（环境工程专业论文）利用探地雷达（gpr）进行土中水油盐含量的快速确定研究.pdf

利用探地雷达( g p r ) 进行土中水油盐量的快速确定研究 摘要 基于探地雷达探测剖面反射波特征定性研究土壤污染时空分布与变化已取 得良好效果，但利用探地雷达信息定量进行土壤污染程度评价的研究起步伊始。 本文试图通过从g p r 探测剖面上提取介电常数信息，并与土壤中污染物含量建 立对应关系，从而实现利用g p r 探测结果定量评价土壤污染程度。 本论文主要开展了以下四方面工作：一是室内模拟实验研究了未污染土壤、 石油污染土壤、无机盐污染土壤的探地雷达探测图像特征；二是现场探测研究不 同含水量土壤探地雷达图像特征；三是研究开发了依据探地雷达图像提取介电常 数的方法；四是建立了不同污染物浓度与介电常数之间的定量关系。研究发现： ： 利用l u 公式求取介电常数的方法简单易行，式中波速可采用原位直达波测 试或波速分析等方法确定，但取样标定的方式更为准确：基于探地雷达剖面信息 确定的介电常数能够反映出土壤物质组成和含量变化，可用以量化分析土壤污染 程度；未污染土壤孔隙水含量和雷达实测介电常数的关系遵循传统的a l h a r a t h i 公式，可由此量化分析土壤含水量；被油类污染的土壤，其介电特性符合扩散介 电模型，可采用体积混合模式的c r i m 介电模型量化分析土中油类含量：被赫类 物质侵入的土壤，可采用介电常数和振幅作为输入参数的神经网络方法，进行污 染物的量化分析。 本论文建立的利用探地雷达进行土壤污染程度定量评价方法，及土壤介电 常数与污染物浓度之间的量化分析公式，为探地雷达这种快速简便的地球物理探 测方法在土壤污染评价中的广泛应用奠定了基础。 后续工作中将广泛而深入的研究不同类型的土壤污染物对介电常数的影 响，并建立针对土壤类型、物理力学状态、污染物种类的土壤介电常数与污染程 度之间的定量关系。 关键词：探地雷达( g p r ) ；介电常数：土壤污染：定量评价；污染物含量 s t u d yo nf a s td e t e r min a tio no fw a t e r ，0iia n ds alt c o n t e n tins oiiu sin gg p r a b s t r a c t t h es t u d yo ft h e t e m p o r a la n ds p a t i a l d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs o i l c o n t a m i n a t e da r e ab a s e do nt h er e f l e c t e dw a v ev a r i a t i o no fg r o u n d - p e n e t r a t i n gr a d a r ( g p r ) d e t e c t i o np r o f i l eh a sm a d eg r e a tp r o g r e s sa n do b t a i n e dg o o dr e s u l t si np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n h o w e v e r , t h es t u d yo fs o i lp o l l u t i o nd e g r e ee v a l u a t i o nb a s e do nt h e d e t e c t i o np r o f i l eo fg r o u n d - p e n e t r a t i n gr a d a rh a sj u s ts t a r t e da n dm a d es l o w p r o g r e s s i nt h i sp a p e r , t h ed i e l e c t r i cc o n s t a n th a sb e e nt r i e dt og e tf r o mt h eg p r p r o f i l ea n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i e l e c t r i cc o n s t a n ta n dc o n t e n to fp o l l u t a n t si ns o i lh a sb e e n e s t a b l i s h e d ，i nt h i sw a yi tc a l lr e a l i z eq u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o no fs o i lp o l l u t i o nl e v e l s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fg p r d e t e c t i o np r