渗漏埋地供水管道雷达探测信号特征分析.pdf

DOI：10.13876/J.cnki.ydnse.230031第 42 卷 第 3 期2023 年 9 月延安大学学报（自然科学版）Journal of Yanan University（Natural Science Edition)Vol.42 No.3Sep.2023渗漏埋地供水管道雷达探测信号特征分析张玉强*，郭辉（延安大学 物理与电子信息学院，陕西 延安 716000）摘要：针对渗漏埋地供水管道泄露雷达探测问题，在管道渗漏扩散规律及周围土壤含水率变化对土壤介电常数影响研究的基础上，利用计算机模拟不同掩埋深度、不同入射频率、不同掩埋土体、不同材质以及不同管径情况下渗漏埋地管道的雷达探测，并对所得管道及起渗漏区域回波信号的特征了进行分析。研究结果对提高供水管道及其渗漏情况雷达探测数据解释的有效性和精度提供有力支撑。关键词：管道渗漏；探地雷达；数值仿真；特征分析中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1004-602X（2023）03-0092-06埋地管道是目前城市供水的主要方式之一，相比地面管道，可以极大地减小人为和自然破坏，但也常会因年久失修或地下受力变化造成变形甚至损坏，导致发生泄露1。而埋地管道泄露不仅会造成水资源的严重浪费，而且会冲刷和侵蚀周围土壤，导致形成地下空洞，造成地面塌陷，对人民生命和财产安全造成严重威胁。因此，如何及时发现埋地管道泄露并排除是城市管理的重要方面之一，具有重要的意义2。探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）是一种高效的浅层地球物理探测技术，它先对地下发射高频电磁脉冲，然后根据所接收的反射回波信号分析和推断地下介质结构和物性特征，具有高精度、高分辨率、无损伤、结果直观和机动性强等优点，被广泛用于工程质量检测、地质结构探测、考古以及埋地管道渗漏探测等多个领域3-4。2014年，CATALDO等5将探地雷达用于埋地管道渗漏检测，发现探地雷达比电阻率层析法、时域反射法具有更高的精度。2016年，WALLACE等6开展地下供水管道泄露雷达探测的实验室模拟实验，研究了处于模型箱内供水管道不同渗漏阶段的雷达回波信号。2016年，沈宇鹏等7对管道不同部位及不同持续时间渗漏的雷达探测进行了数值模拟，并对获得的回波信号进行分析，发现管线的渗漏区形状与管线直径、渗漏持续时间密切相关。2018年，金鑫8研究了高含水量渗漏区雷达信号反射系数与介电常数之间的关系，进而根据雷达回波数据圈定了渗漏异常区。2020年，胡群芳等9将探地雷达用于市政管线渗漏检测，将二维雷达剖面图合成三维雷达数据，并以此估计了渗漏发生的区域和渗漏中心位置，同时发现管道泄露会导致管线下方对应的雷达回波信号出现明显的震荡信号。2022年，刘海等10结合物理模型试验与渗流场-电磁场数值模拟分析了干砂中PVC管和金属管渗漏前后雷达信号特征、渗漏后震荡信号的形成机理和电磁波传播路径，发现地下水管渗漏会使得管道周围区域出现一定分层状态，从而导致不同层的界面间形成多次反射。从现有研究成果可以发现，尽管雷达探测具有很多优势，但也存在数据解释专业性强、回波信号易受环境因素影响等问题。特别是在埋地管道渗漏雷达探测时，背景介质、土壤含水率等会对雷达回波产生较大影响，这会给雷达数据解译带来更大的困难。因此，本文从埋地管道渗流扩散理论出发，首先获得土壤介电常数、电导率与含水率的关收稿日期：2023-04-14基金项目：国家自然科学基金资助项目（61961041）；陕西省自然科学基金项目（2019JM-363）作者简介：张玉强（1970），男，陕西延长人，延安大学教授，博士。