本發(fā)明涉及凍土相對(duì)含水量計(jì)算領(lǐng)域。更具體地，涉及一種應(yīng)用探地雷達(dá)計(jì)算凍土相對(duì)含水量的方法。

背景技術(shù)：

青藏高原是北半球中低緯度帶多年凍土面積最廣、厚度最大的地區(qū)之一，在評(píng)估自然災(zāi)害時(shí)，多年凍土的凍融狀態(tài)成為最重要的任務(wù)之一。同時(shí)，道路施工所形成的熱平衡狀態(tài)的改變會(huì)導(dǎo)致凍土退化。及時(shí)掌握凍土的狀態(tài)，采取必要養(yǎng)護(hù)措施減緩病害，在不斷加大軸重、提高運(yùn)輸效率的同時(shí)來保證行車安全，成為當(dāng)前亟待解決的重大課題。

目前，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)土壤含水率的方法主要是電阻法、電容法等，都是根據(jù)土壤的電阻率/電容率隨含水率的變化而變化，通過構(gòu)建傳感器兩電極電阻/電容與土壤水的數(shù)學(xué)模型將傳感器采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換到含水率參數(shù)，并進(jìn)行最終含水率指標(biāo)顯示，并可通過組建區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。但是，上述的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的前期是多傳感器需要提前埋入目標(biāo)區(qū)域，而且埋入后的傳感器深度即不可更改，即只能檢測(cè)相對(duì)固定深度的含水率；此外，對(duì)于越大的目標(biāo)區(qū)域所需的傳感器越多，即同時(shí)增加了儀器成本與人工成本，降低了檢測(cè)效率。

探地雷達(dá)是應(yīng)用地球物理學(xué)的一個(gè)重要分支，通過向地下發(fā)射寬頻短脈沖高頻電磁波，利用地下不同介質(zhì)的電磁特性及其分界面對(duì)電磁波的反射原理，識(shí)別地下目標(biāo)體，探地雷達(dá)數(shù)據(jù)精度高、采集時(shí)間短、人力消耗少、檢測(cè)費(fèi)用低，該方法無需開挖破壞地面，且路基檢測(cè)效果明顯。

目前，從探地雷達(dá)圖像中，可以依靠人工經(jīng)驗(yàn)定性判讀多年凍土的含水情況，但無法給出較為準(zhǔn)確的含水率數(shù)據(jù)。對(duì)于要求準(zhǔn)確含水率的區(qū)段，只能通過鉆探和土工實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步測(cè)試，成本高且效率低，使得掌握凍土的狀態(tài)，采取必要養(yǎng)護(hù)措施減緩病害，在不斷加大軸重、提高運(yùn)輸效率的同時(shí)來保證行車安全變得困難。

因此，需要提供一種能夠準(zhǔn)確計(jì)算凍土相對(duì)含水量的方法，簡(jiǎn)便、快捷地計(jì)算凍水相對(duì)含水量，為工程施工提供支持。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用探地雷達(dá)計(jì)算凍土相對(duì)含水量的方法，以利用探地雷達(dá)的電磁波屬性準(zhǔn)確計(jì)算凍土相對(duì)含水量。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

本發(fā)明公開了一種應(yīng)用探地雷達(dá)計(jì)算凍土相對(duì)含水量的方法，所述方法包括：

s1：利用探地雷達(dá)對(duì)凍土進(jìn)行測(cè)試，得到測(cè)量數(shù)據(jù)；

s2：計(jì)算凍土的相對(duì)波阻抗，劃分凍土層與融化層；

s3：根據(jù)融化層的測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算凍土融化層的加權(quán)平均頻率和瞬時(shí)品質(zhì)因數(shù)，并進(jìn)行歸一化處理；

