海缆路由的扫测
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近岸海底管线路由调查与管线的探测
马胜中 陈炎标 陈太浩
第一作者简介：马胜中，男，1968年出生，高级工程师，1990年毕业于中国地质大学（武汉）石油地质系，从事地震资料解释，工程地质、海洋地质及综合研究工作。
（广州海洋地质调查局 广州 510760）
摘要 在近岸海底管线路由调查的探测过程中，回声测深仪或多波束测深仪、旁侧声纳扫描、浅地层剖面仪和海洋磁力仪是探测的主要仪器。回声测深仪测量水深和了解地形变化，旁侧声纳扫描探测海床的岩石露头、管线以及锚痕、沙波等海床地貌和地质灾害现象，浅地层剖面主要探测浅埋岩石、管线及海底浅部的地质灾害现象，海洋磁力仪探测带有磁性的管线等物体，以上几种方法综合使用，可以探测管线或探明路由的地质情况，海底地质灾害是威胁管线的重要因素。
关键词 路由与管线探测 海洋地质灾害 探测方法
1 前言
随着社会的发展与进步，人们已逐步将工程建设的中心转移到了海洋。近岸带已成为人们开发建设的中心。石油、天然气管道的铺设、通讯电（光）缆的铺设、排污管道、水下隧道的建设等近岸工程的设计、施工及日后定期安全防护要求对工程场址或路由进行细致的调查和评价。
管线埋置到土中一定深度，避免管线直接接受波浪、潮流作用是保持管线稳定经常采用的方法。一般管线埋置深度取管顶以上1.5～2.0m，特殊地段甚至需要4～6m，它的上面还需要铺设岩石等坚硬的物体，当水深达到一定深度时，管线可以直接铺设在海床。海洋地质灾害现象不仅对海上构筑物、海底管线或其他工程设施构成潜在的重大危险，而且导致严重的人身财产损失和工程失败，因此，预先查明海底工程地质条件及各种海底不稳定因素，了解海底沉积物的类型与其工程特性，是管线定期安全防护不可缺少的前期工程。
2 调查工作原理
陆地上地下管线的探测主要应用电、磁方法，尤其探地雷达应用非常广泛（王兴泰，1996）。而回声测深仪、旁侧声纳扫描仪、浅地层剖面仪和海洋磁力仪则是目前国内外通常采用的水下管线路由的勘查系统。它们的配合使用可提供所测场区内海底表面和海底下一定深度内埋藏在沉积物中的各种灾害地质现象的形态、规模等特征，配合高精度导航定位系统（陈卫民等，1997），还可获知其准确的发育位置及发展方向。
2.1 回声测深仪
在近岸工程的调查及评价过程中，回声测深仪是使用最广、最有效的水下声波探测系统。水下声波测量是通过探测声波在水下或岩土介质内的传播特征来研究岩土性质和完整性的一种物探方法。
回声测深仪工作原理：换能器从水面向水底发射声波信号，声波传到水底界面被反射，再回到换能器被接收（换能器是利用压电材料的压电效应工作的），接收到的声波信号转换成电信号后送至仪器的接收放大器进行放大，放大后信号送入A/D（模拟量转换成数字量专用电路）转换器，它将模拟信号采样后，依次将每个样值转换成二进制数字量，形成一组时间离散的数字量系列，送入电脑，进行实时处理。测定声波从发射，经水底反射，到被接收所需时间，就可确定水深H=CT/2（其中H为水深，C为声波在水中的传播速度）。测深仪将水深模拟量一方面提供给记录器作模拟记录，在记录纸上直接显示测线上连续起伏变化的海底剖面，而不只是单纯的某点的水深值。另一方面提供给量化器转换成数字量显示并从RS232口输出，可与GPS全球定位系统及计算机直接进行通讯形成数字记录。测深仪按频率可以分为单频测深仪（仅低频或者高频）和双频测深仪（具有高、低频，可以同时记录，低频工作水深大，但是它能穿透水底的非常稀的浮泥，高频工作水深小，但是水深比较准确，经常用于工程方面），测深仪的原理方框图如图1所示。
图1 回声测深仪工作原理示意图和海底剖面的模拟记录
Fig.1 The working principle of echo sounder and seafloor record on echo sounder profile
测深资料反映了海底表面起伏变化、高差大小和延伸范围（发育规模），利用计算机处理和绘图技术，可制成所测海区海底地形图。利用多波束探测能得到更好的三维地形图。
2.2 旁侧声纳扫描
旁侧声纳是一种高分辨率、多用途的水声设备，在海洋测绘、海底目标探测（如探测沉入水底的船、飞机、导弹、鱼雷及水雷等）、大陆架和海洋专属经济区划界、海洋地质、海洋工程、港口建设及航道疏浚等方面有广泛的应用。
