Радіолокатор підповерхневого зондування "Терразонд-3". Технологія радіофізичного моніторингу підповерхневої структури ґрунту, включаючи поверхневі зони, забруднені нафтопродуктами
Характеристика технології
Технологія включає наступне:
- Георадіолокатор "Терразонд-3" для радіофізичного зондування стану підповерхневої структури ґрунту з поверхні землі.
- Оригінальне програмне забезпечення для обробки, інтерпретації та подання радіолокаційної інформації.
- Методики проведення цільових робіт підповерхневого моніторингу.
Технологія є комплексною розробкою, що включає сучасні досягнення радіофізики., гідрогеології та інженерної геології. Це дозволяє ефективно вирішувати велике коло задач в екології та інженерній геології вже на стадії інноваційного впровадження і визначає область її застосування, а саме:
- Оцінка і моніторинг стану підповерхневої структури ґрунту в складних інженерно-геологічних умовах і при підвищеному техногенному навантажені.
- Виявлення і картографування підповерхневих зон скупчень нафтопродуктів у результаті витоків з місць їх зберігання і транспортування та інших екологічних аварій.
- Виявлення пустот, украплень менш щільної речовини, порушення ущільнення ґрунту та інше в результаті геологічних змін або техногенного впливу.
- Картографування підземних комунікаційних споруджень (прокладки кабелів, трубопроводів, тунелів).
- Визначення стану фундаментів і будівельних конструкцій діючих споруджень.
- Контроль рівня ґрунтових вод в промислових й населених пунктах (стан підтоплення).
- Контроль стану ґрунту під навантаженими площадками (у тому числі злітні смуги).
- Контроль стану ґрунту під транспортними магістралями.
Застосування технології дозволяє значно знизити витратну частину для вирішення вказаних задач і дозволить більш точно їх вирішити.
У області картографування підповерхневих скупчень нафтопродуктів технологія не має світових аналогів на сьогоднішній день.
Технологія спирається на використання георадіолокатора підповерхневого зондування (ГРПЗ) "Терразонд-3", спеціально розробленого для вказаних цілей. У основі картографування зон, забруднених нафтопродуктами, лежить відкрите і детально дослідження явище залежності електричних характеристик ґрунту від насичення нафтопродуктами.
Коротка характеристика і принцип дії ГРПЗ "Терразонд-3"
ГРПЗ складається з антени для випромінювання й прийому сигналів, генератора сигналів зондування із заданими характеристиками (синтезатор частоти), приймача відбитих сигналів, цифрового блоку та комп’ютера.
Сигнал, який випромінює антена ГРПЗ, розповсюджується під поверхню землі і послаблюється унаслідок затухання у вологому ґрунті. При наявності підповерхневого аномального об’єкта частина сигналу відбивається у напрямку приймальної антени. Друга частина сигналу розповсюджується далі і відбивається від наступних об’єктів. Відстань від об’єкта визначається тривалістю затримки розповсюдження радіохвиль від антени до об’єкта і у зворотному напрямку.
Рис. 1. Фото ГРПЗ "Терразонд-3"
На відміну від відомих георадіолокаторів у запропонованому варіанті застосовується сигнал зондування з покроковою зміною несучої частоти, параметри якого можна варіювати у широкому діапазоні значень, адаптуючись під потрібну глибину зондування, здатність розрізнення та характеристики ґрунту. Принципи побудови апаратури й алгоритми обробки сигналів, закладені у пропонований ГРПЗ, дають можливість одержати ряд переваг.
Функціональні переваги
- Знижений рівень випромінювання і прийому відбитих сигналів з верхнього напівпростору, що дозволяє працювати в умовах наявності металевих і інших конструкцій на площадках проведення робіт (нафтопереробні заводи, нафтосховища, під’їздні шляхи з металевими цистернами та ін.).
- Підвищена розрізнювальна здатність порівняно з класичними (імпульсними) радіолокаторами поверхневого зондування.
- Адаптація параметрів сигналу зондування до типу ґрунту і глибини моніторингу.
- Можливість вимірювання електричних характеристик, вологості та швидкості розповсюдження радіохвиль в шарах ґрунту, що істотно підвищує точність вимірювання границь цих шарів та об’єктів порівняно з класичними радіолокаторами підповерхневого зондування.
- Використання оригінального програмного продукту, комплексної радіофізичної та гідрогеологічної інформації при інтерпретації результатів моніторингу.
Технічні характеристики
- Максимальна глибина моніторингу – 10-30 м в залежності від вологості та типу ґрунту.
- Розрізнювальна здатність – 5-30 см в залежності від глибини зондування, вологості та типу ґрунту.
- Точність вимірювання електричних постійних – 10-15%, вологості шарів ґрунту – 15-20% в залежності від глибини зондування і апріорної геологічної інформації.
- Вага – 4-5 кг.
- Споживана потужність – 20 Вт.
- Конструкція приладу дозволяє легко адаптуватися до конкретних умов місцевості.
При створенні технології було використано теоретичні та експериментальні дослідження, що проводилися протягом семи років.
Результатами дослідження стали:
- Відкриття явища залежності електричних характеристик ґрунту від ступеня насичення нафтопродуктами. Це дає змогу картографувати підповерхневі зони, забруднені нафтопродуктами, без апріорної інформації.
- Математичні алгоритми визначення електричних характеристик ґрунту по залежності коефіцієнта затухання радіохвиль в заданій смузі частот. Ця інформація одержується безпосередню з радіолокаційних даних.
- Оригінальне програмне забезпечення для обробки, інтерпретації та подання радіолокаційної інформації.
- ГРПЗ "Терразонд-3" успішно пройшов перевірку при рішення задач картографування на ряді об’єктів, таких як "Лукойл-Одеський НПЗ", аеродром в сел. Лебедин (Сумська обл.), аеродром в сел. Глухів та ін.
Приклади, що ілюструють ефективність технології
На рис. 2.1, 2.2, 2.3 показано карти колишнього військового аеродрому з радіолокаційним зараженням підповерхневої ділянки, забрудненої авіаційним керосином.
Рис. 2.1. Радіолокаційне зображення перетину ґрунту по трасі проходу георадіолокатора, що проходить через три контрольно-спостережні свердловини
Рис. 2.2. Карта ділянки колишнього військового аеродрому з ізолініями товщини лінзи з авіаційним керосином, побудованими за допомогою георадіолокатора (лінза розташована на глибині 13-15 м)
Рис. 2.3. Радіолокаційне зображення лінзи з авіаційним керосином
На рис. 3 наведено тривимірне зображення розподілу потужності лінзи (у вигляді кольорової гами) по її нижній границі. Для зручності верхня границя лінзи не показана, щоб не затіняти нижню границю.
Зона забруднення у вигляді лінзи розташована на рівні ґрунтових вод, прогинаючи його на величину, яка приблизно дорівнює потужності лінзи.
Лінза розташовується на глибині 7-9 м і має максимальну потужність близько 3 м. Потужність лінзи показана інтенсивністю кольору, шкала якої приведена з правого боку рисунка.
Рис. 3. Розподіл потужності лінзи по її нижній границі (рівень ґрунтових вод) побудований за радіолокаційними даними
На рис. 4 наведено радіолокаційний перетин ґрунту в місці розташування купола обводнення і тріщин, зумовлених зсувом шару суглинку червоно-бурого, твердого, відносно шару суглинку червоно-бурого напівтвердої консистенції.
Рис. 4. Радіолокаційний перетин ґрунту в місці розташування купола обводнення і тріщин