高連琦

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 本溪 117200)

北方地區(qū)由于冬季氣溫低，不同厚度的冰蓋會在江河湖面表面形成，受靜冰和動冰壓力耦合作用下會對河道堤防及水工建筑物安全產(chǎn)生影響[1]。因此需要在冬季定期對河流冰層厚度進(jìn)行觀測，從而對其河流冰情特征進(jìn)行監(jiān)測分析，對河流封凍期和開河期冰層特征進(jìn)行全面掌握[2]。傳統(tǒng)對于冰厚觀測的方式總體可歸納為破壞式測量[3]和非破壞式測量兩種方式[4]，鉆孔測量和電阻絲測量方式均為破壞式測量，在國內(nèi)河流冰厚觀測較為常用的方式為鉆孔測量，近些年來通過采用電鉆方式替代傳統(tǒng)人工搖鉆方式可節(jié)省大量的人力和物力，該方式通過鉆透冰層后通過米尺對其冰層厚度進(jìn)行測量，測量一個(gè)點(diǎn)位冰層厚度需要較長的時(shí)間，且很難對河面寬度較厚的斷面進(jìn)行連續(xù)測量[5]。破壞式測量的第二種主要方式為電阻絲測量方法[6]，該方法通過通電電阻絲發(fā)熱，形成自由移動通道在冰內(nèi)，通過電阻絲在冰面以上長度對其冰層厚度進(jìn)行估算，這種方式相比于鉆孔方式人力和物力消耗更小，且操作較為簡單[7]。近些年來，隨著超聲波和探地雷達(dá)技術(shù)在水文測驗(yàn)中的逐步應(yīng)用[8-9]，依托這兩項(xiàng)技術(shù)的冰厚測量儀器也被應(yīng)用到國內(nèi)一些河流冰厚測量中，這兩種方式均為非破壞式冰厚測量方法，其中超聲波測量冰厚的主要原理在于通過對冰層上下超聲回波距離進(jìn)行探測，通過對冰層內(nèi)部超聲波一次往返時(shí)間的記錄，來對其冰層厚度進(jìn)行推求[10]。通過國內(nèi)一些河流冰厚測量研究成果發(fā)現(xiàn)鉆孔測量、電阻絲測量以及超聲波冰厚測量方式都很難實(shí)現(xiàn)整個(gè)斷面冰厚連續(xù)測量，且都需要建立冰生長和水文氣象因子關(guān)系來對其冰層厚度進(jìn)行估算[11]。探測雷達(dá)波由于可進(jìn)行連續(xù)、無損以及高效的雷達(dá)掃描特點(diǎn)，通過對設(shè)定頻率下的雷達(dá)電磁波圖像進(jìn)行處理，可以對其冰水分界、表層和冰界面進(jìn)行判定后，對其冰層厚度進(jìn)行間接估算，在國內(nèi)一些河流中得到了應(yīng)用[12-13]?？紤]到雷達(dá)探測方法其不同雷達(dá)波頻率對冰層厚度測定影響明顯，為此文章首次在遼寧地區(qū)采用雷達(dá)冰厚測量儀對河流冰厚進(jìn)行測量，文章對其探測原理進(jìn)行了分析，并結(jié)合傳統(tǒng)人工觀測方式進(jìn)行誤差比測，以期對該技術(shù)在北方地區(qū)河流冰厚測量中可進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

1 雷達(dá)冰厚測量原理

高頻寬帶電磁波以脈沖發(fā)送的方式從冰層表面向下發(fā)射式雷達(dá)冰厚探測的主要工作方式，水面或者其他介質(zhì)與電磁波在冰層傳播中相遇會發(fā)生反射，冰層表面反射的雷達(dá)電磁波信號通過天線進(jìn)行接收，雷達(dá)回波通過超寬帶接收機(jī)進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換后進(jìn)行量化。DSP信號處理器內(nèi)嵌在雷達(dá)內(nèi)結(jié)合回波幅度、走時(shí)、形狀及極性，對冰層與水面分界面通過層位自動識別算法進(jìn)行自動尋找，從而對冰層厚度進(jìn)行估算，雷達(dá)探測冰層厚度的示意圖，見圖1。

圖1 雷達(dá)探測冰層厚度的示意圖

結(jié)合在冰層中電磁波走時(shí)雙程及冰層介電相對參數(shù)對冰層厚度按照方程(1)進(jìn)行確定：

(1)

式中：T為冰層厚度測定值，mm；△t為在冰面層雷達(dá)波雙程歷時(shí)，ns；c為空氣中雷達(dá)電磁波傳播速率，cm/ns；εr為相對介質(zhì)在冰層中的常數(shù)值。

