基于探地雷达技术的水下沉积地形探测应用研究

张开伟 吴园平 王世淼 聂庆科 雒斌涛

摘要：探地雷达技术作为一种高效无损的电磁波法探测手段，其在淡水介质中电磁波的强穿透弱损耗性及仪器设备操作轻便易使用等特点使得其在探测淡水水道沉积物界面和沉积物富集体识别方面具备天然优势。基于此，利用探地雷达技术对松花江部分江体水道进行综合探测，研究水道沉积物界面分层和沉积物富集体的展布规律及范围。首先通过理论结合实际水域水文地质情况，分析探地雷达技术的可应用条件及特点;其次应用探地雷达技术对实际水道剖面进行探测，对不同地段水道探地雷达探测剖面数据进行反演计算及分析，判断该段水道水深、工程地质分层、地层厚度及沉积物富集体深度位置;最后结合探地雷达探测结果与浅层剖面仪声呐探测结果进行对比，验证探地雷达探测效果的准确性。结果表明：应用探地雷达对淡水水道各个沉积地层进行探测和分层的可行的，且探地雷达探测数据的离散性比浅层面仪声呐探测较小，置信区间大，采信度较高。

关 键 词：水道断面; 探地雷达; 异常分析; 沉积物界面; 沉积物富集体; 松花江

近年来随着社会经济的快速发展和人们对美好生活的日益追求，使得淡水河道清淤治理工作成为了一个迫在眉睫的问题。目前，大部分淡水河道工程治理的主要是采用河道淤积体环保疏浚的方法，环保疏浚前期需要对水道沉积物界面和沉积物富集体进行精确测定和准确探查，为后期的工程施工方式及工程预算提供重要的技术资料支持[1-2]。水道沉积物界面和沉积物富集体最常用的探测方法主要有放射性探测法、钻孔取样法和淤泥采样器法等。其中，钻孔取样法和淤泥采样器法属于单点勘探测量方法，主要是用来验证物探异常区域，不利于大面积开展工作且资金投入较大不经济;放射性探测法受到放射源的管理机制及安全性因素其开展工作较为困难[3-5]。基于此，在松花江疏浚治理工作部分江体水道沉积物界面和沉积物富集体探测识别采样工作中，大胆采用了探地雷达技术进行工作，通过实际探地雷达探测结果与浅层剖面声呐探测结果对比验证，认为探地雷达技术在淡水水道沉积物界面和沉积物富集体探测方面优势明显，在河道清淤处理地质勘探工作中具备大面积推广的潜力[6-7]。

1 探测原理及地球物理条件分析

1.1 探地雷达技术河道探测原理

探地雷达探测技术的主要原理见图1，主要由探地雷达控制主机控制水面上的发射天线，将高频短脉冲高频电磁波信号定向发射进入水中，高频电磁波信号遇到存在介质差异的不同水道沉积地层及沉积物富集体就会产生反射，反射信号返回水面，由接收天线接收。水下探测介质的厚度传播时间t主要采用式（1）进行计算，通常d的值相较于H值非常小，为了方便计算基本忽略d值，H值可用简化公式式（2）进行计算[8-9]。

1.2 地球物理条件分析

结合已有的水文地质资料，松花江淡水水道稳静区域沉积物分层与沉积物富集体的展布形态主要由沉积物本身形态的大小与水道水流流速决定[12-13]。通常情况下，在水道由急流区域向稳静区域转换时，流水中的碎屑物在搬运途中，由于受到水的流速、流量变化及碎屑物本身大小、形状、比重等的影响，流水介质中的碎屑物沉积顺序就产生了先后之分[14-15]。一般颗粒较大、比重大的碎屑物质先沉积，颗粒较小、比重小的物质后沉积，特殊沉积物会组团富集沉积（如大量的冲积物集中堆富沉积）[16]。因此，在水道由急流区域向稳静区域转换后，河道淡水中的碎屑物在同一河道断面逐渐形成由淤泥、粉细沙、卵砾石及冲积物富集体等组成的沉积层及沉积体[17-18]。一般情况下，淡水的介电常数约为 81，淤泥的介电常数约为10～30，卵砾石的介电常数约为 4～6，粉细砂介电常数介于淤泥与卵砾石之间，大小由淤泥向卵砾石逐渐减小，冲积物富集体介电常数组成较为复杂，介于 3～20之间[19-20]。由此，从各层之间的介电常数数值可以看出，各地层之间介电常数差异性较大，这就具备了采用探地雷达技术开展工作的地球物理勘探条件。