通信作者 电子信息科学 第 3 期张玉强 等：渗漏埋地供水管道雷达探测信号特征分析系，然后应用Geo-studio渗流模拟软件获得渗漏埋地供水管道渗流区域的土壤含水率分布，进而得到管道周围渗漏区的介电常数、电导率分布，再代入gprMAX获得不同掩埋深度、不同入射频率、不同土质、不同材质以及不同管径情况下的埋地渗漏管道的雷达回波信号，并对其进行特征分析。研究结果对地下管线渗漏雷达探测的有效性及对雷达探测数据解释可以提供有力支撑。1供水管道渗流区域建模土壤中含水量是影响土壤介电常数和电导率的重要因素。因此，想要建立埋地水管渗漏情况下的雷达探测仿真模型，就需要先对埋地水管渗漏后渗漏区形状及水管周围土体的含水量分布进行分析。自然界中绝大部分土壤都处于非饱和状态。当埋地水管发生泄露时，水通过破损点向周围的土壤进行渗流。渗流速度v遵循达西定律11，即v=k()dHdL，（1）其中，k()是渗透系数，也称水力传导系数，是土壤含水率的函数，主要取决于土体孔隙比和空隙的连通性；H是沿地下水渗漏方向上的水头；L是渗透路径。将渗流速度v沿x，y，z三个方向进行分解，可得vx=kx()Hx，vy=ky()Hy，vz=kz()Hz，（2）其中，kx()、ky()、kz()分别为沿x、y和z三个方向的渗透系数。根据土壤渗流的控制方程可知，在土体中某一处单位时间内流体流入和流出单元体的差等于土体单位时间内总流量的变化12，即vxx+vyy+vzz=-t。（3）将式（2）代入式（3），进一步可得x(kx()Hx)+y(ky()Hy)+z(kz()Hz)=-t，（4）式（4）表明，各方向外部施加的流通量之和的改变等于单位体积含水量的改变率。在管道渗漏之初，由于土壤还处于非饱和状态，土壤含水率会随着时间改变。随着渗流的持续，渗漏点周围的土壤由非饱和状态逐步变为饱和状态，此时土壤的含水率以及式（4）中的kx()、ky()和kz()趋近于常数，不再随时间变化。此时处于水饱和状态的区域，其渗流控制方程转化为如下形式：x(kxHx)+y(kyHy)+z(kzHz)=0。（5）最终，渗漏水管会在渗漏点附近形成一个以渗漏点为中心向四周扩张的呈球形的渗漏区，同时水在土体中下渗，使渗漏区逐渐发展成类蘑菇状，渗漏区内各处的土壤含水率可以通过式（4）和（5）求得。埋地管线的渗漏，导致管道周围渗漏区内土壤的含水量上升，而土壤含水量的变化，进一步引起土壤的介电常数、电导率等电磁参数变化，从而对雷达回波信号造成较大影响。在含水率为5%50%的低损耗土壤中，其相对介电常数r与土壤含水率之间的关系13可表示为r=3.03+9.3+146()2-76.6()3，（6）而土壤电导率与土壤含水率之间的关系，一般可以表示为如下经验公式14：=4.504e8.2635。（7）2数值模拟与结果分析数值模拟的计算区域如图1所示，区域的最上方为0.1 m的自由空间，向下依次为0.1 m的沥青、0.3 m的混凝土，最下方为5.5 m的土壤，充满水的供水管道处于土壤中，r和分别为介质的相对介电常数和电导率。渗漏埋地管道周围土壤的介电常数和电导率首先通过Geo-studio软件获得含水量分布，然后再由式（6）和（7）求得。空间网格为0.002 m0.002 m，以PML吸收边界截断。激励源采用雷克子波，发射天线与接收天线间距为0.12 m。雷达从左向右以剖面法进行扫描，步长为0.02 m。空气(r=1.0,=0)沥青(r=4.0,=0.005)混凝土(r=9.0,=0.05)土壤0.1 m0.1 m0.3 m5.5 m图1计算区域模拟93延安大学学报（自然科学版）第 42 卷 为研究不同因素对渗漏埋地供水管道雷达探测回波信号的影响，分别讨论不同掩埋深度、不同入射频率、不同土质、不同材质及不同管径下埋地渗漏管道的雷达回波信号，并对计算结果进行分析。