楊潔,王云龍*,張雪,甄占勝

(1.石油石化污染物控制與處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206;2.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院,北京 100875;3.地下水污染控制與修復(fù)教育部工程研究中心,北京 100875;4.中國(guó)石油天然氣股份有限公司遼河石化分公司,盤(pán)錦 124007)

隨著探測(cè)技術(shù)的發(fā)展,探地雷達(dá)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣[1-5]。20世紀(jì)80年代中后期,探地雷達(dá)逐步成為土壤污染原位探測(cè),無(wú)損調(diào)查的主要方法,但探地雷達(dá)異常信息解譯的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)千差萬(wàn)別[6-11]。雷達(dá)波高頻,波長(zhǎng)短等特性使其易被介質(zhì)吸收,當(dāng)?shù)叵履繕?biāo)物非單一個(gè)體時(shí),可能存在干擾信號(hào),導(dǎo)致返回的波形圖不夠清晰[12]。由于在管線探測(cè)中雷達(dá)波和地震波的傳播機(jī)制差別較大,以往基于地震波信息處理方法的雷達(dá)波解譯模式的不足日漸明顯[13]。目前,探地雷達(dá)資料解譯準(zhǔn)確性取決于探測(cè)人員的工作經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)多種地下目標(biāo)體探地雷達(dá)圖像特征和異常信號(hào)識(shí)別技術(shù)的掌握程度[14]。因此,系統(tǒng)地研究典型地下目標(biāo)體的雷達(dá)圖像反射波組特征,有利于提高探地雷達(dá)資料解釋的精度,擴(kuò)展探地雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域。

目前,學(xué)者常通過(guò)數(shù)值方法仿真模擬污染地中的典型目標(biāo)體,搭建數(shù)值模型進(jìn)行正演模擬,對(duì)地下目標(biāo)體的雷達(dá)波長(zhǎng)信號(hào),圖形特征進(jìn)行解譯,從理論上證實(shí)探地雷達(dá)在泄露污染探測(cè)中的適用性,具有一定的工程實(shí)用價(jià)值[15]。張鵬等[13]采用時(shí)域有限差分法(finite-difference time-domain,FDTD)正演模型分析管線材質(zhì)、直徑及埋設(shè)深度對(duì)圖像的影響,同時(shí)得到了不同形狀空洞的雷達(dá)圖像并對(duì)其差異進(jìn)行對(duì)比。梁小強(qiáng)等[16]自主開(kāi)發(fā)探地雷達(dá)正演的FDTD程序,并探究管線埋深,間隔和材質(zhì)等各種影響參數(shù)與雷達(dá)探測(cè)管線效果之間的響應(yīng)關(guān)系。姚顯春等[17]采用FDTD分別搭建金屬管線和非金屬管線的正演模型,探究不同介電常數(shù)的管線分界面波幅的特點(diǎn)及規(guī)律,并對(duì)地下管線材質(zhì)種類(lèi)進(jìn)行區(qū)分。王瑩瑩等[18]將室內(nèi)模擬和正演模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,分析出土壤中油飽和度不同情況下雷達(dá)圖形的異常特征。劉傳奇等[14]通過(guò)基于VS2010搭建模型提取輪廓實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確識(shí)別污染物位置。楊菊等[19]利用計(jì)算機(jī)模擬不同泄漏情況下管道及其周?chē)寥赖睦走_(dá)回波,探究介電常數(shù)變化與雷達(dá)回波的響應(yīng)關(guān)系。劉仁杰等[20]利用FDTD仿真軟件驗(yàn)證基于曲線擬合的層狀介質(zhì)參數(shù)反演算法的預(yù)測(cè)精度。馮德山等[21]提出利用基于復(fù)頻移完全匹配層的辛龍格庫(kù)塔算法進(jìn)一步提升正演模擬截?cái)噙吔缣幍念A(yù)測(cè)精度。李博等[22]基于哈希算法對(duì)正演模擬的地下管線圖形進(jìn)行智能分析,可有效地從探地雷達(dá)剖面中識(shí)別定位管線的空間分布及材質(zhì)。

雖然近些年研究者用正演模擬的方法逐步推動(dòng)探地雷達(dá)(ground penetrating radar,GPR)圖像解譯體系的構(gòu)建,但中國(guó)對(duì)地下典型目標(biāo)體的GPR正演模擬剖面圖圖形解譯尚未形成規(guī)范的體系。本研究選用GPRmax2D軟件,分別對(duì)水平層狀介質(zhì)、圓形管道、矩形目標(biāo)體、局部含水層及石油污染物等地下典型目標(biāo)體進(jìn)行正演模擬并分析雷達(dá)圖譜特征,進(jìn)一步對(duì)探測(cè)中常見(jiàn)的多次反射波、繞射波等形成機(jī)理及識(shí)別特點(diǎn)進(jìn)行解讀,同時(shí)通過(guò)改變模型的參數(shù),對(duì)比不同天線頻率、目標(biāo)體材料、土壤介質(zhì)性質(zhì)等因素對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響,最后在污染場(chǎng)地驗(yàn)證探地雷達(dá)圖形特征分析的準(zhǔn)確性。本文通過(guò)探究地下典型目標(biāo)體的圖形成像規(guī)律,為實(shí)際雷達(dá)探測(cè)中圖形信息解譯提供一定的理論依據(jù)。

