淺地層剖面儀在海底管道檢測中的應用與優(yōu)化

摘要：為研究淺地層剖面儀在海底管道檢測中的應用規(guī)律、特點及優(yōu)化方式，以杭州灣海底管道為例，分析了資料采集和處理方面的關鍵問題。提出資料采集應選擇合理潮時，測船側舷中前部1/3處安裝拖魚并準確量取安裝位置和入水深度，合理調整船速、船向和船姿等；資料處理時，可通過合理使用涌浪濾波改正以及辨析海底浮泥質、淺層氣、雙繞射曲線、非管道形成的繞射曲線等進行優(yōu)化。應用結果表明：通過優(yōu)化方案，可以更方便、準確地獲得海底管道狀態(tài)及相關數據，從而及時發(fā)現(xiàn)潛在問題。研究成果可為海底管道安全運行與維護提供數據支持和參考依據。

關鍵詞：淺地層剖面儀； 海底管道； 海洋測繪； 杭州灣

中圖法分類號：P631.5；P756.2

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.11.009

文章編號：1006-0081（2024）11-0056-06

0 引 言

海底管道常以裸露、懸空和掩埋3種狀態(tài)存在，其中處于懸空、裸露狀態(tài)的管道容易出現(xiàn)橫向失穩(wěn)、誘發(fā)渦激振動、疲勞壽命減少、受到意外撞擊被破壞等問題［1-2］。海底管道一旦受損變形，易導致油氣泄漏，從而造成重大經濟損失，并引起嚴重的生態(tài)危機［3-4］。因此，有必要定期對海底管道及其周圍海床進行檢測，為海底管道的防護和安全治理提供科學數據。

淺地層剖面儀是海底管道檢測的關鍵設備之一，在海底管道檢測中的應用也日漸成熟。周興華等［5］通過實例介紹了側掃聲吶和淺地層剖面儀在海底管道檢測中的應用方法；劉臻等 ［6］探究了淺地層剖面儀在海底不平整地層反射界面偏移現(xiàn)象的成因，并提出通過Kirchhoff積分疊后偏移方法還原海底的真實地形，避免了管道狀態(tài)誤判；安永寧［7］研究了管道溝內海底管道的淺地層剖面儀圖像特征及識別方法；侯志民等［8］利用側掃聲吶和淺地層剖面儀探測，綜合分析海水中各種異常特征，快速準確定位海底管道斷裂位置；卞培旺等 ［9］通過淺地層剖面儀和海洋磁力儀對海底管道探測的2種方法進行對比研究，認為前者在海底管道探測中優(yōu)勢更大，后者在海底光纜探測中優(yōu)勢更大。

過往的研究主要涉及淺地層剖面儀的工作原理、研發(fā)進展、儀器對比和工程應用場景，以及淺地層剖面儀在海底管道檢測中的應用方法、數據改正和圖像識別等，但對于海底管道檢測和資料處理遇到的淺地層剖面儀相關具體問題的總結歸納及其相應切實可行的優(yōu)化方案研究較少。本文基于對杭州灣海域海底管道多年來連續(xù)檢測的過程、成果和經驗，形成了資料采集和處理的優(yōu)化方案，提高了采集效果和成果質量，可供類似研究參考借鑒。

1 原理與方法

1.1 儀器簡介

淺地層剖面儀（sub-bottom profiler）是利用聲波探測淺部地層結構的儀器，由甲板單元、拖曳線纜、拖魚等部件組成，搭配GNSS接收機并裝載在測量船上進行作業(yè)，見圖1。

1.2 儀器原理

當聲波穿過兩種波阻抗不等的相鄰介質時，會在介質分界面上發(fā)生波的反射，反射強度由反射系數R決定，表達式如下［10］：

R=ρ2υ2-ρ1υ1ρ2υ2+ρ1υ1（1）

式中：ρ1，ρ2分別為介質一和介質二的密度；υ1，υ2分別為兩種介質中聲波的傳播速度；ρ1υ1，ρ2υ2分別為介質一和介質二的波阻抗。

淺地層剖面儀通過換能器向海底發(fā)射聲波信號，聲波在不同介質面處發(fā)生反射與透射。反射波被接收后，透射波繼續(xù)傳播并在下一個介質面處再次反射與透射。通過式（1） 可以看出，相鄰介質的波阻抗差異越大，反射越強，反之越小。通過反演方法分析反射波的信息，可以獲取海底地層的厚度、類型等特征［11-12］。

