泥沙下沉船沉物水下探測技術初探

寧曉東

摘 要：由于長江中下游為砂質河床，泥沙下淤埋的沉船沉物難以被探測。本文介紹了多種不同探測技術在泥沙下沉船沉物水下探測中應用的情況，分析了不同技術應用的效果及優缺點。

關鍵詞：歷史沉船;磁探儀;淺地層剖面儀;多頻三維合成孔徑聲吶;三維高分辨率多道纜地層剖面系統

中圖分類號：TB52? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）01-0075-04

1引言

在整個地球上，陸地僅占地球表面積的29%，而海洋卻覆蓋著整個地球面積的71%，它蘊藏著極其豐富的資源可供人類使用。但早期由于科學條件的限制，人們對于海洋的認識是相當不夠的，無法對其進行大規模的開發利用。隨著社會經濟的發展、人口的膨脹和陸地資源的逐漸匾乏，人類已將資源的勘探、開發和利用深入到海洋領域。二十一世紀，開發和利用海洋的這一使命變得越來越迫切，人們有一個普遍的共識，本世紀是人類開發和利用海洋的世紀，而海洋測繪是一切海洋開發活動的基礎[1]。

海洋測繪是海洋測量和海圖繪制的總稱，其任務是對海洋及其鄰近陸地和江河湖泊進行測量和調查，獲取海洋基礎地理信息，編制各種海圖和航海資料，為航海、國防建設、海洋開發、管理和海洋研究服務、海洋測繪的主要內容有海洋大地測量、水深測量、海洋工程測量、海底地形測量、障礙物探測、水文要素調查、海洋重磁探測量，各種海洋專題測量和海區資料調查，以及各種海圖、海圖集、海洋資料的編制和出版，海洋地理信息的分析、處理及應用。從信息的角度出發，囊括了海洋基礎信息的獲取、管理和應用。近20年來，隨著科學技術的發展，海洋測繪在儀器、技術和理論方面均取得了飛速的發展，尤其是現代高精度衛星定位技術和水下GPS定位技術、船載掃測技術（如多波束、高精度高分辨率測深側掃聲吶）、海洋遙感技術、ADCP技術和目前的研究熱點水下自治機器人（AUV）集成海洋測繪系統、電子海圖技術和海洋GIS技術，這些現代海洋測控技術極大地推進了海洋測繪的發展，使現代海洋測繪呈現空間立體信息獲取、信息自動存儲和快速準確應用的態勢，基本滿足了海洋調查、開發和研究的需求[2]。

當前，長江經濟帶的建設與發展已上升為國家戰略。作為橫貫中國東中西部的黃金水道，長江及其重要的航運資源，在長江經濟帶的科學發展中具有極其重要的作用和地位。2019年長江干線貨運量達29.3億噸，同比增長8.9%，再次刷新世界內河航運紀錄。長江航道是航運事業發展的基礎與前提。據有關部門統計，長江航道內不同時期未打撈沉船近500艘。由于諸多原因造成這些沉船放棄處置，為了防止沉船對通航安全造成的潛在威脅，常規處置方法是在犧牲航道尺度的前提下，通過調整航標將沉船放到航道外，暫時消除安全隱患。但是沉船未打撈，對航道的影響就會一直存在。因此，為確保長江航道安全暢通，有力地支撐長江經濟帶的建設與發展，建議盡早開展對長江航道內歷史沉船的清除工作。

由于長江中下游為砂質河床，淤沙嚴重，很多沉船沉物陷入泥沙下難以被傳統的探測手段發現，造成長江歷史沉船打撈難度非常大。近年來隨著科技發展，國內外發明了許多新的水下探測技術，對泥沙下目標的探測中逐步應用了磁探儀、淺地層剖面儀、多頻三維合成孔徑聲吶和三維高分辨率多道纜地層剖面系統探測法，取得了一定的應用效果。

2泥沙下沉船沉物水下探測技術方法

2.1磁探儀探測技術

2.1.1工作原理

磁探儀利用富含質子氫的液體產生旋進信號。它使用的液體可以提供非常高的氫密度，并且在操作時沒有危險。讓極化直流電流通過繞在富含質子氫液體探頭的線圈上，便會產生100高斯的輔助磁通密度。質子被極化至較強的凈磁化強度，與較強的磁通密度達到熱平衡。當輔助磁通終止時，被“極化”的質子即發生旋進而重排恢復為正常的磁通密度狀態。對質子旋進的測量必須按序進行，即先有一個初始極化，接著進行頻率測量，然后這個循環不斷重復[3]。磁探儀的應用范圍很廣，除了科研方面的常規物理調查外，在工程應用越來越廣泛，如海底油氣管線、海底光纜及通訊電纜調查、水下沉船探測、水下污染沉積物調查等等。磁探儀主要有三個性能指標：靈敏度、分辨率、漂移。