2 设备选择及测线布置

2.1 探地雷达技术设备选择

从松花江河道沉积地层的地球物理条件可知，松花江河道沉积地层中各个地层介质之间的介电性质差异比较明显，这为探地雷达开展探测工作提供了基本保障。但是在使用探地雷达开展探测工作时，探测分辨率和探测深度总是会存在不可调和的矛盾，即探测频率较低的探测天线其探测深度虽然较大，但其探测分辨率不足，探测精度稍差，而探测频率高的探测天线可以得到较好的分辨率，但其探测深度又大打折扣。为此，综合考虑松花江河流工作区域水文地质条件和河道实际的工作特点，認为采用300 MHz及100 MHz探地雷达探测天线配合 ZOND12-E雷达主机系统开展探测工作可以满足技术要求，同时对探地雷达天线形状和布置进行改进以利于水面探测，采样时采用触发时间与采样船运行时间同步GPS定位触发采样。反演软件在层位追踪算法上也进行了深入调整，针对水深及沉积层综合探测时在时间参数与探测道号数据振幅基本稳定的特殊特点，重点采用多相关性层位追踪算法，通过分析探测回波的相关同相轴层位，实现各个探测层位的准确定位。

2.2 探测剖面测线布置

针对项目工作区域松花江不同水道地段的实际地形情况，探地雷达探测测线重点按照垂直水道顺流方向进行布设，共计布设两处较大的探地雷达测线。图2是松花江某河段探地雷达探测测线布置示意。

3 实际探测数据分析

该项目位于松花江段某支流和干流的汇集段，受到地形的影响，流水汇集区出现旋流现象频繁，汇集区下游河道淤积程度较大，河道年度淤积量剧增，河道抬升高度逐年增加。为降低汛期溃堤风险，需要及时采取清淤措施进行河道清淤处理，降低河面高度减少安全隐患。为此，该区段水务河道管理部门委托我们对该段河道沉积地层的厚度、深度、规模、分层界面及沉积物富集体部位进行勘探工作，已确定具体的清淤方案及工作量，结合该工程项目具体探地雷达实际探测数据进行分析，同时与浅层剖面仪声呐探测的结果进行对比，校核探地雷达的探测效果。

3.1 P1剖面探测数据分析

该剖面位置处于松花江干流与干流汇聚、干流与干流分离的交接部位，水流以急流、稳流和旋流相互交织状态为主，水情极为复杂，河道高度高出地面安全警戒高度很多，急需治理。图3为P1剖面探地雷达地质剖面综合解释图。

从图3可以看出，电磁波能量从水面向下逐渐衰减，水深及沉积层界面探测时间、深度及探测道号数据振幅基本稳定，各个分层界面和相轴一致，通过多相关性层位追踪算法可以较为准确定位各个层位的界面。整体上来说，探地雷达技术对于水面以下沉积物地质分层界面识别程度比较高，各个地层分层效果较好。综合地质解释图上显示河道在沉积的过程中，大颗粒先行沉积，随着沉积过程的不断进行，地层也逐渐向上抬升;受到沉积体自重沉降压密效应的影响，深部地层逐渐趋于稳定，上部地层也逐渐抬升;进入淤泥层后出现了较多沉积物富集体集中区域，富集体分布在淤泥层3.9～5.4 m之间。经过后期的开挖打捞，发现这些富集体多是河流在洪水期间搬运的大体积孤石、大直径树木碳化沉积物及工业生活垃圾。验证钻孔柱状图显示，钻孔揭露地层和探地雷达解释地层基本接近，在地层界面深度上略有差异。综合以上沉积物地层的探测展布结果可以看出，个别地层出现了地层尖灭现象，地层杂糅交错，河流相沉积地层假整合现象明显，地层界面形态复杂。

