綜合地球物理方法在海底管道檢測(cè)中的應(yīng)用
——以舟山大陸引水工程為例

王恒波

(1.自然資源部 第三海洋研究所海洋與海岸地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門361005;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院,湖北 武漢430074)

隨著海洋經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展以及人類生活水平的不斷提高,為了海底石油輸送以及海島居民供水供電等的需求,人類在海底鋪設(shè)了越來(lái)越多的海底管線。由于受海流沖刷或者地質(zhì)災(zāi)害等因素的影響,海底管線會(huì)出露海底,甚至懸空、變形,從而造成管線的破裂或斷裂,供水供電等海底管道的斷裂會(huì)影響海島居民正常的工作生活,而海底石油管道的斷裂很可能會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和生態(tài)災(zāi)難。因此,定期檢測(cè)海底管線,尤其定期檢測(cè)強(qiáng)潮汐環(huán)境下的海底管線顯得尤為重要。

如何快速、高效和準(zhǔn)確地獲取海底管道的在位狀態(tài)是海底管道檢測(cè)的關(guān)鍵所在。近年來(lái),眾多學(xué)者嘗試研究多種方法對(duì)海底管線狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè),如來(lái)向華等[1]、魏景灝等[2]、蔣俊杰等[3]和安永寧[4]分別采用側(cè)掃聲吶對(duì)海底管線懸空狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)測(cè)量,獲取了海底管線的懸空和出露狀態(tài),但單獨(dú)的側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)精度和準(zhǔn)確度不夠,而且無(wú)法探測(cè)埋藏管線狀態(tài);王繼立等[5]采用淺地層剖面探測(cè)方法對(duì)海底管線進(jìn)行檢測(cè),能夠準(zhǔn)確地獲取管道的埋藏深度和出露高度,但是,淺地層剖面探測(cè)獲取的是斷面信息,對(duì)管道整體的出露長(zhǎng)度、位置偏移等狀態(tài)信息缺乏直觀表現(xiàn),也無(wú)法了解管道周邊的地形變化和微地貌特征等;周興華等[6]和董玉娟等[7]分別采用側(cè)掃聲吶和淺地層剖面探測(cè)相結(jié)合的方式對(duì)海底管線狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),可形成互補(bǔ),提高檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確度。除了上述聲學(xué)方法,還有磁力儀探測(cè)和水下人工探摸等方法,各有優(yōu)缺點(diǎn):磁力儀局限于探測(cè)磁性體,無(wú)法探測(cè)無(wú)磁性管道,而人工探摸雖然能夠獲得管道的準(zhǔn)確位置,但是費(fèi)時(shí)費(fèi)力,僅限于小范圍探測(cè)或者驗(yàn)證。隨著海底聲學(xué)技術(shù)的發(fā)展,單波束測(cè)深系統(tǒng)、多波束測(cè)深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶系統(tǒng)和淺地層剖面系統(tǒng)等多種聲學(xué)探測(cè)設(shè)備在精度和使用方便性方面都有了極大的提高[8],它們完全能夠滿足海底管線在位狀態(tài)探測(cè)的要求。

舟山群島位于杭州灣南部,是中國(guó)最大的群島。杭州灣是典型的高含沙量、強(qiáng)潮型海灣,海底管線容易受到潮流沖刷影響。本文以杭州灣南部舟山大陸引水工程海底管線檢測(cè)項(xiàng)目為例,將應(yīng)用單波束測(cè)深、多波束測(cè)深、側(cè)掃聲吶探測(cè)和淺地層剖面探測(cè)方法對(duì)海底管線的整體在位狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),以期快速、高效、準(zhǔn)確地摸清海底管線懸空、出露、淺埋等埋藏狀態(tài),為后續(xù)的管道治理與保護(hù)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究對(duì)象為舟山大陸引水工程項(xiàng)目中位于杭州灣口南部的4條海底水管,水管下海端在寧波鎮(zhèn)海,登陸端在舟山馬目,走向大致為NE向。4條水管分三期建設(shè),自南向北分別為一期管道、二期管道南、二期管道北、三期管道,管道間距50～80 m;一期管道外徑1.0 m,設(shè)計(jì)埋深1.0～1.5 m,埋設(shè)時(shí)間為2001年;二期管道管徑1.2 m,設(shè)計(jì)埋深1.0～1.5 m,埋設(shè)時(shí)間為2012年;三期管道管徑1.2 m,設(shè)計(jì)埋深1～2 m,鋪設(shè)于2017年。

