一,、引言

近年來，海上風電的建設規(guī)模持續(xù)快速發(fā)展,，海底電纜隨之應用愈加廣泛,。海纜鋪設于海床面以下，海床本身受海流影響沖淤變化復雜,，海底溝槽的產生演變較快，海纜周圍在潮流作用下發(fā)生差異性沖刷,，容易造成海底電纜出現非掩埋(裸露及懸空)狀態(tài),。如果懸空跨度過長，管線形變和內部應力幅值都會增大,，在渦激振動長期作用下將引起海纜的疲勞斷裂,，嚴重威脅海上風電生產安全，因此對海纜沖刷狀況的監(jiān)測已成為海上風電運維過程的關鍵,。

隨著海底聲學探測技術的進步,，側掃聲納、單波束測深儀,、多波束測深系統(tǒng),、淺地層剖面儀等聲納探測設備的測量精度有了很大的提高，操作難度大大降低,，能夠避免海水流速快,、憩流時間短、水下能見度差等環(huán)境因素對探測結果的影響,，完全可以滿足海底電纜局部沖刷調查的要求,，成為評估其沖刷狀況的主要手段,。其中，通過側掃聲納可以生成測區(qū)水下地貌的高分辨率二維平面圖譜,，但定位信息及水深精度不足,；多波束測深系統(tǒng)雖然可以獲得測區(qū)全覆蓋的精確水深和定位數據，生成反映水下地形變化的三維點云影像,，但關于精細特征的表達較差,，二者擇一均無法獲取全方位、高精度的水下結構數據,。

本文綜合上述兩種設備優(yōu)勢,，提出一種基于多波束測深與側掃聲納的聯合調查方法，在福清興化灣海上風電場二期項目開展試驗性應用,，通過聲學解譯成果的綜合研判,，辨識海底電纜的非掩埋狀態(tài)，確定裸露段,、懸空段的長度,、高度及對應的地形地貌等，為海纜在海底的運行狀況及后期治理提供依據,。

二,、非掩埋海纜聲納調查技術

⒈多波束測深

本研究采用Teledyne RESON SeaBat T50-P高分辨率多波束系統(tǒng)，工作頻率190～420kHz,，條帶掃寬45°～150°(等角模式165°),，均可實現在線實時調節(jié)，以0.5°×1°窄波束測量,，具有6mm的超高分辨率,，最大水深量程575m。

多波束測深系統(tǒng)是一種多傳感器組合的水下地形測繪新技術,，具有高精度,、高分辨率、寬覆蓋面等優(yōu)點,，其測量基本原理是通過換能器陣列實現聲波的廣角度發(fā)射和多通道接收,，發(fā)射波束和接收波束指向的米爾斯交叉形成對水下地形的照射“腳印”，在船舶航向的垂面內生成條幅式高密度水深數據,，從而沿航線繪制出一定寬度海域的三維水下地形,。

通過對測深點云數據三維形態(tài)及地形剖面的分析，可判斷海底電纜的裸露和懸空狀況：①裸露海纜的點云形態(tài)表現為光滑凸面的條狀結構,，纜頂與海床面的高差小于海纜直徑,；②懸空海纜的點云形態(tài)表現為鋸齒狀結構，纜頂與海床面的高差大于海纜直徑,。

⒉側掃聲納

常規(guī)的多波束測深儀配套拖曳式側掃聲納進行協(xié)同調查,，兩種設備獨立作業(yè)需利用高精度定位儀器進行位置改正,，以消除異步工作產生的定位相對偏差。而本研究采用的SeaBat T50-P多波束系統(tǒng)由于同時集成了水深測量功能模塊和側掃聲納功能模塊,，可基于相鄰波束信號的平均除噪,，以及對峰值信號的處理，在測深過程中同步獲取側掃數據,，無需考慮定位融合問題,。

通過對不同成像條件下得到的側掃圖譜的紋理分析，可判斷海底電纜的非掩埋狀態(tài),，如圖1所示：①海纜處于懸空狀態(tài)時,，海纜對聲波的強反射信號最先在側掃圖譜上成像，其外側為聲波穿過海纜懸空間隙而形成的“聲學透空區(qū)”,，最外側為聲波受到海纜遮擋而形成的“聲學陰影區(qū)”,。②海纜處于裸露狀態(tài)時，海纜與海床面緊密貼合,，不存在“聲學透空區(qū)”,，因此側掃成像依次為海纜強反射區(qū)、聲學陰影區(qū),。通俗來說,，即為近船一側的亮條紋與陰影線相貼合為裸露狀態(tài)，反之分離則為懸空狀態(tài),，懸空高度可通過圖1(a)的幾何關系簡單求解：

h＝R2×(H/((R1＋R2))－D,，⑴

式中，h為懸空高度,；D為海纜直徑,；H為換能器距海床面的高度；R1為換能器至海纜的斜距,；R2為懸空海纜的聲影長度。H,、R1,、R2均可以從未進行斜距改正的側掃圖譜上量取。

