寧曉東

摘 要：由于長(zhǎng)江中下游為砂質(zhì)河床，泥沙下淤埋的沉船沉物難以被探測(cè)。本文介紹了多種不同探測(cè)技術(shù)在泥沙下沉船沉物水下探測(cè)中應(yīng)用的情況，分析了不同技術(shù)應(yīng)用的效果及優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：歷史沉船;磁探儀;淺地層剖面儀;多頻三維合成孔徑聲吶;三維高分辨率多道纜地層剖面系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TB52? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）01-0075-04

1引言

在整個(gè)地球上，陸地僅占地球表面積的29%，而海洋卻覆蓋著整個(gè)地球面積的71%，它蘊(yùn)藏著極其豐富的資源可供人類使用。但早期由于科學(xué)條件的限制，人們對(duì)于海洋的認(rèn)識(shí)是相當(dāng)不夠的，無法對(duì)其進(jìn)行大規(guī)模的開發(fā)利用。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口的膨脹和陸地資源的逐漸匾乏，人類已將資源的勘探、開發(fā)和利用深入到海洋領(lǐng)域。二十一世紀(jì)，開發(fā)和利用海洋的這一使命變得越來越迫切，人們有一個(gè)普遍的共識(shí)，本世紀(jì)是人類開發(fā)和利用海洋的世紀(jì)，而海洋測(cè)繪是一切海洋開發(fā)活動(dòng)的基礎(chǔ)[1]。

海洋測(cè)繪是海洋測(cè)量和海圖繪制的總稱，其任務(wù)是對(duì)海洋及其鄰近陸地和江河湖泊進(jìn)行測(cè)量和調(diào)查，獲取海洋基礎(chǔ)地理信息，編制各種海圖和航海資料，為航海、國(guó)防建設(shè)、海洋開發(fā)、管理和海洋研究服務(wù)、海洋測(cè)繪的主要內(nèi)容有海洋大地測(cè)量、水深測(cè)量、海洋工程測(cè)量、海底地形測(cè)量、障礙物探測(cè)、水文要素調(diào)查、海洋重磁探測(cè)量，各種海洋專題測(cè)量和海區(qū)資料調(diào)查，以及各種海圖、海圖集、海洋資料的編制和出版，海洋地理信息的分析、處理及應(yīng)用。從信息的角度出發(fā)，囊括了海洋基礎(chǔ)信息的獲取、管理和應(yīng)用。近20年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，海洋測(cè)繪在儀器、技術(shù)和理論方面均取得了飛速的發(fā)展，尤其是現(xiàn)代高精度衛(wèi)星定位技術(shù)和水下GPS定位技術(shù)、船載掃測(cè)技術(shù)（如多波束、高精度高分辨率測(cè)深側(cè)掃聲吶）、海洋遙感技術(shù)、ADCP技術(shù)和目前的研究熱點(diǎn)水下自治機(jī)器人（AUV）集成海洋測(cè)繪系統(tǒng)、電子海圖技術(shù)和海洋GIS技術(shù)，這些現(xiàn)代海洋測(cè)控技術(shù)極大地推進(jìn)了海洋測(cè)繪的發(fā)展，使現(xiàn)代海洋測(cè)繪呈現(xiàn)空間立體信息獲取、信息自動(dòng)存儲(chǔ)和快速準(zhǔn)確應(yīng)用的態(tài)勢(shì)，基本滿足了海洋調(diào)查、開發(fā)和研究的需求[2]。

當(dāng)前，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的建設(shè)與發(fā)展已上升為國(guó)家戰(zhàn)略。作為橫貫中國(guó)東中西部的黃金水道，長(zhǎng)江及其重要的航運(yùn)資源，在長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的科學(xué)發(fā)展中具有極其重要的作用和地位。2019年長(zhǎng)江干線貨運(yùn)量達(dá)29.3億噸，同比增長(zhǎng)8.9%，再次刷新世界內(nèi)河航運(yùn)紀(jì)錄。長(zhǎng)江航道是航運(yùn)事業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)與前提。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，長(zhǎng)江航道內(nèi)不同時(shí)期未打撈沉船近500艘。由于諸多原因造成這些沉船放棄處置，為了防止沉船對(duì)通航安全造成的潛在威脅，常規(guī)處置方法是在犧牲航道尺度的前提下，通過調(diào)整航標(biāo)將沉船放到航道外，暫時(shí)消除安全隱患。但是沉船未打撈，對(duì)航道的影響就會(huì)一直存在。因此，為確保長(zhǎng)江航道安全暢通，有力地支撐長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的建設(shè)與發(fā)展，建議盡早開展對(duì)長(zhǎng)江航道內(nèi)歷史沉船的清除工作。