1）不同掩埋深度根据 给排水管道施工技术规范，一般供水管道的掩埋都在0.52.5 m之间。为了观测掩埋深度对埋地渗漏管道雷达探测回波的影响，分别考虑埋深为0.8 m和2.2 m，且渗漏达到稳态后处于渗漏区域内的埋地管道的雷达回波情况。其中，管道为管径0.4 m且充满水的PVC管道，土壤类型为粉土，初始含水量0.05，饱和含水量0.43，非饱和区的含水量依次0.40、0.30、0.20、0.10。天线中心频率400 MHz。模拟计算结果如图2所示。由图2可见，在雷达数据剖面中均呈现上下两组回波的双曲线形态，两组曲线均有堆叠，其中，第一组双曲线由管道及其渗漏的顶部反射引起，第二组双曲线由管道下方及渗漏区反射引起。将图2A和图2B对比可知，首先埋深影响回波传输的时间，埋深越小，回波出现越早。其中，图2A中管道上方渗漏区顶部的雷达回波出现的时间为15 ns，管道顶部的回波曲线出现时间为20 ns，渗漏区底部探地雷达回波出现时间为50 ns；图2B中管道上方渗漏区顶部的回波曲线峰出现时间为35 ns，管道上管壁的雷达回波在40 ns时出现，渗漏区底部探地雷达回波时间出现为70 ns。其次，埋深会影响回波信号的强度，并使回波双曲线的曲率变得平缓，长度增长。这是因为埋深越大，土体电损耗就越大，使得雷达回波信号变得较弱，回波信号扩散越严重。2）不同入射频率为了分析发射信号频率对埋地渗漏管道雷达探测回波的影响，分别考虑中心频率为200 MHz和700 MHz的雷克子波入射。计算中，选择管径0.4 m充满水的PVC管道，管道埋深为2.2 m，土壤为初始含水率5%、饱和含水率43%的粉土。具体计算结果如图3所示。由图3可见，两种情况回波信号到达时间基本一致，但回波信号的强度总体上随频率增大而减小，特别是管道下方渗漏区对应的回波的强度减小更为明显。以200 MHz的雷克子波入射时，管道上方和下方对应的回波曲线均较为清晰、完整，分层明显，且上方回波曲线呈分层状包围管道。当频率增至700 MHz时，管道上方渗漏区的回波信号进一步减弱，回波出现缺失，管道下方回波信号呈现大面积无规律断续。这是因为入射信号频率较低时穿透力较强，随着入射信号频率变高，土壤对信号的t/ns0204060801000102030405060708090扫描道数序列0200400600800-200-400-600-8000200400600800-200-400-600-800E/(V/m)A.管道深度0.8 mB.管道深度2.2 mt/ns0204060801000102030405060708090扫描道数序列E/(V/m)图2不同掩埋深度管道渗漏的B扫描图t/ns0204060801000102030405060708090扫描道数序列0200400-200-400E/(V/m)A.中心频率200 MHzB.中心频率700 MHzt/ns0204060801000102030405060708090扫描道数序列0200400600-200-400-600E/(V/m)图3不同探测频率时管道渗漏的B扫描图94第 3 期张玉强 等：渗漏埋地供水管道雷达探测信号特征分析衰减会增大，穿透性会降低，但分辨率会变高，管道对入射信号的反射越明显。所以在进行雷达探测时，需根据目标物体的反射波具体情况考虑，并非频率越高越好。3）不同土质环境为了研究不同土壤对渗漏埋地管道雷达探测回波信号的影响，分别考虑中等渗透性的粉土和强渗透性的沙土中泄露的 PVC 管道。其中，管径为0.4 m，管内填充有水，埋深为2.2 m。入射波选择中心频率为400 MHz的雷克子波。