圖1 非掩埋海纜側掃成像原理示意圖

三,、調查應用

⒈測區(qū)概況

福清興化灣海上風電場二期(首運試驗風場)項目位于興化灣北部,，江陰半島與岐尾岬角連線以南海域，該風場于2018年9月動工建設,，規(guī)劃裝機容量280MW,，布設有45臺風電機組和1臺220kV海上升壓站，基礎型式分別采用高樁承臺和導管架結構,，同時配套鋪設海纜總長度約131.87km,。建設單位期望通過定期調查,，了解海纜路由區(qū)的沖淤變化特征，掌握海底電纜的在位狀態(tài),，為海上風電場的運行維護提供科學依據,。本研究采用多波束測深和側掃聲納協(xié)同調查手段進行試點應用。

⒉調查流程

調查作業(yè)依據?海洋工程地形測量規(guī)范?(GB/T17501－2017),、?全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范?(GB/T18314－2009)等現行規(guī)范標準,。海上作業(yè)前，根據測段水深及數據質量采用5倍有效寬深比,，沿海纜路由兩側各外擴30m范圍內均勻布設測線,，相鄰條帶掃寬重疊率保證20％以上。調查人員通過Auto CAD繪制作業(yè)測線,，導入PDS2000采集軟件并設置好坐標系統(tǒng),、端口協(xié)議和船型文件，連接換能器,、GPS,、姿態(tài)儀、表層聲速儀等設備,，根據PDS軟件顯示引導調查船沿測線進行走航作業(yè),，測量過程中實時修正航速、航向,，并自動記錄定位,、水深、側掃等數據,。

調查作業(yè)時,，多波束換能器和表層聲速儀采用舷外懸掛安裝方式，通過T型架與主,、輔GPS一同固定在距船首1/2綜合噪聲較小處,，姿態(tài)傳感器安裝在調查船首尾連線上的船體重心位置，并準確定義船體坐標和測量偏移參數,，以減少船身搖晃對數據質量的影響,，實現多波束姿態(tài)實時改正和測量點位實時獲取，對海底電纜周邊范圍進行全覆蓋掃測,。

⒊質量控制

正式測量前,，首先選取測區(qū)內水深較大、地形平坦及陡坡處布設2條平行測線,，測線間距保證邊緣波束重疊50％,，調查船沿測線進行3組往返量測，依此進行橫搖偏差(roll offset),、縱搖偏差(pitch offset)和艏向偏差(yaw offset)的計算,，分別取其平均值作為校準結果,。其次，應對多波束系統(tǒng)分別進行綜合測深誤差測定和單波束測深精度比對,，選擇在水深大于測區(qū)內的最大水深且地形平坦的水域布設正交測線,，比測重疊部分的水深，水深比對超限的點數應低于總比對點數的15％,，限差計算如下式：

±(2[a2＋(b×d)2]）-2,，⑵

式中，測深誤差常差a＝0.25m,；測深比例誤差b＝0.0075,；d為水深。

測量過程中,，注意經常量取多波束換能器的靜態(tài)吃水深度,，如有發(fā)生變化，及時檢查設備緊固情況并進行參數改正,；聲速剖面每隔2～3h采用AMLBASE X2SVP聲速儀加測(剖面間距為0.5m),；場區(qū)28＃風機下放HOBOU20－0001－02水位記錄儀進行臨時潮位觀測，觀測周期覆蓋整個測量過程,。

海上作業(yè)完成后,，采用Teledyne Reson公司配套多波束采集軟件PDS2000，對原始數據進行姿態(tài)偏差校準(橫搖,、縱搖及艏向),、聲速剖面校正、潮位改正,、邊緣濾波等一系列處理,，最后根據測區(qū)地形的變化趨勢，通過人機交互方式,，對相鄰條帶重疊部分的水深數據進行比對,，剔除異常信號，拼接得到真實的水深地形,。

