海上風(fēng)電場址淺地層剖面信息采集及關(guān)鍵處理技術(shù)

龍 成,孫 輝,安永寧

(1.天津水運工程勘察設(shè)計院有限公司 天津市水運工程測繪技術(shù)重點實驗室,天津 300456;2.深圳市恒永曄海洋技術(shù)有限公司,深圳 518101)

海上風(fēng)能是一種清潔的可再生能源,是當(dāng)今發(fā)展最快的綠色能源之一。中國海上風(fēng)能資源豐富,可開發(fā)風(fēng)能資源約7.5億 kW,是陸上風(fēng)能資源的3倍[1-2],且靠近沿海城市負(fù)荷中心,發(fā)展海上風(fēng)電將是我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要戰(zhàn)略支撐[3]。風(fēng)電場建設(shè)的制約因素有多種,其中要求場址區(qū)具備良好的地質(zhì)環(huán)境[4],且需要面對風(fēng)機建成后樁基附近普遍存在的海床沖刷問題[5]。因此,建設(shè)前需對海上風(fēng)電場址進行勘察,淺地層剖面調(diào)查作為勘察的重要手段,在探查海底地層結(jié)構(gòu)、基巖埋深,進而評價海底地質(zhì)條件及確定樁基礎(chǔ)類型等工作中具有重要意義[6]。

當(dāng)前淺地層剖面探測系統(tǒng)種類較多,震源各有不同,如電火花、壓電陶瓷聲學(xué)釋放器、參量陣、標(biāo)準(zhǔn)化震源等,不同震源類型獲得的剖面效果及分辨率不同[7],其中電火花震源因其較高的分辨率和良好的穿透性,被廣泛應(yīng)用于海上風(fēng)電場場址剖面調(diào)查中,本文主要討論電火花剖面系統(tǒng)在海上風(fēng)電場中信息采集與處理方法及應(yīng)用,文中淺地層剖面資料取自渤海及北部灣等風(fēng)電場勘察中獲取的數(shù)據(jù)。

1 剖面信息的采集

1.1 剖面信息采集原理

淺地層剖面調(diào)查設(shè)備通常由震源系統(tǒng)、聲信號接收器、甲板控制單元及信號采集系統(tǒng)組成[8]。工作時,震源激發(fā)后,聲波在不同介質(zhì)(如泥、砂等)的波阻抗界面發(fā)生反射、透射,直至信號逐漸衰減并消失。聲信號接收器通過接收反射波信號傳回時間、振幅及頻率等信息,并將接收到的聲信號轉(zhuǎn)換為電信號傳輸至信號采集系統(tǒng),獲得最終的淺地層剖面的信息資料。

通常把海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)看作一個層狀的模型[9](圖1-a),聲波在其介質(zhì)中的速度、衰減特征、振幅強度等要素與沉積物性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。在通過波阻抗界面時,其反射振幅及反射強度系數(shù)如下

Ar=R×Ai

(1)

(2)

式中：Ar為反射振幅;Ai為入射振幅;R為波阻抗界面反射系數(shù);ρ1、v1、ρ2、v2分別為上、下層介質(zhì)的平均密度及聲波在介質(zhì)中的傳播速度。其中平均密度與波速的乘積為波阻抗值,由式中可見波阻抗差值越大,界面反射系數(shù)越大,反射振幅(即能量)越強[10]。

1.2 剖面信息的采集

多電極電火花震源是最早應(yīng)用于海洋地層剖面探測的非炸藥類震源,數(shù)據(jù)采集時,一般采用后拖的方式進行,電火花震源及水聽器分別位于調(diào)查船尾兩側(cè),以避開船舶螺旋槳轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的尾流的影響。進行探測前一般需要進行能量測試,在同一測線上,根據(jù)地質(zhì)情況、探測深度等實際因素,采用不同的能量參數(shù)進行信息的采集,通過對均一性、穿透能力及圖像分辨率等方面特征進行比較,選擇圖像效果最佳的能量值。圖1-b為在同一測線分別采用300 J、500 J及700 J能量進行測試獲得剖面圖像。風(fēng)電場剖面調(diào)查一般要求探測到泥面以下約100 m或到基巖頂界面為止。電火花系統(tǒng)的工作原理如圖1-a所示。

