探地雷達在土地整治工程中的應用分析

摘 要 探地雷達憑借快捷、高效、無損的優勢，被廣泛應用于各工程領域。基于此，在介紹探地雷達探測原理的基礎上，著重分析了探地雷達在土地平整工程、道路工程、灌溉與排水工程、覆土工程等方面的應用，并對探地雷達在土地整治工程中的應用前景進行了展望，以期能為土地整治工程的施工、設計、驗收提供一種有效的手段。

關鍵詞 探地雷達；土地整治；應用

中圖分類號：U416.06 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.26.087

1 研究背景

我國人口眾多，實施土地整治工程在確保1.2億公頃耕地紅線、國家糧食安全及耕地總量動態平衡中發揮著舉足輕重的重要作用。目前，我國土地整治起步較晚，但發展迅速，據統計，每年全國獲批的土地整治項目多達上萬個。該項目將核心集中在增加耕地數量上，但是卻沒有充分考慮耕地的質量，進而導致新增加耕地的產出及效益較低，還存在嚴重的土地資源浪費現象，其主要原因是各級部門的監管力度不足，急需一種快速高效的土地工程質量實時監測手段。隨著科技手段的不斷發展，探地雷達作為一種效率較高的淺層地球物理探測技術，主要利用高頻電磁脈沖波的發射原理，根據地下介質電性參數之間存在的差異及回波的頻率、波形及振幅等動力學與運動學特性對介質的結構及其物理性能進行分析與判斷。該技術操作簡便，具有較強的場地適應能力及抗干擾能力，而且在探測分辨率方面也具有很大的優勢，目前已經在軍事、建筑、橋隧、地質和考古等多個領域得到了廣泛應用，但在土地整治領域的應用較為少見。基于此，重點分析了探地雷達在土地工程中的應用途徑。

2 探地雷電的原理

探地雷達主要使用天線由地表至地下對高頻電磁波進行發射，之后在目標體位置處經過反射再返回至地面，由接收天線進行接收。在介質中對電磁波進行傳播的過程中，隨著其所在介質的幾何狀態及電性發生變化，電磁波的波形與強度也將發生一定程度的變化。因此，探地雷達以接收到波的雙程走時、波形及波幅等為依據，尤其是反射波的振幅及同相軸的變化，進而對目標體介質結構及其特性進行推斷[1]。

當相鄰介質的分界面之間的介電性差異比較大時，一旦遭遇電磁波，雷達信號將會表現出較為明顯的“跳躍”，代表其具反射能力比較強。當電磁波由介電常數比較小的介質到達介電常數比較大的介質時，也就是說由高速介質到達低速介質，由光疏介質到達光密介質時，其反射系數表現為負值，也就是說發射波振幅反向。與之相反，當電磁波由低速介質到達高速介質時，入射波與反射波振幅保持一致[2]。所以，探地雷達檢測壩體病害的先決條件就是介電差異，介電之間存在的差異越大表明界面上的反射較為強烈，由此取得的探測效果也較為明顯。

3 探地雷達在土地整治工程中的應用

3.1 土地平整工程

土地平整工程是根據地形、面積、空間結構特點將項目區劃分成若干土地平整單元區，利用推土機械對項目區內部分田塊，按照高程近似的原則，因地制宜地進行平整。在土地平整前期必要要做好土層厚度普探工作，土層厚度普探工作對平整之后新增耕地的土壤剖面構造起到直接調控作用，從而對新增耕地質量產生一定的影響。開展土層厚度普探工作，既能夠確保土的來源供給及工程中土方平衡，又能夠有效防止過度開挖土方進而導致土層過薄而無法得到利用或母質裸露引起土地荒漠化等一系列問題[3]。通常情況下，對土層厚度進行探查時使用剖面法及鉆孔法，由此得到的結果較為準確，但是開展工作的過程費時費力，而且效率低下、成本比較高，這是當前大部分土地整治工程中缺少前期土層厚度普探的主要原因，往往導致平整之后土層厚度與施工標準及作物生長發育需要不相符合，進而導致土地整治的生態效益、經濟效益與社會效益達不到預期的效果。花東文等采用頻率為500 MHz和250 MHz的天線對南泥灣土地整治項目新增耕地的土層厚度進行探測，結果表明探地雷達法所測得的結果與實測值相吻合，誤差范圍為0～5 cm，能夠滿足現行土地工程質量檢測的精度要求。

3.2 田間道路工程

道路工程是建設高標準農田，實現機械化和產業化耕作的前提，道路工程質量必須與農機行使、交通運輸及田間生產與管理的要求相符。土地整治項目的道路多采用混凝土水泥結構，分為路基和路面，混凝土的介電常數大約為6，路基土壤層的介電常數隨濕度變化較大，但均大于8，混凝土層與地基層的介電常數差異，為利用探地雷達技術測定道路路面厚度提供了理論依據。在用探地雷達對道路進行無損檢測時，如果道路的局部地段存在差異（如被破壞），則雷達波反射信號的雙程旅行時，振幅、相位及頻譜特征將發生明顯變化，根據這些變化特征，就可推測路面下基層、路基等的狀況，從而達到無損檢測的目的[4]。在頻率方面，為提高電磁波在水泥混凝土面層中的穿透能力，當探測水泥混凝土面層時要采用較低頻率的輻射波，一般為900～1 000 MHz的天線。將探地雷達技術應用于土地整治道路工程中，能夠對道路施工質量進行監管與控制，為研究道路路面結構與材料等提供了技術支持，能夠及時檢測出道路質量安全隱患，應用于道路的維護與改造中，為開展相應的評定工作奠定基礎。