2.1.2探測方法

根據磁探儀的工作原理，可以進行底質調查工作，更適用于特殊金屬物或沉船的尋找探測。一般情況下，進行初步探測時底質調查布線間隔為50-100m，甚至更大。特殊金屬物的尋找應根據金屬物的大小及重量合理布設測線。沉船探測測線間隔可以為50-150m。當磁探探測儀經過能被地球磁場磁化的物體附近時，導致交變磁場的頻率發生變化，從而引起磁場強度的異常變化，據此判定目標物的存在。磁化物體重量、磁異常大小、物體與磁探儀的距離三者之間的關系有一定規律，但是，影響磁探儀的因素很多，如果不進行多次的重復測量可能會造成誤判。若發現疑似點，可通過加密測線獲得更精確的數據。

2.1.3優缺點

磁探儀探測水下沉船沉物是已經經過實踐驗證的方法，也是目前常規使用的技術手段，例如在2000年馬當沉船打撈中采用該探測方法發現了多處疑似沉船沉物位置，最后都成功發現沉船目標。但是磁探儀對金屬感應非常敏感，對作業環境要求很高，如果在通航區域，附近航行的金屬船舶將對磁場影響很大，并且沉船沉物附近金屬物質也將影響探測效果，引起誤判。

2.2淺地層剖面儀探測技術

2.2.1工作原理

淺地層剖面儀是在測深儀基礎上發展起來的，只不過其發射頻率更低，聲波信號通過水體穿透床底后繼續向底床更深層穿透，結合地質解釋，可以探測到海底以下淺部地層的結構和構造情況[4]。淺地層剖面探測是利用聲波的傳播和反射特性來探測底床淺部地層結構和構造。淺地層剖面儀的應用領域主要包括：近岸海域泥砂資源[5-6]和淺層氣調查，地質環境調查，工程地質調查，海底管道檢測等[7]。

淺地層剖面探測在地層分辨率（一般為數十厘米）和地層穿透深度（一般為近百米）方面有較高的性能，并可以任意選擇掃頻信號組合，現場實時設計調整工作參量，可以在航道勘測中測量海底浮泥厚度，也可以勘測海上油田鉆井平臺基巖深度。淺地層剖面儀采用的技術主要包括壓電陶瓷式、聲參量陣式、電火花式和電磁式4種。其中，壓電陶瓷式主要分為固定頻率和線性調頻（Chirp）兩種;電火花式主要利用高電壓在海水中的放電產生聲音原理;聲參量陣式利用差頻原理進行水深測量和淺地層剖面勘探;電磁式通常多為各種不同類型的Boomer，穿透深度及分辨率適中。

2.2.2探測方法

搜尋探測一般都采用變頻脈沖技術，并配有標準Proven技術工藝的高分辨率淺剖系統。探測時，其布設測線寬度取決于工作目的，底質調查一般為50-300m。水下目標物尋找應根據概位進行合理布設，一般采用交叉布線，測線間隔一般為15-50m。根據淺剖圖像判斷底質和目標物的位置。不同的地質類型，在淺剖圖像上顯示的特征不同，當有錯層或斷層、特殊地物時，在淺剖圖像上能清晰地顯示出來。但是，由于底質的不同構成或底質圖像的差別變化，可能會造成誤判。

2.2.3優缺點

淺地層剖面儀在泥沙下沉船沉物探測中也有一些應用案例，該方式可以精確的探測到沉船沉物位于河床面下的位置，為打撈方案制定提供了重要參數。但是該方式僅能獲得斷面數據，對沉船沉物的判斷要求擁有非常豐富的經驗及地層地質分析能力。該方法適用于已經確定了沉船沉物目標大概位置，獲取沉船沉物在泥沙下的深度。

2.3多頻三維合成孔徑聲吶

2.3.1工作原理

多頻三維合成孔徑聲吶，綜合采用多頻、三維合成孔徑聲吶技術，可實現對懸浮、沉底和掩埋目標的實時成像，滿足用戶水下環境探查、水下目標搜索、航道整治復勘、護堤結構復勘、橋墩監測、救撈、應急、油氣管線路由勘察、光纜電纜勘察（路由+埋深+地層等功能）、三維精細地層結構、水下其它各類成像等多種使命任務的需求，為用戶提供水下懸浮、沉底和掩埋目標的高清影像、目標位置、目標埋設深度、以及水下高精度三維地層等多種信息[8]。在國外的應用中，合成孔徑系統在海洋地形地貌的測量上有了長足的進展，應用于各項海洋探查實踐[9]。

