曹 源

近年來，在全球綠色浪潮與“雙碳”目標的雙重驅(qū)動下，中國海上風電“藍色引擎”動力十足。2021年，中國海上風電裝機規(guī)模躍居世界第一，形成了完整的具有領先水平和全球競爭力的風電產(chǎn)業(yè)鏈與供應鏈[1]。 2022年3月21日，國家發(fā)改委和國家能源局印發(fā)的《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》提出，提升東部地區(qū)能源清潔低碳發(fā)展水平，要積極推進東南部沿海地區(qū)海上風電集群化開發(fā)，重點建設廣東、福建、浙江、江蘇、山東等海上風電基地。

中國海事航保測繪部門承擔著全國沿海港口航道測繪工作，履行測繪和編印航海圖書資料、開展沿海通航尺度核定測量和應急掃測等航海保障職責。我國首座海上風力發(fā)電場——東海大橋風力發(fā)電場的所有34臺3 MW風機于2010年7月6日全部投入運行，東海航海保障中心上海海事測繪中心為其實施了風電樁定位、海上風電區(qū)測量等工作。隨著海上風電建設熱潮的持續(xù)，海上風電場相關的測繪保障工作應成為海事測繪單位的重要工作之一，本文主要就海上風電場建設前后的相關測繪保障工作進行探討。

一、海上風電場建設前后海事測繪保障工作

海上風電場建設前期，在項目規(guī)劃、可行性研究、技術設計和施工建設的整個過程中，需要收集獲取大量海洋基礎資料，對擬鋪設海底電纜的路由實施勘察掃海。海事測繪部門擁有覆蓋全國沿海的多年水下地形測量和海圖資料、海域港口航道錨地等交通功能區(qū)現(xiàn)狀資料、海洋水文觀測資料、高程基準資料、海底管線分布資料等風電場建設所需的重要基礎資料；裝備有專業(yè)測量船艇、勘測設備和專業(yè)技術人員，在全國沿海設有水文觀測站和海上北斗衛(wèi)星連續(xù)運行參考站（BD-CORS），具備為海上風電場建設提供建設資料和海纜路由勘察掃海的綜合能力。

海上風電場建設完成后，為保障相關水域航運安全，應開展海上風電場周圍障礙物掃測、風電樁精準定位、風電場海底電纜的路由探測、更新相關航海圖書、風電場樁基沖刷情況監(jiān)測等工作。其中，風電場周圍障礙物掃測、風電樁精準定位、風電場海底電纜鋪設后的路由探測等工作，應作為海事通航尺度核定測量的內(nèi)容，測繪成果及時更新入相關海圖資料，確保船舶航行安全、保持海圖的現(xiàn)勢性、保護電纜安全和電場方權(quán)益。

（一）風電場周圍障礙物掃測

海上風電場選址考慮多方因素，一般位于常年風力資源豐富且較為開闊的非密集航行水域，不可對通航環(huán)境造成較大影響，但建成后可能會迫使部分船舶改變原有習慣航線，繞航其他水域，因此在開工建設前，要對風電場建成后船舶可能繞航水域的水深、礙航物等情況進行摸底，為船舶提供新的安全通航環(huán)境。2021年，上海海事測繪中心對福州長樂風電場規(guī)劃場址范圍內(nèi)歷史沉船及附近水域進行了掃測，為風電場建設和建成后船舶安全航行提供了基礎數(shù)據(jù)。目前，我國沿海的許多風電場在建設之初也多有同樣的需求。

在風電場建設完成后，應對建設區(qū)域周圍一定范圍實施水深測量和障礙物掃測，范圍一般為風電場范圍外拓100～200 m。目前，我國尚未制定關于風電場與其他功能水域、水工建筑物安全距離的統(tǒng)一標準，通常建議風電場宜與周圍航道、航線及其他水工建筑物的距離保持1海里以上[2]。但如果風電場區(qū)域靠近船舶航行主要航路，考慮到過往船舶的航行安全，除了對風電場周圍實施障礙物掃測外，還應根據(jù)實際情況適當擴大掃測范圍，并對附近的主要航段進行掃測，排除風電場周圍存在影響通航安全的障礙物。另外，還應對風電場內(nèi)部風電樁之間水域?qū)嵤┧顪y量和障礙物掃測。所有掃測成果應更新至海圖，并按照《中華人民共和國水上水下作業(yè)和活動通航安全管理規(guī)定》要求“將工程有關通航安全的技術參數(shù)報海事管理機構(gòu)備案”。掃測宜采用旁側(cè)聲吶結(jié)合水深測量的方式進行。

