探究水工環地質勘察技術與應用

段鵬濤，周亞楠

（1.河南省地球物理空間信息研究院，河南 鄭州 450000；2.河南省地質物探工程技術研究中心，河南 鄭州 450000）

新時代背景下，節約資源、環境保護是社會各領域發展所追求的生態目標，在能源、資源保護、利用與開發中，勢必會借助水工環地質勘察了解資源利用與周邊環境之間的關系，不同環境、水文及工程對生態環境的影響等，所形成的水工環地質勘察結果也成為環境治理、工程建設的數據支撐、技術優化保障，能夠促進我國經濟與環境協調發展，實現我國經濟運作的高質量目標。由此可見，水工環地質勘察對于社會經濟與生態環境保護具有重要意義，唯有把握新形勢下水工環地質勘察要點并積極運用新技術、新方法，才能切實提升水工環地質勘察工作質量。

1 水工環地質勘察工作要點

1.1 水工環地質勘察概述

水工環地質勘察是一項綜合性、復雜性，服務于社會經濟發展、社會規劃及資源保護開發等領域的重要工作，傳統意義下的水工環地質勘察包括水文地質勘察、環境地質勘察及工程地質勘察[1]。隨著社會的發展、世界資源及環境格局的復雜多變，水工環地質勘察工作內容有所延伸，災害地質、城市水工環地質等成為當代水工環地質勘察工作的新內容。從水工環地質勘察工作內容的變化可以看出，當前水工環一體化已經成為地質勘察的發展趨勢，更加契合可持續發展理念的核心觀點，并且注重自然環境與人類活動之間關系的處理，可為我國現代化建設開辟新的路徑。

1.2 水工環地質勘察工作要點

從總體上來看，水工環地質勘察工作的要點體現在三個方面：①水文地質勘察。在開采及利用水資源、工程建設中，需要開展水文地質勘察獲取地下水活動、地下水位、地下水發展規律等資料與數據，了解地下水及地表水的化學成分，防止發生嚴重的水文地質災害；②環境地質勘察。在國土空間規劃“雙評價”實行的背景下，對于區域資源的開發及利用既需要考慮國土空間開發的適宜性，又需要考量區域環境的承載力；③工程地質勘察。在工程建過程中，工程選址、工程結構設計、工程施工階段劃分等均需要應用工程地質勘察結果，在全面掌握影響工程建設的全部地質因素的基礎上，結合建設地點地質物理學性質、力學性質、巖土體結構、地下水活動、可能發生的地質災害等資料制定地質災害應急處置預案，規避危險施工時期，以此保證工程建設的安全性。

隨著水工環地質勘察工作內容延伸、工作難度加大，再加上現代通信、信息及科學技術的發展，在實際的勘察工作中需要注重對勘察技術的革新與流程的優化，根據實際的勘察內容制定科學方案、創建高素質勘察隊伍、加強新技術與新方法的應用，才能夠發揮水工環地質勘察在服務社會經濟發展、服務環境質量改善、服務工程建設及地質災害防治等方面的重要價值。

2 水工環地質勘察技術及其應用

在當代水工環地質勘察工作中，新技術、新方法、新流程的合理應用能夠顯著提升水工環地質勘察工作效率，保證勘察數據的精準性，擴大勘察的內容與范圍，進而提升勘察結果的使用率與應用價值。文章通過梳理文獻，結合實際工作經驗總結出如下五種水工環地質勘察技術及其應用方式，以供參考：

（1）GPS技術及其應用。GPS，即全球定位系統，具有精度高、連續性、覆蓋范圍廣、方便快捷的優勢。GPS技術的工作原理為：①將一定數量的工作衛星及備用衛星放置在互成的軌道上，保證地球上每一個點都能觀測到6-9顆衛星，由此形成基于星網工作的全球定位系統。②在水工環地質勘察過程中，以接收機天線中心為基準，使用接收機接收來自三顆以上衛星的信號，得到測量基準到三顆以上衛星的距離，再通過相應的計算與轉換，獲得該時間節點GPS衛星的窄間坐標；③接收機會將觀測到的數據實時傳輸給觀測站，借助基準數據以及相應的轉換解算方式，計算出勘察地點的具體位置坐標。