o f i l e t h i sp a p e rs t u d i e sm a i n l yg r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a ri m a g ef e a t u r eo fl a b o r a t o r y s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so fn o n c o n t a m i n a t e ds o i l ，o r g a n i cp o l l u t i o ns o i la n di n o r g a n i c p o l l u t i o ns o i l ；c h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n d - p e n e t r a t i n gr a d a ri m a g e so fd i f f e r e n ts o i l m o i s t u r ei ns i t us i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ；t h em e t h o dt og e tt h ed i e l e c t r i cc o n s t a n tf r o m g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a rp r o f i l e ；e s t a b l i s h m e n to fq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ed i e l e c t r i cc o n s t a n ta n dd i f f e r e n tp o l l u t a n t sc o n t e n t s o m ep r o g r e s sw a so b t a i n e di n t h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：i ti s s i m p l e t o g e tt 1 1 ed i e l e c t r i cc o n s t a n ta c c o r d i n gt o 仍彻m a 占= ( 詈) 2 v e - 。c ；锣a c q u i s i f i o n i nt h er o 皿u - am 巧b ed e t e n n ；n e d ；ns i t ud i r e c t w a v et e s to rv e l o c i t ya n a l y s i sm e t h o d ，b u tc a l i b r a t i o no ft h es a m p l i n gm e t h o di sm o r e a c c u r a t e ；t h ed i e l e c t r i cc o n s t a n tb a s e do nt h ed e t e c t i o np r o f i l ec a nr e f l e c tc h a n g e sb y t h es o i lc o m p o s i t i o na n dc o n t e n tc a u s e da n di tc a l lb eu s e dt oq u a n t i f yp o l l u t i o nl e v e l s o ft h es o i l ；r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep o r ew a t e rc o n t e n ta n dt h er a d a rd i e l e c t r i c c o n s t a n tf o l l o w st h ea l h a r a t h if o r m u l a ；t h e r e f o r es o i lm o i s t u r ec a nb eq u a n t i f i e d t h e d i e l e c t r i cp r o p e r t yo fo r g a n i cc o m p o u n d s ( o i l ) c o n t a m i n a t e ds o i li si nl i n ew i t ht h e d i f f u s e dd i e l e c t r i cm o d e l b u te x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ec r i mm o d ec a nb eu s e dt o q u a n t i f yt h eo i lc o