西氣東輸海底管道地形地貌探測(cè)

張 平，王志良

1. 辰源海洋科技（廣東）有限公司，廣東 廣州 510300；

2. 國(guó)家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心，廣東 廣州 510300

0 引 言

西氣東輸二線管道的建成，將中亞天然氣與我國(guó)聯(lián)網(wǎng)，為長(zhǎng)三角、珠三角和香港地區(qū)提供可靠的天然氣資源保障。西氣東輸二線包括1 條干線和8 條支線，其中香港支線位于珠江口海域，海底管道建成運(yùn)營(yíng)后，需要進(jìn)行定期檢測(cè)[1]。在最近一次檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)海底管道西側(cè)分布了不少采砂活動(dòng)區(qū)，采砂坑邊緣處水深變化劇烈，采砂活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大的深坑和較陡的邊坡，采砂坑的存在會(huì)對(duì)海洋水動(dòng)力環(huán)境造成一定的影響[2]。由于采砂區(qū)底部水深已經(jīng)超過(guò)管道頂部標(biāo)高，對(duì)管道的安全構(gòu)成了較大隱患，如果采砂區(qū)繼續(xù)向管道方向擴(kuò)展將可能嚴(yán)重影響管道的在位正常運(yùn)行。為確保海底管道運(yùn)行安全，需要對(duì)西氣東輸二線香港支線大陸段海底管道兩側(cè)進(jìn)行調(diào)查，查明采砂坑目前的分布范圍、大小、水深情況、邊坡地形地貌情況等。為此，本文根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，采用側(cè)掃聲納掃測(cè)、多波束水深測(cè)量以及淺地層剖面測(cè)量并輔以單波束水深測(cè)量和表層沉積物采樣等手段，掃測(cè)香港支線大陸段海底管道重點(diǎn)區(qū)域的地形地貌，獲取采砂坑的分布和特點(diǎn)，為相關(guān)研究和決策提供參考。

1 調(diào)查范圍

根據(jù)管道檢測(cè)結(jié)果、歷史海砂開采區(qū)分布情況，確定調(diào)查范圍為深圳段海管的東西兩側(cè)，調(diào)查面積約45 km2。由于管道周邊實(shí)際采砂活動(dòng)范圍不明確，已發(fā)現(xiàn)的采砂活動(dòng)區(qū)和距離管道較近的歷史采砂區(qū)為重點(diǎn)調(diào)查范圍，面積約13 km2。同時(shí)，根據(jù)側(cè)掃聲吶的全域掃測(cè)結(jié)果適時(shí)調(diào)整多波束調(diào)查和淺地層剖面調(diào)查范圍，對(duì)勾勒出的采砂活動(dòng)范圍開展多波束水深調(diào)查工作（圖1）。

圖1 測(cè)區(qū)范圍Fig.1 Measuring area range

2 探測(cè)技術(shù)方法

2.1 測(cè)量技術(shù)

1）水深測(cè)量技術(shù)。海洋水深測(cè)量目前主要采用單波束或多波束測(cè)量方式進(jìn)行[3]。單波束測(cè)深儀采用換能器向水下發(fā)生超聲波，利用計(jì)時(shí)器計(jì)算超聲波在海底往返的時(shí)間，然后計(jì)算出海底到換能器位置的水深[4]，再利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)等方式，得到換能器的三維位置坐標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮水深改正、潮汐改正、聲速改正等[5]。多波束測(cè)深系統(tǒng)是從單波束測(cè)深系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的，多波束測(cè)深儀可以發(fā)射超聲波脈沖，反射的信號(hào)也可以被多個(gè)接納器接收，相對(duì)于單波束測(cè)深系統(tǒng)而言，能夠獲得海量的測(cè)深值，具有分辨率高、精度高、覆蓋范圍大、自動(dòng)化成圖、效率高等特點(diǎn)[6]。

2）側(cè)掃聲吶掃測(cè)技術(shù)。側(cè)掃聲吶是利用回聲測(cè)深原理來(lái)探測(cè)海底地貌和水下物體，根據(jù)海底表面物質(zhì)背散射特征的差異來(lái)判斷目標(biāo)物的沉積屬性或形態(tài)特征[7]。側(cè)掃聲吶通常安裝在拖體上，到海底面的距離是可以調(diào)節(jié)的，作業(yè)時(shí)向兩側(cè)發(fā)送寬角度聲波波束，可以覆蓋海底大面積區(qū)域，通常單側(cè)每個(gè)條帶探測(cè)寬度可以達(dá)到數(shù)十米到數(shù)百米，然后接收海底返回的背散射數(shù)據(jù)對(duì)海底進(jìn)行成像，能直觀地提供海底形態(tài)的聲成像。與多波束水深測(cè)量技術(shù)相比，側(cè)掃聲吶不能準(zhǔn)確給出海底的深度，橫向分辨率取決于聲吶陣的水平角寬[8]?？傮w來(lái)看，側(cè)掃聲吶適合做大面積測(cè)量，多波束水深探測(cè)適合于確定對(duì)象的精細(xì)測(cè)量[9]。

