探究水工环地质勘察技术与应用

段鹏涛，周亚楠

（1.河南省地球物理空间信息研究院，河南 郑州 450000；2.河南省地质物探工程技术研究中心，河南 郑州 450000）

新时代背景下，节约资源、环境保护是社会各领域发展所追求的生态目标，在能源、资源保护、利用与开发中，势必会借助水工环地质勘察了解资源利用与周边环境之间的关系，不同环境、水文及工程对生态环境的影响等，所形成的水工环地质勘察结果也成为环境治理、工程建设的数据支撑、技术优化保障，能够促进我国经济与环境协调发展，实现我国经济运作的高质量目标。由此可见，水工环地质勘察对于社会经济与生态环境保护具有重要意义，唯有把握新形势下水工环地质勘察要点并积极运用新技术、新方法，才能切实提升水工环地质勘察工作质量。

1 水工环地质勘察工作要点

1.1 水工环地质勘察概述

水工环地质勘察是一项综合性、复杂性，服务于社会经济发展、社会规划及资源保护开发等领域的重要工作，传统意义下的水工环地质勘察包括水文地质勘察、环境地质勘察及工程地质勘察[1]。随着社会的发展、世界资源及环境格局的复杂多变，水工环地质勘察工作内容有所延伸，灾害地质、城市水工环地质等成为当代水工环地质勘察工作的新内容。从水工环地质勘察工作内容的变化可以看出，当前水工环一体化已经成为地质勘察的发展趋势，更加契合可持续发展理念的核心观点，并且注重自然环境与人类活动之间关系的处理，可为我国现代化建设开辟新的路径。

1.2 水工环地质勘察工作要点

从总体上来看，水工环地质勘察工作的要点体现在三个方面：①水文地质勘察。在开采及利用水资源、工程建设中，需要开展水文地质勘察获取地下水活动、地下水位、地下水发展规律等资料与数据，了解地下水及地表水的化学成分，防止发生严重的水文地质灾害；②环境地质勘察。在国土空间规划“双评价”实行的背景下，对于区域资源的开发及利用既需要考虑国土空间开发的适宜性，又需要考量区域环境的承载力；③工程地质勘察。在工程建过程中，工程选址、工程结构设计、工程施工阶段划分等均需要应用工程地质勘察结果，在全面掌握影响工程建设的全部地质因素的基础上，结合建设地点地质物理学性质、力学性质、岩土体结构、地下水活动、可能发生的地质灾害等资料制定地质灾害应急处置预案，规避危险施工时期，以此保证工程建设的安全性。

随着水工环地质勘察工作内容延伸、工作难度加大，再加上现代通信、信息及科学技术的发展，在实际的勘察工作中需要注重对勘察技术的革新与流程的优化，根据实际的勘察内容制定科学方案、创建高素质勘察队伍、加强新技术与新方法的应用，才能够发挥水工环地质勘察在服务社会经济发展、服务环境质量改善、服务工程建设及地质灾害防治等方面的重要价值。

2 水工环地质勘察技术及其应用

在当代水工环地质勘察工作中，新技术、新方法、新流程的合理应用能够显著提升水工环地质勘察工作效率，保证勘察数据的精准性，扩大勘察的内容与范围，进而提升勘察结果的使用率与应用价值。文章通过梳理文献，结合实际工作经验总结出如下五种水工环地质勘察技术及其应用方式，以供参考：

（1）GPS技术及其应用。GPS，即全球定位系统，具有精度高、连续性、覆盖范围广、方便快捷的优势。GPS技术的工作原理为：①将一定数量的工作卫星及备用卫星放置在互成的轨道上，保证地球上每一个点都能观测到6-9颗卫星，由此形成基于星网工作的全球定位系统。②在水工环地质勘察过程中，以接收机天线中心为基准，使用接收机接收来自三颗以上卫星的信号，得到测量基准到三颗以上卫星的距离，再通过相应的计算与转换，获得该时间节点GPS卫星的窄间坐标；③接收机会将观测到的数据实时传输给观测站，借助基准数据以及相应的转换解算方式，计算出勘察地点的具体位置坐标。

在水工环地质勘察工作中，GPS技术的应用范围十分广泛，国内外学者通过实践证明，应用GPS技术能够快速、准确地探测到地质环境污染的具体位置。而GPS探测技术精度高、测量快速，具有较好的应用效果。随着科技的发展，当前水工环地质勘察工作中，通常将GPS技术与遥感技术、计算机技术联用，可实时生成勘察图像，并可在最大程度上应用地质勘察经验数据，提升水工环地质勘察成果转化率，具体的流程如下图1所示。

图1 GPS技术在水工环地质勘察工作中的应用流程示意图

（2）RS技术及其应用。RS技术，即遥感技术，是指借助航摄仪、多光谱扫描仪等传感器设施，通过空间信息采集系统、地面接收和预处理系统等，从高空或外层空间接收来来自地球表面各类地理的电磁波信息，通过对此类信息进行整合、处理、分析等远距离控测、识别地球表面的各类地物与地理现象，是一种集合传感器技术、信息收集技术、信息提取及应用技术、测量技术于一身的综合性技术，现已广泛应用与地质灾害预测、土地资源调查、环境规划、地质调查等众多领域[2]。

