基于正演模擬的地下典型目標體探地雷達圖像特征分析與評價

楊潔,王云龍*,張雪,甄占勝

(1.石油石化污染物控制與處理國家重點實驗室,北京 102206;2.北京師范大學水科學研究院,北京 100875;3.地下水污染控制與修復(fù)教育部工程研究中心,北京 100875;4.中國石油天然氣股份有限公司遼河石化分公司,盤錦 124007)

隨著探測技術(shù)的發(fā)展,探地雷達的應(yīng)用范圍越來越廣[1-5]。20世紀80年代中后期,探地雷達逐步成為土壤污染原位探測,無損調(diào)查的主要方法,但探地雷達異常信息解譯的依據(jù)和標準千差萬別[6-11]。雷達波高頻,波長短等特性使其易被介質(zhì)吸收,當?shù)叵履繕宋锓菃我粋€體時,可能存在干擾信號,導(dǎo)致返回的波形圖不夠清晰[12]。由于在管線探測中雷達波和地震波的傳播機制差別較大,以往基于地震波信息處理方法的雷達波解譯模式的不足日漸明顯[13]。目前,探地雷達資料解譯準確性取決于探測人員的工作經(jīng)驗以及對多種地下目標體探地雷達圖像特征和異常信號識別技術(shù)的掌握程度[14]。因此,系統(tǒng)地研究典型地下目標體的雷達圖像反射波組特征,有利于提高探地雷達資料解釋的精度,擴展探地雷達應(yīng)用領(lǐng)域。

目前,學者常通過數(shù)值方法仿真模擬污染地中的典型目標體,搭建數(shù)值模型進行正演模擬,對地下目標體的雷達波長信號,圖形特征進行解譯,從理論上證實探地雷達在泄露污染探測中的適用性,具有一定的工程實用價值[15]。張鵬等[13]采用時域有限差分法(finite-difference time-domain,FDTD)正演模型分析管線材質(zhì)、直徑及埋設(shè)深度對圖像的影響,同時得到了不同形狀空洞的雷達圖像并對其差異進行對比。梁小強等[16]自主開發(fā)探地雷達正演的FDTD程序,并探究管線埋深,間隔和材質(zhì)等各種影響參數(shù)與雷達探測管線效果之間的響應(yīng)關(guān)系。姚顯春等[17]采用FDTD分別搭建金屬管線和非金屬管線的正演模型,探究不同介電常數(shù)的管線分界面波幅的特點及規(guī)律,并對地下管線材質(zhì)種類進行區(qū)分。王瑩瑩等[18]將室內(nèi)模擬和正演模擬的結(jié)果進行對比,分析出土壤中油飽和度不同情況下雷達圖形的異常特征。劉傳奇等[14]通過基于VS2010搭建模型提取輪廓實現(xiàn)準確識別污染物位置。楊菊等[19]利用計算機模擬不同泄漏情況下管道及其周圍土壤的雷達回波,探究介電常數(shù)變化與雷達回波的響應(yīng)關(guān)系。劉仁杰等[20]利用FDTD仿真軟件驗證基于曲線擬合的層狀介質(zhì)參數(shù)反演算法的預(yù)測精度。馮德山等[21]提出利用基于復(fù)頻移完全匹配層的辛龍格庫塔算法進一步提升正演模擬截斷邊界處的預(yù)測精度。李博等[22]基于哈希算法對正演模擬的地下管線圖形進行智能分析,可有效地從探地雷達剖面中識別定位管線的空間分布及材質(zhì)。

雖然近些年研究者用正演模擬的方法逐步推動探地雷達(ground penetrating radar,GPR)圖像解譯體系的構(gòu)建,但中國對地下典型目標體的GPR正演模擬剖面圖圖形解譯尚未形成規(guī)范的體系。本研究選用GPRmax2D軟件,分別對水平層狀介質(zhì)、圓形管道、矩形目標體、局部含水層及石油污染物等地下典型目標體進行正演模擬并分析雷達圖譜特征,進一步對探測中常見的多次反射波、繞射波等形成機理及識別特點進行解讀,同時通過改變模型的參數(shù),對比不同天線頻率、目標體材料、土壤介質(zhì)性質(zhì)等因素對探測結(jié)果的影響,最后在污染場地驗證探地雷達圖形特征分析的準確性。本文通過探究地下典型目標體的圖形成像規(guī)律,為實際雷達探測中圖形信息解譯提供一定的理論依據(jù)。