旁侧声纳有许多种类型，根据发射频率的不同，分为高频、中频和低频旁侧声纳，低频作用距离大，分辨率较低，高频作用距离小，分辨率较高。另外，还可以划分为舷挂式和拖曳式旁侧声纳，单频和双频旁侧声纳，单波束和多波束等。
旁侧声纳工作原理：左右两条换能器具有扇形指向性。在航线的垂直平面内开角为θv，水平面内开角为θH。当换能器发射一个声脉冲时，可在换能器左右侧照射一窄梯形海底，如图左侧为梯形ABCD，可看出梯形的近换能器底边AB小于远换能器底边CD。当声脉冲发出之后，声波以球面波方式向远方传播，碰到海底后反射波或反向散射波沿原路线返回到换能器，距离近的回波先到达换能器，距离远的回波后到达换能器，一般情况下，正下方海底的回波先返回，倾斜方向的回波后到达。这样，发出一个很窄的脉冲之后，收到的回波是一个时间很长的脉冲串。
硬的、粗糙的、突起的海底回波强，软的、平坦的、下凹的海底回波弱。被突起海底遮挡部分的海底没有回波，这一部分叫声影区。这样回波脉冲串各处的幅度就大小不一，回波幅度的高低就包含了海底起伏软硬的信息。一次发射可获得换能器两侧一窄条海底的信息，设备显示成一条线。在工作船向前航行，设备按一定时间间隔进行发射/接收操作，设备将每次接收到的一线线数据显示出来，并转化成图像的形式记录下来，就得到了二维海底地形地貌的声图。声图以不同颜色（伪彩色）或不同的黑白程度表示海底的特征，可直观海底表面诸如岩石露头（包括出露的管线）、沙波等海底表面形态特征，是进行海底表面灾害地质现象形态及规模研究的重要仪器（夏真等，2003）。工作原理示意图如图2所示。
图2 旁侧声纳扫描工作原理
Fig.2 The working principle of side scan sonar
2.3 浅地层剖面仪
浅地层剖面仪也是一种水下声波探测系统，它可以提供调查船正下方地层的垂直剖面信息。
浅地层剖面仪工作原理：它所发射的低频声波（3.5～12kHz中选择一种频率，低频穿透深度大，分辨率较低，高频穿透深度小，分辨率较高）对海底有一定的穿透深度，能准确反映出海底下不同深度的海底沉积物的结构构造特征。高能发射的低频声波穿入海底，部分能量由浅部地层各声学反射介面反射回来被换能器所接收，反射信号转化成图像后依次以时间函数的形式记录下来，构成一幅连续地层剖面。它可以准确地反映出近岸工程所要求的地层界面及可能存在的浅层气、浅断层和古河道等海底地质灾害因素或其它物体（如管线）。浅地层剖面仪的穿透深度小于50m，分辨率大于1cm。
2.4 海洋磁力仪（磁法）
磁法是利用地下岩矿石或者岩土介质之间的磁性差异所引起的磁场变化（磁异常）来寻找有用矿产，查明地下构造和解决其它地质问题的一种探测方法。铯光泵磁力仪是建立在塞曼效应原理基础上，塞曼效应指的是原子处在外磁场下，它的每一能级分裂为（2J+1）条的现象，其中J为原子总角动量量子数，铯光泵磁力仪的工作介质是铯原子。
以上四种高分辨率的水下探测系统在高精度的定位系统的支持下配合使用，可使我们获得近岸工程建设场址内三维的工程地质条件，特别是危害工程建设的各种灾害地质现象的形态、规模、位置及其发展趋势等性质（李学杰等，2002）。
3 资料处理和解释
3.1 磁力探测资料处理和解释
管道的出现，改变了地层序列，使正常的磁场分布发生了变化，从而产生了磁异常，就可以利用磁力仪探测出这些磁异常的分布。磁法探测的资料，用计算机程序自动进行数据处理，对所测的总场数据进行日变、正常梯度的校正后，得到天然气管道所产生的ΔT磁异常。对整个区域的磁场观测表明，凡有管道存在的地段，其ΔT磁异常均出现尖峰状或低谷状。绘制已经改正的ΔT磁异常曲线图（图3），根据磁异常曲线的平面特征和剖面特征可以确定管道的走向。从图中可以看出，有管道存在的地段，其ΔT磁异常呈现尖峰状或低谷状，尖峰或低谷的中心正好位于管道的中心。但是从图上也可以看出磁力探测的局限性，当海底有其它铁磁性物体存在时，管道产生的磁异常就会被干扰。由于磁法探测的拖体在船后面3倍船长距离的水面，在受水流、风、浪和潮水的影响，拖体偏离测线，在没有水下定位的情况下，最后在做拖体位置改正时，位置存在误差，可能偏差十几至二十米。在海上单独使用磁力探测往往达不到精度要求，需要结合其它手段综合确定。
图3 ΔT磁异常曲线平面特征图
Fig.3 Curve of ΔT magnetic anomalies