2.3.2探測方法

多頻三維合成孔徑聲吶一般可固定安裝在船舷，探測時，根據目標的大小，可以合理布置測線寬度，大范圍搜尋是適合20m—100m，精確搜尋時測線寬度可以按照5m—20m測線進行布設。該設備也可以根據搜尋的要求，現場靈活組合，實現下視、側視等多種工作模式，滿足不同的任務場景需求，以及掛船安裝、船底安裝、ROV安裝和AUV安裝等多種安裝需求。

2.3.3優缺點

多頻三維合成孔徑聲吶是近年來新開發技術，可實現泥沙下目標的三維顯示，相對于傳統的磁探儀和淺地層剖面儀等方式更加直觀，易于判斷。該方式作業范圍受限，目前僅能探測泥沙下10m以內的目標。

2.4三維高分辨率多道纜地層剖面系統探測法

2.4.1工作原理

三維高分辨率多道纜地層剖面系統由電源箱、震源、水聽器纜、采集單元這幾個主要部分組成。完整的系統可以應用于淡水或海水環境下獲取高分辨率三維地震數據，穿透能力可達到湖/河床下面約300m的深度，這種對地層的穿透能力是淺地層剖面儀所不能達到的，在對剖深和分辨率有更高要求時，絕大多數使用者都會選擇利用電火花剖面系統來進行工作.

不同于普通淺水電火花系統，三維電火花地層剖面系統能夠提供的是三維底層沉積及掩埋物體圖像[10]。該功能主要針對的是對埋在水底下面的目標的探測，例如管道、錨鏈、鐵錨及沉船等。因為該類目標在實時二維圖像中，往往需要多年的經驗進行判斷，或者只有在進行了多條測線的測量后，才能夠通過某些特定軟件進行數據處理，得到相對確定的判斷。但是三維電火花剖面系統，能夠幫助沒有多年經驗的使用者，得到直觀的水底埋藏目標的圖像。

該系統可以應用于湖泊與江河勘測、港口勘測、水利工程，橋梁、路由管道、風電項目勘察，掩埋礫石清理，航道危險障礙物調查等項目中。

2.4.2探測方法

三維電火花系統要求船只至少有25-35m長和6-8m寬。船只尾部固定兩個伸出船側的支架，支架需要約6m長，具體長度根據船只情況確定。船只運行時的噪音與運行時的動力成正比，因此建議使用低功率，一臺低轉速推進器。為了方便布放地震纜絞車和兩個震源，船只后甲板應有最少25-30m2空間。2臺高壓電源箱、2臺采集系統和地震纜定位系統需要在測量室內留出約20m2空間。

2.4.3優缺點

三維電火花系統相較于以上的水下電視系統和三種聲吶系統，最大的特點就是能夠穿透地層，對江底地層一定深度行程三維圖形，通過切片分析可以清楚的探知淤埋的沉船沉物情況。相較于國內目前的二維電火花系統，成像立體，精確度更高，更容易分辨目標物。是目前國內外唯一能夠對地層三維成像的設備。

三維電火花的缺點是安裝組裝復雜，設備布放空間要求高，僅能在開闊水域作業，并且設備采購價格高昂，作業難度大，數據后處理工作量大。

3結語

根據沉船沉物所處的作業環境不同，可以實施的水下探測技術也不同，檢測單位可以根據檢測需要采用不同的泥沙下探測技術。在長江泥沙下沉船沉物探測中，在上游山區河段的流速較大區域，適合采用無人直升機載磁探儀方法探測，在中下游河段首推多頻三維合成孔徑聲吶。如果在海上進行泥沙下沉船沉物探測，可以考慮三維高分辨率多道纜地層剖面系統探測法。

參考文獻：

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[4]楊仁輝.淺地層剖面儀在障礙物探測中的應用[J].城市建筑，2014（14）：395-396.

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[7]張杰，張坤軍，李京兵，陳尚州.淺地層剖面儀在內陸淺水域淤積探測中的應用——以河、湖為例[J].浙江水利科技，2018，46（04）：56-58.

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[10]邢磊. 海洋小多道地震高精度探測關鍵技術研究[D].中國海洋大學，2012.