1 正演模擬原理和實驗方案

1.1 GPRmax2D軟件

借助GPRmax2D軟件,模擬泄漏污染場中典型目標體的雷達反射波數(shù)據(jù),并利用MATLAB軟件對模擬結(jié)果進行處理和圖像生成[23]。GPRmax2D軟件的理論基礎(chǔ)為FDTD[24]。FDTD是一種以差分原理為基礎(chǔ)的數(shù)值方法,從概括電磁場普遍規(guī)律的Maxwell方程出發(fā),用有限差分式代替方程中的微分式,將電磁場連續(xù)域內(nèi)的問題轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散系統(tǒng)的問題,得到關(guān)于場分量的差分方程組,利用具有相同電參量的空間網(wǎng)格模擬被研究的模型,同時選取合適的場初始值和計算空間邊界條件,來逐步求得此后各個時間空間電磁場的分布[25]。

1.2 水平層狀目標體模型參數(shù)設(shè)定

水平層狀介質(zhì)正演模型長、高均為6 m,共分3層,上下兩層模擬兩層干土,中間夾體積含水量約為0.23的濕沙層(圖1),各地層的厚度、電磁參數(shù)等如表1所示。本次正演模擬選用400 MHz頻率的雷達天線,測量方式為剖面法,時窗長度設(shè)為200 ns,天線偏移距離為0.2 m,每次移動0.2 m,共包括26道。

圖1 水平層狀目標體正演模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the forward modeling model of the horizontal layered target volume

表1 層狀模型參數(shù)Table 1 Layered model parameters

1.3 水平層狀目標體模型參數(shù)設(shè)定

圓形目標體模型長8 m,高6 m,用于模擬干土介質(zhì)中金屬儲油罐的目標體位于模型中心位置,中心點埋深為3 m,直徑1 m,金屬壁厚5 cm(圖2),金屬材料的電磁參數(shù)為GPRmax2D模型的默認值。雷達測線垂直于該目標體走向,采用剖面法進行探測,探地雷達天線頻率選擇300 MHz,時窗設(shè)為220 ns,共包括34道。

圖2 圓形目標體正演模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the forward modeling model of the circular target

1.4 矩形目標體模型參數(shù)設(shè)定

正演模型長6.0 m,高6.0 m,用于模擬干土中矩形空氣空洞的矩形目標體長、高和上界面的埋深分別為2.0、1.0、1.50 m(圖3)。矩形模型參數(shù)如表2所示。本次探測方式為剖面法,探地雷達天線頻率選用300 MHz,時窗長度設(shè)為150 ns,天線偏移距為0.2 m,每次移動0.2 m,共包括26道。

表2 矩形模型參數(shù)Table 2 Parameters of rectangular model

1.5 地下管線模型參數(shù)設(shè)定

本研究建立高5 m,寬10 m的模型,將地層概化為單一的黏土地層,模型上層0.5 m為空氣層,下部黏土地層厚4.5 m,用介電常數(shù)和電導(dǎo)率不同的圓形來代替地下管道及其中流體。在正演模擬的過程中將發(fā)射和接受天線均放置在土層上部0.02 m處,正演模擬的掃描方法采用共偏移距剖面法[26],天線偏移距為0.2 m,激勵源選擇Ricker子波,空間網(wǎng)格步長選擇為Δx=Δy=0.01 m,采集時窗設(shè)置為100 ns。