在水工環地質勘察工作中，GPS技術的應用范圍十分廣泛，國內外學者通過實踐證明，應用GPS技術能夠快速、準確地探測到地質環境污染的具體位置。而GPS探測技術精度高、測量快速，具有較好的應用效果。隨著科技的發展，當前水工環地質勘察工作中，通常將GPS技術與遙感技術、計算機技術聯用，可實時生成勘察圖像，并可在最大程度上應用地質勘察經驗數據，提升水工環地質勘察成果轉化率，具體的流程如下圖1所示。

圖1 GPS技術在水工環地質勘察工作中的應用流程示意圖

（2）RS技術及其應用。RS技術，即遙感技術，是指借助航攝儀、多光譜掃描儀等傳感器設施，通過空間信息采集系統、地面接收和預處理系統等，從高空或外層空間接收來來自地球表面各類地理的電磁波信息，通過對此類信息進行整合、處理、分析等遠距離控測、識別地球表面的各類地物與地理現象，是一種集合傳感器技術、信息收集技術、信息提取及應用技術、測量技術于一身的綜合性技術，現已廣泛應用與地質災害預測、土地資源調查、環境規劃、地質調查等眾多領域[2]。

在水工環地質勘察工作中，RS技術的應用重要體現在數據采集、數據處理及信息解譯三個方面，應用原理如下圖2所示。

圖2 RS技術在水工環地質勘察工作中的應用原理示圖

首先，以航空攝像機為主要傳感器獲取來自地表的各類地理信息（如上圖2中的A部分所示），根據地質波譜特征選擇相應的成像方式，如TM3成像模式、MSS5成像模式等，能夠較為準確地獲取調查對象的位置、輪廓、空間結構等數據；其次，通過輻射矯正、幾何矯正等數據處理技術，將所獲的地理信息轉化為圖像，呈現出具體的調查內容。如區域內的地形地貌特征、植被分布情況、人類活動范圍等；最后，對上述步驟所形成的圖像進行深入分析，通過輻射亮度、反射率等參數判斷人類活動是否會影響植被的正常生長，在準確評估人類活動的基礎上提出相應的意見。

RS技術在水工環地質勘察工作中的應用，可以對地下水的埋藏情況進行調查，了解區域水土流失程度等，所形成的圖像清晰、細節完善，具有極高的應用價值。

（3）GPR技術及其應用。GPR技術，即探地雷達技術，其工作原理為：使用10MHz~2.6GHz的高頻極化無限電波，借助探測雷達發射器向地面發射雷達脈沖，當地下埋藏與地表介電常數不同的物體、材料與介質時，電磁能會反射回地面，雷達接收天線接收到電磁能反射的角度、剩余量、反射時間等反饋信號，對此信號進行處理后進行地下成像。

GRS是一種無損檢測方式，廣泛應用于地下基礎設施建造、工程施工、采礦前勘察等領域。以工程建造為例，應用GRS技術可以反映地質特征、土地特性、地下結構等，不需要挖掘、鉆孔便可以獲得地下圖像，能夠為工程建造工作分析、計算等提供實時、實地參數。在水工環地質勘察工作中，GRS技術適用于短距離勘查工作內容，其具有探測精度高、成像分辨率高的優勢，并且操作較為簡單，對于一般的地形圖測繪、工程地質勘察等具有較高的應用價值，如查找并定位地下斷裂帶、風化帶等，能夠防止工程建造在地質脆弱位置，最大程度上降低地質災害對工程建設的負面影響程度。在智能化技術、數據處理技術的支撐下，GRS技術水平明顯提升，所收集的探測數據更為全面，結構更加復雜，借助系統強大的數據處理功能能夠實現海量數據的自動化傳輸及分析，系統的自學習功能可對比同類工程、同類地質環境，智能化輸出地質勘察數據報告，尤其是在地質結構復雜、地表覆蓋厚度較大的地質環境下，GRS技術可顯著提升探測精度，提高水工環地質勘察工作效率。

