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聯(lián)網(wǎng)，為長三角、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，海底管道建成運營后，需要進行定期檢測[1]。在最近一次檢測中，發(fā)現(xiàn)海底管道西側(cè)分布了不少采砂活動區(qū)，采砂坑邊緣處水深變化劇烈，采砂活動會產(chǎn)生較大的深坑和較陡的邊坡，采砂坑的存在會對海洋水動力環(huán)境造成一定的影響[2]。由于采砂區(qū)底部水深已經(jīng)超過管道頂部標高，對管道的安全構(gòu)成了較大隱患，如果采砂區(qū)繼續(xù)向管道方向擴展將可能嚴重影響管道的在位正常運行。為確保海底管道運行安全，需要對西氣東輸二線香港支線大陸段海底管道兩側(cè)進行調(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)項目實際情況，采用側(cè)掃聲納掃測、多波束水深測量以及淺地層剖面測量并輔以單波束水深測量和表層沉積物采樣等手段，掃測香港支線大陸段海底管道重點區(qū)域的地形地貌，獲取采砂坑的分布和特點，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。由于管道周邊實際采砂活動范圍不明確，已發(fā)現(xiàn)的采砂活動區(qū)和距離管道較近的歷史采砂區(qū)為重點調(diào)查范圍，面積約13 km2。同時，根據(jù)側(cè)掃聲吶的全域掃測結(jié)果適時調(diào)整多波束調(diào)查和淺地層剖面調(diào)查范圍，對勾勒出的采砂活動范圍開展多波束水深調(diào)查工作（圖1）。

圖1 測區(qū)范圍Fig.1 Measuring area range

2 探測技術(shù)方法

2.1 測量技術(shù)

1）水深測量技術(shù)。海洋水深測量目前主要采用單波束或多波束測量方式進行[3]。單波束測深儀采用換能器向水下發(fā)生超聲波，利用計時器計算超聲波在海底往返的時間，然后計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。在實際應用中，還需要考慮水深改正、潮汐改正、聲速改正等[5]。多波束測深系統(tǒng)是從單波束測深系統(tǒng)發(fā)展而來的，多波束測深儀可以發(fā)射超聲波脈沖，反射的信號也可以被多個接納器接收，相對于單波束測深系統(tǒng)而言，能夠獲得海量的測深值，具有分辨率高、精度高、覆蓋范圍大、自動化成圖、效率高等特點[6]。

2）側(cè)掃聲吶掃測技術(shù)。側(cè)掃聲吶是利用回聲測深原理來探測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判斷目標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)每個條帶探測寬度可以達到數(shù)十米到數(shù)百米，然后接收海底返回的背散射數(shù)據(jù)對海底進行成像，能直觀地提供海底形態(tài)的聲成像。與多波束水深測量技術(shù)相比，側(cè)掃聲吶不能準確給出海底的深度，橫向分辨率取決于聲吶陣的水平角寬[8]?？傮w來看，側(cè)掃聲吶適合做大面積測量，多波束水深探測適合于確定對象的精細測量[9]。

3）地層剖面探測技術(shù)。地層剖面探測是在回聲測深技術(shù)的基礎上發(fā)展起來的，利用聲波在水中和水下沉積物內(nèi)傳播和反射的特性來探測水底地層剖面[10]。對海洋、江河、湖泊底部地層進行剖面主要采用淺地層剖面儀，聲波信號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]，以聲學剖面圖形反映淺地層組織結(jié)構(gòu)，能夠經(jīng)濟高效地探測海底淺地層剖面結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。

2.2 掃測方案

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

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

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

3）采用多波束測深系統(tǒng)對上一步劃定的采砂坑區(qū)域開展精細的水深地形調(diào)查，重點調(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。