1.5.1 不同埋設(shè)深度及天線頻率的正演模擬

通過控制單一變量,比較不同頻率天線對不同深度管線的探測能力,以便為實際探測中天線的選擇提供參考。建立的數(shù)值模型管道厚度為0.05 m,管道的外直徑為0.5 m,管道材料為金屬,管道內(nèi)載體為汽油。設(shè)置4根埋藏深度不同的管線,其深度分別為1、1.5、2、2.5 m(圖4)。本模型黏土地層介電常數(shù)設(shè)為6,導(dǎo)電率設(shè)為0.01 S/m,并分別用頻率為100、200、300、500 MHz頻率的天線進行正演模擬。

圖4 地下管道正演模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of the forward modeling model of the underground pipeline

1.5.2 不同管線材料正演模擬

分別建立空氣孔洞、PVC管線、金屬管線,及充水狀態(tài)下上述3種管線的模型(圖5),來比較不同材質(zhì)下探地雷達波的反射圖像[27]。模型參數(shù)與圖4中模型保持一致,其中將PVC材料的介電常數(shù)設(shè)為3,管線中心的埋深為1.5 m,分別設(shè)置100 MHz和300 MHz頻率雷達天線進行模擬。

圖5 不同材料管線正演模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of the forward modeling model of pipelines with different materials

1.6 局部含水層模型參數(shù)設(shè)定

模型由上層滯水、局部隔水層、包氣帶、潛水含水層及隔水層組成。模型長、高分別為20、5.5 m,分為3層(圖6),各地層的厚度、地電參數(shù)等如表3所示。本次正演模選用400 MHz頻率的雷達天線,測量方式為剖面法,時窗長度設(shè)為100 ns,天線偏移距離為0.2 m,每次移動0.2 m,共包括96道。

圖6 局部含水層雷達正演模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of the radar forward model for local aquifers

表3 局部含水層模型參數(shù)Table 3 Local aquifer model parameters

1.7 局部含水層模型參數(shù)設(shè)定

石油等輕質(zhì)非水相流體(LNAPLs)被釋放到地表后,由于重力的作用進入土壤[28]。當LNAPLs遇到含水單元后,在毛管邊緣和飽和區(qū)頂部形成薄餅狀層。當?shù)叵滤鹘?jīng)含污染物的區(qū)域時,隨著可溶解成分的溶解,逐步形成羽狀LNAPLs帶。LNAPLs進入地下后主要分為揮發(fā)相、殘留相、自由相和溶解相[29]。污染土壤的介電常數(shù)隨著土壤含水量和含油量的增加而增加,石油污染物本身介電常數(shù)較小,所以含水量是影響介電常數(shù)的主要因素[30]。雖然建立的模型越符合LNAPL擴散與賦存實際情況,模型越能反映GPR信號的響應(yīng)特征[31],但由于含油量的影響相對較小,在實際場地中揮發(fā)相和溶解相含量相對較低,所以在利用GPRmax2D對石油污染物進行模擬時,對污染物模型進行簡化,僅對殘余相和自由相(油污核心)進行模擬。

建立了殘留相和自由相兩部分的概念模型,殘留相中污染物濃度向兩側(cè)逐漸降低,隨之介電常數(shù)也相應(yīng)變小,限于軟件無法設(shè)置漸變的模型,所以將殘留相分為了內(nèi)部高介電常數(shù)和周圍介電常數(shù)較小的兩部分。石油污染物遷移正演模型包括空氣層,包氣層和含水層,模型長4 m,地下水埋深1.5 m,模型中不同地質(zhì)體的介電常數(shù)如表4所示[32]。

表4 石油污染物正演模擬模型介電常數(shù)Table 4 Dielectric constant of oil pollutant forward modeling model

石油污染物進入土壤12 h后的狀態(tài),污染物濃度下部高,上部逐漸降低,濃度最大的油污核心部分沉降在最底部,核心圓心深度約為0.5 m,并向四周擴散[圖7(a)]。石油污染物進入地下96 h后的狀態(tài),油污到達地下水面,在地下水面污染物富集,整體上污染物濃度達到穩(wěn)定狀態(tài),污染物濃度由下向上逐漸降低[圖7(b)]。

