探地雷达的发展及其在环保行业中的应用

2020-12-24白若男郭钊搏

中国新技术新产品 2020年21期

白若男郭钊搏

（中建水务环保有限公司，北京 100037）

0 概述

探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）是天线发射和接收高频电磁波来探测介质内部物质特性和分布规律的一种地球物理方法，依据的原理是不同介质的介电常数不同。目前主要被用于道路路基探测、铁路隧道衬砌检测、农业调查、考古、矿产勘查、灾害地质调查、岩土工程勘察、工程质量检测、建筑结构检测以及军事目标探测等众多领域，环保领域正在逐步开始应用[1]。

20世纪50年代，GPR雏形起源于20世纪50年代测量冰盖的厚度； GSSI于1971年研发了第一台探地雷达设备，促进了探地雷达的发展，并为阿波罗登月计划研制过雷达设备并成功探测到月球表面尘埃；20世纪80年代开始稳步发展，在研究方面已经扩展至很多领域。

20世纪90年代，很多公司相继成立，相关机构开始关注； 2017年，在我国开始实施的《城市地下管线探测技术规程》中，附录D 地下管线探查的地球物理方法中出现了探地雷达，并描述了其工作原理、适用范围和特点[2]。

1 探地雷达（GPR）设备性能

1.1 探地雷达（GPR）基本原理

探地雷达（GPR）方法本质上是一种用电磁波反射来确定地下介质分布的技术。一般来说，电磁波在传播过程中会出现反射、透射或折射现象，而对于不同的介质，其介电常数不同，对应的电磁波传播速度也是不同的。介电常数（ permittivity）又称诱电率，介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介质中电场比值即为介电常数。表1为一些常见介质的介电常数和传播速度。

如果利用一个发射天线发射高频电磁波，同时另一个天线接收来自地下介质界面的反射波，然后对获取的数据进行分析处理，就可以得到地下介质的分布状态。例如在具体的应用场景中，采用GPR进行道路病害探测的前提是道路下空洞、疏松区或富水区与周边正常地层具有明显的电性差异[2]。

图1为探地雷达在工作中的运行模式，从左至右移动，在移动的过程中发射并接收电磁波；发射的脉冲波向地下传播时，碰到介电常数突变的面会发生反射，反射的回波被接收天线接收，再传输到控制系统进行数据的存储、处理和显示。图2为对雷达回拨处理分析后获得的结果。

探地雷达具有非开挖式无损探测、分辨率高、精度高等技术优势和特点，挂载不同带宽天线系统，可以应用于城市地下管线（尤其是PE、PVC材质非金属管线）探测、城市道路土体病害检测、道路施工验收和路基灾害检测等市政工程领域[3]。

表1 常见介质参数

图1 探地雷达（GPR）基本原理

1.2 测量结果的意义

对于一把尺子来说，它有明确的测量目的，可以精确地测量物品，给出测量的长度信息。对于探地雷达来说，通过对其测量原理进行分析，可以看出GPR设备并不是一个精度高、准确度高、针对性高的测量仪器，例如GPR探测目标的材料种类、深度、横向位置、纵向位置；也无法像一台相机（摄像机）一样拍摄到探测目标的真实外貌。GPR仅能够提供一些判断依据，推算出哪里有异常现象，或者给出2种不同介质的中电磁波传输速度的差异，并不能给出精确的结果。

所以，在使用GPR时，已知周边信息越丰富，则探测结果越准确。因为已知信息越多，就大大增加了推测目标介质的材料、深度和大小等信息的可能性，因此结合现场情况综合判断非常重要。从某种意义上来说，GPR是一种辅助手段或验证方法，主要用来验证人们的假设是否成立。

1.3 对测量环境和目标的要求

由于其技术本身原理的缺陷不能满足所有条件下的探测，地下和地上的情况都会影响测量的精度。地下土壤含水状况影响信号的传播、管线的复杂程度会干扰到信号；地上的建筑、设备等障碍物和车辆等也会干扰到信号。对于特别深的物体，其测量精度会很低，而且尺寸小的测量不到。探测效果取决于目标体的材质、埋深、大小和周围介质特性等多种因素。

1.4 对产品数据库的要求

目前，产品已经较为成熟，主要包括2个方面的内容。1）设备本身硬件、软件性能的提升。2）人们的知识积累，人们对信号的理解水平。知识积累是指长期以来使用GPR获取的经验数据，不同的反射波对应的是什么结果，不同情况采用哪种滤波去噪效果更佳。

2 GPR在环保行业中的应用

2.1 暗管探测

针对排污企业利用地下暗管、渗坑和暗井等偷拍偷放的地下管网，完成在非侵入情况下对管道的预定岗位、偷排口的精定位、偷排管道路由的精确定位，以及排放暗管、暗井、渗井（旱井）、渗坑（坑塘）、排污管裂隙等介质的取证[4-6]。