1 正演模擬原理和實(shí)驗(yàn)方案

1.1 GPRmax2D軟件

借助GPRmax2D軟件,模擬泄漏污染場(chǎng)中典型目標(biāo)體的雷達(dá)反射波數(shù)據(jù),并利用MATLAB軟件對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行處理和圖像生成[23]。GPRmax2D軟件的理論基礎(chǔ)為FDTD[24]。FDTD是一種以差分原理為基礎(chǔ)的數(shù)值方法,從概括電磁場(chǎng)普遍規(guī)律的Maxwell方程出發(fā),用有限差分式代替方程中的微分式,將電磁場(chǎng)連續(xù)域內(nèi)的問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散系統(tǒng)的問(wèn)題,得到關(guān)于場(chǎng)分量的差分方程組,利用具有相同電參量的空間網(wǎng)格模擬被研究的模型,同時(shí)選取合適的場(chǎng)初始值和計(jì)算空間邊界條件,來(lái)逐步求得此后各個(gè)時(shí)間空間電磁場(chǎng)的分布[25]。

1.2 水平層狀目標(biāo)體模型參數(shù)設(shè)定

水平層狀介質(zhì)正演模型長(zhǎng)、高均為6 m,共分3層,上下兩層模擬兩層干土,中間夾體積含水量約為0.23的濕沙層(圖1),各地層的厚度、電磁參數(shù)等如表1所示。本次正演模擬選用400 MHz頻率的雷達(dá)天線,測(cè)量方式為剖面法,時(shí)窗長(zhǎng)度設(shè)為200 ns,天線偏移距離為0.2 m,每次移動(dòng)0.2 m,共包括26道。

圖1 水平層狀目標(biāo)體正演模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the forward modeling model of the horizontal layered target volume

表1 層狀模型參數(shù)Table 1 Layered model parameters

1.3 水平層狀目標(biāo)體模型參數(shù)設(shè)定

圓形目標(biāo)體模型長(zhǎng)8 m,高6 m,用于模擬干土介質(zhì)中金屬儲(chǔ)油罐的目標(biāo)體位于模型中心位置,中心點(diǎn)埋深為3 m,直徑1 m,金屬壁厚5 cm(圖2),金屬材料的電磁參數(shù)為GPRmax2D模型的默認(rèn)值。雷達(dá)測(cè)線垂直于該目標(biāo)體走向,采用剖面法進(jìn)行探測(cè),探地雷達(dá)天線頻率選擇300 MHz,時(shí)窗設(shè)為220 ns,共包括34道。

圖2 圓形目標(biāo)體正演模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the forward modeling model of the circular target

1.4 矩形目標(biāo)體模型參數(shù)設(shè)定

正演模型長(zhǎng)6.0 m,高6.0 m,用于模擬干土中矩形空氣空洞的矩形目標(biāo)體長(zhǎng)、高和上界面的埋深分別為2.0、1.0、1.50 m(圖3)。矩形模型參數(shù)如表2所示。本次探測(cè)方式為剖面法,探地雷達(dá)天線頻率選用300 MHz,時(shí)窗長(zhǎng)度設(shè)為150 ns,天線偏移距為0.2 m,每次移動(dòng)0.2 m,共包括26道。

表2 矩形模型參數(shù)Table 2 Parameters of rectangular model

1.5 地下管線模型參數(shù)設(shè)定

本研究建立高5 m,寬10 m的模型,將地層概化為單一的黏土地層,模型上層0.5 m為空氣層,下部黏土地層厚4.5 m,用介電常數(shù)和電導(dǎo)率不同的圓形來(lái)代替地下管道及其中流體。在正演模擬的過(guò)程中將發(fā)射和接受天線均放置在土層上部0.02 m處,正演模擬的掃描方法采用共偏移距剖面法[26],天線偏移距為0.2 m,激勵(lì)源選擇Ricker子波,空間網(wǎng)格步長(zhǎng)選擇為Δx=Δy=0.01 m,采集時(shí)窗設(shè)置為100 ns。