s4：根據(jù)歸一化后的加權(quán)平均頻率和瞬時(shí)品質(zhì)因數(shù)計(jì)算凍土相對(duì)含水量。

優(yōu)選地，所述探地雷達(dá)的電磁波中心頻率為200mhz、400mhz或1000mhz。

優(yōu)選地，所述探地雷達(dá)與100mhz、250mhz、500mhz、1000mhz或2000mhz的屏蔽天線配合使用。

優(yōu)選地，所述測(cè)量數(shù)據(jù)包括幅度、相位、頻率和速度。

優(yōu)選地，所述相對(duì)波阻抗為

式中，γi為兩個(gè)凍土層反射強(qiáng)度的反射系數(shù)，εi和εi+1分別是從凍土頂層開始的第i和i+1層的介電常數(shù)值，ε是εi和εi+1的平均值，δε是εi和εi+1之間的差，εi、εi+1、ε、δε的單位為f/m，∫γdt是相對(duì)波阻抗。

優(yōu)選地，所述相對(duì)波阻抗表示凍土融化導(dǎo)致地下介質(zhì)反射率的變化。

優(yōu)選地，所述s3包括：

s31：根據(jù)所述測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算凍土融化界面和融化程度的加權(quán)平均頻率為

式中，為加權(quán)平均頻率，單位為hz，z(t)是指n個(gè)信號(hào)索引總和的信號(hào)，單位為db，an(t)是一個(gè)恒定參數(shù)，是信號(hào)的相位，單位為rad，j為角頻率，單位為rad/s；

并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理：

式中，為歸一化的加權(quán)平均頻率，為加權(quán)平均頻率的最小值，為加權(quán)平均頻率的最大值，的單位為hz；

s32：根據(jù)所述測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算凍土融化層的瞬時(shí)品質(zhì)因數(shù)為

式中，decay(t)是兩個(gè)瞬時(shí)包絡(luò)信號(hào)差的比率，freq(t)是t時(shí)刻的瞬時(shí)頻率，單位為hz，π為圓周率；

并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理：

式中，δ(t)n為歸一化的瞬時(shí)品質(zhì)因數(shù)，δ(t)min為瞬時(shí)品質(zhì)因數(shù)的最小值，δ(t)max為瞬時(shí)品質(zhì)因數(shù)的最大值。

優(yōu)選地，所述s4包括：

s41：求取歸一化后的加權(quán)平均頻率和瞬時(shí)品質(zhì)因數(shù)的平均值為

其中，為歸一化后的加權(quán)平均頻率，δ(t)n為歸一化后的瞬時(shí)品質(zhì)因數(shù)；

s42：計(jì)算凍土相對(duì)含水量為

θr＝a+bw+cw²+dw³

其中，其中，a、b、c、d為系數(shù)。

優(yōu)選地，所述凍土相對(duì)含水量與凍土融化界面融化程度、凍土孔隙度、滲透度、巖石斷裂和相對(duì)介電常數(shù)值相關(guān)。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明的一種應(yīng)用探地雷達(dá)計(jì)算凍土相對(duì)含水量的方法能夠有效提高檢測(cè)凍土含水率的效率，引入了與凍土孔隙度、滲透度、巖石斷裂相關(guān)性很高的瞬時(shí)品質(zhì)因數(shù)，并建立了與相對(duì)介電常數(shù)有直接關(guān)系的函數(shù)公式，從而能夠根據(jù)探地雷達(dá)的測(cè)量數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單、快速地都估算凍土相對(duì)含水量。通過將本發(fā)明應(yīng)用于工程實(shí)踐中，對(duì)于掌握凍土狀態(tài)提供了一種參考依據(jù)，具有重大理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1示出本發(fā)明一種應(yīng)用探地雷達(dá)計(jì)算凍土相對(duì)含水量的方法的流程示意圖；

