海洋技术▏交叉海底管道探测方法研究
由于探测区域位于黄河三角洲前缘、渤海湾南岸的浅海海域，浅层地质条件十分复杂，加上该区位于渤海无潮点附近，区域潮汐复杂、潮流强大，风暴潮时有发生，上述地质条件及海洋环境均使得该区域为地形地貌复杂的强侵蚀冲刷区，同时也造成海底管缆时常露出海底、悬空，甚至发生移位和沉降。存在交叉现象的海底管缆在上述因素作用下，会导致管缆接触摩擦损坏现象，对石油开采、运输形成安全隐患。因此，准确探明交叉海底管道的位置及状态，为海底管道的维护及后期治理提供准确的数据是一项十分迫切和重要的任务。
目前海底管道探测方法主要有多波束探测、侧扫声纳探测、浅地层剖面探测等多种探测手法。对于交叉海底管道的探测需多种探测方法相结合综合分析。本文结合中交第一航务工程勘察设计院有限公司的一些探测实例，对不同状态下的交叉海底海底管道的探测方法进行探索，分析常见状态下交叉海底管道探测的方法，以便于后续交叉海底管道探测任务的高效开展。
一、测量设备
⒈ 多波束系统
多波束探测为高分辨率、全覆盖扫测，可精确测出包括裸露悬空状态下交叉海底管道在内的海底地形。通过对数据的精细处理，可得到裸露及悬空状态下交叉海底管道的位置、状态、相对关系等信息。但对于埋藏的海底管道无法探测。以下为多波束系统探测交叉海底管道技术实施步骤。
⑴设备安装检校
多波束测深仪采用测量船作业。首先将多波束换能器、罗经及姿态传感器、GPS等子系统单元分别安装于测量船上，并精确量取相对位置关系。然后在测区附近特征区域对多波束系统进行参数校准测量，以求取纵摇偏差、横摇偏差、艏摇偏差以及外设延时。
⑵外业实施
测量过程中测量船沿设计的测线进行测量，采用2.5倍宽深比进行扫测，船速控制在4.5节左右。在测量开始、测量中间和测量结束时在测区不同位置进行声速剖面测量，以确保测量成果的精确性。
⑶内业计算
完成外业工作后，对测量得到的数据资料进行后处理，主要包括：数据转换、安装校准参数的求取、吃水改正、声速剖面改正、潮汐改正、线模式编辑、子区编辑并导出等步骤。
⒉ 侧扫声纳
侧扫声纳通过采集海床地貌图像，根据裸露管线在地貌图像上表征出的线状强回波特征可以判断裸露管线的位置及走向。通过对数据的精细处理，可得到裸露及悬空状态下交叉海底管道的位置、状态等信息，具有分辨率高、覆盖范围大的特点。但无法精确探测交叉海底管道的相对关系，需要和多波束、浅地层剖面仪等测量仪器相结合；对于埋藏的海底管道无法探测。以下为侧扫声呐系统探测交叉海底管道技术实施步骤。
⑴设备安装
侧扫声纳探测一般采用测量船侧拖或尾拖作业。首先将侧扫声纳托鱼部分、数据采集及控制单元部分、定位设备分别安装于测量船相应位置并进行连接，量取定位设备与托鱼相对的关系并输入到软件内。
⑵外业实施
测量过程中测量船沿设计的测线进行测量。测线平行海管布设，测线间距50m，单侧扫测宽度设定50m进行扫测。然后指挥测量船低速沿设计的测线进行测量。采用合适扫测宽度进行扫测，船速控制在4.5节左右。测量开始后在不同时间段进行声速剖面测量，并输入到软件中，以确保测量成果的精确性。
⑶内业处理
在外业工作完成后，对测量得到的数据资料进行后处理，主要包括：斜距校正工作、增益调节、TVG调节、波束角改正、去条纹等处理工作，人机交互的方式进行特征数字化等步骤。
⒊ 浅地层剖面仪
浅地层剖面仪探测海底管道是一种声学探测方法，无论海底管道是否被掩埋，均不受影响，探测效果较好，平面位置和埋深探测精度均很高，但探测的海底管道为离散的点，需结合其他资料进行综合分析。以下为浅地层剖面仪探测交叉海底管道技术实施步骤。
⑴设备安装
浅地层剖面仪探测一般采用测量船作业。首先将换能器、数据采集及控制单元部分、定位设备、姿态仪分别安装于测量船相应位置并进行连接，量取定位设备、姿态仪、换能器的相对的关系并输入到软件内。
⑵外业实施
