التطبيقات النموذجية وغير النموذجية لأنظمة IceMap GPR

ملخص: تم استخدام أنظمة IceMap GPR لأكثر من 20 عامًا لرسم خريطة لسمك الجليد في المناطق الشمالية، ولكن خلال ذلك الوقت، وجد العملاء المبتكرون تطبيقات أخرى مثيرة للاهتمام لهذه التكنولوجيا.

يستخدم نظام IceMap تكنولوجيا الرادار الأرضي (GPR) لقياس ورسم خريطة لسمك الجليد عبر البحيرات والأنهار المتجمدة المستخدمة كطرق شتوية في المناطق الشمالية من كندا والولايات المتحدة.

تم تقديم IceMap في الأصل في عام 2011 بعد عدة شتاءات من العمل الوثيق مع وزارة النقل في الأقاليم الشمالية الغربية (كندا). على مدار العشرين عامًا الماضية، غيرت تقنية GPR تمامًا إجراءات بناء الطرق الجليدية ومراقبتها وإغلاقها بأمان. يتضمن هذا توفير قياسات دقيقة لسمك الجليد عالي الكثافة لتحسين حسابات سعة وزن الجليد والمساعدة في تمديد موسم الطرق الجليدية لأطول فترة ممكنة بأمان.

من التطبيقات النموذجية لـ IceMap مراقبة الجليد من أجل بناء "جسر" جليدي. والجسر الجليدي، كما يوحي اسمه، هو طريق جليدي قصير عبر نهر. وعادة ما لا يكون من العملي بناء الجسور الدائمة في المناطق النائية، ولكن الجسور الجليدية توفر طرقًا مختصرة يمكن أن توفر قدرًا كبيرًا من الوقت وتكاليف النقل خلال أشهر الشتاء.

أحد هذه الجسور الجليدية هو الجسر الذي يعبر نهر السلام بالقرب من لا كريت، ألبرتا (الشكل 1 أ) خلال الأشهر الأكثر دفئًا، يكون هذا معبرًا للعبارات، ولكن في كل شتاء، يتم بناء جسر جليدي بطول 700 متر (0.5 ميل) لتوفير الوقت للمركبات التي تسافر عبر المنطقة. يقع أقرب جسر دائم عبر نهر السلام على بعد 75 كم في فورت فيرمليون (الشكل 1 ب)، ولكن 100 كم (60 ميلا) عن طريق البر.

الشكل 1a

يوفر جسر الجليد الذي يبلغ عرضه 700 متر فوق نهر السلام بالقرب من لا كريت في ألبرتا قيادة مسافة 100 كيلومتر (60 ميلاً) إلى أقرب جسر دائم.

الشكل 1b

يوفر جسر الجليد "لا كريت"، الذي يتم بناؤه عبر نهر السلام في شمال ألبرتا كل شتاء، قيادة مسافة 100 كيلومتر (60 ميلاً) إلى أقرب جسر طريق في فورت فيرمليون.

مقاطع الفيديو الفاصلة الزمنية في الأرقام 1c و 1d تظهر الصورة سماكة الجليد من أوائل يناير إلى أواخر فبراير، حيث تتراوح من حوالي 40 سم إلى أكثر من 170 سم. وكلما زادت سماكة الجليد، زادت قدرته على تحمل الوزن لدعم الشاحنات الثقيلة.

على الرغم من أن IceMap صُمم خصيصًا لهذا التطبيق الخاص بقياس سمك الجليد على الطرق والجسور الجليدية، إلا أننا على مر السنين استخدمنا عملاء IceMap لتطبيقات أخرى لم نفكر فيها مطلقًا عندما طورنا IceMap في الأصل. فيما يلي بعض هذه التطبيقات.

الكشف عن الجليد الأرضي

"الجليد الأرضي" يعني أن الجليد تجمد في قاع المسطح المائي. بالنسبة للطرق الجليدية، فإن الجليد الأرضي أمر جيد لسببين: 1) لا يلزم تصميم الجليد بسمك معين مثل الجليد العائم، حيث يتم دعمه من الأسفل، و2) من حيث السلامة، إذا كان الجليد أرضيًا، فلا يوجد خطر من مرور المركبات عبر الجليد إلى المياه العميقة.

لحسن الحظ، وبسبب الفيزياء المواتية، يمكن لـ IceMap عادةً اكتشاف مناطق الجليد الأرضي بسهولة. وذلك لأن انعكاسية قاع الجليد عندما يطفو على الماء تكون أعلى بكثير (K)_جليد من 3، ك_ماء = 80، R = 0.68) مما كانت عليه عندما يتجمد الجليد على الرواسب أو الصخور في قاع المسطح المائي (K_جليد من 3، ك_صخرة = 5، R = 0.13). هذا الاختلاف في الانعكاسية يجعل مناطق الجليد الأرضي تبرز في بيانات الرادار الأرضي المخترق للأرض (الشكل 2 أ)مع دمج نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في نظام IceMap؛ بعد إضافة تفسيرات النقاط باستخدام برنامج EKKO_Project، يمكن رسم مواقع الجليد الأرضي على Google Earth (الشكل 2 ب).

