CC BY
74
УДК 910.3:550.837.76
Н. Ю. Бобров, В. В. Дмитриев, С. С. Крылов, Т. В. Паршина, Г. В. Пряхина, И. В. Федорова
О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОРАДИОЛОКАЦИИ
ПРИ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ В УСТЬЕВЫХ ЗОНАХ РЕК
Введение
В устьевых областях рек, впадающих в море, распространение пресной речной воды происходит в поверхностном слое на значительные расстояния. Изучение динамики распространения этого слоя и взаимодействия морских и пресных вод является одной из важных научных задач при исследовании устьевых областей. Пространственно-временная изменчивость положения галоклина в различные приливо-отливные фазы зависит от многих факторов и ее определение традиционными (стандартными) методами достаточно трудоемко. Поэтому представляется интересным научный эксперимент по георадарной съемке устьевой области р. Керети (рис.1), впадающей в Чупинскую губу Белого моря, проведенный в августе 2006 г. специалистами кафедры физики Земли физического факультета и кафедры гидрологии суши факультета географии и геоэкологии Санкт-Петербургского государственного университета. Результаты этих экспериментов представлены в данной публикации.
Георадиолокация является сравнительно новым геофизическим методом, получившим широкое распространение в последнее десятилетие. Георадиолокаторы, обычно называемые георадарами, активно применяются для решения различных изыскательских, геологических, археологических и иных задач, связанных с исследованием строения земных недр на глубинах до 10-20 м. Эти приборы зарекомендовали себя и как эффективный инструмент при изучении пресноводных водоемов: поиска затонувших объектов, определения мощности донных отложений и т.д. Метод георадиолокации основан на изучении отражения искусственно создаваемых электромагнитных импульсов от границ сред, обладающих разными электрическими свойствами - диэлектрической проницаемостью и электропроводностью [1].
Частота электромагнитного поля, используемого в георадарах, находится обычно в диапазоне 107-109 Гц. Эти частоты значительно выше частот, применяемых в классических геофизических электромагнитных методах, что позволяет намного увеличить детальность исследований, но существенно ограничивает глубинность метода. Затухание электромагнитного поля зависит, в первую очередь, от частоты и электропроводности среды, в которой это поле распространяется. Чем ниже частота, чем меньше электропроводность, тем глубже в среду проникают электромагнитные импульсы. В пресной воде, обладающей относительно низкой электропроводностью, электромагнитное поле затухает относительно слабо, поэтому глубинность георадарных исследований на пресноводных водоемах при использовании частот примерно 100 МГц достигает 20-30 м.
© Н. Ю. Бобров, В. В. Дмитриев, С. С. Крылов, Т. В. Паршина, Г. В. Пряхина, И. В. Федорова, 2008
В относительно хорошо проводящей морской воде, электромагнитное поле практически не распространяется, быстро затухая с глубиной.
Если радар расположен на поверхности, электромагнитный импульс распространяется в пресной воде, и отражается от нижней границы этого слоя. По времени прихода этого импульса определяется глубина границы пресной и соленой воды, а по уровням прямого и отраженного сигналов можно оценивать электрические свойства вод, связанные с температурой и соленостью. Таким образом, георадар может быть использован для определения мощности приповерхностного слоя пресной воды в устьевой зоне реки. С помощью радара, перемещаемого на маломерном плавсредстве, может быть исследовано пространственное распределение этого слоя и прослежены его временные изменения.
Река Кереть, в устьевой области которой был проведен эксперимент, берет начало из озера Кереть, расположенного на севере Карелии, площадью 275 км2 (с островами), при впадении в море образует однорукавную устьевую область. Среднегодовой расход реки составляет 22,6 м3/с. По морфологическим признакам устье р. Кереть является без-дельтовым однорукавным, что характерно для малых рек с небольшим стоком наносов и мощным воздействием приливов.
Аппаратура и методика измерений
Задачей экспериментов являлось выяснение принципиальной возможности использования георадара для изучения галоклина.
При проведении георадарной съемки в устьевой области р. Кереть использовался георадар «ОКО-2», выпускаемый ООО «Логис» (г. Раменское, Московской обл.), с антенным блоком АБ-150, имеющим центральную частоту 150 МГц. Съемка проводилась с гребной лодки по профилю длиною около 700 м, начинавшемуся непосредственно от устья реки. Антенный блок устанавливался на дне буксируемой надувной лодки, т.е. практически на поверхности воды. Блок управления радара и компьютер, используемый для накопления и визуализации информации, размещался на пластиковой гребной лодке (рис. 2). Измерения проводились в непрерывном режиме при скорости хода на веслах 3 км/час. Были выполнены также эксперименты с буксировкой всего измерительного комплекса мотолодкой. При перемещении георадара по поверхности воды (сканировании) на экран монитора выводилась совокупность сигналов (радарограмма), на которой отображались глубина и структура границ. Радарограмма представляет собой результат двумерной визуализации последовательности отраженных сигналов (трасс), измеренных через равные интервалы времени вдоль профиля. Координате Х при равномерном движении соответствует расстояние, координате У - время, трансформируемое затем в глубину. Можно проводить измерения и в режиме с постоянным пространственным шагом. Области с положительными значениями отраженного сигнала закрашиваются на радарограмме в темный цвет, с отрицательными - в светлый.