测量过程中测量船沿设计的测线进行测量。测线平垂直海管布设，测线间距25m。然后指挥测量船低速沿设计的测线进行测量。船速控制在3.5节左右。同时要进行潮位观测和水深测量，以确定海底管道的埋深。
⑶内业处理
外业获取的浅地层剖面资料后使用相关后处理软件进行处理，包括：数据录入、噪音过滤、海管位置判读等。
二、交叉海底管道探测方法
交叉海底管道的存在状态主要包含悬空状态、裸露状态、埋藏状态。交叉海底管道探测主要采用多波束测深仪、侧扫声呐、浅地层剖面仪相结合的综合检测方法。
①进行多波束测深仪进行测量，目的是查明海底的水深地形、微地貌特征、交叉海底管道的裸露或悬空情况。在布设测线时，按照相关规范及技术要求，以交叉点为中心在水深测量100m×100m范围内，多波束测线平行于管道方向进行布设，测线间隔为水深的2.5倍，测线长度100m。
②用侧扫声呐进行测量，目的是查明交叉点附近海底管道的状态信息、交叉点附近的微地貌特征，与多波束测量成果进行相互印证，综合判断交叉海管信息。在布设测线时，按照相关规范及技术要求，以交叉点为中心在水深测量100m×100m范围内，侧扫声呐测线平行于管道方向进行布设5条，测线间隔为25m，测线长度100m。
③使用浅地层剖面仪进行交叉海底管道测量，目的是判断交叉海管的状态信息、相对关系等信息，具体步骤是结合管线铺设历史资料和已检测获得的多波束图像、侧扫声呐图像，进行管缆探测。在布设测线时，按照相关规范及技术要求，浅地层剖面仪测线垂直于管缆布设，测线间距20m，测线长度100m。
④根据多波束探测数据、侧扫声呐探测数据、浅地层剖面仪探测数据进行综合分析，得到交叉海管的位置、埋深、状态等信息。
⒈ 悬空交叉海底管道探测
对于悬空交叉海底管道探测主要以多波束探测为主，以侧扫声呐和浅地层剖面仪为辅进行综合探测。多波束探测为高分辨率、全覆盖扫测，可精确测出海底管道交叉点附近地形。通过对数据的精细处理，可得到悬空状态下的交叉海底管道的位置及状态信息。
以存在交叉现象的两条注水海管为例。首先使用多波束进行探测，得到该交叉海底管道交叉点附近多波束扫测微地形图，图1可清晰显示交叉点附近海底管道分布及海底地形情况。通过此图结合已有资料分析发现，该交叉为第一条注水海管和第二条注水海管，交叉点附近水深分布在-12.7～-13.5 m 之间。根据多波束探测数据，两条注水海管均处于悬空状态。然后使用侧扫声呐进行探测，得到该交叉海底管道交叉点附近侧扫声呐图，该图显示两注水管道存在交叉现象，与多波束图像相吻合。
图1 悬空海管交叉点附近微地貌
根据多波束探测数据，交叉处水下地形较为平坦，水深在-12.7～-13.5 m之间（图2）。
图2 交叉海管探测成果
通过多波束数据判断出海管交叉点两侧管顶高程及交叉点位置海底管道的管顶高程。通过查询交叉海管的管径信息计算得到两海管的相对位置。
⒉ 裸露交叉海底管道探测
对于裸露交叉海底管道探测和对悬空的探测方法类似，主要以多波束探测为主，以侧扫声呐和浅地层剖面仪为辅进行综合探测。多波束探测为高分辨率、全覆盖扫测，可精确测出海底管道交叉点附近地形。多波束探测海管是通过海量的水深数据进行分析判断的，受海底地形及所探测海底管道管径影响（海管管径较小），因此需要结合侧扫声呐和浅地层剖面仪相结合进行综合判断分析。
以存在交叉现象的输油海管与注水海管为例。首先进行多波束测量，得到该交叉海底管道交叉点附近多波束扫测微地形图，图3可清晰显示交叉点附近海底管道分布及海底地形情况，在交叉位置处两条海管均处于裸露状态。图4交叉处水深分布在12.1～13.0m之间。
图3 海管交叉多波束扫测微地形
图4 海管交叉侧扫声呐效果
然后使用侧扫声呐进行探测，得到该交叉海底管道交叉点附近侧扫声呐图，该图显示两注水管道存在交叉现象，与多波束图像相吻合。