圖2(a)示出本發(fā)明具體實(shí)施例中相對(duì)波阻抗的剖面示意圖；

圖2(b)示出本發(fā)明具體實(shí)施例中含水量反演的剖面示意圖；

圖3(a)示出本發(fā)明具體實(shí)施例中護(hù)道陽面含水量反演的剖面示意圖；

圖3(b)示出本發(fā)明具體實(shí)施例中護(hù)道陰面含水量反演的剖面示意圖；

圖4(a)示出本發(fā)明具體實(shí)施例中路基含水量反演的剖面示意圖；

圖4(b)示出本發(fā)明具體實(shí)施例中護(hù)道含水量反演的剖面示意圖；

圖4(c)示出本發(fā)明具體實(shí)施例中原始地面含水量反演的剖面示意圖；

圖5(a)示出本發(fā)明具體實(shí)施例中路基無熱棒側(cè)含水量反演的剖面示意圖；

圖5(b)示出本發(fā)明具體實(shí)施例中路基熱棒側(cè)含水量反演的剖面示意圖。

具體實(shí)施方式

為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，本發(fā)明公開了一種應(yīng)用探地雷達(dá)計(jì)算凍土相對(duì)含水量的方法，所述方法包括：

s1：利用探地雷達(dá)對(duì)凍土進(jìn)行測(cè)試，得到測(cè)量數(shù)據(jù)。其中，以滿足不同的探測(cè)深度要求，可采用電磁波中心頻率為200mhz、400mhz或1000mhz的探地雷達(dá)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并采集測(cè)量數(shù)據(jù)。探地雷達(dá)在工作時(shí)要求與路肩大致平行。所述測(cè)量數(shù)據(jù)包括幅度、相位、頻率和速度。探地雷達(dá)可與屏蔽天線配合使用，屏蔽天線的頻率可選用100mhz、250mhz、500mhz、1000mhz或2000mhz。

s2：計(jì)算凍土的相對(duì)波阻抗，劃分凍土層與融化層。

根據(jù)探雷達(dá)的測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算可表示凍土融化導(dǎo)致地下介質(zhì)反射率變化的相對(duì)波阻抗，利用相對(duì)波阻抗劃分凍土層與融化層，明確兩土層的界限，之后的計(jì)算只考慮融化層的測(cè)量數(shù)據(jù)，使得之后的計(jì)算更加準(zhǔn)確。其中，相對(duì)波阻抗為

式中，γi是量化兩個(gè)凍土層反射強(qiáng)度的反射系數(shù)，εi(f/m)和εi+1(f/m)分別是從凍土頂層開始的i和i+1層的介電常數(shù)值，ε(f/m)是εi和εi+1的平均值，δε(f/m)是εi和εi+1之間的差，∫γdt是相對(duì)波阻抗，與介電常數(shù)的自然對(duì)數(shù)成正比。

s3：根據(jù)融化層的測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算凍土融化層的加權(quán)平均頻率和瞬時(shí)品質(zhì)因數(shù)，并進(jìn)行歸一化處理。s3可包括：

s31：根據(jù)所述測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算可表示凍土融化界面和融化程度的加權(quán)平均頻率為

式中，為加權(quán)平均頻率，z(t)(db)是指n個(gè)信號(hào)索引總和的信號(hào)，an(t)是一個(gè)恒定參數(shù)，(rad)是信號(hào)的相位，j(rad/s)為角頻率。

并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理：

式中，為歸一化的加權(quán)平均頻率，為加權(quán)平均頻率的最小值，為加權(quán)平均頻率的最大值。

s32：根據(jù)所述測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算與凍土孔隙度、滲透度、巖石斷裂性相關(guān)性很高的瞬時(shí)品質(zhì)因數(shù)，具有很強(qiáng)的代表性。所述瞬時(shí)品質(zhì)因數(shù)為

式中，decay(t)是兩個(gè)瞬時(shí)包絡(luò)信號(hào)差的比率，freq(t)(hz)是t時(shí)刻的瞬時(shí)頻率，π為圓周率。