n t e n ti nt h es o i l r e s e a r c hs h o w s t h a tt h en e u r a ln e t w o r kc a l lb eu s e d f o rq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fi n o r g a n i cp o l l u t i o ns o i lw h i l et h ed i e l e c t r i cc o n s t a n ta n d a m p l i t u d e a c t sa si n p u tp a r a m e t e r s t h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e dt h eq u a n t i t a t i v em e t h o d st ou s eg r o u n d - p e n e t r a t i n g r a d a rt e c h n o l o g yf o rt h e e v a l u a t i o no fs o i lp o l l u t i o nl e v e l s ，a n de s t a b l i s h e d q u a n t i t a t i v ea n a l y s i sf o r m u l ab e t w e e nt h es o i ld i e l e c t r i cc o n s t a n ta n dt h ep o l l u t a n t c o n c e n t r a t i o n ；i tl a i dt h ew i d e ra p p l i c a t i o nf o u n d a t i o ni nu s i i 培g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a rg e o p h y s i c a le x p l o r a t i o nm e t h o d st oe v a l u a t es o i lp o l l u t i o n t h ee x t e n s i v ea n di n d e p t hs t u d yw i l lb e g i ni nt h en e x tw o r ko nt h ed i e l e c t r i c c o n s t a n ti m p a c to fd i f f e r e n ts o i lp o l l u t a n t s ，a n dt h i ss t u d yw i l le s t a b l i s hq u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep o l l u t i o nl e v e l sa n dt h ed i e l e c t r i c c o n s t a n to fs o i lt y p e s ， p h y s i c a la n d m e c h a n i c a lc o n d i t i o n ，p o l l u t a n t st y p e s k e yw o r d s ：g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ( g p r ) ：d i e l e c t r i cc o n s t a n t ：s o ii p o ii u t i o n ：q u a n t i t a t i v ea s s e s s m e n t ：p o li u t a n t sc o n t e n t n 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：彳夏囊免羟签字日期：沙孵6 月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信 息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会 公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：呶鹎 签字日期：岛；年b 月e t 日 利用探地雷达( g p r ) 进行士中水油盐量的快速确定研究 1 绪论 1 1 土壤污染调查的地球物理方法 土壤污染是指进入土壤中的有害、有毒物质超出土壤的自净能力，导致土 壤的物理、化学和生物学性质发生改变，降低农作物的产量和质量，并危害人体 健康的现象。土壤污染物的种类繁多，按污染物的性质一般可分为三类：即有机 污染物、无机污染和病原微生物。 从探测手段而言，污染探测调查的方法分为地球物理探测法和化学探测法。 