基于探地雷達技術(shù)的水下沉積地形探測應(yīng)用研究

張開偉 吳園平 王世淼 聶慶科 雒斌濤

摘要：探地雷達技術(shù)作為一種高效無損的電磁波法探測手段，其在淡水介質(zhì)中電磁波的強穿透弱損耗性及儀器設(shè)備操作輕便易使用等特點使得其在探測淡水水道沉積物界面和沉積物富集體識別方面具備天然優(yōu)勢。基于此，利用探地雷達技術(shù)對松花江部分江體水道進行綜合探測，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。首先通過理論結(jié)合實際水域水文地質(zhì)情況，分析探地雷達技術(shù)的可應(yīng)用條件及特點;其次應(yīng)用探地雷達技術(shù)對實際水道剖面進行探測，對不同地段水道探地雷達探測剖面數(shù)據(jù)進行反演計算及分析，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)合探地雷達探測結(jié)果與淺層剖面儀聲吶探測結(jié)果進行對比，驗證探地雷達探測效果的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：應(yīng)用探地雷達對淡水水道各個沉積地層進行探測和分層的可行的，且探地雷達探測數(shù)據(jù)的離散性比淺層面儀聲吶探測較小，置信區(qū)間大，采信度較高。

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

近年來隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們對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迫在眉睫的問題。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)保疏浚前期需要對水道沉積物界面和沉積物富集體進行精確測定和準(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方法主要有放射性探測法、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勘探測量方法，主要是用來驗證物探異常區(qū)域，不利于大面積開展工作且資金投入較大不經(jīng)濟;放射性探測法受到放射源的管理機制及安全性因素其開展工作較為困難[3-5]。基于此，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識別采樣工作中，大膽采用了探地雷達技術(shù)進行工作，通過實際探地雷達探測結(jié)果與淺層剖面聲吶探測結(jié)果對比驗證，認(rèn)為探地雷達技術(shù)在淡水水道沉積物界面和沉積物富集體探測方面優(yōu)勢明顯，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 探測原理及地球物理條件分析

1.1 探地雷達技術(shù)河道探測原理

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

1.2 地球物理條件分析

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決定[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，流水中的碎屑物在搬運途中，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，特殊沉積物會組團富集沉積（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技術(shù)開展工作的地球物理勘探條件。

2 設(shè)備選擇及測線布置

2.1 探地雷達技術(shù)設(shè)備選擇

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

2.2 探測剖面測線布置

針對項目工作區(qū)域松花江不同水道地段的實際地形情況，探地雷達探測測線重點按照垂直水道順流方向進行布設(shè)，共計布設(shè)兩處較大的探地雷達測線。圖2是松花江某河段探地雷達探測測線布置示意。

3 實際探測數(shù)據(jù)分析

該項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，需要及時采取清淤措施進行河道清淤處理，降低河面高度減少安全隱患。為此，該區(qū)段水務(wù)河道管理部門委托我們對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)合該工程項目具體探地雷達實際探測數(shù)據(jù)進行分析，同時與淺層剖面儀聲吶探測的結(jié)果進行對比，校核探地雷達的探測效果。

3.1 P1剖面探測數(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時間、深度及探測道號數(shù)據(jù)振幅基本穩(wěn)定，各個分層界面和相軸一致，通過多相關(guān)性層位追蹤算法可以較為準(zhǔn)確定位各個層位的界面。整體上來說，探地雷達技術(shù)對于水面以下沉積物地質(zhì)分層界面識別程度比較高，各個地層分層效果較好。綜合地質(zhì)解釋圖上顯示河道在沉積的過程中，大顆粒先行沉積，隨著沉積過程的不斷進行，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)過后期的開挖打撈，發(fā)現(xiàn)這些富集體多是河流在洪水期間搬運的大體積孤石、大直徑樹木碳化沉積物及工業(yè)生活垃圾。驗證鉆孔柱狀圖顯示，鉆孔揭露地層和探地雷達解釋地層基本接近，在地層界面深度上略有差異。綜合以上沉積物地層的探測展布結(jié)果可以看出，個別地層出現(xiàn)了地層尖滅現(xiàn)象，地層雜糅交錯，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，通過對探地雷達探測和淺層剖面儀聲吶探測同樣位置進行抽道處理，可以看到二者反演深度結(jié)果存在差異，兩者探測結(jié)果之間的相對極差范圍為：河道水體深度相對極差范圍0～6%，淤泥層厚度相對極差范圍0～13%，粉、細砂及黏土層厚度相對極差范圍0～16%，中、粗砂層厚度相對極差范圍0～24%。

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

3.2 P2剖面探測數(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剖面探地雷達地質(zhì)剖面綜合解釋圖。

圖6 P2剖面探地雷達地質(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時間、深度及探測道號數(shù)據(jù)振幅較為穩(wěn)定，各個分層界面同相軸基本一致，個別部位存在缺失現(xiàn)象，多相關(guān)性層位追蹤算法可以準(zhǔn)確定位各個層位的界面，對于水面以下沉積物地質(zhì)分層界面識別程度較高，各個地層分層效果較好。地質(zhì)解釋圖上顯示河道在沉積的過程中，大顆粒先行沉積，隨著沉積過程的不斷進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)，沒有旋流的作用沉積富集體會不斷逐層沉積，交錯富集和集中富集現(xiàn)象不明顯，這些富集體也多是河流在洪水期間搬運的大體積孤石、大直徑樹木碳化沉積物及工業(yè)生活漂浮垃圾沉積。驗證鉆孔柱狀圖顯示，鉆孔揭露地層和探地雷達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。綜合各個沉積物地層的探測展布結(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，通過對探地雷達探測和淺層剖面儀聲吶探測同樣位置進行抽道處理，可以看到二者反演深度結(jié)果存在差異，兩者探測結(jié)果之間的極差范圍分別為：河道水體深度相對極差范圍0～5%，淤泥層厚度相對極差范圍0～8%，粉、細砂及黏土層厚度相對極差范圍0～14%，中、粗砂及卵礫石膠結(jié)層探測界面相對極差范圍0～13%。

表2數(shù)據(jù)顯示，隨著沉積地層深度的加深，探地雷達和淺層剖面儀聲吶探測對不同沉積地層的探測厚度相對極差雖然也在增大，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)域隨著探測深度增加，二者對于地層的界面探測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，綜合來說P2剖面整體探地雷達數(shù)據(jù)測試較為平穩(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)用探地雷達對淡水水道各個沉積地層深度進行探測和分層這種方法是可行的，探地雷達可較為快速準(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，其探測深度也能滿足實際工程需要。同時，通過探測資料解釋成果可以直觀看到，橫切水道斷面時水道各個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） 通過探地雷達技術(shù)的探測結(jié)果和淺層剖面儀聲吶探測結(jié)果對比可知，兩者是存在一定誤差，尤其隨著探測深度的增加，探地雷達和淺層剖面儀聲吶探測對不同沉積地層的探測厚度相對極差不斷增大，二者數(shù)據(jù)不匹配性程度也在增強，這說明隨著探測深度增加，二者對于地層的界面探測分辨率和精度也在不同折減，不同的是探地雷達反映的主要是連續(xù)剖面的影響而淺層剖面儀聲吶探測反映的單點數(shù)據(jù)影響，探地雷達探測數(shù)據(jù)離散性較之淺層剖面儀聲吶探測較小，置信區(qū)間較大，采信度較高。

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（編輯：劉 媛）