海洋物探技術(shù)在海上風(fēng)電場勘察中的適用性研究

【摘要】文中簡要介紹當(dāng)前海上風(fēng)電場勘察中存在的問題及成因，闡述海洋物探技術(shù)在海上風(fēng)電場勘察應(yīng)用中的優(yōu)勢和必要性，分析研究了多波束測深技術(shù)、側(cè)掃聲吶技術(shù)、淺地層剖面探測技術(shù)、高分辨率單道地震探測技術(shù)，探討了上述各種方法在確定海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)、尋找可行的風(fēng)能資源區(qū)和評估風(fēng)電場潛在風(fēng)險方面的適用性，促進海洋物探技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】海上風(fēng)電；海洋物探；風(fēng)電場勘察；多波束測深；側(cè)掃聲吶；地層剖面探測；單道地震探測

【中圖分類號】TU195" " " "【文獻標志碼】A" " " "【文章編號】1673-6028（2024）01-0107-03

0 引言

海洋物探技術(shù)是利用聲波、電磁波等不同物理原理開展海洋探測和調(diào)查的技術(shù)。隨著海上風(fēng)電工程的迅速發(fā)展，海洋物探技術(shù)在海上風(fēng)電場勘察中的應(yīng)用日益受到重視。海上風(fēng)電場是利用海洋風(fēng)能發(fā)電的重要方式，其建設(shè)與運營面臨著眾多技術(shù)挑戰(zhàn)。海洋物探技術(shù)的應(yīng)用為海上風(fēng)電場的規(guī)劃、建設(shè)和運營提供了重要的技術(shù)支持與決策依據(jù)。

1 海上風(fēng)電場勘察存在的主要問題

當(dāng)前海上風(fēng)電場勘察中存在一些明顯問題，對于海上風(fēng)電場的開發(fā)和建設(shè)產(chǎn)生了一定的影響。

首先，海上風(fēng)電場的勘察工作面臨著海洋環(huán)境的復(fù)雜性和多變性。海洋中的波浪、潮流、海流等自然因素增加了勘察工作的難度和風(fēng)險，需要開展更加精細和全面的調(diào)查和分析[1]。其次，海上風(fēng)電場勘察中涉及海底地質(zhì)情況的調(diào)查和評估。由于海底地質(zhì)復(fù)雜多樣，包括沉積物的類型、層位、穩(wěn)定性等，需要進行詳細的地質(zhì)勘察，以評估海域的適宜性和風(fēng)電機組的安全性。同時，還需要考慮水深、海底地形等因素，來確定適宜的風(fēng)電場布局。第三，海上風(fēng)電場勘察還需要解決與航道、船舶交通、漁業(yè)等方面的沖突問題。海上風(fēng)電場的建設(shè)往往需要占用一定的海域空間，與其他海上活動存在一定的場地競爭關(guān)系。如何平衡不同利益主體的需求，確保風(fēng)電場的建設(shè)與周邊活動的協(xié)調(diào)，也是勘察工作中需要解決的重要問題之一[2]。

2 海洋物探技術(shù)在風(fēng)電場勘察中的必要性和潛在優(yōu)勢

海洋物探是一種利用物理方法探測海洋地球物質(zhì)結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造和地下資源分布的技術(shù)。在海上風(fēng)電場的勘察和建設(shè)過程中，采用海洋物探方法具有顯著的必要性和潛在優(yōu)勢。首先，海洋物探可以提供準確的地質(zhì)構(gòu)造信息，幫助判斷海底地質(zhì)條件是否適合建設(shè)風(fēng)電場。通過利用聲波、電磁波等物理信號在海底的傳播特性以及其反射、折射等變化，確定地質(zhì)構(gòu)造，如斷層、褶皺、坳陷等，從而評估該區(qū)域的地質(zhì)穩(wěn)定性和承載能力。這對于建設(shè)安全穩(wěn)定的海上風(fēng)電場非常重要。其次，海洋物探可以提供豐富的地下資源信息，為風(fēng)電場建設(shè)中的平臺設(shè)置和電纜敷設(shè)等提供參考。通過分析聲波、電磁波等信號在不同地下介質(zhì)中傳播的特征，可以探測到地下的礦產(chǎn)資源、天然氣水合物等。這些信息不僅可以為風(fēng)電場的規(guī)劃提供有力支持，還有望為后續(xù)的能源利用和開發(fā)工作提供參考。

3 常用的海洋物探方法

3.1 多波束測深技術(shù)

