利用探地雷達(dá)探測(cè)黃河彎道及橋墩周圍冰層厚度

曹曉衛(wèi)李春江顏小飛吳一帆李志軍

摘要：黃河河道凍結(jié)結(jié)冰過程是黃河防凌汛研究的一個(gè)重點(diǎn)，進(jìn)行彎道和橋墩周圍冰層厚度的探測(cè)對(duì)防治冰凌災(zāi)害具有重要的意義。探地雷達(dá)對(duì)冰厚探測(cè)具有便攜、高效、連續(xù)、快速、實(shí)時(shí)等優(yōu)勢(shì)。雷達(dá)天線的頻率決定雷達(dá)波的穿透深度和分辨率。從雷達(dá)圖像上可以清楚的識(shí)別空氣冰界面和冰水界面。通過現(xiàn)場(chǎng)打孔測(cè)量冰厚數(shù)據(jù)反算雷達(dá)波在冰層中的傳播速度進(jìn)一步提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。測(cè)量結(jié)果清楚的顯示了彎道及橋墩處冰厚分布不均勻。橋墩北側(cè)冰層較厚，彎道主河道處冰層較厚。200 MHz天線的探地雷達(dá)可以穿透黃河冰層，雷達(dá)圖像可以清楚地顯示冰水界面。冰層厚度測(cè)量為分析黃河冰的凍結(jié)、融化過程以及冬春開河期冰塞、冰壩的治理提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：黃河；冰厚；探地雷達(dá)；彎道；橋墩

中圖分類號(hào)：TN959.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

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]黃河是我國的第二大河，河道全長5 400 km[1]。黃河河道凍結(jié)結(jié)冰過程是黃河防凌汛研究的一個(gè)重點(diǎn)，黃河河道結(jié)冰過程與氣溫，水流，河道邊界條件等因素有關(guān)。每到冬春黃河開河時(shí)期，融冰洪水中的冰塊受到冰蓋結(jié)構(gòu)的影響失去流動(dòng)的動(dòng)力，極易在冰蓋結(jié)構(gòu)上堆積、堵塞形成冰塞、冰壩結(jié)構(gòu)體，嚴(yán)重堵塞河道，造成冰凌洪水災(zāi)害[23]。彎道由于其本身地形的特殊性，浮冰及冰花易在彎道處堆積形成冰塞、冰壩。橋墩在冰期對(duì)河道中冰塞、冰壩的形成和演變會(huì)產(chǎn)生不可忽視的影響作用[4]。橋墩冰環(huán)境中受到的作用主要包括兩個(gè)方面：一方面是冰和冰蓋對(duì)橋墩的靜冰作用力[5]；另一方面是流冰對(duì)橋墩的撞擊和摩擦力[6]，這些都可能造成橋墩的破壞。彎道和橋墩周圍冰層厚度作為分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)防治冰凌災(zāi)害和橋墩破壞具有重要的意義。

冰厚是較難監(jiān)測(cè)的物理指標(biāo)[7]。目前在大中尺度上的冰厚觀測(cè)上，國內(nèi)外已發(fā)展了許多自動(dòng)化觀測(cè)技術(shù)，衛(wèi)星遙感[8]、雷達(dá)探測(cè)[9]、電磁感應(yīng)和激光測(cè)距技術(shù)的組合[10]、艦載聲吶[11]等。在定點(diǎn)冰厚觀測(cè)方面，系泊聲吶和超聲探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)監(jiān)測(cè)，但是測(cè)量精度只能達(dá)到±1 cm[1213]。雷瑞波等[14]研究了三種冰厚定點(diǎn)觀測(cè)方法：基于磁致伸縮原理的冰厚測(cè)量儀、電阻式冰厚測(cè)量儀、熱電阻絲冰厚測(cè)量裝置。在小尺度冰厚觀測(cè)方面，鉆孔測(cè)量雖然是測(cè)量冰厚最可靠的手段，但其效率較低，難以滿足一定范圍的冰厚觀測(cè)。探地雷達(dá)攜帶方便，可以高效、連續(xù)、快速、實(shí)時(shí)的對(duì)冰厚進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)已經(jīng)成功的應(yīng)用在海冰和淡水冰冰層厚度探測(cè)[1516]。

[JP+1]本文主要研究內(nèi)容是使用探地雷達(dá)探測(cè)黃河彎道和橋墩冰層厚度，探究探地雷達(dá)對(duì)黃河冰厚探測(cè)的可能性，通過現(xiàn)場(chǎng)打孔測(cè)量冰厚數(shù)據(jù)反算雷達(dá)波在冰層中的傳播速度來提高冰厚探測(cè)的準(zhǔn)確性，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水深數(shù)據(jù)對(duì)冰層厚度分布進(jìn)行相關(guān)分析。