地球物理法属于原位探测方法，它根据地面上的地球物理场的观测结果来推断地 下介质的变化。因比化学探测法快速、经济且探测过程不破坏土壤，而被广泛采 用。目前污染探测中常用的地球物理方法有直流电阻率法( d c ) 、甚低频电磁法 ( v l f 2 e m ) 【、瞬变电磁法( t e m ) 、激发极化法( i p ) 、探地雷达( g p r ) ，浅层地 震反射及井中c t ( 跨孔电阻率成像法) 等【2 矧。特别是g p r 法正逐渐成为探测近 地表地下污染的主要方法l 硝j 。 。 1 2 利用探地雷达( g p r ) 进行地下污染调查的国内外研究概况 已有资料显示，将探地雷达作为探测手段所开展的土壤污染调查主要针对 土壤有机污染和垃圾填埋场产生的混合污染物的迁移引起的土壤污染。探测工作 主要根据雷达反射波特征来圈定污染区的分布范围。在利用探地雷达( g p r ) 技 术进行探测的同时，也常结合其它电磁方法、电阻率法，甚至结合地球化学和生 物方法。 美国学者b e n s o n a k ( 1 9 9 6 ) 1 9 1 在亚利桑1 1 1 , ) 州和犹他州根据g p r 资料圈定 了烃类污染范围，并据此设计了监挖井。通过井中水样分析结果对比发现，地质 雷达图像与烃类污染之间有良好的相关关系，这主要是因为受污染的地下水与普 通的地下水相比较具有较高的电阻率，由此也就构成了不同雷达图像的反映。 o l i v a r ( 1 9 9 6 ) 等【l o l 把探地雷达( g p r ) - 与谱激发极化法相结合，查明巴西巴伊亚 萨尔瓦多附近一个石油化工企业所产生非水相流体( d n a p l s ) 泄漏所形成的地下 通道及残留污染物积存处所。研究提出经处理的g p r 断面可用来描绘出潜水面起 利用探地雷达( g p r ) 进行十中水油盐量的快速确定研究 伏，详细划分上部潜水带层，并描绘流过它的污染前锋的总体形态( 图1 1 ) 。 图卜1 探地雷达用 1 地卜水污染检测( o l i v a r ，1 9 9 6 ) e s t e l l aa a t e k w a n a ( 2 0 0 0 ) 等j 采用e m 、探地雷达( g p r ) 、电阻率法 研究受5 0 年烃类泄漏污染地层的地球物理信号。评估烃类污染物在地下的分布和 与被观察到信号的关系。p a t r i c i ao s t e r r e i c h e r c u n h a ( 2 0 0 4 ) 等【眩】在巴西的里约 热内卢天主大学( p u c r i o ) 开展了一个研究石油烃( p h c ) 在非饱和热带土壤中 的污染传输降解机制，同时对运用于在p h c 污染区的地球物理方法、化学方法、 生物方法监测和修复技术作评估。j a r e dk p e t t e r s s o n ( 2 0 0 3 ) 13 】等在位于 n e w z e a l a n d 的永久南极研究站的s c o t t 基地永久冻结带，采用g p r 和e m 3 1 水平 线圈磁法仪就如何用非破坏，非侵入的地球物理方法来调查d n a p l s 泄漏的范围 做了研究，同时也寻找一种适宜于南极基地的环境监测工具。朱海龙( 1 9 9 9 ) 。7 】 等提到1 9 9 1 年在加拿大空军基地b o r d o n 成功用探地雷达( g p r ) 检测到两处人为 制造的d n a p l s 泄露，其中一部分g p r 数据经解释后曾用于测试商用二维一三维 多相流体模拟程序。郭秀军( 2 0 0 6 ) 【j 4 j 等基于含油污水管道渗漏形成土壤污染 区的物性改变，利用高密度电阻率法、自然电位法、探地雷达的方法对污染区进 行了探测，当中的探地雷达图像表现为低频，高幅的特征，研究结果证实了联合 使用地球物理方法对此类工业污水污染区探测的可行性。 至于垃圾填埋场产生的混合污染物迁移引起的土壤污染的调查，j o r g e l p o r s a n i ( 2 0 0 4 ) 1 5 】等在巴西东南部s a o 州的r i oc l a r o 市的一个废物填埋场， 利用探地雷达( g p r ) 进行士中水油盐量的快速确定研究 成功地采用探地雷达圈定由于残余固体废弃物产生污染扩散区域。研究同时也用 了垂直电测井( v e s ) 的方法做对比。程业勋等( 2 0 0 4 ) b 6 】将雷达方法应用在北 京阿苏卫垃圾填埋场渗漏检测中，研究认为由于该区地表粘土层比较致密，由渗 滤液引起的异常对电磁信号反射能力不明显。刘敦文等( 2 0 0 1 ) 0 7 】用探地雷达 ( g p r ) 来圈定掩埋垃圾场的分布范围，确定垃圾的掩埋深度及厚度。 不同探测情形中污染土层赋存环境复杂多变，污染土层中电磁波传播规律的 认识模糊，使得对探测剖面中污染土异常特征的解释众说纷纭。刘敦文等( 2 0 0 1 ) 1 1 7 】认为与未受扰动的正常围岩相比，掩埋垃圾场的探地雷达记录通常有三个显 著不同的特征。