在水工环地质勘察工作中，RS技术的应用重要体现在数据采集、数据处理及信息解译三个方面，应用原理如下图2所示。

图2 RS技术在水工环地质勘察工作中的应用原理示图

首先，以航空摄像机为主要传感器获取来自地表的各类地理信息（如上图2中的A部分所示），根据地质波谱特征选择相应的成像方式，如TM3成像模式、MSS5成像模式等，能够较为准确地获取调查对象的位置、轮廓、空间结构等数据；其次，通过辐射矫正、几何矫正等数据处理技术，将所获的地理信息转化为图像，呈现出具体的调查内容。如区域内的地形地貌特征、植被分布情况、人类活动范围等；最后，对上述步骤所形成的图像进行深入分析，通过辐射亮度、反射率等参数判断人类活动是否会影响植被的正常生长，在准确评估人类活动的基础上提出相应的意见。

RS技术在水工环地质勘察工作中的应用，可以对地下水的埋藏情况进行调查，了解区域水土流失程度等，所形成的图像清晰、细节完善，具有极高的应用价值。

（3）GPR技术及其应用。GPR技术，即探地雷达技术，其工作原理为：使用10MHz~2.6GHz的高频极化无限电波，借助探测雷达发射器向地面发射雷达脉冲，当地下埋藏与地表介电常数不同的物体、材料与介质时，电磁能会反射回地面，雷达接收天线接收到电磁能反射的角度、剩余量、反射时间等反馈信号，对此信号进行处理后进行地下成像。

GRS是一种无损检测方式，广泛应用于地下基础设施建造、工程施工、采矿前勘察等领域。以工程建造为例，应用GRS技术可以反映地质特征、土地特性、地下结构等，不需要挖掘、钻孔便可以获得地下图像，能够为工程建造工作分析、计算等提供实时、实地参数。在水工环地质勘察工作中，GRS技术适用于短距离勘查工作内容，其具有探测精度高、成像分辨率高的优势，并且操作较为简单，对于一般的地形图测绘、工程地质勘察等具有较高的应用价值，如查找并定位地下断裂带、风化带等，能够防止工程建造在地质脆弱位置，最大程度上降低地质灾害对工程建设的负面影响程度。在智能化技术、数据处理技术的支撑下，GRS技术水平明显提升，所收集的探测数据更为全面，结构更加复杂，借助系统强大的数据处理功能能够实现海量数据的自动化传输及分析，系统的自学习功能可对比同类工程、同类地质环境，智能化输出地质勘察数据报告，尤其是在地质结构复杂、地表覆盖厚度较大的地质环境下，GRS技术可显著提升探测精度，提高水工环地质勘察工作效率。

（4）RTK技术及其应用。RTK技术，即载波相位差分技术，主要应用于GRS卫星接收机观测的数据处理与传输过程中。当应用GPS技术开展水工环地质勘察工作时，不可避免地会因观测值的数量及精度、GPS标准时之间的偏移、电离层折射等产生GPS定位差。为提升测量及定位精度，可在RTK工作模式下进行定位测量，具体工作原理（如下图3所示）为：基准站将其所获取的观测值以及测站坐标信息通过数据链传输至流动站；接受来自基准站并采集到GPS观测数据的流动站可以在静态或动态环境下组合差分观测值，对其进行实时化、动态化处理，最终获得厘米级的定位结果。RTK技术作为一种新型的卫星定位测量技术，改变了传统定位测量只能够进行事后测量且精度难以达到厘米级的弊端，在动态环境下，RTK技术通过跟踪四颗以上卫星的相位观测值、卫星分布的几何图形等，借助整周模糊度分析求解方法对每一个历元进行实时处理，可在很大程度上提升水工环地质勘察工作效率。

图3 RTK技术工作原理示意图

随着RTK技术的逐渐成熟，国内外高新技术企业积极开发与RTK技术相配套的数据处理软件，如日本东京海洋大学开发的RTKLIB开放源程序包内包括多个应用程序，内置GPS、北斗等标准化、精准度高的定位算法，可实现多站数据的综合与分流，实时化生成水工环地质勘察所需的RTK差分数据、完备性信息等，可大幅度减少水工环地质勘察工作量、降低勘察工作的人力成本、节省费用支出。

（5）TEM技术及其应用。TEM技术，瞬变电磁技术，可应用于复杂地形的探测中，具有方便、快捷的优势。以公路边坡地质勘查工作内容为例，最常使用的技术方法为小回线TEM法，需要根据工程所在地周边建筑物、构建物的密度等确定回线边长，如果建筑物较为密集，可采用5m的回线边长，探测深度可达300m，并可清晰呈现地层电性。根据TEM视电阻率—剖面图，可以解释地下断层，通过对低阻带状况等进行深入剖析，预测公路边坡是否存在滑坡、坍塌等地质灾害。除在工程地质问题调查中应用TEM技术，还可以在地质构造中应用TEM技术，探测深度可达800m以上，且该技术在实际的应用中不容易受到外部地质条件的影响，操作方法较为简单，使用仪器及设备的数量较少，探测准确度较高，能够为地质问题的处理提供较为真实、可靠、全面的依据。但对于TEM技术的应用要求勘察人员了解瞬变场的规律，能够识别地下介质对探测结果的影响，才能够保证TEM技术下水工环地质勘察工作质量。

3 结语

综上所述，水工环地质勘察工作在社会经济发展、调整经济与环境间关系、城市规划与建设、工程选址及施工组织、地质灾害防治等领域具有广阔的应用前景。随着社会的发展与时代的进步，适用于水工环地质勘察工作的技术层出不穷，如GPS技术、RTK技术等，这些技术有其自身的适用范围及应用注意事项，在实际的勘察工作中，勘察人员还需要结合工作环境、情况及条件等，围绕勘察目标及要点合理选择相应的技术，在最大程度上提升水工环地质勘察工作效率、质量及数据精度，在推广新技术、新方法的同时为地质勘察工作的高质量发展蓄势赋能。