探地雷达在土地整治工程中的应用分析

摘 要 探地雷达凭借快捷、高效、无损的优势，被广泛应用于各工程领域。基于此，在介绍探地雷达探测原理的基础上，着重分析了探地雷达在土地平整工程、道路工程、灌溉与排水工程、覆土工程等方面的应用，并对探地雷达在土地整治工程中的应用前景进行了展望，以期能为土地整治工程的施工、设计、验收提供一种有效的手段。

关键词 探地雷达；土地整治；应用

中图分类号：U416.06 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.26.087

1 研究背景

我国人口众多，实施土地整治工程在确保1.2亿公顷耕地红线、国家粮食安全及耕地总量动态平衡中发挥着举足轻重的重要作用。目前，我国土地整治起步较晚，但发展迅速，据统计，每年全国获批的土地整治项目多达上万个。该项目将核心集中在增加耕地数量上，但是却没有充分考虑耕地的质量，进而导致新增加耕地的产出及效益较低，还存在严重的土地资源浪费现象，其主要原因是各级部门的监管力度不足，急需一种快速高效的土地工程质量实时监测手段。随着科技手段的不断发展，探地雷达作为一种效率较高的浅层地球物理探测技术，主要利用高频电磁脉冲波的发射原理，根据地下介质电性参数之间存在的差异及回波的频率、波形及振幅等动力学与运动学特性对介质的结构及其物理性能进行分析与判断。该技术操作简便，具有较强的场地适应能力及抗干扰能力，而且在探测分辨率方面也具有很大的优势，目前已经在军事、建筑、桥隧、地质和考古等多个领域得到了广泛应用，但在土地整治领域的应用较为少见。基于此，重点分析了探地雷达在土地工程中的应用途径。

2 探地雷电的原理

探地雷达主要使用天线由地表至地下对高频电磁波进行发射，之后在目标体位置处经过反射再返回至地面，由接收天线进行接收。在介质中对电磁波进行传播的过程中，随着其所在介质的几何状态及电性发生变化，电磁波的波形与强度也将发生一定程度的变化。因此，探地雷达以接收到波的双程走时、波形及波幅等为依据，尤其是反射波的振幅及同相轴的变化，进而对目标体介质结构及其特性进行推断[1]。

当相邻介质的分界面之间的介电性差异比较大时，一旦遭遇电磁波，雷达信号将会表现出较为明显的“跳跃”，代表其具反射能力比较强。当电磁波由介电常数比较小的介质到达介电常数比较大的介质时，也就是说由高速介质到达低速介质，由光疏介质到达光密介质时，其反射系数表现为负值，也就是说发射波振幅反向。与之相反，当电磁波由低速介质到达高速介质时，入射波与反射波振幅保持一致[2]。所以，探地雷达检测坝体病害的先决条件就是介电差异，介电之间存在的差异越大表明界面上的反射较为强烈，由此取得的探测效果也较为明显。

3 探地雷达在土地整治工程中的应用

3.1 土地平整工程

土地平整工程是根据地形、面积、空间结构特点将项目区划分成若干土地平整单元区，利用推土机械对项目区内部分田块，按照高程近似的原则，因地制宜地进行平整。在土地平整前期必要要做好土层厚度普探工作，土层厚度普探工作对平整之后新增耕地的土壤剖面构造起到直接调控作用，从而对新增耕地质量产生一定的影响。开展土层厚度普探工作，既能夠确保土的来源供给及工程中土方平衡，又能够有效防止过度开挖土方进而导致土层过薄而无法得到利用或母质裸露引起土地荒漠化等一系列问题[3]。通常情况下，对土层厚度进行探查时使用剖面法及钻孔法，由此得到的结果较为准确，但是开展工作的过程费时费力，而且效率低下、成本比较高，这是当前大部分土地整治工程中缺少前期土层厚度普探的主要原因，往往导致平整之后土层厚度与施工标准及作物生长发育需要不相符合，进而导致土地整治的生态效益、经济效益与社会效益达不到预期的效果。花东文等采用频率为500 MHz和250 MHz的天线对南泥湾土地整治项目新增耕地的土层厚度进行探测，结果表明探地雷达法所测得的结果与实测值相吻合，误差范围为0～5 cm，能够满足现行土地工程质量检测的精度要求。

3.2 田间道路工程

道路工程是建设高标准农田，实现机械化和产业化耕作的前提，道路工程质量必须与农机行使、交通运输及田间生产与管理的要求相符。土地整治项目的道路多采用混凝土水泥结构，分为路基和路面，混凝土的介电常数大约为6，路基土壤层的介电常数随湿度变化较大，但均大于8，混凝土层与地基层的介电常数差异，为利用探地雷达技术测定道路路面厚度提供了理论依据。在用探地雷达对道路进行无损检测时，如果道路的局部地段存在差异（如被破坏），则雷达波反射信号的双程旅行时，振幅、相位及频谱特征将发生明显变化，根据这些变化特征，就可推测路面下基层、路基等的状况，从而达到无损检测的目的[4]。在频率方面，为提高电磁波在水泥混凝土面层中的穿透能力，当探测水泥混凝土面层时要采用较低频率的辐射波，一般为900～1 000 MHz的天线。将探地雷达技术应用于土地整治道路工程中，能够对道路施工质量进行监管与控制，为研究道路路面结构与材料等提供了技术支持，能够及时检测出道路质量安全隐患，应用于道路的维护与改造中，为开展相应的评定工作奠定基础。