两种土壤的初始含水率均为5%，其中粉土饱和时含水量为43%，非饱和区的含水量依照0.40、0.30、0.20、0.10依次减少；沙土的饱和含水率为 38%，非饱和区的含水量依照0.30、0.20、0.15、0.10依次减少。计算结果如图4所示。由图4可见，沙土中渗漏管道的上方回波信号呈现完整的三条双曲线回波，并且渗漏区的反射场强度低于管道反射场的强度，回波信号的曲线长度和曲率均较大。管道下方渗漏区仅有两条堆叠的完整回波曲线，其他则较杂乱。分析原因，应该是因为沙土的渗透性更好，渗漏区面积大于粉土的渗漏区面积，使得渗漏区范围超出了雷达的探测深度。对于图4B所示的粉土，渗漏管道上方的回波信号只有一条较为明显的双曲线，且雷达回波曲线的长度和曲率均较小。回波信号的强度总体要弱于沙土，这主要是因为粉土的饱和含水率要大于沙土，使得渗漏区电损耗高于沙土，因此对雷达信号的衰减较大。4）不同材质管道常用输水管道有金属管道、PVC管道等多种材质，为了对比不同材质管道对雷达探测的影响，分别考虑同一土壤、同一埋深的PVC管道和铸铁管道的情况。其中，掩埋区土壤为粉土，其初始含水率和饱和含水率分别为 5%和 43%。管道管径均为0.4 m，管内充水。管道掩埋深度2.2 m，探测雷达中心频率为400 MHz。具体计算结果如图5所示。由图5可见，铸铁管道的管顶雷达回波信号出现的时间为 40 ns，回波信号较强，回波显示明显。管道上方渗漏区的回波双曲线按呈现明显的分层状态。这主要是因为金属管道与土壤的电磁参数差异较大，且雷达信号无法穿过金属管道，管道内水对雷达信号的影响被屏蔽，管道上方渗漏区的土壤含水率不同。管道下方渗漏区出现振荡的雷达回波信号，但缺乏较强的回波信号。这主要是因为渗漏导致管道底部土壤的含水率不同，使得管道周围的土壤介电参数存在差异，但差异较小，同时0204060801000102030405060708090扫描道数序列0100200-100-200E/(V/m)A.沙土中的渗漏PVC管道B.粉土中的渗漏PVC管道t/nst/ns0204060801000102030405060708090扫描道数序列0200400600800-200-400-600-800E/(V/m)图4不同掩埋土壤情况下渗漏PVC管道的B扫描图t/ns0204060801000102030405060708090扫描道数序列0100200-100-200E/(V/m)A.渗漏的铸铁管道t/ns0204060801000102030405060708090扫描道数序列0200400600800-200-400-600-800E/(V/m)B.渗漏的PVC管道图5渗漏情况下不同材质管道的B扫描图95延安大学学报（自然科学版）第 42 卷 金属管道对回波信号有较大的屏蔽和反射作用。而对于泄露的 PVC 管道，管顶雷达回波出现的时间同样为 40 ns，但由于雷达信号能够穿过 PVC 管道，不仅管道本身会导致信号反射，管道内的水同样也会对信号产生影响，使得管道上方渗漏区仅能观察到管道和渗漏区存在分界，渗漏区的雷达回波无明显分层。管道底部渗漏区则由于PVC管道对电磁波的影响较小，使得通过管道后的雷达信号仍然具有较强的反射能力，在渗漏区和管道底部引起多次反射，形成管道底部下方的回波信号出现分层。在实际探测中，对于金属管道，若雷达图像中存在多次波，则该管道周围可能存在渗漏区和渗漏点。对于PVC管道，如果雷达回波出现杂乱振荡信号，并且部分区域能量增强，则该管道出现破损渗漏。5）不同管径管道为了分析不同管径对渗漏埋地管道雷达探测信号的影响，分别考虑管径0.4 m和1.0 m的PVC管道和铸铁管道情况。管道掩埋在粉土中，埋深2.2 m，管内充水，管道底部破损。入射波采用400 MHz的雷克子波。渗漏情况下不同管径的PVC和铸铁管道的雷达B扫描具体计算结果如图6所示。