風力發(fā)電是當今發(fā)展最快的綠色能源之一。數(shù)據(jù)顯示，我國海上風電裝機規(guī)模已高居世界第一，“向海爭風”正成為東部沿海地區(qū)綠色低碳發(fā)展的“藍色動力”。隨著海上風電的建設規(guī)模持續(xù)快速發(fā)展，海底電纜沖刷狀況的監(jiān)測已成為海上風電運維過程的關鍵。

隨著聲學探測技術的進步，側(cè)掃聲吶、多波束測深系統(tǒng)、淺地層剖面儀等聲吶探測設備的測量精度和成熟度有了很大的提高，完全可以滿足海底電纜沖刷狀況監(jiān)測的要求，成為評估其沖刷狀況的技術手段。

項目背景

應客戶需求，于7月中旬對東海某海域海上風電裝機的升壓站周邊基礎地形和海底電纜路由進行掃測，因此項目投入側(cè)掃聲吶系統(tǒng)、多波束測深系統(tǒng)和淺地層剖面儀等多種測量設備進行協(xié)同作業(yè)，對淺埋海底電纜進行搜尋、探測，并評估其沖刷狀況。

其中，側(cè)掃聲吶系統(tǒng)負責局部地貌調(diào)查，主要對海底電纜路由兩側(cè)100m范圍的地形地貌覆蓋掃測，借助聲吶圖像反應風機與升壓站之間，升壓站至陸上登陸點之間海底電纜路由的掩埋、裸露、懸空情況，以分析海底電纜的位置、掩埋或懸空變化以及演變情況；多波束測深系統(tǒng)負責全覆蓋地貌調(diào)查，主要對風機機位周邊500m范圍實現(xiàn)全覆蓋海底地形掃測，以分析海底沖刷變化情況及沖刷溝的演變情況，同時可根據(jù)水下高精度三維點云數(shù)據(jù)計算沖刷區(qū)域方量等；淺地層剖面儀負責剖面測量，通過換能器將控制信號轉(zhuǎn)換為不同頻率（100Hz～10kHz）的聲波脈沖向海底發(fā)射，以輸出能夠反映地層聲學特征的淺地層聲學記錄剖面。

痛點分析

海底電纜鋪設在海床面以下，海床本身受海流影響沖淤變化復雜，海底溝槽的產(chǎn)生演變較快，海底電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(xiàn)非掩埋（裸露及懸空）狀態(tài)。因此，海底電纜的監(jiān)測需要考慮掩埋狀態(tài)和非掩埋狀態(tài)，針對不同狀態(tài)要求采用不同的探測設備進行綜合應用，這對設備之間的協(xié)同性提出了挑戰(zhàn)。同時，由于電纜的直徑很小，對探測設備的精度和穩(wěn)定性也提出了很高的要求。

實施方案

針對項目的需求，中海達提供了iSide 5000多波束側(cè)掃聲吶系統(tǒng)+iBeam 8140淺水多波束測深系統(tǒng)+SES2000參量陣淺地層剖面儀+iPos MS11高精度慣性組合導航系統(tǒng)解決方案。

iSide 5000多波束側(cè)掃聲吶系統(tǒng)、iBeam 8140淺水多波束測深系統(tǒng)、iPos MS11高精度慣性組合導航系統(tǒng)、SES2000參量陣淺地層剖面儀

其中，iSide 5000多波束側(cè)掃聲吶系統(tǒng)采用了先進的動態(tài)聚焦技術，在大量程處也能對目標高分辨力成像，有效實現(xiàn)高速高分辨力全覆蓋掃測效率；iBeam 8140淺水多波束測深系統(tǒng)具有較高的水深分辨率和測深精度，符合IHO S44特級標準和《水運工程測量規(guī)范》要求；iPos MS11高精度慣性組合導航系統(tǒng)通過耦合光纖陀螺技術和GNSS定位技術，有效解決了GNSS失鎖、衛(wèi)星數(shù)不夠等極端狀況下的定位導航，全自由度輸出定位、定向、姿態(tài)、同步等所有導航定位信息，是完成多波束測量的最佳搭檔。

作業(yè)流程

1.側(cè)掃聲吶地貌調(diào)查采用iSide 5000多波束側(cè)掃聲吶系統(tǒng)進行局部地貌數(shù)據(jù)采集。作業(yè)前，測量人員調(diào)試好儀器，以保證信號清晰準確，并校對儀器中各測量參數(shù)的正確性。作業(yè)開始后，擁有100KHz和400KHz雙頻率的iSide 5000多波束側(cè)掃聲吶系統(tǒng)進行雙頻率采集。為了保證聲吶圖像的灰度一致，TVG等聲吶參數(shù)設置保存不變，且船只航速保持在5節(jié)左右。此次采集，iSide 5000多波束側(cè)掃聲吶系統(tǒng)實際測線偏移沒有超過設計間隔的20％，符合設計要求，保證了海底全覆蓋測量。

