利用探地雷达探测黄河弯道及桥墩周围冰层厚度

曹晓卫李春江颜小飞吴一帆李志军

摘要：黄河河道冻结结冰过程是黄河防凌汛研究的一个重点，进行弯道和桥墩周围冰层厚度的探测对防治冰凌灾害具有重要的意义。探地雷达对冰厚探测具有便携、高效、连续、快速、实时等优势。雷达天线的频率决定雷达波的穿透深度和分辨率。从雷达图像上可以清楚的识别空气冰界面和冰水界面。通过现场打孔测量冰厚数据反算雷达波在冰层中的传播速度进一步提高了测量结果的准确性。测量结果清楚的显示了弯道及桥墩处冰厚分布不均匀。桥墩北侧冰层较厚，弯道主河道处冰层较厚。200 MHz天线的探地雷达可以穿透黄河冰层，雷达图像可以清楚地显示冰水界面。冰层厚度测量为分析黄河冰的冻结、融化过程以及冬春开河期冰塞、冰坝的治理提供了基础数据。

关键词：黄河；冰厚；探地雷达；弯道；桥墩

中图分类号：TN959.3文献标志码：A文章编号：

16721683（2016）06009105

Measuring ice thickness around the curve and piers in the Yellow River with ground penetrating radar

CAO Xiaowei1，LI Chunjiang2，YAN Xiaofei2，WU Yifan3，LI Zhijun1

（1.Stake Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian116024，China；2.Yellow River Institute of Hydraulic Research，Yellow River Conservancy Commission，Zhengzhou 450000，China；3.School of Civil Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Abstract：The freezing process of yellow river is a key point in the study of Yellow River ice flood prevention，detection of the ice thickness around the curve and piers has important significance for prevention of the ice flood.The ground penetrating radar has the advantages of portable，highly efficient，continuous，fast and real time for ice thickness detection.The frequency of the radar antenna determines the penetration depth and resolution of the radar wave.From the radar images，the airwater interface and icewater interface could be clearly identified.The accuracy of the measurement results was further improved by using ice thickness data from the field drilling to calculate radar propagation velocity in the ice.The measurement results clearly showed that the distribution of ice thickness at the bend and pier was uneven.The ice on the north side of piers and the main channel of the curve was thicker.The ground penetrating radar with 200 Mhz antenna could penetrate the Yellow River ice，and the radar images could clearly show the icewater interface.This study could provide the basic data for the analysis of the yellow river ice freezing and melting process and governance of the ice jam in breakup period.

Key words：Yellow River；ice thickness；ground penetrating radar；curve；pier

[JP+1]黄河是我国的第二大河，河道全长5 400 km[1]。黄河河道冻结结冰过程是黄河防凌汛研究的一个重点，黄河河道结冰过程与气温，水流，河道边界条件等因素有关。每到冬春黄河开河时期，融冰洪水中的冰块受到冰盖结构的影响失去流动的动力，极易在冰盖结构上堆积、堵塞形成冰塞、冰坝结构体，严重堵塞河道，造成冰凌洪水灾害[23]。弯道由于其本身地形的特殊性，浮冰及冰花易在弯道处堆积形成冰塞、冰坝。桥墩在冰期对河道中冰塞、冰坝的形成和演变会产生不可忽视的影响作用[4]。桥墩冰环境中受到的作用主要包括两个方面：一方面是冰和冰盖对桥墩的静冰作用力[5]；另一方面是流冰对桥墩的撞击和摩擦力[6]，这些都可能造成桥墩的破坏。弯道和桥墩周围冰层厚度作为分析的基础数据，对防治冰凌灾害和桥墩破坏具有重要的意义。

冰厚是较难监测的物理指标[7]。目前在大中尺度上的冰厚观测上，国内外已发展了许多自动化观测技术，卫星遥感[8]、雷达探测[9]、电磁感应和激光测距技术的组合[10]、舰载声呐[11]等。在定点冰厚观测方面，系泊声呐和超声探测技术实现了连续监测，但是测量精度只能达到±1 cm[1213]。雷瑞波等[14]研究了三种冰厚定点观测方法：基于磁致伸缩原理的冰厚测量仪、电阻式冰厚测量仪、热电阻丝冰厚测量装置。在小尺度冰厚观测方面，钻孔测量虽然是测量冰厚最可靠的手段，但其效率较低，难以满足一定范围的冰厚观测。探地雷达携带方便，可以高效、连续、快速、实时的对冰厚进行测量，同时已经成功的应用在海冰和淡水冰冰层厚度探测[1516]。

