基于探地雷達(dá)技術(shù)的水下沉積地形探測(cè)應(yīng)用研究

張開(kāi)偉 吳園平 王世淼 聶慶科 雒斌濤

摘要：探地雷達(dá)技術(shù)作為一種高效無(wú)損的電磁波法探測(cè)手段，其在淡水介質(zhì)中電磁波的強(qiáng)穿透弱損耗性及儀器設(shè)備操作輕便易使用等特點(diǎn)使得其在探測(cè)淡水水道沉積物界面和沉積物富集體識(shí)別方面具備天然優(yōu)勢(shì)?；诖耍锰降乩走_(dá)技術(shù)對(duì)松花江部分江體水道進(jìn)行綜合探測(cè)，研究水道沉積物界面分層和沉積物富集體的展布規(guī)律及范圍。首先通過(guò)理論結(jié)合實(shí)際水域水文地質(zhì)情況，分析探地雷達(dá)技術(shù)的可應(yīng)用條件及特點(diǎn);其次應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)實(shí)際水道剖面進(jìn)行探測(cè)，對(duì)不同地段水道探地雷達(dá)探測(cè)剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算及分析，判斷該段水道水深、工程地質(zhì)分層、地層厚度及沉積物富集體深度位置;最后結(jié)合探地雷達(dá)探測(cè)結(jié)果與淺層剖面儀聲吶探測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證探地雷達(dá)探測(cè)效果的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：應(yīng)用探地雷達(dá)對(duì)淡水水道各個(gè)沉積地層進(jìn)行探測(cè)和分層的可行的，且探地雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)的離散性比淺層面儀聲吶探測(cè)較小，置信區(qū)間大，采信度較高。

關(guān) 鍵 詞：水道斷面; 探地雷達(dá); 異常分析; 沉積物界面; 沉積物富集體; 松花江

近年來(lái)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們對(duì)美好生活的日益追求，使得淡水河道清淤治理工作成為了一個(gè)迫在眉睫的問(wèn)題。目前，大部分淡水河道工程治理的主要是采用河道淤積體環(huán)保疏浚的方法，環(huán)保疏浚前期需要對(duì)水道沉積物界面和沉積物富集體進(jìn)行精確測(cè)定和準(zhǔn)確探查，為后期的工程施工方式及工程預(yù)算提供重要的技術(shù)資料支持[1-2]。水道沉積物界面和沉積物富集體最常用的探測(cè)方法主要有放射性探測(cè)法、鉆孔取樣法和淤泥采樣器法等。其中，鉆孔取樣法和淤泥采樣器法屬于單點(diǎn)勘探測(cè)量方法，主要是用來(lái)驗(yàn)證物探異常區(qū)域，不利于大面積開(kāi)展工作且資金投入較大不經(jīng)濟(jì);放射性探測(cè)法受到放射源的管理機(jī)制及安全性因素其開(kāi)展工作較為困難[3-5]?；诖?，在松花江疏浚治理工作部分江體水道沉積物界面和沉積物富集體探測(cè)識(shí)別采樣工作中，大膽采用了探地雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行工作，通過(guò)實(shí)際探地雷達(dá)探測(cè)結(jié)果與淺層剖面聲吶探測(cè)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證，認(rèn)為探地雷達(dá)技術(shù)在淡水水道沉積物界面和沉積物富集體探測(cè)方面優(yōu)勢(shì)明顯，在河道清淤處理地質(zhì)勘探工作中具備大面積推廣的潛力[6-7]。

1 探測(cè)原理及地球物理?xiàng)l件分析

1.1 探地雷達(dá)技術(shù)河道探測(cè)原理

探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的主要原理見(jiàn)圖1，主要由探地雷達(dá)控制主機(jī)控制水面上的發(fā)射天線，將高頻短脈沖高頻電磁波信號(hào)定向發(fā)射進(jìn)入水中，高頻電磁波信號(hào)遇到存在介質(zhì)差異的不同水道沉積地層及沉積物富集體就會(huì)產(chǎn)生反射，反射信號(hào)返回水面，由接收天線接收。水下探測(cè)介質(zhì)的厚度傳播時(shí)間t主要采用式（1）進(jìn)行計(jì)算，通常d的值相較于H值非常小，為了方便計(jì)算基本忽略d值，H值可用簡(jiǎn)化公式式（2）進(jìn)行計(jì)算[8-9]。

