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通过潜水探地雷达提高水文调查的效率

Ivan Khristoforov和Alexander Omelyanenko

摘要—本文提出了一种新开发的潜水探地雷达方法，该方法基于实验确定的浸没在水中的天线所产生的探测信号频谱的偏移。本文根据放置在水环境中的天线所产生频率的探测频谱信号的位移极限的实验结果，确定了电磁雷达从电导率变化的水域进行探测时频谱的移动极限，尤其是对于俄罗斯和邻国河流（包括雅库特的河流和湖泊）最典型的电导率，并提出了潜水式探地雷（GPR）水特征调查的方法。实验表明，利用水表面作为天然介电反射器，可以提高沉积深度。本文解释了用于解释潜水探地雷达GPR结果和底部沉积物的既定标准，振幅-频谱标准，相位-频谱标准以及等压振幅比标准，并确定了丽娜河河道作用下桩架附近底质侵蚀的参数。

索引词-冲积沉积物，基岩，介电反射器，探地雷达（GPR），解释标准，线性天线，反射，信号频谱偏移，潜水式GPR。

引言

大多数大型线性工程，如石油、天然气和水管道、公路、铁路和输电线路，都要跨越各种水道，包括大河。由于活跃的河流过程，这些跨越河流下方的管道特别令人关注。由于所有环境隔离区均受到影响，跨河溢油的影响可能比对陆地的影响更严重。在整个跨河线性项目的设计，建造和维护阶段，详细描述河流过程，河流沉积物的运输和沉积以及时空流量变化的特征至关重要。

目前，地球物理方法在水文调查中的应用越来越广泛。在现有技术中，潜水探地雷达方法已成功地应用于淡水研究[1]-[13]。早期对河流和湖泊的GPR调查是由M. I. Finkelshtein, J. C. Cook, A. H. Waite, S. Evans, R. T. Houck, A. P. Annan, T. Toth等人进行的。然而，在极端的北方环境下，研究深海水体和大型河流的底质还需要开发特殊的硬件和方法。

在本文中，我们提出了一种方法来提高淡水水体中GPR研究的效率，以确保水道道口建设和运营期间的公众和环境安全。本文介绍了潜水探地雷达新方法的实验结果。我们还讨论了海底沉积物测量的主要方法。实验结果表明，在估算河道容量时，潜水探地雷达可用于准确地确定沉积物厚度和绘制冲积层图。

引言

为了评估在已知电导率的盐水溶液中进行GPR探测的能力，我们进行了物理建模，以了解在均匀地下地质作用下，水介质中电磁探地雷达信号的形成。用于测量的超宽带GPR系统的天线中心频率为250、400和700 MHz。NaCl浸泡溶液中的溶质浓度变化范围为0至16 g/l。下图显示了雷达信号频谱与溶质浓度变化范围为0.1至6 g/l之间的关系，对应于电导率变化范围为190至11400mu;S/cm（图1）。实验结果表明，当天线与水面接触时，其频谱分别被移至低频130、215和500 MHz。电导率高于10000 micro;S/cm时，会对频谱中心频率偏移产生重大影响。 在这种情况下，具有250和400 MHz频率的GPR单元的中心频率分别降低到92和131 MHz。我们的实验表明，由于溶液电导率对天线阻抗的影响，所使用的GPR系统的能量效率随着溶质浓度的增加而降低了大约八倍。

图1. NaCl溶液中的雷达频谱漂移

为了在淡水环境中以潜水模式有效使用GPR系统，必须考虑频谱向较低频率的偏移，以提供最佳接收效果。温带地区大河的电阻率范围为10至65 Omega;·m。 湖泊的平均电阻率在6–60 Omega;·m的范围内。推荐用于泥浆温泉项目的一些残余热岩溶成因的的湖泊，其电阻率值低至1.3–2 Omega;·m。水体中的电阻率也取决于温度和季节，但变化很小，并落在典型范围内[14]-[16]。

