用好海底电缆探测设备与技术海事测绘保障海上风电场建设

曹 源

近年来，在全球绿色浪潮与“双碳”目标的双重驱动下，中国海上风电“蓝色引擎”动力十足。2021年，中国海上风电装机规模跃居世界第一，形成了完整的具有领先水平和全球竞争力的风电产业链与供应链[1]。 2022年3月21日，国家发改委和国家能源局印发的《“十四五”现代能源体系规划》提出，提升东部地区能源清洁低碳发展水平，要积极推进东南部沿海地区海上风电集群化开发，重点建设广东、福建、浙江、江苏、山东等海上风电基地。

中国海事航保测绘部门承担着全国沿海港口航道测绘工作，履行测绘和编印航海图书资料、开展沿海通航尺度核定测量和应急扫测等航海保障职责。我国首座海上风力发电场——东海大桥风力发电场的所有34台3 MW风机于2010年7月6日全部投入运行，东海航海保障中心上海海事测绘中心为其实施了风电桩定位、海上风电区测量等工作。随着海上风电建设热潮的持续，海上风电场相关的测绘保障工作应成为海事测绘单位的重要工作之一，本文主要就海上风电场建设前后的相关测绘保障工作进行探讨。

一、海上风电场建设前后海事测绘保障工作

海上风电场建设前期，在项目规划、可行性研究、技术设计和施工建设的整个过程中，需要收集获取大量海洋基础资料，对拟铺设海底电缆的路由实施勘察扫海。海事测绘部门拥有覆盖全国沿海的多年水下地形测量和海图资料、海域港口航道锚地等交通功能区现状资料、海洋水文观测资料、高程基准资料、海底管线分布资料等风电场建设所需的重要基础资料；装备有专业测量船艇、勘测设备和专业技术人员，在全国沿海设有水文观测站和海上北斗卫星连续运行参考站（BD-CORS），具备为海上风电场建设提供建设资料和海缆路由勘察扫海的综合能力。

海上风电场建设完成后，为保障相关水域航运安全，应开展海上风电场周围障碍物扫测、风电桩精准定位、风电场海底电缆的路由探测、更新相关航海图书、风电场桩基冲刷情况监测等工作。其中，风电场周围障碍物扫测、风电桩精准定位、风电场海底电缆铺设后的路由探测等工作，应作为海事通航尺度核定测量的内容，测绘成果及时更新入相关海图资料，确保船舶航行安全、保持海图的现势性、保护电缆安全和电场方权益。

（一）风电场周围障碍物扫测

海上风电场选址考虑多方因素，一般位于常年风力资源丰富且较为开阔的非密集航行水域，不可对通航环境造成较大影响，但建成后可能会迫使部分船舶改变原有习惯航线，绕航其他水域，因此在开工建设前，要对风电场建成后船舶可能绕航水域的水深、碍航物等情况进行摸底，为船舶提供新的安全通航环境。2021年，上海海事测绘中心对福州长乐风电场规划场址范围内历史沉船及附近水域进行了扫测，为风电场建设和建成后船舶安全航行提供了基础数据。目前，我国沿海的许多风电场在建设之初也多有同样的需求。

在风电场建设完成后，应对建设区域周围一定范围实施水深测量和障碍物扫测，范围一般为风电场范围外拓100～200 m。目前，我国尚未制定关于风电场与其他功能水域、水工建筑物安全距离的统一标准，通常建议风电场宜与周围航道、航线及其他水工建筑物的距离保持1海里以上[2]。但如果风电场区域靠近船舶航行主要航路，考虑到过往船舶的航行安全，除了对风电场周围实施障碍物扫测外，还应根据实际情况适当扩大扫测范围，并对附近的主要航段进行扫测，排除风电场周围存在影响通航安全的障碍物。另外，还应对风电场内部风电桩之间水域实施水深测量和障碍物扫测。所有扫测成果应更新至海图，并按照《中华人民共和国水上水下作业和活动通航安全管理规定》要求“将工程有关通航安全的技术参数报海事管理机构备案”。扫测宜采用旁侧声呐结合水深测量的方式进行。