1測(cè)量區(qū)域和工作方法

本次測(cè)量分別于2016年3月1日和2016年3月3日對(duì)黃河巨合灘大橋（40°13.151′ N，111°11075′ E）和黃河什四份村彎道（40°17714′ N，111°2738′ E）進(jìn)行冰層厚度的探測(cè)。彎道探測(cè)斷面分布見圖1，從進(jìn)彎道到出彎道共選取了7個(gè)斷面，每個(gè)斷面間距不等的布置了9～13個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行冰層厚度和水深的測(cè)量。通過7個(gè)斷面冰層厚度的測(cè)量來對(duì)整個(gè)彎道冰層厚度分布進(jìn)行分析。

巨合灘黃河公路大橋由西向東跨越黃河，大橋全長937 m，主橋跨徑為5×100 m[17]，共五個(gè)橋墩，從此次測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)圖（2（a））中可以看出，只有2個(gè)橋墩周圍凍結(jié)有冰層，定義為1號(hào)橋墩和2號(hào)橋墩，此次測(cè)量就圍繞這2個(gè)橋墩展開。為了研究橋墩的存在對(duì)于河道冰層厚度的影響，如圖（2（b））所示，本次測(cè)量沿水流方向設(shè)置2個(gè)縱斷面，垂直水流方向設(shè)置3個(gè)橫斷面。用探地雷達(dá)對(duì)這5個(gè)斷面的冰厚進(jìn)行測(cè)量，來分析橋墩對(duì)冰層厚度分布的影響。

探測(cè)設(shè)備選用的是意大利IDS公司生產(chǎn)的RISK2型探地雷達(dá)系統(tǒng)，天線的頻率決定雷達(dá)波的穿透深度和分辨率。孫波等[18]在第一次中國北極科學(xué)考察期間進(jìn)行有關(guān)雷達(dá)天線頻率與探測(cè)深度以及分辨率關(guān)系的研究，研究結(jié)果表明200 MHz的天線具有較高的分辨率，但穿透能力較弱。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)打孔測(cè)量冰厚情況，本次測(cè)量冰厚均在1 m左右，不需要較強(qiáng)穿透能力，為了得到較高的分辨率，故采用200 MHz的天線進(jìn)行測(cè)量。

2雷達(dá)測(cè)冰厚的原理

探地雷達(dá)發(fā)射機(jī)向冰層下發(fā)射超高頻寬帶短脈沖電磁波，遇到不同介質(zhì)和界面時(shí)，部分脈沖波將反射回地面，被天線接收，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[19]。在探測(cè)冰層厚度時(shí)，空氣冰界面和冰水界面處介質(zhì)發(fā)生改變，有反射波被天線接收，從圖3可以看出兩條顏色變化明顯的分界線，由此判斷出空氣冰界面和冰水界面的位置。

雷達(dá)波在冰中的傳播速度是決定雷達(dá)測(cè)量冰層厚度準(zhǔn)確性的重要因素，雷達(dá)波在冰中的傳播速度可以用下式計(jì)算：

[WTB1X]v[WT]=C/[KF（]ε[KF）][JY]（1）

式中：C為雷達(dá)波在空氣中的傳播速度（30 cm/ns），ε為物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，其中純冰的相對(duì)介電常數(shù)為317。天然冰相比純冰結(jié)構(gòu)成分復(fù)雜，雷達(dá)波的傳播速度受到冰晶體結(jié)構(gòu)，氣泡含量，泥沙含量等影響。李志軍等[20]對(duì)冰內(nèi)氣泡對(duì)雷達(dá)波在冰中傳播速度的影響進(jìn)行了相關(guān)研究，研究結(jié)果表明：雷達(dá)波在粒狀冰中的傳播速度 1702 cm/ns，在柱狀冰中的傳播速度為1698 cm/ns。

本次測(cè)量雷達(dá)波在冰層中的傳播速度采用反算方法。如圖3所示，從雷達(dá)圖像中可以清楚的分辨出空氣冰界面和冰水界面，快速的提取出雷達(dá)波在冰層中的雙程傳播時(shí)間。在彎道處選取10個(gè)位置進(jìn)行打孔測(cè)量冰厚，利用其中5個(gè)位置的實(shí)測(cè)冰厚，從對(duì)應(yīng)雷達(dá)波圖像提取雷達(dá)的雙程傳播時(shí)間，利用公式（2）推算得到雷達(dá)在冰中的傳播速度，如表1所示。通過計(jì)算得到雷達(dá)波的平均傳播速率是1609 cm/ns，由于此次測(cè)量處于融冰期，冰內(nèi)含水量較高，較盛冰期的雷達(dá)傳播速率慢。通過計(jì)算出來的平均速度，得到冰厚的計(jì)算公式（3）。

[WTB1X]v[WT]=2D/t[JY]（2）

式中：[WTB1X]v[WT]為雷達(dá)波在冰中傳播速率；D為人工測(cè)量冰厚；t為雷達(dá)波雙程傳播時(shí)間。

i=[WTB1X][AKv-D][WT]·t/2=7.86t[JY]（3）

式中：i為雷達(dá)測(cè)量冰厚（cm），[WTB1X][AKv-D]為雷達(dá)波[WT]在冰層中平均傳播速度（1609 cm/ns），t為雷達(dá)波在冰層中的雙程傳播時(shí)間（ns）。

