側(cè)掃聲吶在海底管道路由調(diào)查中的應(yīng)用

肖志廣，潘廣山，劉圣彪，胡慶輝

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側(cè)掃聲吶在海底管道路由調(diào)查中的應(yīng)用

肖志廣1，潘廣山2，劉圣彪1，胡慶輝2

( 1.中國(guó)海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 濰坊 261021)

在復(fù)雜的海洋環(huán)境中，海底管道局部懸空和周圍土層的沖刷是影響管道安全的重要因素。本文針對(duì)某海域海底輸油管道的安全狀態(tài)問(wèn)題，利用側(cè)掃聲吶對(duì)管道在役狀態(tài)及管道區(qū)海底地形、地貌特征開展了探測(cè)工作；結(jié)合管道區(qū)水動(dòng)力條件和海底沉積物工程性質(zhì)，分析了未沖刷海底、局部沖刷海底、塌陷凹坑和管道局部裸露懸空時(shí)的側(cè)掃聲吶圖像特征。結(jié)果表明，聲強(qiáng)度對(duì)各種異常海底都有明顯的反映，當(dāng)海底未沖刷時(shí)，聲波強(qiáng)度很弱，圖像中呈現(xiàn)出亮色區(qū)域；當(dāng)聲波強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，為局部沖刷海底，圖像表現(xiàn)為深暗色調(diào)；當(dāng)出現(xiàn)塌陷凹坑時(shí)，聲波強(qiáng)度會(huì)突然很弱，甚至沒(méi)有，圖像中上部為深色調(diào)，下部為淺色調(diào)；而當(dāng)管道局部裸露懸空時(shí)，聲波強(qiáng)度很強(qiáng)，在圖像中呈現(xiàn)黑色的深色調(diào)。同時(shí)也證實(shí)了側(cè)掃聲吶探測(cè)法在海底管道安全狀態(tài)調(diào)查中是可行的、有效的。

海底管道；側(cè)掃聲吶；圖像特征；在役狀態(tài)；沖刷

( 1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,OceanUniversityofChina,QingdaoShandong266100,China；2.Shandong4thInstituteofGeologyandMineralResourcesExploration,WeifangShandong261021,China)

1 引 言

海底管道被視為海上石油的生命線。近幾十年來(lái)，隨著海洋石油工程的發(fā)展，海底管道鋪設(shè)日益增多。自1954年美國(guó)Brown & Root公司在墨西哥灣鋪設(shè)世界上第一條海底管道以來(lái), 世界各國(guó)已在北海、墨西哥灣、地中海等海域累計(jì)鋪設(shè)了數(shù)十萬(wàn)千米的海底管道[1]。由于我國(guó)海洋石油開采較晚、技術(shù)設(shè)備相對(duì)落后，但在引進(jìn)、消化吸收的基礎(chǔ)上，近年來(lái)也得到了迅速發(fā)展。海底管道作為一種經(jīng)濟(jì)、有效的油氣運(yùn)輸設(shè)施，具有陸地交通運(yùn)輸無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。然而，由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，在強(qiáng)烈的水動(dòng)力(波浪、海流等)條件下，有些鋪設(shè)時(shí)間較早的海底管道周圍土層很容易被沖刷、掏空，引起管道懸空，進(jìn)而直接暴露在海水中，對(duì)管道的安全埋下隱患[2]。世界上已經(jīng)有過(guò)許多諸如管道失穩(wěn)，管道折斷的事故發(fā)生。如2010年，由于海底管道斷裂導(dǎo)致墨西哥灣發(fā)生石油泄漏事故，無(wú)論是對(duì)海洋環(huán)境的影響，還是人類的財(cái)產(chǎn)安全都造成了巨大的傷害[3]。因此，采用適當(dāng)?shù)氖侄螌?duì)海底管道路由以及海底地形、地貌的調(diào)查，對(duì)準(zhǔn)確確定誘發(fā)海底管道失穩(wěn)的影響因素，適時(shí)采取維護(hù)措施、確保海底管道路由的正常運(yùn)營(yíng)具有重要意義。

