一种基于探地雷达-地震波振幅属性的水体污染检测方法

技术领域

本发明涉及检测方法，具体是一种基于探地雷达-地震波振幅属性的水体 污染检测方法。

背景技术

水对人类生存至关重要。非水相液体(NAPL)是造成水污染的主要因素 之一。地球物理方法在确定含有污染水的区域和含水层方面发挥着重要作用。

理论建模是确定地球物理勘探可行性的工具。根据探地雷达-地震波振幅 属性，对含湿砂的非水相液体污染场地进行了理论建模。在模拟过程中，反 射率随水和非水相液体含量的变化而显著变化。模型中引入的湿沙和干沙产 生了两个主要现象：一是波型的改变；二是振幅的改变。研究结果表明，探 地雷达-地震波振幅属性分析可以有效地检测非水相液体中的水分含量。

非水相液体有两种类型：轻型，密度小于水，漂浮在水面之上；重型， 密度大于水，在地层中沿裂隙向下渗透，达到隔水层。非极性流体都是低介 电常数的。当非水相液体的生物降解产生有机酸，然后溶解地层中的矿物颗 粒，导致溶解固体含量增加时，可能会出现高电导率的轻型非水相液体羽流。 自由相非水相液体保持低电导率和低介电常数。探地雷达波场是极化的，如 果以端对模式(类似于地震学中的SV波)获得，则可以在平面上极化；如果 以宽边模式(类似于SH波)获得，则可以垂直于平面极化。取决于天线的设 计和极化，存在明显的角度依赖性辐射，这可能是探地雷达-地震波振幅属性 更具挑战性的方面之一，因为它还依赖于近场的电学特性。雷达振幅也会受 到其他一些因素的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于探地雷达-地震波振幅属性的水体污染 检测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于探地雷达-地震波振幅属性的水体污染检测方法，包括如下步 骤：

步骤一，理论建模，通过激励和输出分别在模型中放置震源和输出点， 概述模型的几何结构，在模型中模拟具有粗糙表面的异质土壤、探地雷达天 线模型、模拟金属目标、以及岩石；

步骤二，物理模型建立，在理论研究中确认近似结果，提出关于探地雷 达数据反射模式的理论；

步骤三，驱动影响地下水探测的因素，包括含水量，对给定的材料进行 建模且计算轻型非水相液体的相对介电常数，并绘制这些值与深度和的关系， 分析介电常数随深度的变化趋势；

步骤四，反射模式与非水相液体异常的结合，采用独立分量分析对探地 雷达信号进行处理；通过对探地雷达-地震波振幅属性数据的反射模式进行三 分量分析，将ICA应用于探地雷达模拟数据中；

步骤五，每种材料单独反射，使用频率来识别反射模式的差异；

步骤六，反射与地震波振幅属性响应，使用500MHZ频率板发射天线，并 记录了三个阶段的数据。

作为本发明进一步的方案：理论模型建立是使用一个文件来定义模型参 数，模拟需要总共的模型来成像整个空间；在同一个模型中插入三种材料， 分别是水、沙和轻型非水相液体，并计算每个数据集的相对反射强度。

作为本发明再进一步的方案：数据集的相对反射强度计算是先求出与模 拟模型位置相对应的模型中心的所有记录道，然后再计算所求道的包络函数； 选择以模拟反射事件的反射点为中心的选通时间窗口内包络函数的最大振 幅；最后，通过比较非模拟轻型非水相液体和模拟轻型非水相液体的合成控 制，确定三种模型的反射强度增加百分比。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤二包括以下部分：

s1，数据采集，在地球物理模拟实验室进行了试验，试验箱中填充了同 含水率的砂土，然后利用矢量网络分析仪连接500MHZ和1000MHZ天线进行探 索；探地雷达数据采集，采用固定天线间距；对于探地雷达-地震波振幅属性 分析，采用共中心点模式；在共中心点模式下，对于每个偏移量，天线按比 例移动，所有的目标区域都标在试验箱的中间；

s2，数据处理，在对数据进行实际处理之前，对每一行进行编码，生成 一个原始数据的雷达图，以验证所提出的理论对原始数据是否有效；采用快 速傅里叶反变换方法将其引入时间域；建立了上层砂土的介电常数由低到高 变化的双层数学模型；

