探地雷达技术的水下沉积地形探测应用研究

　　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。

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