1.5.1 不同埋設(shè)深度及天線頻率的正演模擬

通過(guò)控制單一變量,比較不同頻率天線對(duì)不同深度管線的探測(cè)能力,以便為實(shí)際探測(cè)中天線的選擇提供參考。建立的數(shù)值模型管道厚度為0.05 m,管道的外直徑為0.5 m,管道材料為金屬,管道內(nèi)載體為汽油。設(shè)置4根埋藏深度不同的管線,其深度分別為1、1.5、2、2.5 m(圖4)。本模型黏土地層介電常數(shù)設(shè)為6,導(dǎo)電率設(shè)為0.01 S/m,并分別用頻率為100、200、300、500 MHz頻率的天線進(jìn)行正演模擬。

圖4 地下管道正演模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of the forward modeling model of the underground pipeline

1.5.2 不同管線材料正演模擬

分別建立空氣孔洞、PVC管線、金屬管線,及充水狀態(tài)下上述3種管線的模型(圖5),來(lái)比較不同材質(zhì)下探地雷達(dá)波的反射圖像[27]。模型參數(shù)與圖4中模型保持一致,其中將PVC材料的介電常數(shù)設(shè)為3,管線中心的埋深為1.5 m,分別設(shè)置100 MHz和300 MHz頻率雷達(dá)天線進(jìn)行模擬。

圖5 不同材料管線正演模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of the forward modeling model of pipelines with different materials

1.6 局部含水層模型參數(shù)設(shè)定

模型由上層滯水、局部隔水層、包氣帶、潛水含水層及隔水層組成。模型長(zhǎng)、高分別為20、5.5 m,分為3層(圖6),各地層的厚度、地電參數(shù)等如表3所示。本次正演模選用400 MHz頻率的雷達(dá)天線,測(cè)量方式為剖面法,時(shí)窗長(zhǎng)度設(shè)為100 ns,天線偏移距離為0.2 m,每次移動(dòng)0.2 m,共包括96道。

圖6 局部含水層雷達(dá)正演模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of the radar forward model for local aquifers

表3 局部含水層模型參數(shù)Table 3 Local aquifer model parameters

1.7 局部含水層模型參數(shù)設(shè)定

石油等輕質(zhì)非水相流體(LNAPLs)被釋放到地表后,由于重力的作用進(jìn)入土壤[28]。當(dāng)LNAPLs遇到含水單元后,在毛管邊緣和飽和區(qū)頂部形成薄餅狀層。當(dāng)?shù)叵滤鹘?jīng)含污染物的區(qū)域時(shí),隨著可溶解成分的溶解,逐步形成羽狀LNAPLs帶。LNAPLs進(jìn)入地下后主要分為揮發(fā)相、殘留相、自由相和溶解相[29]。污染土壤的介電常數(shù)隨著土壤含水量和含油量的增加而增加,石油污染物本身介電常數(shù)較小,所以含水量是影響介電常數(shù)的主要因素[30]。雖然建立的模型越符合LNAPL擴(kuò)散與賦存實(shí)際情況,模型越能反映GPR信號(hào)的響應(yīng)特征[31],但由于含油量的影響相對(duì)較小,在實(shí)際場(chǎng)地中揮發(fā)相和溶解相含量相對(duì)較低,所以在利用GPRmax2D對(duì)石油污染物進(jìn)行模擬時(shí),對(duì)污染物模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,僅對(duì)殘余相和自由相(油污核心)進(jìn)行模擬。

建立了殘留相和自由相兩部分的概念模型,殘留相中污染物濃度向兩側(cè)逐漸降低,隨之介電常數(shù)也相應(yīng)變小,限于軟件無(wú)法設(shè)置漸變的模型,所以將殘留相分為了內(nèi)部高介電常數(shù)和周?chē)殡姵?shù)較小的兩部分。石油污染物遷移正演模型包括空氣層,包氣層和含水層,模型長(zhǎng)4 m,地下水埋深1.5 m,模型中不同地質(zhì)體的介電常數(shù)如表4所示[32]。

表4 石油污染物正演模擬模型介電常數(shù)Table 4 Dielectric constant of oil pollutant forward modeling model

石油污染物進(jìn)入土壤12 h后的狀態(tài),污染物濃度下部高,上部逐漸降低,濃度最大的油污核心部分沉降在最底部,核心圓心深度約為0.5 m,并向四周擴(kuò)散[圖7(a)]。石油污染物進(jìn)入地下96 h后的狀態(tài),油污到達(dá)地下水面,在地下水面污染物富集,整體上污染物濃度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),污染物濃度由下向上逐漸降低[圖7(b)]。

圖7 污染物不同遷移時(shí)間的正演模型示意圖Fig.7 Schematic diagram of the forward modeling model for different migration times of pollutants