研究區(qū)海底地形特征為西南部淺,東北部深且地形起伏較大,整體平緩東傾。研究區(qū)主要有西部淺灘和東部潮流沖刷槽兩大地貌單元。西部淺灘位于路由西南部,從鎮(zhèn)海海岸至10 m 等深線處(圖1),距離約20 km,約占路由總長(zhǎng)度的2/3,平均坡度0.25/1000(約0.9'),屬于灰鱉洋西部淺灘;東部潮流沖刷槽位于路由東北部,處于杭州灣口沖刷堆積平原與島間潮流沖刷槽的交匯海域,海底地形起伏較大,最大水深約20 m,主要包括西堠門沖刷槽尾梢和菰茨門沖刷槽尾梢地貌(圖1)。

圖1 海底管線位置Fig.1 Location of submarine pipelines

1.2 研究方法

2018年7月至8月,我們完成了舟山大陸引水工程海底管道檢測(cè)的野外測(cè)量工作,在此期間,采用的研究方法主要有單波束測(cè)深、多波束測(cè)深、側(cè)掃聲吶探測(cè)和淺地層剖面探測(cè)。

1.2.1 單波束測(cè)深

單波束測(cè)深系統(tǒng)采用換能器垂直向下發(fā)射短脈沖聲波,聲波遇到海底時(shí)反射返回,并被換能器接收,通過(guò)聲波在海底間的雙程旅行時(shí)間和水介質(zhì)的平均聲速確定水深值[9]。單波束測(cè)深系統(tǒng)的特點(diǎn)是單點(diǎn)連續(xù)測(cè)量,數(shù)據(jù)沿航跡十分密集,而在測(cè)線之間沒(méi)有數(shù)據(jù)分布。

本研究采用HY1600型數(shù)字式測(cè)深儀(無(wú)錫海鷹加科海洋技術(shù)有限公司生產(chǎn))進(jìn)行單波束測(cè)深,主要用來(lái)測(cè)量近岸5 m 以內(nèi)淺水區(qū),作為對(duì)多波束測(cè)深的補(bǔ)充。

1.2.2 多波束測(cè)深

多波束測(cè)深系統(tǒng)的工作原理與單波束測(cè)深儀的工作原理相似,但不同之處是:單波束測(cè)深通過(guò)接收聲波的反射信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,而多波束測(cè)深通過(guò)接收聲波的反向散射信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。多波束測(cè)深系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)射和接收是由n個(gè)組成一定角度分布的指向性正交的2組換能器來(lái)完成的。發(fā)射單元平行于船縱向(龍骨)方向,并呈兩側(cè)對(duì)稱向正下方發(fā)射扇形脈沖聲波。接收單元沿船橫向(垂直龍骨)排列。在垂直于測(cè)量船航向的方向上,通過(guò)波束形成技術(shù)在若干個(gè)預(yù)成波束角方向上形成若干個(gè)波束,根據(jù)各角度聲波到達(dá)的時(shí)間或相位就可以分別測(cè)量出每個(gè)波束對(duì)應(yīng)點(diǎn)的水深值[10]。若干個(gè)測(cè)量周期組合起來(lái)就形成了一條以測(cè)量船航跡為中心線的帶狀水深圖,因此多波束測(cè)深系統(tǒng)也被稱為條帶測(cè)深系統(tǒng)[11]。

本次多波束測(cè)深采用Reson SeaBat 7125 sv2多波束系統(tǒng),工作頻率為200 k Hz,波束為256束,多波束測(cè)線沿管道路由方向布置,測(cè)線間隔50 m,在淺水區(qū)根據(jù)數(shù)據(jù)覆蓋情況適當(dāng)增加測(cè)線密度,確保工程海域大于5 m 水深的海域范圍內(nèi)多波束數(shù)據(jù)全覆蓋。數(shù)據(jù)覆蓋了管道兩側(cè)100 m 區(qū)域。通過(guò)潮位改正,得到研究區(qū)水深數(shù)據(jù),并據(jù)此繪制海底地形圖。

1.2.3 側(cè)掃聲吶探測(cè)