圖7 污染物不同遷移時間的正演模型示意圖Fig.7 Schematic diagram of the forward modeling model for different migration times of pollutants

2 數(shù)據(jù)與分析

2.1 水平層狀目標體模擬分析

水平層狀目標體雷達正演模擬剖面圖和波形圖[圖8]有從上到下共4條水平且按一定旅行時間周期性出現(xiàn)的反射軸。在其他條件不變的情況下,將模型中3個地層的電導(dǎo)率分別調(diào)大到0.001、0.02、0.01,獲得的正演模擬剖面圖如圖8(a)所示。通過對比電導(dǎo)率變化前后的剖面圖[圖8(a)],可以觀測到反射軸間隔與位置不變,但信號能量減弱,下方的反射波信號微弱甚至消失。反射軸信號間隔和位置未變表明電磁波進行反射的界面位置沒有發(fā)生變化。

圖8 水平層狀介質(zhì)雷達正演模擬剖面圖和波形圖Fig.8 Horizontal layered medium radar forward modeling simulation profile and waveform

在圖1中,只有3個分界面,分別是空氣和地面的分界面(自由表面),水平層狀目標體上界面,水平層狀目標體下界面。當水平層狀目標體上下界面的反射波到達地面時,由于空氣和地面的介電常數(shù)相差很大,自由表面便成為一個具有良好反射性的界面。當反射波能量足夠時,有可能從自由表面反射并向下傳播,到達地層間的分界面后,又被反射回地面,往復(fù)循環(huán)。其中,經(jīng)過多于一次反射的波稱為多次反射波。由于介質(zhì)電導(dǎo)率越大,電磁波在介質(zhì)中傳播的衰減系數(shù)越大,反射波的能量越弱,圖8(a)中下方的反射波不明顯。因此,圖8(a)中最上方的兩條反射軸是水平層狀目標體上下界面的反射波,下方剩余的反射軸是在水平層狀目標體上下界面和自由界面之間反射形成的多次反射波。

采用共中心點法對上述地質(zhì)模型進行模擬。模型的大小及地電參數(shù)保持不變,將模型地面中心點設(shè)為發(fā)射和接受兩個天線的中心,偏移距離為0.2 m,每次各相向移動0.1 m。通過剖面法和中心點法對水平層狀模型進行正演模擬,觀察對應(yīng)的雷達剖面圖和波形圖(圖9)。本次正演模擬選用400 MHz頻率的雷達天線,測量方式為剖面法,時窗長度設(shè)為200 ns,天線偏移距離為0.2 m,每次移動0.2 m,共包括26道。

圖9 中心點法探測正演模型剖面和波形圖Fig.9 Profile and waveform of forward modeling model for detection by center point method

如圖9所示,用共中心點法獲得的水平層狀介質(zhì)二維雷達剖面圖表現(xiàn)為傾斜的曲線狀。沿著測線的正方向,曲線呈向下傾斜的趨勢,傾斜度逐漸變緩,并且空氣直達波和地面直達波逐漸分離。電磁波在介質(zhì)中的傳播速度v為

(1)

目標體到地表的距離d的計算公式為

(2)

式(2)中:t為反射電磁波的雙程旅行時間;x為發(fā)射天線和接受天線間的偏移距離。

計算可得電磁波在地層1的傳播速度約為0.122 m/ns,通過深度轉(zhuǎn)換計算,圖9中最上部的反射波對應(yīng)的分界面在地面下3.06 m處,與模型設(shè)置分界面1的深度3 m相近,正演模擬預(yù)測的深度與真實值的相對誤差為2%。同理可計算得出第2條反射波對應(yīng)分界面2。第3條反射波與第4條反射波電磁波的旅行時間依次為第1、第2條反射波旅行時間的2倍,所以分別為界面1和界面2在自由面再次反射形成的多次反射波。