（二）風電樁精準定位

風電場作為重要的海中建筑物，在建設完成后，應由海事測繪部門對風電樁進行準確定位，并作為通航尺度核定資料在海圖上標注其準確位置，更新相關航海圖書資料。為提高風電樁的定位精度，一般采用全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）差分定位手段，按照相關技術規(guī)范實施定位。在東海海域，基于上海海事測繪中心已建成的26個沿海北斗連續(xù)運行參考站網(wǎng)（BD-CORS），可以實現(xiàn)海上目標的厘米級精度定位。

（三）風電場海底電纜鋪設完成后路由探測

海底電纜是風電場的主要設施，電纜安全對風電場的運行至關重要。海底電纜敷設安裝后一般淺埋或裸露于海底面，在潮流、波浪、潮汐等海洋動力條件下，容易產(chǎn)生沖刷、移位等不利影響；在風暴潮、海底塌陷、海底滑坡等外部營力或漁業(yè)作業(yè)、船舶拋錨等人類活動影響下，還可能發(fā)生損傷、斷裂等事故[3]。因此，電纜鋪設完成后，應及時開展電纜路由探測，這不僅事關工程質(zhì)量的檢驗，也涉及海上交通安全和風電場的相關經(jīng)濟權(quán)益。若電纜未經(jīng)海事測繪部門的通航尺度核定測量，未能在海圖上進行標注更新，一旦涉及因船舶拋錨引起海底電纜被拉斷的損失，電場方可能面臨索賠無據(jù)的尷尬境地。因此，作為電場建設和管理單位，應在電場建成后，請海事測繪部門實施電纜路由的測量，并將測量成果更新至相關海圖。在海上風電場日常維護過程中還應加強電纜路由周圍沖刷情況的監(jiān)測。

（四）風電樁基的沖刷及基礎監(jiān)測

海上風電樁基礎按照是否嵌巖分為嵌巖基礎和非嵌巖基礎，按照結(jié)構(gòu)形式劃分有重力式基礎、單樁基礎、高樁承臺基礎、導管架基礎、漂浮式基礎（尚處于研究和應用示范階段）、筒（桶）型基礎等[4]。根據(jù)《海上風電場工程風電機組基礎設計規(guī)范》（NB/T 10105—2018），對風電基礎的監(jiān)測主要包括基礎不均勻沉降、樁體周邊海底沖刷程度、基礎腐蝕情況、海生物生長情況、陰極保護電位、結(jié)構(gòu)應力應變等。其中涉及海洋測繪方面的是樁體周邊海底沖刷程度監(jiān)測，主要方法是使用多波束系統(tǒng)對樁基礎周圍實施全覆蓋掃測，通過大比例尺水深和水下數(shù)字地面模型（Digital Terrain Model）判斷沖刷情況，同時可結(jié)合三維掃描聲吶對樁基礎周圍實施沖刷形態(tài)觀測，還可采用無人遙控潛水器（ROV）綜合判斷基礎的健康狀況。

（五）風電場附近水域水下地形監(jiān)測

對風電場附近水域水下地形進行監(jiān)測，可以判斷風電場及附近水域的水下沖刷和海底地形演變情況，是實施風電場運行維護和判斷風電樁基、海底電纜安全的基礎性工作。有些海事部門在制定《海上風電通航安全監(jiān)督管理規(guī)定》時也明確要求“建設單位應加強對風機基礎、海纜路由工況及附近水域水下地形的監(jiān)測，必要時采取工程措施進行維護”。對風電場附近水域水下地形的監(jiān)測可以采用單波束結(jié)合重點水域多波束的手段。測量過程中對實時潮位數(shù)據(jù)的獲取以及當?shù)厣疃然鶞拭娴拇_定是難點之一，對此，應在風電場建設之初，考慮設置相應水文觀測設施，獲取當?shù)厣疃然鶞屎统蔽粩?shù)據(jù)，為后續(xù)掃測和日常監(jiān)測提供支撐。

二、海上風電場測繪相關技術規(guī)范

海上風電場測繪工作遵照和參考的技術規(guī)范可以分為海洋測繪通用規(guī)范和風電場專用規(guī)范兩類。

海洋測繪通用規(guī)范主要有：《海道測量規(guī)范》（GB 12327—1998），《水運工程測量規(guī)范》（JTS 131—2012），《通航尺度核定測量技術規(guī)范》（JT/T 1192—2018），《中國海圖圖式》（GB 12319—1998），《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》（GB/T 18314—2009），《多波束測深系統(tǒng)測量技術要求》（JT/T 790—2010），《沿海港口航道測量技術要求》（JT/T 954—2014）等。