側(cè)掃聲吶的工作原理是聲吶換能器發(fā)出聲脈沖,聲脈沖遇到海底或水中物體后發(fā)生散射,換能器接收返回的反向散射波,并將返回的聲波由聲能轉(zhuǎn)換成電能,距離近的回波先到達(dá)換能器,距離遠(yuǎn)的回波后到達(dá)換能器,在設(shè)備終端的顯示器或記錄器上形成一條掃描線,掃描線的灰度強(qiáng)弱取決于海底底質(zhì)性質(zhì)和海底起伏形態(tài)。掃描線一條緊挨一條有序地排列起來(lái),形成一幅記錄圖像,這樣我們便可觀察海底的所有特征和位于海底面的目標(biāo)[6]。

本研究側(cè)掃聲吶探測(cè)采用美國(guó)Klein S3000型側(cè)掃聲吶系統(tǒng),工作頻率為100 k Hz或500 k Hz,單側(cè)量程選用50～75 m,以滿足分辨率和覆蓋寬度的要求,達(dá)到相鄰測(cè)線掃測(cè)范圍重疊100%的要求。測(cè)量GPS接收天線和聲吶拖魚之間的位置關(guān)系,利用聲吶采集軟件自帶的Layback模塊進(jìn)行位置改正。側(cè)掃聲吶與多波束測(cè)深同步進(jìn)行,測(cè)線與多波束測(cè)線相同,聲吶數(shù)據(jù)有效覆蓋寬度為管道兩側(cè)各100 m 區(qū)域。通過(guò)對(duì)側(cè)掃聲吶的處理和解釋,確定海底管道出露情況,確定海底障礙物的位置、形狀、大小和分布范圍等,了解沖刷地貌等海底微地貌特征。

1.2.4 淺地層剖面探測(cè)

淺地層剖面探測(cè)的工作原理是淺地層剖面儀的換能器按一定時(shí)間間隔垂直向下發(fā)射聲脈沖,聲脈沖穿過(guò)海水觸及海底以后,部分聲能反射返回?fù)Q能器;另一部分聲能繼續(xù)向地層深層傳播,同時(shí)回波陸續(xù)返回,聲波傳播的聲能逐漸損失,直到聲波能量損失耗盡為止。通過(guò)測(cè)量聲波穿透地層傳播的時(shí)間,測(cè)量地層厚度,反映地層分層情況和各層底質(zhì)特征[6]。

本次淺地層剖面探測(cè)采用美國(guó)EdgeTech 3200-XS淺層剖面系統(tǒng)工作頻率2～12 k Hz,測(cè)線垂直于海底管道布設(shè),測(cè)線長(zhǎng)度400 m,測(cè)線間隔50 m,獲得垂直管道斷面655幅,通過(guò)對(duì)淺地層剖面的處理和解釋,獲得管道埋深位置信息及路由區(qū)淺部地層結(jié)構(gòu)信息。

2 結(jié)果與討論

2.1 水深地形

通過(guò)對(duì)單波束測(cè)深和多波束測(cè)深數(shù)據(jù)的處理,繪制了研究區(qū)水深地形圖(圖2)。由圖2可知,研究區(qū)水深(Z)變化范圍為2.0～19.5 m,西南側(cè)海底以淺灘為主,沿管道長(zhǎng)約18.5 km,水深2.0～12.0 m,平均水深7.0 m,由西南向東南微傾;東北側(cè)為2個(gè)凹槽,沿管道長(zhǎng)約12.9 km,分別為西堠門潮流沖刷槽的尾梢影響區(qū)和菰茨門潮流沖刷槽的尾梢影響區(qū),水深分別為12.0～19.5 m 和12.0～14.0 m;舟山登陸段長(zhǎng)約1.6 km,為水下岸坡和邊灘,水深2.0～12.0 m。

