探地雷達(dá)的發(fā)展及其在環(huán)保行業(yè)中的應(yīng)用

白若男 郭釗搏

（中建水務(wù)環(huán)保有限公司，北京 100037）

0 概述

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）是天線發(fā)射和接收高頻電磁波來探測介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)特性和分布規(guī)律的一種地球物理方法，依據(jù)的原理是不同介質(zhì)的介電常數(shù)不同。目前主要被用于道路路基探測、鐵路隧道襯砌檢測、農(nóng)業(yè)調(diào)查、考古、礦產(chǎn)勘查、災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查、巖土工程勘察、工程質(zhì)量檢測、建筑結(jié)構(gòu)檢測以及軍事目標(biāo)探測等眾多領(lǐng)域，環(huán)保領(lǐng)域正在逐步開始應(yīng)用[1]。

20世紀(jì)50年代，GPR雛形起源于20世紀(jì)50年代測量冰蓋的厚度； GSSI于1971年研發(fā)了第一臺探地雷達(dá)設(shè)備，促進(jìn)了探地雷達(dá)的發(fā)展，并為阿波羅登月計(jì)劃研制過雷達(dá)設(shè)備并成功探測到月球表面塵埃；20世紀(jì)80年代開始穩(wěn)步發(fā)展，在研究方面已經(jīng)擴(kuò)展至很多領(lǐng)域。

20世紀(jì)90年代，很多公司相繼成立，相關(guān)機(jī)構(gòu)開始關(guān)注； 2017年，在我國開始實(shí)施的《城市地下管線探測技術(shù)規(guī)程》中，附錄D 地下管線探查的地球物理方法中出現(xiàn)了探地雷達(dá)，并描述了其工作原理、適用范圍和特點(diǎn)[2]。

1 探地雷達(dá)（GPR）設(shè)備性能

1.1 探地雷達(dá)（GPR）基本原理

探地雷達(dá)（GPR）方法本質(zhì)上是一種用電磁波反射來確定地下介質(zhì)分布的技術(shù)。一般來說，電磁波在傳播過程中會出現(xiàn)反射、透射或折射現(xiàn)象，而對于不同的介質(zhì)，其介電常數(shù)不同，對應(yīng)的電磁波傳播速度也是不同的。介電常數(shù)（ permittivity）又稱誘電率，介質(zhì)在外加電場時會產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場，原外加電場（真空中）與最終介質(zhì)中電場比值即為介電常數(shù)。表1為一些常見介質(zhì)的介電常數(shù)和傳播速度。

如果利用一個發(fā)射天線發(fā)射高頻電磁波，同時另一個天線接收來自地下介質(zhì)界面的反射波，然后對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，就可以得到地下介質(zhì)的分布狀態(tài)。例如在具體的應(yīng)用場景中，采用GPR進(jìn)行道路病害探測的前提是道路下空洞、疏松區(qū)或富水區(qū)與周邊正常地層具有明顯的電性差異[2]。

圖1為探地雷達(dá)在工作中的運(yùn)行模式，從左至右移動，在移動的過程中發(fā)射并接收電磁波；發(fā)射的脈沖波向地下傳播時，碰到介電常數(shù)突變的面會發(fā)生反射，反射的回波被接收天線接收，再傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲、處理和顯示。圖2為對雷達(dá)回?fù)芴幚矸治龊螳@得的結(jié)果。

探地雷達(dá)具有非開挖式無損探測、分辨率高、精度高等技術(shù)優(yōu)勢和特點(diǎn)，掛載不同帶寬天線系統(tǒng)，可以應(yīng)用于城市地下管線（尤其是PE、PVC材質(zhì)非金屬管線）探測、城市道路土體病害檢測、道路施工驗(yàn)收和路基災(zāi)害檢測等市政工程領(lǐng)域[3]。

表1 常見介質(zhì)參數(shù)