風電場專用規(guī)范主要有：《海底電纜管道路由勘察規(guī)范》（GB/T 17502—2009），《海上風電場工程測量規(guī)程》（NB/T 10104—2018），《海上風電場運行維護規(guī)程》（GB/T 32128—2015），《海洋調(diào)查規(guī)范 第8部分 海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查》（GBT 12763．8—2007），《海上風力發(fā)電場勘測標準》（GB 51395—2019）等。

三、風電場海底電纜探測方法探討

從維護海事安全的角度，開展海底電纜的探測主要目的是探明海底電纜的準確走向，檢驗海底電纜是否按照設計要求鋪設至預定路線，采集符合海圖制作和出版要求的海底電纜定位數(shù)據(jù)，并更新公開出版的海圖，提醒警示過往船舶，避免因船舶海上施工、錨泊、拖網(wǎng)等行為對海底電纜造成損壞，給航行帶來安全隱患。

目前，我國海事測繪部門配備的可用于海底電纜探測的裝備主要有：多波束掃測系統(tǒng)、旁側(cè)聲吶掃測系統(tǒng)、磁力儀系統(tǒng)、淺地層剖面儀系統(tǒng)等。下面結(jié)合海事測繪工作實際，探討各種方法的特點。

（一）海纜敷設方式

根據(jù)不同的海域情況、施工工期及海纜型式等，海纜敷設方式可大致分為3類：直接拋放、先敷后埋和邊敷邊埋。直接拋放主要是依靠海纜的自身重量快速沉入大海底部，施工便捷，但是容易被船錨破壞，安全性差，一般推薦在深水區(qū)域采用。先敷后埋和邊敷邊埋都是深埋的方式，依靠機械設備將海纜埋設在海底，可以有效避免外力的破壞[5]。對于埋設的電纜，根據(jù)《海上風電場交流電纜選型敷設技術導則》（NB/T 31117—2017），不同區(qū)域的埋置深度要求不同。在近海海域跨越航道、錨地等與航運關聯(lián)的海域，埋置深度不宜小于3．0 m。根據(jù)該導則，埋設電纜埋置深度至少為1．0 m，在泥、沙及泥沙混合軟土底質(zhì)，海底電纜埋置深度不宜小于2．0 m。

（二）多波束掃測

多波束系統(tǒng)是常用的海洋測繪設備，通過換能器發(fā)射和接收聲學信號，全覆蓋探測電纜鋪設水域的精確水深，形成水下數(shù)字地面模型，描繪水下地形地貌，目前多用于高精度水深測量和水下地形全覆蓋掃測、障礙物探測等工作。由于多波束系統(tǒng)是對海底表面進行測量，其對于直接拋放的電纜和剛鋪設完成但尚未淤埋平整的溝槽有一定的掃測效果，可以獲取電纜和溝槽的高精度位置和水深數(shù)據(jù)，形成水下三維模擬圖像，從而直觀判斷電纜的鋪設路徑。但因為近海海域常用海底電纜的直徑在120～260 mm，要想準確探測到直接拋放或裸露在海底表面的電纜和溝槽痕跡，需要對多波束系統(tǒng)進行穩(wěn)定安裝、精確校準率定、規(guī)范數(shù)據(jù)處理和質(zhì)量檢查，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量拼接等問題；同時，測量時須獲取準確的潮位數(shù)據(jù)、聲速剖面、姿態(tài)改正等數(shù)據(jù)，并在后期做好數(shù)據(jù)精細化處理，才能獲取精準的電纜鋪設路徑。

（三）旁側(cè)聲吶掃測

旁側(cè)聲吶系統(tǒng)也是常用的水下探測裝備，廣泛應用于水下地形和障礙物掃測中，目前主流的旁側(cè)聲吶都具有高、低雙頻發(fā)射模式，既可大范圍粗掃，也可實現(xiàn)小范圍精掃，可以獲取目標區(qū)域高分辨率的二維平面影像。在海事測繪工作實踐中，聲吶圖像可以清晰掃測到平坦海底的錨鏈拖痕等較小尺寸痕跡，掃效率高、架設方便、圖像易于辨別。因此，旁側(cè)聲吶對于裸露于海底表面的電纜，或高于海底泥面的溝槽，都具有快速高效的識別定位效果。但掃測中，旁側(cè)聲吶掃測圖像是實時顯示在電腦屏幕上的，如果所設計的掃測線與實際電纜走向偏差較大，或電纜走線蜿蜒曲折時，可能出現(xiàn)目標物不在顯示屏幕內(nèi)的情況，需要及時調(diào)整測線進行觀測。因此，需要根據(jù)電纜鋪設的施工情況合理布設掃測線，提高掃測效率。另外，當海況條件較差、水深較大時，可能會對探測精度產(chǎn)生影響。同時，旁側(cè)聲吶和多波束系統(tǒng)也都有一定的局限性，即對鋪設時間較長，泥面痕跡已不明顯的電纜，以及海底地形復雜或者甚至被地物遮擋的電纜識別能力不強，因此這兩種探測方式較適用于對鋪設完成后不久，海底地形較為平坦水域的電纜進行探測。