圖2 研究區(qū)海底地形Fig.2 Seafloor topography of the study area

2.2 海底地貌特征

通過(guò)單波束測(cè)深、多波束測(cè)深以及側(cè)掃聲吶探測(cè),我們查明了研究區(qū)海底地貌總體特征以及海底微地貌特征。研究區(qū)海底地貌總體特征為:西南部淺灘地貌,地形平坦;東北側(cè)有2個(gè)沖刷槽,分別為西堠門沖刷槽和菰茨門沖刷槽。海底微地貌有海底管道平面位置偏移、管道出露位置和出露長(zhǎng)度、管道溝以及海底片狀沖刷區(qū)等。研究區(qū)有一處海底管線平面位置偏移,位于一期管道KP12.9—KP14.6處,最大偏移145 m;管道出露分為在管道溝內(nèi)出露和在平均泥面以上出露兩種情況,大部分情況為在管道溝內(nèi)出露,一期、二期和三期管道均有在管道溝內(nèi)出露的情況出現(xiàn),其中,二期管道南線和北線在沖刷區(qū)(大約KP10.0—KP21.0)均大面積出露,一期管道和三期管道在管道內(nèi)出露的情況只是零星出現(xiàn)(圖3和圖4)。在平均泥面上出露的海底管道主要是少部分二期管道和三期管道鎮(zhèn)海近岸段和馬目近岸段;管道溝在研究區(qū)廣泛存在,為管道敷設(shè)后未完全回淤的溝槽(圖5),大多數(shù)溝內(nèi)管道未出露,僅少部分管道溝內(nèi)管道出露;海底片狀沖刷區(qū)在路由約KP9—KP19海域,沖刷微地貌呈條帶狀或不規(guī)則片狀,走向近NW—SE 向,與該海域潮流流向相近,相對(duì)沖刷幅度可達(dá)數(shù)十厘米,部分沖刷微地貌疊加比較明顯的流痕(圖6和圖7)。

圖3 多波束探測(cè)到的管道出露Fig.3 Exposures of submarine pipelines detected by multi-beam bathymetry

圖4 側(cè)掃聲吶探測(cè)到的海底管線出露Fig.4 Exposures of submarine pipelines detected by side-scan sonar

圖5 多波束探測(cè)到的海底管道溝Fig.5 Submarine pipeline grooves detected by multi-beam bathymetry

圖6 多波束探測(cè)到的海底片狀沖刷區(qū)Fig.6 Seabed sheet scouring area detected by multi-beam bathymetry

2.3 管道埋藏狀況

研究區(qū)內(nèi)4條海底管道為一期管道、二期管道南線、二期管道北線和三期管道,管道埋藏狀況可以分為管道淺埋區(qū)(可回淤)、管道淺埋區(qū)(不回淤)、管道出露區(qū)(管溝內(nèi))、管道出露區(qū)(海底面上)和未來(lái)危險(xiǎn)區(qū)五種。管道淺埋區(qū)(可回淤)是管道處于淺埋、臨界出露狀態(tài),但位于淤積區(qū),后期會(huì)自然回淤的區(qū)域;管道淺埋區(qū)(不回淤)是管道處于淺埋狀態(tài),但位于沖刷區(qū),后期不會(huì)自然回淤的區(qū)域;管道出露區(qū)(管溝內(nèi))是管道在管溝內(nèi)出露的區(qū)域;管道出露區(qū)(海底面上)是管道直接出露于海底面之上的區(qū)域,主要由管道溝深度不足所致;未來(lái)危險(xiǎn)區(qū)是海底管道區(qū)暫時(shí)滿足設(shè)計(jì)埋深要求,但管道處于沖刷區(qū),經(jīng)過(guò)一段時(shí)間管道可能出現(xiàn)淺埋、出露或懸空狀況的區(qū)域。海底管道在淺地層剖面圖譜上表現(xiàn)為拋物線形狀的繞射波,拋物線頂部指示管頂位置,管頂位置為海底面以上表示管道出露(圖8),管頂位置為海底面以下且深度小于設(shè)計(jì)埋深表示管道淺埋(圖9)。根據(jù)探測(cè)結(jié)果繪制了研究區(qū)海底管道埋藏狀況圖(圖10),由圖10可知,管道出露主要見于二期管道南線和二期管道北線,多位于海底沖刷區(qū)位置,一期管道和三期管道僅在近岸段有零星出現(xiàn);管道淺埋在4條管道均有出現(xiàn),主要位于近岸段和海底沖刷區(qū)。

1)一期管道:KP5.20-KP7.85為管道淺埋區(qū)(可回淤),KP9.10-KP9.65為管道淺埋區(qū)(不回淤),該位置管道淺埋并有3處明顯的管道出露情況,KP10.40-KP18.35為未來(lái)危險(xiǎn)區(qū)。