圖1 探地雷達(dá)（GPR）基本原理

1.2 測量結(jié)果的意義

對于一把尺子來說，它有明確的測量目的，可以精確地測量物品，給出測量的長度信息。對于探地雷達(dá)來說，通過對其測量原理進(jìn)行分析，可以看出GPR設(shè)備并不是一個精度高、準(zhǔn)確度高、針對性高的測量儀器，例如GPR探測目標(biāo)的材料種類、深度、橫向位置、縱向位置；也無法像一臺相機(jī)（攝像機(jī)）一樣拍攝到探測目標(biāo)的真實(shí)外貌。GPR僅能夠提供一些判斷依據(jù)，推算出哪里有異常現(xiàn)象，或者給出2種不同介質(zhì)的中電磁波傳輸速度的差異，并不能給出精確的結(jié)果。

所以，在使用GPR時，已知周邊信息越豐富，則探測結(jié)果越準(zhǔn)確。因?yàn)橐阎畔⒃蕉啵痛蟠笤黾恿送茰y目標(biāo)介質(zhì)的材料、深度和大小等信息的可能性，因此結(jié)合現(xiàn)場情況綜合判斷非常重要。從某種意義上來說，GPR是一種輔助手段或驗(yàn)證方法，主要用來驗(yàn)證人們的假設(shè)是否成立。

1.3 對測量環(huán)境和目標(biāo)的要求

由于其技術(shù)本身原理的缺陷不能滿足所有條件下的探測，地下和地上的情況都會影響測量的精度。地下土壤含水狀況影響信號的傳播、管線的復(fù)雜程度會干擾到信號；地上的建筑、設(shè)備等障礙物和車輛等也會干擾到信號。對于特別深的物體，其測量精度會很低，而且尺寸小的測量不到。探測效果取決于目標(biāo)體的材質(zhì)、埋深、大小和周圍介質(zhì)特性等多種因素。

1.4 對產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫的要求

目前，產(chǎn)品已經(jīng)較為成熟，主要包括2個方面的內(nèi)容。1）設(shè)備本身硬件、軟件性能的提升。2）人們的知識積累，人們對信號的理解水平。知識積累是指長期以來使用GPR獲取的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不同的反射波對應(yīng)的是什么結(jié)果，不同情況采用哪種濾波去噪效果更佳。

2 GPR在環(huán)保行業(yè)中的應(yīng)用

2.1 暗管探測

針對排污企業(yè)利用地下暗管、滲坑和暗井等偷拍偷放的地下管網(wǎng)，完成在非侵入情況下對管道的預(yù)定崗位、偷排口的精定位、偷排管道路由的精確定位，以及排放暗管、暗井、滲井（旱井）、滲坑（坑塘）、排污管裂隙等介質(zhì)的取證[4-6]。

國內(nèi)10年前開始使用，主要是環(huán)保部門、執(zhí)法部門購買使用，企業(yè)用的不多。企業(yè)中沒有推廣的原因可能有3點(diǎn)。1）設(shè)備昂貴，進(jìn)口GPR20萬起步，中小企業(yè)不愿意投資設(shè)備。2）前期金屬管線多，可以選用較為便宜的管線探測儀器（5萬元左右）。3）后期非金屬管道使用逐漸增多，但是市政開挖后果嚴(yán)重的仍然是金屬管線，小公司沒有購買的必要性。

中科院電子所的產(chǎn)品、國外知名品牌（加拿大SSI、瑞典MALA、美國GSSI、美國EASYRAD等）的代理商都做過不少類似的項(xiàng)目，為環(huán)保部門提供GPR產(chǎn)品。特別是中科院電子所為全國63個環(huán)保局提供過產(chǎn)品。

2.2 污染擴(kuò)散

地下污染物的擴(kuò)散會引起電阻率的改變，根據(jù)其改變可找出收到污染影響的大致范圍和程度，但是很難聚焦到一個污染濃度最大的點(diǎn)。在環(huán)境影響評價、土壤修復(fù)研究、生態(tài)水研究中有不少應(yīng)用。國外品牌的代理商做過類似的項(xiàng)目，國內(nèi)產(chǎn)品則沒有涉獵。