[JP+1]本文主要研究内容是使用探地雷达探测黄河弯道和桥墩冰层厚度，探究探地雷达对黄河冰厚探测的可能性，通过现场打孔测量冰厚数据反算雷达波在冰层中的传播速度来提高冰厚探测的准确性，并根据现场水深数据对冰层厚度分布进行相关分析。

1测量区域和工作方法

本次测量分别于2016年3月1日和2016年3月3日对黄河巨合滩大桥（40°13.151′ N，111°11075′ E）和黄河什四份村弯道（40°17714′ N，111°2738′ E）进行冰层厚度的探测。弯道探测断面分布见图1，从进弯道到出弯道共选取了7个断面，每个断面间距不等的布置了9～13个测点进行冰层厚度和水深的测量。通过7个断面冰层厚度的测量来对整个弯道冰层厚度分布进行分析。

巨合滩黄河公路大桥由西向东跨越黄河，大桥全长937 m，主桥跨径为5×100 m[17]，共五个桥墩，从此次测量的现场图（2（a））中可以看出，只有2个桥墩周围冻结有冰层，定义为1号桥墩和2号桥墩，此次测量就围绕这2个桥墩展开。为了研究桥墩的存在对于河道冰层厚度的影响，如图（2（b））所示，本次测量沿水流方向设置2个纵断面，垂直水流方向设置3个横断面。用探地雷达对这5个断面的冰厚进行测量，来分析桥墩对冰层厚度分布的影响。

探测设备选用的是意大利IDS公司生产的RISK2型探地雷达系统，天线的频率决定雷达波的穿透深度和分辨率。孙波等[18]在第一次中国北极科学考察期间进行有关雷达天线频率与探测深度以及分辨率关系的研究，研究结果表明200 MHz的天线具有较高的分辨率，但穿透能力较弱。根据现场打孔测量冰厚情况，本次测量冰厚均在1 m左右，不需要较强穿透能力，为了得到较高的分辨率，故采用200 MHz的天线进行测量。

2雷达测冰厚的原理

探地雷达发射机向冰层下发射超高频宽带短脉冲电磁波，遇到不同介质和界面时，部分脉冲波将反射回地面，被天线接收，然后进行数据处理[19]。在探测冰层厚度时，空气冰界面和冰水界面处介质发生改变，有反射波被天线接收，从图3可以看出两条颜色变化明显的分界线，由此判断出空气冰界面和冰水界面的位置。

雷达波在冰中的传播速度是决定雷达测量冰层厚度准确性的重要因素，雷达波在冰中的传播速度可以用下式计算：

[WTB1X]v[WT]=C/[KF（]ε[KF）][JY]（1）

式中：C为雷达波在空气中的传播速度（30 cm/ns），ε为物质的相对介电常数，其中纯冰的相对介电常数为317。天然冰相比纯冰结构成分复杂，雷达波的传播速度受到冰晶体结构，气泡含量，泥沙含量等影响。李志军等[20]对冰内气泡对雷达波在冰中传播速度的影响进行了相关研究，研究结果表明：雷达波在粒状冰中的传播速度 1702 cm/ns，在柱状冰中的传播速度为1698 cm/ns。

本次测量雷达波在冰层中的传播速度采用反算方法。如图3所示，从雷达图像中可以清楚的分辨出空气冰界面和冰水界面，快速的提取出雷达波在冰层中的双程传播时间。在弯道处选取10个位置进行打孔测量冰厚，利用其中5个位置的实测冰厚，从对应雷达波图像提取雷达的双程传播时间，利用公式（2）推算得到雷达在冰中的传播速度，如表1所示。通过计算得到雷达波的平均传播速率是1609 cm/ns，由于此次测量处于融冰期，冰内含水量较高，较盛冰期的雷达传播速率慢。通过计算出来的平均速度，得到冰厚的计算公式（3）。