在海上風(fēng)電場剖面信息采集中,影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素有多種,主要包括海況、采集方法、地質(zhì)及地形變化因素等。在剖面上則表現(xiàn)為高頻雜亂信號干擾、多路徑虛反射、多次波等。分別表述如下：

(1)海況引起的信號干擾。在儀器正常的情況下,海況是影響剖面質(zhì)量的主要因素,因電火花震源及水聽器均通過軟連接后拖于船尾,海況較差時,起伏的涌浪會使電火花震源和水聽器的相對位置發(fā)生空間上不規(guī)律的變化,造成剖面海底地形的起伏變化,同時攪動的海浪對聲學(xué)信號的發(fā)射及接受亦會產(chǎn)生不良影響,在子波全范圍內(nèi)出現(xiàn)較多的高頻干擾,在削弱有效信號的同時會增加干擾信號(如圖2-a)。

(2)多路徑虛反射。在地震波數(shù)據(jù)接收的過程中,因水聽器自重的原因,檢波器接收段一般會入水一定深度,因海面水體與空氣間較為明顯的波阻抗面,水聽器在收到一次波時的同時,會收到經(jīng)過水面的反射形成虛反射(亦稱鬼波)。虛反射限制了有效頻帶的寬度,對緊鄰的有效信號形成遮蓋(如圖2-b)。在現(xiàn)場工作中一般將水聽器前方線纜包裹住一定量的泡沫等起浮物,從而確保水聽器漂浮于海面,有效地壓制鬼波的形成。或采用上下纜法[11],在不同深度同時進行信號采集,獲得兩組剖面信息,再通過后處理對鬼波進行消除,獲得有效波信號。

(3)多次波干擾。在風(fēng)電場所在的淺水區(qū),因海底及水面為強聲阻抗界面,通常伴隨有周期性的強振幅多次波反射(如圖2-c),對數(shù)據(jù)解譯帶來嚴(yán)重干擾,一般通過數(shù)據(jù)后處理加以解決。

2 剖面特征分析及處理策略

2.1 數(shù)據(jù)基本特征分析

在數(shù)據(jù)處理之前,需要對數(shù)據(jù)總體特征進行相應(yīng)的分析和判斷,本次研究區(qū)域大部分為砂質(zhì)海底,地質(zhì)條件一般,采集質(zhì)量整體一般,主要數(shù)據(jù)特征包括以下幾個方面：

(1)風(fēng)浪等外部環(huán)境對資料的影響分析。在本風(fēng)電場區(qū)域風(fēng)浪噪音干擾嚴(yán)重,如圖3-a中剖面深部區(qū)域可以看到明顯的風(fēng)浪噪音,海況差時對有效信號干擾較強。這類噪音能量強,幾乎是全頻帶分布,而且出現(xiàn)具有隨機性。

3-a 受海浪影響的剖面 3-b 海底識別困難區(qū)域 3-c 多次波反射圖像圖3 剖面資料受海浪、地形及不良地質(zhì)影響Fig.3 Profile effected by wave、topography or unfavorable geology

(2)區(qū)域地形地貌對資料的影響分析。通常在水深較淺區(qū)域,由于儀器設(shè)備的緣故,子波震蕩較長,直達(dá)波與海底很難分清楚,海底識別較難,如本區(qū)域剖面圖3-b所示。

(3)由于水深較淺且底質(zhì)較硬,數(shù)據(jù)中多次波非常發(fā)育。在工區(qū)主要發(fā)育海底的一階多次波[12](圖3-c)。這種多次波主要是由于海底的一次反射造成的,其能量較強,且與有效波相疊加,因此在保護有效信號的基礎(chǔ)上如何去除多次波是淺剖數(shù)據(jù)處理的難點。

