王 超 董志詢

(1.東華理工大學(xué)地球物理與測(cè)控技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330063；2.江西省石城縣氣象局，江西 贛州 342700)

1 引言

城市地下管線是城市建設(shè)的重要組成部分，不但肩負(fù)著城市之間的信息交流、能源傳導(dǎo)、應(yīng)急防災(zāi)和污水排放的功能，而且也是城市完善發(fā)展的根基，是城市現(xiàn)代化基礎(chǔ)建設(shè)的重要組成部分，是確保城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)，以及發(fā)揮城市功能、城市整體協(xié)調(diào)化和可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)和保障[1]。從上世紀(jì)80年代在上海埋下的第一根煤氣管線開(kāi)始至今，我國(guó)城市地下管線的發(fā)展突飛猛進(jìn)[2]。但是隨著地下管線的種類越來(lái)越多，尤其是近年來(lái)各種管線的數(shù)量增多，管線相關(guān)管理滯后、城市環(huán)境變化、城市大量建設(shè)工程以及城市人口工作和生活要求提高等多種因素的交織作用，導(dǎo)致各類地下管線事故時(shí)而發(fā)生，給人們的生產(chǎn)和生活，以及城市的運(yùn)行帶來(lái)了巨大的損失。這給地下管線的建設(shè)、維護(hù)、管理等工作提出了更加嚴(yán)峻的要求，也給地下管線的探測(cè)工作提出了新的挑戰(zhàn)[3-5]。

2 高精度磁測(cè)研究方法

2.1 高精度磁力儀

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所應(yīng)用的磁力儀為加拿大Scintrex公司生產(chǎn)的ENVI系列質(zhì)子磁力儀(如圖1所示)，能夠靈活地尋找越來(lái)越難以發(fā)現(xiàn)的異常物體。ENVI 便攜式質(zhì)子旋進(jìn)式磁力儀，能夠確?？焖?、準(zhǔn)確地進(jìn)行大面積測(cè)量，在磁力儀方面，Scintrex公司不僅致力于生產(chǎn)銫光泵磁力儀，質(zhì)子磁力儀，還長(zhǎng)期投身于航空磁力儀(CS-3型)等領(lǐng)域的研究和生產(chǎn)。

圖1 ENVI質(zhì)子磁力儀

ENVI系列質(zhì)子磁力儀廣泛應(yīng)用領(lǐng)域于地質(zhì)填圖、礦產(chǎn)調(diào)查、環(huán)境地質(zhì)、考古研究、地質(zhì)填圖、土工技術(shù)研究、地下管道研究等領(lǐng)域。其突出的性能特點(diǎn)有：(1)帶GPS全球定位功能；(2)與日變站對(duì)接，可以自動(dòng)計(jì)算日變，不需要使用軟件計(jì)算；(3)在寒冷地區(qū)可選擇顯示器加熱的獨(dú)特設(shè)置；(4)梯度范圍大于7000nT/m，定量定性更加精確；(5)具有超大的儲(chǔ)存容量等。

2.2 高精度磁測(cè)原理

高精度磁法勘探主要是利用地下鐵磁性管道與地下其他介質(zhì)間的磁性差異所引起的磁場(chǎng)變化來(lái)查明地下鐵質(zhì)管道的一種應(yīng)用于地下管道中的物探方法。由于地下管道和其他介質(zhì)具有不同的磁性，因此可以產(chǎn)生各不相同的磁場(chǎng)，使地球磁場(chǎng)在局部地區(qū)發(fā)生變化，并出現(xiàn)地磁異常。利用磁力儀器發(fā)現(xiàn)和研究這些磁異常，進(jìn)而探尋到磁性物質(zhì)并研究地質(zhì)構(gòu)造的稱為磁法勘探。它包括地面、航空、海洋磁法勘探。

一般來(lái)說(shuō)，磁測(cè)均方誤差小于±5nT的標(biāo)準(zhǔn)即為高精度測(cè)量。從磁場(chǎng)測(cè)量的過(guò)程而言，高精度磁測(cè)與一般意義上的磁法測(cè)量的區(qū)別僅在與磁測(cè)總均方誤差標(biāo)準(zhǔn)的提高。我國(guó)原地質(zhì)礦產(chǎn)部于20世紀(jì)80年代末發(fā)布了《地面高精度磁測(cè)技術(shù)規(guī)定》，根據(jù)規(guī)定，高精度磁測(cè)的總精度又被細(xì)劃為兩級(jí)：①高精度-磁場(chǎng)總均方誤差在2～5nT之間，②特高精度-磁場(chǎng)總均方誤差小于2nT。高精度磁測(cè)總均方差的誤差分配見(jiàn)表1。

表1 高精度磁測(cè)總均方差的誤差分配

由于磁性物體受到磁化方向等多種因素影響的特殊性，在給出正演模型體計(jì)算表達(dá)式之前，先提出磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算中相關(guān)的假定條件[6-7]。這些條件如下：①場(chǎng)源為單一規(guī)則幾何形體；②場(chǎng)源被均勻磁化；③觀測(cè)面水平；④不考慮剩磁影響。