（4）RTK技術及其應用。RTK技術，即載波相位差分技術，主要應用于GRS衛星接收機觀測的數據處理與傳輸過程中。當應用GPS技術開展水工環地質勘察工作時，不可避免地會因觀測值的數量及精度、GPS標準時之間的偏移、電離層折射等產生GPS定位差。為提升測量及定位精度，可在RTK工作模式下進行定位測量，具體工作原理（如下圖3所示）為：基準站將其所獲取的觀測值以及測站坐標信息通過數據鏈傳輸至流動站；接受來自基準站并采集到GPS觀測數據的流動站可以在靜態或動態環境下組合差分觀測值，對其進行實時化、動態化處理，最終獲得厘米級的定位結果。RTK技術作為一種新型的衛星定位測量技術，改變了傳統定位測量只能夠進行事后測量且精度難以達到厘米級的弊端，在動態環境下，RTK技術通過跟蹤四顆以上衛星的相位觀測值、衛星分布的幾何圖形等，借助整周模糊度分析求解方法對每一個歷元進行實時處理，可在很大程度上提升水工環地質勘察工作效率。

圖3 RTK技術工作原理示意圖

隨著RTK技術的逐漸成熟，國內外高新技術企業積極開發與RTK技術相配套的數據處理軟件，如日本東京海洋大學開發的RTKLIB開放源程序包內包括多個應用程序，內置GPS、北斗等標準化、精準度高的定位算法，可實現多站數據的綜合與分流，實時化生成水工環地質勘察所需的RTK差分數據、完備性信息等，可大幅度減少水工環地質勘察工作量、降低勘察工作的人力成本、節省費用支出。

（5）TEM技術及其應用。TEM技術，瞬變電磁技術，可應用于復雜地形的探測中，具有方便、快捷的優勢。以公路邊坡地質勘查工作內容為例，最常使用的技術方法為小回線TEM法，需要根據工程所在地周邊建筑物、構建物的密度等確定回線邊長，如果建筑物較為密集，可采用5m的回線邊長，探測深度可達300m，并可清晰呈現地層電性。根據TEM視電阻率—剖面圖，可以解釋地下斷層，通過對低阻帶狀況等進行深入剖析，預測公路邊坡是否存在滑坡、坍塌等地質災害。除在工程地質問題調查中應用TEM技術，還可以在地質構造中應用TEM技術，探測深度可達800m以上，且該技術在實際的應用中不容易受到外部地質條件的影響，操作方法較為簡單，使用儀器及設備的數量較少，探測準確度較高，能夠為地質問題的處理提供較為真實、可靠、全面的依據。但對于TEM技術的應用要求勘察人員了解瞬變場的規律，能夠識別地下介質對探測結果的影響，才能夠保證TEM技術下水工環地質勘察工作質量。

3 結語

綜上所述，水工環地質勘察工作在社會經濟發展、調整經濟與環境間關系、城市規劃與建設、工程選址及施工組織、地質災害防治等領域具有廣闊的應用前景。隨著社會的發展與時代的進步，適用于水工環地質勘察工作的技術層出不窮，如GPS技術、RTK技術等，這些技術有其自身的適用范圍及應用注意事項，在實際的勘察工作中，勘察人員還需要結合工作環境、情況及條件等，圍繞勘察目標及要點合理選擇相應的技術，在最大程度上提升水工環地質勘察工作效率、質量及數據精度，在推廣新技術、新方法的同時為地質勘察工作的高質量發展蓄勢賦能。