一种复杂潮汐环境下长路由水深测量方法

Posted 2022-12-04 xiaokcehui

        2021年春节博主在家写了2个发明专利的本子，上个月刚拿到了发证的通知。这两个专利都是自己工作中总结的一些小创新，均已经应用于单位的生产活动，取得了非常好得效果。

       本文来自于发明专利的技术交底。

       路由指海底电缆管道路由，包括海底电缆和海底管道。海底电缆是指铺设于海底用于通信、电力输送的电缆．包括海底光缆、海底输电电缆等；海底管道是指铺设于海底用于输水、输气、输油或输送其他物质的管状设施。 

       所谓长路由就是一个潮汐站不能控制的路由，如果验潮站布置在岸边，路由长度大于20km就是长路由，如果验潮站布置于路由中间的位置，路由长度大于40km就是长路由。

       近年来，无论是在渤海湾环保升级综合治理和蓝天保卫战中利用岸电替代海上自供电，还是在近海立体监测网中建立通讯连接，所铺设的海底复合电缆，特别是主干缆都非常长，大于150km也不少见。另外，一些离岸较远的大油田陆续发现，也需要布设非常长的输油/输气的登陆管道。

       然而，在这些长路由的勘测过程中，发现了一个非常大的问题，就是水深数据的一致性问题。水深一致性的关键问题是潮汐改正，必须有充足的潮汐数据改正水深，才能保证不同时间测量的水深无缝衔接。1个潮汐站可以控制半径约20km范围的水深数据，但是在实际操作过程中，一个长150km的路由，可能只布设4个潮汐站，岸边一个，路由终点一个，路由中间均匀布设2个，中间的潮汐站控制范围为半径约27.5km，大于20km，如果在开阔海域，也许能控制住，如果是复杂的潮汐环境，肯定不行。为什么不增加潮汐站，这就涉及到另外一个问题，投放验潮潜标，非常容易丢失，由于长路由勘测时间长，一般超过一个月，在近海地区，潜标丢失可能性非常大。这也是为什么一定要在岸边和路由终点（一般是平台）布设验潮站的原因，验潮仪不会丢失。

         因此，在长路由测量之前布设潜标进行验潮，由于担心潜标丢失的问题，设计验潮站的数量可能不足，但是，由于长路由测量时间较长，潜标丢失的可能性就非常大。在复杂潮汐环境下，应尽可能增加验潮站的数量，而增加验潮站又会导致更多验潮站丢失。在这种情况下，有必要提出一种新的方法来解决复杂潮汐环境下长路由水深测量问题—分段测量法。

         分段测量法核心思想就是：以40km为一段，将长路由分成若干段，一段一段地测量；每段测量之前投放验潮潜标（挂浮球），测量完成以后回收潜标；每段测量完成以后，可以马上进行水深数据处理，检验水深和潮汐数据的质量，有问题马上重测；当外业全部完成时，水深也就全部处理完成了，极大提高了水深测量的效率和质量，也一举解决了水深数据的一致性的问题。

        分段测量法仍然有一个验潮潜标丢失的问题，解决这个问题的办法是：由于每段水深测量时间一般小于1个星期，那么潜标丢失的风险大为降低；由于时间较短且一直在潜标附近作业，可以在浮球上加挂AIS示位标（续航约10天），调查船舶的AIS系统上就会显示此示位标，经常观测AIS示位标的位置，这样就会确保验潮潜标不丢失。

       目前长路由水深测量的步骤是这样的：在测量开始前，定做潜标（一般为钢制铁架），固定安装验潮设备，综合水文环境，确定布放验潮站的位置，可以由测量船舶或者其它船舶将潜标投放到指定位置，在导航软件上打上定位标志，方便后期打捞，然后，测量船开始作业，测量工作完成后，雇佣潜水员打捞回收潜标，如果潜标没有被移动或者被破坏，潜标就可以回收了。

传统长路由水深测量的方法主要缺陷有：

     （1）验潮潜标回收率低。近海作业放置的潜标，丢失的比例是非常高的，经常投放了3个，能找回来一个就不错了。主要原因是：近海渔业活动频繁，潜标被拖走或被移动是太普遍了。也许潜标还在海底，但是一旦离开投放时的位置，潜水员基本是搜索不到。

     （2）潜标制作成本高。由于长时间放置在海底，潜标要求抗腐蚀且质量较重。投放和回收所需人力和物力成本较高。一旦潜标丢失，验潮设备和潜标都损失了，损失较大。

     （3）后期水深数据处理一团糟，无法保证水深数据的一致性。由于潜标回收率低，没有实测验位数据，水深处理就只能用预报的，造成的后果就是：如果相邻条带不同时间测量的水深数据差别非常大，1m也是有可能的，水深数据的一致性将无从谈起。

       一、硬件

      锚系验潮潜标大致结构见下图所示，从海底到海面依次是锚（约1m长）、绳子、浮球。

         验潮仪，长度大约10cm，绑在铁锚的锚杆上。

      AIS示位标绑在浮球之上，只要装有AIS系统的船舶靠近它十几海里，它就会显示在船舶的AIS系统之上；按照一定频率闪灯，夜晚可见，预防渔船作业碰撞或破坏；续航时间约10天。

