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一、引言 近年来，海上风电的建设规模持续快速发展，海底电缆随之应用愈加广泛。海缆铺设于海床面以下，海床本身受海流影响冲淤变化复杂，海底沟槽的产生演变较快，海缆周围在潮流作用下发生差异性冲刷，容易造成海底电缆出现非掩埋(裸露及悬空)状态。如果悬空跨度过长，管线形变和内部应力幅值都会增大，在涡激振动长期作用下将引起海缆的疲劳断裂，严重威胁海上风电生产安全，因此对海缆冲刷状况的监测已成为海上风电运维过程的关键。 随着海底声学探测技术的进步，侧扫声纳、单波束测深仪、多波束测深系统、浅地层剖面仪等声纳探测设备的测量精度有了很大的提高，操作难度大大降低，能够避免海水流速快、憩流时间短、水下能见度差等环境因素对探测结果的影响，完全可以满足海底电缆局部冲刷调查的要求，成为评估其冲刷状况的主要手段。其中，通过侧扫声纳可以生成测区水下地貌的高分辨率二维平面图谱，但定位信息及水深精度不足；多波束测深系统虽然可以获得测区全覆盖的精确水深和定位数据，生成反映水下地形变化的三维点云影像，但关于精细特征的表达较差，二者择一均无法获取全方位、高精度的水下结构数据。 本文综合上述两种设备优势，提出一种基于多波束测深与侧扫声纳的联合调查方法，在福清兴化湾海上风电场二期项目开展试验性应用，通过声学解译成果的综合研判，辨识海底电缆的非掩埋状态，确定裸露段、悬空段的长度、高度及对应的地形地貌等，为海缆在海底的运行状况及后期治理提供依据。 二、非掩埋海缆声纳调查技术 ⒈多波束测深 本研究采用Teledyne RESON SeaBat T50-P高分辨率多波束系统，工作频率190～420kHz，条带扫宽45°～150°(等角模式165°)，均可实现在线实时调节，以0.5°×1°窄波束测量，具有6mm的超高分辨率，最大水深量程575m。 多波束测深系统是一种多传感器组合的水下地形测绘新技术，具有高精度、高分辨率、宽覆盖面等优点，其测量基本原理是通过换能器阵列实现声波的广角度发射和多通道接收，发射波束和接收波束指向的米尔斯交叉形成对水下地形的照射“脚印”，在船舶航向的垂面内生成条幅式高密度水深数据，从而沿航线绘制出一定宽度海域的三维水下地形。 通过对测深点云数据三维形态及地形剖面的分析，可判断海底电缆的裸露和悬空状况：①裸露海缆的点云形态表现为光滑凸面的条状结构，缆顶与海床面的高差小于海缆直径；②悬空海缆的点云形态表现为锯齿状结构，缆顶与海床面的高差大于海缆直径。 ⒉侧扫声纳 常规的多波束测深仪配套拖曳式侧扫声纳进行协同调查，两种设备独立作业需利用高精度定位仪器进行位置改正，以消除异步工作产生的定位相对偏差。而本研究采用的SeaBat T50-P多波束系统由于同时集成了水深测量功能模块和侧扫声纳功能模块，可基于相邻波束信号的平均除噪，以及对峰值信号的处理，在测深过程中同步获取侧扫数据，无需考虑定位融合问题。 通过对不同成像条件下得到的侧扫图谱的纹理分析，可判断海底电缆的非掩埋状态，如图1所示：①海缆处于悬空状态时，海缆对声波的强反射信号最先在侧扫图谱上成像，其外侧为声波穿过海缆悬空间隙而形成的“声学透空区”，最外侧为声波受到海缆遮挡而形成的“声学阴影区”。②海缆处于裸露状态时，海缆与海床面紧密贴合，不存在“声学透空区”，因此侧扫成像依次为海缆强反射区、声学阴影区。