由于長(zhǎng)江中下游為砂質(zhì)河床，淤沙嚴(yán)重，很多沉船沉物陷入泥沙下難以被傳統(tǒng)的探測(cè)手段發(fā)現(xiàn)，造成長(zhǎng)江歷史沉船打撈難度非常大。近年來隨著科技發(fā)展，國(guó)內(nèi)外發(fā)明了許多新的水下探測(cè)技術(shù)，對(duì)泥沙下目標(biāo)的探測(cè)中逐步應(yīng)用了磁探儀、淺地層剖面儀、多頻三維合成孔徑聲吶和三維高分辨率多道纜地層剖面系統(tǒng)探測(cè)法，取得了一定的應(yīng)用效果。

2泥沙下沉船沉物水下探測(cè)技術(shù)方法

2.1磁探儀探測(cè)技術(shù)

2.1.1工作原理

磁探儀利用富含質(zhì)子氫的液體產(chǎn)生旋進(jìn)信號(hào)。它使用的液體可以提供非常高的氫密度，并且在操作時(shí)沒有危險(xiǎn)。讓極化直流電流通過繞在富含質(zhì)子氫液體探頭的線圈上，便會(huì)產(chǎn)生100高斯的輔助磁通密度。質(zhì)子被極化至較強(qiáng)的凈磁化強(qiáng)度，與較強(qiáng)的磁通密度達(dá)到熱平衡。當(dāng)輔助磁通終止時(shí)，被“極化”的質(zhì)子即發(fā)生旋進(jìn)而重排恢復(fù)為正常的磁通密度狀態(tài)。對(duì)質(zhì)子旋進(jìn)的測(cè)量必須按序進(jìn)行，即先有一個(gè)初始極化，接著進(jìn)行頻率測(cè)量，然后這個(gè)循環(huán)不斷重復(fù)[3]。磁探儀的應(yīng)用范圍很廣，除了科研方面的常規(guī)物理調(diào)查外，在工程應(yīng)用越來越廣泛，如海底油氣管線、海底光纜及通訊電纜調(diào)查、水下沉船探測(cè)、水下污染沉積物調(diào)查等等。磁探儀主要有三個(gè)性能指標(biāo)：靈敏度、分辨率、漂移。

2.1.2探測(cè)方法

根據(jù)磁探儀的工作原理，可以進(jìn)行底質(zhì)調(diào)查工作，更適用于特殊金屬物或沉船的尋找探測(cè)。一般情況下，進(jìn)行初步探測(cè)時(shí)底質(zhì)調(diào)查布線間隔為50-100m，甚至更大。特殊金屬物的尋找應(yīng)根據(jù)金屬物的大小及重量合理布設(shè)測(cè)線。沉船探測(cè)測(cè)線間隔可以為50-150m。當(dāng)磁探探測(cè)儀經(jīng)過能被地球磁場(chǎng)磁化的物體附近時(shí)，導(dǎo)致交變磁場(chǎng)的頻率發(fā)生變化，從而引起磁場(chǎng)強(qiáng)度的異常變化，據(jù)此判定目標(biāo)物的存在。磁化物體重量、磁異常大小、物體與磁探儀的距離三者之間的關(guān)系有一定規(guī)律，但是，影響磁探儀的因素很多，如果不進(jìn)行多次的重復(fù)測(cè)量可能會(huì)造成誤判。若發(fā)現(xiàn)疑似點(diǎn)，可通過加密測(cè)線獲得更精確的數(shù)據(jù)。

2.1.3優(yōu)缺點(diǎn)

磁探儀探測(cè)水下沉船沉物是已經(jīng)經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證的方法，也是目前常規(guī)使用的技術(shù)手段，例如在2000年馬當(dāng)沉船打撈中采用該探測(cè)方法發(fā)現(xiàn)了多處疑似沉船沉物位置，最后都成功發(fā)現(xiàn)沉船目標(biāo)。但是磁探儀對(duì)金屬感應(yīng)非常敏感，對(duì)作業(yè)環(huán)境要求很高，如果在通航區(qū)域，附近航行的金屬船舶將對(duì)磁場(chǎng)影響很大，并且沉船沉物附近金屬物質(zhì)也將影響探測(cè)效果，引起誤判。

2.2淺地層剖面儀探測(cè)技術(shù)