2.2 數(shù)據(jù)處理的基本策略

地震剖面根據(jù)采集設(shè)備、采集所處的天氣及地質(zhì)地貌環(huán)境的不同而有不同的特點,因而采用的處理策略亦會有所不同。如從本研究區(qū)域地震剖面面貌上看,本區(qū)數(shù)據(jù)可以分為兩類,一類剖面表現(xiàn)為子波無氣泡震蕩,無虛反射,淺層分辨率高,但是穿透弱;另一類特點為子波包含氣泡震蕩和虛反射,淺層分辨率低,但是穿透強。通過進行相應(yīng)處理,發(fā)現(xiàn)消除子波氣泡和虛反射后,雖然部分剖面淺層分辨率得到極大提升,但是對于剖面的前積地層及古河道中較弱的反射也會衰減,同時在分辨率提高的同時,降低了剖面的信噪比。由于本區(qū)地震剖面大部分底質(zhì)為砂質(zhì)底,剖面本身的信噪比不高,因此處理時不再對子波進行進一步處理。

處理的重點工作主要是噪音和多次波的去除工作。在近海淺水風(fēng)電場,往往伴隨海底崎嶇和較淺的海底,海底反射不清楚,且海底能量差異太大,造成很難進行數(shù)字化海底識別,此時一般結(jié)合同步探測的地形資料進行海底識別工作。對于多次波的處理,通過多年經(jīng)驗的積累,目前已經(jīng)探索出一套適合淺剖的多次波處理技術(shù),然而由于本地區(qū)海底崎嶇,子波復(fù)雜,多次波類型多樣,處理時各項參數(shù)需根據(jù)實際地形、地質(zhì)情況及每條測線不同的特點做針對性的改進,以獲得最佳多次波去除效果。

3 剖面處理關(guān)鍵技術(shù)在海上風(fēng)電場勘察中的應(yīng)用

受外業(yè)資料采集干擾因素的影響,當(dāng)外業(yè)采集資料效果不佳時,剖面信息不可避免地需要進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理,以下內(nèi)容應(yīng)用異常振幅去除、多次波壓制等剖面處理關(guān)鍵技術(shù),對北部灣及渤海等風(fēng)電場剖面信息進行了處理,并取得了良好的效果。

3.1 異常大值的去除

異常大值在淺剖中并不常見,在渤海某風(fēng)電場區(qū)域中部分測線中較明顯,推測可能跟儀器靜電釋放不佳相關(guān),在淺地層剖面上表現(xiàn)為瞬時異常值,在密度剖面上表現(xiàn)為一個奇異值點,通過對地震子波的幅值進行統(tǒng)計分析,篩選并去除異常大值即可有效消除這種干擾。去除效果如圖4所示。

4-a 去除前 4-b 去除后 4-c 去除的噪音圖4 異常大值去除前后剖面圖像Fig.4 Profile images before and after process of abnormal large amplitude

3.2 涌浪校正

當(dāng)海況較差時,由于海浪的起伏較大,造成不同震源和檢波器無法保持在同一水平面上,且海浪的不斷變化,使得兩者之間的高度不斷變化,這樣使得采集的不同炮點之間的數(shù)據(jù)出現(xiàn)上下跳動的現(xiàn)象,即有一種“毛刺”感。實際上,這種炮點與檢波點存在高度差的現(xiàn)象普遍存在于山地采集過程中,在渤海某風(fēng)電場剖面數(shù)據(jù)處理中也采用類似于山地靜校正的方法,數(shù)據(jù)處理前后的剖面對比如圖5所示。可以看到靜校正前后“毛刺”現(xiàn)象消失,剖面同相軸連續(xù)性增強,信噪比提高。靜校正的關(guān)鍵在于海底的平滑因子,平滑因子越小,海底越不光滑,但是對于起伏海底的形態(tài)保持較好。而當(dāng)平滑因子越大,則海底越光滑,但是對比海底形態(tài)的保持越差。在實際的工作中,應(yīng)根據(jù)受海浪影響程度和當(dāng)?shù)氐匦巫兓闆r采用合適的平滑因子,在去除涌浪影響和海底形態(tài)保持中取得一種較好的折中。

5-a 校正前5-b 校正后圖5 涌浪校正前后剖面對比Fig.5 Profile images before and after swell correction