通俗来说，即为近船一侧的亮条纹与阴影线相贴合为裸露状态，反之分离则为悬空状态，悬空高度可通过图1(a)的几何关系简单求解： h＝R2×(H/((R1＋R2))－D，⑴ 式中，h为悬空高度；D为海缆直径；H为换能器距海床面的高度；R1为换能器至海缆的斜距；R2为悬空海缆的声影长度。H、R1、R2均可以从未进行斜距改正的侧扫图谱上量取。  图1 非掩埋海缆侧扫成像原理示意图 三、调查应用 ⒈测区概况 福清兴化湾海上风电场二期(首运试验风场)项目位于兴化湾北部，江阴半岛与岐尾岬角连线以南海域，该风场于2018年9月动工建设，规划装机容量280MW，布设有45台风电机组和1台220kV海上升压站，基础型式分别采用高桩承台和导管架结构，同时配套铺设海缆总长度约131.87km。建设单位期望通过定期调查，了解海缆路由区的冲淤变化特征，掌握海底电缆的在位状态，为海上风电场的运行维护提供科学依据。本研究采用多波束测深和侧扫声纳协同调查手段进行试点应用。 ⒉调查流程 调查作业依据«海洋工程地形测量规范»(GB/T17501－2017)、«全球定位系统(GPS)测量规范»(GB/T18314－2009)等现行规范标准。海上作业前，根据测段水深及数据质量采用5倍有效宽深比，沿海缆路由两侧各外扩30m范围内均匀布设测线，相邻条带扫宽重叠率保证20％以上。调查人员通过Auto CAD绘制作业测线，导入PDS2000采集软件并设置好坐标系统、端口协议和船型文件，连接换能器、GPS、姿态仪、表层声速仪等设备，根据PDS软件显示引导调查船沿测线进行走航作业，测量过程中实时修正航速、航向，并自动记录定位、水深、侧扫等数据。 调查作业时，多波束换能器和表层声速仪采用舷外悬挂安装方式，通过T型架与主、辅GPS一同固定在距船首1/2综合噪声较小处，姿态传感器安装在调查船首尾连线上的船体重心位置，并准确定义船体坐标和测量偏移参数，以减少船身摇晃对数据质量的影响，实现多波束姿态实时改正和测量点位实时获取，对海底电缆周边范围进行全覆盖扫测。 ⒊质量控制 正式测量前，首先选取测区内水深较大、地形平坦及陡坡处布设2条平行测线，测线间距保证边缘波束重叠50％，调查船沿测线进行3组往返量测，依此进行横摇偏差(roll offset)、纵摇偏差(pitch offset)和艏向偏差(yaw offset)的计算，分别取其平均值作为校准结果。其次，应对多波束系统分别进行综合测深误差测定和单波束测深精度比对，选择在水深大于测区内的最大水深且地形平坦的水域布设正交测线，比测重叠部分的水深，水深比对超限的点数应低于总比对点数的15％，限差计算如下式： ±(2[a2＋(b×d)2]）-2，⑵ 式中，测深误差常差a＝0.25m；测深比例误差b＝0.0075；d为水深。 测量过程中，注意经常量取多波束换能器的静态吃水深度，如有发生变化，及时检查设备紧固情况并进行参数改正；声速剖面每隔2～3h采用AMLBASE X2SVP声速仪加测(剖面间距为0.5m)；场区28＃风机下放HOBOU20－0001－02水位记录仪进行临时潮位观测，观测周期覆盖整个测量过程。 海上作业完成后，采用Teledyne Reson公司配套多波束采集软件PDS2000，对原始数据进行姿态偏差校准(横摇、纵摇及艏向)、声速剖面校正、潮位改正、边缘滤波等一系列处理，最后根据测区地形的变化趋势，通过人机交互方式，对相邻条带重叠部分的水深数据进行比对，剔除异常信号，拼接得到真实的水深地形。 四、数据分析 由图2可以直观地看到，多波束探测到的非掩埋海缆走势和轮廓清晰，呈现出浅埋、裸露到悬空的形态变化。