2.2 圓形目標體模擬分析

圓形地下金屬儲罐探地雷達正演模擬的剖面圖及波形圖(圖10)中呈兩條弧形曲線。根據(jù)電磁波傳播的反射規(guī)律,得出圓形罐頂部距離模型表面的距離為2.33 m,與模型中圓形金屬儲罐的2.5 m埋深相近。正演模擬探測的深度與真實值之間的相對誤差為6.8%。因此確定弧形1是金屬罐頂層,弧形頂點對應(yīng)圓形目標體的頂點。若目標體材料為非金屬材質(zhì),則弧線2可推測為目標體底部的反射波。但該模型中目標體模擬金屬儲油罐,根據(jù)電磁波的性質(zhì),由于電磁波在金屬表面會發(fā)生趨膚效應(yīng),電磁波無法穿透金屬罐頂層到達底部[14]。弧形2位置電磁波的旅行時間是弧形1位置的2陪,符合多次反射波的規(guī)律。因此,弧形1是目標體頂部的反射波,弧形2為頂部反射波在自由面發(fā)生二次反射所得。

圖10 圓形目標體正演模擬剖面和波形圖Fig.10 Forward modeling profile and waveform of circular target

2.3 矩形目標體模擬分析

矩形目標體正演模擬剖面圖(圖11)與層狀介質(zhì)剖面圖的形態(tài)有所不同,矩形空洞的波形表面水平,在角點處出現(xiàn)繞射現(xiàn)象。矩形空洞模型正演模擬的剖面圖與圓形目標體的剖面圖有相似之處,圓形目標體的反射波為雙曲線狀的弧線,而矩形目標體的弧線頂部變成了一個平直的反射面,假如將矩形頂部水平方向的長度逐漸減小,平直反射面變短,接近點狀時,其剖面圖將與圓形目標體的弧線反射軸相似[33]。

圖11 矩形目標體正演模擬剖面和波形圖Fig.11 The forward modeling profile and waveform of the rectangular target

圖11中,反射波1平直部分,電磁波雙程旅行時間為2.5 ns,經(jīng)計算,該位置對應(yīng)埋深為1.53 m,與模型中矩形頂部設(shè)置的實際埋深1.50 m之間的相對誤差為2%,正演模擬的精度較高。同理計算得反射波2為矩形目標體的底部。在目標體頂、底部對應(yīng)的反射波下還伴隨多條多次反射波[34]。由于繞射波的存在,矩形目標體水平方向尺寸的確定存在一定困難,在實際工作中需要通過濾波和偏移對探地雷達采集的數(shù)據(jù)進行處理,以消除繞射波對解譯結(jié)果的影響。

2.4 地下管道正演模擬分析

圓形管道雷達探測圖譜(圖12)為雙曲線型。隨著管線埋設(shè)深度的增加,得到的雷達反射信號越弱,雙曲線的曲率逐漸變小[35]。模型中管道材料為金屬,電磁波無法穿透,所以在剖面圖中無管道下界面的反射波,模型中導(dǎo)電率設(shè)置較高,電磁波信號衰減快,所以圖12中多次反射波信號微弱。

圖12 不同天線頻率不同埋深管線的正演模擬剖面圖Fig.12 Cross-sectional view of forward modeling simulation of pipelines with different antenna frequencies and different buried depths

根據(jù)不同天線頻率對同一地下管道的探測結(jié)果分析,其中300 MHz天線的探測效果最好,可以清晰地得到4根管線的反射圖像,500 MHz天線雖然較其他小頻率天線得到圖譜的分辨率更高,但埋深為2.5 m管道的反射波形未能在圖像中顯示出。整體上,在100～500 MHz頻率范圍內(nèi),探地雷達的探測效果先隨頻率增大而變優(yōu),后隨著頻率增大而變差。究其原因,隨著電磁波頻率增大,波長變小,圖像的分辨率逐漸增大。但當頻率越高的電磁波在如土壤、水、金屬等有損介質(zhì)中傳播時,頻率越高,能量衰減越快,所能探測到的深度也就越低。

