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为了实现海南省高压输电线路与大陆连接，优化电力资源调度利用，于2009年6月，南方电网有限公司投资建成跨海高压输电海缆。电缆路由走向自南向北横穿琼州海峡，长度约31 km，为联通海南省与大陆间的电网唯一通道，其意义及重要性显而易见[1,2]。琼州海峡属于重要航道，同时也是渔民捕捞作业活动频繁的海域，据有关部门统计，每年过往琼州海峡轮船13万艘，外轮2 000余艘[3]；过往船舶擅自抛锚和频繁的渔业活动严重威胁海底电缆安全，故于2009年和2011年负责海缆管理的职责部门分别对海缆路径采取了保护措施，对部分区段海缆进行了抛石及徐闻侧海域采用铸铁套管的方式进行了海缆保护[4]。为了减少海缆裸露的危险，加强对海缆周围地形地貌的监控，应项目管理者的要求，笔者单位采用多波束系统对海缆路由走廊进行了三次扫测，分别为2010年、2013年、2015年，根据获得的水深点云数据，结合内业软件分析海缆路由冲淤幅度较大和沙波位移较大的区段，为海缆保护提供技术支撑。电缆路由所在位置示意图如图1所示。
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500 kV福港线海缆路由所处的海洋环境具有以下特点：(1)琼州海峡基本上是个潮流通道，中央深水区域更是受潮流强烈冲刷的地方，根据权威部门监测数据，海峡最大流速达1.4 m/s(底层)～1.83 m/s(表层)[5]；(2)海底表层沉积物类型多样：与潮流的流速有很大关系，中央区域水流急，形成的海底表层堆积物颗粒较粗，向北呈粗—细—粗变粗的趋势，向南逐渐变细；(3)地貌环境多变：测区北部地形变化平缓，无明显的沟壑及斜坡等不良地形，南岭村端至15 m水深坡降大致为0.09°；15 m至85 m水深处，地形急剧下降，坡度较大，大致为2°；85 m至海南端40 m水深区域，地形破碎，沙波、斜坡、陡坎较多，地形高低起伏变化大，水深较深，最深处达110 m，坡度最大值为28.8°；40 m至35 m测区段，地形相对较平坦；海南登陆端地形急剧上升，水深从35 m至6 m坡度为4.6°。海缆路由地貌分布如图2所示。
图 2 海底电缆路由地形三维视图
Figure 2. 3D view of submarine cable routing terrain
为了掌握海缆路由地形的冲刷情况，2010年至2015年分别采用多波束系统对海缆上方的地形进行了扫测，扫测宽度为海缆路由左右各约300 m，并根据多波束扫测的点云数据对比分析，研究路由区的海床稳定性，分析路由附近地形近几年的海床冲淤演变；同时，根据地形冲於演变数值结合海缆埋设深度判断海缆的覆盖层厚度变化，为海缆的保护工作设计提供科学根据，避免海缆出现裸露悬空，减少危害海缆的不利因素。
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为了分析福港线海缆路由的海床冲淤变化和微地貌变化趋势，投入的设备具有精度高、测量值可靠、稳定等特性，选用的设备如表1所示：
表 1 多波束系统配置一览表
Table 1.
Multi-beam system configuration list 设备名称 主要性能 备注 多波束 最大量程：500 m；量程分辨率：1.25 cm； SONIC 2024 波束大小：0.5°×1°； 工作频率：200～400 kHz，20多个频率值可选； 波束数目：256个@等角方布，1 300个@等距分布 声速剖面仪 声速测量精度为＋/-0.03 m/s SV Plus V2 声速测量仪 声速测量精度：0.050 m/s Smart SV 光纤罗经 航向动态精度0.1°； OCTANS III 稳定时间(静态)<1 mn； 升沉、横摆、纵摆精度为5 cm或5%； 横滚、俯仰、动态精度：0.01° 导航定位系统 水平10 cm，高程15 cm的差分精度 SF-3050 -
多波束测深系统工作时大致垂直航迹线方向同时发射数百个波束，波束之间与换能器之间形成一个扇形区域，借助姿态仪、罗经、GPS测量的实时数据可以计算出每个波束的具体位置。由于单次发射的波束多，采集的海底水深点密集，以每秒发射5次(仪器最高可达60次/s)，单次发射256个波束计算，理论上多波束系统工作一分钟就可采集76 800个水深数据，密集的水深数据可以真实的、直观的反应海底地貌形态，并普遍用于探测海底障碍物，如海底电缆、渔礁、沉船、微地貌特征探测之用[6]。正因多波束系统在海缆路由地形测量中的优势，于2010年至2015年先后采用R2 SONIC 2024多波束系统对海缆路由地形进行了全覆盖扫测，采集了路由上方的海量数据。测区南北跨度达31 km，路由区域地形复杂，水深变化快，为获得高质量海底地貌数据，多波束系统扫测过程中对声速剖面的测量、潮位观测的合理性、多波束安装与校准的可靠性等重要环节进行把控，确保获得高质量的数据[7]。
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根据2010年、2013年、2015年的多波束系统测量的水深点云数据，内业使用Surfer软件提供的Kriging插值方法进一步详细分析路由区的冲淤情况，从而判断海缆周围地形地貌的稳定性，并根据冲淤变化值，结合电缆埋设深度，初步判断电缆是否裸露悬空，为后续电缆的埋深检测和维护提供技术支撑[8]，Kriging插值方法应用面很广，在插值过程中会注重考虑地形的空间连贯性，使插值更接近真实值，获取较高精度的水下高程数据[9]。分析过程中，首先根据不同年代测量的路由区真实水深点离散数据生成具有相同面域的DEM模型，然后比较不同阶段测量水深点的高程值，根据高程值差值从而判断路由地形地貌的冲刷与淤积状态，本文以2015年测量成果为参考，2010年、2013年测量成果与之对比分析，从而研究电缆路由海床的稳定性及冲淤程度，并对重点地貌区域着重分析，了解路由海底地形的稳定性，分析过程中，负值(蓝色)表示地形被冲刷，正直(红色)表示地形淤积。详细分析如图3所示。
