探地雷達的發展及其在環保行業中的應用

白若男 郭釗搏

（中建水務環保有限公司，北京 100037）

0 概述

探地雷達（Ground Penetrating Radar，GPR）是天線發射和接收高頻電磁波來探測介質內部物質特性和分布規律的一種地球物理方法，依據的原理是不同介質的介電常數不同。目前主要被用于道路路基探測、鐵路隧道襯砌檢測、農業調查、考古、礦產勘查、災害地質調查、巖土工程勘察、工程質量檢測、建筑結構檢測以及軍事目標探測等眾多領域，環保領域正在逐步開始應用[1]。

20世紀50年代，GPR雛形起源于20世紀50年代測量冰蓋的厚度； GSSI于1971年研發了第一臺探地雷達設備，促進了探地雷達的發展，并為阿波羅登月計劃研制過雷達設備并成功探測到月球表面塵埃；20世紀80年代開始穩步發展，在研究方面已經擴展至很多領域。

20世紀90年代，很多公司相繼成立，相關機構開始關注； 2017年，在我國開始實施的《城市地下管線探測技術規程》中，附錄D 地下管線探查的地球物理方法中出現了探地雷達，并描述了其工作原理、適用范圍和特點[2]。

1 探地雷達（GPR）設備性能

1.1 探地雷達（GPR）基本原理

探地雷達（GPR）方法本質上是一種用電磁波反射來確定地下介質分布的技術。一般來說，電磁波在傳播過程中會出現反射、透射或折射現象，而對于不同的介質，其介電常數不同，對應的電磁波傳播速度也是不同的。介電常數（ permittivity）又稱誘電率，介質在外加電場時會產生感應電荷而削弱電場，原外加電場（真空中）與最終介質中電場比值即為介電常數。表1為一些常見介質的介電常數和傳播速度。

如果利用一個發射天線發射高頻電磁波，同時另一個天線接收來自地下介質界面的反射波，然后對獲取的數據進行分析處理，就可以得到地下介質的分布狀態。例如在具體的應用場景中，采用GPR進行道路病害探測的前提是道路下空洞、疏松區或富水區與周邊正常地層具有明顯的電性差異[2]。

圖1為探地雷達在工作中的運行模式，從左至右移動，在移動的過程中發射并接收電磁波；發射的脈沖波向地下傳播時，碰到介電常數突變的面會發生反射，反射的回波被接收天線接收，再傳輸到控制系統進行數據的存儲、處理和顯示。圖2為對雷達回撥處理分析后獲得的結果。

探地雷達具有非開挖式無損探測、分辨率高、精度高等技術優勢和特點，掛載不同帶寬天線系統，可以應用于城市地下管線（尤其是PE、PVC材質非金屬管線）探測、城市道路土體病害檢測、道路施工驗收和路基災害檢測等市政工程領域[3]。

表1 常見介質參數

圖1 探地雷達（GPR）基本原理

1.2 測量結果的意義

對于一把尺子來說，它有明確的測量目的，可以精確地測量物品，給出測量的長度信息。對于探地雷達來說，通過對其測量原理進行分析，可以看出GPR設備并不是一個精度高、準確度高、針對性高的測量儀器，例如GPR探測目標的材料種類、深度、橫向位置、縱向位置；也無法像一臺相機（攝像機）一樣拍攝到探測目標的真實外貌。GPR僅能夠提供一些判斷依據，推算出哪里有異常現象，或者給出2種不同介質的中電磁波傳輸速度的差異，并不能給出精確的結果。

所以，在使用GPR時，已知周邊信息越豐富，則探測結果越準確。因為已知信息越多，就大大增加了推測目標介質的材料、深度和大小等信息的可能性，因此結合現場情況綜合判斷非常重要。從某種意義上來說，GPR是一種輔助手段或驗證方法，主要用來驗證人們的假設是否成立。