波束測深技術(shù)的測探原理是利用換能器向海底發(fā)射扇形陣列聲波波束，再利用接收器陣列對聲波進行接收繪制海底地形（見圖1）。發(fā)射的聲波會在與海底碰撞后被反射回來，接收器會記錄并分析這些聲波的走時數(shù)據(jù)，從而得到波束對應(yīng)的海底深度，建立起海底的地形地貌圖像。多波束測深是利用多個方向的聲波束來測量海底的深度和地貌的技術(shù)。它廣泛應(yīng)用于海洋勘探領(lǐng)域，為海洋工程設(shè)計建設(shè)、能源開發(fā)和環(huán)境保護，提供詳細的海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息。在確定海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)方面，多波束測深技術(shù)能夠準確測量海底的高程、地形、海底丘陵、沉積物分布等數(shù)據(jù)，為海洋地質(zhì)學(xué)家、地質(zhì)勘探者提供海底地質(zhì)信息的重要數(shù)據(jù)。通過對海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解，可以更好地預(yù)測地震、海嘯等自然災(zāi)害的發(fā)生概率，防范和減輕災(zāi)害造成的損失，為海洋科學(xué)研究、海洋資源開發(fā)以及海底工程建設(shè)等提供重要的數(shù)據(jù)支持[3]。

尋找可行的風(fēng)能資源區(qū)是多波束測深技術(shù)的另一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。在海上風(fēng)電場勘察中，經(jīng)常使用多波束測深技術(shù)開展調(diào)查（見圖2）。通過多波束測深技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)對海底地形的全覆蓋調(diào)查。通過測量海底地形和沉積物的分布，可以確定哪些地區(qū)具有較好的風(fēng)能資源。這對于風(fēng)能發(fā)電設(shè)備的選址和風(fēng)能開發(fā)的可行性研究非常關(guān)鍵。多波束測深技術(shù)提供的豐富數(shù)據(jù)，可以幫助工程技術(shù)人員制定科學(xué)合理的風(fēng)能開發(fā)規(guī)劃，提高風(fēng)能利用效率。

3.2 側(cè)掃聲吶勘測技術(shù)

側(cè)掃聲吶技術(shù)的工作原理是利用水下勘察設(shè)備發(fā)射高頻波束（見圖3），這些波束與設(shè)備的前進航向垂直。在勘察過程中，水下勘察設(shè)備以固定的時間間隔發(fā)射波束，并接收物體反射回來的信號。這些反射信號的強度與物體的特性有關(guān)，通過分析信號反饋強度，勘察人員可以了解海底凸出物以及海水中懸浮物的分布情況。側(cè)掃聲吶技術(shù)的優(yōu)勢在于它可以提供高分辨率的海底圖像。通過接收波束的反射信號，勘察人員可以繪制出準確的海底地形圖，這對于選址工作非常重要。在海上風(fēng)電場的選址過程中，需要找到適合建設(shè)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的海底區(qū)域，而側(cè)掃聲吶技術(shù)能夠幫助勘察人員確定海底的平坦度和適合建設(shè)的區(qū)域。

在尋找可行的風(fēng)能資源區(qū)方面，側(cè)掃聲吶勘測技術(shù)有著至關(guān)重要的作用。它可以幫助研究人員評估和判斷海域中是否存在適宜發(fā)展風(fēng)能的條件，例如水深、海底地質(zhì)、水流等因素。通過對海底地質(zhì)進行詳細的勘測，研究人員可以確定風(fēng)能資源分布的情況，找到適合建設(shè)風(fēng)電場的區(qū)域，從而提高風(fēng)能開發(fā)的效益。此外，側(cè)掃聲吶勘測技術(shù)還能對風(fēng)電場的風(fēng)險進行評估。通過對風(fēng)電場周邊海域進行詳細勘測，研究人員可以獲得海底地質(zhì)完整的圖像，從而準確評估潛在的風(fēng)險因素，例如海底地形的復(fù)雜性、地震活動的頻率等。這些信息對風(fēng)電場的規(guī)劃和設(shè)計至關(guān)重要，可以幫助提前發(fā)現(xiàn)潛在的問題，并采取相應(yīng)的措施來降低風(fēng)電場建設(shè)和運營過程中可能面臨的風(fēng)險。

3.3 淺地層剖面探測技術(shù)