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通過兩種不同天線頻率下不同材料管線圖譜特征對比分析(圖13),金屬管線的反射波最明顯,而無管壁的空心孔洞反射最不明顯。該現(xiàn)象符合斯奈爾反射定律,當不同材料管線的介電常數(shù)存在差異[36],則不同管線與土壤的介電常數(shù)差值各不相同,兩者之間的介電常數(shù)差值越大,對電磁波的反射越強烈[13]。由于金屬和土壤的介電常數(shù)的相差最大,剖面圖中反射界面最明顯。

圖13 不同管線的正演模擬剖面圖Fig.13 Cross-sectional view of forward modeling simulation of different pipelines

通過圖13中兩幅剖面圖的對比,天線頻率變化對模擬結(jié)果的影響較小。僅在100 MHz天線的模擬結(jié)果中,PVC空管道位置上出現(xiàn)兩根的垂向距離相差約5 ns雙曲線[37]。研究認為,上方的曲線為管道上部反射所得,下方曲線為管道底部反射所得。其他位置均未獲得管線底部的反射波是因為本模型將土壤介質(zhì)的電導(dǎo)率設(shè)置了較高的值,電磁波的衰減較快,在充水管線中,得到電磁波對管道底部反射波的可能性更小。在兩種天線的模擬結(jié)果中,在無管壁充水孔洞和充水PVC管道位置的垂向上出現(xiàn)2條甚至3條波形相似的雙曲線,根據(jù)雙曲線出現(xiàn)位置雙程旅時的周期性,推測最上方雙曲線為管道上部的一次反射波,下部雙曲線均為管道頂部的多次反射波。

2.5 局部含水層正演模擬分析

上層滯水模型的探地雷達正演模擬剖面圖(圖14)含水層及隔水層的形態(tài)在剖面圖中清晰可見,400 MHz天線在該模型中具有較高的分辨率。局部含水層介電常數(shù)及電導(dǎo)率均大于周圍包氣帶,電磁波在上層滯水含水層中波速變小,衰減和吸收要大于包氣帶[38]。所以,在上層滯水正下方,潛水面反射波明顯向下凹陷。在正演模擬中多次反射波較為明顯。在實際探測中,需要根據(jù)多次反射波周期性出現(xiàn)的特征進行識別,及采用偏移法等對多次波進行消除。

圖14 局部含水層模型圖Fig.14 Model diagram of local aquifer

2.6 石油烴污染物正演模擬分析

由于石油烴污染物正演模型在小范圍內(nèi)包含了形狀、地電參數(shù)不同的多個目標體,所以雷達剖面圖較復(fù)雜,存在雜波。石油污染物在進入土壤后遷移12 h后的正演模擬剖面圖[圖15(a)],接近地表的弧形1為污染區(qū)擴散邊緣的反射弧,弧形2為污染物殘留相上部的反射波,弧形3為污染物核心部分的反射波。石油污染物在進入土壤后遷移96 h后的正演模擬剖面圖[圖15(b)]中油污擴散邊緣、污染物殘留相及自由相分別對應(yīng)弧形1、弧形2及弧形3。在雷達剖面圖中地下水面反射波始終保持水平,線條清晰,特征明顯,且下方存在多層反射波[39]。隨著時間的推移,污染物位置下移,濃度逐漸降低,污染物擴散范圍增大。在正演模擬剖面圖中,反射波的清晰度隨之降低,反射波對應(yīng)的埋深逐步增加,反射波弧形長逐漸增長[40]。因此,基于FDTD原理的正演模擬可以有效地監(jiān)測石油污染物范圍,埋深,和遷移變化情況[12]。

圖15 石油污染物遷移正演模擬剖面圖Fig.15 Profile of forward modeling simulation of petroleum pollutant migration

3 典型污染場地案例分析

為了驗證探底雷達正演模擬圖形特征分析的準確性,選取北京市密云區(qū)某一廢棄加油站作為研究區(qū)。據(jù)鉆探資料顯示,場地地表及地下水面附近檢出較高總石油烴濃度。為探測場地地下管道、場地地層及石油污染物分布情況,利用SIR-4000探地雷達,采用縱橫布線的方法,在可能的污染區(qū)域共布置3條測線。

