基于地质雷达的地下排污管线损伤位置探测方法研究

《基于地质雷达的地下排污管线损伤位置探测方法研究》论文发表期刊：《环境科学与管理》；发表周期：2021年04期

《基于地质雷达的地下排污管线损伤位置探测方法研究》论文作者信息：庄志刚(1967 － ) ，男，大学本科，正高级工程师，研究方向:城市智慧管网、城市节水、污水处理、污泥处置等。

　　摘要：针对原有地下排污管线损伤位置探测方法探测结果误差较大的问题，设计基于地质雷达的地下排污管线损伤位置探测方法。设定排污管线空间结构与管线网络结构，采用数据库的形式存储管线数据。选取合适的地质雷达型号，设定管线图像采集准则，对采集到的管线信息进行预处理，使用曲线拟合函数与高频短电磁波函数完成损伤位置的定位工作，从而实现地下排污管线损伤位置的探测。实验结果表明：与原有方法相比，此方法的探测误差较低，处理速度较快，对于地下排污管线损伤位置探测更有效。

　　关键词：地质雷达;定位运算;位置探测;污染探测

　　Abstract: Aiming at the large error of detection results of the original underground sewage pipeline damage detection method, this paper designed a geological radar -based underground sewage pipeline damage detection method. It set up the space structure of the sewage pipeline and the pipeline network structure, and store the pipeline data in the form of a database. The appropriate geological radar model were selected to set up the pipeline image acquisition criteria. The pipeline information is collected and the the curve fitting function and the high -frequeney short electromagnetic wave function were studied to complete the location of the damage location, so as to achieve the location of the underground sewage pipeline damage Probe. The experimental results show that compared with the original method, this method has lower detection error and faster processing speed. It is more effective for detecting the damage location of underground sewage pipelines.

　　Key words : geological radar; positioning operation; position detection; pollution detection

　　前言

　　城市内部排污管线处理降低了污染物对大气及环境的污染。排污管受到污染物与土壤的共同作用，极易造成管线老化及损坏-。一旦排污管线被腐蚀或破坏，污染物就会渗透到土壤中，对土地中的农作物与生物影响较大且短期内不易恢复，这严重的影响了农作物的产量与质量B-4。传统的管道损坏位置采用现场取样的方式，通过对土壤样本的化验分析得出管道破损位置3。但该方法复杂，容易造成检测精度差的问题，因而设计一种新型的探测方法提升管道损坏位置的探测精度。采用地质雷达实现对管线的高精度探测。通过高频电磁波技术控制电子设备，结合管线探测仪等设备完成对管线损伤位置的探测，由此提升位置探测精度，降低管线研究时间，提升破损管道的维护效率。

　　1地下排污管线损伤位置探测方法设计排污管线损伤位置的判断对减少排污管线对土壤的破坏具有至关重要的作用，只有快速准确的判断损伤位置，才能第一时间采取相应措施，减少对环境带来的破坏。针对原有的排污管线损伤位置探测方法误差较大的问题，引用地质雷达完成对地下排污管线损伤位置的探测过程。

　　相较于原有的探测方法，在此次设计中增加定位计算部分。使用雷达获取的管线地质图像计算，完成对损坏位置的定位工作，提升位置探测的定位速度，降低二次污染产生的次数。

　　1.1排污管线空间结构图层划分为提高排污管线损伤位置的探测精度，在获取排污管线的损伤位置前，对排污管线的图层进行划分，将划分后的排污管线图层信息采用数据表的形式存储，作为损伤位置获取的基础信息。

　　已知在排污管线中具有多种特征点，例如：管线的分支点、转折点、多通点、弯头等，这些特征点均为污染管线中极易发生破损的位置。因而，在图层划分中采用空间图层的结构体现。

　　排污管道采用GDB文件的形式存储至地质雷达控制计算机中，采用中国“两点一线”的数据形式存储，由管线段的起点与重点控制管线的总体信息。

　　采用上述设定的完成管线网络模型的设计，设定管线数据库，在数据库内将管线的信息表分为两类，分别为管线点与管线线。管线点数据采用**xd命名，管线线采用**x命名，在确定数据库各数据名称与字段后，对探测的网线完成信息采集，以此作为管线损坏位置的信息基础

　　1.2 引用地质雷达设定采样准则引用地质雷达完成土壤中的管线状态图像获取工作，将获取后的信息采用上述设定的图层进行存储。此次探测方法针对排污管线，在探测前需要对地质雷达的型号进行选择。

　　在排污管道的探测中，要求雷达的中心频率为300 MHz，探测深度为1-12米，对上述的设备进行详细的研究后，选用符合探测条件的GPR-1型号仪器完成此次探测工作，在探测工作中，利用电磁波间接获取排污管线在土壤中的状态信息。为保证探测数据可有效体现排污管道的状态，设定相应的采样准则。采样点一般需要选取在污染管线极易发生破损的位置，一般的污染物均含有金属元素等，所以选用电磁波来确定污染物的状态信息。设定雷达的探测记录反射波采样点之间的时间间隔为管线采样率。采用尼奎斯特采样准则对其控制，即采样率为探测记录的反射波中最高频率的2倍。设定污染物的采样频率为r的简谐波进行采样，采样时间为At，采样的污染范围为Ag，两者之间的关系为：

　　大部分的地质雷达的相对宽带为1，简而言之是指发射脉冲能量所采集的土壤的覆盖范围为中心频率的1~2倍，根据尼奎斯特采样准则，采样率为中心频率的3倍。则上述准则可转换为:

　　根据管线的实际情况，将采样率设定为以上理想值的一半，则在进行管线的实际测量时需要遵守的采样准则为:

　　根据上述采样准则设定雷达的采样准侧，将雷达所需的污染物的采样距离、分辨率、方向设定见图 1。

　　使用上述设定完成土壤中管道状态的获取工作，将数据依据管线结构划分表进行存储。

　　1.3 获取管道状态及损伤位置定位将地质雷达获取到的数据进行基本处理，此次的处理过程包括数据编辑、解震荡滤波、时间零点校正、滤波、偏移处理、属性分析等过程。将管线双曲线方程。使A=[4，B C，D，E，"且x=，xy，'，y，1]，则有w，(a，x)，即排污管线损伤点处理后的数据转换为抛物线的形式，采用拟合算法完成对损伤位置的定位工作。

　　将排污管线信息双曲线特征点采集后，通过拟合得到排污管线曲线的代数距离。损伤点可表示为：

　　通过对公式的整合，得出排污管线曲线函数的取值范围，将取值范围带入曲线函数中，得出损伤点的位置信息。

　　由于此次设计中采用地质雷达对管线的排污管线损伤位置进行探测，在排污管线局部定位后采用高频短电磁波对管线所在的地层深度进行计算，设定 o 为电磁波中的土壤污染的损耗因子，因土壤为非导磁介质，则相对磁导率取值为 1

　　在上式中，h为地层界面深度;t为电磁波传输时间，9为相对节点常数。采用上述公式对损伤点在土壤中的深度进行计算，结合拟合函数结果，得到排污管线损伤位置。至此，基于地质雷达的地下排污管线损伤位置探测方法设计完成。

　　2仿真实验分析

　　根据上述部分，完成基于地质雷达的地下排污管线损伤位置探测方法的设计。为了验证本方法对地下排污管线损伤位置判断的有效性，采用仿真实现的形式，对比文章设计方法与文献[5]方法的使用差异。

　　2.1实验环境

　　为保证此次实验结果的有效性，对实验的环境进行设计。基于文中方法需要地质雷达辅助完成，因而在实验设计的选用与组建中选择原有方法与地质雷达可兼容的仪器设备，具体设定设备参数见表1。

　　选用上述设备，完成实验环境的组建工作中。此次实验中选用高精度地质雷达。在此次实验中，将实验目标设定为管线损伤位置定位精度，通过对比文献[5]方法与文章设计方法的定位误差值来体现。

　　2.2实验样本

　　此次实验将在户外空地模拟完成，在实验区域的土壤中预埋部分管线，设定管线内含5处损伤位置，采用原有方法与文章设计方法对其具体位置进行探测，对比两种方法的探测精度。具体实验区域见图2

　　图片中的黑色标记为管线的损伤点，采用文献

　　[5]方法与文章方法对土壤中管线的破损位置进行探测，将探测结果精度通过图像的形式显示。

　　2.3实验结果

　　使用上式实验设定，完成原有方法与文章方法对于管线中损伤位置的探测过程，将两种方法的探测结果精度通过误差的形式体现，具体图像见图3。

　　通过上述实验结果可知，在5次测试点的探测中，原有方法在测试点1-3的探测效果较好，误差仅为6%~7%，在测试点4-5的探测中，误差超过10%，超过误差预先设定标准。相较于原有方法，文中设计方法在5个测试点的探测过程中，其误差均低于3%。相较于原有方法的评估误差为7.5%，文章设计方法的探测精度较高。与此同时，文章中设计方法无需进行土壤检测即可获取探测结果，原有方法需对土壤进行检测才可以得出探测结果，相比文中设计方法较为复杂。综上所述，文章设计方法的使用效果与探测精准度高于原有方法。

　　3 结语

　　针对原有管线损伤位置探测方法在实际应用过程中存在繁琐且容易造成误差的问题，文章以地质雷达为基础，设计了一种地下排污管线损伤位置的探测方法。通过实验将原有方法与文章方法的使用性能进行了比较试验，结果表明：文章方法的探测误差较低，处理速度较快，对于地下排污管线损伤位置探测更有效。鉴于文章设计的方法计算量较大，在使用中提高了计算精度，保证了探测结果的准确度。将此方法应用于排污管线的管理及破损监测中，可以降低排污管道破损、污染物溢出对土壤的破坏及影响，促进耕地的可持续发展。

　　参考文献：

　　[1]祁晓波，探测自燃火源位置的多重方法联用技术[j].陕西煤炭，201，38(4)：98-102.

　　[2]黄炜，李荣学，三维地质雷达检测桥梁预应力孔道压浆密实度的应用[].建筑技术开发，2018，45(21)：95-96.

　　[3]余继红，孙希莹，陆伟华，等.管线探测仪和静力触探仪相结合的探测方法与应用[].现代测绘，2018，41(4)：16-20.

　　[4]李耀华，张维平，李军，地质雷达信号谱能分析法在混凝土缺损探伤中的应用[D.物探化探计算技术，2017，39(6)：762-767.

　　[5]薛海阳，袁建议，高皋，等.地质雷达在城市道路病害探测中的应用D.湖北理1院报，2017，33(5)：40-46.

　　[6]黄伟，庞建莹，位置解算检测设备探测光轴内场标定方法的实现[].光电技术应用，2017，32(2)：49-53.

　　[7]董明华，穆鹏字，地质雷达及超声横波技术在密集型钢筋混凝土结构检测中的应用].工程地球物理报，2019，16(5)：686-693.