2)二期管道南線:KP7.50-KP10.05,KP11.50-KP12.05,KP22.45-KP23.95和KP24.40-KP28.35為管道淺埋區(qū)(不回淤),KP19.20-KP19.80 和KP31.40-KP31.95 為管道淺埋區(qū)(可回淤),KP10.10-KP11.40和KP12.20-KP13.70為管道出露區(qū)(管溝內(nèi))且位于沖刷區(qū),最大出露高度為1.0 m,管溝平均深度約為1.1 m,管道后期不會(huì)自然回淤;KP18.60-KP18.85為管道出露區(qū)(管溝內(nèi))且位于淤積區(qū),平均出露高度約為0.2 m,最大出露高度為0.5 m,管溝平均深度約為0.3 m,后期會(huì)自然回淤;KP24.00-KP24.35為管道出露區(qū)(海底面上),平均出露高度約為0.3 m,最大出露高度為0.8 m,該處管道處于沖刷區(qū),后期不會(huì)自然回淤。KP13.80-KP16.90為未來(lái)危險(xiǎn)區(qū)。

3)二期管道北線:KP8.75-KP10.05,KP21.35-KP23.60 和KP24.40-KP29.4 為管道淺埋區(qū)(不回淤),KP31.50-KP31.80為管道淺埋區(qū)(可回淤),KP10.15-KP11.75,KP12.70-KP13.05和KP21.00-KP21.30為管道出露區(qū)(管溝內(nèi))且位于沖刷區(qū),后期不會(huì)自然回淤;KP23.70-KP24.35為管道出露區(qū)(海底面上),平均出露高度約為0.3 m,最大出露高度為0.7 m,處于沖刷區(qū),后期不會(huì)自然回淤;KP13.05-KP16.95為未來(lái)危險(xiǎn)區(qū),在該區(qū)發(fā)現(xiàn)5處管道微出露于管道溝內(nèi)的情況。

4)三期管道:KP0.15-KP0.25,KP0.60-KP0.80 和KP31.60-KP32.60 為管道出露區(qū)(海底面上),KP6.30-KP6.65為管道淺埋區(qū)(可回淤),KP11.3-KP18.5為未來(lái)危險(xiǎn)區(qū)。

圖8 淺地層剖面探測(cè)到的海底管線出露Fig.8 Exposures of submarine pipelines detected by sub-bottom profiler

圖9 淺地層剖面探測(cè)到的海底管線淺埋Fig.9 Shallow buried state of submarine pipelines detected by sub-bottom profiler

圖10 研究區(qū)海底管道埋藏狀況Fig.10 Buried status of submarine pipelines in the study area

3 結(jié) 論

舟山大陸引水工程是解決舟山市水資源緊缺的重要工程,位于杭州灣南部海域,該海域?qū)儆趶?qiáng)潮海域,背景沖刷強(qiáng)烈,路由區(qū)內(nèi)有菰茨門沖刷槽和西堠門沖刷槽兩個(gè)潮流沖刷槽,所以,對(duì)該工程海底供水管線的定期檢測(cè)十分重要。本次檢測(cè)充分運(yùn)用了4種地球物理方法,包括單波束測(cè)深、多波束測(cè)深、側(cè)掃聲吶探測(cè)和淺地層剖面探測(cè)。多波束測(cè)深系統(tǒng)測(cè)量范圍大、測(cè)量速度快、精度和效率高,特別適合在水深大于5 m 的海域進(jìn)行大面積的海底地形探測(cè),單波束測(cè)深用于水深小于5 m 的淺水區(qū)域作業(yè),是多波束測(cè)深的有效補(bǔ)充,通過(guò)單波束和多波束測(cè)深,可以了解測(cè)區(qū)整體海底地形特征。多波束測(cè)深和側(cè)掃聲吶結(jié)合,可以查明研究區(qū)海底地貌總體特征以及海底微地貌特征,準(zhǔn)確查明海底管道平面位置偏移、管道出露位置和出露長(zhǎng)度、管道溝位置等管道信息;淺地層剖面探測(cè)通過(guò)合理的測(cè)線布設(shè),可以準(zhǔn)確地查明海底管線懸空、出露或淺埋狀態(tài);淺地層剖面探測(cè)和多波束、側(cè)掃聲吶結(jié)合分析,可以清晰地了解出露管線的具體特征和出露范圍。因此,綜合地球物理方法的應(yīng)用,可以有效地增強(qiáng)不同數(shù)據(jù)之間的互補(bǔ),提高海底管線檢測(cè)的效率和質(zhì)量。

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