الشكل 2a

صورة بيانات IceMap تظهر الانعكاسات ذات السعة المنخفضة الناجمة عن الجليد "المثبت على الأرض"، حيث تجمد الجليد في قاع المسطح المائي، وبالتالي لم يعد يطفو على الماء.

الشكل 2b

صورة من Google Earth تظهر مسار مسح IceMap (الخط الأخضر) ومواقع الجليد الأرضي (النقاط الحمراء).

تحليل جودة الجليد

تعتمد قياسات سعة الوزن على الجليد على الجليد "النقي". إذا كان الجليد يحتوي على "ملوثات" مدمجة فيه، مثل فقاعات الهواء، فقاعات الماء، المواد العضوية، طبقة داخلية غير مجمدة (الشكل 3 أ)، لم يعد نقيًا ويمكن أن يؤثر ذلك على قدرة وزن الجليد.

الشكل 3a

يؤدي الجليد الذي يحتوي على ملوثات مثل فقاعات الهواء وفقاعات الماء والمواد العضوية وطبقات الثلج إلى تقليل قدرة الجليد على تحمل الوزن. ويمكن استخدام IceMap للكشف عن الأجسام المدفونة داخل الجليد، حتى عندما يكون الجليد مغطى بالثلوج بالكامل.

عندما تقوم مؤسسة مانيتوبا للبنية التحتية بتحليل بيانات خريطة الجليد الخاصة بها، فإنها تبحث بشكل خاص عن عاكسات داخلية مرتبطة بمواد تقلل من جودة الجليد. الجليد النقي عبارة عن مادة متجانسة، مما يعني أنه لا يوجد تباين في المواد يسبب انعكاسات الرادار الأرضي المخترق. (الشكل 3ب على اليمين)ومع ذلك، إذا كانت هناك أجسام أو طبقات داخلية موجودة في الجليد، فسوف يكتشفها الرادار الأرضي المخترق غالبًا. (الشكل 3ب على اليسار).

في المثال أدناه، قامت هيئة البنية التحتية في مانيتوبا، مع الكثير من الحذر، بإعادة توجيه الطريق الجليدي لتجنب الجليد الذي يحتوي على ملوثات داخلية، والتي يمكن أن تعرض السلامة على الجليد للخطر.

الشكل 3b

تُظهر صورة بيانات IceMap (على اليسار) العديد من الانعكاسات الداخلية، والتي تم تفسيرها على أنها فقاعات هواء محاصرة في الجليد، مما قد يقلل من قدرة الجليد على تحمل الوزن. ونتيجة لذلك، تم إعادة توجيه طريق الجليد على طول مسار لا توجد فيه أي انعكاسات داخلية داخل الجليد (على اليمين).

لمعرفة القصة الكاملة انظر: https://www.sensoft.ca/blog/evaluating-ice-road-quality-icemap/

حسابات حجم خزان المياه

استخدم أحد عملاء IceMap في أيسلندا النظام لقياس سمك الثلوج فوق منطقة مستجمعات مياه كبيرة لتحسين حسابات حجم المياه المتوقع جريانها في الخزان المحلي (الصورة العلوية و شكل 4):

تم استخدام IceMap لتوفير بيانات مستمرة عن الثلوج من مستجمعات المياه، مما أدى إلى تحسين القياسات "النقطة" التقليدية وإضافة المزيد من المعرفة بمدى الغطاء الثلجي وتراكم الثلوج في الشتاء. في المجموع، تم مسح 65 مقطعًا عرضيًا على الأرض لتقييم سمك الثلج والتوزيع المكاني في مناطق مستجمعات المياه. يتيح IceMap الحصول على بيانات محتوى الماء بدقة مكانية أعلى بكثير مما يؤدي إلى اتخاذ قرارات أكثر استنارة بشأن تشغيل نظام الطاقة الكهرومائية.

الشكل 4

IceMap هي أداة رائعة لقياس سمك الغطاء الثلجي مما يساعد في تقدير أحجام المياه اللازمة لتوليد الطاقة الكهرومائية.