海底管道與海床沉積物的波阻抗相差較大，因此管道和海底的相對位置在斷面圖像上可以清晰、直觀地展現(xiàn)。聲波穿透管道周圍地層時可將管道看作聲波探測中的一個繞射點，在換能器波束角的范圍內，管道頂部的繞射波被持續(xù)接收記錄，最終在淺地層探測剖面上形成繞射曲線，見圖2。繞射曲線的頂點即管頂位置，結合管頂與海床的相對位置及管道管徑，即可判斷管道處于掩埋、裸露或懸空狀態(tài)。

1.3 海底管道檢測

通常海底管道處于掩埋狀態(tài)時是安全的［13］，裸露、懸空管道容易受到浪、流、拋錨和漁撈作業(yè)等因素的影響而使其正常運行狀態(tài)被破壞。海底管道檢測著重檢測海底管道的狀態(tài)以及附近區(qū)域內海底地形地貌、淺地層結構、海床沖淤狀況、潛在地質災害因素（淺層氣、斷層、埋藏河道等），分析管道的平面位置、掩埋深度、懸空長度與高度、裸露長度等變化情況，可以預判管道狀態(tài)的變化趨勢，為海底管道安全管理及全面治理提供數據支持。

1.3.1 管道狀態(tài)

當沉積物完全覆蓋海底管道時為掩埋狀態(tài)，沉積物部分覆蓋海底管道時為裸露狀態(tài)，海底管道完全失去沉積物支撐時為懸空狀態(tài)，見圖3。

1.3.2 檢測方法

檢測海底管道的主要儀器包括淺地層剖面儀、多波束測深儀、側掃聲吶等。淺地層剖面儀可以穿透海床面，判斷并提取掩埋狀態(tài)管道的掩埋深度、平面位置、周圍海床地質特征等信息。多波束測深儀可以檢測海底地形，從而判斷海床的沖淤變化。淺地層剖面儀、多波束測深儀和側掃聲吶檢測結果可以相互驗校，協(xié)同判斷管道的懸空、裸露狀態(tài)，并可提取出懸空、裸露管道的長度、高度、起止位置和平面位置等信息。

2 應用實例

2.1 項目概況

項目位于浙江省杭州灣海域，海底管道橫跨杭州灣南北岸，全長50余千米，見圖4。杭州灣地理形狀呈喇叭形，水深從南到北總體上由淺到深，灣內有島嶼分布，北部有深槽，海床情況復雜多變［14］。海底管道受杭州灣潮汐、潮流、泥沙等的影響較大，海域兩岸圍墾、跨海灣橋梁及碼頭等工程的建設也對海底地形沖淤產生一定的影響［15］。為全面掌握海底管道的最新平面位置、埋深、管頂及附近海床標高、管道狀態(tài)，每年均對海底管道進行檢測，排查安全隱患。自管道運行以來，管道掩埋段占比逐步增加，但仍有部分管道狀態(tài)處于掩埋、裸露、懸空的動態(tài)交替變化中。

2.2 資料采集

資料采集選用美國EdgeTech 公司的3100P型淺地層剖面儀，拖魚采用SB-216S型。淺地層剖面儀系統(tǒng)工作期間，同時接收GNSS定位系統(tǒng)的平面定位信號，以確保定位數據與采集剖面數據同步。

淺地層剖面儀測線垂直于管道路由方向，按50 m的間隔均勻布設。利用絞車及繩纜將拖魚投放到水面以下，進行設置和數據采集。

2.3 資料處理

資料通過SonarWiz軟件進行處理，處理流程見圖5。

累計獲取多個相鄰淺地層剖面儀圖像中的管道位置信息后，連點成線可以展現(xiàn)出管道平面位置。通過淺地層剖面儀圖像輸出標記點信息，可以計算出管道埋深，并根據多波束測深儀測得的海底高程計算出管頂高程，進而判斷管道掩埋、裸露或懸空等狀態(tài)，最終形成管道狀態(tài)成果。

3 分析與討論

淺地層剖面儀的檢測結果受到多種因素影響，如儀器參數性能指標、儀器安裝與改正的合理性、儀器成像規(guī)律、風浪與儀器擺動、船速、水體泥沙含量、水深、潮汐、海床底質類型、海床地質特征、其他繞射干擾，以及資料采集和處理人員的水平和經驗等。因此，在實際操作過程中，應綜合考慮實際情況，制定合適的檢測方案，對遇到的相關問題探尋其原因并提出優(yōu)化方案，以期達到更優(yōu)的檢測效果，以下就此類具體問題進行分析與討論。