2 數(shù)據(jù)與分析

2.1 水平層狀目標(biāo)體模擬分析

水平層狀目標(biāo)體雷達(dá)正演模擬剖面圖和波形圖[圖8]有從上到下共4條水平且按一定旅行時(shí)間周期性出現(xiàn)的反射軸。在其他條件不變的情況下,將模型中3個(gè)地層的電導(dǎo)率分別調(diào)大到0.001、0.02、0.01,獲得的正演模擬剖面圖如圖8(a)所示。通過(guò)對(duì)比電導(dǎo)率變化前后的剖面圖[圖8(a)],可以觀測(cè)到反射軸間隔與位置不變,但信號(hào)能量減弱,下方的反射波信號(hào)微弱甚至消失。反射軸信號(hào)間隔和位置未變表明電磁波進(jìn)行反射的界面位置沒(méi)有發(fā)生變化。

圖8 水平層狀介質(zhì)雷達(dá)正演模擬剖面圖和波形圖Fig.8 Horizontal layered medium radar forward modeling simulation profile and waveform

在圖1中,只有3個(gè)分界面,分別是空氣和地面的分界面(自由表面),水平層狀目標(biāo)體上界面,水平層狀目標(biāo)體下界面。當(dāng)水平層狀目標(biāo)體上下界面的反射波到達(dá)地面時(shí),由于空氣和地面的介電常數(shù)相差很大,自由表面便成為一個(gè)具有良好反射性的界面。當(dāng)反射波能量足夠時(shí),有可能從自由表面反射并向下傳播,到達(dá)地層間的分界面后,又被反射回地面,往復(fù)循環(huán)。其中,經(jīng)過(guò)多于一次反射的波稱(chēng)為多次反射波。由于介質(zhì)電導(dǎo)率越大,電磁波在介質(zhì)中傳播的衰減系數(shù)越大,反射波的能量越弱,圖8(a)中下方的反射波不明顯。因此,圖8(a)中最上方的兩條反射軸是水平層狀目標(biāo)體上下界面的反射波,下方剩余的反射軸是在水平層狀目標(biāo)體上下界面和自由界面之間反射形成的多次反射波。

采用共中心點(diǎn)法對(duì)上述地質(zhì)模型進(jìn)行模擬。模型的大小及地電參數(shù)保持不變,將模型地面中心點(diǎn)設(shè)為發(fā)射和接受兩個(gè)天線的中心,偏移距離為0.2 m,每次各相向移動(dòng)0.1 m。通過(guò)剖面法和中心點(diǎn)法對(duì)水平層狀模型進(jìn)行正演模擬,觀察對(duì)應(yīng)的雷達(dá)剖面圖和波形圖(圖9)。本次正演模擬選用400 MHz頻率的雷達(dá)天線,測(cè)量方式為剖面法,時(shí)窗長(zhǎng)度設(shè)為200 ns,天線偏移距離為0.2 m,每次移動(dòng)0.2 m,共包括26道。

圖9 中心點(diǎn)法探測(cè)正演模型剖面和波形圖Fig.9 Profile and waveform of forward modeling model for detection by center point method

如圖9所示,用共中心點(diǎn)法獲得的水平層狀介質(zhì)二維雷達(dá)剖面圖表現(xiàn)為傾斜的曲線狀。沿著測(cè)線的正方向,曲線呈向下傾斜的趨勢(shì),傾斜度逐漸變緩,并且空氣直達(dá)波和地面直達(dá)波逐漸分離。電磁波在介質(zhì)中的傳播速度v為

(1)

目標(biāo)體到地表的距離d的計(jì)算公式為

(2)

式(2)中:t為反射電磁波的雙程旅行時(shí)間;x為發(fā)射天線和接受天線間的偏移距離。

計(jì)算可得電磁波在地層1的傳播速度約為0.122 m/ns,通過(guò)深度轉(zhuǎn)換計(jì)算,圖9中最上部的反射波對(duì)應(yīng)的分界面在地面下3.06 m處,與模型設(shè)置分界面1的深度3 m相近,正演模擬預(yù)測(cè)的深度與真實(shí)值的相對(duì)誤差為2%。同理可計(jì)算得出第2條反射波對(duì)應(yīng)分界面2。第3條反射波與第4條反射波電磁波的旅行時(shí)間依次為第1、第2條反射波旅行時(shí)間的2倍,所以分別為界面1和界面2在自由面再次反射形成的多次反射波。

2.2 圓形目標(biāo)體模擬分析

圓形地下金屬儲(chǔ)罐探地雷達(dá)正演模擬的剖面圖及波形圖(圖10)中呈兩條弧形曲線。根據(jù)電磁波傳播的反射規(guī)律,得出圓形罐頂部距離模型表面的距離為2.33 m,與模型中圓形金屬儲(chǔ)罐的2.5 m埋深相近。正演模擬探測(cè)的深度與真實(shí)值之間的相對(duì)誤差為6.8%。因此確定弧形1是金屬罐頂層,弧形頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)圓形目標(biāo)體的頂點(diǎn)。若目標(biāo)體材料為非金屬材質(zhì),則弧線2可推測(cè)為目標(biāo)體底部的反射波。但該模型中目標(biāo)體模擬金屬儲(chǔ)油罐,根據(jù)電磁波的性質(zhì),由于電磁波在金屬表面會(huì)發(fā)生趨膚效應(yīng),電磁波無(wú)法穿透金屬罐頂層到達(dá)底部[14]。弧形2位置電磁波的旅行時(shí)間是弧形1位置的2陪,符合多次反射波的規(guī)律。因此,弧形1是目標(biāo)體頂部的反射波,弧形2為頂部反射波在自由面發(fā)生二次反射所得。