从图4～5及表1可以看出，通过对探地雷达探测和浅层剖面仪声呐探测同样位置进行抽道处理，可以看到二者反演深度结果存在差异，两者探测结果之间的相对极差范围为：河道水体深度相对极差范围0～6%，淤泥层厚度相对极差范围0～13%，粉、细砂及黏土层厚度相对极差范围0～16%，中、粗砂层厚度相对极差范围0～24%。

表1数据显示，随着沉积地层深度的加深，探地雷达和浅层剖面仪声呐探测对不同沉积地层的探测厚度相对极差也在不断增大，二者数据不匹配性程度也在增强，这说明随着探测深度增加，二者对地层的界面探测分辨率和精度也在不同折减，不同的是探地雷达反应的主要是连续剖面的影响，浅层剖面仪声呐探测反应的单点数据影响，综合而言探地雷达探测数据离散性较之浅层剖面仪声呐探测较小，采信度较大。

3.2 P2剖面探测数据分析

该剖面位置处于松花江干流与干流汇聚部位，水流以急流向稳流渐变状态为主，水情复杂程度一般，河面较为静稳，河道高度接近地面安全警戒高度，也需治理。图6为P2剖面探地雷达地质剖面综合解释图。

图6 P2剖面探地雷达地质剖面综合解释图

Fig.6 P2 section of GPR Geological Section

comprehensive interpretation map

从图6可以看出，电磁波能量从水面向下逐渐衰减，水深及沉积层界面探测时间、深度及探测道号数据振幅较为稳定，各个分层界面同相轴基本一致，个别部位存在缺失现象，多相关性层位追踪算法可以准确定位各个层位的界面，对于水面以下沉积物地质分层界面识别程度较高，各个地层分层效果较好。地质解释图上显示河道在沉积的过程中，大颗粒先行沉积，随着沉积过程的不断进行地层也逐渐向上抬升，受到沉积体自重沉降压密效应的影响，深部地层逐渐趋于稳定，上部地层也逐渐抬升发展。这与P1剖面沉积顺序基本一致，但沉积物富集体存在深度较不集中，分布层位也不相同，每个层位都有分布，3处富集体分布的深度分别为4.6，4.7，8.7 m，这与水流以急流向稳流渐变状态为主密切相关，没有旋流的作用沉积富集体会不断逐层沉积，交错富集和集中富集现象不明显，这些富集体也多是河流在洪水期间搬运的大体积孤石、大直径树木碳化沉积物及工业生活漂浮垃圾沉积。验证钻孔柱状图显示，钻孔揭露地层和探地雷达解释地层分布上基本一致，只是在地层界面深度上钻孔揭露地层偏深。综合各个沉积物地层的探测展布结果情况可以看出，未出现地层尖灭现象，沉积地层层序基本是按照顺序沉积，沉积地层较为连续。

从图7～8及表2中可以看出，通过对探地雷达探测和浅层剖面仪声呐探测同样位置进行抽道处理，可以看到二者反演深度结果存在差异，两者探测结果之间的极差范围分别为：河道水体深度相对极差范围0～5%，淤泥层厚度相对极差范围0～8%，粉、细砂及黏土层厚度相对极差范围0～14%，中、粗砂及卵砾石胶结层探测界面相对极差范围0～13%。

表2数据显示，随着沉积地层深度的加深，探地雷达和淺层剖面仪声呐探测对不同沉积地层的探测厚度相对极差虽然也在增大，但二者数据不匹配性程度与P1剖面相比有所减弱，这说明在水流以急流向稳流渐变状态为主的区域，尤其河道稳静区域随着探测深度增加，二者对于地层的界面探测分辨率和精度折减方面相较水流复杂区域有减弱趋势，综合来说P2剖面整体探地雷达数据测试较为平稳，数据一致性和浅层剖面仪声呐匹配性较好。

4 结 论

（1） 应用探地雷达对淡水水道各个沉积地层深度进行探测和分层这种方法是可行的，探地雷达可较为快速准确地定位水道内水位深度和不同沉积地层的厚度，可以反映沉积物富集体的规模、范围及深度，其探测深度也能满足实际工程需要。同时，通过探测资料解释成果可以直观看到，横切水道断面时水道各个沉积断面及淤泥层上部流面的形态参数，这都能为工程治理方案选择及工程预算提供较好的技术支持。