3.1 資料采集

（1） 測量時機。杭州灣海域含沙量大，其中南岸含沙量明顯大于北岸，大潮的含沙量又高于中潮及小潮，大潮期間落急含沙量在7.0 kg/m3左右，漲急含沙量在6.0 kg/m3左右，其表層用肉眼觀察可見明顯的泥漿水［16］。根據杭州灣海域實測資料可知［17］，大、中潮含沙量遠大于小潮，大潮含沙量是中潮含沙量的1.2倍，是小潮含沙量的4.3倍。結合現(xiàn)場實測數據可知，海水流速越小，含沙量越低，淺地層剖面儀測量效果越好。因此，選擇小潮的高平潮、低平潮時段進行測量的效果最佳。

海況也會影響淺地層剖面儀的成像質量，應選擇風浪較小的天氣進行測量。

（2） 測量設備安裝。拖魚常被拖曳安裝在測量船的后方，此時船尾的螺旋槳對水流的擾動可能影響淺地層剖面儀數據質量，并且拖曳線纜容易與螺旋槳發(fā)生觸碰而受損斷裂。建議將拖魚安裝在測船側舷中前部1/3處，既能提高安全系數，又便于從駕駛艙觀察拖魚與拖曳線纜的實時狀態(tài)，如圖1所示。

（3） 測量參數。海底管道檢測需要準確量取拖魚相對于GNSS的平面位置和拖魚的入水深度，以確定管道的定位信息。需要注意的是，拖魚相對位置和入水深度會隨著船速變化而變化，測量過程中應注意及時在測量軟件中做出相應調整。

（4） 測船平臺。測量船速度過快時，繞射曲線可能過于狹窄不易被識別，因此船速不宜超過6節(jié)。另外，為保證繞射曲線形狀規(guī)整、拖魚的安全性與姿態(tài)穩(wěn)定性，測量船還應盡量保持勻速，避免急停急轉。淺地層剖面儀一般垂直于管道進行測量，所以采用測量船往返掉頭的方式進行作業(yè)。當測量船逆水行進時，拖魚需要頂水前進，拖魚姿態(tài)不易穩(wěn)定，成像效果較差；當測量船順水行進時，船速雖相對較快，但拖魚姿態(tài)相對穩(wěn)定，換能器可以發(fā)射、接收到更多的有效信號，成像效果較清晰。同一位置、相近時間，逆水、順水時淺地層剖面儀檢測圖像對比見圖6。

（5） 測量技巧。當管道管徑過細或海床底質不易穿透時，管道在淺地層剖面儀圖像中不易顯示出清晰的繞射曲線，此時測量船可以一定角度斜穿管道，或以“Ｚ”字形進行連續(xù)測量。當淺地層剖面儀斜穿管道，便延長了管道頂部繞射波接收記錄的時間，管道繞射曲線可以更加清晰地展示在圖像上，圖7（a），（b）分別為測量船同一位置、相近時間垂直和斜穿管道的淺地層剖面儀圖像，前者未見管道繞射曲線，后者可見管道繞射曲線。

3.2 資料處理

（1） 風、波浪、涌浪等海況因素會影響測量船和拖魚的姿態(tài)，可能導致海底面反射同相軸因海浪的作用而波動不穩(wěn)，從而導致淺地層剖面儀圖像的變形和失真，進而干擾地層分層和管道位置等信息的判斷。后處理軟件可配備涌浪濾波模塊進行事后修正。

對于掩埋管道，事后修正法通?？梢院芎玫匦拚L浪對圖像的干擾，并恢復管道繞射曲線的形狀，確保獲得的管道埋深數據準確，見圖8。但是，對于裸露、懸空管道，該方法容易把管道繞射曲線改正平滑，從而誤判管道的位置和狀態(tài)，見圖9。應選擇風浪較小的天氣進行測量，尤其是在裸露、懸空等重點區(qū)域測量時，建議選擇1級海況或更優(yōu)的條件。

（2） 受到海床沖淤等因素的影響，部分埋深較淺的管道狀態(tài)常處于動態(tài)變化中。在實際測量中，有些區(qū)域海床表面會有一些海底浮泥，厚度可達1 m以上。海底浮泥質地軟，含水量高，具有流動性，易被沖刷，存在狀態(tài)極不穩(wěn)定，甚至會受到漲落潮等因素的影響而短期內發(fā)生變化。海底浮泥在淺地層剖面儀圖像上表現(xiàn)為聲反射弱、界面清晰光滑、灰級小，通過增大增益（信號放大）后可以較清楚觀察到其底部界面［18］，見圖10。不應只關注管道掩埋深度數據，而忽略上覆海床底質特征。否則，會誤認為同等厚度的浮泥底質與質密底質覆蓋的掩埋管道穩(wěn)定性相似，應該注意區(qū)分和權衡。

（3） 在進行海底管道檢測時，應注意辨別淺層氣、斷層、埋藏河道等地質現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可能會導致管道附近地層產生下陷、側向或旋轉滑動等，從而可能對管道安全性產生不利影響。