圖10 圓形目標(biāo)體正演模擬剖面和波形圖Fig.10 Forward modeling profile and waveform of circular target

2.3 矩形目標(biāo)體模擬分析

矩形目標(biāo)體正演模擬剖面圖(圖11)與層狀介質(zhì)剖面圖的形態(tài)有所不同,矩形空洞的波形表面水平,在角點(diǎn)處出現(xiàn)繞射現(xiàn)象。矩形空洞模型正演模擬的剖面圖與圓形目標(biāo)體的剖面圖有相似之處,圓形目標(biāo)體的反射波為雙曲線狀的弧線,而矩形目標(biāo)體的弧線頂部變成了一個(gè)平直的反射面,假如將矩形頂部水平方向的長(zhǎng)度逐漸減小,平直反射面變短,接近點(diǎn)狀時(shí),其剖面圖將與圓形目標(biāo)體的弧線反射軸相似[33]。

圖11 矩形目標(biāo)體正演模擬剖面和波形圖Fig.11 The forward modeling profile and waveform of the rectangular target

圖11中,反射波1平直部分,電磁波雙程旅行時(shí)間為2.5 ns,經(jīng)計(jì)算,該位置對(duì)應(yīng)埋深為1.53 m,與模型中矩形頂部設(shè)置的實(shí)際埋深1.50 m之間的相對(duì)誤差為2%,正演模擬的精度較高。同理計(jì)算得反射波2為矩形目標(biāo)體的底部。在目標(biāo)體頂、底部對(duì)應(yīng)的反射波下還伴隨多條多次反射波[34]。由于繞射波的存在,矩形目標(biāo)體水平方向尺寸的確定存在一定困難,在實(shí)際工作中需要通過(guò)濾波和偏移對(duì)探地雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以消除繞射波對(duì)解譯結(jié)果的影響。

2.4 地下管道正演模擬分析

圓形管道雷達(dá)探測(cè)圖譜(圖12)為雙曲線型。隨著管線埋設(shè)深度的增加,得到的雷達(dá)反射信號(hào)越弱,雙曲線的曲率逐漸變小[35]。模型中管道材料為金屬,電磁波無(wú)法穿透,所以在剖面圖中無(wú)管道下界面的反射波,模型中導(dǎo)電率設(shè)置較高,電磁波信號(hào)衰減快,所以圖12中多次反射波信號(hào)微弱。

圖12 不同天線頻率不同埋深管線的正演模擬剖面圖Fig.12 Cross-sectional view of forward modeling simulation of pipelines with different antenna frequencies and different buried depths

根據(jù)不同天線頻率對(duì)同一地下管道的探測(cè)結(jié)果分析,其中300 MHz天線的探測(cè)效果最好,可以清晰地得到4根管線的反射圖像,500 MHz天線雖然較其他小頻率天線得到圖譜的分辨率更高,但埋深為2.5 m管道的反射波形未能在圖像中顯示出。整體上,在100～500 MHz頻率范圍內(nèi),探地雷達(dá)的探測(cè)效果先隨頻率增大而變優(yōu),后隨著頻率增大而變差。究其原因,隨著電磁波頻率增大,波長(zhǎng)變小,圖像的分辨率逐漸增大。但當(dāng)頻率越高的電磁波在如土壤、水、金屬等有損介質(zhì)中傳播時(shí),頻率越高,能量衰減越快,所能探測(cè)到的深度也就越低。

這下熱鬧了，有說(shuō)自己老爸微信名叫“云水禪心”，是因?yàn)樗矚g聽(tīng)同名古箏曲；有說(shuō)自己小姐妹的上司微信和小姐妹同名，叫“一米陽(yáng)光”，氣得她把自己微信昵稱(chēng)改成了“紅塵多可笑”。

通過(guò)兩種不同天線頻率下不同材料管線圖譜特征對(duì)比分析(圖13),金屬管線的反射波最明顯,而無(wú)管壁的空心孔洞反射最不明顯。該現(xiàn)象符合斯奈爾反射定律,當(dāng)不同材料管線的介電常數(shù)存在差異[36],則不同管線與土壤的介電常數(shù)差值各不相同,兩者之間的介電常數(shù)差值越大,對(duì)電磁波的反射越強(qiáng)烈[13]。由于金屬和土壤的介電常數(shù)的相差最大,剖面圖中反射界面最明顯。