1.2 地球物理?xiàng)l件分析

結(jié)合已有的水文地質(zhì)資料，松花江淡水水道穩(wěn)靜區(qū)域沉積物分層與沉積物富集體的展布形態(tài)主要由沉積物本身形態(tài)的大小與水道水流流速?zèng)Q定[12-13]。通常情況下，在水道由急流區(qū)域向穩(wěn)靜區(qū)域轉(zhuǎn)換時(shí)，流水中的碎屑物在搬運(yùn)途中，由于受到水的流速、流量變化及碎屑物本身大小、形狀、比重等的影響，流水介質(zhì)中的碎屑物沉積順序就產(chǎn)生了先后之分[14-15]。一般顆粒較大、比重大的碎屑物質(zhì)先沉積，顆粒較小、比重小的物質(zhì)后沉積，特殊沉積物會(huì)組團(tuán)富集沉積（如大量的沖積物集中堆富沉積）[16]。因此，在水道由急流區(qū)域向穩(wěn)靜區(qū)域轉(zhuǎn)換后，河道淡水中的碎屑物在同一河道斷面逐漸形成由淤泥、粉細(xì)沙、卵礫石及沖積物富集體等組成的沉積層及沉積體[17-18]。一般情況下，淡水的介電常數(shù)約為 81，淤泥的介電常數(shù)約為10～30，卵礫石的介電常數(shù)約為 4～6，粉細(xì)砂介電常數(shù)介于淤泥與卵礫石之間，大小由淤泥向卵礫石逐漸減小，沖積物富集體介電常數(shù)組成較為復(fù)雜，介于 3～20之間[19-20]。由此，從各層之間的介電常數(shù)數(shù)值可以看出，各地層之間介電常數(shù)差異性較大，這就具備了采用探地雷達(dá)技術(shù)開(kāi)展工作的地球物理勘探條件。

2 設(shè)備選擇及測(cè)線布置

2.1 探地雷達(dá)技術(shù)設(shè)備選擇

從松花江河道沉積地層的地球物理?xiàng)l件可知，松花江河道沉積地層中各個(gè)地層介質(zhì)之間的介電性質(zhì)差異比較明顯，這為探地雷達(dá)開(kāi)展探測(cè)工作提供了基本保障。但是在使用探地雷達(dá)開(kāi)展探測(cè)工作時(shí)，探測(cè)分辨率和探測(cè)深度總是會(huì)存在不可調(diào)和的矛盾，即探測(cè)頻率較低的探測(cè)天線其探測(cè)深度雖然較大，但其探測(cè)分辨率不足，探測(cè)精度稍差，而探測(cè)頻率高的探測(cè)天線可以得到較好的分辨率，但其探測(cè)深度又大打折扣。為此，綜合考慮松花江河流工作區(qū)域水文地質(zhì)條件和河道實(shí)際的工作特點(diǎn)，認(rèn)為采用300 MHz及100 MHz探地雷達(dá)探測(cè)天線配合 ZOND12-E雷達(dá)主機(jī)系統(tǒng)開(kāi)展探測(cè)工作可以滿足技術(shù)要求，同時(shí)對(duì)探地雷達(dá)天線形狀和布置進(jìn)行改進(jìn)以利于水面探測(cè)，采樣時(shí)采用觸發(fā)時(shí)間與采樣船運(yùn)行時(shí)間同步GPS定位觸發(fā)采樣。反演軟件在層位追蹤算法上也進(jìn)行了深入調(diào)整，針對(duì)水深及沉積層綜合探測(cè)時(shí)在時(shí)間參數(shù)與探測(cè)道號(hào)數(shù)據(jù)振幅基本穩(wěn)定的特殊特點(diǎn)，重點(diǎn)采用多相關(guān)性層位追蹤算法，通過(guò)分析探測(cè)回波的相關(guān)同相軸層位，實(shí)現(xiàn)各個(gè)探測(cè)層位的準(zhǔn)確定位。

2.2 探測(cè)剖面測(cè)線布置

針對(duì)項(xiàng)目工作區(qū)域松花江不同水道地段的實(shí)際地形情況，探地雷達(dá)探測(cè)測(cè)線重點(diǎn)按照垂直水道順流方向進(jìn)行布設(shè)，共計(jì)布設(shè)兩處較大的探地雷達(dá)測(cè)線。圖2是松花江某河段探地雷達(dá)探測(cè)測(cè)線布置示意。

3 實(shí)際探測(cè)數(shù)據(jù)分析

該項(xiàng)目位于松花江段某支流和干流的匯集段，受到地形的影響，流水匯集區(qū)出現(xiàn)旋流現(xiàn)象頻繁，匯集區(qū)下游河道淤積程度較大，河道年度淤積量劇增，河道抬升高度逐年增加。為降低汛期潰堤風(fēng)險(xiǎn)，需要及時(shí)采取清淤措施進(jìn)行河道清淤處理，降低河面高度減少安全隱患。為此，該區(qū)段水務(wù)河道管理部門(mén)委托我們對(duì)該段河道沉積地層的厚度、深度、規(guī)模、分層界面及沉積物富集體部位進(jìn)行勘探工作，已確定具體的清淤方案及工作量，結(jié)合該工程項(xiàng)目具體探地雷達(dá)實(shí)際探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)與淺層剖面儀聲吶探測(cè)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，校核探地雷達(dá)的探測(cè)效果。