淺層氣受到巖層孔隙壓力或浮力的作用，不停運移與聚集，條件合適時可向海底方向上溢［19］。另外，海底含有淺層氣的沉積物還可能會對海底管道產生腐蝕。測區(qū)內海床下淺層氣的分布約占總面積的60%，如圖11所示，圖像中淺層氣層狀分布，淺層氣沿著土質疏松空隙向上串行，但未見柱狀、羽狀、煙囪狀或大規(guī)模團塊狀分布的淺層氣。

（4） 有時管道會在淺地層剖面儀圖像上顯現(xiàn)出“雙繞射曲線”，見圖12。“雙繞射曲線”并非有兩根上下疊加的管道，其中上曲線為管道常見的繞射曲線，上曲線頂點代表管頂；下曲線是由于聲波繼續(xù)向下透射入管道內后再透射出管道，從而在管底再次發(fā)生折射，再次形成繞射曲線，下曲線頂即代表管底，上下曲線距離約等于管徑。下曲線與上曲線相比，經過了更長的路徑和衰減，信號強度相對更低，通常在圖像上顯現(xiàn)出的顏色更淺。

（5） 干擾管道判別的情況。在儀器效果良好的情況下，干擾管道辨別的情形可歸為3類：① 海底出現(xiàn)其他與海床沉積物波阻抗相差較大的物體時，也會產生繞射曲線，從而干擾管道的判斷。如圖13（a）為水中漂浮物（如魚群、漁網等）形成的水中繞射曲線；圖13（b）展示了以管道溝溝邊拐點為中心形成的干擾繞射曲線。② 圖像中出現(xiàn)與管道繞射曲線相似的弧形曲線，干擾判斷。圖13（c）為管道上方土層開挖施工后回填，改變了原本規(guī)則的地質分層。圖13（d）為圓弧狀向上溢出的淺層氣，易與管道繞射曲線混淆；圖13（e）為受風浪影響、未改正圖像中的海床面顯現(xiàn)波浪狀，易與裸露管道的繞射曲線混淆；圖13（f）為拖魚姿態(tài)不穩(wěn)等因素導致信號受干擾而形成的干擾曲線。③ 出現(xiàn)其他質密物體，可能會影響聲波信號向下透射，遮擋聲波信號傳播。如圖13（g）為海床面上的石塊、沉船等質密物體，遮擋聲波信號；圖13（h）為海床內砂礫層、較厚的淺層氣層等質密物體，遮擋聲波信號。

在發(fā)現(xiàn)干擾管道判別的情況后，應進行補測，以獲取更清晰的圖像，并建議在原計劃線兩側分別進行加測，補充獲得該區(qū)域更多管道信息。

4 結 語

淺地層剖面儀在海底管道檢測的資料采集過程中，應選擇在風浪較小和合理潮時進行觀測，將拖魚安裝在測船側舷中前部1/3處并準確量取安裝位置和入水深度，觀測時盡量順水測量、保持勻速航行以及采用斜穿管道測量等方式。

在海底管道檢測的淺地層剖面儀資料處理過程中，可通過合理使用涌浪濾波改正以及辨析海底浮泥質、淺層氣、雙繞射曲線、非管道形成的繞射曲線等方式來進行優(yōu)化，以獲取準確的探測結果。

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（編輯：高小雲）

Application and optimization of sub-bottom profiler in submarine pipeline detection

HE Liang，JIN Ben，GAO Shang，ZHU Tangyong

（Lower Changjiang River Bureau of Hydrological and Water Resources Survey，Bureau of Hydrology of" Changjiang Water Resources Commission，Nanjing 210011，China）

Abstract：

In order to study the application rules，characteristics and optimization of the sub-bottom profiler in the submarine pipeline detection，the data acquisition and processing were analyzed by taking the Hangzhou Bay submarine pipeline as an example.We proposed that data collection should be optimized by choosing a reasonable tide，installing a towed fish in the middle at 1/3 of the front side of the survey vessel and accurately measuring the installation position and depth of entry into the water，and reasonably adjusting the ship′s speed，direction and attitude，etc.Data processing can be optimized through the reasonable use of surge filtering correction and the identification and analysis of floating mud on the seafloor，shallow seafloor gases，dual bypassing curves，and bypassing curves formed by non-pipes，etc.The application results showed that through the optimization scheme，the submarine pipeline status and related data can be obtained more conveniently and accurately，so that the potential problems can be detected in time.The research results can provide a reference for the safe operation and maintenance of submarine pipelines.

Key words：

sub-bottom profiler； submarine pipeline； marine surveying； Hangzhou Bay