圖13 不同管線的正演模擬剖面圖Fig.13 Cross-sectional view of forward modeling simulation of different pipelines

通過(guò)圖13中兩幅剖面圖的對(duì)比,天線頻率變化對(duì)模擬結(jié)果的影響較小。僅在100 MHz天線的模擬結(jié)果中,PVC空管道位置上出現(xiàn)兩根的垂向距離相差約5 ns雙曲線[37]。研究認(rèn)為,上方的曲線為管道上部反射所得,下方曲線為管道底部反射所得。其他位置均未獲得管線底部的反射波是因?yàn)楸灸Ｐ蛯⑼寥澜橘|(zhì)的電導(dǎo)率設(shè)置了較高的值,電磁波的衰減較快,在充水管線中,得到電磁波對(duì)管道底部反射波的可能性更小。在兩種天線的模擬結(jié)果中,在無(wú)管壁充水孔洞和充水PVC管道位置的垂向上出現(xiàn)2條甚至3條波形相似的雙曲線,根據(jù)雙曲線出現(xiàn)位置雙程旅時(shí)的周期性,推測(cè)最上方雙曲線為管道上部的一次反射波,下部雙曲線均為管道頂部的多次反射波。

2.5 局部含水層正演模擬分析

上層滯水模型的探地雷達(dá)正演模擬剖面圖(圖14)含水層及隔水層的形態(tài)在剖面圖中清晰可見(jiàn),400 MHz天線在該模型中具有較高的分辨率。局部含水層介電常數(shù)及電導(dǎo)率均大于周?chē)鼩鈳?電磁波在上層滯水含水層中波速變小,衰減和吸收要大于包氣帶[38]。所以,在上層滯水正下方,潛水面反射波明顯向下凹陷。在正演模擬中多次反射波較為明顯。在實(shí)際探測(cè)中,需要根據(jù)多次反射波周期性出現(xiàn)的特征進(jìn)行識(shí)別,及采用偏移法等對(duì)多次波進(jìn)行消除。

圖14 局部含水層模型圖Fig.14 Model diagram of local aquifer

2.6 石油烴污染物正演模擬分析

由于石油烴污染物正演模型在小范圍內(nèi)包含了形狀、地電參數(shù)不同的多個(gè)目標(biāo)體,所以雷達(dá)剖面圖較復(fù)雜,存在雜波。石油污染物在進(jìn)入土壤后遷移12 h后的正演模擬剖面圖[圖15(a)],接近地表的弧形1為污染區(qū)擴(kuò)散邊緣的反射弧,弧形2為污染物殘留相上部的反射波,弧形3為污染物核心部分的反射波。石油污染物在進(jìn)入土壤后遷移96 h后的正演模擬剖面圖[圖15(b)]中油污擴(kuò)散邊緣、污染物殘留相及自由相分別對(duì)應(yīng)弧形1、弧形2及弧形3。在雷達(dá)剖面圖中地下水面反射波始終保持水平,線條清晰,特征明顯,且下方存在多層反射波[39]。隨著時(shí)間的推移,污染物位置下移,濃度逐漸降低,污染物擴(kuò)散范圍增大。在正演模擬剖面圖中,反射波的清晰度隨之降低,反射波對(duì)應(yīng)的埋深逐步增加,反射波弧形長(zhǎng)逐漸增長(zhǎng)[40]。因此,基于FDTD原理的正演模擬可以有效地監(jiān)測(cè)石油污染物范圍,埋深,和遷移變化情況[12]。

圖15 石油污染物遷移正演模擬剖面圖Fig.15 Profile of forward modeling simulation of petroleum pollutant migration

3 典型污染場(chǎng)地案例分析

為了驗(yàn)證探底雷達(dá)正演模擬圖形特征分析的準(zhǔn)確性,選取北京市密云區(qū)某一廢棄加油站作為研究區(qū)。據(jù)鉆探資料顯示,場(chǎng)地地表及地下水面附近檢出較高總石油烴濃度。為探測(cè)場(chǎng)地地下管道、場(chǎng)地地層及石油污染物分布情況,利用SIR-4000探地雷達(dá),采用縱橫布線的方法,在可能的污染區(qū)域共布置3條測(cè)線。