在交叉点处，海管全部处于裸露状态，通过浅地层剖面仪（图5）和多波束探测海管资料进行分析，输油海管在交叉处的高程为-12.47m，注水海管在交叉处的高程为-12.81m，通过查询交叉海管的管径信息可计算得到两海管的相对位置关系。
图5 交叉处浅地层剖面仪海管探测
⒊ 埋藏交叉海底管道探测
对于埋藏交叉海底管道探测，采用多波束、侧扫声呐和浅地层剖面仪探测相结合的方法进行综合探测。浅地层剖面仪探测海底管道是一种声学探测方法，无论海底管道是否被掩埋，均不受影响，探测效果较好，平面位置和埋深探测精度均很高。浅地层剖面仪探测原理是通过横切海底管道，通过产生的双曲线的弧线图像来判断管道位置及埋深，因此探测的海底管道为离散的点，需结合其他资料进行综合分析。
以存在交叉现象的输油海管与注水海管为例进行埋藏交叉海底管道探测方法介绍。
首先在交叉海管交叉点附近进行多波束测量，得到该交叉海底管道交叉点附近多波束扫测微地形图（图6）及水深情况（图7）。多波束扫测图显示交叉点附近海管均处于埋藏状态，无法判断海底管道交叉信息。水深图显示该交叉点附近水深分布在-12.3～-12.8m之间。
图6 海管交叉处附近微地貌
图7 海管交叉处附近水深
然后使用侧扫声呐进行探测，得到该交叉海底管道交叉点附近侧扫声呐图（图8），该图显示两管道均处于埋藏状态，无法判断交叉海管的信息，与多波束图像相吻合。
图8 海管交叉处附近侧扫声纳
然后使用浅地层剖面仪进行交叉点附近的海底管道探测，得到该交叉海底管道交叉点附近浅地层剖面仪探测图（图9），该图显示两管道均处于埋藏状态，该探测点为距离交叉点较近的探测点。通过浅地层剖面仪探测得到的海底管道探测点为离散的点，需结合其他测线的信息和其他测量资料进行综合分析。
图9 海管交叉点附近浅地层剖面仪探测
图10 海管交叉点探测
通过浅地层剖面仪及多波束水深数据探测得到离散探测点的海底管道信息，通过内插管顶高程数据分析判断交叉海管两侧管顶高程及交叉点附近的海管高程，并根据两侧管顶高程变化趋势推测出交叉处两海管的高程（图10）。通过查询交叉海管的管径信息可计算得到两海管的相对位置关系。
三、结语
海底管道主要包含悬空、裸露、埋藏3种状态，交叉海底管道探测主要采用多波束测深仪、侧扫声呐、浅地层剖面仪相结合的综合检测方法。3种状态下的交叉海底管道探测方法类似，主要步骤均为：
①进行多波束测深仪进行测量，目的是查明海底的水深地形、微地貌特征、交叉海底管道的裸露或悬空情况；然后，再用侧扫声呐进行测量，目的是查明交叉点附近海底管道的状态信息、交叉点附近的微地貌特征，与多波束测量成果进行相互印证，综合判断交叉海管信息；
②使用浅地层剖面仪进行交叉海底管道测量，目的是得到离散探测点位置的交叉海管的状态、相对关系等信息；
③结合所有探测资料进行综合判断分析交叉点附近海管信息、相对位置关系等。
不同之处在于裸露和悬空的交叉海底管道信息以多波束探测信息为主，侧扫声呐和浅地层剖面仪探测信息辅助判断交叉海管信息，埋藏状态的交叉海底管道信息以浅地层剖面仪探测信息为主，需要结合侧扫声呐和多波束探测信息综合判断交叉海管的信息。
参考文献：
[1]赵建虎,刘经南.多波束测深及图像数据处理[M].武汉:武汉大学出版社,2008.
[2]黄承义,肖春桥,李春风,等.多波束测量技术在海底管道探测中的应用[J].创新技术,2013,(3):12-13.
[3]吕邦来.海底管线的地球物理探测技术探讨[J].水运工程,2009,7(429):146-150.
【作者简介】本文作者/严天赦 孟宪阔 孟祥勇，来自中交第一航务工程勘察设计院有限公司；第一作者严天赦，男，1984年出生，工程师，主要从事工程测绘工作；本文来自《港工技术》（2017年第3期），编发时对文章的内容与图片均进行了脱密处理，用于学习与交流，版权归作者与出版社共同拥有。
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