3.3 灌溉與排水工程

灌溉與排水工程是影響土地整治后期管護過程中土地資源和水資源利用效率的重要因素之一，工程質量的好壞與農田的灌溉和排澇密切相關。在土地整治工程中，探地雷達可用于地埋管位置、管徑大小的探測測量，進而判斷其是否符合設計要求。探地雷達無論對金屬管線還是對非金屬管線都有良好的反應而且抗干擾性強，還能夠通過改變頻率來改變探測深度和分辨率，通過雷達圖象可直接反映管徑大小。電磁波在傳播的過程中，遇到地埋管的上下管壁時會產生繞射，形成繞射波，天線接收到該信號，會在雷達圖譜上表現出兩組或多組雙曲線弧，呈上下分布，上雙曲線弧最高點即為管道上壁，下雙曲線弧最高點為管道下壁，兩者之間的距離即為管道直徑[5]。探地雷達還可以應用于檢測排水溝襯砌質量，主要有以下兩點。1）檢測襯砌厚度是否符合設計要求。2）對襯砌進行檢測，查看是否存在滲水、空洞和松軟介質等現象。

3.4 覆土工程

覆土工程是土地整治中最重要的單項工程之一，通常情況下，把覆土厚度作為檢驗土地工程質量的重要指標。覆土工程的有效覆土厚度決定著新增耕地的生產能力，也與工程的成本密切相關。傳統方法通過鉆孔取土、開挖剖面和工程斷面實測等手段確定覆土層的厚度，這些方法雖然精度高，但破壞性大，效率不高，而且這種以點帶面的方式很難了解整個工程的整體覆土厚度，也很難準確評價工程質量。土層厚度能夠較好地反映新增耕地的質量，不僅能夠為土壤養分提供補給源，還能夠為土壤礦質元素提供儲存庫，緊密聯系著土地生產力。另外，土層的厚薄也會對養分及水分的存量產生直接的影響，如果土層較淺將會對植物根系往土層的廣度與深度發展產生直接影響，還會對地上植株的支撐產生一定的影響。當營養元素含量一致時，對比土壤產生的植物總量能夠發現：土層深厚的土壤要明顯高于土壤淺薄的土壤。經過整改之后土層通常比較松軟，與以往土層緊密度之間存在的差異比較明顯，使介電常數之間的差異也較為顯著，從而為探地雷達能夠探測新增耕地的土層厚度提供了理論依據。

在土地整治過程中，往往需要對覆土進行分成嚴實，將土壤壓實之后內部可以存儲水及空氣的空間明顯減少，將會對土壤的透氣性、土壤養分及水分的運輸等產生較大的影響，同時也不利于農作物根系生長，使土地生產力大大降低。因此，必須及時掌握土壤壓實狀況對土壤產生的重要影響，如果土壤的壓實程度過大，就會影響作物的生長，達不到土地整治的目的。

4 不足與展望

通常而言，土壤都具備較為復雜的礦物性質、理化性質及電磁特性等，而且各個特性之間存在較大的差異，以上因素都會對電磁波在土壤中的傳播速度、穿透深度等產生一定的影響，從而不能充分發揮探地雷達的作用。因此，應用探地雷達技術和地下物探方法時，應當結合具體的勘探工作。周圍環境及地下物理參數等都會影響探地雷達的應用效果，因此千萬不能把探地雷達當作全能的工程檢測工具。在對探地雷達技術進行推廣應用時，應當結合實際問題，并結合其他勘探手段，才能充分發揮該技術的潛力。

雖然傳統方法準確度高，但是費時費力，具有一定的破壞性，不宜大面積進行，而探地雷達方法具有高效、簡單與快速等特點，在土地整治項目的設計、施工及驗收等各個環節都發揮著重要的作用，在土地工程領域具有廣闊的應用前景。土地整治任重而道遠，對于探地雷達的應用，未來應從3個方面加強研究。1）加強雷達設備和分析軟件的研發。2）需要明確土地整治中相關材料與雷達參數的相關關系。3）結合工程實例，加強雷達在土地工程領域中的應用。

參考文獻：

[1] 田鋒，王國群.西北地區水庫土石壩滲流隱患探地雷達圖像特征分析[J].物探與化探，2006，30（6）：554-557.

[2] 黃小年.探地雷達在隧道病害檢測中的應用與研究[D].成都：成都理工大學，2008.

[3] 花東文，韓霽昌，孫嬰嬰.基于探地雷達方法的新增耕地土層厚度估測-以南泥灣土地整治項目為例[J].西部大開發：土地開發工程研究，2016（1）：6.

[4] 楊天春，呂紹林，王齊仁.探地雷達檢測道路厚度結構的應用現狀及進展[J].物探與化探，2003，27（1）：79-82.

[5] 許獻磊，趙艷玲，王方，等.GPR探測地埋管徑研究綜述[J].地球物理學進展，2012，27（5）：2206-2215.

（責任編輯：趙中正）