測(cè)線1布置在汽油儲(chǔ)罐區(qū)域,其探底雷達(dá)剖面圖(圖16)中出現(xiàn)4條清晰的雙曲線反射弧。根據(jù)弧線曲率大小可以分為上下兩組:第一組位于剖面圖上部雙曲線曲率較大,半徑較小;第二組位于剖面圖下部,曲率較小,但半徑較大。曲率的大小可以反映出目標(biāo)體的相對(duì)大小,第一組目標(biāo)體小于第二組的目標(biāo)體,表明地層下方存在兩組不同大小的圓形目標(biāo)體。圖16中雙曲線反射強(qiáng)烈,每組曲線均未捕捉到底部信號(hào),對(duì)比對(duì)圓形目標(biāo)體及金屬管線的正演模擬,且電磁波在金屬表面會(huì)發(fā)生趨膚效應(yīng)導(dǎo)致波形圖無(wú)底部型號(hào)。因此,圖16中為典型的圓形金屬目標(biāo)體的雷達(dá)圖像,弧線均為罐體和管線頂部的反射信號(hào)。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查可知,2個(gè)半徑約1 m的汽油儲(chǔ)罐埋于測(cè)線1地下1 m處,同時(shí)在2個(gè)儲(chǔ)罐正上方0.5 m處,各存在一道半徑約3 cm的金屬管道,方向與儲(chǔ)罐平行,弧線深度與實(shí)際管線及儲(chǔ)罐的埋深相似,目標(biāo)體種類(lèi)與探地雷達(dá)剖面分析結(jié)果相同。

圖16 測(cè)線1處探地雷達(dá)實(shí)測(cè)剖面圖Fig.16 The waveform of ground penetrating radar measured at line 1

從測(cè)線2的剖面圖(圖17)可以看出,垂向上地下介質(zhì)顆粒大小分層明顯,土質(zhì)的變化會(huì)導(dǎo)致地層中孔隙度及含水量的變化,從而引起土壤電磁參數(shù)的變化。電磁波在低含水量地層中傳播時(shí),能量衰減緩慢,波形振幅較弱,當(dāng)?shù)貙雍孔兇髸r(shí),電磁波能量衰減加快,振幅變大,所以推測(cè)雷達(dá)圖中各水平反射軸對(duì)應(yīng)不同巖性的地層。不同土質(zhì)的分界面會(huì)發(fā)生雷達(dá)波的反射。結(jié)合鉆探揭露的場(chǎng)地巖性分布情況,及雷達(dá)反射波的旅行時(shí)長(zhǎng),可以看出各反射帶對(duì)應(yīng)的土質(zhì)類(lèi)型依次為混凝土層、粗砂層、粗砂含礫石層、卵礫夾層、礫石層、粗砂夾礫石層。

紅色圈出區(qū)域?yàn)楫惓^(qū)域圖17 測(cè)線2土層巖性及探底雷達(dá)實(shí)測(cè)剖面波形圖Fig.17 Soil layer lithology and ground-penetrating radar measured profile waveform at line 2

測(cè)線2和測(cè)線3中,除了連續(xù)分布的地層反射界面,還捕捉到形似石油類(lèi)物質(zhì)污染羽的異常區(qū),探底雷達(dá)剖面圖(圖17、圖18)中紅色圈出區(qū)域?yàn)楫惓^(qū)域,波形異常表現(xiàn)為反射增強(qiáng),波峰放大,呈點(diǎn)狀,強(qiáng)弱相間,范圍變大的特征,說(shuō)明介質(zhì)的介電常數(shù)及電導(dǎo)率有所升高。根據(jù)鉆孔資料顯示,地下水面埋深約為24 m,異常區(qū)域主要分布在地下水面附近。汽油和柴油的介電常數(shù)要大于空氣的介電常數(shù),并且遠(yuǎn)小于水的介電常數(shù)。石油類(lèi)污染物在土壤介質(zhì)中進(jìn)行遷移時(shí),當(dāng)其代替空氣占據(jù)了未充水的介質(zhì)孔隙,就會(huì)增大局部介質(zhì)的介電常數(shù),引起電磁波的反射;當(dāng)石油類(lèi)污染物到達(dá)地下水面,與水介電常數(shù)的巨大差異,也會(huì)使污染物的反射圖像不同于地下水面的反射圖像。在地下水流場(chǎng)中,反射波異常區(qū)域處于儲(chǔ)油罐下游,均在污染羽的擴(kuò)散方向上,推測(cè)異常區(qū)即為污染物分布區(qū)域。異常區(qū)顯示,受污染地層具有一定厚度,分析原因?yàn)閳?chǎng)地地層土壤顆粒及孔隙度較大,再加上污染泄漏已發(fā)生很長(zhǎng)時(shí)間,污染物已遷移到達(dá)含水層,并在地下水面附近富集,由于本區(qū)域降水季節(jié)性變化明顯,并且場(chǎng)地靠近潮白河,場(chǎng)地地下水與地表水聯(lián)系密切,地下水水位波動(dòng)大,驅(qū)動(dòng)污染物在垂向上的擴(kuò)展[41],導(dǎo)致污染物在垂向上的分布大。