2.2.1工作原理

淺地層剖面儀是在測(cè)深儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，只不過其發(fā)射頻率更低，聲波信號(hào)通過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[4]。淺地層剖面探測(cè)是利用聲波的傳播和反射特性來探測(cè)底床淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。淺地層剖面儀的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括：近岸海域泥砂資源[5-6]和淺層氣調(diào)查，地質(zhì)環(huán)境調(diào)查，工程地質(zhì)調(diào)查，海底管道檢測(cè)等[7]。

淺地層剖面探測(cè)在地層分辨率（一般為數(shù)十厘米）和地層穿透深度（一般為近百米）方面有較高的性能，并可以任意選擇掃頻信號(hào)組合，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)調(diào)整工作參量，可以在航道勘測(cè)中測(cè)量海底浮泥厚度，也可以勘測(cè)海上油田鉆井平臺(tái)基巖深度。淺地層剖面儀采用的技術(shù)主要包括壓電陶瓷式、聲參量陣式、電火花式和電磁式4種。其中，壓電陶瓷式主要分為固定頻率和線性調(diào)頻（Chirp）兩種;電火花式主要利用高電壓在海水中的放電產(chǎn)生聲音原理;聲參量陣式利用差頻原理進(jìn)行水深測(cè)量和淺地層剖面勘探;電磁式通常多為各種不同類型的Boomer，穿透深度及分辨率適中。

2.2.2探測(cè)方法

搜尋探測(cè)一般都采用變頻脈沖技術(shù)，并配有標(biāo)準(zhǔn)Proven技術(shù)工藝的高分辨率淺剖系統(tǒng)。探測(cè)時(shí)，其布設(shè)測(cè)線寬度取決于工作目的，底質(zhì)調(diào)查一般為50-300m。水下目標(biāo)物尋找應(yīng)根據(jù)概位進(jìn)行合理布設(shè)，一般采用交叉布線，測(cè)線間隔一般為15-50m。根據(jù)淺剖圖像判斷底質(zhì)和目標(biāo)物的位置。不同的地質(zhì)類型，在淺剖圖像上顯示的特征不同，當(dāng)有錯(cuò)層或斷層、特殊地物時(shí)，在淺剖圖像上能清晰地顯示出來。但是，由于底質(zhì)的不同構(gòu)成或底質(zhì)圖像的差別變化，可能會(huì)造成誤判。

2.2.3優(yōu)缺點(diǎn)

淺地層剖面儀在泥沙下沉船沉物探測(cè)中也有一些應(yīng)用案例，該方式可以精確的探測(cè)到沉船沉物位于河床面下的位置，為打撈方案制定提供了重要參數(shù)。但是該方式僅能獲得斷面數(shù)據(jù)，對(duì)沉船沉物的判斷要求擁有非常豐富的經(jīng)驗(yàn)及地層地質(zhì)分析能力。該方法適用于已經(jīng)確定了沉船沉物目標(biāo)大概位置，獲取沉船沉物在泥沙下的深度。

2.3多頻三維合成孔徑聲吶

2.3.1工作原理

多頻三維合成孔徑聲吶，綜合采用多頻、三維合成孔徑聲吶技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮、沉底和掩埋目標(biāo)的實(shí)時(shí)成像，滿足用戶水下環(huán)境探查、水下目標(biāo)搜索、航道整治復(fù)勘、護(hù)堤結(jié)構(gòu)復(fù)勘、橋墩監(jiān)測(cè)、救撈、應(yīng)急、油氣管線路由勘察、光纜電纜勘察（路由+埋深+地層等功能）、三維精細(xì)地層結(jié)構(gòu)、水下其它各類成像等多種使命任務(wù)的需求，為用戶提供水下懸浮、沉底和掩埋目標(biāo)的高清影像、目標(biāo)位置、目標(biāo)埋設(shè)深度、以及水下高精度三維地層等多種信息[8]。在國(guó)外的應(yīng)用中，合成孔徑系統(tǒng)在海洋地形地貌的測(cè)量上有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，應(yīng)用于各項(xiàng)海洋探查實(shí)踐[9]。

2.3.2探測(cè)方法

多頻三維合成孔徑聲吶一般可固定安裝在船舷，探測(cè)時(shí)，根據(jù)目標(biāo)的大小，可以合理布置測(cè)線寬度，大范圍搜尋是適合20m—100m，精確搜尋時(shí)測(cè)線寬度可以按照5m—20m測(cè)線進(jìn)行布設(shè)。該設(shè)備也可以根據(jù)搜尋的要求，現(xiàn)場(chǎng)靈活組合，實(shí)現(xiàn)下視、側(cè)視等多種工作模式，滿足不同的任務(wù)場(chǎng)景需求，以及掛船安裝、船底安裝、ROV安裝和AUV安裝等多種安裝需求。

