海上風電場建設(shè)之前，相關(guān)海域海洋基礎(chǔ)資料對風電場規(guī)劃、設(shè)計、施工及運維至關(guān)重要，需要對擬鋪設(shè)的海底電纜進行掃海測量。航海保障部門擁有與風電場建設(shè)相關(guān)的基礎(chǔ)資料，如沿海港口航道圖、水下地形、港口、助航標志、錨地、航行障礙物等資料，擁有專業(yè)測量船、專業(yè)技術(shù)人員、北斗CORS參考站、長短期水位站等，具備勘察掃海的綜合能力。
海上風電場竣工后，相關(guān)航海圖書資料更新迫在眉睫，海底電纜路由勘測、風力發(fā)電機的定位、風電場附近水域航行障礙物測量、風機基底沖刷監(jiān)測成為海事通航尺度核定測量重要內(nèi)容，海上風電場地理信息綜合服務(wù)對保持航海圖書現(xiàn)勢性、保證船舶航行安全、保護風電場方利益具有重要意義。
一、關(guān)鍵技術(shù)
⒈側(cè)掃聲吶探測技術(shù)
采用聲學換能器發(fā)射與航向正交的扇形波束，對海底進行掃描，接收海底回波信號，利用側(cè)掃聲吶對海底進行掃描，搜尋海上風電場影像數(shù)據(jù)記錄。現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)目標后，結(jié)合相鄰測線或不同方向測線進行確認，量取目標尺寸、陰影長度，獲得目標的初步位置和走向，并初步判斷目標的性質(zhì)。
⒉淺地層剖面探測技術(shù)
淺地層剖面儀包含甲板單元和水下單元，淺剖系統(tǒng)發(fā)射線性掃頻調(diào)制脈沖，由水聽器線列陣接收聲反射信號，生成海底高分辨率圖像。通過脈沖壓縮濾波，由此產(chǎn)生海床高分辨率地層圖像。將測量結(jié)果標注在海圖上，包括海纜路由、涉水深度、升壓站、風機點位、地層圖像等。
⒊多波束水深測量
根據(jù)任務(wù)要求、多波束測深系統(tǒng)性能和測區(qū)概況布設(shè)計劃測線，完成船舶動態(tài)吃水檢定、潮位觀測、聲速測量、儀器校準、數(shù)據(jù)采集等外業(yè)工作。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理采用CARIS軟件的HIPS模塊，且采用CUBE算法對各傳感器數(shù)據(jù)進行處理，對水深數(shù)據(jù)設(shè)定合理的過濾參數(shù)，刪除假信號。數(shù)據(jù)檢查后，把數(shù)據(jù)直接從HIPS軟件里直接進行第一次抽稀，導出XYZ文件，數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。在HYPACK軟件中進行第二次抽稀形成最后數(shù)據(jù)。
圖1 基于CUBE的多波束數(shù)據(jù)處理流程
⒋二三維一體化展示技術(shù)
三維場景下實現(xiàn)海上風電場水上目標視頻數(shù)據(jù)、水下目標視頻數(shù)據(jù)、海底纜線分布、風機分布等數(shù)據(jù)的整合，結(jié)合廣州海事測繪中心地理信息基礎(chǔ)資料，提供二三維一體化海洋全要素管理信息服務(wù)，在三維場景展示風電場海域相關(guān)要素。
二、通航要素探測
海上風電場周圍存在各種潛在障礙物，如沉船、巖石、沙洲等，這些障礙物可能對船只航行造成安全隱患。因此，通過使用側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀、多波束測深儀等工具，對海底進行掃海測量，可以獲取風機及海底電纜信息，及時標注障礙物的位置和特征。圖2中東西走向的虛線為沿海內(nèi)航路，圓圈為驗潮站，港口鎮(zhèn)東邊虛線為海上風電場范圍及海底電纜路由。
圖2 掃海測量范圍及潮汐類型
⒈沉船掃海測量
為保證通航安全，對風電場及內(nèi)航路附近的13個沉船概位進行掃海測量，圖2中菱形表示掃海測量范圍，所處區(qū)域水深為30～40m。使用多波束和側(cè)掃聲吶兩種聲學設(shè)備，采用基于潮汐模型與余水位監(jiān)控法進行潮位控制，按照沉船概位附近5km×3.5km海域進行全覆蓋探測，并對圖像判讀。1～4號沉船的側(cè)掃聲吶和對應(yīng)的多波束影像如圖3所示，通過影像圖獲取沉船的特征。
圖3 沉船側(cè)掃聲吶和多波束影像
⒉礁石淺點探測
采用多波束全覆蓋掃海測量進行海底水深掃測，采用側(cè)掃聲吶對海底地形進行全覆蓋掃描工作。實測水深顯示：電纜路由地勢變化緩慢，較為平坦，但發(fā)現(xiàn)2處明顯淺點，路由避開淺點，測量時考慮船舶航行安全，近岸根據(jù)現(xiàn)場情況測至能測區(qū)域，近岸最淺水深為3.2m，測區(qū)水深在3～40m，根據(jù)水深數(shù)據(jù)更新海圖《紅海灣至擔桿島(83001)》。
⒊風機基底探測
利用多波束測深儀對圖2港口鎮(zhèn)東邊虛線范圍內(nèi)的風機基底進行掃測，同時使用多波束自帶側(cè)掃聲吶功能進行數(shù)據(jù)記錄。不同風機、升壓站基底的側(cè)掃聲吶和多波束影像圖如圖4所示，通過影像分析風機基底保持狀態(tài)和沖刷情況。根據(jù)水深判斷，沖刷深度在0.1～3m不等。
圖4 風機基底側(cè)掃聲吶和多波束影像
⒋海上風電場電纜數(shù)據(jù)采集