3）地層剖面探測(cè)技術(shù)。地層剖面探測(cè)是在回聲測(cè)深技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，利用聲波在水中和水下沉積物內(nèi)傳播和反射的特性來(lái)探測(cè)水底地層剖面[10]。對(duì)海洋、江河、湖泊底部地層進(jìn)行剖面主要采用淺地層剖面儀，聲波信號(hào)通過(guò)水體穿透床底后繼續(xù)向底床更深層穿透，結(jié)合地質(zhì)解釋，可以探測(cè)到海底以下淺部地層的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造情況。淺地層剖面探測(cè)在地層分辨率和地層穿透深度方面有較高的性能[11]，以聲學(xué)剖面圖形反映淺地層組織結(jié)構(gòu)，能夠經(jīng)濟(jì)高效地探測(cè)海底淺地層剖面結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。

2.2 掃測(cè)方案

為了充分了解海底地形地貌，采用單波束和多波束測(cè)量技術(shù)、側(cè)掃聲吶技術(shù)和地層剖面探測(cè)技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)前期大范圍掃測(cè)和后期局部精細(xì)化探測(cè)相結(jié)合，能夠充分利用各類技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高精度海底地形地貌測(cè)量[12]。具體掃測(cè)方案如下。

1）首先對(duì)調(diào)查范圍內(nèi)進(jìn)行全域的側(cè)掃聲吶掃測(cè)，辨識(shí)采砂區(qū)砂體堆積及沖刷，尋找采砂活動(dòng)痕跡，以確定采砂活動(dòng)區(qū)的分布。側(cè)掃聲吶調(diào)查的同時(shí)，同步開展單波束水深測(cè)量作業(yè)。

2）根據(jù)側(cè)掃聲吶的掃測(cè)結(jié)果，輔以單波束測(cè)得的水深地形數(shù)據(jù)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)初步解譯。摸清楚采砂活動(dòng)區(qū)的空間位置分布之后，初步劃定采砂坑區(qū)域。

3）采用多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)上一步劃定的采砂坑區(qū)域開展精細(xì)的水深地形調(diào)查，重點(diǎn)調(diào)查近管道側(cè)的采砂坑邊坡現(xiàn)狀，獲取采砂區(qū)全覆蓋水深地形數(shù)據(jù)。此外，對(duì)采砂區(qū)與管道之間開展地層剖面結(jié)構(gòu)調(diào)查。

水深地形測(cè)量工作貫穿于整個(gè)調(diào)查期間，先期隨側(cè)掃聲吶掃測(cè)采砂活動(dòng)區(qū)開展單波束水深地形測(cè)量，明確采砂活動(dòng)區(qū)分布后，針對(duì)采砂區(qū)開展多波束全覆蓋水深地形測(cè)量，為滿足水深測(cè)量需要，測(cè)量期間需同步開展潮位觀測(cè)、聲速剖面（SVP）觀測(cè)用以輔助。使用驗(yàn)潮站的實(shí)時(shí)驗(yàn)潮數(shù)據(jù)對(duì)水深測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行潮汐改正，潮汐基準(zhǔn)采用當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妗２捎肅-NAV3050 星站差分定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航定位，出航前開通StarFire 星站差分信號(hào)，并與控制點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)和8 小時(shí)穩(wěn)定性測(cè)試，開通星站差分信號(hào)的GNSS 系統(tǒng)精度可達(dá)到分米級(jí)，大大優(yōu)于規(guī)范要求。

單波束測(cè)深儀和多波束測(cè)深儀采用船舷固定安裝，GNSS 天線頭盡量安置在多波束探頭附近，側(cè)掃聲吶采用船右舷拖曳式作業(yè)，拖纜長(zhǎng)度固定在4.5 m，淺地層剖面設(shè)備與多波束設(shè)備采用同一點(diǎn)位，在多波束完成作業(yè)之后開始淺地層剖面調(diào)查（圖2）。儀器設(shè)備安裝位置科學(xué)合理，以最大程度減少設(shè)備間的信號(hào)干擾，設(shè)備安裝完成后使用全站儀測(cè)量GNSS 天線頭、多波束探頭和運(yùn)動(dòng)傳感器的相對(duì)位置關(guān)系，并形成記錄。

