黃河河道冰層雷達(dá)波特征圖譜的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)研究

張寶森+張防修+劉滋洋+韓紅衛(wèi)+李志軍

摘要：2013年-2014年冬季，利用RIS K2型探地雷達(dá)在內(nèi)蒙古頭道拐水文站黃河河道斷面開展冰層厚度探測試驗(yàn)。試驗(yàn)使用不同頻率天線探測冰厚，并與鉆孔實(shí)測冰厚對比。結(jié)果顯示200 MHz頻率天線可探測到冰下更深部位的狀況，并能夠識別出冰花層。利用雷達(dá)探測圖譜中電磁波傳播時間和實(shí)測冰厚得到盛冰期雷達(dá)電磁波在冰內(nèi)的實(shí)際傳播速度為16.3 cm/ns；而融化期雷達(dá)電磁波在冰內(nèi)的實(shí)際傳播速度小于15.0 cm/ns。雷達(dá)探測結(jié)果還顯示垂直于河道斷面方向的冰層厚度分布不均勻。主流區(qū)是以熱力學(xué)生長的顆粒冰和柱狀冰為主，最大冰厚約為60 cm；而非主流區(qū)是以冰花冰為主，最大冰厚約為70 cm。另外，雷達(dá)圖譜也可以確定冰層裂縫的具體位置、走向。

關(guān)鍵詞：冰層；探地雷達(dá)；雷達(dá)圖譜；實(shí)驗(yàn)分析；黃河

中圖分類號：TV698.2；TN959.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1672-1683（2017）01-0121-05

Abstract：Radar measurement experiments were performed with a RIS K2 at the Toudaoguai Hydrological Station section in the winter of 2013-2014.The experiments detected ice thickness using radar with different frequency antenna and compared the detected thickness with measured thickness by drilling.The results showed the 200-MHz antenna can detect deeper depth below river ice and identify the frazil ice layer.The radar transmission speed in ice was determined based on the propagation time of radar electromagnetic wave and measured ice thickness.The radar transmission speed was about 16.3 cm/ns in the freezing period and less than 15.0 cm/ns in melting period.The GPR images showed that the thickness of the ice layer was not uniform along the section perpendicular to the course of river.In the main flow area between Pile No.400 and No.520，the maximum ice thickness was about 60 cm and the ice was mainly made up of granular ice and columnar ice created by thermodynamic growth.In the non-main flow area between Pile No.520 and No.740，the maximum ice thickness was about 70 cm and the ice was mainly made up of frazil ice.In addition，The GPR images can be used to locate the position and direction of the ice cracks in ice layer.

Key words： ice layer；ground-penetrating radar （GPR）；radar images；experimental analysis；Yellow River

我國東北、西北及青藏高原地區(qū)的冬季均存在河流湖泊結(jié)冰現(xiàn)象。河湖冰的存在對其包圍的結(jié)構(gòu)物構(gòu)成威脅，如河中流冰對橋墩的撞擊[1]，融冰期湖冰熱膨脹應(yīng)力對護(hù)坡的破壞[2]；另外冰作為一種天然材料可以利用，如冰上汽車通行和冰上飛機(jī)起降[3-4]。也可以作為冰燈藝術(shù)的材料[5]。無論是冰的防治，還是冰的利用，冰厚度均是一個關(guān)鍵參數(shù)。因此，冰厚度在冰凌成因分析及預(yù)報[8]、冰工程[9]中是至關(guān)重要的因子之一。它對南水北調(diào)工程中的冰蓋膨脹力[6]和輸水能力[7]有直接貢獻(xiàn)。目前有多種方法獲得冰厚度，其中最直接的方式是原位鉆孔測量和熱電阻絲接觸式測量[10]。這兩種方法雖然簡單，但是效率偏低，很難實(shí)現(xiàn)大范圍冰厚度調(diào)查；冰下超聲測距儀（測量距離為150 cm，設(shè)計精度為1 mm，數(shù)據(jù)分辨率為0.01 mm）可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)高精度連續(xù)測量冰厚，在北極海冰[11]、國內(nèi)大慶水庫冰[10]、青藏高原北麓河熱融湖塘冰[12]厚度測量中得到應(yīng)用。另外用磁致位移傳感器，在冰層的底面和表面均結(jié)合機(jī)械運(yùn)動磁環(huán)，獲得過高精度定點(diǎn)接觸式測量冰厚[13]。而海冰厚度測量注重觀測范圍大，它利用激光高度計衛(wèi)星（ICESat）和合成孔徑雷達(dá)（SAR）對海冰大區(qū)域觀測。其中ICESat原理為通過測量海水與海冰之間的高度差（干舷），然后根據(jù)冰在水中的浮力原理計算海冰厚度[14-17]，而這種方法無法消除冰上積雪的影響。當(dāng)表面積雪越厚，觀測所得海冰厚度的誤差越大。SAR使用主動微波傳感器，與被動微波傳感器相比其精度有所提高，研究表明SAR 具有探測海冰厚度的潛力[18-20]。

