مطالعات ژئورادار جهت تشخیص گسترش آلودگی در لایه های خاک

معرفی روش GPR (روش ژئورادار)

GPR چیست؟

رادار نفوذی زمین (GPR) یک روش ژئوفیزیکی است که از امواج رادیویی به منظور تهیه تصویر از زیر سطح زمین استفاده می­کند. این روش یک روش غیر مخرب بوده و یکی از مزیت های مهم آن شناسایی تاسیسات زیرزمینی بدون تخریب زمین می­باشد.

GPR با استفاده از امواج الکترومغناطیسی محدوده مایکروویو (۱۰ مگاهرتز تا ۲٫۶ گیگاهرتز) تصاویری از زیرسطح را فراهم می کند. این سیگنال ها از داخل زمین عبور کرده و از ساختارهای زیرسطحی بسته به میزان گذردهی الکتریکی آنها بازتاب می کنند، سپس یک آنتن گیرنده تغییرات سیگنال های بازگشتی را ثبت می کند. دستگاه GPR از این سیگنال ها برای تهیه تصاویری که بطور کلی نشان دهنده تغییرات در خواص الکتریکی هستند استفاده می کند.

GPR چگونه کار می کند؟

این دستگاه از امواج انرژی در محدوده مایکروویو استفاده می کند. GPR برای کارکرد به دو قطعه اصلی یعنی یک آنتن فرستنده و یک آنتن گیرنده نیاز دارد. فرستنده انرژی الکترومغناطیسی را به داخل خاک و اجسام دیگر ارسال می کند. در برخی از تجهیزات GPR آنتن فرستنده و گیرنده  هر یک در باکسی مجزا قرار گرفته اند. در برخی دیگر این دو آنتن داخل یک باکس جانمایی شده و به صورت دو قسمت مجزا نمی باشند. بنابراین رادار نفوذی با ارسال یک پالس به داخل زمین و ثبت پژواک بازگشتی از اشیا زیرسطحی عمل می کند. دستگاه های GPR همچنین تغییرات در ترکیب جنس زمین را نیز شناسایی می کنند.

اگر تکانه الکترومغناطیسی ارسال شده به یک شی برخورد کند، چگالی آن شی باعث بازتاب، شکست یا پراش سیگنال می شود.  گیرنده سیگنال های بازگشتی را شناسایی کرده و تغییرات داخل آنها را ثبت می کند. سیستم  GPR دارای نرم افزاری است که این سیگنال ها را به تصاویری از اشیا زیرسطحی منطبق می کند. به همین ترتیب از GPR برای نقشه برداری از سازه ها، تاسیسات مدفون و سایر مصنوعات انسانی استفاده می شود.

GPR چه اهدافی را شناسایی می کند؟

از GPR می توان برای یافتن گستره وسیعی از اشیا استفاده کرد. حداکثر کارایی این ابزار زیرسطحی هنگامی است که تفاوت زیادی در خواص الکترومغناطیسی هدف و زمینه در برگیرنده آن وجود داشته باشد. از رادار نفوذی زمین اغلب برای شناسایی اهدافی از جنس های زیر استفاده می شود:

آهن، پلاستیک، PVC، بتن و اجسام طبیعی.

کاربردهای احتمالی این دستگاه بی شمار هستند. از این روش اغلب برای شناسایی موارد زیر استفاده می شود:

• تاسیسات زیرسطحی و لوله ها
• تغییرات در جنس زمین
• خصیصه های زمین شناختی و انسدادهای سنگی
• فضاهای خالی و حفرات
• نواحی حفاری شده
• سفره های آب زیرزمینی
• سنگ بستر

کاربردهای نقشه برداری تاسیسات

مهندسی تاسیسات زیرسطحی (SUE) شاخه ای از مهندسی است که به مدیریت خطرات مربوط به تاسیسات می پردازد. نقشه برداری از تاسیسات زیرسطحی یک بخش ضروری در شناسایی و اطلاع رسانی اختلافات احتمالی به طرف های درگیر می باشد. درحال حاضر روش های الکترومغناطیس (EM) و رادار نفوذی زمین رایج ترین روش های غیرمخرب برای شناسایی تاسیسات زیرسطحی می باشند. در برخی از کاربردهای نقشه برداری تاسیسات، GPR برتری هایی نسبت به روش EM دارا می باشد.

