Определение толщины ледяного покрова

Картографическая информация о ледовой обстановке на реках и озерах необходима для планомерного проведения навигации и перевозки грузов по льду, правильной эксплуатации гидротехнических сооружений и предотвращения чрезвычайных происшествий при нахождении людей на ледовых переправах, а также влияние рек и озер на региональный и глобальный климат. При отрицательной температуре воздуха вода из жидкого переходит в твердое состояние, образуя лед. Постоянно низкая температура воздуха (меньше 0 градусов по Цельсию) приводит к образованию ледостава. Ледоставом называется прочный неподвижный ледяной покров на водной поверхности, который характеризуется особенностью реки, погодными условиями. При малой толщине льда, есть возможность неожиданного проламывания льда и попадания в холодную воду или под лед. Ежегодно в весенний период на водоемах происходят несчастные случаи. Условием безопасного пребывания объекта на льду является соответствие его толщины прилагаемой нагрузке. Для одного человека безопасной считается толщина льда не менее 7 сантиметров. Для переправы легкового автомобиля весом до 2,5 тонн – не менее 20 сантиметров[8].

С наступлением теплых дней меняется структура льда – он становится хрупким. Толщина льда на водоеме не везде одинакова. От весеннего солнца нагреваются камышовые заросли, поваленные деревья, которые растапливают лед вокруг. В период таянья лед становиться пористым и слабым, покрывается талой водой, размягчается, приобретает беловатый цвет. Если температура воздуха выше 0 градусов держится больше трех дней, то прочность льда снижается на 25%[8]. Очень опасным и ненадежным является лед под снегом и сугробами, а так же в котором близко друг от друга пробурено несколько лунок. Для предотвращения чрезвычайных происшествий, необходимо вести мониторинг прибрежной территории. Существуют различные способы оценки потенциальной надежности ледового покрытия. Например: оценка на основе метеорологических данных, при помощи подводных аппаратов, бурение лунок, подповерхностное зондирование и т.д.

В весеннее время года проводилисьгеорадарные исследования в черте города Томск на реке Томь. Была выбрана территория, на которой наблюдается большое скопление рыбаков (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1– Место проведения измерений, река Томь[9]

Эксперимент проводился в пяти разных местах на реке, места выбирались около пробуренных рыбаками лунок. С помощью антенного блока АБ-1700 проводились как статические измерения, т.е. геолокатор располагался неподвижно на исследуемой поверхности, так и осуществлялось перемещение вдоль трассы длиной 2 м. В одном случае антенный блок располагался на поверхности снега, а в другом, непосредственно, на отчищенном от снега льду (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2– Рабочие моменты

В результате эксперимента был получен ряд геолокационных профилей. Исходные данные при статическом методе измерения представлены на рисунке 4.3. Здесь по оси абсцисс отложен номер измерения, а по оси ординат – время возвращения локационного сигнала в наносекундах, градациями серого цвета изображена интенсивность отраженных сигналов. В дополнение к сбору локационных данных, высота снежного покрова и толщина льда были измерены традиционным способом. Для этого были пробурены отверстия ручным ледобуром в местах проведения эксперимента. Фактическая толщина слоев снега и льда определялась по измерительной линейке. Полученные данные были сопоставлены с геолокационными измерениями.

Рисунок 4.3– Геолокационный профиль

Обработка и анализ собранных данных осуществлялась методами изложенными в [10]. В итоге с помощью подповерхностного зондирования удалось определить среднюю толщину слоя льда, которая составила 82 см. и толщину снежного покрова – 76 см. Эти данные сходятся с результатами полученными традиционным методом, где толщина льда равна 84 см, а снега – 75 см. Так же была установлена действительная часть относительной диэлектрической проницаемости исследуемых сред, она составила для снега – 1,14 и для льда – 1,8.

Рисунок 4.4 – Геолокационный профиль зондирования вдоль тропы рыбаков

Так же было проведено зондирование вдоль тропы, по которой проходит путь рыбаков (рисунок 4.4), общая длина трассы составила 100 метров перпендикулярно береговой линии. В итоге было установлено, что на расстоянии от 0 до 65 метров путь проходит по реке и толщина льда составляет в среднем 85 см, на промежутке от 65 до 85 метров толщина льда постепенно начинает уменьшаться (склон берега), а далее 85-ти метров лед отсутствует и находится береговая зона.

Поиск локальных объектов

Поиск и обнаружение различных объектов является одним из основных направлений среди множества задач, решаемых с помощью георадиолокации. Важным фактором является форма исследуемого объекта, как в разрезе, так и в плане, что в значительной степени влияет на конфигурацию осей синфазности отраженных волн при их отображении на радарограммах. При размерах объектов, сравнимых или немного меньше длинны волны и при наличии уступов, ребер и резких углов на них, на радарограммах образуются характерные оси синфазности дифрагированных волн, которые используются для определения средней скорости распространения электромагнитных волн над точкой дифракции и ееглубины залегания [11]. В настоящее время нет убедительных экспериментальных данных о возможности обнаружения кабелей из различных материалов, разного диаметра, расположенных на различных глубинах и заполненных разными флюидами. В инструкции по использованию георадара”ОКО-2” приводятся данные о возможности определения объектов цилиндрической формы из металла и пластика на глубинах в несколько метров.