目前黃河冰厚測量方式主要是人工測量，它只有在河流封凍且工作人員在冰上能夠自由活動時才能實(shí)現(xiàn)測量。另外，黃河部分位置的寬度均是百米級，給同量級的衛(wèi)星遙感帶來挑戰(zhàn)。另外河冰下存在的冰花，發(fā)生的冰塞影響到定點(diǎn)測量技術(shù)的推廣。因而尋求非接觸式高效測量是必然趨勢，其中無人機(jī)懸掛探地雷達(dá)探測，能夠解決不穩(wěn)定冰層厚度探測。對于初冰期、融冰期和冰塞冰壩期的冰厚度探測具有快速安全特點(diǎn)。本文使用的探地雷達(dá)技術(shù)是原位冰面測量，它具有無損、連續(xù)、快速、高效、高精度、實(shí)時成像探測等特點(diǎn)，在淡水冰[21]、海冰[22]、冰川冰[23]均有應(yīng)用。是發(fā)展非接觸探測的雛形。通過定期對比同一河道斷面冰層探測圖像，可準(zhǔn)確確定冰層厚度和結(jié)構(gòu)變化[24]，能夠及時發(fā)現(xiàn)異常，為解譯冰層厚度變化和結(jié)構(gòu)變化提供科學(xué)判據(jù)。

本文以黃河頭道拐為依托，于2013年-2014年度冬季對河道斷面開展反復(fù)雷達(dá)探測，獲得了一批雷達(dá)測試冰層厚度數(shù)據(jù)。同時取樣測試冰晶體結(jié)構(gòu)和密度等參數(shù)。在此介紹冰層雷達(dá)圖譜，以期為淡水冰雷達(dá)測厚技術(shù)提供參考和經(jīng)驗(yàn)積累。

1 雷達(dá)探測河道冰層方法

由于冰、純水、底層沉積物介電常數(shù)分別為3～4，81和5～40，根據(jù)電磁波傳播理論，電磁波在材料內(nèi)的傳播速度只與介電常數(shù)有關(guān)。因此探地雷達(dá)的電磁脈沖波在三種介質(zhì)中的傳播速度不同，接收到的信號可反映出不同介質(zhì)界面間的位置。探地雷達(dá)測量冰層厚度時，假設(shè)雷達(dá)波到達(dá)冰-水界面和返回接收端的時間相同，因此計算冰厚時只用到雙程走時的一半。

式中：H為冰層厚度（cm）；ΔT為雙程用時（ns）；ε為冰的介電常數(shù)；V為雷達(dá)波在冰內(nèi)傳遞速度，其計算公式如下：

式中：c為電磁波在真空中的傳播速度（30 cm/ns）。

當(dāng)實(shí)際冰的介電常數(shù)不確定時，可以根據(jù)實(shí)際冰厚反演得到冰的等效介電常數(shù)。本試驗(yàn)所用的雷達(dá)是意大利IDS公司生產(chǎn)的RIS K2型探地雷達(dá)。它包括主機(jī)、天線和處理軟件三部分。

