利用探地雷达与数值建模区分埋入石灰岩中的金属管道和PVC管道：埃及西北部干旱环境的案例研究

《Journal of Applied Geophysics》：Ground-penetrating radar and numerical modeling for differentiating metal and PVC pipes embedded in limestone: A case study in an arid environment of northwestern Egypt

　　•探地雷达（GPR）与时域有限差分法（FDTD）能有效区分石灰岩中的金属管和PVC管。
•宿主介质电导率是影响GPR视衰减的主要控制因素。
•视衰减反映了石灰岩—目标体系统的综合响应。
•所提出的衰减估计框架通过现场数据和数值数据得到验证。
•该方法能够对金属和非金属地下管线进行衰减估计。

引言

探地雷达（GPR）是一种功能强大的无损地球物理技术，广泛用于探测和绘制地下目标体及结构（Hu等，2025）。它常用于环境、工程和考古应用中，以定位地下基础设施，如混凝土管、金属和塑料桶、管道及储罐（Pettinelli等，2009；Ni等，2010；Ayala-Cabrera等，2011；Ebrahimy等，2012；Varnavina等，2015；Anbazhagan等，2016；Ghanbari和Hafizi，2016；Curioni等，2017；Hong等，2018；Oca?a-Levario等，2018；De Coster等，2019；Zhang等，2022）。除陆地应用外，GPR还成功应用于行星探测，为月球和火星等天体的地下调查做出了贡献（Zhang等，2015；Zhang等，2021；Li等，2022）。

GPR系统通过发射天线向地下发射高频电磁波。这些电磁波通常覆盖10 MHz至2.6 GHz的频率范围（Akinsunmade等，2019），并在地下传播，直至遇到电学性质存在差异的材料。电导率和介电常数的变化导致入射波发生部分反射和折射，由地表接收天线记录。这种相互作用使得重建地下图像成为可能，揭示埋藏目标体和地质特征的存在、几何形态及深度（Holden等，2002；Neal，2004；Jol和Smith，2011）。

尽管应用广泛，GPR的有效性在很大程度上受电磁波在地下传播行为的影响。在传播过程中，GPR波会经历衰减、畸变和频散，这些效应会显著降低信号强度并降低雷达剖面的分辨率（Di和Wang，2004）。这些效应主要由地下材料的电学性质控制，特别是电导率和介电常数，它们决定了能量耗散和振幅衰减（Balanis，1997）。衰减本质上是频率依赖的，较高频率的信号通常比较低频率信号经历更强的衰减（Annan，1996；Jol，2008；Leucci，2008）。这种行为与趋肤深度概念密切相关，趋肤深度与频率和电导率均成反比；随着任一参数增加，有效穿透深度减小（Leucci，2008；Di等，2020）。因此，电导率较高的介质表现出更强的衰减和更低的GPR穿透能力。

衰减对于数据处理和解释至关重要，因为它提供了有关地下电学性质的宝贵信息（Risti?等，2017；Santos和Teixeira，2017；Liu等，2018；Di等，2020）。准确表征衰减效应对于衰减介质中的振幅分析、偏移及目标定位至关重要。忽视衰减会导致深度估计错误、目标位置不准确以及对地下特征的误判（Di等，2006）。因此，现实地考虑GPR波衰减对于提高数据分辨率和可解释性至关重要（Di和Wang，2004）。

以往的研究有助于理解地下环境中GPR波衰减和电磁能量损耗。早期和基础性研究确立了雷达波在非均质地质环境中的衰减行为、能量损耗机制和振幅衰减的理论基础（Hollender和Tillard，1998；Bradford，1999；Irving和Knight，2003；Xavier Neto和Eugênio de Medeiros，2006；Leucci，2008；Wunderlich和Rabbel，2011）。后续研究将这些概念扩展到更现实的现场条件，考虑了材料电导率、介电常数和频率相关损耗的影响（Dinh等，2017；Jaufer等，2022）。

现场和实验研究表明，金属管由于其更高的电导率和与宿主介质更大的介电对比度，比PVC管产生更强的反射、更高的振幅和更清晰的双曲线特征。因此，管道材料在现实场景中对GPR衰减、反射强度和可探测性具有关键影响，包括漏水检测（Gamal等，2023）。此外，土壤类型的影响已被记录，表明在黏土和砂质土壤中，金属管相比PVC管表现出增强的反射率和改善的可探测性（Mohd Kamal等，2020；Zainon等，2024）。数值建模和模拟研究通过展示归因于金属和PVC不同电磁特性的反射振幅和波形特征的系统性差异，进一步证实了这些观测结果（Guo等，2024）。

