探究水工環(huán)地質(zhì)勘察技術(shù)與應(yīng)用

段鵬濤，周亞楠

（1.河南省地球物理空間信息研究院，河南 鄭州 450000；2.河南省地質(zhì)物探工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450000）

新時(shí)代背景下，節(jié)約資源、環(huán)境保護(hù)是社會(huì)各領(lǐng)域發(fā)展所追求的生態(tài)目標(biāo)，在能源、資源保護(hù)、利用與開發(fā)中，勢(shì)必會(huì)借助水工環(huán)地質(zhì)勘察了解資源利用與周邊環(huán)境之間的關(guān)系，不同環(huán)境、水文及工程對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響等，所形成的水工環(huán)地質(zhì)勘察結(jié)果也成為環(huán)境治理、工程建設(shè)的數(shù)據(jù)支撐、技術(shù)優(yōu)化保障，能夠促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)運(yùn)作的高質(zhì)量目標(biāo)。由此可見，水工環(huán)地質(zhì)勘察對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義，唯有把握新形勢(shì)下水工環(huán)地質(zhì)勘察要點(diǎn)并積極運(yùn)用新技術(shù)、新方法，才能切實(shí)提升水工環(huán)地質(zhì)勘察工作質(zhì)量。

1 水工環(huán)地質(zhì)勘察工作要點(diǎn)

1.1 水工環(huán)地質(zhì)勘察概述

水工環(huán)地質(zhì)勘察是一項(xiàng)綜合性、復(fù)雜性，服務(wù)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)規(guī)劃及資源保護(hù)開發(fā)等領(lǐng)域的重要工作，傳統(tǒng)意義下的水工環(huán)地質(zhì)勘察包括水文地質(zhì)勘察、環(huán)境地質(zhì)勘察及工程地質(zhì)勘察[1]。隨著社會(huì)的發(fā)展、世界資源及環(huán)境格局的復(fù)雜多變，水工環(huán)地質(zhì)勘察工作內(nèi)容有所延伸，災(zāi)害地質(zhì)、城市水工環(huán)地質(zhì)等成為當(dāng)代水工環(huán)地質(zhì)勘察工作的新內(nèi)容。從水工環(huán)地質(zhì)勘察工作內(nèi)容的變化可以看出，當(dāng)前水工環(huán)一體化已經(jīng)成為地質(zhì)勘察的發(fā)展趨勢(shì)，更加契合可持續(xù)發(fā)展理念的核心觀點(diǎn)，并且注重自然環(huán)境與人類活動(dòng)之間關(guān)系的處理，可為我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)開辟新的路徑。

1.2 水工環(huán)地質(zhì)勘察工作要點(diǎn)

從總體上來看，水工環(huán)地質(zhì)勘察工作的要點(diǎn)體現(xiàn)在三個(gè)方面：①水文地質(zhì)勘察。在開采及利用水資源、工程建設(shè)中，需要開展水文地質(zhì)勘察獲取地下水活動(dòng)、地下水位、地下水發(fā)展規(guī)律等資料與數(shù)據(jù)，了解地下水及地表水的化學(xué)成分，防止發(fā)生嚴(yán)重的水文地質(zhì)災(zāi)害；②環(huán)境地質(zhì)勘察。在國(guó)土空間規(guī)劃“雙評(píng)價(jià)”實(shí)行的背景下，對(duì)于區(qū)域資源的開發(fā)及利用既需要考慮國(guó)土空間開發(fā)的適宜性，又需要考量區(qū)域環(huán)境的承載力；③工程地質(zhì)勘察。在工程建過程中，工程選址、工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程施工階段劃分等均需要應(yīng)用工程地質(zhì)勘察結(jié)果，在全面掌握影響工程建設(shè)的全部地質(zhì)因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合建設(shè)地點(diǎn)地質(zhì)物理學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、巖土體結(jié)構(gòu)、地下水活動(dòng)、可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害等資料制定地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置預(yù)案，規(guī)避危險(xiǎn)施工時(shí)期，以此保證工程建設(shè)的安全性。

隨著水工環(huán)地質(zhì)勘察工作內(nèi)容延伸、工作難度加大，再加上現(xiàn)代通信、信息及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在實(shí)際的勘察工作中需要注重對(duì)勘察技術(shù)的革新與流程的優(yōu)化，根據(jù)實(shí)際的勘察內(nèi)容制定科學(xué)方案、創(chuàng)建高素質(zhì)勘察隊(duì)伍、加強(qiáng)新技術(shù)與新方法的應(yīng)用，才能夠發(fā)揮水工環(huán)地質(zhì)勘察在服務(wù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、服務(wù)環(huán)境質(zhì)量改善、服務(wù)工程建設(shè)及地質(zhì)災(zāi)害防治等方面的重要價(jià)值。