1.3 對測量環境和目標的要求

由于其技術本身原理的缺陷不能滿足所有條件下的探測，地下和地上的情況都會影響測量的精度。地下土壤含水狀況影響信號的傳播、管線的復雜程度會干擾到信號；地上的建筑、設備等障礙物和車輛等也會干擾到信號。對于特別深的物體，其測量精度會很低，而且尺寸小的測量不到。探測效果取決于目標體的材質、埋深、大小和周圍介質特性等多種因素。

1.4 對產品數據庫的要求

目前，產品已經較為成熟，主要包括2個方面的內容。1）設備本身硬件、軟件性能的提升。2）人們的知識積累，人們對信號的理解水平。知識積累是指長期以來使用GPR獲取的經驗數據，不同的反射波對應的是什么結果，不同情況采用哪種濾波去噪效果更佳。

2 GPR在環保行業中的應用

2.1 暗管探測

針對排污企業利用地下暗管、滲坑和暗井等偷拍偷放的地下管網，完成在非侵入情況下對管道的預定崗位、偷排口的精定位、偷排管道路由的精確定位，以及排放暗管、暗井、滲井（旱井）、滲坑（坑塘）、排污管裂隙等介質的取證[4-6]。

國內10年前開始使用，主要是環保部門、執法部門購買使用，企業用的不多。企業中沒有推廣的原因可能有3點。1）設備昂貴，進口GPR20萬起步，中小企業不愿意投資設備。2）前期金屬管線多，可以選用較為便宜的管線探測儀器（5萬元左右）。3）后期非金屬管道使用逐漸增多，但是市政開挖后果嚴重的仍然是金屬管線，小公司沒有購買的必要性。

中科院電子所的產品、國外知名品牌（加拿大SSI、瑞典MALA、美國GSSI、美國EASYRAD等）的代理商都做過不少類似的項目，為環保部門提供GPR產品。特別是中科院電子所為全國63個環保局提供過產品。

2.2 污染擴散

地下污染物的擴散會引起電阻率的改變，根據其改變可找出收到污染影響的大致范圍和程度，但是很難聚焦到一個污染濃度最大的點。在環境影響評價、土壤修復研究、生態水研究中有不少應用。國外品牌的代理商做過類似的項目，國內產品則沒有涉獵。

2.3 滲漏探測

供水管線產生泄漏后，會在泄漏點周邊產生一定程度的土壤富水，富水區介電常數高于周邊普通土壤，含水量越高，介電常數越大，地質波速變低，可以依據此特征判定所探測區域的富水范圍，從而推斷出泄漏的范圍和泄漏點位置。

圖2 探地雷達（GPR）成像示意圖

對無病害的正常地層，土體密實、分布均勻，除了路面基層與填土間存在介電常數差異外，其他地方介電常數變化較小，不存在明顯的反射界面，在雷達剖面上表現為波形平緩、規則、無雜亂反射波特征。而對于富水區，雷達波多表現為雜亂的強反射，如果疏松富水異常，則表現為同相軸不明顯、以低頻成分為主、多次波較少等特征。

使用探地雷達在測區道路中探測滲漏富水病害，雖然其探測效果是明顯而有效的，但是由于反映被探測目的體的異常與干擾異常存在相似性，導致部分解釋結果出現偏差甚至是錯誤的結果，應該引起我們足夠的重視。如何區分、識別干擾異常是資料解釋過程中的一個重點和難點，部分干擾異常只能通過現場開挖來確認。因此，開展類似的工作。1）要詳細了解路基結構情況。2）要取得地下管線分布資料。3）要加強開挖驗證工作，以提高物探推斷的準確性。