水深地形測量工作貫穿于整個調(diào)查期間，先期隨側(cè)掃聲吶掃測采砂活動區(qū)開展單波束水深地形測量，明確采砂活動區(qū)分布后，針對采砂區(qū)開展多波束全覆蓋水深地形測量，為滿足水深測量需要，測量期間需同步開展潮位觀測、聲速剖面（SVP）觀測用以輔助。使用驗潮站的實時驗潮數(shù)據(jù)對水深測量數(shù)據(jù)進行潮汐改正，潮汐基準采用當?shù)乩碚撟畹统泵?。采用C-NAV3050 星站差分定位系統(tǒng)進行導航定位，出航前開通StarFire 星站差分信號，并與控制點進行比對和8 小時穩(wěn)定性測試，開通星站差分信號的GNSS 系統(tǒng)精度可達到分米級，大大優(yōu)于規(guī)范要求。

單波束測深儀和多波束測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)，拖纜長度固定在4.5 m，淺地層剖面設備與多波束設備采用同一點位，在多波束完成作業(yè)之后開始淺地層剖面調(diào)查（圖2）。儀器設備安裝位置科學合理，以最大程度減少設備間的信號干擾，設備安裝完成后使用全站儀測量GNSS 天線頭、多波束探頭和運動傳感器的相對位置關(guān)系，并形成記錄。

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

3 工程實例

3.1 掃測過程

1）海底地貌掃測。使用EdgeTech4200SP 側(cè)掃聲吶采集系統(tǒng)進行海底測區(qū)全覆蓋微地貌調(diào)查，該設備最大單側(cè)掃幅寬度可達600 m，側(cè)掃頻率為120 kHz&410 kHz，橫向分辨率可達2 cm，縱向分辨率可達0.5 m。掃測之前，對側(cè)掃聲吶在工程海區(qū)進行調(diào)試，使聲圖的海底混響的灰度適當。在掃測過程中不得隨意變動，僅當水深變化較大且灰度不適當時，稍微調(diào)試儀器，使聲圖的海底混響的灰度恢復到原來的程度。側(cè)掃過程中保持船速不超過5 kn/h，拖魚拖曳長度4.5 m，作業(yè)過程中固定拖曳長度；測量船換測線轉(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 進行掃測，測線間距為100 m。利用側(cè)掃聲吶對整個調(diào)查區(qū)開展海底地貌調(diào)查，查明管道周邊采砂活動區(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，辨識采砂區(qū)砂體堆積及沖刷痕跡。

2）單波束水深測量（圖3）。單波束測量使用無錫海鷹HY1601 單頻測深系統(tǒng)進行，測深精度為量程的1 cm±1‰H（H 為所測水深），自動化采集實時定位數(shù)據(jù)、數(shù)字化水深數(shù)據(jù)和模擬水深記錄。設備出航前在碼頭進行8 h 的穩(wěn)定性測試，并進行內(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)采用中海達導航軟件進行采集，同步記錄電子水深和模擬信號數(shù)據(jù)。單波束作業(yè)聲速采用每日實測聲速剖面數(shù)據(jù)的表層聲速，作業(yè)人員將實測聲速輸入測深儀，繼而使用比測板分別于1 m、2 m、3 m 水深進行吃水改正校準，將最終校準后的吃水值40 cm 和聲速數(shù)據(jù)一同輸入測深儀，水深采集時進行實時的聲速和吃水改正。

圖3 單波束比測水深模擬信號圖Fig.3 Single beam ratio sounding depth analog signal diagram

在調(diào)查過程中，側(cè)掃聲吶測量與單波束水深測量同步進行，測線布設與水深測量測線一致。對于水深變化較大，側(cè)掃聲吶測量不能達到全覆蓋的區(qū)域加密測線，以達到全覆蓋側(cè)掃聲吶測量的技術(shù)要求。

3）多波束水深測量。多波束測量使用Reson T50P型淺水多波束測深系統(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。在測區(qū)范圍內(nèi)選擇地形起伏區(qū)域布設井字型4 條校正測線進行校正。調(diào)查期間，每天進行早中晚3 次聲速剖面測量，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，供后續(xù)處理動態(tài)改正。

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

多波束設備安裝完成后，需要對多波束的探頭安裝姿態(tài)進行校正，根據(jù)多波束校正的標準程序進行各項指標的校正工作，把所有的姿態(tài)修正值輸入到多波束系統(tǒng)中去。調(diào)查先進行測區(qū)多波束的掃測，再根據(jù)掃測結(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)校準情況Tab.1 Parameter calibration