四,、數據分析

由圖2可以直觀地看到，多波束探測到的非掩埋海纜走勢和輪廓清晰,，呈現出淺埋、裸露到懸空的形態(tài)變化,。該段海纜途徑區(qū)域的海底地形下蝕為凹面,，底部高程約－13.85m(1985國家高程基準)，根據流痕判斷,，海纜周邊主要水流沖刷方向為SE－NW方向,，與海纜敷設走向成62°夾角,。受上述起伏地形和海流沖刷的影響，海纜兩端由淺埋變?yōu)槁懵稜顟B(tài),，并在中部形成懸空,，其中，裸露段海纜表現為海床面上的光滑條狀物,，長度分別為14m和7m,，纜頂距海床面高度4～9cm(圖3(a)、圖3(c)),，懸空段海纜表現為鋸條狀結構,，長度16m，纜頂距海床面高度最大約35cm(圖3(b)),，結合海纜直徑100mm的工程資料,，可計算得到懸空高度為25cm。

圖2 非掩埋海纜三維點云示意圖

圖3 非掩埋海纜剖面示意圖

基于側掃圖譜解譯可以獲知水下結構物的位置,、尺寸及分布范圍,，結果更加直觀、清晰,。如圖4所示,，能夠清楚觀察到海底電纜在裸露及懸空狀態(tài)下形成的聲像紋理特征，藉此判斷其裸露或懸空情況,，通過式⑴的計算,，海纜懸空高度約為24.5cm，長度約15.7m,，這與多波束三維點云圖的測算結果相互驗證和支撐,，為數據綜合分析提供了有效補充。

圖4 非掩埋海纜側掃聲納圖譜示意圖

2021年7月5日對該段非掩埋海纜進行了水下探摸,，潛水員沿著海纜進行摸查發(fā)現：探摸區(qū)域的表層沉積物基本為淤泥質,，泥面厚度約20cm，下方為砂層,，海纜首尾兩段已完全出露且平鋪于海床面,，見圖5(a)，纜體表面有少許浮泥覆蓋,，海纜中段已處于懸空狀態(tài),，見圖5(b)，實測懸跨長度約17m,，懸空高度5～28cm,。水下探摸驗證了多波束測深與側掃聲納的聯合調查結果。

圖5 水下探摸影像資料示意圖

五、結束語

受海流,、風暴潮等自然因素作用,，海底電纜局部沖刷造成裸露或懸空，且長期過度懸跨極易產生疲勞破壞的嚴重后果,，因此管線非掩埋屬性的判定是海底電纜沖刷調查的重點和難點,。本文針對海纜局部沖刷問題，提出了多波束測深與側掃聲納協(xié)同應用的非掩埋海纜調查方法,，該方法具有更好的普適性,、經濟性和可靠性，能夠獲取更加詳實,、精確的水深地形數據及水下結構圖像,，由此更好地服務于海纜沖淤監(jiān)測，具有一定的工程應用價值,。

本調查方法使用的儀器設備不需要調用動力定位船舶或搭載于遙控潛水器,，租用民用船只即可完成全部測量工作，成本可控,；同時,，由于是基于聲學特征進行探測，相比電磁檢測和水下視頻觀測,，本方法能夠實現目標區(qū)域的大范圍掃測,，工作效率顯著提高；并且?guī)щ姾＠|也可進行探測,，作業(yè)過程不影響海纜輸電,，也不受用電調配的限制，對海上風電場正常運營不會產生影響,。唯一不足之處在于,，該方法探測的裸露、懸空等數據精度不高,，實際操作中,，建議先進行海纜路由區(qū)地形地貌的全覆蓋掃測，再派遣潛水員對風險點逐個排查確認,，提高效率,，節(jié)約成本。

為了更好地實現海上風電場的運維管理,，建議采用該方法對海纜路由區(qū)域進行定期調查,，通過多次調查結果分析沖淤變化情況，預測海底電纜裸露,、懸空狀況的發(fā)生,，以便于運維單位采取及時,、有效的防范措施，消除安全隱患,。

1

END

1

【作者簡介】文/王強 陳嘉偉 姚弘毅 蔚廣鑫，分別來自中國三峽新能源(集團)股份有限公司江西分公司和福建海洋研究所,；第一作者王強,，1966出生，男,，湖北武漢人,，高級工程師，碩士,，主要從事可再生能源領域研究和開發(fā)管理,；文章來自《海洋測繪》（2022年第3期），參考文獻略,，用于學習與交流,，版權歸作者及出版社共同擁有，本文轉載已取得相關授權,。