图 3 2010年与2015年多波束扫测点云数据冲淤分析图
Figure 3. Analysis of data from multi-beam measurements in 2010 and 2015 in scouring and silting
根据多波束系统不同阶段测量的点云数据分析，2010年至2015年间海缆路由区整体处于冲刷的状态，大致平均冲刷厚度达0.7 m，最大冲刷区域位于路由北侧12.1 KP至10.6 KP，检测到的冲刷最大值为6.1 m；而从淤积情况来看，淤积区域大概位于10.6 KP至10.1 KP区段，大部分区域淤积幅度大于1 m，个别地段淤积厚度达3.1 m。
2013年至2015年间海缆路由区整体冲淤态势有所缓解，沿线路由冲淤幅度整体都较小，在徐闻侧至7.6 KP区段、14.6 KP至海南登陆段大部分区域冲淤数值介于-0.2至0.2之间，但在14.6 KP至7.6KP区段存在较大面积的冲刷与淤积两种状况，位于10.6 KP至9.1 KP区段和11.5 KP至11.2 KP区段出现淤积现象，大部分区域淤积幅度小于1 m，最大淤积厚度达3 m；海缆路径12 KP至10.3 KP区段，水深在15 m至80 m范围内，地形基本处于冲刷趋势，整体冲刷厚度小于1.5 m，但有些区域达4 m；20.7 KP至20.2 KP区域，水深介于28 m至40 m之间的斜坡区域，存在冲刷与淤积零星分布态势，测得的最大冲刷幅度大致为2.2 m。总体来说，2013年至2015年间的海底地形相对较稳定，冲淤幅度大部分区域介于-0.2至0.2 m之间，相对不稳定区域主要位于14.6 KP至7.6 KP区，存在分化现象。
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沙波、陡坎地貌基本在整个海缆路由区都出现，较大的沙波大体上为南北走向，根据有关资料记载，该区域的沙波波长一般在100～400 m之间，波高在2～6 m之间。
沙波的迁移势必对海缆安全造成很大的影响，迁移过程中会影响海缆覆盖层厚度的变化，导致埋深变浅、裸露悬空或埋深变厚等几种情形；陡坎地貌受水流冲刷容易产生侧滑、垮塌等现象，同样会造成横跨的海缆失去周围载体的支撑作用。针对本项目的需求，特意选择高精度导航定位设备(SF3050，平面精度优于10 cm)为多波束系统提供定位服务，确保获得高精度的数据。分析微地貌的稳定性同样利用2010年、2013年、2015年多波束测量的点云数据，分别生成等高距为1.0 m的地形图，通过比较等值线的位移和高程值的变化，从而确定微地貌在形态上和空间上的变化[10]，具体比较过程如图4所示。
图 4 福港线海缆路由某处沙波变化分析图
Figure 4. Analysis of the sand wave movement on the Fugang cable route
根据沙波、陡坎分析结果，可知大部分沙波整体较稳定，移动趋势不大，最大的为7 m左右，同时，陡坎边未发现坍塌现象。存在潜在危害的沙波主要有两处，一处位于26.3 KP至26.6 KP之间，横跨于电缆路径上方的地貌，坡顶有冲刷现象，2010年测得的较高处仅在海缆路径附近有保留，且有继续冲刷现象；另一处位于A相电缆上方，北坐标22.7 KP至22.4 KP之间，该处地貌存在冲刷现象，如果继续冲刷，势必影响该处电缆的埋深。
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海缆敷设在海洋中，会遇到复杂的海洋环境(例如海底的高压环境、腐蚀环境和侵蚀环境等)、不同的海底地貌形态(沙波、海沟、海底山脉、海底丘岭以及裸露岩石等)、人类活动(捕捞区、锚区、军事区等)和海床不稳定性(海底冲刷区和移动沙波区等)等影响。在众多海缆安全影响因素中，由于恶劣的海底环境，导致海床不稳定性因素复杂多变，海床不稳定性因素对于海缆的危害性最大。本文主要讲述了利用多波束测深技术、高精度导航定位技术在海缆路由地形地貌扫测中的应用，并选用合适的内业处理分析软件，通过分析海缆路由区的历史测量数据，研究路由区海床的稳定性，对海床不稳定性因素进行全面的了解和分析，以达到尽可能避免不利因素，提前对冲刷和淤积幅度较大的区段提出预警，为海缆的保护措施提供数据依据，将海缆破坏概率降至最低，确保正常运营之目的。
多波束系统在海底地形冲刷和微地貌演变分析中具有数据量大、点间距小、精度高等特点，能很好地掌握变化趋势。本区域2016年对海缆的埋设深度做了详细调查，投入DP(动力定位)船、ST 200 ROV、TSS350管线探测仪、潜水员、水下摄像系统等设备，根据调查结果显示海缆埋深变浅及出现裸露悬空的区段均出现在海底地形冲刷幅度较大的区段，与多波束系统扫测的点云数据分析结果大致相同。
Application of Multibeam System in the Analysis of the Terrain Change of the 500 kV Fugang High-voltage Submarine Cable
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摘要:
[目的] 500 kV福港线海底电缆路由为跨越琼州海峡连通海南省与大陆的唯一高压电缆通道，由于峡区水流急，过往船舶多，渔民活动频繁，船舶随意抛锚现象严重，如果裸露和悬空的电缆受到外力作用会发生弯曲变形，变形过大将损坏电缆内部构造，重则导致电缆断裂，因此，及时掌握海缆路由上方的地形变化尤为重要，降低安全隐患。 [方法] 论述了采用多波束系统扫测海底电缆路由地形，根据历次采集的海量数据，通过Kriging插值方法生成DEM模型，并比较数据间的高程值和等值线变化，分析海底电缆路由上方的地形冲於演变过程和沙波迁移趋势。 [结果] 通过数据分析，多波束系统在海底地形冲刷和微地貌演变分析中具有数据量大、点间距小、精度高等特点，能很好掌握变化趋势。 [结论] 对于水流急、海底地形复杂的海工构筑物，建议定期采用多波束系统对周围地形地貌进行扫测，掌握有机载体的变化趋势，为海工构筑物的保护措施提供数据依据，将破坏概率降至最低，确保正常运营之目的。 Abstract:[Introduction] The 500 kV Fugang Line submarine cable route is the only high-voltage cable channel connecting Hainan Province and the mainland across the Qiongzhou Strait. Due to the rapid flow of water in the Strait., number of ships pass through, the fishermen have frequent activities, and fishermen′s random anchoring is serious. If the exposed or suspended cables are subjected to external forces, they will be bent and deformed. If the deformation is too large, the internal structure of the cable will be damaged and seriously lead to cable fracture. [Method] This article discussed the use of Multbeam System to scan submarine cable routing terrain, according to the massive data collected in the past. The Kriging interpolation method was used to generate the DEM model and compared the elevation values of both. Analyzed the evolution of terrain and the trend of sand wave. [Result] The Multibeam System has the characteristics of large data volume, small dot spacing and high precision in the analysis of submarine terrain scouring and micro-geomorphology evolution, which can well grasp the changing trend. [Conclusion] For offshore structures with complex water flow and complex seabed topography, it is recommended to use a Multibeam System to regularly scan the surrounding terrain, master the trend of organic carriers, provide data basis for the protection measures of offshore structures and minimize the probability of damage to ensure normal operation. -
Key words:
- submarine cable /
- multibeam system /
- kriging interpolation method /
- scour /
- sedimentation /
- evolution
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图 3 2010年与2015年多波束扫测点云数据冲淤分析图
Fig. 3 Analysis of data from multi-beam measurements in 2010 and 2015 in scouring and silting
图 4 福港线海缆路由某处沙波变化分析图
Fig. 4 Analysis of the sand wave movement on the Fugang cable route
表 1 多波束系统配置一览表
Tab. 1.
Multi-beam system configuration list 设备名称 主要性能 备注 多波束 最大量程：500 m；量程分辨率：1.25 cm； SONIC 2024 波束大小：0.5°×1°； 工作频率：200～400 kHz，20多个频率值可选； 波束数目：256个@等角方布，1 300个@等距分布 声速剖面仪 声速测量精度为＋/-0.03 m/s SV Plus V2 声速测量仪 声速测量精度：0.050 m/s Smart SV 光纤罗经 航向动态精度0.1°； OCTANS III 稳定时间(静态)<1 mn； 升沉、横摆、纵摆精度为5 cm或5%； 横滚、俯仰、动态精度：0.01° 导航定位系统 水平10 cm，高程15 cm的差分精度 SF-3050 
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图(4) / 表 (1)
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