（二）风电桩精准定位

风电场作为重要的海中建筑物，在建设完成后，应由海事测绘部门对风电桩进行准确定位，并作为通航尺度核定资料在海图上标注其准确位置，更新相关航海图书资料。为提高风电桩的定位精度，一般采用全球卫星导航系统（GNSS）差分定位手段，按照相关技术规范实施定位。在东海海域，基于上海海事测绘中心已建成的26个沿海北斗连续运行参考站网（BD-CORS），可以实现海上目标的厘米级精度定位。

（三）风电场海底电缆铺设完成后路由探测

海底电缆是风电场的主要设施，电缆安全对风电场的运行至关重要。海底电缆敷设安装后一般浅埋或裸露于海底面，在潮流、波浪、潮汐等海洋动力条件下，容易产生冲刷、移位等不利影响；在风暴潮、海底塌陷、海底滑坡等外部营力或渔业作业、船舶抛锚等人类活动影响下，还可能发生损伤、断裂等事故[3]。因此，电缆铺设完成后，应及时开展电缆路由探测，这不仅事关工程质量的检验，也涉及海上交通安全和风电场的相关经济权益。若电缆未经海事测绘部门的通航尺度核定测量，未能在海图上进行标注更新，一旦涉及因船舶抛锚引起海底电缆被拉断的损失，电场方可能面临索赔无据的尴尬境地。因此，作为电场建设和管理单位，应在电场建成后，请海事测绘部门实施电缆路由的测量，并将测量成果更新至相关海图。在海上风电场日常维护过程中还应加强电缆路由周围冲刷情况的监测。

（四）风电桩基的冲刷及基础监测

海上风电桩基础按照是否嵌岩分为嵌岩基础和非嵌岩基础，按照结构形式划分有重力式基础、单桩基础、高桩承台基础、导管架基础、漂浮式基础（尚处于研究和应用示范阶段）、筒（桶）型基础等[4]。根据《海上风电场工程风电机组基础设计规范》（NB/T 10105—2018），对风电基础的监测主要包括基础不均匀沉降、桩体周边海底冲刷程度、基础腐蚀情况、海生物生长情况、阴极保护电位、结构应力应变等。其中涉及海洋测绘方面的是桩体周边海底冲刷程度监测，主要方法是使用多波束系统对桩基础周围实施全覆盖扫测，通过大比例尺水深和水下数字地面模型（Digital Terrain Model）判断冲刷情况，同时可结合三维扫描声呐对桩基础周围实施冲刷形态观测，还可采用无人遥控潜水器（ROV）综合判断基础的健康状况。

（五）风电场附近水域水下地形监测

对风电场附近水域水下地形进行监测，可以判断风电场及附近水域的水下冲刷和海底地形演变情况，是实施风电场运行维护和判断风电桩基、海底电缆安全的基础性工作。有些海事部门在制定《海上风电通航安全监督管理规定》时也明确要求“建设单位应加强对风机基础、海缆路由工况及附近水域水下地形的监测，必要时采取工程措施进行维护”。对风电场附近水域水下地形的监测可以采用单波束结合重点水域多波束的手段。测量过程中对实时潮位数据的获取以及当地深度基准面的确定是难点之一，对此，应在风电场建设之初，考虑设置相应水文观测设施，获取当地深度基准和潮位数据，为后续扫测和日常监测提供支撑。

二、海上风电场测绘相关技术规范

海上风电场测绘工作遵照和参考的技术规范可以分为海洋测绘通用规范和风电场专用规范两类。

海洋测绘通用规范主要有：《海道测量规范》（GB 12327—1998），《水运工程测量规范》（JTS 131—2012），《通航尺度核定测量技术规范》（JT/T 1192—2018），《中国海图图式》（GB 12319—1998），《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T 18314—2009），《多波束测深系统测量技术要求》（JT/T 790—2010），《沿海港口航道测量技术要求》（JT/T 954—2014）等。

