海洋水下管线综合探测方法应用研究

李宝鑫

(广州博瑞信息技术股份有限公司，广东 广州 510440)

1 引 言

随着海洋大开发战略的深入实施，对海洋资源的开发利用和保护成为重要课题。在海洋工程开发建设中，需对开发海域地下管线和地质地貌进行详细的勘测[1]，为项目的设计、施工和运营管理提供重要的支持数据。受到海洋环境的影响，海洋管线探测具有复杂性和困难性[2]。目前，探测地下管线应用最广泛的方法是磁法探测[3]，该方法根据测区磁场的分布确定磁性物体的位置，具有经济高效的特点，但是其探测定位是由磁异常曲线的峰值来确定的[4]，会存在一定误差，对于一些非线性的水下物体，磁异常曲线模型无法准确建立[5]。近年来，随着侧扫声呐、浅地层剖面等技术的蓬勃发展，为水下探测提供了更多选择[6]。为了准确探明地下管线情况，需要研究不同探测方法的原理和特点，充分利用各类探测技术的优势，根据测区情况制定合理的探测方法。本文在磁法探测技术的基础上，综合采用侧扫声呐探测和浅地层剖面探测技术，探明了某海域地下管线和障碍物的分布情况。

2 探测技术

2.1 磁法探测技术

磁法探测是利用不同物质具有不同磁性的这一差异，来探测空间区域内相关障碍物的大小、分布、位置等属性信息的探测技术[7-8]。正常情况下，探测空间区域内的磁场是均匀分布的，管道和线路等物质的存在，会导致磁异常现象，理论上都可以被磁力仪探测到。通过磁力仪等探测设备，探测出磁场的变化参数和特性，然后判定探测区域内的物质分布等信息。磁法探测技术常用于地下和水下空间的管线探测[9]。在管线磁法探测中，海底管线的材质、埋深、走向、横截面积等因素，都可以影响磁场的大小[5]。为了尽可能探测到管线的微弱磁信号，要使磁力仪的拖鱼尽可能地贴近海底表面。磁法探测技术具有探测精度高、可靠性强、成本低等优势，对掩埋深、管径细的管线也具有很好的探测效果。

2.2 侧扫声呐探测技术

侧扫声呐是利用回声测深原理来探测海底地貌和水下物体[10]。通过发射高频率的声波信号，经海底表面物质背散射后，接收水底的声波回声信号，根据反射特征的差异来判断目标物的沉积属性或形态特征。侧扫声呐通常安装在拖体上，作业时向两侧发送宽角度声波波束，然后接收海底返回的背散射数据对海底进行成像，能直观地提供海底形态的声成像，作业过程如图1所示。侧扫声呐适合做大面积测量，分辨率较高，信噪比较好，能够清晰反映浅部地层分层，而且能达到管线排查的目的[11]。

图1 侧扫声呐探测

2.3 浅地层剖面探测技术

浅地层剖面探测利用声波在水中和水下沉积物内传播和反射的不同特性来探测水底地层剖面[12]。声波信号能够通过水体穿透床底后继续向底床更深层穿透，通过对水下地层或目标物发射声脉冲，利用声脉冲传播时所遇界面声阻抗不同的规律，通过换能器接收记录反射回来的部分，结合地质解释，在浅剖探测图谱上可解译地层的分层情况[13]，浅剖资料具有横向连续性，能准确反映地层的发育特征，浅地层剖面探测过程如图2所示。

