摘 要 探地雷達(dá)憑借快捷、高效、無損的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于各工程領(lǐng)域?；诖?，在介紹探地雷達(dá)探測原理的基礎(chǔ)上，著重分析了探地雷達(dá)在土地平整工程、道路工程、灌溉與排水工程、覆土工程等方面的應(yīng)用，并對探地雷達(dá)在土地整治工程中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，以期能為土地整治工程的施工、設(shè)計(jì)、驗(yàn)收提供一種有效的手段。

關(guān)鍵詞 探地雷達(dá)；土地整治；應(yīng)用

中圖分類號：U416.06 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.26.087

1 研究背景

我國人口眾多，實(shí)施土地整治工程在確保1.2億公頃耕地紅線、國家糧食安全及耕地總量動態(tài)平衡中發(fā)揮著舉足輕重的重要作用。目前，我國土地整治起步較晚，但發(fā)展迅速，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年全國獲批的土地整治項(xiàng)目多達(dá)上萬個(gè)。該項(xiàng)目將核心集中在增加耕地?cái)?shù)量上，但是卻沒有充分考慮耕地的質(zhì)量，進(jìn)而導(dǎo)致新增加耕地的產(chǎn)出及效益較低，還存在嚴(yán)重的土地資源浪費(fèi)現(xiàn)象，其主要原因是各級部門的監(jiān)管力度不足，急需一種快速高效的土地工程質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測手段。隨著科技手段的不斷發(fā)展，探地雷達(dá)作為一種效率較高的淺層地球物理探測技術(shù)，主要利用高頻電磁脈沖波的發(fā)射原理，根據(jù)地下介質(zhì)電性參數(shù)之間存在的差異及回波的頻率、波形及振幅等動力學(xué)與運(yùn)動學(xué)特性對介質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其物理性能進(jìn)行分析與判斷。該技術(shù)操作簡便，具有較強(qiáng)的場地適應(yīng)能力及抗干擾能力，而且在探測分辨率方面也具有很大的優(yōu)勢，目前已經(jīng)在軍事、建筑、橋隧、地質(zhì)和考古等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但在土地整治領(lǐng)域的應(yīng)用較為少見。基于此，重點(diǎn)分析了探地雷達(dá)在土地工程中的應(yīng)用途徑。

2 探地雷電的原理

探地雷達(dá)主要使用天線由地表至地下對高頻電磁波進(jìn)行發(fā)射，之后在目標(biāo)體位置處經(jīng)過反射再返回至地面，由接收天線進(jìn)行接收。在介質(zhì)中對電磁波進(jìn)行傳播的過程中，隨著其所在介質(zhì)的幾何狀態(tài)及電性發(fā)生變化，電磁波的波形與強(qiáng)度也將發(fā)生一定程度的變化。因此，探地雷達(dá)以接收到波的雙程走時(shí)、波形及波幅等為依據(jù)，尤其是反射波的振幅及同相軸的變化，進(jìn)而對目標(biāo)體介質(zhì)結(jié)構(gòu)及其特性進(jìn)行推斷[1]。

當(dāng)相鄰介質(zhì)的分界面之間的介電性差異比較大時(shí)，一旦遭遇電磁波，雷達(dá)信號將會表現(xiàn)出較為明顯的“跳躍”，代表其具反射能力比較強(qiáng)。當(dāng)電磁波由介電常數(shù)比較小的介質(zhì)到達(dá)介電常數(shù)比較大的介質(zhì)時(shí)，也就是說由高速介質(zhì)到達(dá)低速介質(zhì)，由光疏介質(zhì)到達(dá)光密介質(zhì)時(shí)，其反射系數(shù)表現(xiàn)為負(fù)值，也就是說發(fā)射波振幅反向。與之相反，當(dāng)電磁波由低速介質(zhì)到達(dá)高速介質(zhì)時(shí)，入射波與反射波振幅保持一致[2]。所以，探地雷達(dá)檢測壩體病害的先決條件就是介電差異，介電之間存在的差異越大表明界面上的反射較為強(qiáng)烈，由此取得的探測效果也較為明顯。