首先，杂乱的发射波取代了正常地层上特有的连续反射信号：其 次，由于垃圾场中通常埋有许多零星金属物及其他物体，探地雷达记录会出现许 多点状反射体特有的双曲线型异常；再次，垃圾场范围内的电导率一般高于正常 围岩，因而在探地雷达记录中常伴随着更强的衰减。刘海生( 2 0 0 3 ) 1 1 8 】等认为 在污染场地污染物改变了周围介质的孔隙度，填充了原有的孔隙空间，阻止了水的 过滤或渗透，改变了介质的饱和性，容易形成一个透镜状或层状异常体，因而增强 g p r 反射。对于烃类污染物，e s t e l l aa a t e k w a n a ( 2 0 0 0 ) 】等提到经信号识别 会获得强反射层，该层的一部分与潜水位平行，出现在自由游离烃位置之上数米 ( 图1 2 ) 。在其他的研究文章中还提到在某些烃类污染附近会出现g p r 信号振 幅衰减所导致的同相轴减弱甚至消失现象。j o r g el p o r s a n i ( 2 0 0 4 ) 等l i6 j 还揭示 由于污染物电导率变化消弱了地质雷达信号会造成连续的地下水面雷达强反射 信号不连续。 o l o 鼹 壅 2 0 ( m 图卜2 探地雷达用于污染扩散的调查( e s t e l l a a a t e k w a n a ，2 0 0 0 ) 为了迸一步确定这种异常特征，一些学者还进行了实验模拟。 ， j a m e sa d o o l i t t l e ( 1 9 9 9 ) 1 1 9 1 等结合美国密西根西南部典型土壤的分布，具 利用探地雷达( g p r ) 进行土中水油盐量的快速确定研究 体研究了5 种( p e r r i n t o n ，t u s t i n ，s p i n k s ，c o l o m a ，g r a t t a r t ) 土壤的探地雷达 剖面，认为每种土壤都有自己独特的剖面特征，了解土壤的分类和组成有助于探 地雷达回波信号的解译。p a t r i c i ao s t e r r e i c h e r c u n h a ( 2 0 0 4 ) 1 2 1 等设计了石油一 酒精混合污染的6 个土柱模拟实验，土壤为非饱和土壤，取自里约热内卢附近大 约2 5 m 深度典型片麻状榴云岩风化层。风化层包含石英和黑云母矿物占多数的 砂质粉土和石英和含钾长石为主要矿物的粉质砂土。用9 0 0 m 天线探测每个土柱 污染前和污染后1 2 小时1 0 0 天内的不同时期的探地雷达剖面。探测结果显示 虽然从图像和介电常数上均看出污染区有变化，但探地雷达对p h c 污染土壤的 检测效果不明显。作者同时提出应加强土壤污染后引起g p r 信号的变化方面研 究。j j d a n i e ! s ( 1 9 9 8 ) f 2 0 】等在俄亥俄州州立大学电子科学实验室5 m x 5 m x 2 9 m 的砂坑内进行试验，测定一系列装有煤油、水和砂混合物的塑料容器对地面不同 中心频率天线g p r 的相对响应，使用5 0 0 m ，3 0 0 m ，1 0 0m g s s i 天线采集g p r 剖面。探测结果显示5 0 0 m 天线获得剖面显示了每个容器清晰的异常，对于装满 煤油的容器，其异常没有装满水的容器显著。这些模拟试验的实施对探测异常的 解释起到了一定的作用。他在英第安纳州北部一个汽油泄漏场地利用已有的监测 井水位变化和地下水面反射波，求得雷达波该区域的平均传播速度。具体做法在 该场地的地下水中充入空气，从井中将水泵入通气池内，水在这里被喷到水池上 方的空气中。泵井周围的最大水位降低量接近0 3 m 。在横穿该设施的探地雷达 ( g p r ) 测线上迅速地观测到因地形和水位降低两原因引起的地下水面反射波到 时差，根据探地雷达( g p r ) 资料与g p r 测线沿线上观测井中的水位测量相比， 计算的雷达的平均传播速度约为0 1 2 m n s 。 。针对土壤污染物的研究，国外学者将其作为土壤介电常数模型影响因子加 以研究，同时给出了一些经验模型。m a r ks t e w a r t ( 2 0 0 6 ) 【2 i 】等认为因为空隙间 用d n a p l 充填将使得介电常数大幅度下降，空隙率的减少也会导致介电常数的 降低。因此，介电常数与d n a p l 关系模型来定量化目前饱和土壤中的d n a p l 。 作者同时在美国东南部一个符合障碍岛上选取了一处已认定被d n a p l ( 主要是 三氯乙烯t c e ) 严重污染的场地做了现场验证，用贯入探针法通过测量介电常数 和空隙率方式来测定d n a p l 的饱和度。t h o m a se j o r d a n a ( 2 0 0 4 ) 2 2 1 等在对美国 海岸警卫队( u s c g ) 1 9 4 2 至u 1 9 9 1 年间使用的燃油库地下区域进行研究，使用的 4 利用探地雷达( g p r ) 进行十中水油盐餐的快速确定研究 模型考虑了空隙中含油的情况，它属于c r i m ( t h ec o m p l e xr e f r a c t i v ei n d e xm i x i n g ) 模型演化体。