2 水工環(huán)地質(zhì)勘察技術(shù)及其應(yīng)用

在當(dāng)代水工環(huán)地質(zhì)勘察工作中，新技術(shù)、新方法、新流程的合理應(yīng)用能夠顯著提升水工環(huán)地質(zhì)勘察工作效率，保證勘察數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，擴(kuò)大勘察的內(nèi)容與范圍，進(jìn)而提升勘察結(jié)果的使用率與應(yīng)用價(jià)值。文章通過梳理文獻(xiàn)，結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出如下五種水工環(huán)地質(zhì)勘察技術(shù)及其應(yīng)用方式，以供參考：

（1）GPS技術(shù)及其應(yīng)用。GPS，即全球定位系統(tǒng)，具有精度高、連續(xù)性、覆蓋范圍廣、方便快捷的優(yōu)勢(shì)。GPS技術(shù)的工作原理為：①將一定數(shù)量的工作衛(wèi)星及備用衛(wèi)星放置在互成的軌道上，保證地球上每一個(gè)點(diǎn)都能觀測(cè)到6-9顆衛(wèi)星，由此形成基于星網(wǎng)工作的全球定位系統(tǒng)。②在水工環(huán)地質(zhì)勘察過程中，以接收機(jī)天線中心為基準(zhǔn)，使用接收機(jī)接收來自三顆以上衛(wèi)星的信號(hào)，得到測(cè)量基準(zhǔn)到三顆以上衛(wèi)星的距離，再通過相應(yīng)的計(jì)算與轉(zhuǎn)換，獲得該時(shí)間節(jié)點(diǎn)GPS衛(wèi)星的窄間坐標(biāo)；③接收機(jī)會(huì)將觀測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給觀測(cè)站，借助基準(zhǔn)數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換解算方式，計(jì)算出勘察地點(diǎn)的具體位置坐標(biāo)。

在水工環(huán)地質(zhì)勘察工作中，GPS技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過實(shí)踐證明，應(yīng)用GPS技術(shù)能夠快速、準(zhǔn)確地探測(cè)到地質(zhì)環(huán)境污染的具體位置。而GPS探測(cè)技術(shù)精度高、測(cè)量快速，具有較好的應(yīng)用效果。隨著科技的發(fā)展，當(dāng)前水工環(huán)地質(zhì)勘察工作中，通常將GPS技術(shù)與遙感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)聯(lián)用，可實(shí)時(shí)生成勘察圖像，并可在最大程度上應(yīng)用地質(zhì)勘察經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提升水工環(huán)地質(zhì)勘察成果轉(zhuǎn)化率，具體的流程如下圖1所示。

圖1 GPS技術(shù)在水工環(huán)地質(zhì)勘察工作中的應(yīng)用流程示意圖

（2）RS技術(shù)及其應(yīng)用。RS技術(shù)，即遙感技術(shù)，是指借助航攝儀、多光譜掃描儀等傳感器設(shè)施，通過空間信息采集系統(tǒng)、地面接收和預(yù)處理系統(tǒng)等，從高空或外層空間接收來來自地球表面各類地理的電磁波信息，通過對(duì)此類信息進(jìn)行整合、處理、分析等遠(yuǎn)距離控測(cè)、識(shí)別地球表面的各類地物與地理現(xiàn)象，是一種集合傳感器技術(shù)、信息收集技術(shù)、信息提取及應(yīng)用技術(shù)、測(cè)量技術(shù)于一身的綜合性技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用與地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)、土地資源調(diào)查、環(huán)境規(guī)劃、地質(zhì)調(diào)查等眾多領(lǐng)域[2]。

在水工環(huán)地質(zhì)勘察工作中，RS技術(shù)的應(yīng)用重要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及信息解譯三個(gè)方面，應(yīng)用原理如下圖2所示。