3 探地雷達(dá)在土地整治工程中的應(yīng)用

3.1 土地平整工程

土地平整工程是根據(jù)地形、面積、空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將項(xiàng)目區(qū)劃分成若干土地平整單元區(qū)，利用推土機(jī)械對項(xiàng)目區(qū)內(nèi)部分田塊，按照高程近似的原則，因地制宜地進(jìn)行平整。在土地平整前期必要要做好土層厚度普探工作，土層厚度普探工作對平整之后新增耕地的土壤剖面構(gòu)造起到直接調(diào)控作用，從而對新增耕地質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。開展土層厚度普探工作，既能夠確保土的來源供給及工程中土方平衡，又能夠有效防止過度開挖土方進(jìn)而導(dǎo)致土層過薄而無法得到利用或母質(zhì)裸露引起土地荒漠化等一系列問題[3]。通常情況下，對土層厚度進(jìn)行探查時(shí)使用剖面法及鉆孔法，由此得到的結(jié)果較為準(zhǔn)確，但是開展工作的過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且效率低下、成本比較高，這是當(dāng)前大部分土地整治工程中缺少前期土層厚度普探的主要原因，往往導(dǎo)致平整之后土層厚度與施工標(biāo)準(zhǔn)及作物生長發(fā)育需要不相符合，進(jìn)而導(dǎo)致土地整治的生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益與社會效益達(dá)不到預(yù)期的效果?；|文等采用頻率為500 MHz和250 MHz的天線對南泥灣土地整治項(xiàng)目新增耕地的土層厚度進(jìn)行探測，結(jié)果表明探地雷達(dá)法所測得的結(jié)果與實(shí)測值相吻合，誤差范圍為0～5 cm，能夠滿足現(xiàn)行土地工程質(zhì)量檢測的精度要求。

3.2 田間道路工程

道路工程是建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和產(chǎn)業(yè)化耕作的前提，道路工程質(zhì)量必須與農(nóng)機(jī)行使、交通運(yùn)輸及田間生產(chǎn)與管理的要求相符。土地整治項(xiàng)目的道路多采用混凝土水泥結(jié)構(gòu)，分為路基和路面，混凝土的介電常數(shù)大約為6，路基土壤層的介電常數(shù)隨濕度變化較大，但均大于8，混凝土層與地基層的介電常數(shù)差異，為利用探地雷達(dá)技術(shù)測定道路路面厚度提供了理論依據(jù)。在用探地雷達(dá)對道路進(jìn)行無損檢測時(shí)，如果道路的局部地段存在差異（如被破壞），則雷達(dá)波反射信號的雙程旅行時(shí)，振幅、相位及頻譜特征將發(fā)生明顯變化，根據(jù)這些變化特征，就可推測路面下基層、路基等的狀況，從而達(dá)到無損檢測的目的[4]。在頻率方面，為提高電磁波在水泥混凝土面層中的穿透能力，當(dāng)探測水泥混凝土面層時(shí)要采用較低頻率的輻射波，一般為900～1 000 MHz的天線。將探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于土地整治道路工程中，能夠?qū)Φ缆肥┕べ|(zhì)量進(jìn)行監(jiān)管與控制，為研究道路路面結(jié)構(gòu)與材料等提供了技術(shù)支持，能夠及時(shí)檢測出道路質(zhì)量安全隱患，應(yīng)用于道路的維護(hù)與改造中，為開展相應(yīng)的評定工作奠定基礎(chǔ)。

3.3 灌溉與排水工程

灌溉與排水工程是影響土地整治后期管護(hù)過程中土地資源和水資源利用效率的重要因素之一，工程質(zhì)量的好壞與農(nóng)田的灌溉和排澇密切相關(guān)。在土地整治工程中，探地雷達(dá)可用于地埋管位置、管徑大小的探測測量，進(jìn)而判斷其是否符合設(shè)計(jì)要求。探地雷達(dá)無論對金屬管線還是對非金屬管線都有良好的反應(yīng)而且抗干擾性強(qiáng)，還能夠通過改變頻率來改變探測深度和分辨率，通過雷達(dá)圖象可直接反映管徑大小。電磁波在傳播的過程中，遇到地埋管的上下管壁時(shí)會產(chǎn)生繞射，形成繞射波，天線接收到該信號，會在雷達(dá)圖譜上表現(xiàn)出兩組或多組雙曲線弧，呈上下分布，上雙曲線弧最高點(diǎn)即為管道上壁，下雙曲線弧最高點(diǎn)為管道下壁，兩者之間的距離即為管道直徑[5]。探地雷達(dá)還可以應(yīng)用于檢測排水溝襯砌質(zhì)量，主要有以下兩點(diǎn)。1）檢測襯砌厚度是否符合設(shè)計(jì)要求。2）對襯砌進(jìn)行檢測，查看是否存在滲水、空洞和松軟介質(zhì)等現(xiàn)象。