[WTB1X]v[WT]=2D/t[JY]（2）

式中：[WTB1X]v[WT]为雷达波在冰中传播速率；D为人工测量冰厚；t为雷达波双程传播时间。

i=[WTB1X][AKv-D][WT]·t/2=7.86t[JY]（3）

式中：i为雷达测量冰厚（cm），[WTB1X][AKv-D]为雷达波[WT]在冰层中平均传播速度（1609 cm/ns），t为雷达波在冰层中的双程传播时间（ns）。

利用其余5个位置冰厚对公式（3）进行验证，见图4。从图中可以看出根据公式（3）计算得到雷达测量冰厚与实测冰厚相关系数为0994 1，后续冰厚计算均按公式（3）进行计算。

3结果分析

3.1弯道冰层厚度

[JP3]对图（1（b））中虚线区域进行冰层厚度分析，得到弯道水深分布等值线图，弯道冰厚等值线图[21]，见图5。从水深分布等值线图（5（a））中可以清晰的分辨出主河道位置。

从图（5（b））中可以明显看出主河道冰层较主河道外侧浅滩冰层厚，造成这种现象的原因是外侧浅滩主要是自然冻结，而上游水流带来的浮冰和冰花会在主河道处堆积，同时由于弯道的特性，浮冰和冰花会堆积在主河道外侧，造成主河道外侧冰层厚度较厚。从冰厚等值线图（5（b））中可以看出，1号断面中间部分冰厚较薄，主要是因为下游存在清沟造成1号断面的冰厚变薄。比较4号断面和7号断面可以发现，上游进入弯道处的7号断面冰厚较均匀，而处在弯道中间处4号断面冰厚分布不均匀，特别是在主河道位置冰层厚度明显增加。弯道的存在对弯道处的冰层厚度分布影响较大，对上下游的冰层厚度分布影响较小。

从图（5（b））中可以看出弯道处冰层厚度分布不均匀，冰底形态高低起伏，极不平整，造成这种形态的主要原因如下。

（1）黄河主河道位置会发生改变，随着主河道位置的变化，水流会对冰底不同位置产生冲刷，造成了冰层底部的高低不平；

（2）在黄河冰盖冻结过程中，上游水流携带的浮冰和冰花会附着在冰盖的不同位置，造成不同位置的冰厚差异。

（3）黄河本身泥沙含量较高，泥沙对黄河的冻结过程也会产生一定影响。

3.2桥墩周围冰层厚度

使用探地雷达对桥墩纵横断面冰厚进行测量，结果见图6、图7。本次测量的南北横断面均在距离桥墩50 m远的位置，从图6可以看出桥墩南北两侧横断面冰厚分布无明显差别，桥墩的存在对于南北两侧横断面冰厚分布并没有产生较大的影响。从图7可以看出，在纵断面方向上，桥墩北侧冰层厚度较厚，通过分析造成这种差异的原因如下。

（1） 从冻结过程分析，桥墩北侧位于河流上游，水流携带的浮冰和冰花是冰盖冻结的重要组成部分[22]，浮冰和冰花会在桥墩北侧产生堆积，使桥墩北侧的冰层冻结较厚。

（2） 从热力学方面分析，桥墩北侧受桥墩阴影的影响，受太阳光照较少，气温较桥墩南侧低，冻结厚度较厚。

4结果和讨论

结果表明，200 MHz天线的雷达波可以穿透黄河冰层，在选择适合频率的天线条件下，雷达图像可以清楚地显示冰水界面的位置。由于黄河冰是一种复杂介质，又受到冰内泥沙、气泡以及冰温等因素的影响，导致雷达波在冰层中的传播速度出现一定的离散性。提高探地雷达探测精度最理想的方法是与冰钻测厚数据相结合，得到雷达波在冰中传播的实时速度，来提高雷达探测冰厚的准确性。本次研究，对于未来卫星遥感和航空雷达探测来讲，有重要的参考价值。

利用雷达可以快速探测出冰层厚度，对于黄河冰情的监测具有很好的应用前景，对于分析黄河冰的冻结、融化过程以及冬春开河期冰塞、冰坝的治理具有重要的意义。未来希望可以加强对雷达波传播速度的认识，来进一步提高探地雷达对黄河冰厚探测的准确性。

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