圖2 RS技術(shù)在水工環(huán)地質(zhì)勘察工作中的應(yīng)用原理示圖

首先，以航空攝像機(jī)為主要傳感器獲取來自地表的各類地理信息（如上圖2中的A部分所示），根據(jù)地質(zhì)波譜特征選擇相應(yīng)的成像方式，如TM3成像模式、MSS5成像模式等，能夠較為準(zhǔn)確地獲取調(diào)查對(duì)象的位置、輪廓、空間結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)；其次，通過輻射矯正、幾何矯正等數(shù)據(jù)處理技術(shù)，將所獲的地理信息轉(zhuǎn)化為圖像，呈現(xiàn)出具體的調(diào)查內(nèi)容。如區(qū)域內(nèi)的地形地貌特征、植被分布情況、人類活動(dòng)范圍等；最后，對(duì)上述步驟所形成的圖像進(jìn)行深入分析，通過輻射亮度、反射率等參數(shù)判斷人類活動(dòng)是否會(huì)影響植被的正常生長(zhǎng)，在準(zhǔn)確評(píng)估人類活動(dòng)的基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的意見。

RS技術(shù)在水工環(huán)地質(zhì)勘察工作中的應(yīng)用，可以對(duì)地下水的埋藏情況進(jìn)行調(diào)查，了解區(qū)域水土流失程度等，所形成的圖像清晰、細(xì)節(jié)完善，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

（3）GPR技術(shù)及其應(yīng)用。GPR技術(shù)，即探地雷達(dá)技術(shù)，其工作原理為：使用10MHz~2.6GHz的高頻極化無限電波，借助探測(cè)雷達(dá)發(fā)射器向地面發(fā)射雷達(dá)脈沖，當(dāng)?shù)叵侣癫嘏c地表介電常數(shù)不同的物體、材料與介質(zhì)時(shí)，電磁能會(huì)反射回地面，雷達(dá)接收天線接收到電磁能反射的角度、剩余量、反射時(shí)間等反饋信號(hào)，對(duì)此信號(hào)進(jìn)行處理后進(jìn)行地下成像。

GRS是一種無損檢測(cè)方式，廣泛應(yīng)用于地下基礎(chǔ)設(shè)施建造、工程施工、采礦前勘察等領(lǐng)域。以工程建造為例，應(yīng)用GRS技術(shù)可以反映地質(zhì)特征、土地特性、地下結(jié)構(gòu)等，不需要挖掘、鉆孔便可以獲得地下圖像，能夠?yàn)楣こ探ㄔ旃ぷ鞣治?、?jì)算等提供實(shí)時(shí)、實(shí)地參數(shù)。在水工環(huán)地質(zhì)勘察工作中，GRS技術(shù)適用于短距離勘查工作內(nèi)容，其具有探測(cè)精度高、成像分辨率高的優(yōu)勢(shì)，并且操作較為簡(jiǎn)單，對(duì)于一般的地形圖測(cè)繪、工程地質(zhì)勘察等具有較高的應(yīng)用價(jià)值，如查找并定位地下斷裂帶、風(fēng)化帶等，能夠防止工程建造在地質(zhì)脆弱位置，最大程度上降低地質(zhì)災(zāi)害對(duì)工程建設(shè)的負(fù)面影響程度。在智能化技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)的支撐下，GRS技術(shù)水平明顯提升，所收集的探測(cè)數(shù)據(jù)更為全面，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，借助系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能能夠?qū)崿F(xiàn)海量數(shù)據(jù)的自動(dòng)化傳輸及分析，系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)功能可對(duì)比同類工程、同類地質(zhì)環(huán)境，智能化輸出地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)報(bào)告，尤其是在地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地表覆蓋厚度較大的地質(zhì)環(huán)境下，GRS技術(shù)可顯著提升探測(cè)精度，提高水工環(huán)地質(zhì)勘察工作效率。

（4）RTK技術(shù)及其應(yīng)用。RTK技術(shù)，即載波相位差分技術(shù)，主要應(yīng)用于GRS衛(wèi)星接收機(jī)觀測(cè)的數(shù)據(jù)處理與傳輸過程中。當(dāng)應(yīng)用GPS技術(shù)開展水工環(huán)地質(zhì)勘察工作時(shí)，不可避免地會(huì)因觀測(cè)值的數(shù)量及精度、GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間的偏移、電離層折射等產(chǎn)生GPS定位差。為提升測(cè)量及定位精度，可在RTK工作模式下進(jìn)行定位測(cè)量，具體工作原理（如下圖3所示）為：基準(zhǔn)站將其所獲取的觀測(cè)值以及測(cè)站坐標(biāo)信息通過數(shù)據(jù)鏈傳輸至流動(dòng)站；接受來自基準(zhǔn)站并采集到GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的流動(dòng)站可以在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)環(huán)境下組合差分觀測(cè)值，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)化、動(dòng)態(tài)化處理，最終獲得厘米級(jí)的定位結(jié)果。RTK技術(shù)作為一種新型的衛(wèi)星定位測(cè)量技術(shù)，改變了傳統(tǒng)定位測(cè)量只能夠進(jìn)行事后測(cè)量且精度難以達(dá)到厘米級(jí)的弊端，在動(dòng)態(tài)環(huán)境下，RTK技術(shù)通過跟蹤四顆以上衛(wèi)星的相位觀測(cè)值、衛(wèi)星分布的幾何圖形等，借助整周模糊度分析求解方法對(duì)每一個(gè)歷元進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，可在很大程度上提升水工環(huán)地質(zhì)勘察工作效率。