（四）磁力儀探測

海洋磁力經(jīng)常用于海底表面或泥面下淤埋船骸、棄錨、管線等具有鐵磁性物體的探測。其基本原理是如果某一區(qū)域存在外界鐵磁性物體，則這一區(qū)域附近的磁力場將受到外界磁性物體的干擾，導致該位置處磁場強度出現(xiàn)變化，當磁力儀位于這一磁場附近時，其探測到的磁力數(shù)值將會發(fā)生突變，從而推算出鐵磁性物體所處的位置。

海底電纜不通電時，磁性主要來自電纜中的金屬鎧裝層，如江蘇某風電場使用的220 kV海底電纜，外徑為242．6 mm，在最外層聚丙烯繩纖維外被層下面，是由金屬絲組成的厚約12 mm的金屬鎧裝層。電纜通電時，電纜中的導體也將產(chǎn)生磁性。海底電纜的鐵磁性鎧裝層材料和電纜中的電流會產(chǎn)生較強磁場，疊加在海底地磁背景場上，產(chǎn)生磁場異常，海底電纜產(chǎn)生的磁異常一般在0．5～150 nT之間，銫光泵海洋磁力儀，磁測靈敏度達到了0． 005 nT(采樣率為1 Hz時)，能夠反映海底微小的磁異常變化[6]。

磁力探測時一般垂直于海纜路由布置探測線，各條測線間隔一定距離，通過繪制磁測圖，分析每條探測線上磁力異常出現(xiàn)的位置，連接各磁力異常點位即可得到海纜路由線路。需要注意的是，磁力儀的探測能力不僅同物體磁性大小有關，也同磁力儀與物體的距離有關，為了獲得較好的探測數(shù)據(jù)，應在確保安全的條件下，盡量使磁力探測靠近目標電纜。磁力儀極易受船舶自身磁性和水下其他磁性物體如浮筒、錨鏈等影響，若使用鐵質(zhì)船舶探測，磁力儀拖纜長度一般應大于3倍船長，同時應注意分辨海底其他可能磁性物體產(chǎn)生的磁異常。

（五）淺地層剖面儀

淺地層剖面儀主要用于海洋地質(zhì)探測，其發(fā)射的聲波信號比測深儀頻率更低、穿透力更強，當?shù)皖l聲波到達海底后，一部分被發(fā)射接收，一部分能穿透海底繼續(xù)向更深層傳遞，當?shù)皖l聲波遇到不同分層的介質(zhì)面時，又會有部分聲波被反射，儀器上的接收換能器根據(jù)接收到回波信號的時間和強度不同，對回波信號進行放大和濾波處理后，即可將不同反射信號模擬成不同灰度的圖像，從而反映出地層的不同分層結(jié)構(gòu)。因此，淺地層剖面儀不僅可以探測海底淤埋物的位置，也可以探測其埋深。但與使用淺地層剖面儀探測地質(zhì)分層不同，海底管線與地層之間的聲阻抗差異，會以繞射弧的形態(tài)出現(xiàn)在聲學剖面中[7]，在實際探測過程中應注意對淺地層剖面儀聲學剖面的判讀。淺地層剖面儀探測時，測線布設類似于海洋磁力儀，需垂直于海底電纜方向布置。結(jié)合多條垂直于電纜測線上的剖面圖像，可定位出多個電纜探測點，各點連接起來可繪出海底電纜路由[8]。淺地層剖面儀具有較強的分辨能力，根據(jù)胡夢濤[8]等人的相關經(jīng)驗，淺地層剖面儀可以分辨出80 mm以上的海底電纜。目前我國風電場采用的海底電纜規(guī)格主要為35 kV、110 kV、220 kV，如江蘇某海上風電35 kV海纜的外徑為117．2～147．9 mm，220 kV海纜的外徑為242．6 mm，電纜的埋深一般不大于5 m。因此，在有經(jīng)驗積累的基礎上，淺地層剖面儀有較好的探測效果。

