jī)安裝以及電纜敷設(shè)工作進(jìn)行細(xì)致設(shè)計(jì)，并制訂風(fēng)險(xiǎn)防范措施，避免可能的工程災(zāi)害。

4.4 高分辨率地震勘探技術(shù)的適用性

高分辨率地震勘探技術(shù)在海上風(fēng)電場勘察中具有良好的適用性。

首先，高分辨率地震勘探技術(shù)能夠提供準(zhǔn)確的地下地質(zhì)信息，對(duì)于海上風(fēng)電場的勘察和設(shè)計(jì)具有至關(guān)重要的意義。通過使用高頻率的聲波源和高靈敏度的地震接收器能夠獲取到海底地層的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和不同地層之間的界面情況，為風(fēng)電場的定位和設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵的地質(zhì)數(shù)據(jù)。

其次，高分辨率地震勘探技術(shù)可以幫助確定海底的地質(zhì)特征和地下構(gòu)造，從而評(píng)估風(fēng)電場建設(shè)的可行性。通過分析地震反射信號(hào)的強(qiáng)度和延遲，可以確定海底的地質(zhì)類型、構(gòu)造狀況以及可能存在的地質(zhì)隱患，例如斷層、地下溶洞等。這些信息對(duì)于風(fēng)電場的布局和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)至關(guān)重要，可以減少潛在風(fēng)險(xiǎn)，提高工程的安全性和可靠性。

上述海洋物探技術(shù)雖然在技術(shù)原理、應(yīng)用范圍、經(jīng)濟(jì)性上存在差異，但在海洋風(fēng)電場的勘察領(lǐng)域中針對(duì)不同需求具有較好的適用性，為海洋風(fēng)電場的設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行提供了精確、高效、全面的數(shù)據(jù)，有助于降低風(fēng)電場建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)和成本，優(yōu)化風(fēng)電場的布局和設(shè)計(jì)方案，保證風(fēng)電設(shè)施的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語

綜上所述，海洋物探方法在海上風(fēng)電場勘察中的應(yīng)用具有重要意義。多波束測深技術(shù)、側(cè)掃聲吶技術(shù)、淺地層剖面探測技術(shù)和高分辨率單道地震探測技術(shù)都是海洋物探的常用方法，在海上風(fēng)電場的勘察中具有較好的適應(yīng)性，有利于確定海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)、尋找可行的風(fēng)能資源區(qū)，并評(píng)估風(fēng)電場潛在風(fēng)險(xiǎn)，為海上風(fēng)電場的規(guī)劃和建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。因此，在海上風(fēng)電場勘察中，可根據(jù)工作環(huán)境、海況、任務(wù)要求和經(jīng)濟(jì)適用性等因素，選擇物探方法或進(jìn)行多種物探技術(shù)組合，為海洋風(fēng)電場設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

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[作者簡介]王朝國（1987—），男，山東東營人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：海洋巖土工程勘察。