利用其余5個(gè)位置冰厚對(duì)公式（3）進(jìn)行驗(yàn)證，見圖4。從圖中可以看出根據(jù)公式（3）計(jì)算得到雷達(dá)測(cè)量冰厚與實(shí)測(cè)冰厚相關(guān)系數(shù)為0994 1，后續(xù)冰厚計(jì)算均按公式（3）進(jìn)行計(jì)算。

3結(jié)果分析

3.1彎道冰層厚度

[JP3]對(duì)圖（1（b））中虛線區(qū)域進(jìn)行冰層厚度分析，得到彎道水深分布等值線圖，彎道冰厚等值線圖[21]，見圖5。從水深分布等值線圖（5（a））中可以清晰的分辨出主河道位置。

從圖（5（b））中可以明顯看出主河道冰層較主河道外側(cè)淺灘冰層厚，造成這種現(xiàn)象的原因是外側(cè)淺灘主要是自然凍結(jié)，而上游水流帶來的浮冰和冰花會(huì)在主河道處堆積，同時(shí)由于彎道的特性，浮冰和冰花會(huì)堆積在主河道外側(cè)，造成主河道外側(cè)冰層厚度較厚。從冰厚等值線圖（5（b））中可以看出，1號(hào)斷面中間部分冰厚較薄，主要是因?yàn)橄掠未嬖谇鍦显斐?號(hào)斷面的冰厚變薄。比較4號(hào)斷面和7號(hào)斷面可以發(fā)現(xiàn)，上游進(jìn)入彎道處的7號(hào)斷面冰厚較均勻，而處在彎道中間處4號(hào)斷面冰厚分布不均勻，特別是在主河道位置冰層厚度明顯增加。彎道的存在對(duì)彎道處的冰層厚度分布影響較大，對(duì)上下游的冰層厚度分布影響較小。

從圖（5（b））中可以看出彎道處冰層厚度分布不均勻，冰底形態(tài)高低起伏，極不平整，造成這種形態(tài)的主要原因如下。

（1）黃河主河道位置會(huì)發(fā)生改變，隨著主河道位置的變化，水流會(huì)對(duì)冰底不同位置產(chǎn)生沖刷，造成了冰層底部的高低不平；

（2）在黃河冰蓋凍結(jié)過程中，上游水流攜帶的浮冰和冰花會(huì)附著在冰蓋的不同位置，造成不同位置的冰厚差異。

（3）黃河本身泥沙含量較高，泥沙對(duì)黃河的凍結(jié)過程也會(huì)產(chǎn)生一定影響。

3.2橋墩周圍冰層厚度

使用探地雷達(dá)對(duì)橋墩縱橫斷面冰厚進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見圖6、圖7。本次測(cè)量的南北橫斷面均在距離橋墩50 m遠(yuǎn)的位置，從圖6可以看出橋墩南北兩側(cè)橫斷面冰厚分布無明顯差別，橋墩的存在對(duì)于南北兩側(cè)橫斷面冰厚分布并沒有產(chǎn)生較大的影響。從圖7可以看出，在縱斷面方向上，橋墩北側(cè)冰層厚度較厚，通過分析造成這種差異的原因如下。

（1） 從凍結(jié)過程分析，橋墩北側(cè)位于河流上游，水流攜帶的浮冰和冰花是冰蓋凍結(jié)的重要組成部分[22]，浮冰和冰花會(huì)在橋墩北側(cè)產(chǎn)生堆積，使橋墩北側(cè)的冰層凍結(jié)較厚。

（2） 從熱力學(xué)方面分析，橋墩北側(cè)受橋墩陰影的影響，受太陽光照較少，氣溫較橋墩南側(cè)低，凍結(jié)厚度較厚。

4結(jié)果和討論

結(jié)果表明，200 MHz天線的雷達(dá)波可以穿透黃河冰層，在選擇適合頻率的天線條件下，雷達(dá)圖像可以清楚地顯示冰水界面的位置。由于黃河冰是一種復(fù)雜介質(zhì)，又受到冰內(nèi)泥沙、氣泡以及冰溫等因素的影響，導(dǎo)致雷達(dá)波在冰層中的傳播速度出現(xiàn)一定的離散性。提高探地雷達(dá)探測(cè)精度最理想的方法是與冰鉆測(cè)厚數(shù)據(jù)相結(jié)合，得到雷達(dá)波在冰中傳播的實(shí)時(shí)速度，來提高雷達(dá)探測(cè)冰厚的準(zhǔn)確性。本次研究，對(duì)于未來衛(wèi)星遙感和航空雷達(dá)探測(cè)來講，有重要的參考價(jià)值。

利用雷達(dá)可以快速探測(cè)出冰層厚度，對(duì)于黃河冰情的監(jiān)測(cè)具有很好的應(yīng)用前景，對(duì)于分析黃河冰的凍結(jié)、融化過程以及冬春開河期冰塞、冰壩的治理具有重要的意義。未來希望可以加強(qiáng)對(duì)雷達(dá)波傳播速度的認(rèn)識(shí)，來進(jìn)一步提高探地雷達(dá)對(duì)黃河冰厚探測(cè)的準(zhǔn)確性。

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