3.3 異常振幅去除

當(dāng)風(fēng)浪較大時,易造成電纜接收到較嚴(yán)重的噪音,由于其能量較強,可以根據(jù)其能量大于有效信號能量的方法進行去除,即采用分頻分時振幅衰減方法(AAA)來進行壓制,該方法是將數(shù)據(jù)從時間域轉(zhuǎn)換到頻率域,應(yīng)用中值濾波來壓制異常振幅,設(shè)定門檻值,在一定的時窗內(nèi)與振幅中值差異較大的振幅,對其衰減或用相鄰道插值,去噪效果如圖6所示。可以看到壓制前剖面上有明顯的振幅異常,剖面上似被豎條分割,異常振幅壓制后的地震剖面,豎條帶現(xiàn)象消失,異常振幅得到了較好的壓制。異常振幅噪音壓制中,中值寬度是非常重要的參數(shù),中值寬度越大,則去噪越強,但是對于傾斜構(gòu)造和孤立地質(zhì)體的傷害也在加大,在處理中以能基本消除較強的風(fēng)浪噪音為限[5],一般選擇合適的中值寬度,基本可以滿足測線處理的要求。

海底多次波是地層剖面探測中經(jīng)常出現(xiàn)的一類干擾波。由于與多次波伴隨的隨機噪音發(fā)育比較嚴(yán)重,去除多次波時,首先要對隨機噪音進行衰減[13-14]。這種隨機噪音為高頻噪音、無連續(xù)性,自適應(yīng)相減無法去除,且由于其能量較強,容易掩蓋多次波,造成自適應(yīng)相減時無法判斷去除效果的好壞,因此首先要將隨機噪音進行衰減。對于多次波去除主要采用零炮檢距的多次波去除方法[15],該方法從數(shù)據(jù)本身的靜態(tài)漂移或自相關(guān)得到多次波模型,運用自適應(yīng)算法,將多次波模型從原始波場中減去,能夠有效地壓制多次波,同時不會影響與多次波交叉的有效波。

對于具體的處理,涉及海底底質(zhì)不同,海底地形變化較大,參數(shù)一般無法做到統(tǒng)一,只能根據(jù)測線的情況做相應(yīng)的調(diào)整。對于海底崎嶇,且水深較深,多次波發(fā)育明顯,在處理時需要選擇具有針對性的參數(shù),在北部灣海域某風(fēng)電場勘察中,剖面信息處理效果如圖7所示。

7-a 去除前 7-b 去除后 7-c 去除的多次波圖7 水深較深區(qū)域多次波去除前后效果圖Fig.7 Profile images before and after multiple wave suppression at relative deep sea area

4 結(jié)論

本文通過對海上風(fēng)電場地層剖面調(diào)查外業(yè)數(shù)據(jù)采集及剖面信息處理過程關(guān)鍵技術(shù)方法的分析及研究,得出以下結(jié)論：

(1)海況、采集方法、地形地貌及儀器狀態(tài)是影響外業(yè)剖面信息質(zhì)量的關(guān)鍵因素,外業(yè)數(shù)據(jù)采集時應(yīng)從這幾個方面加以控制。

(2)通過異常振幅去除、涌浪改正、多次波壓制等數(shù)據(jù)處理技術(shù),可達(dá)到去除干擾波、地質(zhì)假象,還原海底以下真實地層信息的要求,大幅提高淺地層剖面的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

對于在淺水區(qū)剖面信息采集及數(shù)據(jù)處理的思考：對水深很淺的區(qū)域,受直達(dá)波及聲波傳播路徑的影響,基本無法區(qū)分海底面,后期處理難度很大,這時應(yīng)結(jié)合使用單波束測深儀進行海底位置的判別,同時考慮使用其他類型的淺地層剖面系統(tǒng),如固定安裝的參量陣或壓電陶瓷類型的淺地層剖面儀,可有效地分辨海底面并對淺部地層進行較高分辨率的探測。在海上風(fēng)電場淺地層剖面探測的過程中,綜合使用多種淺剖設(shè)備進行探測的方法,進行更為精細(xì)化的探測已較為普遍。