多波束測量分別布設主測線和檢查測線，航次主測線采用平行等深線走向布設，檢查測線與主測線垂直布設。多波束全覆蓋測量中，測量船保持5 kn/h 船速勻速直線航行，測量的同時記錄多波束數(shù)據(jù)采集班報表。測量檢查線總長度達到全部測線長度的5%，測線間條幅重疊率大大滿足規(guī)范要求。對發(fā)現(xiàn)的采砂活動區(qū)采用多波束測深系統(tǒng)對采砂活動區(qū)整個區(qū)域的水深情況進行全覆蓋精細調(diào)查，繪制比例尺為1 ∶2000，對因為測線間距而無法達到全覆蓋測量的區(qū)域進行加密測量。

4）地層剖面探測。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，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，嚴重干擾了水聽纜接收到的地層信號。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。SES2000三維淺剖系統(tǒng)采用非線性調(diào)聲吶作為聲源來探測海底淺地層的構(gòu)造情況，是一種輕便靈活、高分辨率、高精度探測水深及海底淺地層剖面的新型儀器，是國內(nèi)首套用于工程地質(zhì)勘探的設備，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 海域進行探測試驗，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)查在測區(qū)內(nèi)最大規(guī)模的采砂坑處開展，測線布設間距50 m，垂直管道路由方向布設主測線，主測線橫跨采砂坑東側(cè)邊緣至海管位置，在采砂坑北、中、南各布設一條穿越整個采砂坑的測線，主測線共144 條；平行于管道路由方向布設檢測線，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定位信號和Heading 信號，精確量取震源和GNSS 天線的相對位置、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)過程中還采用蚌式采樣器進行了5 個表層樣抓取。

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圖像。單波束水深數(shù)據(jù)采用中海達水深資料處理軟件，首先檢查任務并導入，采用適合的波法方法對水深數(shù)據(jù)進行濾波，剔除大部分干擾脈沖信號，然后對比回波數(shù)據(jù)檢查人工平滑剔除跳點，設置采樣間隔按比例尺需求采樣，最后用驗潮站數(shù)據(jù)進行潮位改正并導出數(shù)據(jù)。單波束數(shù)據(jù)處理完成水位改正后對所有交叉點水深數(shù)據(jù)進行檢查統(tǒng)計，滿足規(guī)范要求方可進入成圖軟件。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)處理時對所有測線數(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)處理軟件對獲取淺地層剖面數(shù)據(jù)進行處理。通過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)掃聲吶全覆蓋掃測調(diào)查范圍，獲取海底面的聲吶影像資料，根據(jù)掃測結(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上的典型反應，判斷凹坑是否由吸砂活動形成，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號凹坑吸砂作業(yè)活動早已終止，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，根據(jù)剖面地形圖中統(tǒng)計的18 條地形剖面圖數(shù)據(jù)分析，Ⅰ號采砂坑段坡度較大，剖面坡度最大達19.6°，為陡坡；Ⅱ、Ⅲ號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 個采砂坑。I 號采砂坑位于海底海管中段KP3+500 至KP12+328，采砂坑東側(cè)邊界平行于海管分布長達6.7 km，距離海管大部分在500 m 以內(nèi)，最近處僅278 m，對海管的安全構(gòu)成一定的隱患，需重點關(guān)注。Ⅱ號采砂坑位于KP3貼近海管處，Ⅲ號采砂坑位于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海管之上。針對I 號采砂坑應盡快開展補充勘察，調(diào)查采砂坑及周邊水動力環(huán)境特征和地層土力學特性，進一步評估采砂坑邊坡的穩(wěn)定性和對海管的影響，及時采取防護措施，將采砂坑對海管安全的影響降到最小。建議后續(xù)對已有采砂坑邊坡實行常態(tài)化監(jiān)測，掌握采砂坑的動態(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，加密臺風等極端天氣后的監(jiān)測。