圖3 RTK技術(shù)工作原理示意圖

隨著RTK技術(shù)的逐漸成熟，國(guó)內(nèi)外高新技術(shù)企業(yè)積極開發(fā)與RTK技術(shù)相配套的數(shù)據(jù)處理軟件，如日本東京海洋大學(xué)開發(fā)的RTKLIB開放源程序包內(nèi)包括多個(gè)應(yīng)用程序，內(nèi)置GPS、北斗等標(biāo)準(zhǔn)化、精準(zhǔn)度高的定位算法，可實(shí)現(xiàn)多站數(shù)據(jù)的綜合與分流，實(shí)時(shí)化生成水工環(huán)地質(zhì)勘察所需的RTK差分?jǐn)?shù)據(jù)、完備性信息等，可大幅度減少水工環(huán)地質(zhì)勘察工作量、降低勘察工作的人力成本、節(jié)省費(fèi)用支出。

（5）TEM技術(shù)及其應(yīng)用。TEM技術(shù)，瞬變電磁技術(shù)，可應(yīng)用于復(fù)雜地形的探測(cè)中，具有方便、快捷的優(yōu)勢(shì)。以公路邊坡地質(zhì)勘查工作內(nèi)容為例，最常使用的技術(shù)方法為小回線TEM法，需要根據(jù)工程所在地周邊建筑物、構(gòu)建物的密度等確定回線邊長(zhǎng)，如果建筑物較為密集，可采用5m的回線邊長(zhǎng)，探測(cè)深度可達(dá)300m，并可清晰呈現(xiàn)地層電性。根據(jù)TEM視電阻率—剖面圖，可以解釋地下斷層，通過對(duì)低阻帶狀況等進(jìn)行深入剖析，預(yù)測(cè)公路邊坡是否存在滑坡、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害。除在工程地質(zhì)問題調(diào)查中應(yīng)用TEM技術(shù)，還可以在地質(zhì)構(gòu)造中應(yīng)用TEM技術(shù)，探測(cè)深度可達(dá)800m以上，且該技術(shù)在實(shí)際的應(yīng)用中不容易受到外部地質(zhì)條件的影響，操作方法較為簡(jiǎn)單，使用儀器及設(shè)備的數(shù)量較少，探測(cè)準(zhǔn)確度較高，能夠?yàn)榈刭|(zhì)問題的處理提供較為真實(shí)、可靠、全面的依據(jù)。但對(duì)于TEM技術(shù)的應(yīng)用要求勘察人員了解瞬變場(chǎng)的規(guī)律，能夠識(shí)別地下介質(zhì)對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響，才能夠保證TEM技術(shù)下水工環(huán)地質(zhì)勘察工作質(zhì)量。

3 結(jié)語

綜上所述，水工環(huán)地質(zhì)勘察工作在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、調(diào)整經(jīng)濟(jì)與環(huán)境間關(guān)系、城市規(guī)劃與建設(shè)、工程選址及施工組織、地質(zhì)災(zāi)害防治等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著社會(huì)的發(fā)展與時(shí)代的進(jìn)步，適用于水工環(huán)地質(zhì)勘察工作的技術(shù)層出不窮，如GPS技術(shù)、RTK技術(shù)等，這些技術(shù)有其自身的適用范圍及應(yīng)用注意事項(xiàng)，在實(shí)際的勘察工作中，勘察人員還需要結(jié)合工作環(huán)境、情況及條件等，圍繞勘察目標(biāo)及要點(diǎn)合理選擇相應(yīng)的技術(shù)，在最大程度上提升水工環(huán)地質(zhì)勘察工作效率、質(zhì)量及數(shù)據(jù)精度，在推廣新技術(shù)、新方法的同時(shí)為地質(zhì)勘察工作的高質(zhì)量發(fā)展蓄勢(shì)賦能。