3.1 P1剖面探測(cè)數(shù)據(jù)分析

該剖面位置處于松花江干流與干流匯聚、干流與干流分離的交接部位，水流以急流、穩(wěn)流和旋流相互交織狀態(tài)為主，水情極為復(fù)雜，河道高度高出地面安全警戒高度很多，急需治理。圖3為P1剖面探地雷達(dá)地質(zhì)剖面綜合解釋圖。

從圖3可以看出，電磁波能量從水面向下逐漸衰減，水深及沉積層界面探測(cè)時(shí)間、深度及探測(cè)道號(hào)數(shù)據(jù)振幅基本穩(wěn)定，各個(gè)分層界面和相軸一致，通過(guò)多相關(guān)性層位追蹤算法可以較為準(zhǔn)確定位各個(gè)層位的界面。整體上來(lái)說(shuō)，探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)于水面以下沉積物地質(zhì)分層界面識(shí)別程度比較高，各個(gè)地層分層效果較好。綜合地質(zhì)解釋圖上顯示河道在沉積的過(guò)程中，大顆粒先行沉積，隨著沉積過(guò)程的不斷進(jìn)行，地層也逐漸向上抬升;受到沉積體自重沉降壓密效應(yīng)的影響，深部地層逐漸趨于穩(wěn)定，上部地層也逐漸抬升;進(jìn)入淤泥層后出現(xiàn)了較多沉積物富集體集中區(qū)域，富集體分布在淤泥層3.9～5.4 m之間。經(jīng)過(guò)后期的開(kāi)挖打撈，發(fā)現(xiàn)這些富集體多是河流在洪水期間搬運(yùn)的大體積孤石、大直徑樹(shù)木碳化沉積物及工業(yè)生活垃圾。驗(yàn)證鉆孔柱狀圖顯示，鉆孔揭露地層和探地雷達(dá)解釋地層基本接近，在地層界面深度上略有差異。綜合以上沉積物地層的探測(cè)展布結(jié)果可以看出，個(gè)別地層出現(xiàn)了地層尖滅現(xiàn)象，地層雜糅交錯(cuò)，河流相沉積地層假整合現(xiàn)象明顯，地層界面形態(tài)復(fù)雜。

從圖4～5及表1可以看出，通過(guò)對(duì)探地雷達(dá)探測(cè)和淺層剖面儀聲吶探測(cè)同樣位置進(jìn)行抽道處理，可以看到二者反演深度結(jié)果存在差異，兩者探測(cè)結(jié)果之間的相對(duì)極差范圍為：河道水體深度相對(duì)極差范圍0～6%，淤泥層厚度相對(duì)極差范圍0～13%，粉、細(xì)砂及黏土層厚度相對(duì)極差范圍0～16%，中、粗砂層厚度相對(duì)極差范圍0～24%。

表1數(shù)據(jù)顯示，隨著沉積地層深度的加深，探地雷達(dá)和淺層剖面儀聲吶探測(cè)對(duì)不同沉積地層的探測(cè)厚度相對(duì)極差也在不斷增大，二者數(shù)據(jù)不匹配性程度也在增強(qiáng)，這說(shuō)明隨著探測(cè)深度增加，二者對(duì)地層的界面探測(cè)分辨率和精度也在不同折減，不同的是探地雷達(dá)反應(yīng)的主要是連續(xù)剖面的影響，淺層剖面儀聲吶探測(cè)反應(yīng)的單點(diǎn)數(shù)據(jù)影響，綜合而言探地雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)離散性較之淺層剖面儀聲吶探測(cè)較小，采信度較大。

3.2 P2剖面探測(cè)數(shù)據(jù)分析

該剖面位置處于松花江干流與干流匯聚部位，水流以急流向穩(wěn)流漸變狀態(tài)為主，水情復(fù)雜程度一般，河面較為靜穩(wěn)，河道高度接近地面安全警戒高度，也需治理。圖6為P2剖面探地雷達(dá)地質(zhì)剖面綜合解釋圖。