磁異常的計(jì)算表達(dá)式：對(duì)照無(wú)限長(zhǎng)水平圓柱體重力異常的正演計(jì)算公式[8]，同時(shí)給出了無(wú)限延長(zhǎng)圓柱體的截面積及有效磁化強(qiáng)度和方向等相關(guān)參量，可以得到無(wú)限長(zhǎng)水平圓柱體橫截面上的磁異常的表達(dá)式(坐標(biāo)原點(diǎn)在水平圓柱體中軸線的上方)如下：

圖2 Hax，Za，ΔT的磁異常理論曲線

圖3 水平磁化，斜磁化，垂直磁化的磁異常理論曲線

從以上圖中可得出結(jié)論，當(dāng)磁化角度一定時(shí)，改變觀測(cè)剖面與磁化強(qiáng)度水平投影夾角時(shí)并不影響磁異常曲線的形狀。只有略微的幅值變化。當(dāng)磁化傾角is=0時(shí)，隨投影夾角的增大，磁異常值也略有增大，管道近似位于磁異常的正幅值處。但是當(dāng)磁化傾角is=450時(shí)，隨投影夾角的增大，磁異常正異常值逐漸增大，但負(fù)異常值逐漸減小，管道近似位于磁異常的正幅值處。而當(dāng)磁化傾角is=900時(shí)，隨投影夾角的增大，磁異常值反而相對(duì)減小，管道近似位于磁異常的正幅值處。

當(dāng)磁化角度和觀測(cè)剖面與磁化強(qiáng)度水平投影夾角固定時(shí)，只改變管道的磁導(dǎo)率分別為30H/m和100H/m得出的正演理論曲線圖如圖4所示。

圖4 磁導(dǎo)率不同時(shí)的磁異常理論曲線

由圖4可知當(dāng)磁導(dǎo)率為30H/m時(shí)的磁異常曲線的幅值是大于磁導(dǎo)率為100H/m磁異常曲線幅值，但是曲線的形狀基本沒(méi)有改變。磁導(dǎo)率小的正負(fù)值之間的變化較陡，隨著磁導(dǎo)率的增大而慢慢變緩。所以說(shuō)磁導(dǎo)率的改變不影響磁異常曲線的形狀，只改變磁異常正負(fù)幅值的大小。

4 采集工區(qū)及數(shù)據(jù)分析

4.1 工區(qū)概況

此次高精度磁法實(shí)驗(yàn)的測(cè)區(qū)如圖5所示，紅色區(qū)域是工區(qū)概況圖。管線則是位于地下的污水管道，周邊也是交通便利，地勢(shì)平坦；植被覆蓋茂盛，氣溫適中。由于在未開(kāi)發(fā)的空地進(jìn)行，地形地貌都比較平坦，易于測(cè)量。但本次實(shí)驗(yàn)的干擾較多，所以測(cè)量數(shù)據(jù)并不是特別理想。主要的干擾有測(cè)區(qū)周圍的電線、汽車、樓房的鋼筋、偶爾飛過(guò)的飛機(jī)等，這些都沒(méi)辦法克服。除此之外，測(cè)量實(shí)習(xí)中的手機(jī)、鑰匙、拉鏈等干擾，還有操作中儀器的使用不當(dāng)、儀器隨日變干擾等造成誤差，這些都可以在密切的配合以及設(shè)計(jì)日變站的方法減少誤差。此外在管線的觀察中可以用去除背景場(chǎng)的方法減少影響。

圖5 測(cè)區(qū)概況

4.2 探究管線走向?qū)Υ女惓５挠绊?/h3>

假設(shè)管道的固定地下鐵質(zhì)管道的管長(zhǎng)為200cm，外徑為5cm，厚度為6mm，磁導(dǎo)率為100H/m，只改變管道的不同擺放方向，計(jì)算管道上方157cm處中心垂向測(cè)線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)管道走向分別為正西-正東、西北-東南時(shí)，由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出磁異常曲線如圖6所示。

圖6 西北-東南、正東-正西向磁異常曲線

當(dāng)管道走向分別為正南-正北、東北-西南時(shí)，由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出磁異常曲線如圖7所示。

圖7 正南-正北、東北-西南向磁異常曲線

5 結(jié)論與建議

根據(jù)磁異常曲線圖像、數(shù)據(jù)和結(jié)合相關(guān)實(shí)際資料得出：通過(guò)將地下管線近似看作無(wú)限延長(zhǎng)的圓柱體，可以由磁異常曲線的幅值大小來(lái)判斷地下管線的走向。由于復(fù)雜地質(zhì)條件的影響，高精度磁測(cè)的反演結(jié)果還不是十分準(zhǔn)確，反演方法還有待進(jìn)一步提高。同時(shí)還應(yīng)與反演解釋更密切的地質(zhì)、化探、遙感等其它方法得到的信息相結(jié)合，提高反演精度。因高精度磁測(cè)法受環(huán)境因素影響較大，而地下管線又常分布于城市街道中，電磁場(chǎng)、人為擾動(dòng)會(huì)對(duì)高精度磁測(cè)產(chǎn)生一定的影響。如何避免這些干擾而達(dá)到最佳反演結(jié)果是今后需要研究的重點(diǎn)。