图2 浅地层剖面探测过程

3 工程案例

3.1 磁法探测

某海域计划新建海上风电场，根据项目建设需要对海域范围内的水下管线进行探测，探明管线的分布和埋深。项目采用SeaSPY海洋磁力仪，该系统包括1个数字磁力拖鱼，1个数字发射接收系统，1套凯夫拉高强度拖缆。其探测范围在 18 000 nT～120 000 nT，灵敏度为 0.01 nT，分辨率为 0.001 nT，采样周期为 0.25 s～4 s。采用华测B30DGPS信标机进行导航和定位，信标机接收频率范围为 283.5 KHz～325 KHz，海上有效作业距离为 500 km，定位精度为 0.5 m。工作时磁力仪探头拖曳于船尾，通过试验确定的探头位置距信标仪天线约 29.4 m放置，测量探头距船尾 60 m，在外业工作开始前通过试验确定采样频率设为 10 Hz，磁力仪器布设示意图如图3所示。作业船按设计测线航行，逐点记录采样点的磁场值，与定位数据生成统一的文件。信标机工作期间，差分信号稳定，定位数据正常，定位间距 1.0 s，能实时显示船只运行航速、航向、航迹以及船只偏离设计航线的距离等。

图3 磁力仪器布设示意图

日变站位于海边树林，远离建筑物，周围地形平坦，附近没有磁性干扰物，磁场的水平梯度和垂直梯度较小，在半径 2 m及高差 0.5 m范围内磁场变化未超过设计总均方根误差的1/2。选取最新发布的地磁椭球参数geomag IGRF11.COF，通过GEOMAG70软件计算本工区基本场为 47 247.5 nT，与校正点经日变改正后的均值 4 236 nT。地面高精度磁测数据总场值T经日变改正后得到磁异常dt。

本次海洋磁法勘测所有测线均进行日变校正、高度校正和经纬度校正等预处理后，得到磁场值等值线图，从磁场值等值线图中发现磁力值跳点28个(如图4所示)。在核对班报记录后，剔除了其中23个由于往来船舶而引起的磁异常。剩余3号、5号、19号、24号、26号等5个点位异常值均在 30 nT以内，且不成线性，只在单条测线发现，排除了是海底管线和电缆引起的可能。为进一步探明引起异常的原因，采用侧扫声呐探测和浅地层剖面探测技术进行进一步探测。

图4 磁场值等值线图

3.2 联合探测

侧扫声呐探测使用Klein3900侧扫声呐系统，工作时侧扫声呐系统的拖鱼悬挂于船舷左侧中部，工作频率选用单频 445 kHz，拖鱼入水深度确定为 26 m，对探测范围进行全覆盖扫描，增益根据实际图像显示情况进行调整。侧扫数据处理使用Sonarwiz软件，利用回放功能实时镶嵌，并对海底面进行跟踪和斜距校正、速度校正，调整增益、对比度等参数，处理后形成声呐图像。

浅地层剖面探测采用ChirpⅢ浅地层剖面仪，浅剖换能器基阵安装于船舷中部外侧，DGPS天线置于换能器正上方，震源能量 600 J，发射间隔 70 ms。采用Sonarwiz5和Triton浅剖处理软件，处理手段包括：水位改正、噪声压制、振幅控制等。利用Vista 11进行频谱分析，确定船体和波浪等引起的噪声频率，利用带通滤波，提高信噪比，加强有效地层信息，获得浅剖图像。

经过探测发现，5号、19号、24号、26号等4个点位的声呐镶嵌图和浅剖图像均未见异常，推测引起点位异常的可能是体积很小的铁磁性物体。3号点位的侧扫声呐镶嵌图中显示有一个直径小于 1 m的凸起(如图5所示)，但其浅剖图像未见异常，推断引起该点异常的可能为数百公斤的铁磁性物体。

图5 3号点位侧扫声呐镶嵌图

4 结 语

水下探测是海洋工程勘察中的一项重要内容，本文采用磁法探测、侧扫声呐和浅地层剖面探测相结合的综合探测技术，首先用磁法探测进行大范围的扫测，然后通过对异常值所在区域的海底侧扫声呐图和浅地层剖面图联合解译，分析异常值所在区域有没有铁磁性物体的存在，能够快速、准确探测出目标海洋的地下管线和障碍物分布情况，具有一定的借鉴意义。