Во время работ в устьевой области р. Кереть начальная точка профиля определялась по GPS-приемнику, далее лодка двигалась по створу (см. рис.1). Было выполнено шесть проходов по профилю на различных фазах приливно-отливного цикла. Для установления сроков измерений были проведены наблюдения за уровнями воды по рейкам, установленным в устьевой области (см. рис.1). Промеры глубин на профиле выполнялись с помощью эхолота <^агшт». Отметки расстояния на радарограмме устанавливались через 50 м. Точки определения глубины привязывались к отметкам расстояния на радарограмме.
На данном этапе исследований мы не стремились обеспечить высокую точность топографической привязки профиля. При установке на профиле вех и буев, а также при
Рис.1. Батиметрическая схема устья р. Кереть. Показано положение профиля измерений, реек для наблюдений за уровнем воды и станции контрольных гидрометрических наблюдений.
Рис. 2. Общий вид измерительного комплекса
использовании специальных GPS систем, точность привязки может быть существенно повышена.
Для верификации данных радарной съемки были выполнены наблюдения за общей минерализацией воды в устьевой области путем установления полусуточной станции, расположенной на расстоянии 200 м от замыкающего створа р. Кереть рядом с профилем радарной съемки. Пробы воды отбирались с помощью батометра-бутылки и анализировались с помощью Water-tester и кондуктометра.
Результаты работ
График изменения уровня воды в устьевой области за время работы представлен на рис. 3. На графике отмечены уровни, при которых проводилась георадарная съемка. Амплитуда колебаний уровня воды в устьевой области р. Кереть за период наблюдений (17-18 августа 2006 г.) составила 1,7 м. На рис. 4 приведены радарограммы, полученные при прохождении профиля на фазах отлива и прилива и обработанные средствами программы “Geoscan”, входящей в комплект программного обеспечения георадара «Око».
По горизонтальной оси на рисунке отложено расстояние вдоль профиля в метрах, по вертикальной оси - глубина в метрах, рассчитанная для относительной диэлектрической проницаемости среды, равной 81, что соответствует пресной воде. Радарограммы немного смещены друг относительно друга (на 25 метров), что связано со сложностью точного повторного выхода на начальную точку в условиях быстрого течения. Белыми треугольниками на рис. 4а отмечены значения глубины, измерявшиеся при первом проходе (на фазе отлива) с помощью эхолота. На фазе прилива (рис. 4б)
Рис.3. Изменение уровня воды (в метрах) в устьевой области за время работы на фазе отлива (1) и на фазе прилива (2)
показаны приведенные глубины. За время прохождения профиля (в среднем 15 минут) уровень воды изменялся незначительно, в пределах точности определения глубины эхолотом, что позволяет сделать вывод о практически одномоментной съемке.
Верхняя часть обеих радарограмм (от нулевой отметки глубины до белой горизонтальной линии) относится к «слепой зоне» георадара, где полезный сигнал забивается мощным сигналом прямого прохождения, и поэтому является неинформативным. Здесь прямой сигнал, амплитуда которого намного превышает амплитуду полезного сигнала, удален программными средствами.
Отчетливые сигналы, наблюдаемые в левой части рис. 4а с начала профиля до расстояния около 250 м, являются отражениями от дна, включая кратные (до трех раз на приведенном рисунке) отраженные сигналы. Полученная глубина совпадает с данными батиметрии. В данной части профиля, на пресной воде, георадар работает подобно эхолоту. Примерно начиная с 250 м (вертикальная пунктирная линия) отражения от дна пропадают, и далее радар фиксирует границу пресной и соленой воды, при этом интенсивность
Расстояние вдоль профиля, м
700
100
200
300
400
500
600
700
Рис.4. Радарограммы, полученные при прохождении измерительного профиля на фазе отлива (а) и на фазе прилива (б).
0,08 0,09 0,10 0,11
Соленость, г/л Фаза отлива
Рис.5. Распределение солености с глубиной: (а) — на фазе прилива, (б) — на фазе отлива
отраженного сигнала зависит от контраста электропроводностей и, соответственно, соленостей первого и второго слоя. Чем более контрастна граница, тем более интенсивный сигнал мы наблюдаем, при этом также наблюдаются повторные отражения.