作者平整出l o o m xl o o m 试验场地后，用共偏移距( c o d ) 方法，用 2 0 0 m 天线采集g p r 信号，调查获得剖面的异常振幅，然后c m p 进一步测试和评估异 常区，最终把从g p r 获得的速度结果转换为n a p l s 深度和层厚，用来和美国海岸警 卫队的钻孔数据校正。 ： 从前面讨论的基于探地雷达的污染探测研究上可以看出，探地雷达在环境 探测方面的应用是相当广泛的，但研究大多处在定性阶段，诸如圈定污染区，查 询污染羽的扩散范围等等。直接采用探地雷达法对土壤进行测试获得介电常数， 并把它应用于土壤中污染物量化上的研究则很少，近年来，国内仅有吉林大学王 春晖田1 用数值模拟方法来研究近地表有机污染物的迁移扩散。除此外，在已检 索的文献中相当少。 1 3 论文的选题依据 本论文选题依据主要有三点。首先国内外目前利用探地雷达技术进行地下 污染调查的研究逐步增多，但大多处在定性阶段，而定量化研究是不可回避的问 题。其次，未受污染的土壤是典型的复合介质，一般被认为由水、气、士颗粒三 相构成，是污染物的宿主，其遵循的介电模型相对明确。污染物入侵土壤后，相 态构成和组成物质的介电性、导电性都会发生变化，遵循的介电模型尚不明确。 第三，基于探地雷达技术确定的土壤介电常数的适应性不能确定。 1 4 论文的研究内容与技术路线 1 4 1 论文的主要研究内容 主要研究内容有：一是室内模拟实验研究了未污染土壤、石油污染土壤、 无机盐污染土壤的探地雷达探测图像特征；二是现场探测研究不同含水量土壤探 地雷达图像特征；三是研究依据探地雷达图像提取介电常数的方法；四是建立了 不同污染物浓度与介电常数之间的定量关系。 5 利用探地雷达( g p r ) 进行土中水油盐量的快速确定研究 1 4 2 论文的研究技术路线 本文研究主要是利用探地雷达技术，通过实验模拟未污染、有机( 油) 和无 机污染( 盐) 的土壤，定性分析探地雷达剖面变化特征并从剖面反演得介电常数， 把它作为联系土壤物理参数( 水量、油量、盐量) 的桥梁，借用土壤介电模型和 神经网络等技术方法，实现土壤中水、油、盐的量化，最后通过开展现场实验， 验证利用探地雷达技术确定土中水油盐含量的可行性。研究主要技术路线见图 1 3 。 制取样品 ii o b 样品g p r 信号采集 li 己 g p r 剖面信号处理 ii 士壤参数( 含水量、污 tj r 染物含量) 测试 g p r 剖面特征的定性分析 上 弋7 l 基于g p r 剖面介电常攀，振幅的求取 建立土壤介电模型( 有机污染砂土) 要 对比与讨论介电常数变化规律 l 选用适宜的技术方法( 介电模型、神经网络等) 建立基于室内实验资料的量化关系式 fl 弋lj ， l 现场实验验证方法可行性 图1 - 3 研究主要技术路线图 6 利用探地雷达( g p r ) 进行土中水油盐量的快速确定研究 1 5 本文的主要研究成果与创新 本文的主要研究成果与创新有以下两点： 1 确定了基于探地雷达剖面获取介电常数有效方法，并证实了测得介电常 数的有效性。 2 建立了不同类型污染土壤的介电模型，给出了污染物量化分析的方法并 证实了量化分析结果的准确性。 7 型旦堡垫重鲨! 鱼堕! 进行土中水油盐量的快速确定研究 室内实验设计与实施 2 1 实验材料与设备 2 1 1 实验材料 ( 1 ) 砂土 实验所用砂土取自青岛市崂山区，为无污染的清洁砂样，取回后放置，经 过风干、干燥处理后，严格按照测定方法进行土样基本性质的测定。 表2 - 1 砂土的粒径级配 质地类型根据建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 分类，按照实验 砂土的粒径级配，把实验砂土分为粗砂、中砂、粉砂三种，比重分别为2 6 5 ，2 6 7 ， 2 7 0 。砂土相对介电常数为5 。 ( 2 ) 水和柴油 表2 - 2 水和柴油基本特性 ( 3 ) n a c l 溶液：浓度分别为2 0 9 1 ，1 5g 1 ，1 0g 1 ，5g 1 ，lg 1 ，用 途为模拟无机污染物。 2 1 2 实验物理模型 为了方便求取介电常数，实验设计了特别的物理模型，如图2 1 所示。整个 物理模型长1 0 0 c m ，宽2 0 c m ，高2 0 c r n ，用聚乙烯材料制作而成。模型设置了高 l o c m 的r l 和r 2 两个阶梯状反射面，便于雷达图像反射特征判别和后期所需回 波数据的提取。 8 e u 7 2 毖 鼹 必 7 9 墙 l a ； 培 4 舟 趣 吼 圪 m 3 o 8 铝 勰 & l 6 7 乙 豇 l 2 1 1 砂 砂 砂 粗 中 粉 利用探地雷达( g p r ) 进行十中水油盐簟的快速确定研究 h 2 = 2 3 0 c m4 0 c m 3 0 c m 图2 1 物理模型剖面 2 1 3 实验采用的探地雷达设备及其主要参数 整个论文的实验采用中国海洋大学和中国电波传播研究所联合研制的 l t d - g r 数字化探测雷达，整个系统由便携式主机、收发天线( 2 5 m 、5 0 m 、1 0 0 m 、 2 0 0 m 、3 0 0 m 、5 0 0 m 、9 0 0 m 和1 0 0 0 m 可选) 、综合控制电缆、1 2 v 电瓶、数据采集 和处理软件等组成( 见图2 2 ，图2 3 ) 。 