s3，使用两种软件来处理数据集，将数据转换成软件所需的格式；使用 32位浮点和步长为零，时间增量为1ns，采集持续时间为500ns，该时间是采 集数据所需的实际时间。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤六中，首先，收集干砂的数据， 得到了覆盖整个实验池的三线数据，再用轻型非水相液体侵入试验池，在软 件处理过程中，将所有的测线组合起来，对数据进行处理，并对目标区域进 行了标记，得出完整的反射模式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该方法通过强有力的证据表明， 在探测低导电性的非水相液体时，不同材料(如沙子和水)的反射模式是不 同的；首先从理论上论证了这一点，然后通过实验室实验进行了实践验证； 如果频率降低到500MHZ以下，可以得到更准确的结果；相对介电常数是轻型 非水相液体存在于地下的决定性证据，而反射模式则证实了轻型非水相液体 的存在；因此，如果用探地雷达-地震波振幅属性分析法容易地检测到轻型非 水相液体，就可以避免因轻型非水相液体污染而引起的严重后果。

附图说明

图1为使用探地雷达Max-2D建立的含砂、含水砂土和轻型非水相液体的 理论模型图。

图2为使用探地雷达Max-2D对(a)砂土，(b)砂土含水，以及(c)砂 土含水和轻型非水相液体图。

图3为使用500MHZ和1000MHZ频率显示处理数据，分别包含实验池中目 标区域的(a)和(d)干砂、(b)和(e)含水砂和(c)和(f)含水砂和 轻型非水相液体入侵图。

图4为相对渗透率随深度的变化趋势图。

图5为利用探地雷达-地震波振幅属性数据对目标异常区域的全地下反射 模式图。

图6为使用500MH频率的探地雷达-地震波振幅属性数据对目标异常区域 的3个独立反射模式图。

图7为干砂、轻型非水相液体、水反射的图解。

图8为干砂、轻型非水相液体、水反射的研究图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，本发明中的元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它 可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是 “连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居 中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的 表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

请参阅图1～8，本发明实施例中，一种基于探地雷达-地震波振幅属性的 水体污染检测方法，包括如下步骤：

步骤一，理论建模，通过激励和输出分别在模型中放置震源和输出点， 概述模型的几何结构，在模型中模拟具有粗糙表面的异质土壤、探地雷达天 线模型、模拟金属目标、以及岩石；

其中，理论模型建立是使用一个ASCII(文本)文件来定义模型参数，可 以在探地雷达Max2D和3D程序中模拟，模拟需要总共的模型(a扫描)来成 像整个空间；

表1给出了模拟的关键参数，具体如下：

探地雷达Max-2D用于计算模型的建模参数

此外，在同一个模型中插入三种材料；模型包括一个2m宽的水池，其中 有沙子、水，轻型非水相液体所在的平均深度约为150mm；预设该系统的电 学性质为：εr＝6，σ＝0.01s/m，模型近似设计图如图1；

计算每个数据集的相对反射强度，具体是先求出与模拟模型位置相对应 的模型中心的所有记录道，然后再计算所求道的包络函数；选择以模拟反射 事件的反射点为中心的选通时间窗口内包络函数的最大振幅；最后，通过比 较非模拟轻型非水相液体和模拟轻型非水相液体的合成控制，确定三种模型 的反射强度增加百分比；

通过地震波振幅属性分析，研究了振幅随炮检距的变化；图2中的第一 部分显示了(E_z)字段组件的B扫描结果；信号的初始部分(0.9-1.2ns) 表示从发射机到接收机的直达波，然后来自沙层的反射波(1.4-1.6ns)形成 反射层；

图2中的中的第一部分显示了两个变化时的轻微反应，可以观察到两个 事件，一个是相同的(0.9-1.2ns)相同的沙层(1.5-1.7ns)，这是由于湿砂 层的偏移和轻型非水相液体的侵入；