對(duì)海底管道在役狀態(tài)的調(diào)查方法較多，早期采用人工淺水探摸法，但這種方法效率低，通常適用于淺海。隨著深海儀器設(shè)備水平的不斷提高，相繼出現(xiàn)了ROV技術(shù)、多波束測(cè)深技術(shù)、側(cè)掃聲吶、海洋磁力儀和淺地層剖面儀等。其中側(cè)掃聲吶法是一種目前廣泛采用的方法，對(duì)探測(cè)海底工程構(gòu)筑物形態(tài)，海底地形、地貌具有良好的效果[4,5]。側(cè)掃聲吶探測(cè)法具有兩個(gè)突出的特點(diǎn)：① 分辨率高，可以顯示海底微地貌形態(tài)和分布；② 可獲取連續(xù)、全覆蓋的海底聲學(xué)圖譜影像[6-8]。因此，被廣泛應(yīng)用于海洋工程勘探，如海底電纜、海底輸油管道的路由器調(diào)查等[9]。

本文采用側(cè)掃聲吶探測(cè)的方法，在某海域海底管道路由調(diào)查中進(jìn)行聲學(xué)剖面探測(cè)。結(jié)合實(shí)測(cè)資料，分析了可能誘發(fā)海底管道失穩(wěn)地質(zhì)現(xiàn)象的典型圖像特征，以便為海底管道路由的安全運(yùn)營(yíng)提供依據(jù)。

2 側(cè)掃聲吶工作原理

側(cè)掃聲吶基本系統(tǒng)的組成一般包括工作站、絞車、拖魚、熱敏記錄器或打印機(jī)、GPS導(dǎo)航定位儀及其它外部設(shè)備[10]。拖魚在測(cè)量過(guò)程中拖在測(cè)量船后，通過(guò)電纜與船上記錄系統(tǒng)連接。工作時(shí)，聲吶發(fā)射窄波束、一定周期的高頻聲波，并在一定角度范圍內(nèi)掃描，當(dāng)高頻聲波遇到海底后被反射回到聲吶接收換能器，并將聲波由聲能轉(zhuǎn)換成電能，通過(guò)電纜向上傳送到海面上的記錄顯示單元內(nèi)。將每一條掃描線有序地排列起來(lái)，并以灰度或者彩色圖像的方式顯示在屏幕上。根據(jù)反射聲波圖像的強(qiáng)度特征，就可以了解海底的地形、地貌特征，進(jìn)而分析海底管道周圍的沖刷狀況[11]。

圖1 側(cè)掃聲吶觀測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Observation system diagram of side-scan sonar

圖1為側(cè)掃聲吶的觀測(cè)系統(tǒng)示意圖。其中線段A為拖魚深度，線段B為拖魚到海底的高度，線段C為拖魚到目標(biāo)物的斜距，線段D為聲圖陰影區(qū)長(zhǎng)度，線段E為目標(biāo)物的高度。

3 資料處理與解釋

3.1 聲吶數(shù)據(jù)的處理

側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)的處理是獲取海底信息的重要環(huán)節(jié)，通常需要以下幾個(gè)步驟。

1)聲速校正。側(cè)掃聲吶是一種以二維平面圖像形態(tài)測(cè)繪水下微地貌特征的儀器[12]。聲吶系統(tǒng)并不是直接測(cè)量深度或者距離，實(shí)際上測(cè)量的是從所發(fā)射的聲吶脈沖離開換能器在介質(zhì)中傳播到目標(biāo)，然后返回?fù)Q能器的時(shí)間，而測(cè)量結(jié)果需要的是從換能器到目標(biāo)的距離，這個(gè)距離是與聲波的傳播時(shí)間相關(guān)的，即與聲波在水中的速度相關(guān)的。因此首先需要確定海水中聲波的速度，通常的做法是使用數(shù)字溫度計(jì)測(cè)量海水表層、中層和底層的水溫，求出該海區(qū)的平均水溫，再用該海區(qū)的鹽度值[13]，利用已知的聲速經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算海區(qū)的聲速，進(jìn)行聲速改正。

2)潮位改正。側(cè)掃聲吶最終的測(cè)量成果中應(yīng)體現(xiàn)為目標(biāo)體距離參考基準(zhǔn)面的深度。因受到周期性漲落潮的影響，測(cè)量時(shí)的海面高程并非與參考基準(zhǔn)面高程一致，需要在測(cè)量時(shí)同步驗(yàn)潮，獲得即時(shí)的潮位信息。

3)時(shí)變?cè)鲆?。聲波在海水中存在吸收、擴(kuò)散、散射，它們都會(huì)減弱返回到聲吶的信號(hào)強(qiáng)度，且衰減變化的范圍很大。為了彌補(bǔ)這種損失，使回聲波信號(hào)能夠在整個(gè)量程上均勻地顯示，必須加一個(gè)隨時(shí)間變化的增益(簡(jiǎn)稱TVG)到回波信號(hào)上，以補(bǔ)償聲波在傳播過(guò)程中所產(chǎn)生的損耗。