圖2 調(diào)查船型及設(shè)備安裝位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of survey ship type and equipment installation location

3 工程實(shí)例

3.1 掃測(cè)過(guò)程

1）海底地貌掃測(cè)。使用EdgeTech4200SP 側(cè)掃聲吶采集系統(tǒng)進(jìn)行海底測(cè)區(qū)全覆蓋微地貌調(diào)查，該設(shè)備最大單側(cè)掃幅寬度可達(dá)600 m，側(cè)掃頻率為120 kHz&410 kHz，橫向分辨率可達(dá)2 cm，縱向分辨率可達(dá)0.5 m。掃測(cè)之前，對(duì)側(cè)掃聲吶在工程海區(qū)進(jìn)行調(diào)試，使聲圖的海底混響的灰度適當(dāng)。在掃測(cè)過(guò)程中不得隨意變動(dòng)，僅當(dāng)水深變化較大且灰度不適當(dāng)時(shí)，稍微調(diào)試儀器，使聲圖的海底混響的灰度恢復(fù)到原來(lái)的程度。側(cè)掃過(guò)程中保持船速不超過(guò)5 kn/h，拖魚拖曳長(zhǎng)度4.5 m，作業(yè)過(guò)程中固定拖曳長(zhǎng)度；測(cè)量船換測(cè)線轉(zhuǎn)向使用小舵角大旋回圈。由于調(diào)查區(qū)域水深較淺，為確保調(diào)查精度和全覆蓋及重疊要求，調(diào)查選用單側(cè)掃幅寬度為75 m，覆蓋寬度為150 m 進(jìn)行掃測(cè)，測(cè)線間距為100 m。利用側(cè)掃聲吶對(duì)整個(gè)調(diào)查區(qū)開展海底地貌調(diào)查，查明管道周邊采砂活動(dòng)區(qū)存在的范圍邊界，采砂區(qū)整體地貌起伏變化情況和采砂區(qū)邊緣地貌情況，辨識(shí)采砂區(qū)砂體堆積及沖刷痕跡。

2）單波束水深測(cè)量（圖3）。單波束測(cè)量使用無(wú)錫海鷹HY1601 單頻測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行，測(cè)深精度為量程的1 cm±1‰H（H 為所測(cè)水深），自動(dòng)化采集實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)、數(shù)字化水深數(shù)據(jù)和模擬水深記錄。設(shè)備出航前在碼頭進(jìn)行8 h 的穩(wěn)定性測(cè)試，并進(jìn)行內(nèi)、外符合性檢查。船速保持在5 kn/h 勻速直線航行，水深數(shù)據(jù)采用中海達(dá)導(dǎo)航軟件進(jìn)行采集，同步記錄電子水深和模擬信號(hào)數(shù)據(jù)。單波束作業(yè)聲速采用每日實(shí)測(cè)聲速剖面數(shù)據(jù)的表層聲速，作業(yè)人員將實(shí)測(cè)聲速輸入測(cè)深儀，繼而使用比測(cè)板分別于1 m、2 m、3 m 水深進(jìn)行吃水改正校準(zhǔn)，將最終校準(zhǔn)后的吃水值40 cm 和聲速數(shù)據(jù)一同輸入測(cè)深儀，水深采集時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)的聲速和吃水改正。

圖3 單波束比測(cè)水深模擬信號(hào)圖Fig.3 Single beam ratio sounding depth analog signal diagram

在調(diào)查過(guò)程中，側(cè)掃聲吶測(cè)量與單波束水深測(cè)量同步進(jìn)行，測(cè)線布設(shè)與水深測(cè)量測(cè)線一致。對(duì)于水深變化較大，側(cè)掃聲吶測(cè)量不能達(dá)到全覆蓋的區(qū)域加密測(cè)線，以達(dá)到全覆蓋側(cè)掃聲吶測(cè)量的技術(shù)要求。

3）多波束水深測(cè)量。多波束測(cè)量使用Reson T50P型淺水多波束測(cè)深系統(tǒng)，多波束換能器固定安裝于船左舷中間位置環(huán)境噪聲較低且不容易產(chǎn)生氣泡位置，羅經(jīng)姿態(tài)傳感器安裝于船艙內(nèi)平行于測(cè)量船軸線，GNSS 天線盡量安裝在靠近多波束換能器且比較開闊的位置。在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)選擇地形起伏區(qū)域布設(shè)井字型4 條校正測(cè)線進(jìn)行校正。調(diào)查期間，每天進(jìn)行早中晚3 次聲速剖面測(cè)量，采取全深度聲速數(shù)據(jù)、典型SVP 剖面（圖4），共獲取各種深度聲速剖面20 個(gè)，供后續(xù)處理動(dòng)態(tài)改正。