淺地層剖面探測技術(shù)是風(fēng)電建設(shè)中不可或缺的勘察手段，它通過一系列復(fù)雜的步驟來獲取海底地形信息。當(dāng)信號發(fā)生器啟動后，起初對信號進行放大，然后將其輸送到安裝在水下震源中的發(fā)射陣列，開始向水下發(fā)射某一頻率范圍的調(diào)頻脈沖信號。這些脈沖信號在遇到不同的波阻抗界面時，會產(chǎn)生相應(yīng)的反射信號。反射信號被記錄到設(shè)備中后，利用信號放大和A/D轉(zhuǎn)換處理等技術(shù)對其進行處理。處理完畢后，這些信號將被記錄到計算機中，通過計算機軟件完成陰影波形顯示處理、數(shù)據(jù)信息處理和信息存儲等工作，最終可以得到詳細的海底地形信息。淺地層剖面探測技術(shù)可以通過測量海底的地下巖石層、沉積物厚度和含水層等參數(shù)，為確定風(fēng)能資源的地點和潛力提供科學(xué)依據(jù)。此外，淺地層剖面探測技術(shù)還可以提供風(fēng)力渦旋、浪涌和地質(zhì)災(zāi)害等數(shù)據(jù)信息，以評估風(fēng)電場建設(shè)和運行中的潛在風(fēng)險，保障風(fēng)電場的安全。

3.4 高分辨率地震勘探技術(shù)

在風(fēng)電場勘察過程中，高分辨率地震勘探技術(shù)的應(yīng)用起到了至關(guān)重要的作用。地震探測儀安裝在勘察船只上，實現(xiàn)水中激發(fā)，水中接收，不停船的連續(xù)觀測。啟動地震探測儀器后，激發(fā)一系列的震源信號，這些地震信號會被傳輸回勘測船只，進行反饋信息的處理和分析。通過使用高分辨率地震勘探技術(shù)，可以更加準確地分析風(fēng)電場區(qū)域存在的災(zāi)害問題，以及災(zāi)害地質(zhì)分布區(qū)域。這一點對于后續(xù)的風(fēng)電場建設(shè)和運營活動的順利推進至關(guān)重要。通過對收回的數(shù)據(jù)分析，能夠及時發(fā)現(xiàn)潛在的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險，并采取相應(yīng)的預(yù)防和治理措施，為風(fēng)電場的建設(shè)提供堅實的基礎(chǔ)。在系統(tǒng)安裝過程中，將激發(fā)震源和采集電纜拖在工作船只的尾部的海水中，與船只之間保持安全距離。同時，按照偏移距要求將電纜及相關(guān)設(shè)備布置到相應(yīng)的位置上。這樣做的目的是為了確?？睖y設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性，以便能夠獲得準確且可靠的勘測數(shù)據(jù)。

高分辨率地震勘測技術(shù)的應(yīng)用不但能夠更好地了解風(fēng)電場的地質(zhì)情況，為風(fēng)電場建設(shè)的可行性研究和工程規(guī)劃提供強有力的數(shù)據(jù)支持，還可以評估風(fēng)電場的潛在風(fēng)險。風(fēng)電場的建設(shè)和運營需要考慮多種因素，包括地質(zhì)、地形以及天氣條件等。通過高分辨率地震勘探技術(shù)，可以觀測到地下的地殼運動情況，檢測潛在的地震風(fēng)險，為風(fēng)電場的規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。這有助于確保風(fēng)電場的安全運營，減少潛在的災(zāi)害風(fēng)險[4，5]。

4 各種方法適用性

根據(jù)多波束測深技術(shù)、側(cè)掃聲吶勘測技術(shù)、淺地層剖面探測技術(shù)以及高分辨率地震勘探技術(shù)在海洋風(fēng)電場勘察中的應(yīng)用實踐和比較研究，各種物探方法的主要適用性如下。

4.1多波束測深技術(shù)的適用性

多波束測深技術(shù)的高精度測量能力使其成為海洋風(fēng)電場勘察的有力工具。多波束測深技術(shù)可以用來精確勘測海底地形，幫助確定風(fēng)機的布局、海底電纜的敷設(shè)路徑等。在海洋風(fēng)電場建設(shè)之前，需要對海底地形進行詳細的勘測，以確定最佳的風(fēng)機布局和基礎(chǔ)設(shè)計。多波束測深技術(shù)能夠提供高分辨率的水深數(shù)據(jù)，不僅能夠快速準確地測量水深，還可生成海底地形圖，幫助工程師更好地了解海底地貌，并進行合理的規(guī)劃。