国内10年前开始使用，主要是环保部门、执法部门购买使用，企业用的不多。企业中没有推广的原因可能有3点。1）设备昂贵，进口GPR20万起步，中小企业不愿意投资设备。2）前期金属管线多，可以选用较为便宜的管线探测仪器（5万元左右）。3）后期非金属管道使用逐渐增多，但是市政开挖后果严重的仍然是金属管线，小公司没有购买的必要性。

中科院电子所的产品、国外知名品牌（加拿大SSI、瑞典MALA、美国GSSI、美国EASYRAD等）的代理商都做过不少类似的项目，为环保部门提供GPR产品。特别是中科院电子所为全国63个环保局提供过产品。

2.2 污染扩散

地下污染物的扩散会引起电阻率的改变，根据其改变可找出收到污染影响的大致范围和程度，但是很难聚焦到一个污染浓度最大的点。在环境影响评价、土壤修复研究、生态水研究中有不少应用。国外品牌的代理商做过类似的项目，国内产品则没有涉猎。

2.3 渗漏探测

供水管线产生泄漏后，会在泄漏点周边产生一定程度的土壤富水，富水区介电常数高于周边普通土壤，含水量越高，介电常数越大，地质波速变低，可以依据此特征判定所探测区域的富水范围，从而推断出泄漏的范围和泄漏点位置。

图2 探地雷达（GPR）成像示意图

对无病害的正常地层，土体密实、分布均匀，除了路面基层与填土间存在介电常数差异外，其他地方介电常数变化较小，不存在明显的反射界面，在雷达剖面上表现为波形平缓、规则、无杂乱反射波特征。而对于富水区，雷达波多表现为杂乱的强反射，如果疏松富水异常，则表现为同相轴不明显、以低频成分为主、多次波较少等特征。

使用探地雷达在测区道路中探测渗漏富水病害，虽然其探测效果是明显而有效的，但是由于反映被探测目的体的异常与干扰异常存在相似性，导致部分解释结果出现偏差甚至是错误的结果，应该引起我们足够的重视。如何区分、识别干扰异常是资料解释过程中的一个重点和难点，部分干扰异常只能通过现场开挖来确认。因此，开展类似的工作。1）要详细了解路基结构情况。2）要取得地下管线分布资料。3）要加强开挖验证工作，以提高物探推断的准确性。

2.4 工程案例

2.4.1 工程概况

某市供水管网存在主要问题表现在如下4个方面。1）管线泄漏经常性破坏路面，维修成本较高。2）管网压力偏高，管道破损泄漏甚至爆管，事故发生频繁。3）管网图纸资料不全和不准确，事故排查工作困难。4）水表超期服役，计量不准。这些问题带来了2个直接后果，1）管线漏损率较大，导致企业经营成本增加、用户供水不足、人口密集区易形成地陷等事故；2）在道路开挖、定向穿越等施工中，存在影响管道安全的大量隐患。给水管线主要的隐患是漏水，不仅造成水资源浪费、污染，而且容易造成地面塌陷、危害周围建筑物安全等。

2.4.2 解决方案

针对目前某市供水管网存在的问题需要进行的主要工作有查清管线位置，有针对性地进行泄漏点检测，重要管段加装传感器建设信息化平台等工作。

针对管线精确定位与重点管段的泄漏检测，可以采用探地雷达设备，并结合其他物探手段，进行管线普查与重点管段的泄漏检测；针对水管压力事故等，可以在管网重要管段区域加装压力、流量等传感器，建设信息化平台一体化，为水务公司提供可靠的信息化管理支撑。

2.4.3 实施方案

方案目标：查清地下管线，排除地下管线安全隐患，提高地下管线科技管理水平，将传统经验化管理为精细化、系统化管理模式，切实加强地下管线的监管能力，提高管线运行的安全性。

方案主要建设内容如下。1）管线定位探测。对明显管线点主要调查的方式查明管线的点属性数据、线属性数据。用钢卷尺通过开井、下井量取量测断面尺寸、管顶（底）深度、井底深度，读数至厘米；调查时记录管线材质、管偏、井盖大小、井盖材质、电压、流向、规格、类型、埋设方式、道路名、电缆条数、总孔数、已用孔数、附属物和特征等数据。对隐蔽管线点，采用探地雷达、管线仪等物探设备，以及开挖、钎探等方式查明管线位置、埋深。管线补测过程包括已有资料的收集——现场踏勘——仪器校验、物探方法试验及管线探测仪校验、编写施工方案或设计书——地下管线调查与探查——地下管线测量——建立地下管线数据库、地下管线图编绘、成果输出——编写并提交总结报告等。2）管线渗漏排查。根据雷达测试数据，综合各种情况，给出地下管线、暗渠、空洞或其他地下异常地质体的几何数据和属性参数，形成隐患排查成果表，并提出建议。通过探地雷达对泄漏点推断，形成管道泄漏调查成果表。3）信息化系统建设。在管线信息入库的基础上，针对水管压力事故等，在管网重要管段区域加装压力、流量等传感器，建设信息化系统，实现供水管线压力与流量的在线监测。主要内容包括供水管线在线监测子系统和以下重点描述在线监测子系统和地下管线物联感知实施。