图2中的第三部分显示了模型中使用水、沙和轻型非水相液体时的抛物 线模式和微弱反射，可以看到由于非水相液体层侵入模型而引起的事件 (1.9-2.7ns)；

步骤二，物理模型建立，在理论研究中确认近似结果，提出关于探地雷 达数据反射模式的理论；包括以下部分：

s1，数据采集，在地球物理模拟实验室进行了试验，试验箱中填充了同 含水率的砂土，水箱的总长度约为10米，其中，仅用3-4米进行实验；水箱 的宽度约为1m，利用水箱的全宽；同样，储罐的总深度接近1.2m，使用的 深度约为1m；第一层由7cm细砂组成，第二层厚度为16cm，只有水时其自身 含水量约为30％；在同一层，挖出了约20cm*20cm的挖坑，含水层被市面上可 买到的以不同化学物质形式存在的萘酚污染；底部是14厘米的干沙；然后利用矢量网络分析仪连接500MHZ和1000MHZ天线进行了探索，探索结果见下表；

探地雷达数据采集参数

探地雷达数据采集，采用固定天线间距；对于探地雷达-地震波振幅属性 分析，采用共中心点模式；在共中心点模式下，对于每个偏移量，天线按比 例移动，所有的目标区域都标在试验箱的中间；

通过这个区域被进一步用来聚焦实验中使用的所有材料的反射模式：干 砂、水和轻型非水相液体；不使用单一频率的天线，而是在探测过程中连接 不同的天线；在共中心点模式检测中，信号发生器是一个1000MHZ天线，而 信号接收使用的是一个较低的500MHZ天线，这样，图像质量好，分辨率高；

s2，数据处理，在对数据进行实际处理之前，使用MATLAB程序对每一行 进行编码，生成一个原始数据的雷达图，以验证所提出的理论对原始数据是 否有效；可以清楚地区分实验中使用的频率为500MHZ和1000MHZ；由于矢量 分析仪的数据记录是在频域内进行的，因此只能在较大的频域上工作，为了 提取数据，采用了快速傅里叶反变换方法将其引入时域；

利用MATLAB程序实现了地震波振幅属性响应的可视化；根据实测资料， 建立了上层砂土的介电常数由低到高变化的双层数学模型；当有更多的水和 轻型非水相液体切割时，地震波振幅属性响应更明显；

具体结果参考图3，,当达到图3第一部分时，曲线会达到一个非常陡峭 的斜率；在综合建模中，水和轻型非水相液体的地震波振幅属性响应更为明 显；

虽然所得结果不是结论性的，需要对探地雷达数据进行进一步处理，但 预处理结果表明，探地雷达-地震波振幅属性数据分析在环境和应用地球物理 领域是一个强大而实用的工具；此外，可以将结果的差异归因于使用频率的 差异；可以进一步提出野外试验的最佳频率；

s3，使用两种软件来处理数据集，包括reflexw2d和3D软件和探地雷达 切片；将数据转换成软件所需的格式；使用32位浮点和步长为零，时间增量 为1ns，采集持续时间为500ns，该时间是采集数据所需的实际时间；

步骤三，驱动影响地下水探测的因素，包括含水量，对给定的材料进行 建模且计算轻型非水相液体的相对介电常数，并绘制这些值与深度和的关系， 分析介电常数随深度的变化趋势；

其中，计算轻型非水相液体的相对介电常数采用如下公式：

其中

步骤四，反射模式与非水相液体异常的结合，采用独立分量分析(ICA) 对探地雷达信号进行处理；通过对探地雷达-地震波振幅属性数据的反射模式 进行三分量分析，可以补偿与实际目标有关的所有不确定性；利用这种方法， 独立分量分析可以很容易地提取出各个分量的信号；将ICA应用于探地雷达 模拟数据中；

图5显示了通过时间域有限差分法建模和实验观察得到的三分量反射模式； 处理一个两层结构，在水平地面以下有一个粗糙的界面；在解释杂波及其与反 射模式的关系后，将三分量结果与图5中的理论部分中先前提出的理论结果进 行比较，得出结论，在理论和实际研究中，随着轻型非水相液体的侵入而变化 的反射模式是普遍现象；

步骤五，每种材料单独反射，使用频率来识别反射模式的差异；首先， 收集干砂的数据，然后是有水入侵和轻型非水相液体的沙子的数据；观察到 每个数据集的反射模式存在明显差异；反射模式的细节如图6所示，分为三 个部分(a、b、c)：a为干砂的反射模式，b为砂子含水时的反射模式，c为 轻型非水相液体侵入的砂子的反射模式；从图中可以明显看出，轻型非水相 液体的侵入在反射模式上存在显著差异，考虑到理论部分，图中还显示了不 同材料侵入砂土的个别反射模式；因此，这些单独反射模式是理论部分的明 确证据；