3.3 灌溉与排水工程

灌溉与排水工程是影响土地整治后期管护过程中土地资源和水资源利用效率的重要因素之一，工程质量的好坏与农田的灌溉和排涝密切相关。在土地整治工程中，探地雷达可用于地埋管位置、管径大小的探测测量，进而判断其是否符合设计要求。探地雷达无论对金属管线还是对非金属管线都有良好的反应而且抗干扰性强，还能够通过改变频率来改变探测深度和分辨率，通过雷达图象可直接反映管径大小。电磁波在传播的过程中，遇到地埋管的上下管壁时会产生绕射，形成绕射波，天线接收到该信号，会在雷达图谱上表现出两组或多组双曲线弧，呈上下分布，上双曲线弧最高点即为管道上壁，下双曲线弧最高点为管道下壁，两者之间的距离即为管道直径[5]。探地雷达还可以应用于检测排水沟衬砌质量，主要有以下两点。1）检测衬砌厚度是否符合设计要求。2）对衬砌进行检测，查看是否存在渗水、空洞和松软介质等现象。

3.4 覆土工程

覆土工程是土地整治中最重要的单项工程之一，通常情况下，把覆土厚度作为检验土地工程质量的重要指标。覆土工程的有效覆土厚度决定着新增耕地的生产能力，也与工程的成本密切相关。传统方法通过钻孔取土、开挖剖面和工程断面实测等手段确定覆土层的厚度，这些方法虽然精度高，但破坏性大，效率不高，而且这种以点带面的方式很难了解整个工程的整体覆土厚度，也很难准确评价工程质量。土层厚度能够较好地反映新增耕地的质量，不仅能够为土壤养分提供补给源，还能够为土壤矿质元素提供储存库，紧密联系着土地生产力。另外，土层的厚薄也会对养分及水分的存量产生直接的影响，如果土层较浅将会对植物根系往土层的广度与深度发展产生直接影响，还会对地上植株的支撑产生一定的影响。当营养元素含量一致时，对比土壤产生的植物总量能够发现：土层深厚的土壤要明显高于土壤浅薄的土壤。经过整改之后土层通常比较松软，与以往土层紧密度之间存在的差异比较明显，使介电常数之间的差异也较为显著，从而为探地雷达能够探测新增耕地的土层厚度提供了理论依据。

在土地整治过程中，往往需要对覆土进行分成严实，将土壤压实之后内部可以存储水及空气的空间明显减少，将会对土壤的透气性、土壤养分及水分的运输等产生较大的影响，同时也不利于农作物根系生长，使土地生产力大大降低。因此，必须及时掌握土壤压实状况对土壤产生的重要影响，如果土壤的压实程度过大，就会影响作物的生长，达不到土地整治的目的。

4 不足与展望

通常而言，土壤都具备较为复杂的矿物性质、理化性质及电磁特性等，而且各个特性之间存在较大的差异，以上因素都会对电磁波在土壤中的传播速度、穿透深度等产生一定的影响，从而不能充分发挥探地雷达的作用。因此，应用探地雷达技术和地下物探方法时，应当结合具体的勘探工作。周围环境及地下物理參数等都会影响探地雷达的应用效果，因此千万不能把探地雷达当作全能的工程检测工具。在对探地雷达技术进行推广应用时，应当结合实际问题，并结合其他勘探手段，才能充分发挥该技术的潜力。

虽然传统方法准确度高，但是费时费力，具有一定的破坏性，不宜大面积进行，而探地雷达方法具有高效、简单与快速等特点，在土地整治项目的设计、施工及验收等各个环节都发挥着重要的作用，在土地工程领域具有广阔的应用前景。土地整治任重而道远，对于探地雷达的应用，未来应从3个方面加强研究。1）加强雷达设备和分析软件的研发。2）需要明确土地整治中相关材料与雷达参数的相关关系。3）结合工程实例，加强雷达在土地工程领域中的应用。

参考文献：

[1] 田锋，王国群.西北地区水库土石坝渗流隐患探地雷达图像特征分析[J].物探与化探，2006，30（6）：554-557.

[2] 黄小年.探地雷达在隧道病害检测中的应用与研究[D].成都：成都理工大学，2008.

[3] 花东文，韩霁昌，孙婴婴.基于探地雷达方法的新增耕地土层厚度估测-以南泥湾土地整治项目为例[J].西部大开发：土地开发工程研究，2016（1）：6.

[4] 杨天春，吕绍林，王齐仁.探地雷达检测道路厚度结构的应用现状及进展[J].物探与化探，2003，27（1）：79-82.

[5] 许献磊，赵艳玲，王方，等.GPR探测地埋管径研究综述[J].地球物理学进展，2012，27（5）：2206-2215.

（责任编辑：赵中正）