2.多波束全覆蓋地貌調(diào)查采用iBeam 8140淺水多波束測深系統(tǒng)進行全覆蓋地面調(diào)查。作業(yè)前，測量人員檢查了測量船的水艙和油艙的平衡情況，以保持船舶的前后以及左右舷吃水一致。作業(yè)中，測量人員指揮駕駛員按照測前布設的測線操船行進，且航速保持穩(wěn)定，最大航速不得高于5節(jié)。每條測線結(jié)束后，作業(yè)船維持原航向、航速幾分鐘后再轉(zhuǎn)向。在轉(zhuǎn)向后，待姿態(tài)傳感器保持穩(wěn)定后再開始重新上線測量。在測量過程中，iBeam 8140淺水多波束測深系統(tǒng)掃測的帶寬和其水深對應的顏色直觀地顯示在屏幕上，使測量人員可以準確地觀察到測線的重疊情況和測區(qū)有無漏測情況。

3.淺地層剖面儀剖面測量采用SES2000參量陣淺地層剖面儀進行剖面測量，作業(yè)中盡量保持TVG不變，船速不超過4節(jié)，以保證回波清晰。

成果展示

此次協(xié)同作業(yè)所得測量數(shù)據(jù)包括：地貌數(shù)據(jù)、多波束水深數(shù)據(jù)。通過對所得數(shù)據(jù)進行綜合處理和分析，確定海底沖刷溝的位置、規(guī)模、深度及沖刷溝內(nèi)底質(zhì)類型，給出了沖刷分析調(diào)查結(jié)果和綜合調(diào)查報告。

側(cè)掃聲吶數(shù)據(jù)分析

通過對聲吶圖像的觀察可以看出，iSide 5000多波束側(cè)掃聲吶系統(tǒng)可以輕松地探測到海纜在裸露狀態(tài)下的平面位置、分布狀態(tài)以及電纜的數(shù)目、入泥點與出泥點的位置等信息。同時能夠探測到海纜周圍可能存在的不利影響因素，如不良地貌、海底障礙物、人工作業(yè)痕跡等，便于評估海纜的安全運營狀態(tài)。

多波束數(shù)據(jù)分析

基于多波束測量形成海底全覆蓋的海量數(shù)據(jù)，通過將不同時間段測量的數(shù)據(jù)成果求差，直接獲得地形沖淤變化量值，繪制出了風機樁和升壓站沖淤變化數(shù)字地形圖，并繪制了等值線，為分析水下地形變化以及后期的沖刷區(qū)域填埋提供基礎數(shù)據(jù)。

通過風機樁周圍數(shù)據(jù)分析得出：風機距中心位置半徑13m范圍內(nèi)，樁周存在較為嚴重沖刷現(xiàn)象，海底高程范圍為-18.14m至-12.82m，平均高程為-13.04m，風機基礎周邊最大沖刷坑深度約5.38m；風機樁周圍存在輕微的沖刷坑，距樁基中心13m范圍內(nèi)填方量為1151.8m3。

iBeam 8140淺水多波束測深系統(tǒng)獲取的風機樁周圍等深線圖、三維地形圖及點云圖

穿過樁中心西東、南北向剖面線

通過升壓站周圍數(shù)據(jù)分析得出：升壓站周圍30米范圍內(nèi)，四根樁位周圍有輕微沖刷現(xiàn)象，海底高程范圍為-14.8~12.5m，平均高程為-13.37m，升壓站四個樁位沖刷坑深度一號為2.2米、二號2米、三號1.9米、四號0.8米。四個樁位周沖刷坑以平均高程為基準面，填方量如下表格所示。

▲四個樁位填方量情況

西東向北側(cè)、西東向南側(cè)、南北向西側(cè)、南北側(cè)東側(cè)四個樁位剖面線

淺地層剖面儀數(shù)據(jù)分析

將采集的淺剖數(shù)據(jù)按每條測線各自處理，淺地層剖面儀可以獲得海底電纜路由上的不連續(xù)節(jié)點，其連線能夠反映出海底電纜路由的平面位置，同時還能夠測出海底電纜的埋深，為后期海底電纜運維提供數(shù)據(jù)支持。

▲淺剖成果圖

▲淺剖測線數(shù)據(jù)表

項目總結(jié)

此次項目成功獲取到海底電纜和樁基的高清聲吶圖像、高密度的水下三維點云數(shù)據(jù)等，通過iBeam 8140淺水多波束測深系統(tǒng)、iSide 5000多波束側(cè)掃聲吶系統(tǒng)、iPos MS11高精度慣性組合導航系統(tǒng)等自主研發(fā)裝備的創(chuàng)新組合，外加參量陣淺地層剖面儀保證了海纜各狀態(tài)監(jiān)測的高效率和高精度。該方法具有更好的普適性、經(jīng)濟性和可靠性，能夠獲取更加詳實、精確的電纜分布情況和海底地形數(shù)據(jù)。通過該方法對海底電纜路由區(qū)域進行定期調(diào)查，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，為海上風電運維提供了可靠的國產(chǎn)利器。