地震波振幅属性采集和处理使我们能够确定地震和探地雷达资料反射模 式的显著变化。我们的技术证明，探地雷达-地震波振幅属性是近地表轻型非 水相液体存在的直接指示，并随反射模式的变化而变化；

步骤六，反射与地震波振幅属性响应，使用500MHZ频率板发射天线，并 记录了三个阶段的数据；首先，收集干砂的数据，得到了覆盖整个实验池的 三线数据；图7(a)是干砂反射的图解；地震波振幅属性响应很微弱；采用 了同样的方法，用轻型非水相液体侵入试验池；在软件处理过程中，将所有 的测线组合起来，对数据进行处理，并对目标区域进行了标记，与图7(c) 中的砂、水区域相比，给出了完整的反射模式；

图8(a)在没有偏移的情况下进行组合，但在不同的反射模式下仍然有 一些效果，而图8(b)有一个明确的证据表明目标区域反射模式的剧烈变化； 观察到，在相同的约束条件下，相对含水量和非水相液体可以由雷达探测剖 面的地震波振幅属性响应进行初始化；

由于已经确定，随着频率的变化，深度将受到影响；将这些结果与研究 的理论部分进行比较，很明显存在污染的靶区(轻型非水相液体)与其他两 部分完全不同；此外，在理论研究中，观察到反射模式(通过物理实验观察 到)在频率为500MHZ时的变化，这与理论研究相一致；

为了得出结论，有必要使用可变频率，因此将发射天线改为1000MHZ频 率。在最后的评论中，我们已经证明了随着轻型非水相液体的入侵，反射模 式会随着频率的变化而变化。程序与500MHZ频率的程序相同。考虑到随着频 率的增加，电磁波的穿透能力降低，反射振幅也随之减小。在低频情况下， 可以观察到强反射，反之亦然。尽管随着频率的增加，得到了微弱的反射图 样，但有明显的证据表明反射图样发生了变化，这是本研究的理论和物理研 究的主要问题；

地震波振幅属性分析是直接指示含水层和地下水中碳氢化合物的技术。 因此，首次从理论上提出并证明了探地雷达-地震波振幅属性可以作为水污染 场地，特别是轻型非水相液体污染地区的直接指标。此外，在理论部分，主 要关注的是确定反射模式随不同物质侵入水中的变化，然而，当用于潮湿土 壤和更大深度时，它有一些局限性。相对介电常数随深度的增加而减小，这 是由于轻型非水相液体的穿透力较小；在深度超过10m时，需要更大的天线 间距。当这三种情况下，水中污染物的存在会影响深层反射系数，如地下水 位，则会出现异常区。研究表明，由于轻型非水相液体润湿土壤颗粒而引起 的毛细边缘部分塌陷会增加未受影响位置和受影响位置之间的反射系数差 异。因此，毛细管道边缘的塌陷将提高检测轻型非水相液体的能力。

最后，物理模型和理论模型表明，当轻型非水相液体聚集在土壤毛细管 上时，会出现异常区和相变。然而，使用地震波振幅属性分析方法检测饱和 区非水相液体的残留取决于轻型非水相液体的饱和值和低界面的介电性质。 在这项研究中，我们有证据表明，在探测低导电性的非水相液体时，不同材 料(如沙子和水)的反射模式是不同的。首先从理论上论证了这一点，然后 通过实验室实验进行了实践验证。实验分析表明，对于不同的频率，结果是 正确的。如果频率降低到500MHZ以下，我们可以得到更准确的结果。因为我 们在500MHZ的频率下比1000MHZ的频率得到了更好的结果。相对介电常数的 异常是轻型非水相液体存在于地下的决定性证据，而反射模式则证实了轻型 非水相液体的存在。因此，如果用探地雷达-地震波振幅属性分析法容易地检 测到轻型非水相液体，就可以避免因轻型非水相液体污染而引起的严重后果。 在我们的研究中，反射模式是主要关注的，并且已经证明反射模式的变化是 污染场地的直接指示。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方 式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见， 本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以 经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。