2 雷達(dá)冰厚比測分析

2.1 比測誤差分析

采用人工鉆孔觀測方式，通過不同點(diǎn)位人工鉆孔估算的冰層厚度和采用雷達(dá)冰厚測量儀進(jìn)行各點(diǎn)位估算的冰層厚度進(jìn)行比測，按照《河流冰情觀測規(guī)范》(SL59-2015)要求，通過對不同點(diǎn)位比測數(shù)組分析其標(biāo)準(zhǔn)差和隨機(jī)不確定度，標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算方程為：

(2)

式中：Se為比測點(diǎn)位數(shù)組標(biāo)準(zhǔn)差，%；Di為點(diǎn)位采用雷達(dá)測厚儀測定的冰層厚度，cm；Dci為點(diǎn)位采用人工鉆孔方式測定的的冰層厚度，cm；n為比測點(diǎn)位總數(shù)。文章采用置信度為95%水平的隨機(jī)不確定度進(jìn)行比測點(diǎn)位誤差分析，隨機(jī)不確定度計(jì)算方程為：

(3)

2.2 比測誤差分析

在遼河馬虎山水文站以上河段進(jìn)行冰厚比測分析，該河段冰面寬度約為250m，分別在馬虎山水文站觀測斷面及上上游15km處，選取兩個(gè)比測斷面，進(jìn)行為期5d的比測試驗(yàn)。采用人工鉆孔方式對冰層進(jìn)行開鑿鉆孔，在兩個(gè)斷面分別進(jìn)行25個(gè)點(diǎn)位冰孔開鑿，采集25個(gè)點(diǎn)位人工觀測的冰層厚度及雷達(dá)測厚儀觀測的冰層厚度。雷達(dá)測厚儀冰層厚度現(xiàn)場測定圖，見圖2。

圖2 雷達(dá)測厚儀冰層厚度現(xiàn)場測定圖

2.3 雷達(dá)波冰層傳播速率確定

在冰層中電磁波傳播速率式雷達(dá)發(fā)射測定冰層厚度的關(guān)鍵因素，需要采用反推方法對其傳播速率c進(jìn)行確定，其計(jì)算方程為：

(4)

式中：D為冰層采用人工鉆孔方式測定的厚度，cm；△t為在冰面層雷達(dá)波雙程走時(shí)，μs。在比測的2個(gè)斷面選取6個(gè)點(diǎn)位。采用方程(4)對其雷達(dá)電磁波在冰層之間傳播速率進(jìn)行計(jì)算，冰層中雷達(dá)波傳播速率，見表1。此外相對介電常數(shù)采用馬虎山水文站多年人工測定的冰情數(shù)據(jù)對其進(jìn)行反演計(jì)算，通過對斷面1(馬虎山水文觀測斷面)的3個(gè)點(diǎn)位的反演推算，其相對對介電常數(shù)為3.025。

表1 冰層中雷達(dá)波傳播速率

國內(nèi)一些研究成果表明[14-15]在粒狀和柱狀冰層中雷達(dá)波傳播的速率分別為17.02cm/ns和16.98cm/ns，文章反算的6個(gè)點(diǎn)位的雷達(dá)波傳播的速率均值為16.79cm/ns,與已有研究成果較為吻合。冰體結(jié)構(gòu)、冰層含水、含沙量、冰內(nèi)氣泡是冰層中雷達(dá)波傳播速率的主要影響因素，較為復(fù)雜且參差不齊的冰水層界面使得雷達(dá)波開角內(nèi)各反射單元具有較高的隨機(jī)性。使得雷達(dá)波反射產(chǎn)生偏差，因此確定介電常數(shù)及不平整冰面的探測還需要進(jìn)一步深入探討。

2.4 雷達(dá)回波圖像

通過雷達(dá)測厚儀數(shù)據(jù)接收處理軟件可以對其回波圖像進(jìn)行清晰處理，兩個(gè)觀測斷面雷達(dá)波探測回波圖像，見圖3。

斷面1(馬虎水文站觀測斷面)

斷面2(馬虎水文站觀測斷面上游15km)圖3 兩個(gè)觀測斷面雷達(dá)波探測回波圖像

兩個(gè)斷面空氣-冰層分界以及冰-水分解面可從雷達(dá)回波圖中進(jìn)行清晰看出，水面或者其他介質(zhì)與電磁波在冰層傳播中相遇會發(fā)生反射，冰層表面反射的雷達(dá)電磁波信號通過天線進(jìn)行接收，雷達(dá)回波通過超寬帶接收機(jī)進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換后進(jìn)行量化。DSP信號處理器內(nèi)嵌在雷達(dá)內(nèi)結(jié)合回波幅度、走時(shí)、形狀及極性，對冰層與水面分界面通過層位自動識別算法進(jìn)行自動尋找，從而對冰層厚度進(jìn)行估算。