2.3.3優(yōu)缺點(diǎn)

多頻三維合成孔徑聲吶是近年來新開發(fā)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)泥沙下目標(biāo)的三維顯示，相對(duì)于傳統(tǒng)的磁探儀和淺地層剖面儀等方式更加直觀，易于判斷。該方式作業(yè)范圍受限，目前僅能探測(cè)泥沙下10m以內(nèi)的目標(biāo)。

2.4三維高分辨率多道纜地層剖面系統(tǒng)探測(cè)法

2.4.1工作原理

三維高分辨率多道纜地層剖面系統(tǒng)由電源箱、震源、水聽器纜、采集單元這幾個(gè)主要部分組成。完整的系統(tǒng)可以應(yīng)用于淡水或海水環(huán)境下獲取高分辨率三維地震數(shù)據(jù)，穿透能力可達(dá)到湖/河床下面約300m的深度，這種對(duì)地層的穿透能力是淺地層剖面儀所不能達(dá)到的，在對(duì)剖深和分辨率有更高要求時(shí)，絕大多數(shù)使用者都會(huì)選擇利用電火花剖面系統(tǒng)來進(jìn)行工作.

不同于普通淺水電火花系統(tǒng)，三維電火花地層剖面系統(tǒng)能夠提供的是三維底層沉積及掩埋物體圖像[10]。該功能主要針對(duì)的是對(duì)埋在水底下面的目標(biāo)的探測(cè)，例如管道、錨鏈、鐵錨及沉船等。因?yàn)樵擃惸繕?biāo)在實(shí)時(shí)二維圖像中，往往需要多年的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，或者只有在進(jìn)行了多條測(cè)線的測(cè)量后，才能夠通過某些特定軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到相對(duì)確定的判斷。但是三維電火花剖面系統(tǒng)，能夠幫助沒有多年經(jīng)驗(yàn)的使用者，得到直觀的水底埋藏目標(biāo)的圖像。

該系統(tǒng)可以應(yīng)用于湖泊與江河勘測(cè)、港口勘測(cè)、水利工程，橋梁、路由管道、風(fēng)電項(xiàng)目勘察，掩埋礫石清理，航道危險(xiǎn)障礙物調(diào)查等項(xiàng)目中。

2.4.2探測(cè)方法

三維電火花系統(tǒng)要求船只至少有25-35m長(zhǎng)和6-8m寬。船只尾部固定兩個(gè)伸出船側(cè)的支架，支架需要約6m長(zhǎng)，具體長(zhǎng)度根據(jù)船只情況確定。船只運(yùn)行時(shí)的噪音與運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力成正比，因此建議使用低功率，一臺(tái)低轉(zhuǎn)速推進(jìn)器。為了方便布放地震纜絞車和兩個(gè)震源，船只后甲板應(yīng)有最少25-30m2空間。2臺(tái)高壓電源箱、2臺(tái)采集系統(tǒng)和地震纜定位系統(tǒng)需要在測(cè)量室內(nèi)留出約20m2空間。

2.4.3優(yōu)缺點(diǎn)

三維電火花系統(tǒng)相較于以上的水下電視系統(tǒng)和三種聲吶系統(tǒng)，最大的特點(diǎn)就是能夠穿透地層，對(duì)江底地層一定深度行程三維圖形，通過切片分析可以清楚的探知淤埋的沉船沉物情況。相較于國(guó)內(nèi)目前的二維電火花系統(tǒng)，成像立體，精確度更高，更容易分辨目標(biāo)物。是目前國(guó)內(nèi)外唯一能夠?qū)Φ貙尤S成像的設(shè)備。

三維電火花的缺點(diǎn)是安裝組裝復(fù)雜，設(shè)備布放空間要求高，僅能在開闊水域作業(yè)，并且設(shè)備采購(gòu)價(jià)格高昂，作業(yè)難度大，數(shù)據(jù)后處理工作量大。

3結(jié)語(yǔ)

根據(jù)沉船沉物所處的作業(yè)環(huán)境不同，可以實(shí)施的水下探測(cè)技術(shù)也不同，檢測(cè)單位可以根據(jù)檢測(cè)需要采用不同的泥沙下探測(cè)技術(shù)。在長(zhǎng)江泥沙下沉船沉物探測(cè)中，在上游山區(qū)河段的流速較大區(qū)域，適合采用無人直升機(jī)載磁探儀方法探測(cè)，在中下游河段首推多頻三維合成孔徑聲吶。如果在海上進(jìn)行泥沙下沉船沉物探測(cè)，可以考慮三維高分辨率多道纜地層剖面系統(tǒng)探測(cè)法。

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