该段海缆途径区域的海底地形下蚀为凹面，底部高程约－13.85m(1985国家高程基准)，根据流痕判断，海缆周边主要水流冲刷方向为SE－NW方向，与海缆敷设走向成62°夹角。受上述起伏地形和海流冲刷的影响，海缆两端由浅埋变为裸露状态，并在中部形成悬空，其中，裸露段海缆表现为海床面上的光滑条状物，长度分别为14m和7m，缆顶距海床面高度4～9cm(图3(a)、图3(c))，悬空段海缆表现为锯条状结构，长度16m，缆顶距海床面高度最大约35cm(图3(b))，结合海缆直径100mm的工程资料，可计算得到悬空高度为25cm。  图2 非掩埋海缆三维点云示意图  图3 非掩埋海缆剖面示意图 基于侧扫图谱解译可以获知水下结构物的位置、尺寸及分布范围，结果更加直观、清晰。如图4所示，能够清楚观察到海底电缆在裸露及悬空状态下形成的声像纹理特征，藉此判断其裸露或悬空情况，通过式⑴的计算，海缆悬空高度约为24.5cm，长度约15.7m，这与多波束三维点云图的测算结果相互验证和支撑，为数据综合分析提供了有效补充。  图4 非掩埋海缆侧扫声纳图谱示意图 2021年7月5日对该段非掩埋海缆进行了水下探摸，潜水员沿着海缆进行摸查发现：探摸区域的表层沉积物基本为淤泥质，泥面厚度约20cm，下方为砂层，海缆首尾两段已完全出露且平铺于海床面，见图5(a)，缆体表面有少许浮泥覆盖，海缆中段已处于悬空状态，见图5(b)，实测悬跨长度约17m，悬空高度5～28cm。水下探摸验证了多波束测深与侧扫声纳的联合调查结果。  图5 水下探摸影像资料示意图 五、结束语 受海流、风暴潮等自然因素作用，海底电缆局部冲刷造成裸露或悬空，且长期过度悬跨极易产生疲劳破坏的严重后果，因此管线非掩埋属性的判定是海底电缆冲刷调查的重点和难点。本文针对海缆局部冲刷问题，提出了多波束测深与侧扫声纳协同应用的非掩埋海缆调查方法，该方法具有更好的普适性、经济性和可靠性，能够获取更加详实、精确的水深地形数据及水下结构图像，由此更好地服务于海缆冲淤监测，具有一定的工程应用价值。 本调查方法使用的仪器设备不需要调用动力定位船舶或搭载于遥控潜水器，租用民用船只即可完成全部测量工作，成本可控；同时，由于是基于声学特征进行探测，相比电磁检测和水下视频观测，本方法能够实现目标区域的大范围扫测，工作效率显著提高；并且带电海缆也可进行探测，作业过程不影响海缆输电，也不受用电调配的限制，对海上风电场正常运营不会产生影响。唯一不足之处在于，该方法探测的裸露、悬空等数据精度不高，实际操作中，建议先进行海缆路由区地形地貌的全覆盖扫测，再派遣潜水员对风险点逐个排查确认，提高效率，节约成本。 为了更好地实现海上风电场的运维管理，建议采用该方法对海缆路由区域进行定期调查，通过多次调查结果分析冲淤变化情况，预测海底电缆裸露、悬空状况的发生，以便于运维单位采取及时、有效的防范措施，消除安全隐患。 1 END 1 【作者简介】文/王强 陈嘉伟 姚弘毅 蔚广鑫，分别来自中国三峡新能源(集团)股份有限公司江西分公司和福建海洋研究所；第一作者王强，1966出生，男，湖北武汉人，高级工程师，硕士，主要从事可再生能源领域研究和开发管理；文章来自《海洋测绘》（2022年第3期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，本文转载已取得相关授权。    |
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