紅色圈出區(qū)域?yàn)楫惓^(qū)域圖18 測(cè)線3處探底雷達(dá)實(shí)測(cè)剖面波形圖Fig.18 The waveform of ground penetrating radar measured at line 3

4 結(jié)果與分析

通過(guò)正演模擬的方法,系統(tǒng)的總結(jié)6種典型地下目標(biāo)體的反射波特征,并在污染場(chǎng)地驗(yàn)證目標(biāo)體正演模擬圖形特征的準(zhǔn)確性。

在實(shí)際探測(cè)的雷達(dá)剖面圖中,平行線和雙曲線分別是層狀介質(zhì)和圓形目標(biāo)體的基本特征。相比于水平層狀目標(biāo)體,矩形目標(biāo)體反射波中間段水平,在角點(diǎn)處出現(xiàn)繞射現(xiàn)象,即雷達(dá)反射波在角點(diǎn)處出現(xiàn)弧度。在測(cè)定矩形空洞的水平長(zhǎng)度,需先消除繞射波的干擾。相比于矩形目標(biāo)體,圓形目標(biāo)體的反射波整體為弧形,不存在中間水平的波形圖。正演模擬對(duì)水平層狀目標(biāo)體和矩形目標(biāo)體埋深探測(cè)誤差均低于2%,非金屬管線比金屬管線的探測(cè)埋深精度更高[42]。

不同的土壤介質(zhì)和目標(biāo)埋深在探地雷達(dá)剖面圖中呈現(xiàn)不同的探測(cè)效果。土層介質(zhì)的變化會(huì)導(dǎo)致地層中孔隙度及含水量的變化,從而引起土壤電磁參數(shù)的變化,當(dāng)場(chǎng)地地層巖性變化較大時(shí),探地雷達(dá)剖面圖可以清楚地探測(cè)到地層變化的分界面。隨著天線頻率的升高,波長(zhǎng)變小,但在土壤介質(zhì)中電磁波能量衰減增強(qiáng),則探地雷達(dá)對(duì)地下管線探測(cè)效果清晰度變高,但探測(cè)深度變低。因此,天線頻率和探測(cè)深度之間的平衡度是影響探測(cè)結(jié)果的重要一環(huán)。

不同材料管線的雷達(dá)剖面圖具有各自圖形特征。當(dāng)管線與土壤介質(zhì)的介電常數(shù)差別較大時(shí),反射波越強(qiáng),圖形越清晰。通常金屬管線的電磁波反射較強(qiáng),塑料管線的反射波相對(duì)較弱[43]。由于金屬介質(zhì)的趨膚效應(yīng),使其不易產(chǎn)生介質(zhì)底層界面的反射波,但常伴隨多次反射波的現(xiàn)象[44]。可根據(jù)反射波的旅行時(shí)間倍數(shù)識(shí)別多次反射波。當(dāng)在雷達(dá)剖面圖的某一位置垂向出現(xiàn)多個(gè)雷達(dá)反射波時(shí),可通過(guò)公式計(jì)算出每反射波的旅行時(shí)間,并分析各個(gè)反射波的旅行時(shí)間之間是否存在周期性關(guān)系。滿足旅行時(shí)間周期性的反射波是同一反射界面形成的多次反射波,反之則不是同一界面的多次反射波[16]。

土壤中含水量和污染物濃度均會(huì)影響土層介電常數(shù)。由于局部含水層介電常數(shù)及電導(dǎo)率均大于周?chē)鼩鈳?電磁波在上層滯水含水層中衰減要大于包氣帶。在上層滯水正下方,雷達(dá)剖面圖中潛水面會(huì)出現(xiàn)明顯向下凹陷的現(xiàn)象。石油烴污染區(qū)域從上往下分別為油污擴(kuò)散邊緣、污染物殘留相及自由相并且相應(yīng)的介電常數(shù)依次增加,正演模擬的剖面圖可清晰觀測(cè)到各部分的反射波大小和空間分布,進(jìn)一步計(jì)算可得污染物的埋深和相對(duì)大小[11]。

在物探工作中,基于時(shí)域有限差分法的正演模擬分析模型可用來(lái)探究多種地下物體的空間分布情況。水平層狀目標(biāo)體可用來(lái)模擬地下水面、斷層、軟弱夾層、破碎帶等地質(zhì)體。圓形模型可以用來(lái)模擬地下充水洞、地下管道、儲(chǔ)罐、空氣溶洞等地質(zhì)體。矩形目標(biāo)體模型或空氣空洞模型常用來(lái)模擬隧道中襯砌脫空、不密實(shí)體、空洞充水等多種典型病害[45]。

在實(shí)際情況中,地面環(huán)境對(duì)探地雷達(dá)干擾較大且地下污染的分布情況繁雜,本研究?jī)?nèi)容覆蓋面尚有不足,仍需各位學(xué)者共同構(gòu)建探底雷達(dá)圖形解譯體系。