2 雷達(dá)探測黃河河道冰層結(jié)果

以黃河頭道拐水文站水文斷面附近為試驗(yàn)場。將雷達(dá)天線緊貼冰面，以步行方式拖動雷達(dá)。邊行走，邊顯示雷達(dá)電磁波圖像，邊記錄。每條測線記錄均獨(dú)立編寫文件號，所有正式探測過程中如果遇隨機(jī)情況且在雷達(dá)波圖譜上出現(xiàn)異常時，則在現(xiàn)場重復(fù)觀測。測量模式采用實(shí)時測量和距離測量模式。設(shè)置完畢后還需在冰面上拖動雷達(dá)對雷達(dá)進(jìn)行增益處理，之后開展斷面探測。在斷面探測中采用垂直于河道和平行于河道兩種方式，以便后期建立河道內(nèi)冰層內(nèi)部組構(gòu)和厚度的三維分布狀態(tài)。

由于冰的介電常數(shù)與冰的晶體組構(gòu)和冰溫有關(guān)。所以在每次探測冰厚時需要鉆孔實(shí)測冰厚。根據(jù)實(shí)測冰厚反演探測時冰層的有效介電常數(shù)，然后再依據(jù)該參數(shù)修正當(dāng)時整個斷面的冰厚。另外，在典型河道位置，鉆取冰芯并分析冰的晶體組構(gòu)。

影響雷達(dá)探測冰厚精度的因素除了雷達(dá)波在冰內(nèi)的傳播速度外，還與探測天線的頻率有關(guān)[9]。前者由冰層的物理性質(zhì)決定，后者由設(shè)備硬件決定。在2014年1月4日探測黃河河道冰層中，分別使用頻率200、400、900和1 500 MHz天線對頭道拐黃河垂直于河道和平行于河道斷面的河道冰層進(jìn)行探測，表1給出了各頻率天線測量冰厚與鉆孔實(shí)測冰厚對比，可以看出各頻率天線都能夠滿足冰層探測要求，但使用200 MHz頻率天線可探測到更深部位的冰-水狀況，能夠識別出冰花厚度。因此，選用200 MHz頻率天線對黃河冬季冰層進(jìn)行探測。

圖1是頭道拐水文站黃河水文斷面不同日期的冰厚斷面分布。該冰厚斷面在2014年2月中旬達(dá)到最大值。之后，冰層開始逐步消融，冰厚逐漸變薄。在同一時區(qū)，近岸冰較厚，非主流區(qū)次之，主流區(qū)冰厚較薄。在整個冰期斷面樁號400～520為主流區(qū)，斷面樁號520～740為非主流區(qū)，主流區(qū)的冰厚始終比非主流區(qū)的冰厚小10～20 cm。在主流區(qū)流速較快，下層冰花少，主要以熱力學(xué)生長的平整冰為主，最大冰厚約為60 cm；而在樁號520～740為非主流區(qū)流速慢，冰花容易在冰層下堆積，水內(nèi)冰花容易凍結(jié)成為冰花冰，最大冰厚約為70 cm。冰晶體分析也證明樁號520～740的非主流區(qū)冰晶體類型為冰花冰，而樁號400～520的主流區(qū)冰晶體類型為粒狀冰和柱狀冰。

圖2給出了雷達(dá)電磁波在冰內(nèi)傳播速度隨冰期變化規(guī)律。由圖可知，在2014年1月19日盛冰期時雷達(dá)電磁波在冰內(nèi)傳播速度約為16.3 cm/ns；在2014年2月24日以后的融冰期時降低到15.0 cm/ns以下。雷達(dá)電磁波在冰內(nèi)傳播速度減慢與冰內(nèi)晶體組構(gòu)和冰內(nèi)溫度升高后的融水增加有關(guān)。不同時期，由于冰晶體組構(gòu)不同，雷達(dá)波在冰內(nèi)傳播速度也不同；特別是在進(jìn)入融冰期時，冰溫度升高，晶體之間的融水增加，冰晶體的連接變得松軟，甚至有冰水混合存在。冰融化引起冰內(nèi)含水量增加同時，也引起雷達(dá)電磁波在水內(nèi)傳播速度降低；也可以認(rèn)為是引起等效介電常數(shù)增加所產(chǎn)生的結(jié)果。