风电场专用规范主要有：《海底电缆管道路由勘察规范》（GB/T 17502—2009），《海上风电场工程测量规程》（NB/T 10104—2018），《海上风电场运行维护规程》（GB/T 32128—2015），《海洋调查规范 第8部分 海洋地质地球物理调查》（GBT 12763．8—2007），《海上风力发电场勘测标准》（GB 51395—2019）等。

三、风电场海底电缆探测方法探讨

从维护海事安全的角度，开展海底电缆的探测主要目的是探明海底电缆的准确走向，检验海底电缆是否按照设计要求铺设至预定路线，采集符合海图制作和出版要求的海底电缆定位数据，并更新公开出版的海图，提醒警示过往船舶，避免因船舶海上施工、锚泊、拖网等行为对海底电缆造成损坏，给航行带来安全隐患。

目前，我国海事测绘部门配备的可用于海底电缆探测的装备主要有：多波束扫测系统、旁侧声呐扫测系统、磁力仪系统、浅地层剖面仪系统等。下面结合海事测绘工作实际，探讨各种方法的特点。

（一）海缆敷设方式

根据不同的海域情况、施工工期及海缆型式等，海缆敷设方式可大致分为3类：直接抛放、先敷后埋和边敷边埋。直接抛放主要是依靠海缆的自身重量快速沉入大海底部，施工便捷，但是容易被船锚破坏，安全性差，一般推荐在深水区域采用。先敷后埋和边敷边埋都是深埋的方式，依靠机械设备将海缆埋设在海底，可以有效避免外力的破坏[5]。对于埋设的电缆，根据《海上风电场交流电缆选型敷设技术导则》（NB/T 31117—2017），不同区域的埋置深度要求不同。在近海海域跨越航道、锚地等与航运关联的海域，埋置深度不宜小于3．0 m。根据该导则，埋设电缆埋置深度至少为1．0 m，在泥、沙及泥沙混合软土底质，海底电缆埋置深度不宜小于2．0 m。

（二）多波束扫测

多波束系统是常用的海洋测绘设备，通过换能器发射和接收声学信号，全覆盖探测电缆铺设水域的精确水深，形成水下数字地面模型，描绘水下地形地貌，目前多用于高精度水深测量和水下地形全覆盖扫测、障碍物探测等工作。由于多波束系统是对海底表面进行测量，其对于直接抛放的电缆和刚铺设完成但尚未淤埋平整的沟槽有一定的扫测效果，可以获取电缆和沟槽的高精度位置和水深数据，形成水下三维模拟图像，从而直观判断电缆的铺设路径。但因为近海海域常用海底电缆的直径在120～260 mm，要想准确探测到直接抛放或裸露在海底表面的电缆和沟槽痕迹，需要对多波束系统进行稳定安装、精确校准率定、规范数据处理和质量检查，避免出现数据质量拼接等问题；同时，测量时须获取准确的潮位数据、声速剖面、姿态改正等数据，并在后期做好数据精细化处理，才能获取精准的电缆铺设路径。

（三）旁侧声呐扫测

旁侧声呐系统也是常用的水下探测装备，广泛应用于水下地形和障碍物扫测中，目前主流的旁侧声呐都具有高、低双频发射模式，既可大范围粗扫，也可实现小范围精扫，可以获取目标区域高分辨率的二维平面影像。在海事测绘工作实践中，声呐图像可以清晰扫测到平坦海底的锚链拖痕等较小尺寸痕迹，扫效率高、架设方便、图像易于辨别。因此，旁侧声呐对于裸露于海底表面的电缆，或高于海底泥面的沟槽，都具有快速高效的识别定位效果。但扫测中，旁侧声呐扫测图像是实时显示在电脑屏幕上的，如果所设计的扫测线与实际电缆走向偏差较大，或电缆走线蜿蜒曲折时，可能出现目标物不在显示屏幕内的情况，需要及时调整测线进行观测。因此，需要根据电缆铺设的施工情况合理布设扫测线，提高扫测效率。另外，当海况条件较差、水深较大时，可能会对探测精度产生影响。同时，旁侧声呐和多波束系统也都有一定的局限性，即对铺设时间较长，泥面痕迹已不明显的电缆，以及海底地形复杂或者甚至被地物遮挡的电缆识别能力不强，因此这两种探测方式较适用于对铺设完成后不久，海底地形较为平坦水域的电缆进行探测。