مهندسین نقشه برداری تاسیسات با بکارگیری تکنولوژی GPR در ترکیب با روش های مکان یابی قدیمی، بر دقت کارهایشان افزوده اند. در این زمینه GPR برای کشف تاسیسات، سازه ها و پروژه های حفاری نشان گذاری نشده به عنوان یک دستیار عمل می کند. برای این کاربردها مزایای GPR قابل ملاحظه هستند.

مزیت های رادار نفوذی زمین

GPR یک روش بسیار مقرون به صرفه و غیرمخرب برای نقشه برداری زیرسطحی است. این روش قبل از اینکه کارگران دست به کار شده و زمین را حفر کنند، اطلاعات ارزشمندی را فراهم می کند.

• این دستگاه برای استفاده در اماکن عمومی و گستره وسیعی از سایت ها ایمن است.
• برای شناسایی اشیا فلزی، غیرفلزی، حفرات و ناهمگونی های زیرسطحی مناسب است.
• در این روش امکان اندازه گیری ابعاد، عمق و ضخامت هدف وجود دارد.
• داده برداری به سرعت صورت گرفته و امکان پوشش منطقه ی بزرگ وجود دارد.
• برای تهیه داده تنها یک سمت از سطح باید اسکن شود.
• فرکانس را می توان بسته به وضوح مد نظر و عمق نفوذ انتخاب کرد.
• داده برداشت شده هنگام عملیات را می‌توان بلافاصله مشاهده و یا برای استفاده های بعدی ذخیره کرد.
• نیاز به هیچگونه حفاری زمین نمی باشد.
• سازه ها، مناظر، فضای سبز و غیره در پروسه برداشت داده بدون تغییر باقی می مانند.
• اجرای این روش ارزان تر از سایر روش هاست.

از GPR در چه مکان هایی می توان استفاده کرد؟

مشابه سایر روش های تصویربرداری راداری، GPR بسته به شرایط زمین دقت های متفاوتی دارد.

خواص خاک و جنس زمین

GPR با ارسال پالس کوچکی از انرژی به داخل زمین و سپس با ثبت دامنه سیگنال های بازتابی و زمان رسید آنها توسط گیرنده کار می کند. یک اسکن شامل ارسال دسته ای از پالس ها بر روی یک محدوده می باشد. برخی از پالس های ارسال شده به گیرنده دستگاه باز می گردند و دسته ای دیگر به نفوذ در زمین ادامه می دهند تا زمانی که از بین بروند. سرعت اتلاف سیگنال بسته به جنس زمین تغییرات زیادی دارد.

روش GPR را می توان بر روی زمین با جنس های مختلفی اجرا کرد، از جمله آنها خاک، سنگ، یخ، آب شیرین، پیاده رو و سازه های بتنی می باشد.

هنگامی که پالس انرژی وارد ماده ای با گذردهی دی‌الکتریک متفاوتی شود یک بازتاب ایجاد می کند. قدرت (دامنه) سیگنال نتیجه تباین بین ثابت دی الکتریک و رسانایی بین دو ماده می باشد. بطور مثال، پالسی که از شن خیس وارد شن خشک می شود بازتاب بسیار قدرتمندی ایجاد می کند، این درحالیست که پالسی که از شن خشک وارد سنگ آهک شود بازتاب نسبتا ضعیفی دارد.

عمق

اساسا خود زمین نیز عمق نفود سیگنال های GPR را به حداکثر ۳۰ متر محدود می کند. زمین دارای مقاومت الکتریکی است، به این معنا که با عبور جریان الکتریکی تا حدودی مخالفت می کند. هرچه سیگنال به عمق بیشتری نفوذ کند بطور طبیعی تاثیر آن کمتر خواهد بود. این موضوع اغلب به جنس خاک یا سنگ مورد مطالعه و همچنین به فرکانس مورد استفاده بستگی دارد. بطور مثال، حداکثر عمق نفوذ در بتن چیزی در حدود ۲ فوت می باشد. عمق نفوذ سیگنال در رس مرطوب نیز به میزان قابل ملاحظه ای کاهش یافته و چیزی در حدود یک متر یا کمتر می باشد.

میزان آب

میزان گذردهی دی‌الکتریک لایه نیز عامل مهمی است. گذردهی دی‌الکتریک نشان دهنده میزان توانایی یک ماده در حفظ بار الکتریکی می باشد. مقدار آب موجود در ماده نیز به میزان زیادی این پارامتر را تحت تاثیر قرار می دهد. برخی مواد میتوانند در حضور یک میدان الکتریکی قطبیده شوند.