3 黃河河道現(xiàn)場典型冰層雷達(dá)圖譜特征描述

3.1 平整冰層

在平整冰層位置處，雷達(dá)圖像的波形特征表現(xiàn)為：能量團(tuán)分布均勻或僅在局部存在強(qiáng)反射細(xì)亮條紋；電磁波能量衰減緩慢，探測距離遠(yuǎn)且規(guī)律性較強(qiáng)；一般形成低幅反射波組，波形均勻，無雜亂反射，自動增益梯度相對較小。圖3給出了黃河頭道拐水文站平整冰層雷達(dá)圖譜。

3.2 含破碎帶和裂隙帶冰層

河道水位發(fā)生變化時，冰層將發(fā)生變形，但受到河道邊界約束，冰層內(nèi)部會發(fā)生擠壓或斷裂，或在冰層內(nèi)產(chǎn)生尺寸不同的裂縫。另外，河冰在動力作用下，冰層內(nèi)也會產(chǎn)生破碎冰體。特別是在裂縫處會夾雜泥沙或水。這些破碎冰體、泥沙或水的介電常數(shù)同冰的介電常數(shù)差異大，導(dǎo)致破碎帶和裂縫帶的雷達(dá)圖譜和波形特征與平整冰層的有較大差異。一般在破碎帶和裂縫帶處雷達(dá)信號反射強(qiáng)烈，反射面的振幅顯著加強(qiáng)且變化劇烈；還會表現(xiàn)出能量團(tuán)分布不均勻，在破碎帶和裂縫帶內(nèi)常產(chǎn)生繞射和散射，同相軸出現(xiàn)錯斷；另外在深部甚至出現(xiàn)雷達(dá)圖像模糊不清現(xiàn)象。通常在裂縫帶會出現(xiàn)雙曲線強(qiáng)反射波，在破碎帶處會出現(xiàn)多條雙曲線強(qiáng)反射波。反射波同相軸的連線為破碎帶或裂縫帶的位置。圖 4給出含有破碎帶和裂縫帶的冰層雷達(dá)特征圖譜。

3.3 冰花集聚區(qū)的冰層

黃河中上游在冬季除了冰封外，其水流中還有冰花。由于冰花密度低于水的密度，冰花會上浮聚集于冰層下方，形成冰水混合狀態(tài)。對應(yīng)的等效介電常數(shù)有別于液態(tài)水，所以探地雷達(dá)電磁波在冰花聚集區(qū)內(nèi)產(chǎn)生繞射和散射；在穿過冰花聚集區(qū)時會產(chǎn)生一定規(guī)律的多次強(qiáng)反射。由冰花聚集區(qū)連續(xù)分布時，雷達(dá)電磁波穿過時的反射波連續(xù)性較好，波形相對均一。由于雷達(dá)探測冰層和冰花時雷達(dá)電磁波從高阻抗介質(zhì)到低阻抗介質(zhì)，因而反射電磁波與入射電磁波相位相反，以此可以判斷冰層和冰花的界面位置。圖 5給出含有冰花層的雷達(dá)特征圖譜。

4 結(jié)論

（1）雷達(dá)波在冰內(nèi)傳播速度的變化是影響雷達(dá)探測冰厚準(zhǔn)確性的決定因素。不同時期，由于冰內(nèi)部組構(gòu)的差異，凍結(jié)期的雷達(dá)波在冰內(nèi)傳播速度為16.3 cm/ns，融冰期的對應(yīng)速度小于15.0 cm/ns。

（2）雷達(dá)探測黃河頭道拐水文站不同時期的冰厚結(jié)果顯示，垂直于河道斷面的冰厚不均勻。在樁號400～520的主流區(qū)，以熱力學(xué)生長的顆粒冰和柱狀冰為主，最大冰厚約為60 cm；而在樁號520～740的非主流區(qū)，以冰花凍結(jié)形成的冰花冰為主，最大冰厚約為70 cm。

（3）根據(jù)雷達(dá)探測冰層所得雷達(dá)圖譜，可以定性判斷冰層的結(jié)構(gòu)，冰層的連續(xù)性；冰層內(nèi)部裂縫的具體位置和走向。

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