在107至109 Hz的射频范围和1.5°C至25°C的水温范围内，水的介电常数保持不变，而介电损耗角正切随频率变化。

极化区域中水的高介电常数值是由于氧和氢之间的共价键的极性很强，这导致了水分子的大偶极矩[17]。在偶极子与交变场保持一致的无线电波区域中，ε接近静态值。

实验研究表明，水的tgdelta;频率响应在25 MHz左右具有最小值[18]。关于极性液体极化机理的一般概念解释了tgdelta;的频率依赖性[19]。

由于没有频散和根据tgdelta;的最小值相对较低的特定吸收，因此可以选择10-60mhz的频率范围，以便在水温为1.5℃-25℃时进行河流和湖泊探测。

接下来，我们考虑了在潜水模式下使用中心频率分别为50和100 MHz的GPR系统的可能性（图2）。 电阻率以对数刻度显示。

图2. 溶液电阻率对低频GPR系统的频散的影响

通过实验室研究确定了不同粘土浓度的水悬浮液的最大电阻率极限。随着粘土含量的增加，悬浮液的电阻率降低，其上限取决于原水中溶解固体的数量。在电阻率上限时，蒸馏水的频率从2500至3000 Omega;·m几乎没有偏离，而中等溶解固体浓度的水的频率从14 Omega;·m开始偏移。下限是通过稳定电导率值来确定的，与悬浮固体含量无关。因此，含粘土的天然淡水的电阻率极限为28–17 Omega;·m。在此范围内，信号频谱的中心频率保持恒定。

我们的实验证明，在15-75 MHz的频率范围内，使用低频的GPR系统可以有效地研究含有自然溶解固体成分的水体。我们还确定了潜水式GPR的接收天线频率调整的最佳频谱[20]。

方法论基础

从方法上讲，潜水式GPR不同于标准化的天线浸入，它是将水表面用作自然的电介质反射器，从而提高了研究水底和沉积物结构的效率。

一艘配备有舷外马达的充气船被用来沿河航行，它不会对仪器造成干扰。在水上作业时，使用了一种内部斜向加强肋的木制框架形式的下沉装置(图3)。

这使得在必要时，可以将频率为50 MHz的GPR天线“ Triton”浸入所需深度（最大1.5 m），并在运行中进行测量，而无需更改测量速率。为了消除表面波的影响并将频谱的一次能量重新分配给具有较高介电渗透率的介质，天线被淹没在大约0.5 m的表面波深度处。

图3. 将带有GPR ABDL天线“ Triton”的结构安装在橡皮艇上

图4. 由用作介质反射器的水面形成的总和GPR信号的水底反射的例子

当非屏蔽雷达天线浸入水中时，产生的信号从水面反射，产生一个叠加的GPR信号，该信号由两个连续小波组成，其振幅比符合水的介电常数ε1=81和空气的介电常数ε2=1的菲涅耳反射系数。当发射的脉冲持续时间等于中心频率的一个周期，并且从水面反射的信号的延迟时间（介电反射器）等于脉冲持续时间时，因为定向到上半空间的信号能量通过介电反射器重新分配到水介质中，我们获得了两个周期的信号和能量总和。与接触式相比，潜水式GPR最大限度地利用了雷达信号能量。为了获得没有相位失真的信号，有必要通过将天线浸没到以下深度来优化自然介电谐振器：Hr =lambda;medium/ 2，其中lambda;medium是水中的波长。 节能型探测信号的形成过程已在潜水式GPR方法中实现，其结果如图4所示[21]。

直达波是在空气和沿反射器的水气边界上直接传输的信号和折射信号的叠加，具有相位畸变。从水底反射回来的小波近似于双周期信号。双周期信号的复杂形状降低了该方法的分辨率，但在被测介质之间形成“双”界面的多次反射增加了测量的可靠性。

图5. 使用GPR解释标准来识别基岩间断面和研究海底沉积物的示例。

在强水流条件下提高潜水式GPR测量的可靠性:在流速相对较高(gt;1 m/s)的河流中，布置直线测量线具有挑战性。在这种情况下，必须使用GPS通道沿弯曲轮廓定位测量值。这是通过多个纵向和横向路径以获得大量的相交点来完成的。 从方法上讲，它是通过在与纵向轮廓相交的不同粘性处进行测量来解决的。具有相同坐标的轮廓相交处的测量点被视为通过重复测量确定的确定事件。相交点的数量越多，就测量结果的可重复性而言，事件越确定。如果三个轮廓相交形成三角形，则可以获得更好的质量结果，从而可以进行三角剖分。如果轮廓相交处在三角剖分区域的底部变化较小的区域内，则可确保测量的可靠性。

实验已经证明，振幅-频谱准则可用于定位基岩岩溶类型的水饱和不连续性。该准则基于反射信号频谱的中心频率向较低频率的显着偏移[21]。

图5是一个GPR剖面图，显示了已识别的水下岩溶特征，宽36 m，厚10 m，并充有冲积物。

从喀斯特地貌反射出来的GPR信号频谱的中心频率从28 MHz偏移到18 MHz。 相对于从喀斯特地貌附近的底部沉积物反射的信号的中心频率，频谱偏移为10 MHz。因此，该偏移可用作确定未扰动和扰动基岩结构区域的标准。

为了识别基岩扰动，我们选择了相位-频率标准，该标准指示从底部沉积物反射的信号频谱的相位完整性（相位同步）变化。图5中的GPR图显示了测深低点，表明岩溶特征的存在，表明在信号评估中使用此标准可提供补充信息并避免仓促得出结论。

