Георадиолокационные исследования пресных речных льдов. Измерение толщины льда
Авторы: Семейкин Н.П., Монахов В.В., Зверев Е.О., Еременко А.В.
Доклад на Международной научно-практической конференции по георадиолокации "ГЕОРАДАР-2004"
Большая часть водоемов на территории России в течение холодного времени года покрывается льдом. Ледостав на водоемах длится от 2-3 до 8-9 месяцев в зависимости от климатических условий и динамики водоемов. С возникновением ледяного покрова останавливается навигация, ограничиваются промыслы. Весной ледяной покров разрушается и под действием ветра, осадков и течения начинает перемещаться, оказывая динамическое воздействие на берега и гидротехнические сооружения, что нередко приводит к чрезвычайным ситуациям. Ледостав и ледоход сопровождаются характерными явлениями. Самые распространенные из них это образование торосов и заторов. Георадиолокация позволяет производить контроль над толщиной и состоянием льда, как в период ледостава, так и в период паводка.
Рассмотрим лед с точки зрения георадиолокации. Лед является высокоскоростной средой с низкими поглощающими свойствами. Диэлектрическая проницаемость пресного льда на частотах порядка 106-108 Гц равна 3.15, скорость распространения электромагнитной волны внутри льда 17,3 см/нс.
Классификация льдов основывается на динамике вод, размере водной поверхности и ходе развития ледяного покрова. На водоемах со стоячей водой или очень слабыми течениями формируется так называемый "водный" лед (рис. 1).
Водный лед формируется из местной воды и отличается большей плотностью и прочностью. Водный лед характеризуется относительно ровной нижней поверхностью.
На рисунке 1 показан пример радарограммы, полученной на водоеме с водным типом льда. Радарограмма получена георадаром серии "ОКО" с антенным блоком АБ-1700. Толщина льда составляет 23 см. Нижняя поверхность льда ровная.
На водоемах с быстрыми течениями формируется "водно-шуговой" лед. Водно-шуговой лед (рис. 2) формируется из воды и шуги, характеризуется меньшей прочностью и большей пористостью. Водно-шуговой лед преимущественно имеет неровную нижнюю границу.
На рисунке 2 показана радарограмма, полученная георадаром серии "ОКО" с антенным блоком АБ-400. Работы проведены на реке Лена под руководством доктора технических наук Омельяненко А.В. Толщина льда порядка 130 см. Нижняя граница льда неровная.
Рассмотрим возможности применения георадаров для контроля над состоянием автомобильных ледовых переправ.
В период ледостава на водоемах вблизи трасс или населенных пунктов организовываются автомобильные ледовые переправы.
Официальное разрешение на их эксплуатацию дается в том случае, если толщина льда достигает определенной величины.Например, автомобильная ледовая переправа с ограничением по грузоподъемности до 10 тонн разрешается при толщине льда не менее 40-50 см.
Толщина льда в течение периода эксплуатации ледовой переправы может меняться под воздействием различных факторов, как погодных, так и техногенных.
Следовательно, возникает необходимость постоянного контроля над состоянием ледовой переправы - необходимы регулярные измерения толщины льда, отслеживание трещиноватых зон и прочих дефектов.
Минимальная толщина льда, которая возможна на автомобильных ледовых переправах, как указано выше, составляет 0,4-0,5 м, в то время как максимальная - может составлять 2-3 м.
Соответственно, для повышения производительности работ, необходимо выбрать антенну, рабочий диапазон глубин которой удовлетворяет имеющимся условиям.
Определяющими параметрами для выбора антенны являются максимальная глубинность антенны в условиях льда, с одной стороны, и минимальная толщина льда, отражение от нижней границы которого может быть зарегистрировано с помощью данной антенны, с другой стороны.
Такие параметры рассчитаны для различных антенн георадара на примере георадаров серии "ОКО".
Для исследования пресных речных льдов подходят высокочастотные антенные блоки АБ-700, АБ-1200 и АБ-1700 (рис. 3, рис. 4).
В отдельных случаях, при георадиолокационных исследованиях льдов с повышенной минерализацией, целесообразно использовать более низкочастотные антенные блоки.
На рисунке 5 приведен пример георадиолокационного обследования пресного речного льда в районе действующих ледовых переправ.
Работы проведены на реке Лена под руководством доктора технических наук Омельяненко А.В. Толщина льда составляет порядка 1.5 м, а в районе ледовых переправ достигает 2 м.
В период паводка, для обследования ледовых заторов, а также для решения масштабных задач удобно проводить дистанционные георадиолокационные измерения.
На рисунке 6 показаны возможности отрыва антенного блока от поверхности льда.
В качестве примера дистанционного георадарного обследования действующей ледовой переправы покажем пример, полученный на реке Лена (рис. 7).
Работы проведены на реке Лена под руководством доктора технических наук Омельяненко А.В.
При исследованиях с воздуха антенна георадара была прикреплена к конструкции летательного аппарата, с которого производлась съемка.
На радарограмме колебания положения отражающей границы воздух-лед не превышают 20-30 см и вызваны изменениями высоты полета вертолета. Толщина льда достигает 270 см.
Выводы:
Метод георадиолокации позволяет изучать пресные речные льды с целью определения их толщины, проводить мониторинговые наблюдения в районе автомобильных ледовых переправ, выявлять и локализовывать неоднородности внутри ледяного массива. Георадиолокационные наблюдения можно производить контактно: посредством перемещения антенны георадара по поверхности льда, и бесконтактно - располагая георадар на борту летательного аппарата.