4)鑲嵌。目的是將各條測(cè)線獲得的瀑布圖拼接為整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)的海底圖像。其方法包括消除涌浪效應(yīng)的平滑濾波和海底跟蹤。

3.2 聲吶圖像的解釋

聲吶圖像的色調(diào)變化所反映的各類圖像特征是解釋聲圖目標(biāo)的關(guān)鍵，而影響色調(diào)變化的因素在于換能器接收聲波的強(qiáng)弱變化，引起聲波強(qiáng)弱變化的主要因素有海底起伏、底質(zhì)類型與粗糙度、水中目標(biāo)的性質(zhì)與狀態(tài)、各類噪聲以及水體物理特性的變化等。絕大多數(shù)聲吶系統(tǒng)中，強(qiáng)回聲信號(hào)在監(jiān)視器和記錄儀上顯示黑色或深色的，這種現(xiàn)象通常發(fā)生在粗糙海底或者存在人工構(gòu)筑物的情況；而對(duì)于平滑海底，只會(huì)有很少的反散射回聲信號(hào)返回到接收換能器，此時(shí)圖像將會(huì)表現(xiàn)為淺色調(diào)。

4 工程概況

探測(cè)區(qū)域位于某河口三角洲上，屬于水下三角洲岸坡和水下平原部分。近幾年的資料顯示，該區(qū)域海洋動(dòng)力逐年增強(qiáng), 且具有較強(qiáng)的輸沙能力, 長(zhǎng)期存在的余流可將較細(xì)的懸移質(zhì)泥沙輸往外海,每年都要發(fā)生的風(fēng)暴潮對(duì)于泥沙的輸送也有舉足輕重的作用,從而對(duì)海床大沖大淤，并可能導(dǎo)致海床土體液化，對(duì)海底管道路由產(chǎn)生影響。

調(diào)查采用英國(guó)Geoacoutics公司生產(chǎn)的2094 Digital聲吶系統(tǒng)同步測(cè)深儀開展工作，導(dǎo)航定位采用Trimble GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)。調(diào)查范圍為某海域海底輸油管道兩側(cè)各250 m，長(zhǎng)度為0.54 km。

5 典型地質(zhì)圖像特征

5.1 未沖刷海底

側(cè)掃聲吶以扇形波來(lái)發(fā)射聲脈沖，聲波向拖魚兩側(cè)傳播，并被海底物質(zhì)反向散射，對(duì)于平滑的海底表面，由于海底的吸收作用和反散射現(xiàn)象較弱，基本上沒(méi)有能量返回到側(cè)掃聲吶換能器，因此在記錄上顯示成亮色區(qū)域。圖2為典型平滑海底的側(cè)掃聲吶圖像。由圖2可以看出探測(cè)區(qū)域內(nèi)圖像整體呈現(xiàn)淺色調(diào)，這是由于表層沉積物顆粒較細(xì)，聲波反射強(qiáng)度弱且均勻所造成的。同步測(cè)深資料也揭示了該海域海底平滑，深度變化小。這類地貌多分布在水深大于10 m的深水區(qū)域，水動(dòng)力條件較弱[14]。

5.2 沖刷海底

由于海底底質(zhì)物理性質(zhì)的差異，在海流作用下，局部海域沉積物容易受到強(qiáng)烈的沖刷，從而產(chǎn)生條帶狀、月牙狀及斑塊狀小型凹坑。圖3為沖刷海底的典型側(cè)掃聲吶圖像。由圖3可見，沖刷凹坑處，表現(xiàn)為深、暗色調(diào)。這是由于凹坑邊緣斜坡處粗糙海底引起的聲吶回聲能量增強(qiáng)所致。研究資料表明該類地貌體多分布在水深小于的區(qū)域，水力條件較強(qiáng)。