2.4 工程案例

2.4.1 工程概況

某市供水管網存在主要問題表現在如下4個方面。1）管線泄漏經常性破壞路面，維修成本較高。2）管網壓力偏高，管道破損泄漏甚至爆管，事故發生頻繁。3）管網圖紙資料不全和不準確，事故排查工作困難。4）水表超期服役，計量不準。這些問題帶來了2個直接后果，1）管線漏損率較大，導致企業經營成本增加、用戶供水不足、人口密集區易形成地陷等事故；2）在道路開挖、定向穿越等施工中，存在影響管道安全的大量隱患。給水管線主要的隱患是漏水，不僅造成水資源浪費、污染，而且容易造成地面塌陷、危害周圍建筑物安全等。

2.4.2 解決方案

針對目前某市供水管網存在的問題需要進行的主要工作有查清管線位置，有針對性地進行泄漏點檢測，重要管段加裝傳感器建設信息化平臺等工作。

針對管線精確定位與重點管段的泄漏檢測，可以采用探地雷達設備，并結合其他物探手段，進行管線普查與重點管段的泄漏檢測；針對水管壓力事故等，可以在管網重要管段區域加裝壓力、流量等傳感器，建設信息化平臺一體化，為水務公司提供可靠的信息化管理支撐。

2.4.3 實施方案

方案目標：查清地下管線，排除地下管線安全隱患，提高地下管線科技管理水平，將傳統經驗化管理為精細化、系統化管理模式，切實加強地下管線的監管能力，提高管線運行的安全性。

方案主要建設內容如下。1）管線定位探測。對明顯管線點主要調查的方式查明管線的點屬性數據、線屬性數據。用鋼卷尺通過開井、下井量取量測斷面尺寸、管頂（底）深度、井底深度，讀數至厘米；調查時記錄管線材質、管偏、井蓋大小、井蓋材質、電壓、流向、規格、類型、埋設方式、道路名、電纜條數、總孔數、已用孔數、附屬物和特征等數據。對隱蔽管線點，采用探地雷達、管線儀等物探設備，以及開挖、釬探等方式查明管線位置、埋深。管線補測過程包括已有資料的收集——現場踏勘——儀器校驗、物探方法試驗及管線探測儀校驗、編寫施工方案或設計書——地下管線調查與探查——地下管線測量——建立地下管線數據庫、地下管線圖編繪、成果輸出——編寫并提交總結報告等。2）管線滲漏排查。根據雷達測試數據，綜合各種情況，給出地下管線、暗渠、空洞或其他地下異常地質體的幾何數據和屬性參數，形成隱患排查成果表，并提出建議。通過探地雷達對泄漏點推斷，形成管道泄漏調查成果表。3）信息化系統建設。在管線信息入庫的基礎上，針對水管壓力事故等，在管網重要管段區域加裝壓力、流量等傳感器，建設信息化系統，實現供水管線壓力與流量的在線監測。主要內容包括供水管線在線監測子系統和以下重點描述在線監測子系統和地下管線物聯感知實施。

3 GPR的發展和使用建議

3.1 GPR的發展趨勢

GPR的發展趨勢有3種。1）GPR技術目前在探測工作中已經取得了較高的精度和可靠性，也將越來越成熟。2）GPR技術目前在數據處理和圖像的高級顯示已經比較成熟，但仍然會不斷進步。3）人們在特殊領域中應用的需求不斷出現，對應的設備開發將是GPR技術的一個趨勢。

3.2 GPR在環保領域中使用的建議

探地雷達（GPR）進入環保領域較晚，目前，在環保領域中的應用還不夠廣泛。但是隨著環保行業的發展，探地雷達預計會有更多的施展空間，只是需要時間的積累。可以先從探地雷達與其他技術相結合的方案入手，將其看做不可替代的工具。建議循序漸進、逐漸挖掘探地雷達的優勢，積累探地雷達的使用經驗。

例如滲漏探測方面，已有的方案是多種儀器相結合，可以從嘗試加入探地雷達、提高方案整體性能著手；另外，關于土壤修復我們也有相關項目，可以從模仿其他項目的用法開始嘗試。