尽管取得了这些进展，在高电导率地下土壤中探测埋藏金属管和PVC管仍因信号衰减而具有挑战性，尤其是对于非金属管。因此，地下电导率表征是电磁调查的重要组成部分（Adagunodo等，2023）。研究表明，高电导率环境（如电导率约为0.02 S/m的黏土相）会显著降低整体信号强度。衰减效应对于PVC管尤为明显，因为PVC管比金属管具有更低的介电对比度，因此反射更弱（Mendoza等，2023）。同样，电磁方法在定位聚乙烯（PE）和PVC等非金属管道时面临困难，因为它们较低的介电对比度使探测变得复杂。虽然声学方法可以利用波衰减有效估计管道位置和埋深，但包括GPR在内的电磁方法仍然是探测混合金属和非金属管线所必需的（Zhang等，2025）。

然而，现有研究主要依赖定性或半定量指标，如反射振幅、双曲线几何形态或数值波形比较，通常假设简化的衰减行为。因此，在真实现场条件下定量估计GPR衰减系数仍然具有挑战性，特别是对于低对比度非金属目标。尽管通过雷达传播方程已经确立了衰减的理论基础，但根据现场数据对PVC管进行衰减的实际估计尚未得到系统研究。为弥补这一空白，本研究将Di等（2020）的衰减估计框架应用于非金属（PVC）管。衰减系数直接从干旱石灰岩中金属管和PVC管上方采集的现场GPR测量数据中推导，并通过FDTD模拟系统性地验证。这种现场-数值双重方法，结合与无管石灰岩的明确比较，提供了真实现场条件下衰减行为的定量评估。因此，本研究的贡献在于系统的现场估计和GPR衰减行为的数值验证，为在真实干旱石灰岩条件下区分金属管和PVC管提供物理基础。

本研究利用从埃及西北地中海沿岸采集的现场数据来分析GPR波衰减。研究区域边界为东经29°21′45″至29°22′30″，北纬30°53′05″至30°53′30″，如图1所示。现场测量在两个地点进行：一个包含埋藏金属管，另一个在石灰岩介质中包含埋藏PVC管。本研究的主要目标是：（i）利用现场数据量化和比较金属管、PVC管及无管条件下石灰岩介质的GPR衰减系数；（ii）评估石灰岩电导率对两种管道衰减行为的影响；以及（iii）通过衰减估计框架内的FDTD数值建模验证现场推导的衰减系数。本研究有助于改进干旱石灰岩环境中基于GPR的管线表征。它专门设计用于研究由宿主石灰岩介质和管道—介质界面电磁相互作用控制的衰减行为，而非提供管道内部条件或流体含量的详细表征。

章节摘录

GPR现场测量

现场测量在El Hammam地区使用RIS Hi-MOD-IDS地质雷达系统（IDS GeoRadar，意大利比萨）进行，该系统由带32位处理器的控制单元、电池、测量轮、两个屏蔽天线（发射器Tx和接收器Rx）以及用于采集期间实时数据显示的显示器或外接PC组成。GPR系统配置示意图如图2所示。仪器可用的两种天线频率（200 MHz和600 MHz）

雷达剖面分析

雷达剖面分析为石灰岩介质中金属管和PVC管中GPR波的行为提供了关键见解。使用双曲线拟合法，从与每根管道相关的反射中估计了周围石灰岩的有效电磁波速度。结果（图6）显示，金属管周围介质的速度为0.131 m/ns，PVC管周围介质的速度为0.117 m/ns。观测到的速度差异表明

讨论

本研究通过现场测量和数值建模，对石灰岩介质中金属管和PVC管中GPR波的衰减进行了综合分析。所采用的方法将雷达剖面分析与基于gprMax的数值模拟相结合，以估计不同石灰岩电导率下的衰减系数。结果为低损耗干旱石灰岩环境中GPR波行为提供了见解，并证明了所提方法的适用性。

结论

本研究证明了电导率对地下管线表征中GPR信号衰减的显著影响，确认在所研究的低损耗石灰岩条件下，电导率是主要控制参数。研究重点是通过埃及西北地中海沿岸石灰岩介质中的定量衰减分析来区分埋藏金属管和PVC管。通过整合雷达剖面分析

CRediT作者贡献声明

Mohamed Gamal：写作——审阅与编辑、写作——原稿、可视化、软件、方法学、调查、概念化。Qingyun Di：写作——审阅与编辑、监督、方法学、概念化。Changmin Fu：写作——审阅与编辑、概念化。Shereen Ebrahim：写作——审阅与编辑、软件。Amr Abd El-Raouf：写作——审阅与编辑、软件、方法学。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，可能影响本论文所报告的工作。

致谢

作者衷心感谢Jinhai Zhang（中国科学院，中国）的宝贵支持，以及Ahmed Gaber（塞得港大学，埃及）在GPR现场数据采集方面的协助。作者还感谢Ahmed M. Beshr（曼苏拉大学，埃及）和Xiaotian Wang（中国科学院，中国）的宝贵讨论和技术支持。

Mohamed Gamal|Qingyun Di|Changmin Fu|Shereen Ebrahim|Amr Abd El-Raouf