（四）磁力仪探测

海洋磁力经常用于海底表面或泥面下淤埋船骸、弃锚、管线等具有铁磁性物体的探测。其基本原理是如果某一区域存在外界铁磁性物体，则这一区域附近的磁力场将受到外界磁性物体的干扰，导致该位置处磁场强度出现变化，当磁力仪位于这一磁场附近时，其探测到的磁力数值将会发生突变，从而推算出铁磁性物体所处的位置。

海底电缆不通电时，磁性主要来自电缆中的金属铠装层，如江苏某风电场使用的220 kV海底电缆，外径为242．6 mm，在最外层聚丙烯绳纤维外被层下面，是由金属丝组成的厚约12 mm的金属铠装层。电缆通电时，电缆中的导体也将产生磁性。海底电缆的铁磁性铠装层材料和电缆中的电流会产生较强磁场，叠加在海底地磁背景场上，产生磁场异常，海底电缆产生的磁异常一般在0．5～150 nT之间，铯光泵海洋磁力仪，磁测灵敏度达到了0． 005 nT(采样率为1 Hz时)，能够反映海底微小的磁异常变化[6]。

磁力探测时一般垂直于海缆路由布置探测线，各条测线间隔一定距离，通过绘制磁测图，分析每条探测线上磁力异常出现的位置，连接各磁力异常点位即可得到海缆路由线路。需要注意的是，磁力仪的探测能力不仅同物体磁性大小有关，也同磁力仪与物体的距离有关，为了获得较好的探测数据，应在确保安全的条件下，尽量使磁力探测靠近目标电缆。磁力仪极易受船舶自身磁性和水下其他磁性物体如浮筒、锚链等影响，若使用铁质船舶探测，磁力仪拖缆长度一般应大于3倍船长，同时应注意分辨海底其他可能磁性物体产生的磁异常。

（五）浅地层剖面仪

浅地层剖面仪主要用于海洋地质探测，其发射的声波信号比测深仪频率更低、穿透力更强，当低频声波到达海底后，一部分被发射接收，一部分能穿透海底继续向更深层传递，当低频声波遇到不同分层的介质面时，又会有部分声波被反射，仪器上的接收换能器根据接收到回波信号的时间和强度不同，对回波信号进行放大和滤波处理后，即可将不同反射信号模拟成不同灰度的图像，从而反映出地层的不同分层结构。因此，浅地层剖面仪不仅可以探测海底淤埋物的位置，也可以探测其埋深。但与使用浅地层剖面仪探测地质分层不同，海底管线与地层之间的声阻抗差异，会以绕射弧的形态出现在声学剖面中[7]，在实际探测过程中应注意对浅地层剖面仪声学剖面的判读。浅地层剖面仪探测时，测线布设类似于海洋磁力仪，需垂直于海底电缆方向布置。结合多条垂直于电缆测线上的剖面图像，可定位出多个电缆探测点，各点连接起来可绘出海底电缆路由[8]。浅地层剖面仪具有较强的分辨能力，根据胡梦涛[8]等人的相关经验，浅地层剖面仪可以分辨出80 mm以上的海底电缆。目前我国风电场采用的海底电缆规格主要为35 kV、110 kV、220 kV，如江苏某海上风电35 kV海缆的外径为117．2～147．9 mm，220 kV海缆的外径为242．6 mm，电缆的埋深一般不大于5 m。因此，在有经验积累的基础上，浅地层剖面仪有较好的探测效果。