圖4 典型聲速剖面數(shù)據(jù)Fig.4 Typical sound velocity profile data

多波束設(shè)備安裝完成后，需要對(duì)多波束的探頭安裝姿態(tài)進(jìn)行校正，根據(jù)多波束校正的標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的校正工作，把所有的姿態(tài)修正值輸入到多波束系統(tǒng)中去。調(diào)查先進(jìn)行測(cè)區(qū)多波束的掃測(cè)，再根據(jù)掃測(cè)結(jié)果選定滿足校正要求的區(qū)域，獲得的多波束校正參數(shù)見表1。

表1 參數(shù)校準(zhǔn)情況Tab.1 Parameter calibration

多波束測(cè)量分別布設(shè)主測(cè)線和檢查測(cè)線，航次主測(cè)線采用平行等深線走向布設(shè)，檢查測(cè)線與主測(cè)線垂直布設(shè)。多波束全覆蓋測(cè)量中，測(cè)量船保持5 kn/h 船速勻速直線航行，測(cè)量的同時(shí)記錄多波束數(shù)據(jù)采集班報(bào)表。測(cè)量檢查線總長(zhǎng)度達(dá)到全部測(cè)線長(zhǎng)度的5%，測(cè)線間條幅重疊率大大滿足規(guī)范要求。對(duì)發(fā)現(xiàn)的采砂活動(dòng)區(qū)采用多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)采砂活動(dòng)區(qū)整個(gè)區(qū)域的水深情況進(jìn)行全覆蓋精細(xì)調(diào)查，繪制比例尺為1 ∶2000，對(duì)因?yàn)闇y(cè)線間距而無(wú)法達(dá)到全覆蓋測(cè)量的區(qū)域進(jìn)行加密測(cè)量。

4）地層剖面探測(cè)。采砂區(qū)邊界至管道路由區(qū)域內(nèi)水深在5 ～10 m 之間。單道地震系統(tǒng)相對(duì)于淺地層剖面儀系統(tǒng)，能量大，頻率低，穿透地層的能力比較強(qiáng)，但在10 m 以內(nèi)淺海域，震源觸發(fā)后聲吶在水下發(fā)生混響現(xiàn)象，嚴(yán)重干擾了水聽纜接收到的地層信號(hào)。鑒于單道地震系統(tǒng)在淺水區(qū)的局限性，使用SES2000 Quattro三維淺剖系統(tǒng)開展調(diào)查區(qū)內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)探測(cè)。SES2000三維淺剖系統(tǒng)采用非線性調(diào)聲吶作為聲源來(lái)探測(cè)海底淺地層的構(gòu)造情況，是一種輕便靈活、高分辨率、高精度探測(cè)水深及海底淺地層剖面的新型儀器，是國(guó)內(nèi)首套用于工程地質(zhì)勘探的設(shè)備，可獲取海底0 ～20 m 的地層結(jié)構(gòu)。在調(diào)查作業(yè)前，采用三維淺剖系統(tǒng)在水深5 m 海域進(jìn)行探測(cè)試驗(yàn)，獲取的地層剖面（圖5）。

圖5 淺地層剖面圖Fig.5 Stratigraphic profile

淺地層剖面調(diào)查在測(cè)區(qū)內(nèi)最大規(guī)模的采砂坑處開展，測(cè)線布設(shè)間距50 m，垂直管道路由方向布設(shè)主測(cè)線，主測(cè)線橫跨采砂坑?xùn)|側(cè)邊緣至海管位置，在采砂坑北、中、南各布設(shè)一條穿越整個(gè)采砂坑的測(cè)線，主測(cè)線共144 條；平行于管道路由方向布設(shè)檢測(cè)線，共兩條。采用側(cè)舷固定安裝，探頭震源采用1×4 側(cè)舷固定安裝，接通GNSS定位信號(hào)和Heading 信號(hào)，精確量取震源和GNSS 天線的相對(duì)位置、量取探頭吃水，并在SESWIN 采集系統(tǒng)中輸入。為了更好地解譯側(cè)掃聲吶、淺地層剖面數(shù)據(jù)，作業(yè)過(guò)程中還采用蚌式采樣器進(jìn)行了5 個(gè)表層樣抓取。

