杜良法*

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球探測(cè)與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083;2.中國(guó)冶金地質(zhì)總局山東局山東正元地理信息工程有限責(zé)任公司 山東濟(jì)南 251010)

1 前言

地下管線是城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，為了獲取準(zhǔn)確可靠的地下管線空間信息和屬性信息，多種物探方法和物探技術(shù)被應(yīng)用于地下管線探測(cè)中。解決淺地表的地質(zhì)問(wèn)題，物探方法具有無(wú)損、準(zhǔn)確、高效和便捷的優(yōu)勢(shì)，但也存在多解性和局限性的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)是產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的主要原因，而方法試驗(yàn)和一致性校驗(yàn)是消除系統(tǒng)誤差的主要手段。通過(guò)物探方法試驗(yàn)和探測(cè)儀器的一致性校驗(yàn)，針對(duì)不同的地球物理?xiàng)l件，合理選擇有效的物探方法和儀器設(shè)備，是準(zhǔn)確獲取地下管線信息數(shù)據(jù)的有效途徑。

2 方法試驗(yàn)與儀器一致性校驗(yàn)的理論基礎(chǔ)

2.1 地下管線探測(cè)技術(shù)特點(diǎn)

城市地下管線具有隱蔽性和復(fù)雜性，利用物探技術(shù)進(jìn)行地下管線探測(cè)，具有無(wú)損、準(zhǔn)確、高效和便捷的優(yōu)勢(shì)，但物探技術(shù)也存在多解性和局限性的特點(diǎn)［1］。物探技術(shù)的多解性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是不同地質(zhì)體(目標(biāo)管線)在條件適宜時(shí)，可產(chǎn)生相同的物探異常特征(正演多解性);二是多種物探異常特征反映的是同一地質(zhì)體(反演多解性)。這主要是由于地球物理場(chǎng)固有的等效性、觀測(cè)數(shù)據(jù)的離散性和有限性以及觀測(cè)場(chǎng)包含的誤差和其他場(chǎng)源的影響，導(dǎo)致了地球物理探測(cè)結(jié)果的不唯一［2］。能夠被用于地下管線探測(cè)的物探方法和物探技術(shù)很多，每一種物探方法和物探技術(shù)都有其應(yīng)用條件，而地下管線的隱蔽性和地球物理?xiàng)l件的復(fù)雜性(近間距平行管線、特深管線、非金屬管線、大口徑管線、地面建(構(gòu))筑物鋼筋網(wǎng)、導(dǎo)電覆蓋層與導(dǎo)電圍巖、金屬護(hù)欄、空中電纜線、復(fù)雜地形地貌等)，使復(fù)雜的地球物理?xiàng)l件變成物探技術(shù)使用的限制因素，這就是物探技術(shù)的局限性。

在城市地下管線探測(cè)中，金屬管線探測(cè)儀由于探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、效率高和成本低，而被大量的投入使用，成為獲取城市地下管線探測(cè)成果數(shù)據(jù)的主要工具。多家單位(業(yè)主、監(jiān)理、各施工單位等)所投入的管線探測(cè)儀，廠家不同、型號(hào)各異，由于儀器探測(cè)原理的特殊性，目前還沒(méi)有專業(yè)的權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)其精度狀況進(jìn)行鑒定，必須靠現(xiàn)場(chǎng)儀器的一致性校驗(yàn)來(lái)標(biāo)定精度狀況，使所投入的管線探測(cè)儀處于同等精度的工作狀態(tài)，禁止探測(cè)精度較差的管線儀投入使用。

2.2 誤差分析理論

地下管線探測(cè)所產(chǎn)生大量的探測(cè)數(shù)據(jù)，由于各種因素的影響，必然存在觀測(cè)誤差，觀測(cè)誤差分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。管線探測(cè)的系統(tǒng)誤差可分為:方法誤差、干擾誤差、儀器誤差、操作誤差。方法誤差是由于所使用的探測(cè)方法或技術(shù)不合理而引起的誤差，物探技術(shù)的特點(diǎn)表明，使用條件不當(dāng)時(shí)，可產(chǎn)生較大的方法誤差;干擾誤差是指在復(fù)雜條件下各種常見(jiàn)的干擾因素所引起的探測(cè)誤差，城市地下管線探測(cè)中，干擾因素普遍存在;儀器誤差是由于探測(cè)儀器本身的缺陷而引起的誤差;操作誤差是因?yàn)樽鳂I(yè)人員的操作不規(guī)范造成的誤差。偶然誤差是在相同觀測(cè)條件下，由于各種偶然因素，使對(duì)同一物理量進(jìn)行多次觀測(cè)的結(jié)果產(chǎn)生時(shí)大時(shí)小的誤差。偶然因素的影響一般是微小的，而且難以確定是哪個(gè)因素產(chǎn)生以及具體影響的大小，因此偶然誤差難以找出原因而予以排除，只能通過(guò)增加平行觀測(cè)的次數(shù)，使觀測(cè)結(jié)果的算術(shù)平均值盡量接近真值。中誤差作為衡量觀測(cè)精度的一種數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)，主要反映的是偶然誤差。系統(tǒng)誤差影響觀測(cè)精度，系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因，可以通過(guò)一定的方法找出，并采取適當(dāng)?shù)拇胧┫蚪档推鋵?duì)中誤差(觀測(cè)精度)的影響［3］。