4.2 側(cè)掃聲吶技術(shù)的適用性

側(cè)掃聲吶技術(shù)可以用來檢測海底障礙物、地形特征、海洋生態(tài)等信息，有助于確定風(fēng)電場的建設(shè)區(qū)域和環(huán)境影響評估。側(cè)掃聲吶技術(shù)可以提供精確的海底地貌測量。通過掃描并記錄海底地形的細節(jié)，獲得關(guān)于海底地貌的詳細信息，比如海底的起伏、坡度和峽谷等。這些數(shù)據(jù)對于確定風(fēng)力發(fā)電機塔基的最佳位置至關(guān)重要，確保其穩(wěn)固性和運行的可持續(xù)性。此外，對海底地貌的詳細了解還可以幫助工程師規(guī)劃和設(shè)計電纜輸電的最佳路徑，以確保電力輸送的高效性和可靠性。

4.3 淺地層剖面探測技術(shù)的適用性

在海上風(fēng)電場的勘察中，淺地層剖面探測技術(shù)具有顯著的適用性。淺地層剖面探測技術(shù)通過分析海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及下方巖石層位置和結(jié)構(gòu)，確定風(fēng)電場建設(shè)地點的可行性和安全性。這種探測技術(shù)主要通過聲波傳播的方式，在地質(zhì)下層生成回波信號，從而揭示地下結(jié)構(gòu)的特征。首先，淺地層剖面探測技術(shù)能夠提供關(guān)于海底地質(zhì)條件的詳細信息。通過收集和分析回波信號，可以確定地質(zhì)構(gòu)造、土層特性以及潛在的地質(zhì)隱患。例如，使用淺地層剖面探測技術(shù)，可以及時發(fā)現(xiàn)潛在的地質(zhì)隱患，如海底滑坡、活動斷層等，根據(jù)海底地質(zhì)條件對于風(fēng)力渦輪機安裝以及電纜敷設(shè)工作進行細致設(shè)計，并制訂風(fēng)險防范措施，避免可能的工程災(zāi)害。

4.4 高分辨率地震勘探技術(shù)的適用性

高分辨率地震勘探技術(shù)在海上風(fēng)電場勘察中具有良好的適用性。

首先，高分辨率地震勘探技術(shù)能夠提供準確的地下地質(zhì)信息，對于海上風(fēng)電場的勘察和設(shè)計具有至關(guān)重要的意義。通過使用高頻率的聲波源和高靈敏度的地震接收器能夠獲取到海底地層的詳細結(jié)構(gòu)和不同地層之間的界面情況，為風(fēng)電場的定位和設(shè)計提供關(guān)鍵的地質(zhì)數(shù)據(jù)。

其次，高分辨率地震勘探技術(shù)可以幫助確定海底的地質(zhì)特征和地下構(gòu)造，從而評估風(fēng)電場建設(shè)的可行性。通過分析地震反射信號的強度和延遲，可以確定海底的地質(zhì)類型、構(gòu)造狀況以及可能存在的地質(zhì)隱患，例如斷層、地下溶洞等。這些信息對于風(fēng)電場的布局和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)至關(guān)重要，可以減少潛在風(fēng)險，提高工程的安全性和可靠性。

上述海洋物探技術(shù)雖然在技術(shù)原理、應(yīng)用范圍、經(jīng)濟性上存在差異，但在海洋風(fēng)電場的勘察領(lǐng)域中針對不同需求具有較好的適用性，為海洋風(fēng)電場的設(shè)計、建設(shè)、運行提供了精確、高效、全面的數(shù)據(jù)，有助于降低風(fēng)電場建設(shè)的風(fēng)險和成本，優(yōu)化風(fēng)電場的布局和設(shè)計方案，保證風(fēng)電設(shè)施的安全和穩(wěn)定運行。

5 結(jié)語

綜上所述，海洋物探方法在海上風(fēng)電場勘察中的應(yīng)用具有重要意義。多波束測深技術(shù)、側(cè)掃聲吶技術(shù)、淺地層剖面探測技術(shù)和高分辨率單道地震探測技術(shù)都是海洋物探的常用方法，在海上風(fēng)電場的勘察中具有較好的適應(yīng)性，有利于確定海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)、尋找可行的風(fēng)能資源區(qū)，并評估風(fēng)電場潛在風(fēng)險，為海上風(fēng)電場的規(guī)劃和建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。因此，在海上風(fēng)電場勘察中，可根據(jù)工作環(huán)境、海況、任務(wù)要求和經(jīng)濟適用性等因素，選擇物探方法或進行多種物探技術(shù)組合，為海洋風(fēng)電場設(shè)計、建設(shè)和運營提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

參考文獻

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[作者簡介]王朝國（1987—），男，山東東營人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：海洋巖土工程勘察。