使用淺地層剖面儀對圖2所示海底電纜路由進行斷面測量，發(fā)現(xiàn)管線埋深基本在1～4m不等，平均埋深為2.23m。內(nèi)業(yè)處理采用SonarWiz軟件，首先導入數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行增益等參數(shù)調(diào)整設(shè)置，使圖像更容易判讀;然后發(fā)現(xiàn)目標進行打標，本次測量按照200m一個斷面進行測量，共測量429處有效目標點，最終導出坐標。部分線纜在不同埋深處的淺剖和側(cè)掃聲吶影像如圖5所示，掃測范圍內(nèi)近岸處比較復(fù)雜，漁網(wǎng)及礁石較多，部分區(qū)域無法進行掃海測量。
圖5 海底電纜、礁石淺剖和側(cè)掃聲吶影像
三、質(zhì)量控制
在沉船掃海測量時，采用Reson SeaBat T50-P多波束系統(tǒng)自帶側(cè)掃聲吶功能代替常規(guī)尾拖式側(cè)掃聲吶，固定安裝能快速、準確得到沉船姿態(tài)和位置信息。從3個不同方向反復(fù)掃測疑似沉船，拼接不同航跡的側(cè)掃聲吶影像，完整清晰地獲取沉船主體及周邊環(huán)境信息。
海上風電場電纜數(shù)據(jù)采集時，選擇海況較好的窗口期，減少船舶搖擺幅度。嚴格控制船速在4～5kn，減少低頻端的噪音。實測與設(shè)計線路會偏移，根據(jù)圖2海纜路由設(shè)計坐標進行探測，測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，海纜路由實測走向與設(shè)計走向基本吻合，個別拐角處受水流及風浪影響，產(chǎn)生一定位移，圖6顯示2處偏差較大地方與設(shè)計位置偏差超過100m，其他地方基本吻合，根據(jù)實測數(shù)據(jù)制作路由線纜圖和水深圖。
圖6 海底電纜實測與設(shè)計線路偏移
多波束水深測量水位控制采用基于潮汐模型與余水位監(jiān)控法，測區(qū)無阻隔、無徑流影響，總體綜合預(yù)報中誤差RSS為4.7cm，潮汐模型與余水位監(jiān)控法具有適用性。采用回歸分析法、同步改正法傳遞短期驗潮站平均海面值，差值均不超過10cm，采用4個主分潮與L值比值法、潮差比法傳遞深度基準值，差值均不超過15cm，評估結(jié)果見表1，余水位差異統(tǒng)計見表2。以擔桿島、三門島、港口鎮(zhèn)3個水位站作為余水位監(jiān)控站，水位插值精度高于表2中僅1～2個水位站作為余水位監(jiān)控站的精度，符合規(guī)范要求。
表1 短期站平均海面、深度基準面精度評估
表2 余水位差異統(tǒng)計
四、二三維一體化
以風電海域空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，集成水上部分遙感影像，建立海洋數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用模型，實現(xiàn)海洋要素、海洋過程、海洋預(yù)報的多維、動態(tài)、可視化表達，利用二三維一體化技術(shù)，為海洋科學研究和行業(yè)內(nèi)應(yīng)用提供二三維信息可視化服務(wù)。三維可視化平臺可展示風電場海域水上水下一體化的地形地貌模型、港口設(shè)施、標志性建筑三維模型等，提供直觀立體的水上水下三維立體景觀;通過實時訪問南?；A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫和專題要素數(shù)據(jù)庫，在可視化環(huán)境下展示碼頭、航標、障礙物、水上水下設(shè)施、錨地等通航要素，在專題數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上實現(xiàn)統(tǒng)計、分析、查詢等功能，提供風電場海域二三維在線綜合要素管理信息服務(wù)。風電場通航要素及地形地貌模型展示如圖7所示。
圖7 風電場海域二三維一體化展示
五、結(jié)論
⑴海上風電場水域遠離陸地，多波束掃海測量需要進行準確的水位控制，基于潮汐模型與余水位監(jiān)控法能減少水位控制成本，采用少數(shù)水位站控制大范圍風電場水域潮位，滿足水深測量要求。
⑵風電場附近沉船掃海測量范圍巨大，外業(yè)測量產(chǎn)生海量多波束數(shù)據(jù)，CUBE算法對海量多波束處理具有潛在應(yīng)用價值，能明顯提高內(nèi)業(yè)處理效率，濾波后應(yīng)檢查回看，及時恢復(fù)被誤刪的真實信號。
⑶海上風電場電纜數(shù)據(jù)需要結(jié)合淺剖和側(cè)掃聲吶、多波束影像綜合分析，根據(jù)淺水礁石、管線的影像特點，結(jié)合設(shè)計位置判讀電纜數(shù)量和走向，提高數(shù)據(jù)的互補性和可靠性。
⑷電子海圖上的沉船一般是歷史沉船，坍塌在海底，明顯的船型難以出現(xiàn)在多波束和側(cè)掃聲吶影像中，沉船附近水域深30～40m，使用采泥器難以進行底質(zhì)探測，準確判讀存在難度，磁法測量、下潛探摸和水下攝像判讀可獲取更多沉船信息。
【作者簡介】 文/何志敏 姚薇 王華強 張潤達 何民華 梁杰華，來自交通運輸部南海航海保障中心廣州海事測繪中心。第一作者何志敏，1982年出生，男，碩士，高級工程師，從事海洋測繪工作。本文受基金項目贊助，廣州海事測繪中心創(chuàng)新工作室2023年課題研究計劃(2023-6)。文章來自《測繪通報》(2024年S1期)