图2 2l t d - g r 探地雷达主机 图2 3l t d g r 探地雷达9 0 0 m 大线 实验探地雷达采集主要参数如表2 3 所示。 表2 - 3 实验探地雷达采集主要参数 雷达参数名称 数值 天线频率 取样点数 扫描速度 时窗 重复频率 信号位置 测量方式 9 0 0 m 1 0 2 4 点 6 4 道秒 l o n s 1 2 8 k h z 1 1 0 1 2 5 连续测量 tf上 利用探地雷达( g p r ) 进行士中水油盐量的快速确定研究 2 2 实验的内容与方法 2 2 1 未污染砂土探地雷达实验 试验具体步骤为：( 1 ) 取固定体积的清洁干砂样；( 2 ) 加入定量的水搅拌 均匀；( 3 ) 分层填入物理模型槽中，抚平后击打压实；( 4 ) 把探地雷达天线( 9 0 0 m ) 置于样品槽上部，天线一侧紧贴样品槽边沿，启动采集主机，设置采集参数，如 图2 4 所示。采集时，天线沿箭头方向匀速移动，一直移动到样品槽边沿，该样 品探测结束。( 5 ) 采集结束立即在样品槽内固定位置挖取土样进行实验室分析测 试。( 6 ) 完毕后，重复( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 、( 5 ) ，直到样品饱和。粗砂、中砂、粉 砂各测试二组。 雷达天线 卜3 0 c m + 叫o c m 斗3 0 c m - l 图2 4 探地雷达实验采集示意图 为使得样品具有代表性，测试样品平行取2 个样品，结果取平均值。测量 参数及测试方法见表2 4 。 表2 - 4 室内实验参数名称及方法一览表 2 2 2 有机污染( 油类) 砂土的探地雷达实验 具体步骤为：( 1 ) 取固定体积的清洁粉砂样三组；( 2 ) 分别加入i l 、2 5 l 、 4 l 水后搅拌均匀；( 3 ) 按2 2 1 小节含水砂土的探地雷达实验的实验方法测试完 毕，并以此作为油侵入背景土样数据。在三份样品土样中逐量添加柴油，i i i l i i i 1 0 利用探地雷达( g p r ) 进行士中水油盐量的快速确定研究 污染含水土壤；以下步骤同2 2 1 小节( 4 ) 、( 5 ) 、( 6 ) 。 2 2 3 无机污染( 盐类) 砂土的探地雷达实验 取2 份固定体积的清洁粉砂样，分别加入固定体积( 2 l 和5 l ) 浓度为2 0g l ， 1 5g l ，l o g l 、5 9 l 、l g l 盐水，搅拌均匀；以下步骤同2 2 1 小节的( 4 ) 、 ( 5 ) 。每个固定体积的盐水溶液不同盐度系列测试3 组。最后取样测定含水量。 2 3 室内实验结果 ( 1 ) 未污染砂土室内土工实验结果 未污染砂土探地雷达实验结束后，把测试的粗砂、中砂和粉砂三种砂土取样 进行含水量、密度、比重的土工实验测试，由此换算出每个样品的水、土颗粒和 空气的体积比、孔隙率、饱和度等土样物理参数。粗砂、中砂和粉砂每种类型砂 土获取2 0 组数据，一共获取6 0 组数值，见表2 5 。 表2 - 5未污染砂土室内实验土工实验结果表 土类型组号 鬟萼 水体积比土粒体积比空气体积比孔隙率饱和度 10 0 7 00 5 4 00 3 9 00 4 6 0 l5 2 20 0 8 80 5 3 50 3 7 60 。4 6 51 9 0 3o 1 2 00 5 5 10 3 2 90 4 4 92 6 8 4 0 2 0l 0 5 3 4 0 2 6 50 4 6 64 3 2 一 5o 2 3 1o 5 1 90 2 4 90 4 8 14 8 2 第一组 60 2 7 7 0 4 9 1 0 2 3 20 5 0 95 4 5 70 2 8 70 5 0 l0 2 1 20 4 9 95 7 5 80 3 5 40 5 1 lo 1 3 50 4 8 97 2 4 90 3 9 9 0 5 410 0 6 00 4 5 98 6 8 100 。4 2 20 。5 4 50 0 3 30 4 5 59 2 。7 粗砂广面百万万1 蕊r 、蕊面 20 12 60 5 3 60 3 3 80 4 6 42 7 2 30 1 4 5 o 5 4 4o 3 1 10 4 5 63 1 8 40 17 70 5 2 70 2 9 60 4 7 33 7 5 50 1 8 7 0 5 3 20 2 8 l0 4 6 84 0 0 第二组6o 2 8 30 5 0 7o 2 0 9 0 4 9 35 7 5 70 31 4 0 5 4 10 1 4 5 0 4 5 96 8 3 80 3 6 20 5 1 7 0 1 2 00 4 8 37 5 1 90 3 8 80 5 3 4 。