寒冷地では、氷の蓄積が航海、治水、水供給、発電、その他の人間活動に影響を与えることがよくあります。極端な状況下では、氷の洪水を引き起こすこともあります。黒竜江の氷の分裂と氷床の例を図 1 と 2 に示します。
したがって、河川、湖、運河、貯水池の氷の状態をその場で測定することは、氷の災害を軽減および防止するために重要です。
氷の厚さと水深は観測の重要なパラメータであり、その測定方法は大きく接触測定と非接触測定の2種類に分けられます。接触測定には、従来の穴あけ、抵抗加熱ラインおよび圧力センサーの使用が含まれます。非接触測定方法には、ソナーが含まれます。衛星によるリモート センシング、 空中および地上レーダー;地中レーダー (GPR)
近年、GPR測定法は継続的に改善されており、この技術はコンパクト、低コスト、高効率という利点を提供しています。 GPR は、氷の状態を測定するために長距離をドラッグすることもできるため、GPR 法は氷の測定に非常に適しています。
GPR の原理は、地上に設置されたレーダー システムの送信アンテナから高周波短パルス電磁波が氷中に送信されることです。波は地下の層または異なる電気的特性のターゲットに遭遇し、反射して地表に戻り、そこでレーダー システムの受信アンテナによって受信されます (図 3)。空気の誘電率は 1、水の誘電率は約 80、氷の誘電率は 3 ～ 4、砂岩 (シルト) の誘電率は 5 ～ 30 です。空気、氷、水、砂岩の誘電特性の違いにより、GPR を使用して誘電率の異なる 2 つの物質間の層を検出できます。
氷の厚さはアイスジャムやアイスダムの原因の 1 つにすぎないため、氷の厚さに加えて、対応する測定サイトの水深も必要です。たとえば、水深が十分に深い場合、氷は川で容易に運ばれるため、厚い氷が常に氷詰まりやダムを引き起こすとは限りません。
GPR システムは、氷の厚さと水深の測定に広く使用されていますが、現在の単一周波数 GPR では、氷の厚さと水深を正確に同時に測定することはできません。もちろん、夏は水深を測ることができますが、冬の氷厚を単周波GPRで測る場合、同じ測量ルートをたどるのは大変です。氷の厚さと水深を同時に測定するために単一周波数地中レーダー (GPR) を使用することの欠点を考慮して、100 および 1500 MHz アンテナを備えた二重周波数 GPR が開発されました (図 4)。
二重周波数 GPR の利点は、氷の厚さと水深のデータを同時に収集できることです。また、観測プロセスの効率も向上し、GIS システムとシームレスに統合して、氷災害の予測と対応を強化できます。時分割プロセスにより、システムは 100 MHz と 1500 MHz の周波数を使用して、それぞれ水深と氷の厚さを測定します。測定結果の例を図 5 に示します。
開発した2周波GPRで収集したデータを解析した結果、氷の厚さと水深の計測精度に影響を与える要因として、以下のような要因があることが明らかになりました。 1) アイスジャムの複雑なプロセスにより、ランダムに分布した多孔性を含む異なる多層構造のアイスジャムが生成されます。これにより、レーダーシステムの測定原理の基礎となる材料の誘電率が変化します。 2) 砂の川の氷にはさまざまな質量の堆積物が含まれており、追加の堆積物は川の底の水によって運ばれます。これは、水と氷の誘電率に影響を与える要因の 1 つであり、GPR の測定精度にも影響します。
これらの調査結果は、「川と運河の氷の厚さと水深を測定するための二重周波数地中浸透レーダー:開発、検証、応用」というタイトルの記事で説明されており、最近 Cold Regions Science and Technology ジャーナルに掲載されました .この作業は、中国水資源・水力研究所の Hui Fu、Zhiping Liu、Xinlei Guo、および Dalian Zhongrui Science and Technology Development Company の Haitao Cui によって実施されました。