測線1布置在汽油儲罐區(qū)域,其探底雷達剖面圖(圖16)中出現(xiàn)4條清晰的雙曲線反射弧。根據(jù)弧線曲率大小可以分為上下兩組:第一組位于剖面圖上部雙曲線曲率較大,半徑較小;第二組位于剖面圖下部,曲率較小,但半徑較大。曲率的大小可以反映出目標體的相對大小,第一組目標體小于第二組的目標體,表明地層下方存在兩組不同大小的圓形目標體。圖16中雙曲線反射強烈,每組曲線均未捕捉到底部信號,對比對圓形目標體及金屬管線的正演模擬,且電磁波在金屬表面會發(fā)生趨膚效應(yīng)導(dǎo)致波形圖無底部型號。因此,圖16中為典型的圓形金屬目標體的雷達圖像,弧線均為罐體和管線頂部的反射信號。據(jù)現(xiàn)場勘查可知,2個半徑約1 m的汽油儲罐埋于測線1地下1 m處,同時在2個儲罐正上方0.5 m處,各存在一道半徑約3 cm的金屬管道,方向與儲罐平行,弧線深度與實際管線及儲罐的埋深相似,目標體種類與探地雷達剖面分析結(jié)果相同。

圖16 測線1處探地雷達實測剖面圖Fig.16 The waveform of ground penetrating radar measured at line 1

從測線2的剖面圖(圖17)可以看出,垂向上地下介質(zhì)顆粒大小分層明顯,土質(zhì)的變化會導(dǎo)致地層中孔隙度及含水量的變化,從而引起土壤電磁參數(shù)的變化。電磁波在低含水量地層中傳播時,能量衰減緩慢,波形振幅較弱,當?shù)貙雍孔兇髸r,電磁波能量衰減加快,振幅變大,所以推測雷達圖中各水平反射軸對應(yīng)不同巖性的地層。不同土質(zhì)的分界面會發(fā)生雷達波的反射。結(jié)合鉆探揭露的場地巖性分布情況,及雷達反射波的旅行時長,可以看出各反射帶對應(yīng)的土質(zhì)類型依次為混凝土層、粗砂層、粗砂含礫石層、卵礫夾層、礫石層、粗砂夾礫石層。

紅色圈出區(qū)域為異常區(qū)域圖17 測線2土層巖性及探底雷達實測剖面波形圖Fig.17 Soil layer lithology and ground-penetrating radar measured profile waveform at line 2

測線2和測線3中,除了連續(xù)分布的地層反射界面,還捕捉到形似石油類物質(zhì)污染羽的異常區(qū),探底雷達剖面圖(圖17、圖18)中紅色圈出區(qū)域為異常區(qū)域,波形異常表現(xiàn)為反射增強,波峰放大,呈點狀,強弱相間,范圍變大的特征,說明介質(zhì)的介電常數(shù)及電導(dǎo)率有所升高。根據(jù)鉆孔資料顯示,地下水面埋深約為24 m,異常區(qū)域主要分布在地下水面附近。汽油和柴油的介電常數(shù)要大于空氣的介電常數(shù),并且遠小于水的介電常數(shù)。石油類污染物在土壤介質(zhì)中進行遷移時,當其代替空氣占據(jù)了未充水的介質(zhì)孔隙,就會增大局部介質(zhì)的介電常數(shù),引起電磁波的反射;當石油類污染物到達地下水面,與水介電常數(shù)的巨大差異,也會使污染物的反射圖像不同于地下水面的反射圖像。在地下水流場中,反射波異常區(qū)域處于儲油罐下游,均在污染羽的擴散方向上,推測異常區(qū)即為污染物分布區(qū)域。異常區(qū)顯示,受污染地層具有一定厚度,分析原因為場地地層土壤顆粒及孔隙度較大,再加上污染泄漏已發(fā)生很長時間,污染物已遷移到達含水層,并在地下水面附近富集,由于本區(qū)域降水季節(jié)性變化明顯,并且場地靠近潮白河,場地地下水與地表水聯(lián)系密切,地下水水位波動大,驅(qū)動污染物在垂向上的擴展[41],導(dǎo)致污染物在垂向上的分布大。