2.3 滲漏探測

供水管線產(chǎn)生泄漏后，會在泄漏點(diǎn)周邊產(chǎn)生一定程度的土壤富水，富水區(qū)介電常數(shù)高于周邊普通土壤，含水量越高，介電常數(shù)越大，地質(zhì)波速變低，可以依據(jù)此特征判定所探測區(qū)域的富水范圍，從而推斷出泄漏的范圍和泄漏點(diǎn)位置。

圖2 探地雷達(dá)（GPR）成像示意圖

對無病害的正常地層，土體密實(shí)、分布均勻，除了路面基層與填土間存在介電常數(shù)差異外，其他地方介電常數(shù)變化較小，不存在明顯的反射界面，在雷達(dá)剖面上表現(xiàn)為波形平緩、規(guī)則、無雜亂反射波特征。而對于富水區(qū)，雷達(dá)波多表現(xiàn)為雜亂的強(qiáng)反射，如果疏松富水異常，則表現(xiàn)為同相軸不明顯、以低頻成分為主、多次波較少等特征。

使用探地雷達(dá)在測區(qū)道路中探測滲漏富水病害，雖然其探測效果是明顯而有效的，但是由于反映被探測目的體的異常與干擾異常存在相似性，導(dǎo)致部分解釋結(jié)果出現(xiàn)偏差甚至是錯誤的結(jié)果，應(yīng)該引起我們足夠的重視。如何區(qū)分、識別干擾異常是資料解釋過程中的一個重點(diǎn)和難點(diǎn)，部分干擾異常只能通過現(xiàn)場開挖來確認(rèn)。因此，開展類似的工作。1）要詳細(xì)了解路基結(jié)構(gòu)情況。2）要取得地下管線分布資料。3）要加強(qiáng)開挖驗(yàn)證工作，以提高物探推斷的準(zhǔn)確性。

2.4 工程案例

2.4.1 工程概況

某市供水管網(wǎng)存在主要問題表現(xiàn)在如下4個方面。1）管線泄漏經(jīng)常性破壞路面，維修成本較高。2）管網(wǎng)壓力偏高，管道破損泄漏甚至爆管，事故發(fā)生頻繁。3）管網(wǎng)圖紙資料不全和不準(zhǔn)確，事故排查工作困難。4）水表超期服役，計(jì)量不準(zhǔn)。這些問題帶來了2個直接后果，1）管線漏損率較大，導(dǎo)致企業(yè)經(jīng)營成本增加、用戶供水不足、人口密集區(qū)易形成地陷等事故；2）在道路開挖、定向穿越等施工中，存在影響管道安全的大量隱患。給水管線主要的隱患是漏水，不僅造成水資源浪費(fèi)、污染，而且容易造成地面塌陷、危害周圍建筑物安全等。

2.4.2 解決方案

針對目前某市供水管網(wǎng)存在的問題需要進(jìn)行的主要工作有查清管線位置，有針對性地進(jìn)行泄漏點(diǎn)檢測，重要管段加裝傳感器建設(shè)信息化平臺等工作。

針對管線精確定位與重點(diǎn)管段的泄漏檢測，可以采用探地雷達(dá)設(shè)備，并結(jié)合其他物探手段，進(jìn)行管線普查與重點(diǎn)管段的泄漏檢測；針對水管壓力事故等，可以在管網(wǎng)重要管段區(qū)域加裝壓力、流量等傳感器，建設(shè)信息化平臺一體化，為水務(wù)公司提供可靠的信息化管理支撐。

2.4.3 實(shí)施方案

方案目標(biāo)：查清地下管線，排除地下管線安全隱患，提高地下管線科技管理水平，將傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)化管理為精細(xì)化、系統(tǒng)化管理模式，切實(shí)加強(qiáng)地下管線的監(jiān)管能力，提高管線運(yùn)行的安全性。