图6. 在拟议的管道穿越点的勒拿河潜水式GPR剖面

（由雅库特石油公司进行的钻探确认）。

图7. 拟议的横跨勒拿河的桥梁工地的潜水式GPR数据的3D显示。

为了检测底部沉积物特性的变化，已开发出等压振幅标准KA。该标准定义了从相等深度反射的GPR信号的振幅比。该标准用于绘制底部沉积物图并确定底部表面均匀时水柱的特性[22]。

通过绘制沙沉积物的分布和厚度以估算河道通行能力，潜水式GPR调查可以提供易发生洪水地区冰堵发生所需的可靠的预测信息，并可能建议提前从河道中清除泥沙(在淡水季节）。

以下的调查结果表明，潜水式GPR可以成功地应用于解决水文问题，并结合水文和气象信息来评估春季高流量期间的洪水风险。监测数据也可用于优化作为防洪措施的潜在冰塞地点的疏浚作业。

在容易发生冰堵的位置，潜水式GPR调查确定水深H和河床沉积物厚度Hs（图6）。所获得的参数将被用于建模，以评估河道的能力，并预测冰塞风险区的洪水水位[26]。

作为预防冰塞的一项先期措施，除沙工作建议在夏季进行，同时疏通航道，以提供所需的航道容量。

图7展示了横跨勒拿河的公路和铁路桥梁拟议站点的潜水GPR数据的3D显示。它提供了掩埋基岩地形和底部沉积物分布的3-D图像，从而可以在不同的视角下对通道填充厚度和基岩分布进行更详细的评估。

通常，铁路、高速公路桥梁以及穿越大河的输电线路杆具有各种类型。输电线路杆直接在河床中驱动，与河流力学相互作用。图8（b）和（c）表示垂直GPR剖面的一部分，指示了极点支撑后面和左侧的底部沉积物冲刷参数。

图8. （a）输电线路杆位附近的GPR平面图。

两个垂直剖面上的河流沉积物冲刷参数（b）P_05和（c）P_23。

在研究高流速下河床底部沉积物迁移的时空规律时，有一个是在河道附近的输电线杆附近研究的剖面[图8（a）]。磁极直径略大于5 m。极柱支撑（下游）后面的底部沉积物冲刷宽度为45 m。相对于杆周围底部浮标水准仪的标准位置，冲刷深度大于8 m。同样在轮廓P_05上，还有第二次冲刷，参数为25 m宽和5 m深。轮廓P_23 [图8（c）]发现了长度为104 m，深度为6 m的底部沉积物的冲刷。危险之处在于对与杆子支撑物相连的基岩的冲刷。最终，这将降低电线杆的承载能力。

因此，潜水式GPR的发展使得在跨河线性项目的设计、施工和运营过程中，可以有效地进行深水沉积物的季节性监测。

结论

根据实验室和现场实验的结果，我们确定了各种电导率的GPR频谱偏移的极限。这使我们能够优化用于潜水淡水研究的GPR系统接收器的频率范围。在潜水测量中，建议通过实验调整天线的浸入深度，以便将水表面用作自然的介电反射器。这会使GPR信号的能量增加1.6倍，从而在淡水体中提供了更深的水下穿透。研究表明，通过使用三个相交轮廓的三角剖分方法处理数据，可以提高潜水式GPR结果的可靠性。这对于研究高流速河流的水流时空分布尤其重要。我们定义了用于潜水GPR研究中的河流和湖泊底部沉积物的数据解释的标准。这些标准是幅度-频谱标准、相位-频谱标准和等压振幅标准。潜水式GPR的拟议方法已通过实验证明是一种有用的工具，可用于准确估算沉积物厚度并在潜在的积冰洪水位置绘制冲积沉积物。它可以有效地用于深水体底部沉积物的季节性监测。

因此，潜水式GPR的开发和应用有助于提高水文调查的效率。

参考文献

[1] H. M. Jol, Ed.,Ground Penetrating Radar Theory and Applications, 1st ed. Amsterdam, The Netherlands: Elsevier, 2008, p. 544.

[2] D. V. Karpov and S. P. Semenov, “GPR measurements in wetlands,” Herald Ugra State Univ., no. 3, pp. 66–70, 2012.

[3] S. S. Krylov et al., “The application of GPR technology for the study of dynamic processes in the mouth areas of the rivers,” State Oceanograph. Inst., no. 213, pp. 356–368, 2011.

[4] A. Peter Annan, “GPR methods for hydrogeological studies,” in Hydrogeophysics (Water Science and Technology

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