紅色圈出區(qū)域為異常區(qū)域圖18 測線3處探底雷達實測剖面波形圖Fig.18 The waveform of ground penetrating radar measured at line 3

4 結(jié)果與分析

通過正演模擬的方法,系統(tǒng)的總結(jié)6種典型地下目標體的反射波特征,并在污染場地驗證目標體正演模擬圖形特征的準確性。

在實際探測的雷達剖面圖中,平行線和雙曲線分別是層狀介質(zhì)和圓形目標體的基本特征。相比于水平層狀目標體,矩形目標體反射波中間段水平,在角點處出現(xiàn)繞射現(xiàn)象,即雷達反射波在角點處出現(xiàn)弧度。在測定矩形空洞的水平長度,需先消除繞射波的干擾。相比于矩形目標體,圓形目標體的反射波整體為弧形,不存在中間水平的波形圖。正演模擬對水平層狀目標體和矩形目標體埋深探測誤差均低于2%,非金屬管線比金屬管線的探測埋深精度更高[42]。

不同的土壤介質(zhì)和目標埋深在探地雷達剖面圖中呈現(xiàn)不同的探測效果。土層介質(zhì)的變化會導(dǎo)致地層中孔隙度及含水量的變化,從而引起土壤電磁參數(shù)的變化,當場地地層巖性變化較大時,探地雷達剖面圖可以清楚地探測到地層變化的分界面。隨著天線頻率的升高,波長變小,但在土壤介質(zhì)中電磁波能量衰減增強,則探地雷達對地下管線探測效果清晰度變高,但探測深度變低。因此,天線頻率和探測深度之間的平衡度是影響探測結(jié)果的重要一環(huán)。

不同材料管線的雷達剖面圖具有各自圖形特征。當管線與土壤介質(zhì)的介電常數(shù)差別較大時,反射波越強,圖形越清晰。通常金屬管線的電磁波反射較強,塑料管線的反射波相對較弱[43]。由于金屬介質(zhì)的趨膚效應(yīng),使其不易產(chǎn)生介質(zhì)底層界面的反射波,但常伴隨多次反射波的現(xiàn)象[44]。可根據(jù)反射波的旅行時間倍數(shù)識別多次反射波。當在雷達剖面圖的某一位置垂向出現(xiàn)多個雷達反射波時,可通過公式計算出每反射波的旅行時間,并分析各個反射波的旅行時間之間是否存在周期性關(guān)系。滿足旅行時間周期性的反射波是同一反射界面形成的多次反射波,反之則不是同一界面的多次反射波[16]。

土壤中含水量和污染物濃度均會影響土層介電常數(shù)。由于局部含水層介電常數(shù)及電導(dǎo)率均大于周圍包氣帶,電磁波在上層滯水含水層中衰減要大于包氣帶。在上層滯水正下方,雷達剖面圖中潛水面會出現(xiàn)明顯向下凹陷的現(xiàn)象。石油烴污染區(qū)域從上往下分別為油污擴散邊緣、污染物殘留相及自由相并且相應(yīng)的介電常數(shù)依次增加,正演模擬的剖面圖可清晰觀測到各部分的反射波大小和空間分布,進一步計算可得污染物的埋深和相對大小[11]。

在物探工作中,基于時域有限差分法的正演模擬分析模型可用來探究多種地下物體的空間分布情況。水平層狀目標體可用來模擬地下水面、斷層、軟弱夾層、破碎帶等地質(zhì)體。圓形模型可以用來模擬地下充水洞、地下管道、儲罐、空氣溶洞等地質(zhì)體。矩形目標體模型或空氣空洞模型常用來模擬隧道中襯砌脫空、不密實體、空洞充水等多種典型病害[45]。

在實際情況中,地面環(huán)境對探地雷達干擾較大且地下污染的分布情況繁雜,本研究內(nèi)容覆蓋面尚有不足,仍需各位學者共同構(gòu)建探底雷達圖形解譯體系。