2.4 比測誤差分析

結(jié)合兩個(gè)斷面不同點(diǎn)位的人工鉆孔觀測數(shù)據(jù)和雷達(dá)測厚儀觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行各點(diǎn)位冰層厚度比測誤差分析，各斷面不同點(diǎn)位比測誤差分析，斷面1(馬虎山水文站觀測斷面)比測誤差統(tǒng)計(jì)，見表2；斷面2(馬虎山水文站觀測斷面上游15km)比測誤差統(tǒng)計(jì)，見表3，并對比不同起點(diǎn)距下的冰厚，不同斷面各起點(diǎn)距下的冰厚測定對比，見圖4。

表2 斷面1(馬虎山水文站觀測斷面)比測誤差統(tǒng)計(jì)

表3 斷面2(馬虎山水文站觀測斷面上游15km)比測誤差統(tǒng)計(jì)

續(xù)表3 斷面2(馬虎山水文站觀測斷面上游15km)比測誤差統(tǒng)計(jì)

斷面1(馬虎水文站觀測斷面)

斷面2(馬虎水文站觀測斷面上游15km)圖4 不同斷面各起點(diǎn)距下的冰厚測定對比

分別對兩個(gè)斷面25個(gè)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)組進(jìn)行對比，并計(jì)算各數(shù)據(jù)組之間的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行了計(jì)算，兩組數(shù)據(jù)比測的標(biāo)準(zhǔn)差分別為10.5%和12.9%，各組隨機(jī)不確定度分別為8.2%和9.7%，均可滿足《河流冰情觀測規(guī)范》(SL59-2015)要求比測點(diǎn)位標(biāo)準(zhǔn)差要在±15%以內(nèi)，95%置信水平的隨機(jī)不確定度要在在±10%范圍之內(nèi)。在兩個(gè)斷面中，斷面1為馬虎山水文站觀測斷面，其各點(diǎn)位中僅有3個(gè)點(diǎn)位比測誤差>±15%，其他均滿足±15%比測誤差要求，而斷面各點(diǎn)位比測誤差均在±10%以內(nèi)，通過分析誤差較高的3個(gè)點(diǎn)位，均由于冰層之間的介質(zhì)較多，影響雷達(dá)波的反射。結(jié)合圖3中兩個(gè)斷面不同起點(diǎn)距下的冰厚對比可看出，兩個(gè)斷面各起點(diǎn)距下人工鉆孔測定的冰層厚度和雷達(dá)測厚儀測定的冰層厚度總體過程吻合，通過相關(guān)性分析，各斷面兩種方法比測下的相關(guān)系數(shù)總體可達(dá)到0.6以上，相關(guān)性較高。綜上，通過人工比測分析，雷達(dá)測厚儀測定冰層厚度基本可滿足《河流冰情觀測規(guī)范》(SL59-2015)要求，雷達(dá)測厚儀可以對斷面進(jìn)行連續(xù)快速測定，可對斷面全過程的冰層分布進(jìn)行測定，可有效降低傳統(tǒng)人工觀測方式下對于冰層邊緣缺損產(chǎn)生的觀測誤差。河流斷面冰層的厚度變化可通過雷達(dá)進(jìn)行測量結(jié)構(gòu)進(jìn)行真實(shí)全面反映，雷達(dá)測厚儀在斷面連續(xù)觀測上相比于傳統(tǒng)人工方式優(yōu)勢顯著。本次比測試驗(yàn)雷達(dá)測厚儀的天線頻率為270M可實(shí)現(xiàn)0-5m水下河床位置的探測，通過估算采用天線頻率為25M或者50M可對0-15m水下河床位置進(jìn)行探測。此外，采用雷達(dá)法進(jìn)行河道冰層厚度進(jìn)行散點(diǎn)位測定時(shí)，各散點(diǎn)之間的間距應(yīng)≥5m。

3 主要結(jié)論

1)本次比測試驗(yàn)雷達(dá)測厚儀的天線頻率為270M可實(shí)現(xiàn)0-5m水下河床位置的探測，通過估算采用天線頻率為25M或者50M可對0-15m水下河床位置進(jìn)行探測，此外采用雷達(dá)法進(jìn)行河道冰層厚度進(jìn)行散點(diǎn)位測定時(shí)，各散點(diǎn)之間的間距應(yīng)≥5m。

2)本次主要通過人工推車方式進(jìn)行冰層厚度的雷達(dá)測定，后期也可采用無人機(jī)搭載的方式實(shí)現(xiàn)全域、全斷面的連續(xù)觀測，可應(yīng)用范圍更大區(qū)域冰層厚度如水庫冰層厚度的測定，在北方地區(qū)具有廣泛的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

3)文章選取的比測斷面河流冰層結(jié)構(gòu)相對較為穩(wěn)定，冰層中含沙量及其他介質(zhì)相對較少，為此對于冰層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、冰層含水、含沙量及其他介質(zhì)較多的河流的適用性還需要進(jìn)一步比測探究。