海上风电场址浅地层剖面信息采集及关键处理技术.pdf
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1、第 卷第 期 年 月水道港口 收稿日期:;修回日期:基金项目:年广东省促进经济高质量发展(海洋经济发展)海洋六大产业专项资金项目(粤自然资合 号)作者简介:龙成(),男,湖南会同人,工程师,主要从事海洋工程物探调查、资料处理及解译工作。:(),通讯作者:孙辉(),男,山东枣庄人,工程师,主要从事海洋工程物探调查工作。:海上风电场址浅地层剖面信息采集及关键处理技术龙成,孙辉,安永宁,(天津水运工程勘察设计院有限公司 天津市水运工程测绘技术重点实验室,天津 ;深圳市恒永晔海洋技术有限公司,深圳 )摘要:浅地层剖面探测是海上风电场址勘察阶段中物探调查的重要手段,能有效地探查海底面以下地层结构特征,为
2、风机基础设计、施工及后期运维提供基础资料。通过分析剖面信息采集过程中影响质量的主要因素,研究后处理的过程及关键技术。研究表明:通过异常振幅去除、涌浪改正、多次波压制等数据处理技术,达到了去除干扰波、地质假象,还原海底以下真实地层信息的要求。掌握正确的外业采集和资料处理技术,能消除大部分外界因素对剖面资料产生的干扰及假象,大幅提高浅地层剖面的数据质量,进而更好地服务海上风电场址勘察工作。关键词:海上风电场;浅地层剖面;多路径虚反射;多次波;异常振幅中图分类号:;文献标识码:文章编号:()海上风能是一种清洁的可再生能源,是当今发展最快的绿色能源之一。中国海上风能资源丰富,可开发风能资源约 亿 ,是
3、陆上风能资源的 倍 ,且靠近沿海城市负荷中心,发展海上风电将是我国能源结构转型的重要战略支撑 。风电场建设的制约因素有多种,其中要求场址区具备良好的地质环境 ,且需要面对风机建成后桩基附近普遍存在的海床冲刷问题 。因此,建设前需对海上风电场址进行勘察,浅地层剖面调查作为勘察的重要手段,在探查海底地层结构、基岩埋深,进而评价海底地质条件及确定桩基础类型等工作中具有重要意义 。当前浅地层剖面探测系统种类较多,震源各有不同,如电火花、压电陶瓷声学释放器、参量阵、标准化震源等,不同震源类型获得的剖面效果及分辨率不同 ,其中电火花震源因其较高的分辨率和良好的穿透性,被广泛应用于海上风电场场址剖面调查中,
4、本文主要讨论电火花剖面系统在海上风电场中信息采集与处理方法及应用,文中浅地层剖面资料取自渤海及北部湾等风电场勘察中获取的数据。剖面信息的采集 剖面信息采集原理浅地层剖面调查设备通常由震源系统、声信号接收器、甲板控制单元及信号采集系统组成 。工作时,震源激发后,声波在不同介质(如泥、砂等)的波阻抗界面发生反射、透射,直至信号逐渐衰减并消失。声信号接收器通过接收反射波信号传回时间、振幅及频率等信息,并将接收到的声信号转换为电信号传输至信号采集系统,获得最终的浅地层剖面的信息资料。通常把海底地质结构看作一个层状的模型 (图 ),声波在其介质中的速度、衰减特征、振幅强度等要素与沉积物性质、结构特征密切
5、相关。在通过波阻抗界面时,其反射振幅及反射强度系数如下 ()水道港口第 卷第 期 ()式中:为反射振幅;为入射振幅;为波阻抗界面反射系数;、分别为上、下层介质的平均密度及声波在介质中的传播速度。其中平均密度与波速的乘积为波阻抗值,由式中可见波阻抗差值越大,界面反射系数越大,反射振幅(即能量)越强 。剖面信息的采集多电极电火花震源是最早应用于海洋地层剖面探测的非炸药类震源,数据采集时,一般采用后拖的方式进行,电火花震源及水听器分别位于调查船尾两侧,以避开船舶螺旋桨转动产生的尾流的影响。进行探测前一般需要进行能量测试,在同一测线上,根据地质情况、探测深度等实际因素,采用不同的能量参数进行信息的采集
6、,通过对均一性、穿透能力及图像分辨率等方面特征进行比较,选择图像效果最佳的能量值。图 为在同一测线分别采用 、及 能量进行测试获得剖面图像。风电场剖面调查一般要求探测到泥面以下约 或到基岩顶界面为止。电火花系统的工作原理如图 所示。电火花剖面系统的安装及原理 不同能量剖面数据比对图 电火花剖面系统工作原理及不同能量比对示意图 信息采集的干扰因素在海上风电场剖面信息采集中,影响数据质量的因素有多种,主要包括海况、采集方法、地质及地形变化因素等。在剖面上则表现为高频杂乱信号干扰、多路径虚反射、多次波等。分别表述如下:()海况引起的信号干扰。在仪器正常的情况下,海况是影响剖面质量的主要因素,因电火花
7、震源及水听器均通过软连接后拖于船尾,海况较差时,起伏的涌浪会使电火花震源和水听器的相对位置发生空间上不规律的变化,造成剖面海底地形的起伏变化,同时搅动的海浪对声学信号的发射及接受亦会产生不良影响,在子波全范围内出现较多的高频干扰,在削弱有效信号的同时会增加干扰信号(如图 )。()多路径虚反射。在地震波数据接收的过程中,因水听器自重的原因,检波器接收段一般会入水一定深度,因海面水体与空气间较为明显的波阻抗面,水听器在收到一次波时的同时,会收到经过水面的反射形成虚反射(亦称鬼波)。虚反射限制了有效频带的宽度,对紧邻的有效信号形成遮盖(如图 )。在现场工作中一般将水听器前方线缆包裹住一定量的泡沫等起
8、浮物,从而确保水听器漂浮于海面,有效地压制鬼波的形成。或采用上下缆法 ,在不同深度同时进行信号采集,获得两组剖面信息,再通过后处理对鬼波进行消除,获得有效波信号。()多次波干扰。在风电场所在的浅水区,因海底及水面为强声阻抗界面,通常伴随有周期性的强振幅多次波反射(如图 ),对数据解译带来严重干扰,一般通过数据后处理加以解决。剖面特征分析及处理策略 数据基本特征分析在数据处理之前,需要对数据总体特征进行相应的分析和判断,本次研究区域大部分为砂质海底,地质 年 月龙成,等海上风电场址浅地层剖面信息采集及关键处理技术条件一般,采集质量整体一般,主要数据特征包括以下几个方面:()风浪等外部环境对资料的
9、影响分析。在本风电场区域风浪噪音干扰严重,如图 中剖面深部区域可以看到明显的风浪噪音,海况差时对有效信号干扰较强。这类噪音能量强,几乎是全频带分布,而且出现具有随机性。()区域地形地貌对资料的影响分析。通常在水深较浅区域,由于仪器设备的缘故,子波震荡较长,直达波与海底很难分清楚,海底识别较难,如本区域剖面图 所示。()由于水深较浅且底质较硬,数据中多次波非常发育。在工区主要发育海底的一阶多次波 (图 )。这种多次波主要是由于海底的一次反射造成的,其能量较强,且与有效波相叠加,因此在保护有效信号的基础上如何去除多次波是浅剖数据处理的难点。声学传播路径 “鬼波”影响的剖面 水听器漂于水面的剖面图
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