       二、使用软件

        获取的潮位数据时ASCII文本格式，通过Excel就可以编辑成水深处理软件的潮位文件；水深处理软件一般采用商业软件比如CARIS HIPS and SIPS 9.0软件包。

        三、操作步骤
     （1）根据路由的线路特点，合理规划分段，如果连续好天气，可以先干离岸较远的分段，天气较差或者短暂好天气，可以干离岸近的。
     （2）每个分段测量之前，先在分段中央位置投放验潮仪，在船舶AIS系统上显示验潮仪以后，开始测量，并嘱咐船舶驾驶员在船舶AIS系统上随时监控验潮仪的状态。
     （3）每个分段测量完成之后，先回收验潮仪，导出验潮仪数据，然后去往下一个分段的中央位置投放验潮仪。测量下一个分段的时候，用导出的验潮数据，以验潮仪测量时间内的平均海平面为基准，处理当前分段的水深数据，无论是潮位还是水深数据出现问题，都可以重测，保证测量数据的完整有效。
     （4）重复第（2）、（3）步，直到所有分段全部完成，这样就能得到各分段的水深数据，此时，它们的海平面不同，需要用附近的长期验潮站，将各段验潮数据的海平面都统一到1985国家高程基准面。
      （5）以1985国家高程基准面的水深成果数据将是完整且统一的，所有分段都无缝衔接，没有突变和跳跃。
        至此，长路由水深测量工作全部完成。

        四、实例

        本案提出的分段测量法非常好地解决了复杂水文环境下长路由水深测量的难点问题。由于采用分段测量，每段测量时间较短，一般不超过一个星期，因此无需制作质量较重的钢制潜标，只需1m长的小铁锚即可，省去了定制潜标的费用；由于小铁锚带浮球和AIS示位标，测量人员自己就可以投放和回收，无需雇佣潜水员回收潜标，省去了潜水员的人力费；由于浮球带有AIS示位标，测量船舶就围绕潜标作业，可以在船舶AIS系统上监控潜标，保证了潜标的安全，另外，AIS示位标带闪灯功能，夜晚可见，有效避免的渔船的碰撞；每段测量完成以后，可以马上进行水深数据处理，检验水深和潮汐数据的质量，有问题马上重测；当外业全部完成时，水深也就全部处理完成了，极大提高了水深测量的效率和质量，也一举解决了水深数据的完整性和统一性的问题。

       下面以某海底电缆路由的水深测量为例，说明本技术手段优越性。路由总长约143km，涉及5条路由，因位于秦皇岛32‐6、曹妃甸11‐1 油田群，潮汐复杂。路由示意图见下图。

     （1）根据路由的线路特点，将路由分为5段，其中路由的曹妃甸和秦皇岛登陆段依靠曹妃甸港和京唐港的长期验潮站，不用布设验潮站；在路由的离岸段，布设3个验潮站，见下图所示。图中橙色三角为验潮站，TC和TJ分别代表曹妃甸港和京唐港长期验潮站，T1~T3是离岸的三个验潮站，T1为曹妃甸油田分段的验潮站，T2为互联路由分段的验潮站，T3为秦皇岛32-6油田分段的验潮站，黑色圆圈和椭圆圈代表潮汐站控制的范围，黑色小圆圈直径20km，黑色椭圆圈长轴长40km，短轴长20km。潮汐站的控制范围有重叠，可根据实际情况灵活处理，比如某段路由同时处于2个验潮站内，可以根据实际情况选择在其中一个临时验潮站控制范围内测量。

      （2）曹妃甸和秦皇道登陆段因为水深较浅，需要租用当地渔船进行水深测量，采用曹妃甸和京唐港的长期验潮站进行改正，不再赘述。重点说说离岸的三个验潮站T1~T3。我们最先开始测量的是曹妃甸油田区，在图中T1位置投放验潮站，然后开始测量T1控制的黑色小圈内的两段路由，在测量过程中随时监控验潮仪的动态，测量完成以后，回收验潮仪，导出验潮数据，以T1验潮仪测量时间内的平均海平面为基准，绘制验潮曲线。

     （3）曹妃甸油田分段测量完成以后，去往图中T2的位置投放验潮仪，开始测量T2控制的大黑色圈内的互联路由，同时，使用CARIS软件和T1验钞潮数据处理曹妃甸油田分段的水深数据，互联分段测量完成后，回收T2验潮仪，导出验潮数据，以T2验潮仪测量时间内的平均海平面为基准，绘制验潮曲线。

      （4）互联分段测量完成以后，去往图中T3的位置投放验潮仪，开始测量T3控制的大黑色圈内的秦皇岛32-6油田路由，同时，使用CARIS软件和T2验钞潮数据处理互联分段的水深数据，互联分段测量完成后，回收T3验潮仪，导出验潮数据，以T3验潮仪测量时间内的平均海平面为基准，绘制验潮曲线。

      （5）离岸三个分段完成以后，三个分段水深成果数据的海平面不同，需要用附近的长期验潮站，将各分段验潮数据的海平面都统一到1985国家高程基准面，至此水深成果数据得到了统一。下图就是最终三个分段的水深成果图。 

         从上图可以看出，水深成果图效果非常不错。 最近涠洲岛外业也是采用此方法，水深效果见下图。