3.4 覆土工程

覆土工程是土地整治中最重要的單項(xiàng)工程之一，通常情況下，把覆土厚度作為檢驗(yàn)土地工程質(zhì)量的重要指標(biāo)。覆土工程的有效覆土厚度決定著新增耕地的生產(chǎn)能力，也與工程的成本密切相關(guān)。傳統(tǒng)方法通過鉆孔取土、開挖剖面和工程斷面實(shí)測等手段確定覆土層的厚度，這些方法雖然精度高，但破壞性大，效率不高，而且這種以點(diǎn)帶面的方式很難了解整個(gè)工程的整體覆土厚度，也很難準(zhǔn)確評價(jià)工程質(zhì)量。土層厚度能夠較好地反映新增耕地的質(zhì)量，不僅能夠?yàn)橥寥鲤B(yǎng)分提供補(bǔ)給源，還能夠?yàn)橥寥赖V質(zhì)元素提供儲存庫，緊密聯(lián)系著土地生產(chǎn)力。另外，土層的厚薄也會對養(yǎng)分及水分的存量產(chǎn)生直接的影響，如果土層較淺將會對植物根系往土層的廣度與深度發(fā)展產(chǎn)生直接影響，還會對地上植株的支撐產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)營養(yǎng)元素含量一致時(shí)，對比土壤產(chǎn)生的植物總量能夠發(fā)現(xiàn)：土層深厚的土壤要明顯高于土壤淺薄的土壤。經(jīng)過整改之后土層通常比較松軟，與以往土層緊密度之間存在的差異比較明顯，使介電常數(shù)之間的差異也較為顯著，從而為探地雷達(dá)能夠探測新增耕地的土層厚度提供了理論依據(jù)。

在土地整治過程中，往往需要對覆土進(jìn)行分成嚴(yán)實(shí)，將土壤壓實(shí)之后內(nèi)部可以存儲水及空氣的空間明顯減少，將會對土壤的透氣性、土壤養(yǎng)分及水分的運(yùn)輸?shù)犬a(chǎn)生較大的影響，同時(shí)也不利于農(nóng)作物根系生長，使土地生產(chǎn)力大大降低。因此，必須及時(shí)掌握土壤壓實(shí)狀況對土壤產(chǎn)生的重要影響，如果土壤的壓實(shí)程度過大，就會影響作物的生長，達(dá)不到土地整治的目的。

4 不足與展望

通常而言，土壤都具備較為復(fù)雜的礦物性質(zhì)、理化性質(zhì)及電磁特性等，而且各個(gè)特性之間存在較大的差異，以上因素都會對電磁波在土壤中的傳播速度、穿透深度等產(chǎn)生一定的影響，從而不能充分發(fā)揮探地雷達(dá)的作用。因此，應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)和地下物探方法時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體的勘探工作。周圍環(huán)境及地下物理參數(shù)等都會影響探地雷達(dá)的應(yīng)用效果，因此千萬不能把探地雷達(dá)當(dāng)作全能的工程檢測工具。在對探地雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行推廣應(yīng)用時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際問題，并結(jié)合其他勘探手段，才能充分發(fā)揮該技術(shù)的潛力。

雖然傳統(tǒng)方法準(zhǔn)確度高，但是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，具有一定的破壞性，不宜大面積進(jìn)行，而探地雷達(dá)方法具有高效、簡單與快速等特點(diǎn)，在土地整治項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收等各個(gè)環(huán)節(jié)都發(fā)揮著重要的作用，在土地工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。土地整治任重而道遠(yuǎn)，對于探地雷達(dá)的應(yīng)用，未來應(yīng)從3個(gè)方面加強(qiáng)研究。1）加強(qiáng)雷達(dá)設(shè)備和分析軟件的研發(fā)。2）需要明確土地整治中相關(guān)材料與雷達(dá)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系。3）結(jié)合工程實(shí)例，加強(qiáng)雷達(dá)在土地工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。

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（責(zé)任編輯：趙中正）