（2） 通过探地雷达技术的探测结果和浅层剖面仪声呐探测结果对比可知，两者是存在一定误差，尤其随着探测深度的增加，探地雷达和浅层剖面仪声呐探测对不同沉积地层的探测厚度相对极差不断增大，二者数据不匹配性程度也在增强，这说明随着探测深度增加，二者对于地层的界面探测分辨率和精度也在不同折减，不同的是探地雷达反映的主要是连续剖面的影响而浅层剖面仪声呐探测反映的单点数据影响，探地雷达探测数据离散性较之浅层剖面仪声呐探测较小，置信区间较大，采信度较高。

参考文献：

[1] 刘之平，付辉，郭新蕾，等.冰水情一体化双频雷达测量系统[J].水利学报， 2017（11）： 1341-1347.

[2] 章思亮，胡方涛，宋术伟，等.浅层剖面仪在河道淤泥测量中的应用分析[J].工程勘察， 2017 （3）： 69-73.

[3] 张宝森，张防修，刘滋洋，等.黄河河道冰层雷达波特征图谱的现场实验研究[J].南水北调与水利科技，2017（1）： 121-125.

[4] 曹淞，冯晅，鹿琪，等.探地雷达在古河道砂岩体沉积储层刻画中的应用[J].世界地质，2016 （1）： 223-234.

[5] 安铎，陆新宇，李经纬.基于探地雷达技术的水闸脱空检测方法研究[J].人民长江，2014，45（S2）： 202-205.

[6] 杨峰，彭苏萍.探地雷达探测原理与方法研究[M].北京：科学出版社，2010.

[7] 朱永和，白云. 格威系列地质雷达及在水库坝基渗漏探测中的应用[J]. 科学技术与工程，2017（11）：164-168.

[8] 李双喜，曾昭发，李静，等.探地雷达极化探测时域有限差分法模拟效果分析[J].工程地球物理学报，2014（14）： 513-521.

[9] 张开伟，李汇丽.地质雷达在河道断面测量分层的应用[C]∥中国建筑学会工程勘察分会会议论文集，2014： 712-715.

[10] 王复明，尚向阳，钟燕辉.探地雷达在河流水深探测中的应用研究[J].人民黄河，2008（11）： 17-18.

[11] 聂洪峰.机载侧视雷达图像在探测沙漠腹地故河道中的应用研究[J].遥感学报，2002 （1）： 15-18.

[12] 安铎，陆新宇，李经纬.基于探地雷达技术的水闸脱空检测方法研究[J].人民长江，2014，43（S2）： 19-21.

[13] 謝有忠，詹瑜璋，胡植庆，等.激光雷达地形资料用于河道输沙的研究[J].遥感学报， 2013（1）： 223-234.

[14] 时方稳，杜应吉，郝枫楠.探地雷达在水利工程安全检测中的应用[J].人民长江，2012，43（7）： 44-46.

[15] 郭成超，王复明，谢晓莉，等.探地雷达在河道探测中的应用[J].物探与化探， 2012（5）： 887-892.

[16] 江丽，吴栋，李春林.地质雷达在边坡稳定性检测和预警中的应用[J].人民长江，2012，43（5）： 51-53.

[17] 尚向阳，张汝印，苏茂荣，等.探地雷达在黄河枣树沟水下探测中的应用[J].人民黄河，2011（3）： 10-12.

[18] 阚生雷，穆伟刚，李晓芳. 基于地质雷达的河道断面测量的实验研究[J].北方工业大学学报，2010（3）： 62-65.

[19] 魏永强，邓居智，丁长河.探地雷达和高密度电阻率法在围垦堤坝探测中的应用[J]. 物探与化探，2010（1）： 887-892.

[20] 尚向阳，楚景记，张汝印.探地雷达在鸭河水库水下断面探测中的应用研究[J].西部探矿工程，2010（4）： 19-21.

（编辑：刘 媛）