圖6 P2剖面探地雷達(dá)地質(zhì)剖面綜合解釋圖

Fig.6 P2 section of GPR Geological Section

comprehensive interpretation map

從圖6可以看出，電磁波能量從水面向下逐漸衰減，水深及沉積層界面探測(cè)時(shí)間、深度及探測(cè)道號(hào)數(shù)據(jù)振幅較為穩(wěn)定，各個(gè)分層界面同相軸基本一致，個(gè)別部位存在缺失現(xiàn)象，多相關(guān)性層位追蹤算法可以準(zhǔn)確定位各個(gè)層位的界面，對(duì)于水面以下沉積物地質(zhì)分層界面識(shí)別程度較高，各個(gè)地層分層效果較好。地質(zhì)解釋圖上顯示河道在沉積的過(guò)程中，大顆粒先行沉積，隨著沉積過(guò)程的不斷進(jìn)行地層也逐漸向上抬升，受到沉積體自重沉降壓密效應(yīng)的影響，深部地層逐漸趨于穩(wěn)定，上部地層也逐漸抬升發(fā)展。這與P1剖面沉積順序基本一致，但沉積物富集體存在深度較不集中，分布層位也不相同，每個(gè)層位都有分布，3處富集體分布的深度分別為4.6，4.7，8.7 m，這與水流以急流向穩(wěn)流漸變狀態(tài)為主密切相關(guān)，沒(méi)有旋流的作用沉積富集體會(huì)不斷逐層沉積，交錯(cuò)富集和集中富集現(xiàn)象不明顯，這些富集體也多是河流在洪水期間搬運(yùn)的大體積孤石、大直徑樹(shù)木碳化沉積物及工業(yè)生活漂浮垃圾沉積。驗(yàn)證鉆孔柱狀圖顯示，鉆孔揭露地層和探地雷達(dá)解釋地層分布上基本一致，只是在地層界面深度上鉆孔揭露地層偏深。綜合各個(gè)沉積物地層的探測(cè)展布結(jié)果情況可以看出，未出現(xiàn)地層尖滅現(xiàn)象，沉積地層層序基本是按照順序沉積，沉積地層較為連續(xù)。

從圖7～8及表2中可以看出，通過(guò)對(duì)探地雷達(dá)探測(cè)和淺層剖面儀聲吶探測(cè)同樣位置進(jìn)行抽道處理，可以看到二者反演深度結(jié)果存在差異，兩者探測(cè)結(jié)果之間的極差范圍分別為：河道水體深度相對(duì)極差范圍0～5%，淤泥層厚度相對(duì)極差范圍0～8%，粉、細(xì)砂及黏土層厚度相對(duì)極差范圍0～14%，中、粗砂及卵礫石膠結(jié)層探測(cè)界面相對(duì)極差范圍0～13%。

表2數(shù)據(jù)顯示，隨著沉積地層深度的加深，探地雷達(dá)和淺層剖面儀聲吶探測(cè)對(duì)不同沉積地層的探測(cè)厚度相對(duì)極差雖然也在增大，但二者數(shù)據(jù)不匹配性程度與P1剖面相比有所減弱，這說(shuō)明在水流以急流向穩(wěn)流漸變狀態(tài)為主的區(qū)域，尤其河道穩(wěn)靜區(qū)域隨著探測(cè)深度增加，二者對(duì)于地層的界面探測(cè)分辨率和精度折減方面相較水流復(fù)雜區(qū)域有減弱趨勢(shì)，綜合來(lái)說(shuō)P2剖面整體探地雷達(dá)數(shù)據(jù)測(cè)試較為平穩(wěn)，數(shù)據(jù)一致性和淺層剖面儀聲吶匹配性較好。

4 結(jié) 論

（1） 應(yīng)用探地雷達(dá)對(duì)淡水水道各個(gè)沉積地層深度進(jìn)行探測(cè)和分層這種方法是可行的，探地雷達(dá)可較為快速準(zhǔn)確地定位水道內(nèi)水位深度和不同沉積地層的厚度，可以反映沉積物富集體的規(guī)模、范圍及深度，其探測(cè)深度也能滿足實(shí)際工程需要。同時(shí)，通過(guò)探測(cè)資料解釋成果可以直觀看到，橫切水道斷面時(shí)水道各個(gè)沉積斷面及淤泥層上部流面的形態(tài)參數(shù)，這都能為工程治理方案選擇及工程預(yù)算提供較好的技術(shù)支持。

（2） 通過(guò)探地雷達(dá)技術(shù)的探測(cè)結(jié)果和淺層剖面儀聲吶探測(cè)結(jié)果對(duì)比可知，兩者是存在一定誤差，尤其隨著探測(cè)深度的增加，探地雷達(dá)和淺層剖面儀聲吶探測(cè)對(duì)不同沉積地層的探測(cè)厚度相對(duì)極差不斷增大，二者數(shù)據(jù)不匹配性程度也在增強(qiáng)，這說(shuō)明隨著探測(cè)深度增加，二者對(duì)于地層的界面探測(cè)分辨率和精度也在不同折減，不同的是探地雷達(dá)反映的主要是連續(xù)剖面的影響而淺層剖面儀聲吶探測(cè)反映的單點(diǎn)數(shù)據(jù)影響，探地雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)離散性較之淺層剖面儀聲吶探測(cè)較小，置信區(qū)間較大，采信度較高。

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（編輯：劉 媛）