Радиолокатор подповерхностного зондирования "Терразонд-3". Технология радиофизического мониторинга подповерхностной структуры грунта, включая поверхностные зоны, загрязнённые нефтепродуктами

Характеристика технологии

Технология включает следующее:

1. Георадиолокатор «Терразонд–3» для радиофизического зондирования состояния подповерхностной структуры грунта с поверхности земли.
2. Оригинальное программное обеспечение для обработки, интерпретации и представления радиолокационной информации.
3. Методики проведения целевых работ подповерхностного мониторинга.

Технология является комплексной разработкой, включающей современные достижения радиофизики, гидрогеологии и инженерной геологии. Это позволяет эффективно решать большой круг задач в экологии и инженерной геологии уже на стадии инновационного внедрения и определяет область ее применения, а именно:

1. Оценка и мониторинг состояния подповерхностной структуры грунта в сложных инженерно-геологических условиях и при повышенной техногенной нагрузке.
2. Выявление и картографирование подповерхностных зон скоплений нефтепродуктов в результате утечек из мест их хранения и транспортировки и других экологических аварий.
3. Выявление пустот, вкраплений менее плотного вещества, разуплотнения грунта и др. в результате геологических изменений или техногенного воздействия.
4. Картографирование подземных коммуникационных сооружений (прокладки кабелей, трубопроводов, тоннелей).
5. Определение состояния фундаментов и строительных конструкций действующих сооружений.
6. Контроль уровня грунтовых вод в промышленных и населенных пунктах (состояние подтопления).
7. Контроль состояния грунта под нагружаемыми площадками (в том числе взлетными).
8. Контроль состояния грунта под транспортными магистралями.

Применение технологии позволяет значительно снизить затратную часть для решения указанных задач и приводит к более точному их решению.

В области картографирования подповерхностных скоплений нефтепродуктов технология не имеет мировых аналогов на сегодняшний день.

Технология базируется на использовании георадиолокатора подповерхностного зондирования (ГРПЗ) «Терразонд – 3», специально разработанного для указанных целей. В основе картографирования зон, загрязненных нефтепродуктами, лежит открытое и детально исследованное явление зависимости электрических характеристик грунта от насыщения нефтепродуктом.

Краткая характеристика и принцип действия ГРПЗ «Терразонд – 3»

ГРПЗ состоит из антенны для излучения и приема сигналов, генератора зондирующих сигналов с заданными характеристиками (синтезатор частоты), приемника отраженных сигналов, цифрового блока и компьютера.

Сигнал, излученный антенной ГРПЗ, распространяется под поверхность земли и ослабляется вследствие затухания во влажном грунте. При наличии подповерхностного аномального объекта, часть сигнала отражается в направлении приемной антенны. Другая часть сигнала распространяется дальше и отражается от следующих объектов. Расстояние до объекта определяется временем задержки распространения радиоволн от антенны до объекта и обратно.

Рис.1. Фотография ГРПЗ «Терразонд – 3»

В отличие от известных георадиолокаторов, в предлагаемом варианте применяется зондирующий сигнал с пошаговым изменением несущей частоты, параметры которого можно варьировать в широком диапазоне значений адаптируясь под требуемую глубину зондирования, разрешающую способность и характеристики грунта. Принципы построения аппаратуры и алгоритмы обработки сигналов, заложенные в предлагаемый ГРПЗ, дают возможность получить ряд преимуществ.

Функциональные преимущества

1. Пониженный уровень излучения и приема отраженных сигналов из верхнего полупространства, что позволяет работать в условиях наличия металлических и других конструкций на площадках работ (нефтеперерабатывающие заводы, нефтехранилища, подъездные пути с металлическими цистернами и пр.).
2. Повышенная разрешающая способность по сравнению с классическими (импульсными) радиолокаторами подповерхностного зондирования.
3. Адаптация параметров зондирующего сигнала к типу грунта и глубине мониторинга.
4. Возможность измерения электрических характеристик, влажности и скорости распространения радиоволн в слоях грунта, что существенно повышает точность измерения границ этих слоев и объектов по сравнению с классическими радиолокаторами подповерхностного зондирования.
5. Использование оригинального программного продукта, комплексной радиофизической и гидрогеологической информации при интерпретации результатов мониторинга.

Технические характеристики

1. Максимальная глубина мониторинга – 10-30 м в зависимости от влажности и типа грунта.
2. Разрешающая способность – 5-30 см в зависимости от глубины зондирования, влажности и типа грунта.
3. Точность измерения электрических постоянных – 10-15%, влажности слоев грунта – 15-20% в зависимости от глубины зондирования и априорной геологической информации.
4. Вес – 4,5 кг.
5. Потребляемая мощность – 20 Вт.
6. Конструкция прибора легко адаптируется к конкретным условиям местности.

При создании технологии использованы теоретические и экспериментальные исследования, которые проводились в течение 7 лет.

Результатами исследований являются:

1. Открытие явления зависимости электрических характеристик грунта от степени насыщения нефтепродуктом. Это позволяет картографировать подповерхностные зоны, загрязненные нефтепродуктом, без априорной информации.
2. Математические алгоритмы определения электрических характеристик грунта по зависимости коэффициента затухания радиоволн в заданной полосе частот. Эта информация непосредственно извлекается из радиолокационных данных;
3. Оригинальное программное обеспечение для обработки, интерпретации и представления радиолокационной информации.
4. ГРПЗ «Терразонд – 3», который был успешно применен для решения задач картографирования на ряде объектов, таких как «Лукойл – Одесский НПЗ», аэродром в пос. Лебедин (Сумская обл.), аэродром в пос. Глухов и др.

Примеры, иллюстрирующие эффективность технологии

На рисунках 2.1, 2.2, 2.3 показана карта бывшего военного аэродрома с радиолокационным изображением подповерхностного участка, загрязненного авиационным керосином.

Рис.2.1. Радиолокационное изображение сечения грунта по трассе прохода георадиолокатора, проходящей через три контрольно-наблюдательные скважины

Рис.2.2. Карта участка бывшего военного аэродрома с изолиниями толщины линзы с авиационным керосином, построенными с помощью георадиолокатора (линза расположена на глубине 13-15м)

Рис.2.3. Радиолокационное изображение линзы с авиационным керосином

На рисунке 3 приведено трехмерное изображение распределения мощности линзы (в виде цветовой гаммы) по ее нижней границе. Для удобства верхняя граница линзы не показана, чтобы не затенять нижнюю границу.

Зона загрязнения в виде линзы располагается на уровне грунтовых вод, прогибая его на величину примерно равную мощности линзы.

Линза располагается на глубине 7-9м и имеет максимальную мощность порядка 3м. Мощность линзы показана интенсивностью цвета, шкала которой приведена с правой стороны рисунка.

Рис.3. Распределение мощности линзы по ее нижней границы (уровень грунтовых вод), построенное по радиолокационным данным.

На рисунке 4 приведено радиолокационное сечение грунта в месте расположения купола обводнения и трещин, обусловленных смещением слоя суглинка красновато-бурого твердого, относительно слоя суглинка красновато-бурого полутвердой консистенции.

Рис.4. Радиолокационное сечение грунта в месте расположения купола обводнения и трещин.