（六）其他探测技术和方法

除上述方法外，海上风电场电缆探测还有电磁感应探测技术、实时3D声呐技术、三维合成孔径声呐技术、中地层剖面探测技术可选。

电磁感应探测技术通过测量带电电缆产生的交变磁场在空间分布上的几何特征，计算得到电缆的位置和埋深。由电磁感应定律可知，在不接地回线中输入交变电流产生变化的磁场，最终由接收线圈接收二次磁场所对应的感应电压，从而确定目标物的距离，配合高度计可探测出海底电缆的埋深。目前工程中多使用ROV搭载TSS系列管缆跟踪系统，贴近海底面对带点海底电缆进行探测。系统运行时可以选择前向搜索模式和运行模式，先采用前向搜索模式确定电缆的位置，当确定电缆的位置之后，采用运行模式保持ROV处于电缆上方进行追踪探测，其完善的集成系统可以提供准确、连续的测量数据，确定电缆位置和埋藏状况，但缺点是需要使用ROV或拖体搭载TSS系统，探测成本较高，对海缆也有破坏风险。

水下3D实时成像声呐技术通过声呐系统向目标区域发射声波信号，利用声成像方法对接收到的回波信号进行处理，获得一系列二维图像（帧），通过计算机合成技术合成三维图像。工程中为了保证测量精度，须搭配惯性导航等系统进行姿态修正，以消除船舶纵横摇摆的影响。该技术使用三维立体波束成像功能，波束点密集且图像连续，在复杂场景中可提供清晰动态的水下桩基和海缆影像、高密度的水下构筑物和海床地形点云数据，并可实现检测结果的可视化，可用于新铺设电缆的探测和电缆冲刷情况监测。

三维合成孔径声呐技术利用小孔径声呐基阵沿空间匀速直线运动来虚拟大孔径声呐基阵，然后通过信号处理方法得到高分辨率的水下图像。三维合成孔径声呐系统在侧扫方式下工作，不仅能扫测海底面的状况，还具有一定的穿透能力，可采用低频信号实现泥面下目标的高分辨率成像，给出掩埋管缆目标的连续路由和连续埋深信息。尽管三维合成孔径声呐技术在海底掩埋目标探查中具有较大的优势，但目前成熟商用的设备种类不多。

中地层剖面探测技术原理和浅地层剖面仪类似，但是比常规浅剖系统发射功率高，地层穿透能力强，具有更高的横向分辨率和垂向分辨率。中地层剖面探测多用来查明海底以下 100 m内（或探测至基岩面）地层情况，提供探测深度范围内的覆盖层厚度、基岩面起伏及埋深、地质构造的分布及不良地质现象等[9]。结合高精度惯导姿态系统，可以对海底电缆进行平面位置和埋深的探测。在后期数据判读和处理时，需要排除各种干扰因素，准确识别电缆反射弧，建立电缆特征数据库，不断积累经验，提高判读的准确性。

上述各种设备和技术都有其适用范围和优缺点，应结合探测现场实际情况合理选用搭配，并按照勘察和测绘相关技术规范和设备使用手册严谨规范操作。

随着碳达峰碳中和目标的提出，作为中国能源绿色转型发展的一个重要战略支撑，未来海上风电场建设规模和范围将不断扩大。目前，海上风电场建设完成后的风电场周围障碍物扫测、海底电缆路由探测等工作尚未成为建设和管理单位的共识。建议相关部门在制定和修订海上风电通航安全监督管理规定等规范性文件时，将海上风电场施工完成后的相关通航尺度核定测量要求列入其中。同时，海事航海保障部门应进一步拓展对风电场建设的服务，提升航海保障测绘能力，满足风电场测绘和海图更新需求，与海事监管形成合力，更好保障风电场区域及周边通航水域的水上交通安全，维护风电企业的合法权益。