2.3 消除系統(tǒng)誤差的方法

在地下管線探測(cè)中，由于物探技術(shù)的特點(diǎn)，觀測(cè)誤差是客觀存在的，但觀測(cè)誤差中的系統(tǒng)誤差應(yīng)該通過(guò)一些措施，找出原因并予以消除，使中誤差的計(jì)算僅包含偶然誤差，真實(shí)、客觀地反映探測(cè)成果的精度。系統(tǒng)誤差的消除，可通過(guò)物探方法試驗(yàn)和儀器的一致性校驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)誤差消除方法，如表1所示。

系統(tǒng)誤差消除方法一覽表 表1

3 方法試驗(yàn)與一致性校驗(yàn)

3.1 物探方法試驗(yàn)

城市地下管線具有隱蔽性，且種類繁多，其材質(zhì)、埋設(shè)方式以及所處的地電環(huán)境各不相同，復(fù)雜的干擾因素隨處可見(jiàn)。通過(guò)物探方法試驗(yàn)，了解地下管線和環(huán)境的地球物理特征、掌握復(fù)雜條件和各種干擾因素、確定所選擇物探方法和儀器的有效性和相關(guān)參數(shù)，使探測(cè)成果滿足精度要求。物探方法試驗(yàn)應(yīng)該從兩個(gè)方面來(lái)考慮。

(1)綜合物探方法試驗(yàn)

可用于地下管線探測(cè)的物探方法很多，主要有電磁法、電法、磁法、地震法等。由于物探方法的多解性和局限性，每一種物探方法都有其適用條件，它們所利用的地球物理?xiàng)l件和物性參數(shù)也各不相同。一般情況下，電磁法技術(shù)探測(cè)金屬管線，效果明顯。在復(fù)雜情況下，有時(shí)電磁法技術(shù)探測(cè)效果不理想，可利用地下管線與周圍介質(zhì)的介電性、磁性、彈性和溫度差別，采用電磁波法、磁法、地震法和紅外輻射法等方法，通過(guò)各種方法的試驗(yàn)工作，選擇有效的物探方法投入使用。綜合物探方法在解決復(fù)雜條件下的疑難問(wèn)題時(shí)，具有一定的效果，在城市地下管線普查中也取得了不少成果的案例。例如，岳亞?wèn)|利用地震波法中的COD法(單道共偏移法)探測(cè)非金屬排水管道［4］，王水強(qiáng)等人利用磁梯度法探測(cè)深度(10.5 m)較大的非開(kāi)挖金屬輸油管道［5］，均取得了理想的探測(cè)效果。

(2)電磁法技術(shù)方法試驗(yàn)

電磁法技術(shù)較為成熟，因其準(zhǔn)確、快速和便捷，在城市地下管線探測(cè)中被廣泛使用，目前各施工單位所進(jìn)行的方法試驗(yàn)主要是針對(duì)電磁法技術(shù)。電磁法技術(shù)有許多的工作方式，按激發(fā)方式可分為:直接法、感應(yīng)法、夾鉗法、工頻法、甚低頻法等;按場(chǎng)源分類可分為:主動(dòng)源和被動(dòng)源;按目的不同(解決復(fù)雜問(wèn)題時(shí)使用的方法)可分為:示蹤線法、選擇激發(fā)法、動(dòng)源感應(yīng)法、旁側(cè)感應(yīng)法、壓線感應(yīng)法(水平、垂直、傾斜)和電流識(shí)別法等。

通過(guò)方法試驗(yàn)，一方面根據(jù)不同的地球物理?xiàng)l件，選擇電磁法技術(shù)最有效的工作方式，取得最佳的探測(cè)效果;另一方面要確定電磁法技術(shù)相應(yīng)的工作參數(shù)，如:最小收發(fā)距、最佳收發(fā)距、最佳發(fā)射頻率、合適的發(fā)射功率和合理的修正系數(shù)，保證探測(cè)精度［6］。下圖為山東正元公司在某城市地下管線探測(cè)前進(jìn)行的最佳收發(fā)距試驗(yàn)曲線，試驗(yàn)儀器為RD4000。從圖中可以看出，當(dāng)發(fā)射功率50%，增益40時(shí)，儀器的最佳收發(fā)距為20 m。