3.2 數(shù)據(jù)處理

側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)處理采用SonarWiz5 軟件完成，該軟件為側(cè)掃聲吶鑲嵌后處理軟件，通過(guò)TVG 增益、疊加、帶通濾波、底追蹤、AGC 增益后，可得到水下地形掃測(cè)圖像。單波束水深數(shù)據(jù)采用中海達(dá)水深資料處理軟件，首先檢查任務(wù)并導(dǎo)入，采用適合的波法方法對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，剔除大部分干擾脈沖信號(hào)，然后對(duì)比回波數(shù)據(jù)檢查人工平滑剔除跳點(diǎn)，設(shè)置采樣間隔按比例尺需求采樣，最后用驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)進(jìn)行潮位改正并導(dǎo)出數(shù)據(jù)。單波束數(shù)據(jù)處理完成水位改正后對(duì)所有交叉點(diǎn)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查統(tǒng)計(jì)，滿足規(guī)范要求方可進(jìn)入成圖軟件。多波束水深資料處理采用CARIS HIPS and SIPS軟件，流程為建立船型文件、聲速改正、潮位改正、數(shù)據(jù)合并、子區(qū)編輯、區(qū)域三維成圖、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、成果數(shù)據(jù)輸出等。多波束水深數(shù)據(jù)處理時(shí)對(duì)所有測(cè)線數(shù)據(jù)的完整有效性、覆蓋寬度、重疊度等逐一檢查，利用檢查線檢查水深數(shù)據(jù)的內(nèi)符合情況形成內(nèi)業(yè)處理記錄。淺地層剖面數(shù)據(jù)使用SES2000 Quattro 系統(tǒng)后處理軟件，結(jié)合SonarWiz5 數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)獲取淺地層剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過(guò)TVG 增益、疊加、帶通濾波、底追蹤、AGC 增益后，繪制高分辨率淺地層采砂區(qū)三維地形圖（圖6）。

圖6 采砂區(qū)三維地形圖Fig.6 Three-dimensional topographic map of sand mining area

使用側(cè)掃聲吶全覆蓋掃測(cè)調(diào)查范圍，獲取海底面的聲吶影像資料，根據(jù)掃測(cè)結(jié)果初步圈定凹坑范圍，再根據(jù)側(cè)掃影像資料在采砂活動(dòng)上的典型反應(yīng)，判斷凹坑是否由吸砂活動(dòng)形成，是否為近期形成的采砂坑。在管道西側(cè)調(diào)查范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)3 處凹坑（圖7），I 號(hào)采砂坑吸砂作業(yè)痕跡明顯，規(guī)模大，水深變化劇烈，Ⅱ、Ⅲ號(hào)凹坑吸砂作業(yè)活動(dòng)早已終止，處于逐步淤淺狀態(tài)。

圖7 3 處采砂坑三維效果Fig.7 Overall three-dimensional rendering of 3 sand pits

同時(shí)，根據(jù)剖面地形圖中統(tǒng)計(jì)的18 條地形剖面圖數(shù)據(jù)分析，Ⅰ號(hào)采砂坑段坡度較大，剖面坡度最大達(dá)19.6°，為陡坡；Ⅱ、Ⅲ號(hào)采砂坑地形剖面在距管道最近處邊坡坡度分別為0.7°及2.5°，坡度較小。

4 結(jié) 論

調(diào)查在海管西側(cè)3 km 范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)3 個(gè)采砂坑。I 號(hào)采砂坑位于海底海管中段KP3+500 至KP12+328，采砂坑?xùn)|側(cè)邊界平行于海管分布長(zhǎng)達(dá)6.7 km，距離海管大部分在500 m 以內(nèi)，最近處僅278 m，對(duì)海管的安全構(gòu)成一定的隱患，需重點(diǎn)關(guān)注。Ⅱ號(hào)采砂坑位于KP3貼近海管處，Ⅲ號(hào)采砂坑位于KP1-KP3 西側(cè)距離海管最近532 m 處，二者規(guī)模較小，并處于淤平階段，采砂坑底部多位于埋設(shè)海管之上。針對(duì)I 號(hào)采砂坑應(yīng)盡快開展補(bǔ)充勘察，調(diào)查采砂坑及周邊水動(dòng)力環(huán)境特征和地層土力學(xué)特性，進(jìn)一步評(píng)估采砂坑邊坡的穩(wěn)定性和對(duì)海管的影響，及時(shí)采取防護(hù)措施，將采砂坑對(duì)海管安全的影響降到最小。建議后續(xù)對(duì)已有采砂坑邊坡實(shí)行常態(tài)化監(jiān)測(cè)，掌握采砂坑的動(dòng)態(tài)變化情況，每年至少開展兩次已有邊坡和近海管采砂坑的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，加密臺(tái)風(fēng)等極端天氣后的監(jiān)測(cè)。