3.2 旁侧声纳扫描图像处理和解释
管道出露在海底，我们根据旁侧声纳扫描图像判译管道的位置和走向。
综合分析扫测区特殊水深和水深分布情况，海底沉积物分布特点，水深等深线形态分布特点，声图反映海底障碍物，和海底微地貌图像的可信情况（冯志强等，2002）。确定海底微地貌基本形态特征及其分布范围：确定海底障碍物性质、位置、高度、长度和宽度、走向、所处位置的水深及底质类型等。
旁侧声纳最终的扫测结果是以声图的形式呈现在使用者面前，而声图与照片有很大的不同，不能反映物体的真实形状，只能用灰度来反映物体的强与弱。判读声图图像的处理过程是由人眼完成的，声图判读是通过对旁侧声纳的二维图像的特征提取，根据声图的形状特征、大小特征、色调和颜色特征、阴影特征纹形特征和相关体特征进行判别，从而识别海底地貌、沉船、沉雷、礁石、管线等人工或自然目标（图4）。声图判读也称声图识别、声图解释或称声图判释。
图4 旁侧声纳显示的礁石
Fig.4 The reefs show on the side scan sonar profile
3.3 浅地层剖面资料处理和解释
管道如果为钢筋水泥管，与周围的地层相比差异很大，是一个良好的反射层，能形成强反射波，但有些地段，为了保护天然气管道，在铺设管道时上面铺了一层石头或其它物体，它们也与周围的地层相比差异很大。我们利用浅地层剖面的反射波组的振幅、频率、连续性、波形和反射形态的相对变化确定管道，管道造成地下反射层中断，反射波变得不能连续追踪，管道以及铺设的物体具有比较强的反射，在剖面上表现为反射波的频率的变化，由于管道以及铺设的物体的存在使反射波的波形和反射形态变得不规则、絮乱甚至产生畸变，由于浅层剖面仪的穿透深度与海底底质密切相关，若底质是砂泥非致密物时，穿透深度在30～50m左右，能得到良好的记录，垂直分辨率可达0.1～0.5m；但当底质是较致密的砂质海底或者是含气沉积物层时，穿透能力明显降低。当识别出管道后，根据定位点的坐标确定管道的位置和在剖面上管道的顶界面距离海底的埋藏深度，在根据同一位置的水深就可以确定管线的管顶高程（图5、6）。
图5 浅地层剖面显示的管道（上面铺设填石和填土）
Fig.5 The pipe cover with stone and soil show on the sub⁃bottom profile
图6 浅地层剖面显示的管道
Fig.6 The pipe show on the sub⁃bottom profile
4 结论与讨论
1）回声测深仪、旁侧声纳扫描和浅层剖面仪结合磁力仪是目前国际上探测管线路由以及海底地质灾害现象特征的主要仪器设备。
2）测深资料反映了海底表面起伏变化、高差大小和延伸范围（发育规模），利用计算机处理和绘图技术，可制成所测海区海底地形图。利用多波束探测能得到更好的三维地形图。
3）旁侧声纳设备按一定时间间隔进行发射/接收操作，转化成图像后，就得到了二维海底地形地貌的声图。可直观海底表面诸如岩石露头（包括出露的管线）、沙波等海底表面形态特征，是进行海底表面灾害地质现象形态及规模研究的重要仪器。
4）浅地层剖面仪高能发射的低频声波穿入海底，部分能量由浅部地层各声学反射介面反射回来被换能器所接收，反射信号转化成图像后记录下来，构成一幅连续地层剖面。利用反射波组的振幅、频率、连续性、波形和反射形态的相对变化确定管道。
5）管道的出现，改变了地层序列，使正常的磁场分布发生了变化，从而产生了磁异常，就可以利用磁力仪探测出这些磁异常的分布。对整个区域的磁场观测表明，凡有管道存在的地段，其ΔT磁异常均出现尖峰状或低谷状。但是当海底有大量含铁磁性的物体存在时，管道产生的磁异常就会被干扰，造成探测的难度。
6）影响海底不稳定性的因素很多，归结起来有两个，一是应力增加，一是强度减小，或者是两者结合的结果。对地质灾害主要以预防为主，要使防治地质灾害取得良好效果，应首先查明各种地质灾害的成因、分布和发育规律，并对一些具有较大潜在危险的地质灾害进行必要的监测、预报以便防避，或制订抑制灾害形成和发育的有效措施，对于渐发性的地质灾害则要加强灾害成生规律的研究。才能做好管线等构筑物的安全防护。
7）海洋调查要求较高的GPS定位系统，在探测、设计和施工各个阶段统一坐标系统，以免在坐标系转换中产生误差。
参考文献及资料
