《基于地質雷達的地下排污管線損傷位置探測方法研究》論文發表期刊：《環境科學與管理》；發表周期：2021年04期

《基于地質雷達的地下排污管線損傷位置探測方法研究》論文作者信息：莊志剛(1967 － ) ，男，大學本科，正高級工程師，研究方向:城市智慧管網、城市節水、污水處理、污泥處置等。

　　摘要：針對原有地下排污管線損傷位置探測方法探測結果誤差較大的問題，設計基于地質雷達的地下排污管線損傷位置探測方法。設定排污管線空間結構與管線網絡結構，采用數據庫的形式存儲管線數據。選取合適的地質雷達型號，設定管線圖像采集準則，對采集到的管線信息進行預處理，使用曲線擬合函數與高頻短電磁波函數完成損傷位置的定位工作，從而實現地下排污管線損傷位置的探測。實驗結果表明：與原有方法相比，此方法的探測誤差較低，處理速度較快，對于地下排污管線損傷位置探測更有效。

　　關鍵詞：地質雷達;定位運算;位置探測;污染探測

　　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

　　城市內部排污管線處理降低了污染物對大氣及環境的污染。排污管受到污染物與土壤的共同作用，極易造成管線老化及損壞-。一旦排污管線被腐蝕或破壞，污染物就會滲透到土壤中，對土地中的農作物與生物影響較大且短期內不易恢復，這嚴重的影響了農作物的產量與質量B-4。傳統的管道損壞位置采用現場取樣的方式，通過對土壤樣本的化驗分析得出管道破損位置3。但該方法復雜，容易造成檢測精度差的問題，因而設計一種新型的探測方法提升管道損壞位置的探測精度。采用地質雷達實現對管線的高精度探測。通過高頻電磁波技術控制電子設備，結合管線探測儀等設備完成對管線損傷位置的探測，由此提升位置探測精度，降低管線研究時間，提升破損管道的維護效率。

　　1地下排污管線損傷位置探測方法設計排污管線損傷位置的判斷對減少排污管線對土壤的破壞具有至關重要的作用，只有快速準確的判斷損傷位置，才能第一時間采取相應措施，減少對環境帶來的破壞。針對原有的排污管線損傷位置探測方法誤差較大的問題，引用地質雷達完成對地下排污管線損傷位置的探測過程。

　　相較于原有的探測方法，在此次設計中增加定位計算部分。使用雷達獲取的管線地質圖像計算，完成對損壞位置的定位工作，提升位置探測的定位速度，降低二次污染產生的次數。

　　1.1排污管線空間結構圖層劃分為提高排污管線損傷位置的探測精度，在獲取排污管線的損傷位置前，對排污管線的圖層進行劃分，將劃分后的排污管線圖層信息采用數據表的形式存儲，作為損傷位置獲取的基礎信息。

　　已知在排污管線中具有多種特征點，例如：管線的分支點、轉折點、多通點、彎頭等，這些特征點均為污染管線中極易發生破損的位置。因而，在圖層劃分中采用空間圖層的結構體現。

　　排污管道采用GDB文件的形式存儲至地質雷達控制計算機中，采用中國“兩點一線”的數據形式存儲，由管線段的起點與重點控制管線的總體信息。

　　采用上述設定的完成管線網絡模型的設計，設定管線數據庫，在數據庫內將管線的信息表分為兩類，分別為管線點與管線線。管線點數據采用**xd命名，管線線采用**x命名，在確定數據庫各數據名稱與字段后，對探測的網線完成信息采集，以此作為管線損壞位置的信息基礎

　　1.2 引用地質雷達設定采樣準則引用地質雷達完成土壤中的管線狀態圖像獲取工作，將獲取后的信息采用上述設定的圖層進行存儲。此次探測方法針對排污管線，在探測前需要對地質雷達的型號進行選擇。

　　在排污管道的探測中，要求雷達的中心頻率為300 MHz，探測深度為1-12米，對上述的設備進行詳細的研究后，選用符合探測條件的GPR-1型號儀器完成此次探測工作，在探測工作中，利用電磁波間接獲取排污管線在土壤中的狀態信息。為保證探測數據可有效體現排污管道的狀態，設定相應的采樣準則。采樣點一般需要選取在污染管線極易發生破損的位置，一般的污染物均含有金屬元素等，所以選用電磁波來確定污染物的狀態信息。設定雷達的探測記錄反射波采樣點之間的時間間隔為管線采樣率。采用尼奎斯特采樣準則對其控制，即采樣率為探測記錄的反射波中最高頻率的2倍。設定污染物的采樣頻率為r的簡諧波進行采樣，采樣時間為At，采樣的污染范圍為Ag，兩者之間的關系為：