（六）其他探測技術和方法

除上述方法外，海上風電場電纜探測還有電磁感應探測技術、實時3D聲吶技術、三維合成孔徑聲吶技術、中地層剖面探測技術可選。

電磁感應探測技術通過測量帶電電纜產(chǎn)生的交變磁場在空間分布上的幾何特征，計算得到電纜的位置和埋深。由電磁感應定律可知，在不接地回線中輸入交變電流產(chǎn)生變化的磁場，最終由接收線圈接收二次磁場所對應的感應電壓，從而確定目標物的距離，配合高度計可探測出海底電纜的埋深。目前工程中多使用ROV搭載TSS系列管纜跟蹤系統(tǒng)，貼近海底面對帶點海底電纜進行探測。系統(tǒng)運行時可以選擇前向搜索模式和運行模式，先采用前向搜索模式確定電纜的位置，當確定電纜的位置之后，采用運行模式保持ROV處于電纜上方進行追蹤探測，其完善的集成系統(tǒng)可以提供準確、連續(xù)的測量數(shù)據(jù)，確定電纜位置和埋藏狀況，但缺點是需要使用ROV或拖體搭載TSS系統(tǒng)，探測成本較高，對海纜也有破壞風險。

水下3D實時成像聲吶技術通過聲吶系統(tǒng)向目標區(qū)域發(fā)射聲波信號，利用聲成像方法對接收到的回波信號進行處理，獲得一系列二維圖像（幀），通過計算機合成技術合成三維圖像。工程中為了保證測量精度，須搭配慣性導航等系統(tǒng)進行姿態(tài)修正，以消除船舶縱橫搖擺的影響。該技術使用三維立體波束成像功能，波束點密集且圖像連續(xù)，在復雜場景中可提供清晰動態(tài)的水下樁基和海纜影像、高密度的水下構(gòu)筑物和海床地形點云數(shù)據(jù)，并可實現(xiàn)檢測結(jié)果的可視化，可用于新鋪設電纜的探測和電纜沖刷情況監(jiān)測。

三維合成孔徑聲吶技術利用小孔徑聲吶基陣沿空間勻速直線運動來虛擬大孔徑聲吶基陣，然后通過信號處理方法得到高分辨率的水下圖像。三維合成孔徑聲吶系統(tǒng)在側(cè)掃方式下工作，不僅能掃測海底面的狀況，還具有一定的穿透能力，可采用低頻信號實現(xiàn)泥面下目標的高分辨率成像，給出掩埋管纜目標的連續(xù)路由和連續(xù)埋深信息。盡管三維合成孔徑聲吶技術在海底掩埋目標探查中具有較大的優(yōu)勢，但目前成熟商用的設備種類不多。

中地層剖面探測技術原理和淺地層剖面儀類似，但是比常規(guī)淺剖系統(tǒng)發(fā)射功率高，地層穿透能力強，具有更高的橫向分辨率和垂向分辨率。中地層剖面探測多用來查明海底以下 100 m內(nèi)（或探測至基巖面）地層情況，提供探測深度范圍內(nèi)的覆蓋層厚度、基巖面起伏及埋深、地質(zhì)構(gòu)造的分布及不良地質(zhì)現(xiàn)象等[9]。結(jié)合高精度慣導姿態(tài)系統(tǒng)，可以對海底電纜進行平面位置和埋深的探測。在后期數(shù)據(jù)判讀和處理時，需要排除各種干擾因素，準確識別電纜反射弧，建立電纜特征數(shù)據(jù)庫，不斷積累經(jīng)驗，提高判讀的準確性。

上述各種設備和技術都有其適用范圍和優(yōu)缺點，應結(jié)合探測現(xiàn)場實際情況合理選用搭配，并按照勘察和測繪相關技術規(guī)范和設備使用手冊嚴謹規(guī)范操作。

隨著碳達峰碳中和目標的提出，作為中國能源綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展的一個重要戰(zhàn)略支撐，未來海上風電場建設規(guī)模和范圍將不斷擴大。目前，海上風電場建設完成后的風電場周圍障礙物掃測、海底電纜路由探測等工作尚未成為建設和管理單位的共識。建議相關部門在制定和修訂海上風電通航安全監(jiān)督管理規(guī)定等規(guī)范性文件時，將海上風電場施工完成后的相關通航尺度核定測量要求列入其中。同時，海事航海保障部門應進一步拓展對風電場建設的服務，提升航海保障測繪能力，滿足風電場測繪和海圖更新需求，與海事監(jiān)管形成合力，更好保障風電場區(qū)域及周邊通航水域的水上交通安全，維護風電企業(yè)的合法權(quán)益。