方案主要建設(shè)內(nèi)容如下。1）管線定位探測。對明顯管線點(diǎn)主要調(diào)查的方式查明管線的點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)、線屬性數(shù)據(jù)。用鋼卷尺通過開井、下井量取量測斷面尺寸、管頂（底）深度、井底深度，讀數(shù)至厘米；調(diào)查時記錄管線材質(zhì)、管偏、井蓋大小、井蓋材質(zhì)、電壓、流向、規(guī)格、類型、埋設(shè)方式、道路名、電纜條數(shù)、總孔數(shù)、已用孔數(shù)、附屬物和特征等數(shù)據(jù)。對隱蔽管線點(diǎn)，采用探地雷達(dá)、管線儀等物探設(shè)備，以及開挖、釬探等方式查明管線位置、埋深。管線補(bǔ)測過程包括已有資料的收集——現(xiàn)場踏勘——儀器校驗(yàn)、物探方法試驗(yàn)及管線探測儀校驗(yàn)、編寫施工方案或設(shè)計(jì)書——地下管線調(diào)查與探查——地下管線測量——建立地下管線數(shù)據(jù)庫、地下管線圖編繪、成果輸出——編寫并提交總結(jié)報告等。2）管線滲漏排查。根據(jù)雷達(dá)測試數(shù)據(jù)，綜合各種情況，給出地下管線、暗渠、空洞或其他地下異常地質(zhì)體的幾何數(shù)據(jù)和屬性參數(shù)，形成隱患排查成果表，并提出建議。通過探地雷達(dá)對泄漏點(diǎn)推斷，形成管道泄漏調(diào)查成果表。3）信息化系統(tǒng)建設(shè)。在管線信息入庫的基礎(chǔ)上，針對水管壓力事故等，在管網(wǎng)重要管段區(qū)域加裝壓力、流量等傳感器，建設(shè)信息化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)供水管線壓力與流量的在線監(jiān)測。主要內(nèi)容包括供水管線在線監(jiān)測子系統(tǒng)和以下重點(diǎn)描述在線監(jiān)測子系統(tǒng)和地下管線物聯(lián)感知實(shí)施。

3 GPR的發(fā)展和使用建議

3.1 GPR的發(fā)展趨勢

GPR的發(fā)展趨勢有3種。1）GPR技術(shù)目前在探測工作中已經(jīng)取得了較高的精度和可靠性，也將越來越成熟。2）GPR技術(shù)目前在數(shù)據(jù)處理和圖像的高級顯示已經(jīng)比較成熟，但仍然會不斷進(jìn)步。3）人們在特殊領(lǐng)域中應(yīng)用的需求不斷出現(xiàn)，對應(yīng)的設(shè)備開發(fā)將是GPR技術(shù)的一個趨勢。

3.2 GPR在環(huán)保領(lǐng)域中使用的建議

探地雷達(dá)（GPR）進(jìn)入環(huán)保領(lǐng)域較晚，目前，在環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用還不夠廣泛。但是隨著環(huán)保行業(yè)的發(fā)展，探地雷達(dá)預(yù)計(jì)會有更多的施展空間，只是需要時間的積累?？梢韵葟奶降乩走_(dá)與其他技術(shù)相結(jié)合的方案入手，將其看做不可替代的工具。建議循序漸進(jìn)、逐漸挖掘探地雷達(dá)的優(yōu)勢，積累探地雷達(dá)的使用經(jīng)驗(yàn)。

例如滲漏探測方面，已有的方案是多種儀器相結(jié)合，可以從嘗試加入探地雷達(dá)、提高方案整體性能著手；另外，關(guān)于土壤修復(fù)我們也有相關(guān)項(xiàng)目，可以從模仿其他項(xiàng)目的用法開始嘗試。