圖2 平滑海底聲吶圖譜Fig.2 Smooth seabed sonar image

圖3 粗糙海底聲吶圖譜Fig.3 Rough seabed sonar image

5.3 塌陷凹坑

深色的回聲和淺色的陰影斑紋常常表現(xiàn)出海底底床上目標(biāo)的凸起和凹陷，在凹陷的情形中，海底下陷。底部沒(méi)有反射回聲學(xué)能量，這樣將導(dǎo)致在記錄上出現(xiàn)淺色的區(qū)域。在凹陷的下降沿上，聲吶脈沖將會(huì)遇到一面向聲吶換能器的斜坡，這樣在記錄上將產(chǎn)生深色的反射信號(hào)。這種深色跟隨在淺色區(qū)域后面的記錄模式為典型的凹陷，如圖4所示。由圖4可見，海底存在面積較大的凹坑，凹坑處水深比周圍深0.5～1.0 m左右。這種現(xiàn)象在井組平臺(tái)周圍極為發(fā)育，在管道路由和樁腿附近僅分布著較小的橢圓形凹坑，這是由于路由和樁腿的存在改變了平臺(tái)周圍原有的水動(dòng)力環(huán)境，水流流速增加，地層受到強(qiáng)烈沖刷。

5.4 裸露(懸空)

聲學(xué)陰影對(duì)側(cè)掃聲吶記錄圖譜解釋有很大的幫助，人造物體經(jīng)常伴有輪廓線非常明確、清晰的聲學(xué)陰影。圖5為某測(cè)線局部海底管道裸露時(shí)的側(cè)掃聲吶圖像，顯示出管線橫臥在海底并出現(xiàn)了懸空。由圖5可以看到，由金屬管道對(duì)聲波的強(qiáng)反射作用，在圖像中呈現(xiàn)黑色的深色調(diào)；同時(shí)由于管道對(duì)聲波的阻擋作用，其中一側(cè)有明顯的淺、亮色聲學(xué)陰影，使得裸露管道在圖像上表現(xiàn)為具有凸起特征的圖像。借助于陰影的長(zhǎng)度，可以計(jì)算出管道懸空的高度。

圖4 塌陷凹坑聲吶圖譜Fig.4 Collapse pit sonar image

圖5 裸露(懸空)管道聲吶圖譜Fig.5 Exposed (suspended) pipeline sonar image

6 結(jié) 論

本文根據(jù)具體的事例，討論了側(cè)掃聲吶在海底管道路由調(diào)查中應(yīng)用，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

1)側(cè)掃聲吶圖像可以清晰地反映海底油氣管道的在役狀態(tài)，并能精確刻畫海底地形、地貌形態(tài)、海底障礙物和沖刷狀況，證實(shí)了方法的高效性和可行性。

2)通過(guò)對(duì)側(cè)掃聲吶典型圖像分析，得出了平滑海底表現(xiàn)為淺色調(diào)圖像，海底沖刷為深、淺色調(diào)相間出現(xiàn)，塌陷凹坑內(nèi)部為淺色調(diào)、凹坑斜坡帶為深色調(diào)，而海底管線則表現(xiàn)為深色線狀帶、管道邊緣具有淺色回聲陰影區(qū)的結(jié)論。

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The Application of Side-scan Sonar to Investigation of Submarine Pipeline Route

Xiao Zhiguang1，Pan Guangshan1，Liu Shengbiao2，Hu Qinghui2

In complex marine environment, local suspension of submarine pipelines and scouring of seabed soil is one of the important factors which affect the safety of the pipeline. Aiming at the problem of the safe-state of submarine oil pipelines, the side-scan sonar method was used to detect in-service state of pipelines and the seafloor topography, geomorphology in pipeline area. Combined with the hydrodynamic conditions and the seabed sediment physical properties, the characteristics of the non-erosion seafloor, the partial scour seafloor, the collapse pit and the local suspension of pipelines in side-scan sonar images were discussed. The results show that the sound wave intensity can reflect variable abnormal seabed, when it is the non-erosion seafloor, the sound wave intensity is weak, showing the bright area in the image; when the sound wave intensity is strong, it is the partial scour seafloor, showing the darker hue in the image; when it is the collapse pit, the sound wave intensity becomes very weak suddenly and even none, the upper part of the image is dark hue, the lower is light hue; when it is the local suspension of pipelines, the sound wave intensity is grand, showing black dark hue in the image. It is high effective and feasible for using the side-scan sonar method in detecting the safety status of submarine pipelines.

submarine pipeline; side-scan sonar; image characteristics; in-service state; scouring

1672—7940(2016)05—0627—05

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.05.012

國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào)：41427803)

肖志廣(1989-)，男，碩士，主要從事工程勘察、巖土工程風(fēng)險(xiǎn)控制方面研究工作。E-mail: xiaozhiguang1989@126.com

P631

A

2016-06-05