高精度磁测在地下管线探测中的探讨

王 超 董志询

(1.东华理工大学地球物理与测控技术学院，江西 南昌 330063；2.江西省石城县气象局，江西 赣州 342700)

1 引言

城市地下管线是城市建设的重要组成部分，不但肩负着城市之间的信息交流、能源传导、应急防灾和污水排放的功能，而且也是城市完善发展的根基，是城市现代化基础建设的重要组成部分，是确保城市经济建设，以及发挥城市功能、城市整体协调化和可持续发展的重要基础和保障[1]。从上世纪80年代在上海埋下的第一根煤气管线开始至今，我国城市地下管线的发展突飞猛进[2]。但是随着地下管线的种类越来越多，尤其是近年来各种管线的数量增多，管线相关管理滞后、城市环境变化、城市大量建设工程以及城市人口工作和生活要求提高等多种因素的交织作用，导致各类地下管线事故时而发生，给人们的生产和生活，以及城市的运行带来了巨大的损失。这给地下管线的建设、维护、管理等工作提出了更加严峻的要求，也给地下管线的探测工作提出了新的挑战[3-5]。

2 高精度磁测研究方法

2.1 高精度磁力仪

本次实验设计所应用的磁力仪为加拿大Scintrex公司生产的ENVI系列质子磁力仪(如图1所示)，能够灵活地寻找越来越难以发现的异常物体。ENVI 便携式质子旋进式磁力仪，能够确保快速、准确地进行大面积测量，在磁力仪方面，Scintrex公司不仅致力于生产铯光泵磁力仪，质子磁力仪，还长期投身于航空磁力仪(CS-3型)等领域的研究和生产。

图1 ENVI质子磁力仪

ENVI系列质子磁力仪广泛应用领域于地质填图、矿产调查、环境地质、考古研究、地质填图、土工技术研究、地下管道研究等领域。其突出的性能特点有：(1)带GPS全球定位功能；(2)与日变站对接，可以自动计算日变，不需要使用软件计算；(3)在寒冷地区可选择显示器加热的独特设置；(4)梯度范围大于7000nT/m，定量定性更加精确；(5)具有超大的储存容量等。

2.2 高精度磁测原理

高精度磁法勘探主要是利用地下铁磁性管道与地下其他介质间的磁性差异所引起的磁场变化来查明地下铁质管道的一种应用于地下管道中的物探方法。由于地下管道和其他介质具有不同的磁性，因此可以产生各不相同的磁场，使地球磁场在局部地区发生变化，并出现地磁异常。利用磁力仪器发现和研究这些磁异常，进而探寻到磁性物质并研究地质构造的称为磁法勘探。它包括地面、航空、海洋磁法勘探。

一般来说，磁测均方误差小于±5nT的标准即为高精度测量。从磁场测量的过程而言，高精度磁测与一般意义上的磁法测量的区别仅在与磁测总均方误差标准的提高。我国原地质矿产部于20世纪80年代末发布了《地面高精度磁测技术规定》，根据规定，高精度磁测的总精度又被细划为两级：①高精度-磁场总均方误差在2～5nT之间，②特高精度-磁场总均方误差小于2nT。高精度磁测总均方差的误差分配见表1。

表1 高精度磁测总均方差的误差分配

由于磁性物体受到磁化方向等多种因素影响的特殊性，在给出正演模型体计算表达式之前，先提出磁场强度计算中相关的假定条件[6-7]。这些条件如下：①场源为单一规则几何形体；②场源被均匀磁化；③观测面水平；④不考虑剩磁影响。

磁异常的计算表达式：对照无限长水平圆柱体重力异常的正演计算公式[8]，同时给出了无限延长圆柱体的截面积及有效磁化强度和方向等相关参量，可以得到无限长水平圆柱体横截面上的磁异常的表达式(坐标原点在水平圆柱体中轴线的上方)如下：

图2 Hax，Za，ΔT的磁异常理论曲线

图3 水平磁化，斜磁化，垂直磁化的磁异常理论曲线

从以上图中可得出结论，当磁化角度一定时，改变观测剖面与磁化强度水平投影夹角时并不影响磁异常曲线的形状。只有略微的幅值变化。当磁化倾角is=0时，随投影夹角的增大，磁异常值也略有增大，管道近似位于磁异常的正幅值处。但是当磁化倾角is=450时，随投影夹角的增大，磁异常正异常值逐渐增大，但负异常值逐渐减小，管道近似位于磁异常的正幅值处。而当磁化倾角is=900时，随投影夹角的增大，磁异常值反而相对减小，管道近似位于磁异常的正幅值处。

当磁化角度和观测剖面与磁化强度水平投影夹角固定时，只改变管道的磁导率分别为30H/m和100H/m得出的正演理论曲线图如图4所示。

图4 磁导率不同时的磁异常理论曲线

由图4可知当磁导率为30H/m时的磁异常曲线的幅值是大于磁导率为100H/m磁异常曲线幅值，但是曲线的形状基本没有改变。磁导率小的正负值之间的变化较陡，随着磁导率的增大而慢慢变缓。所以说磁导率的改变不影响磁异常曲线的形状，只改变磁异常正负幅值的大小。

4 采集工区及数据分析

4.1 工区概况

此次高精度磁法实验的测区如图5所示，红色区域是工区概况图。管线则是位于地下的污水管道，周边也是交通便利，地势平坦；植被覆盖茂盛，气温适中。由于在未开发的空地进行，地形地貌都比较平坦，易于测量。但本次实验的干扰较多，所以测量数据并不是特别理想。主要的干扰有测区周围的电线、汽车、楼房的钢筋、偶尔飞过的飞机等，这些都没办法克服。除此之外，测量实习中的手机、钥匙、拉链等干扰，还有操作中仪器的使用不当、仪器随日变干扰等造成误差，这些都可以在密切的配合以及设计日变站的方法减少误差。此外在管线的观察中可以用去除背景场的方法减少影响。

图5 测区概况

4.2 探究管线走向对磁异常的影响

假设管道的固定地下铁质管道的管长为200cm，外径为5cm，厚度为6mm，磁导率为100H/m，只改变管道的不同摆放方向，计算管道上方157cm处中心垂向测线上的磁感应强度。当管道走向分别为正西-正东、西北-东南时，由实测数据得出磁异常曲线如图6所示。

图6 西北-东南、正东-正西向磁异常曲线

当管道走向分别为正南-正北、东北-西南时，由实测数据得出磁异常曲线如图7所示。

图7 正南-正北、东北-西南向磁异常曲线

5 结论与建议

根据磁异常曲线图像、数据和结合相关实际资料得出：通过将地下管线近似看作无限延长的圆柱体，可以由磁异常曲线的幅值大小来判断地下管线的走向。由于复杂地质条件的影响，高精度磁测的反演结果还不是十分准确，反演方法还有待进一步提高。同时还应与反演解释更密切的地质、化探、遥感等其它方法得到的信息相结合，提高反演精度。因高精度磁测法受环境因素影响较大，而地下管线又常分布于城市街道中，电磁场、人为扰动会对高精度磁测产生一定的影响。如何避免这些干扰而达到最佳反演结果是今后需要研究的重点。