0 0 7 80 4 6 68 3 3 l o 0 4 2 70 5 3 80 0 3 4 0 4 6 29 2 6 _ _ _ - - - - 一- _ _ - _ _ _ - _ _ _ h _ _ _ 一_ _ - - - “- - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一_ _ - _ - - _ - - _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ - 一 利用探地雷达( g p r ) 进行土中水油盐量的快速确定研究 中砂 2 3 4 5 第一组 6 7 8 9 0 0 9 2 0 0 9 4 0 1 3 7 o 1 1 4 o 1 7 2 0 1 9 2 0 2 2 7 0 3 2 1 0 3 4 6 0 4 4 5 o 5 3 1 0 5 4 8 o 5 1 8 o 5 3 1 0 5 4 9 0 5 4 3 0 5 6 7 0 5 7 3 0 5 6 5 0 5 3 9 0 4 2 30 4 6 9 0 3 9 0 0 3 9 4 0 3 5 5 0 2 7 9 0 2 6 6 0 2 0 6 o 1 0 5 0 。0 8 9 0 0 1 6 0 4 5 2 0 4 8 2 0 4 6 9 0 4 5 l 0 4 5 7 0 4 3 3 0 4 2 7 0 4 3 5 0 4 6 1 9 6 1 3 7 1 8 4 2 4 3 3 8 1 4 1 9 5 2 4 7 5 3 7 9 4 9 6 4 10 0 6 0，0 5 7 3o 3 6 70 4 2 71 4 1 20 12 80 5 4 30 3 2 90 4 5 72 8 o 30 12 00 5 7 50 3 0 50 4 2 52 8 2 40 2 1 00 5 9 20 1 9 80 4 0 85 1 5 5 o 2 2 l0 5 7 60 2 0 30 4 2 45 2 1 第二组 60 2 6 7 0 5 4 80 18 50 4 5 25 9 0 70 2 5 7 o 5 3 l0 2 1 20 4 6 95 4 8 80 3 5 4 0 5 5 7o 0 8 90 4 4 38 0 o 9o 4 18 o 5 5 40 0 2 80 4 4 69 3 7 lo0 4 31 0 5 2 60 0 4 30 4 7 49 0 9 -。-_一i_-_一_-_-_h_。l_-。一。-。一 1 2 利用探地雷达( g p r ) 进行十中水油盐量的快速确定研究 粉砂 第一组 4 5 6 7 8 9 o 1 1 2 0 1 1 6 0 1 3 5 0 1 6 7 o 1 7 7 0 2 7 3 0 3 0 3 0 3 5 2 0 。3 6 7 o 4 1 0 0 5 7 7 0 5 4 0 0 5 1 9 0 5 3 3 0 5 6 6 o 5 3 1 0 5 4 1 0 5 6 3 0 5 2 6 0 5 4 5 o 3 ll 0 3 4 4 0 3 4 6 0 3 0 0 0 2 5 7 0 1 9 6 0 1 5 6 0 0 8 5 0 1 0 7 0 0 4 5 0 4 2 32 6 5 0 4 6 02 5 2 0 4 8 1 t2 8 1 0 4 6 73 5 8 0 4 3 44 0 8 0 4 6 95 8 2 0 4 5 96 6 o 0 4 3 78 0 5 0 4 7 47 7 。5 0 4 5 59 0 1 l0 0 3 50 5 3 70 4 2 80 4 6 37 6 20 0 5 0 o 5 5 00 4 0 00 4 5 01 1 1 30 0 9 8 0 5 5 50 3 4 70 4 4 52 2 0 40 1 3 3 o 5 2 90 3 3 80 4 7 12 8 2 。 50 1 7 1 0 5 3 30 2 9 60 4 6 73 6 6 ， 第二组 60 1 9 10 5 9 4 0 2 1 50 4 0 64 7 0 70 2 2 0o 5 3 50 2 4 5 0 4 6 54 7 3 8o 3 2 10 5 4 6o 13 3 0 4 5 47 0 8 9 0 3 2 00 5 1 8 0 1 6 20 4 8 26 6 4 100 4 4 0 0 5 2 60 0 3 4 ，0 4 7 49 2 9 _ - - 一- _ _ _ _ _ _ - _ _ 一 1 3 利用探地雷达( g p r ) 进行十中水油盐量的快速确定研究 ( 2 ) 有机污染( 油类) 砂土的室内土工实验结果 有机污染( 油类) 砂土探地雷达实验结束后，把测试的粗砂样取样进行含水 量、含油量、密度、比重的土工实验测试，由此换算出每个样品中水、油、土颗 粒和空气的体积比、孔隙率、饱和度等土样物理参数。3 个不同含水量的样品分 别测试了l 组，每组获取1 0 个数据，一共获取3 0 组数据，见表2 - 6 。 表2 6 有机污染( 油类) 砂土室内土工实验结果表 0 1 0 6 o 1 1 2 0 2 8 2 0 0 4 8 0 1 4 3 ，0 2 6 4 o 1 4 7 0 1