　　大部分的地質雷達的相對寬帶為1，簡而言之是指發射脈沖能量所采集的土壤的覆蓋范圍為中心頻率的1~2倍，根據尼奎斯特采樣準則，采樣率為中心頻率的3倍。則上述準則可轉換為:

　　根據管線的實際情況，將采樣率設定為以上理想值的一半，則在進行管線的實際測量時需要遵守的采樣準則為:

　　根據上述采樣準則設定雷達的采樣準側，將雷達所需的污染物的采樣距離、分辨率、方向設定見圖 1。

　　使用上述設定完成土壤中管道狀態的獲取工作，將數據依據管線結構劃分表進行存儲。

　　1.3 獲取管道狀態及損傷位置定位將地質雷達獲取到的數據進行基本處理，此次的處理過程包括數據編輯、解震蕩濾波、時間零點校正、濾波、偏移處理、屬性分析等過程。將管線雙曲線方程。使A=[4，B C，D，E，"且x=，xy，'，y，1]，則有w，(a，x)，即排污管線損傷點處理后的數據轉換為拋物線的形式，采用擬合算法完成對損傷位置的定位工作。

　　將排污管線信息雙曲線特征點采集后，通過擬合得到排污管線曲線的代數距離。損傷點可表示為：

　　通過對公式的整合，得出排污管線曲線函數的取值范圍，將取值范圍帶入曲線函數中，得出損傷點的位置信息。

　　由于此次設計中采用地質雷達對管線的排污管線損傷位置進行探測，在排污管線局部定位后采用高頻短電磁波對管線所在的地層深度進行計算，設定 o 為電磁波中的土壤污染的損耗因子，因土壤為非導磁介質，則相對磁導率取值為 1

　　在上式中，h為地層界面深度;t為電磁波傳輸時間，9為相對節點常數。采用上述公式對損傷點在土壤中的深度進行計算，結合擬合函數結果，得到排污管線損傷位置。至此，基于地質雷達的地下排污管線損傷位置探測方法設計完成。

　　2仿真實驗分析

　　根據上述部分，完成基于地質雷達的地下排污管線損傷位置探測方法的設計。為了驗證本方法對地下排污管線損傷位置判斷的有效性，采用仿真實現的形式，對比文章設計方法與文獻[5]方法的使用差異。

　　2.1實驗環境

　　為保證此次實驗結果的有效性，對實驗的環境進行設計。基于文中方法需要地質雷達輔助完成，因而在實驗設計的選用與組建中選擇原有方法與地質雷達可兼容的儀器設備，具體設定設備參數見表1。

　　選用上述設備，完成實驗環境的組建工作中。此次實驗中選用高精度地質雷達。在此次實驗中，將實驗目標設定為管線損傷位置定位精度，通過對比文獻[5]方法與文章設計方法的定位誤差值來體現。

　　2.2實驗樣本

　　此次實驗將在戶外空地模擬完成，在實驗區域的土壤中預埋部分管線，設定管線內含5處損傷位置，采用原有方法與文章設計方法對其具體位置進行探測，對比兩種方法的探測精度。具體實驗區域見圖2

　　圖片中的黑色標記為管線的損傷點，采用文獻

　　[5]方法與文章方法對土壤中管線的破損位置進行探測，將探測結果精度通過圖像的形式顯示。

　　2.3實驗結果

　　使用上式實驗設定，完成原有方法與文章方法對于管線中損傷位置的探測過程，將兩種方法的探測結果精度通過誤差的形式體現，具體圖像見圖3。

　　通過上述實驗結果可知，在5次測試點的探測中，原有方法在測試點1-3的探測效果較好，誤差僅為6%~7%，在測試點4-5的探測中，誤差超過10%，超過誤差預先設定標準。相較于原有方法，文中設計方法在5個測試點的探測過程中，其誤差均低于3%。相較于原有方法的評估誤差為7.5%，文章設計方法的探測精度較高。與此同時，文章中設計方法無需進行土壤檢測即可獲取探測結果，原有方法需對土壤進行檢測才可以得出探測結果，相比文中設計方法較為復雜。綜上所述，文章設計方法的使用效果與探測精準度高于原有方法。

　　3 結語

　　針對原有管線損傷位置探測方法在實際應用過程中存在繁瑣且容易造成誤差的問題，文章以地質雷達為基礎，設計了一種地下排污管線損傷位置的探測方法。通過實驗將原有方法與文章方法的使用性能進行了比較試驗，結果表明：文章方法的探測誤差較低，處理速度較快，對于地下排污管線損傷位置探測更有效。鑒于文章設計的方法計算量較大，在使用中提高了計算精度，保證了探測結果的準確度。將此方法應用于排污管線的管理及破損監測中，可以降低排污管道破損、污染物溢出對土壤的破壞及影響，促進耕地的可持續發展。

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