Если объекты имеют достаточно большие размеры в плане, то на георадиолокационных профилях кроме осей синфазности дифрагированных волн, которые могут образовываться на их краях, будут выделяться также оси синфазности отраженных от верхней кромки объекта волн. В реальных условиях, вследствие интерференции верхняя кромка зачастую не видна, поэтому основным признаком обнаружения объекта будет наличие дифрагированных волн на его краях [11, 12].

Эксперимент проводился в институте сильноточной электроники. Был специально подготовлен ящик с песком размерами 2 х 1,5 х 1,5 м. С помощью антенного блока АБ-1700 проводились как статические измерения, т.е. геолокатор располагался неподвижно на исследуемой поверхности, так и осуществлялось перемещение вдоль трассы длиной 1 м. В одном случае антенный блок располагался наповерхностипеска, а в другом, на специальной радиопрозрачной подставке (рисунок 4.5).

Ниже представлены фрагменты геолокационных профилей на глубине 0.6 м и 1 м в воздухе и 0.4 м. в песке. Исходные данные представлены на рисунках 4.6,4.7. Здесь по оси абсцисс отложен номер измерения, а по оси ординат – время возвращения локационного сигнала в наносекундах. В дополнение к сбору локационных данных, расстояние в воздухе и песке от антенного блока до кабеля были измерены традиционным способом. Фактическое расстояние определялось по измерительной линейке. Полученные данные были сопоставлены с геолокационными измерениями.

Рисунок 4.5 – Рабочие моменты

На рисунках 4.6-4.7стрелочками отмечены дифракционные гиперболы.

а) глубина 0,6 м	б) глубина 1 м
Рисунок 4.6 – Геолокационный профиль в среде – воздух
Рисунок 4.7– Геолокационный профиль в среде – песок

Обработка и анализ собранных данных осуществлялась методами изложенными в [10].

а) глубина 0.6 м	б) глубина 1 м
Рисунок 4.8– Результат обработки геолокационных данных в среде – воздух
Рисунок 4.9– Результат обработки геолокационных данных в среде – “песок”

Сопоставление геолокационных данных и фактического расстояния показало, что после обработки на радарограммахдифракционные гиперболы сходятся в точку, показывая точное местонахождение объекта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы показаны теоретические основы метода дифракционного суммирования. Результаты моделирования демонстрируют возможность осуществления фокусировки с использованием данного метода.

В ходе проведения эксперимента были исследованы электрические (диэлектрическая проницаемость) и физические параметры (толщина) снежного и ледового покрова рек. Установлена действительная часть относительной диэлектрической проницаемости исследуемых сред, она составила для снега – 1,14 и для льда – 1,8. С помощью подповерхностного зондирования удалось определить среднюю толщину слоя льда, которая составила 82 см и толщину снежного – 76 см. Так же проведен успешный поиск локальных объектов в средах с разной диэлектрической проницаемостью. На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что представленный метод отлично реализуется георадаром “ОКО-2”.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Yilmaz, Oz, Doherty, StephenM., editor, 2001, SeismicDataAnalysis: processing, inversion, andinterpretation of seismic data.

2. Козлов E.A., Миграционные преобразования в сейсморазведки. Москва.,1986г.

3. ЗеленковА.В., ЗеленковС.А. Выбор метода миграции для обработки сигналов подповерхностной радиолокации Электроника и электротехника. – Каунас: Технология, 2004. – № 3(52). – С. 41-46.

4. Klokov, A., Sato, M., Comparison between the method of diffraction summations, Proc. of the 123rd SEGJ, 2010, pp. 168-171.Ccskrf

5. Gazdag, J. and Sguazzero, P., 1984, Migration of seismic data by phase shift plus interpolation: Geophysics, 49, 124-131.

6. Якубов В.П., Шипилов С.Э. Обратные задачи радиофизики: учебное пособие / под ред. В.П. Якубова. – Томск: Изд-во НТЛ, 2016. – 164 с.

7. Инструкция по эксплуатации радиотехнического прибора подповерхностного зондирования (георадар) «ОКО-2». – М.: ООО «Логические системы», 2011. – 98 с.

8. Сайт ГУ МЧС России URL:http://39.mchs.gov.ru/document/1357338(дата обращения: 10.03.2017)

9. Сервис "Google Карты" URL: https://www.google.ru/maps/@56.4462698,84.9650263,297m/data=!3m1!1e3 (дата обращения: 10.03.2017)

10. Якубов В.П., Шипилов С.Э., Суханов Д.Я., Клоков А.В. Радиоволновая томография: достижения и перспективы. – Томск: НТЛ, 2014. – 264 с.

11. Владов М.Л., Старовойтов А.В.Введение в георадиолокацию. Учебное пособие – М.: МГУ, 2004. – 153 с.

12. Мониторинг дорожного полотна с применением георадара URL: http://www.v-itc.ru/electrotech/2015/04/pdf/2015-04-16.pdf (дата обращения: 15.05.2017)