圖1 最佳收發(fā)距試驗(yàn)曲線

3.2 儀器一致性校驗(yàn)

工程項(xiàng)目施工前，對(duì)于長(zhǎng)期擱置后投入生產(chǎn)的、經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途搬運(yùn)后用于生產(chǎn)的以及經(jīng)過(guò)檢修或調(diào)節(jié)后又用于生產(chǎn)的金屬管線探測(cè)儀均應(yīng)進(jìn)行一致性校驗(yàn)。管線探測(cè)儀器的一致性校驗(yàn)是為了消除由于儀器缺陷而造成的系統(tǒng)誤差，使投入使用的管線探測(cè)儀處于同等精度的工作狀態(tài)，選擇有效的儀器投入生產(chǎn)。

儀器的一致性校驗(yàn)應(yīng)該設(shè)立總校點(diǎn)和分校點(diǎn)?？傂｜c(diǎn)是所有探測(cè)單位進(jìn)行儀器一致性校驗(yàn)的地點(diǎn)，分校點(diǎn)是管線探測(cè)單位在自己測(cè)區(qū)內(nèi)對(duì)本單位投入使用管線探測(cè)儀進(jìn)行一致性校驗(yàn)所選取的校驗(yàn)點(diǎn)。各探測(cè)單位應(yīng)在各自測(cè)區(qū)分校點(diǎn)進(jìn)行一致性校驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇一致性較好的儀器在總校點(diǎn)上進(jìn)行校驗(yàn)。分校點(diǎn)有兩個(gè)重要作用，一是定期校驗(yàn)儀器;二是對(duì)于后期投入的儀器，在分校點(diǎn)上進(jìn)行一致性校驗(yàn)，合格后投入使用［7］。

多臺(tái)儀器的總觀測(cè)精度的計(jì)算公式為:

式中:△Vi——某次觀測(cè)值(包括參與計(jì)算平均值的所有數(shù)據(jù))與該點(diǎn)各次觀測(cè)平均值之差;

m——總觀測(cè)次數(shù)，即參加校驗(yàn)的所有點(diǎn)上全部觀測(cè)次數(shù)之和;

n——參與校驗(yàn)的點(diǎn)數(shù)。

當(dāng)總觀測(cè)精度ε在數(shù)值上不超過(guò)工作精度的1/2時(shí)，可以認(rèn)為儀器一致性良好。當(dāng)總觀測(cè)精度ε超過(guò)工作精度的1/2時(shí)，要及時(shí)查明存在缺陷的儀器，并禁止投入使用。這里的工作精度指的是《地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的管線點(diǎn)探測(cè)限差要求，即:平面位置限差δts=0.10h;埋深限差δth=0.15h(h為目標(biāo)管線的中心埋深)。

4 結(jié)論與建議

從地下管線探測(cè)技術(shù)特點(diǎn)和誤差分析理論可以得出，在開(kāi)展地下管線探測(cè)工作前，對(duì)物探方法和物探技術(shù)要進(jìn)行方法試驗(yàn)，對(duì)投入的管線探測(cè)儀要進(jìn)行一致性校驗(yàn)，消除系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生，采用最有效的物探方法和技術(shù)，在合理的物性參數(shù)基礎(chǔ)上，取得理想的探測(cè)效果。

在進(jìn)行物探方法試驗(yàn)和儀器一致性校驗(yàn)時(shí)，還要注意以下幾點(diǎn):

(1)不但要對(duì)常用的電磁法技術(shù)進(jìn)行方法試驗(yàn)，還要對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)的疑難問(wèn)題進(jìn)行綜合物探方法試驗(yàn)。

(2)儀器一致性校驗(yàn)應(yīng)該提倡采用總校點(diǎn)和分校點(diǎn)的工作模式，分校點(diǎn)的設(shè)立，對(duì)儀器進(jìn)行全面、及時(shí)的校驗(yàn)，具有重要作用。

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［5］王水強(qiáng)，黃永進(jìn)，李風(fēng)生等.磁梯度法探測(cè)非開(kāi)挖金屬管線的研究［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2005，2(5):353～357

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［7］杜良法，王少兵.城市地下管線普查中金屬管線探測(cè)儀一致性校驗(yàn)問(wèn)題探討［J］.華北科技學(xué)院報(bào)，2008，5(2):40～47