تفاوت بین GPR و روش لرزه بازتابی چیست؟

اصول روش GPR مشابه روش لرزه نگاری است. تفاوت اصلی این دو روش در اینست که در روش GPR برای شناسایی سازه های زیرسطحی از انرژی الکترومغناطیسی بجای انرژی آکوستیک (امواج لرزه ای) استفاده می شود.

در عملیات لرزه نگاری شکست مرزی بخشی از سیگنال هایی که به داخل زمین ارسال می شوند، خم شده و به سطح زمین بازمیگردند، سپس دستگاه لرزه نگار این سیگنال ها را ثبت می کند. افزایش سرعت امواج لرزه ای در زمین به دلیل تغییرات در خواص الاستیکی لایه ها و چگالی می باشد. این افزایش سرعت باعث خم شدن سیگنال های آکوستیک به سمت سطح می شود. تصویربرداری لرزه ای برای نقشه برداری از ساختارهای زیرسطحی افقی محبوبیت زیادی دارد اما این روش کارایی چندانی جهت شناسایی ساختارهای قائم ندارد.

GPR از انرژی الکترومغناطیسی به فرم امواج رادیویی فرکانس بالا استفاده کرده و بطرز موثری تغییرات در خواص الکتریکی زیرسطحی را شناسایی می کند، این درحالیست که انرژی لرزه ای تغییرات در خواص مکانیکی ساختارهای زیرسطحی را شناسایی می کند.

تفاوت بین GPR و EM location چیست؟

روش GPR از دستگاهی بهره می گیرد که هم دارای آنتن فرستنده و هم دارای آنتن گیرنده است. این دستگاه سیگنال های الکترومغناطیس فرکانس بالا در محدوده مایکرویو، معمولا بین ۱۰ مگاهرتز تا ۲٫۶ گیگاهرتز را ارسال می کند. سیگنال های این محدوده برای شناسایی تغییرات موجود در خاک و آشکارسازی خطوط تاسیسات کارایی خوبی دارند. این سیگنال ها از اشیا داخل زمین بازتابیده شده و بر روی صفحه نمایش ظاهر می شوند. آشفتگی های زیرسطحی معمولا بصورت الگوهای هذلولی دیده می شوند.

پس از برداشت داده، اپراتور باید الگوهای موجود را تفسیر کرده تا خطوط تاسیسات مشخص شوند. یک کارشناس با تجربه قادر است تا عمق و موقعیت خطوط تاسیسات را مشخص کند و این موقعیت ها سپس روی زمین علامت گذاری می شوند. داده های برداشت شده بعدا در یک نقشه ۳ بعدی گنجانده خواهند شد. مهارت اپراتور یک عامل کلیدی در تعیین کارایی GPR است، هرچند که این روش بطور کلی محدودیت های روش EM را ندارد.

GPR نسبت به روش EM به دوره آموزشی مفصل تری نیاز دارد، چرا که خروجی این روش بیشتر در معرض تفسیر قرار دارد. بطور مثال، نتایج GPR می تواند تحت تاثیر عواملی مثل رطوبت و وجود مواد خاص قرار بگیرد. آب سیگنال های ارسالی را به گونه ای متفاوت از سایر مواد موجود در خاک منعکس می کند که این مساله ممکن است خطوط تاسیسات را پنهان کند. نرم افزار پس-پردازش می تواند تفسیر تکنیسین را بهبود بخشد، هرچند که این مرحله نیازمند صرف زمان بیشتری است.

دستگاه EM از یک فرستنده استفاده می کند، این فرستنده یک جریان متناوب (AC) با ولتاژ بسیار پایین به میله ای با رسانایی الکتریکی بالا (معمولا یک لوله فولادی) ارسال می کند. این جریان یک میدان الکترومغناطیسی پیرامون خطوط تاسیسات زیرزمینی ایجاد می کند، که این میدان توسط یک گیرنده  شناسایی می شود. بنابراین تاسیسات زیرسطحی موقعیت یابی شده و برای ارجاعات بعدی نقشه برداری می شوند.