Из рис. 4 хорошо видно, что граница пресной и соленой воды имеет нетривиальную структуру. Начиная с отметки 400 м, на радарограмме четко фиксируются «выклинивания» слоя пресной воды, наложения одного слоя на другой. Кроме того, по уровню прямого сигнала отмечаются различия в электропроводности пресноводного слоя на разных участках профиля. Выяснить причины возникновения подобных эффектов еще предстоит в дальнейших исследованиях. Определенный интерес представляют и слабые отражения, подобные отражениям от хаотически распределенных в пространстве неоднородностей, в интервалах 100 -150 и 500 -520 м. Одна из возможных причин появления таких отраженных сигналов - наличие зон турбулентности, однако окончательный ответ на вопрос об их природе пока давать преждевременно.
На рис. 4б, полученном на фазе прилива вдоль того же профиля, мы нигде не наблюдаем отражений от дна. Это означает, что соленая морская вода, подпирающая слой пресной воды, на фазе прилива преодолевает «порог» — поднятие дна в интервале 200 -250 м, и распространяется вверх по течению вдоль русла р. Керети. Структура границы размывается, пресный слой становится тоньше и для его регистрации средствами георадиолокации необходимо использование более высокочастотные антенны. Это планируется сделать в ходе дальнейших экспериментов. Однако примечательным является факт, что некоторые крупномасштабные особенности галоклина при этом сохраняются, в частности, зона интенсивных отражений в интервале 450 - 650 м и зона «выклинивания» в интервале 420 - 460 м.
Для проверки данных георадарной съемки были проведены натурные наблюдения за изменением минерализации воды по глубине. На рис. 5 представлено распределение солености по глубине на фазах полной и малой воды. Из рис. 5 (б) (фаза малой воды) видно, что до глубины 1,5 м соленость воды не превышает 0,1 г/л, что свидетельствует о присутствии пресной воды и подтверждает данные радарограммы (см. рис. 4 (а)). Удовлетворительное совпадение данных радарограммы и натурных наблюдений распределения солености отмечено и для фазы прилива. На рис. 5 (а) представлен график изменения солености в фазу полной воды. Значения солености увеличиваются с глубиной и достигают 24 %о, что соответствует средней солености Белого моря. Происходит заток соленных вод в придонном горизонте, при этом пресная вода образует тонкий слой на поверхности. Таким
образом, данные выполненных экспериментов подтверждают возможность использования радарной съемки для выявления границы пресных и соленых вод.
Для оценки солености по данным радарных измерений еще предстоит разработать специальные программные средства. Кроме того, необходимо провести комплекс экспериментов, включающий, кроме георадарной съемки, измерения температуры и отбор проб воды с последующим изучением ее химического состава, а также измерение скоростей и направлений течений в устьевых областях рек.
Заключение
Проведенные эксперименты показали, что георадар может быть полезным инструментом при изучении процессов смешивания пресных и соленых вод в устьевых областях рек. Разумеется, чтобы этот инструмент работал эффективно, необходимо выполнить целый комплекс специальных экспериментов, применять радарные антенны с различными центральными частотами, что позволит фиксировать границы на малых (до 10 см) глубинах, проводить комплексные исследования, включающие специальные гидрологические измерения, повысить точность топопривязки и батиметрии и т. д. Перспективным представляется и проведение измерений не только по отдельному профилю, но и по системе профилей для получения пространственной и временной картины распределения пресных и соленых вод.
Summary
Bobrov N.Yu., Dmitriev V V., Krylov S. S., Parshina T. V., Pryakhina G. V., Fedorova I. V On Possibility of Geo-radiolocation Application in Hydrological Investigation in Rivers Mouth Areas.
The results of a field experiment aimed at detecting saline and fresh water boundary (halocline) in the Keret’ River mouth area (Chupinskaya inlet, the White Sea) with the use of ground penetrating radar (GPR) are presented.. It was the first case of GPR application for solving hydrological problems. Non-trivial structure of halocline and its daily variations have been detected in GPR records obtained from the board of a small boat along the profile of 700 meters long. Besides, variations of air-wave amplitude reflect the differences of fresh water conductivity along the profile. To verify GPR survey data the synchronous measurements of salinity depth variations have been carried out and satisfactory coincidence of GPR data and direct salinity measurements at different phases of a tidal cycle have been demonstrated. The data obtained confirm the possibility of using GPR survey for studies of saline and fresh water boundary in the rivers mouth area
Литература
1. Владов М.Л., Старовойтов А.В. Введение в георадиолокацию. М, 2004.