陈晖，曹立华等.2003.埕岛海域浅水区人工构筑物周边海底地形演化与海洋灾害地质现象关系研究.海岸工程，22（3），19～24
陈卫民，曹立华.1997.危害近岸工程的海洋地质灾害现象及其探测方法.自然灾害学报，6（2），48～54
冯志强，李学杰，林进清等.2002.广东大亚湾海洋地质环境综合评价.武汉：中国地质大学出版社
李学杰，冯志强等.2002.广东大亚湾海洋地质环境与潜在地质灾害.中国地质，29（3），323～325
王兴泰.1996.工程与环境物探新方法新技术.北京：地质出版社
夏真，林进清等.2003.珠江三角洲近岸海洋地质环境与地质灾害调查.内伶仃岛以北水域成果报告
杨进.1982.环境地球物理教程.北京：中国地质大学出版社
张胜业，潘玉玲.2004.应用地球物理学原理.北京：中国地质大学出版社
Offshore Submarine Pipeline Route Survey and Exploration
Ma Shengzhong Chen Yanbiao Chen Taihao
（Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760）
Abstract：Echo⁃sounder，side scan sonar，subbottom profiler and marine magnetometer are main instruments for exploring submarine geo⁃hazards in the oil ＆ gas field pipeline route or pipeline survey of the offshore engineering.Echo⁃sounder can sound depth and know hypsography.Side scan sonar can show directly the topographic characteristics of the sea floor，the distributions of the obstacles on the sea floor，such as rock crop，pipeline，sandwave and touch of anchorage.Subbottom profiler can investigate a lot of submarine geo⁃hazards such as shallow buried rock and its crop，landslide，shallow gas，paleochannel，shallow fault.Submarine geo⁃hazards are the important factors endanger pipeline route.
Key words：Offshore pipeline route explore Marine geo⁃hazard Exploring method
海底电缆如何在海洋中铺设？
海底光缆系统作为一种高质量、低成本、大容量的传输手段日益受到人们的青睐，特别是使用EDFA（掺饵光纤放大器）作为中继器的光直接放大多中继技术，使传输容量从560Mb／s一举提高7倍，已开发了每纤可传输5Gb／s信号的海底光缆系统。
海底光缆是通信用的，一般铺设于深海或者浅海，或者河道，不易于受损
敷设在海底的通信光缆，称海底光缆。
海底光缆设计必须保证光纤不受外力和环境影响，其基本要求是：能适应海底压力、磨损、腐蚀、生物等环境；有合适的铠装层防止渔轮拖网、船锚及鲨鱼的伤害；光缆断裂时，尽可能减少海水渗入光缆内的长度；能防止从外部渗透到光缆内的氢气与防止内部产生的氢气；具有一个低电阻的远供电回路；能承受敷设与回收时的张力；使用寿命一般要求在25年以上。
深海（深度在1000米以上）海底光缆采用无钢丝铠装结构，但光缆缆心的结构和加强构件（一般为中心钢丝）必须能保护光纤，以防止海水的高压力与敷设、回收时的高张力。为了防止鲨鱼伤害，还应在鲨鱼出没海域的深海光缆护套上螺旋绕包二层钢带，并挤一层聚乙烯外护套。
浅海（水深在1000米以内）海底光缆的缆心结构与深海光缆相同，但浅海光缆要有单层或双层钢丝铠装。铠装层数和钢丝外径要根据海缆路由的海底环境、水深、能否埋设、渔捞等情况而定。
海底机器人!