کاربردهای مهندسی تاسیسات زیرسطحی

مزیت اصلی GPR نسبت به روش EM در این است که GPR بدون در نظر گرفتن جنس تاسیسات، تصویر بهتری از این خطوط ارائه می دهد. بطور کلی GPR بجای خطوط تاسیسات، آشفتگی های زیرسطحی را شناسایی می کند، بنابراین اهمیتی ندارد که این خطوط فلزی یا غیرفلزی باشند. از طرف دیگر روش EM سیگنال های الکترومغناطیسی که توسط یک جریان الکتریکی تولید می شوند را شناسایی می کند. بنابراین در این روش لازم است تا خطوط تاسیسات از جنسی ساخته شده باشد که رسانای جریان الکتریسیته است.

کارایی سیگنالی که توسط GPR به زمین ارسال می شود، بسته به اندازه و عمق هدف، تحت تاثیر قرار می گیرد. بطور مثال، یک سیگنال فرکانس بالا رزولوشن بالاتری ارائه می دهد اما عمق نفوذ کمتری نیز نسبت به سیگنالی با فرکانس پایین دارد. این ویژگی بدین معناست که سیگنال فرکانس بالا برای شناسایی اهداف کوچک و سطحی مناسب بوده و سیگنال فرکانس پایین برای شناسایی اهداف بزرگ و عمیق مناسب است. دستگاه های GPR قدیمی تنها از یک فرکانس استفاده می کردند، بنابراین کارایی آنها بسته به اندازه و عمق خطوط تاسیسات تحث تاثیر قرار میگرفت. اما امروزه در دستگاه های پیشرفته از چندین فرکانس استفاده شده تا کارایی دستگاه را برای کاربردهای مشخصی افزایش دهند.

این عوامل باعث شده تا بکارگیری همزمان روش های GPR و EM افزایش یابد. شرکت های مهندسی تاسیسات زیرسطحی معمولا در ابتدا یک بررسی با مکان یاب EM انجام می دهند تا شناسایی مواد رسانا صورت گیرد. آنها می توانند در مرحله بعد از GPR استفاده کنند تا باقی تاسیسات را نیز شناسایی کنند. استفاده از این تکنولوژی ها در کنار یکدیگر به مهندسین اجازه می دهد تا میان تاسیسات رسانا و غیررسانا تمایز قائل شوند، درحالی که کارایی کلی نقشه برداری را نیز بهبود بخشند.

کاربردهای دیگر

GPR اختلاف در چگالی مواد را اندازه گیری می کند. این موضوع GPR را برای شناسایی اهداف زیرسطحی دیگری به غیر از  تاسیسات نیز سودمند می سازد. این اهداف می توانند شامل سنگ های بزرگ، مخازن و فضاهای خالی باشند. بنابراین این تکنولوژی برای بسیاری از صنایع که در آنها نیاز به آگاهی از شرایط زیرسطحی وجود دارد، سودمند است. بطور مثال از GPR در ساخت پل و راهسازی نیز استفاده می شود، چرا که در این حوزه نیازمند آگاهی از چگالی خاک هستیم. همچنین GPR در بازرسی های ساختمانی برای بررسی وضعیت فونداسیون نیز کاربرد دارد. در شبکه های ریلی نیز اغلب از GPR برای پایش چگالی زیرسازی مسیر استفاده می شود.

باقی بخش های صنعت که از GPR استفاده می کنند شامل حوزه جرم شناسی و مطالعات باستانشناسی می باشند. حوزه جرم شناسی اغلب در بررسی های پزشکی قانونی به آزمایش های غیرمخرب نیاز دارند. مطالعات باستانشناسی نیز می توانند از مزیت های GPR در بررسی زیرسطحی بدون تخریب بهره مند شوند. لازم به ذکر است که در تمامی این کاربردها مهارت اپراتور بطور ویژه ای اهمیت دارد، هم بدلیل دقت بالای مورد نیاز در مرحله برداشت داده و هم برای استفاده از GPR در کنار سایر تکنیک ها. بنابراین مشاهده می گردد که تعداد کاربردهای GPR بسیار زیاد است، دقت مورد نیاز در این روش نیز به نوع کاربرد بستگی دارد. امروزه رایج ترین استفاده از این تکنولوژی در مهندسی تاسیسات زیرسطحی است، جایی که وضوح  برتر و قابلیت اتکای بالای این روش همچنان باعث خواهد شد تا استفاده از آن به روش EM ترجیح داده شود.

(برگرفته از وبسایت softdig.com)

کارگاه آموزشی مباحث نظری و عملی روش GPR

مفتخر بودیم در تاریخ ۱۳ آذر ماه سال جاری کارگاه آموزشی مباحث نظری و عملی روش GPR را با همکاری دانشگاه صنعتی اراک برگزار نماییم.