《基于地質(zhì)雷達(dá)的地下排污管線損傷位置探測方法研究》論文發(fā)表期刊：《環(huán)境科學(xué)與管理》；發(fā)表周期：2021年04期

《基于地質(zhì)雷達(dá)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(xué)本科，正高級工程師，研究方向:城市智慧管網(wǎng)、城市節(jié)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(jié)果誤差較大的問題，設(shè)計基于地質(zhì)雷達(dá)的地下排污管線損傷位置探測方法。設(shè)定排污管線空間結(jié)構(gòu)與管線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用數(shù)據(jù)庫的形式存儲管線數(shù)據(jù)。選取合適的地質(zhì)雷達(dá)型號，設(shè)定管線圖像采集準(zhǔn)則，對采集到的管線信息進(jìn)行預(yù)處理，使用曲線擬合函數(shù)與高頻短電磁波函數(shù)完成損傷位置的定位工作，從而實(shí)現(xiàn)地下排污管線損傷位置的探測。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達(dá);定位運(yùn)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(nèi)部排污管線處理降低了污染物對大氣及環(huán)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(nóng)作物與生物影響較大且短期內(nèi)不易恢復(fù)，這嚴(yán)重的影響了農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量B-4。傳統(tǒng)的管道損壞位置采用現(xiàn)場取樣的方式，通過對土壤樣本的化驗(yàn)分析得出管道破損位置3。但該方法復(fù)雜，容易造成檢測精度差的問題，因而設(shè)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(zhì)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)對管線的高精度探測。通過高頻電磁波技術(shù)控制電子設(shè)備，結(jié)合管線探測儀等設(shè)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(hù)效率。

　　1地下排污管線損傷位置探測方法設(shè)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(guān)重要的作用，只有快速準(zhǔn)確的判斷損傷位置，才能第一時間采取相應(yīng)措施，減少對環(huán)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(zhì)雷達(dá)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(shè)計中增加定位計算部分。使用雷達(dá)獲取的管線地質(zhì)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(chǎn)生的次數(shù)。

　　1.1排污管線空間結(jié)構(gòu)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(jìn)行劃分，將劃分后的排污管線圖層信息采用數(shù)據(jù)表的形式存儲，作為損傷位置獲取的基礎(chǔ)信息。

　　已知在排污管線中具有多種特征點(diǎn)，例如：管線的分支點(diǎn)、轉(zhuǎn)折點(diǎn)、多通點(diǎn)、彎頭等，這些特征點(diǎn)均為污染管線中極易發(fā)生破損的位置。因而，在圖層劃分中采用空間圖層的結(jié)構(gòu)體現(xiàn)。

　　排污管道采用GDB文件的形式存儲至地質(zhì)雷達(dá)控制計算機(jī)中，采用中國“兩點(diǎn)一線”的數(shù)據(jù)形式存儲，由管線段的起點(diǎn)與重點(diǎn)控制管線的總體信息。

　　采用上述設(shè)定的完成管線網(wǎng)絡(luò)模型的設(shè)計，設(shè)定管線數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫內(nèi)將管線的信息表分為兩類，分別為管線點(diǎn)與管線線。管線點(diǎn)數(shù)據(jù)采用**xd命名，管線線采用**x命名，在確定數(shù)據(jù)庫各數(shù)據(jù)名稱與字段后，對探測的網(wǎng)線完成信息采集，以此作為管線損壞位置的信息基礎(chǔ)

　　1.2 引用地質(zhì)雷達(dá)設(shè)定采樣準(zhǔn)則引用地質(zhì)雷達(dá)完成土壤中的管線狀態(tài)圖像獲取工作，將獲取后的信息采用上述設(shè)定的圖層進(jìn)行存儲。此次探測方法針對排污管線，在探測前需要對地質(zhì)雷達(dá)的型號進(jìn)行選擇。

　　在排污管道的探測中，要求雷達(dá)的中心頻率為300 MHz，探測深度為1-12米，對上述的設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)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(tài)信息。為保證探測數(shù)據(jù)可有效體現(xiàn)排污管道的狀態(tài)，設(shè)定相應(yīng)的采樣準(zhǔn)則。采樣點(diǎn)一般需要選取在污染管線極易發(fā)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(tài)信息。設(shè)定雷達(dá)的探測記錄反射波采樣點(diǎn)之間的時間間隔為管線采樣率。采用尼奎斯特采樣準(zhǔn)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(shè)定污染物的采樣頻率為r的簡諧波進(jìn)行采樣，采樣時間為At，采樣的污染范圍為Ag，兩者之間的關(guān)系為：

　　大部分的地質(zhì)雷達(dá)的相對寬帶為1，簡而言之是指發(fā)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(jù)尼奎斯特采樣準(zhǔn)則，采樣率為中心頻率的3倍。則上述準(zhǔn)則可轉(zhuǎn)換為:

　　根據(jù)管線的實(shí)際情況，將采樣率設(shè)定為以上理想值的一半，則在進(jìn)行管線的實(shí)際測量時需要遵守的采樣準(zhǔn)則為:

　　根據(jù)上述采樣準(zhǔn)則設(shè)定雷達(dá)的采樣準(zhǔn)側(cè)，將雷達(dá)所需的污染物的采樣距離、分辨率、方向設(shè)定見圖 1。

　　使用上述設(shè)定完成土壤中管道狀態(tài)的獲取工作，將數(shù)據(jù)依據(jù)管線結(jié)構(gòu)劃分表進(jìn)行存儲。

　　1.3 獲取管道狀態(tài)及損傷位置定位將地質(zhì)雷達(dá)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行基本處理，此次的處理過程包括數(shù)據(jù)編輯、解震蕩濾波、時間零點(diǎn)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(diǎn)處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(diǎn)采集后，通過擬合得到排污管線曲線的代數(shù)距離。損傷點(diǎn)可表示為：

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

　　由于此次設(shè)計中采用地質(zhì)雷達(dá)對管線的排污管線損傷位置進(jìn)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(jìn)行計算，設(shè)定 o 為電磁波中的土壤污染的損耗因子，因土壤為非導(dǎo)磁介質(zhì)，則相對磁導(dǎo)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(jié)點(diǎn)常數(shù)。采用上述公式對損傷點(diǎn)在土壤中的深度進(jìn)行計算，結(jié)合擬合函數(shù)結(jié)果，得到排污管線損傷位置。至此，基于地質(zhì)雷達(dá)的地下排污管線損傷位置探測方法設(shè)計完成。

　　2仿真實(shí)驗(yàn)分析

　　根據(jù)上述部分，完成基于地質(zhì)雷達(dá)的地下排污管線損傷位置探測方法的設(shè)計。為了驗(yàn)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(shí)現(xiàn)的形式，對比文章設(shè)計方法與文獻(xiàn)[5]方法的使用差異。

　　2.1實(shí)驗(yàn)環(huán)境

　　為保證此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性，對實(shí)驗(yàn)的環(huán)境進(jìn)行設(shè)計。基于文中方法需要地質(zhì)雷達(dá)輔助完成，因而在實(shí)驗(yàn)設(shè)計的選用與組建中選擇原有方法與地質(zhì)雷達(dá)可兼容的儀器設(shè)備，具體設(shè)定設(shè)備參數(shù)見表1。

　　選用上述設(shè)備，完成實(shí)驗(yàn)環(huán)境的組建工作中。此次實(shí)驗(yàn)中選用高精度地質(zhì)雷達(dá)。在此次實(shí)驗(yàn)中，將實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)設(shè)定為管線損傷位置定位精度，通過對比文獻(xiàn)[5]方法與文章設(shè)計方法的定位誤差值來體現(xiàn)。

　　2.2實(shí)驗(yàn)樣本

　　此次實(shí)驗(yàn)將在戶外空地模擬完成，在實(shí)驗(yàn)區(qū)域的土壤中預(yù)埋部分管線，設(shè)定管線內(nèi)含5處損傷位置，采用原有方法與文章設(shè)計方法對其具體位置進(jìn)行探測，對比兩種方法的探測精度。具體實(shí)驗(yàn)區(qū)域見圖2

　　圖片中的黑色標(biāo)記為管線的損傷點(diǎn)，采用文獻(xiàn)

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

　　2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　使用上式實(shí)驗(yàn)設(shè)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(jié)果精度通過誤差的形式體現(xiàn)，具體圖像見圖3。

　　通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在5次測試點(diǎn)的探測中，原有方法在測試點(diǎn)1-3的探測效果較好，誤差僅為6%~7%，在測試點(diǎn)4-5的探測中，誤差超過10%，超過誤差預(yù)先設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。相較于原有方法，文中設(shè)計方法在5個測試點(diǎn)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(shè)計方法的探測精度較高。與此同時，文章中設(shè)計方法無需進(jìn)行土壤檢測即可獲取探測結(jié)果，原有方法需對土壤進(jìn)行檢測才可以得出探測結(jié)果，相比文中設(shè)計方法較為復(fù)雜。綜上所述，文章設(shè)計方法的使用效果與探測精準(zhǔn)度高于原有方法。

　　3 結(jié)語

　　針對原有管線損傷位置探測方法在實(shí)際應(yīng)用過程中存在繁瑣且容易造成誤差的問題，文章以地質(zhì)雷達(dá)為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種地下排污管線損傷位置的探測方法。通過實(shí)驗(yàn)將原有方法與文章方法的使用性能進(jìn)行了比較試驗(yàn)，結(jié)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(shè)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(jié)果的準(zhǔn)確度。將此方法應(yīng)用于排污管線的管理及破損監(jiān)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(jìn)耕地的可持續(xù)發(fā)展。

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