首先，要通过潜水机器人找到受损海底光缆的精确位置。然后将埋在海底淤泥1米左右的光缆挖出，并把它切断。工作人员要从船上放下绳子，潜水机器人把光缆和绳子系在一起，并拉出海面。接下来，工作人员要把备用海底光缆接上受损光缆的两个断点。光缆接上后，经测试通讯正常后，就抛入海水。这时，水下机器人还要用高压水枪把海底的淤泥冲出一条深沟，再将修复的海底光缆放进去，修复工作才告完成。
海底电缆怎么铺设的
海底电缆是用绝缘材料包裹的导线，敷设在海底，用于电信传输。海底电缆分海底通信电缆和海底电力电缆。海底电缆铺设主要包括：电缆路由勘查清理、海底电缆敷设和冲埋保护三个阶段。
一、海底电缆的路由勘察。
海缆敷设前的电缆路由勘查包括：清理海上路由区的水深、地形、浅地层剖面测量；沉积物表层取样、柱状取样及静力触探勘察；还包括反映海洋开发活动状况的交通及施工条件及障碍物等调查。先进的GPS后处理定位和（CPT）静力触探技术的使用，使得勘察速度和效果都有很大的提升。
二、海底电缆的敷设。
海底电缆敷设工程被世界各国公认为复杂困难的大型工程。电缆敷设时要通过控制敷设船的航行速度、电缆释放速度来控制电缆的入水角度以及敷设张力，避免由于弯曲半径过小或张力过大而损伤电缆。
在浅海，如水深小于200米的海域缆线采用埋设，而在深海则采用敷设，由电缆敷设船释放出电缆，使用水下监视器、水下遥控车不断地进行监视和调整，控制敷设船的前进速度、方向和敷设电缆的速度，以绕开凹凸不平的地方和岩石避免损伤电缆。
三、海底电缆的冲埋保护。
在施工的最后阶段，主要是对海底电缆进行深埋保护，减小复杂的海洋环境对海底电缆的影响，保证运行安全。
在沙地及淤泥区，用高压冲水产生一条约2米深的沟槽，将电缆埋入其中，旁边的沙土将其覆盖；在珊瑚礁及粘土区，用切割机切割一条0.6－1.2米深的沟槽，把电缆埋入沟槽，自然回填形成保护；在坚硬岩石区，需在电缆上覆盖水泥盖板等硬质物体实施保护。
海底通信电缆的作用：
海底通信电缆主要用于长距离通讯网、通常用于远距离岛屿之间、跨海军事设施等较重要的场合。
海底电力电缆敷设距离较通信电缆相比要短得多，主要用于陆岛之间、横越江河或港湾、从陆上连接钻井平台或钻井平台间的互相连接等。现代的海底通信电缆都是使用光纤作为材料，传输电话和互联网信号。
无线路由器信道检测方法是怎样的
无线路由器信道检测方法 当无线路由器正常工作时，它的无线信号一定是处于持续的最佳状态，那么可以通过无线信号在一段时间内的强弱状态来判断无线路由器有没有问题以及质量的优劣，在这里可以使用inSSIDer测试工具。
inSSIDer是一款WiFi扫描工具，它能将捕捉到的无线信号以列表的形式显示，你和你邻居的无线路由器信号都会在这里被罗列出来。它底部 的图形显示非常直观，时间波形图可以显示每个无线路由器在过去5分钟内的信号强度(以dB为单位)。然后还有每个2.4GHz和5GHz信道的图形，可显 示现有信号的强度和每个无线路由器所使用的信道宽度。 找到自己无线路由器的名字，根据对应颜色的线条，查看它的实时走势。如果这条线比较平整的话，那就说明当前无线路由器的信号比较稳定，没有什么问题；如果是忽高忽低的波浪形状，则说明无线信号极其不稳定，无线路由器也有可能出现故障或者是质量比较差。
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