لمعرفة القصة الكاملة انظر: https://www.sensoft.ca/wp-content/uploads/2016/01/2015-07-Subsurface-Views.pdf/

سمك الجليد في المناطق الحساسة بيئيا

الأراضي الرطبة مثل المستنقعات والمستنقعات والمسك (الشكل 5 أ) تعتبر هذه المناطق حساسة بيئيا، لذا يتم تنفيذ العمل في كثير من الأحيان في فصل الشتاء عندما تكون المنطقة متجمدة، والنباتات نائمة، والحيوانات في حالة سبات.

الشكل 5a

تعتبر الأراضي الرطبة الشمالية مناطق حساسة بيئيًا حيث تتأخر مشاريع البناء غالبًا حتى الشتاء.

استخدم أحد العملاء IceMap لقياس سمك الجليد لتحديد الحد الأقصى لوزن مركبة البناء التي يمكن للجليد أن يتحملها دون كسر وإتلاف الأراضي الرطبة.

على نحو مماثل ولكن أكثر تطرفًا من التطبيق أعلاه حول تأثر جودة الجليد بالمواد المضمنة، فإن الجليد في الأراضي الرطبة مليء بالمواد العضوية، مما يجعل قياس سمك الجليد بدقة أكثر صعوبة بسبب التشتت وتوهين إشارة الرادار الأرضي المخترق. ومع ذلك، غالبًا ما يكون من الممكن رؤية قاع عاكس الجليد (الشكل 5 ب).

الشكل 5b

على الرغم من أن وجود المواد العضوية المضمنة في الجليد يحد من عمق اختراق إشارات IceMap، فإن الجزء السفلي من حدود الجليد غالبًا ما يكون عاكسًا قويًا.

اكتشاف جيوب المياه في الجليد المتجمد حتى القاع

هذا التطبيق هو نوع من العكس من التطبيق المذكور أعلاه والذي يستخدم IceMap للعثور على الجليد الأرضي. في هذه الحالة، احتاج أحد العملاء، Agnico Eagle Mining، إلى العثور على مياه سائلة لحفر ثقوب الاستكشاف (الشكل 6 أ)كانت المشكلة أن مشروع الاستكشاف كان يجري في ذروة الشتاء حيث كانت درجة الحرارة المحيطة -40 درجة مئوية (-40 درجة فهرنهايت) لذا كانت جميع المسطحات المائية المحلية متجمدة حتى القاع.

الشكل 6a

استخدمت شركة Agnico Eagle Mining نظام IceMap المبكر (على اليسار) للعثور على جيوب من الماء السائل تحت الجليد في ظل ظروف شديدة البرودة، حيث تجمد معظم الجليد في المنطقة حتى قاع البحيرة. تعتبر المياه ضرورية لمشاريع الاستكشاف الخاصة بهم.

لحسن الحظ، كان مشغلو IceMap على دراية بفيزياء GPR وGPR IceMap على وجه الخصوص. إن انعكاسية قاع الجليد عندما يطفو على الماء أعلى بكثير (K)_جليد من 3، ك_ماء = 80، R = 0.68) مما كانت عليه عندما يتجمد الجليد على الرواسب أو الصخور في قاع المسطح المائي (K_جليد من 3، ك_صخرة = 5، R = 0.13). هذا الاختلاف في الانعكاسية يجعل مناطق المياه تحت الجليد بارزة في بيانات الرادار الأرضي المخترق. (الشكل 6 ب).

الشكل 6b

بالنسبة لمعظم هذا المقطع العرضي الذي يبلغ طوله 110 أمتار، فإن الجليد متجمد حتى القاع، وهو ما يشير إليه انعكاس حدودي ضعيف. أما البقع التي يكون فيها هذا الانعكاس أقوى بكثير فهي مواقع لا تزال تحتوي على مياه تحت الجليد، ولم تتجمد حتى القاع. وهذه هي المواقع التي تم حفرها للحصول على المياه لاستخدامها في أنشطة الحفر الاستكشافية.

نحن نحب أن نرى براعة عملائنا عند استخدام منتجات GPR الخاصة بنا. إذا كان لديك أي أمثلة أخرى لاستخدام IceMap أو أي نظام GPR آخر للتطبيقات التي لم يتم تصميمها خصيصًا لها ولكنها فعالة، تواصل معنا.

لمزيد من المعلومات حول IceMap، راجع صفحة منتج IceMap.

بيانات جسر الجليد مقدمة من مقاطعة ماكنزي، ألبرتا
صورة بيانات الجليد الأرضي مقدمة من شركة Lithogen Inc.
تحليل بيانات جودة الجليد مقدمة من هيئة البنية التحتية في مانيتوبا
صورة لنظام IceMap وقصة الغطاء الثلجي مقدمة من Landsvirkjun، أيسلندا
بيانات وصور الكشف عن المياه تحت الجليد مقدمة من Agnico Eagle Mines Ltd، كندا