并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理：

式中，δ(t)n為歸一化的瞬時(shí)品質(zhì)因數(shù)，δ(t)min為瞬時(shí)品質(zhì)因數(shù)的最小值，δ(t)max為瞬時(shí)品質(zhì)因數(shù)的最大值。

s4：根據(jù)歸一化后的加權(quán)平均頻率和瞬時(shí)品質(zhì)因數(shù)計(jì)算凍土相對(duì)含水量。

s41：求取歸一化后的加權(quán)平均頻率和瞬時(shí)品質(zhì)因數(shù)的平均值為

s42：計(jì)算凍土相對(duì)含水量為

θr＝a+bw+cw²+dw³

其中，a、b、c、d為系數(shù)。一般情況下，所述系數(shù)采用通用系數(shù)，若監(jiān)測(cè)范圍較小，可采用標(biāo)定系數(shù)，若監(jiān)測(cè)范圍過大，則采用通用系數(shù)和標(biāo)定系數(shù)的平均值，以更適應(yīng)實(shí)際情況。

下面通過一個(gè)具體實(shí)施例來對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，本實(shí)施例中的凍土相對(duì)含水量為

θr＝-5.3+2.92w-0.055w²+0.00043w³

本實(shí)施例仿真結(jié)果如圖2(a)-圖5(b)所示。通過相對(duì)波阻抗反演，可以明確的對(duì)地下介質(zhì)物性分層進(jìn)行成像。圖2(b)中黑色箭頭由上到下分別表示指示路基與原始路面界面，凍土明顯融化并出現(xiàn)顯著的融化峰面。在熱喀斯特發(fā)育區(qū)域凍土融化內(nèi)部界面出現(xiàn)坍塌，層波阻反射強(qiáng)度較大并出現(xiàn)界面浮動(dòng)，7米深度以下除熱喀斯特發(fā)育區(qū)域外，整體反射界面波阻抗變小和均勻，地下凍土保存較好。圖2(b)展示了相對(duì)含水量分布剖面，明顯融化界面以上地層相對(duì)含水量較大，在熱融發(fā)育區(qū)域相對(duì)含水量發(fā)育較大。圖3(a)和圖3(b)分別顯示了陽面和陰面的相對(duì)含水量，相對(duì)于陰面，陽面護(hù)道和融化內(nèi)部均出現(xiàn)了較大的相對(duì)含水量。融化深度較大的陽面地下介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)了融化水的部分聚集，從而引起該側(cè)路基較大的熱融沉降。為了驗(yàn)證路基、護(hù)道和原始地面凍土消融的相對(duì)含水量分布特點(diǎn)。圖4(a)、圖4(b)和圖4(c)依次展示了路基、護(hù)道和原始地面凍土消融的相對(duì)含水量分布剖面。護(hù)道處含水量較大，并且冰水混合凍土消融區(qū)域內(nèi)含水量較高。原始地面水分主要集中于完全消融界面附件。路基中完全消融界面內(nèi)部相對(duì)含水量分布均勻，且相對(duì)含水量較低。圖5(a)和圖5(b)顯示熱棒側(cè)和無熱棒側(cè)含水量反演剖面水分分布特征。陰面無熱棒側(cè)水分分布較為均勻，水分滲流聚集在常年消融界面下部位置，形成較深的凍融界面，對(duì)深部冰層影響較低；熱棒側(cè)由于熱棒的逆向傳熱作用，水分分布不再集中，在整個(gè)凍融面內(nèi)部均有分布，并且對(duì)下部冰層產(chǎn)生影響。

本發(fā)明基于探地雷達(dá)所采集的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式中的代入值進(jìn)行優(yōu)化，從而得到精確度高的凍土相對(duì)含水量。通過劃分凍土層和融化層，得到融化層數(shù)據(jù)，計(jì)算加權(quán)平均頻率和瞬時(shí)品質(zhì)因數(shù)，并對(duì)兩者分別進(jìn)行歸一化，對(duì)歸一化后的加權(quán)平均頻率和瞬時(shí)品質(zhì)因數(shù)求平均值，并將其代入含水量經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到相對(duì)含水量。鑒于凍土相對(duì)含水量的復(fù)雜性，本發(fā)明提出的凍土相對(duì)含水量計(jì)算公式簡(jiǎn)便快捷、效率高、計(jì)算方法明確且相對(duì)精確度高，對(duì)工程施工提供支持。

顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定，對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)，這里無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。