由图6可见，大直径管道的底部渗漏情况与小直径管道渗漏情况不同，由图6A、C可知，PVC和铸铁材质管道的小直径管道渗漏区顶部雷达回波出现的时间为35 ns，管顶雷达回波出现的时间为40 ns，说明小直径管道的渗漏区可以越过管道向上渗流。观察图6B、D可知，管道材质为PVC和铸铁的大直径管道顶部雷达回波在B扫描图中出现的时间为40 ns，管道渗漏区顶部雷达回波出现的时间为45 ns，说明大直径管道产生的渗漏区位于管道下方，并且渗漏区含水率的不同，导致管道回波末端部分的信号衰减较为严重，引起末端出现不同轴的杂波。通过图6观察两种尺寸的PVC管道和铸铁管道的渗漏区回波信号可知，大直径管道渗漏区回波的曲率和长度均大于小直径管道发生渗漏时的雷达回波。对比两种材料的B扫描图可知，大直径管道渗漏区的分布情况与小直径管道相比更加复杂，在大直径管道发生渗漏时，由于管径较大，渗漏区不能越过管道向上渗流，在雷达回波上管道的回波双曲线出现的比渗漏区雷达回波早。在相同中心频率的雷达探测下，随着管径的增大，渗漏区面积随之增大，并且管道底部渗漏区雷达回波发生缺失，所以在探测时应该将测量范围增大，当出现回波曲线的长度与曲率比未渗漏部分管道的回波曲线长度长、曲率大时，即可判断出管道底部发生了渗漏。3结论本文对城市供水管道在不饱和土壤中的渗漏情况进行了数值模拟，发现供水管道的泄露使得管道周围形成了与外层土层介电常数相差较大的渗漏区，渗漏区越接近管道渗漏点的土壤含水率越t/s0204060801000102030405060708090扫描道数序列0200400600800-200-400-600-800E/(V/m)A.管径为0.4 m的PVC管道t/ns0204060801000102030405060708090扫描道数序列0200100-200-100E/(V/m)B.管径为1.0 m的PVC管道C.管径为0.4 m的铸铁管道D.管径为1.0 m的铸铁管道t/ns0204060801000102030405060708090扫描道数序列0100200-100-200E/(V/m)t/ns0204060801000102030405060708090扫描道数序列0100200-100-200E/(V/m)图6渗漏情况下不同管径PVC和铸铁管道的B扫描图96第 3 期张玉强 等：渗漏埋地供水管道雷达探测信号特征分析高，并且存在分层现象。在进行雷达探测时，高含水率会导致土壤介电常数和电导率发生较大变化，增大雷达信号的损耗，改变雷达信号地下传播的速度。土壤分层会使得雷达信号在分层界面以及管道壁之间产生多次反射，导致雷达回波出现无规则杂波。同时，不同管道埋深、不同信号频率、不同土质、不同管道材质和管径均会对雷达回波信号的幅度、几何形状造成影响，通过对回波信号峰值、回波双曲线时间刻度的计算，并结合电磁波在土体饱和含水率下的电磁波速可判断出渗漏区位置和范围。研究结果对利用探地雷达判断评价管道渗漏灾害提供理论支持，并对管道渗漏实测雷达图像的解读具有指导意义。参考文献：1 陈思静，胡祥云，彭荣华.城市地下管线探测研究进展与发展趋势 J.地球物理学进展，2021，36（3）：1236-1247.2 LIU H，HUANG Z G，YUE Y P，et al.Characteristics analysis of ground penetrating radar signals for groundwater pipe leakage detection C/IET International Radar Conference.New York：IEEE，2020：848-851.3 戢沁楠，周斌，钟景阳，等.基于超宽带步进GPR和EMI的钢筋检测 J.电子测量技术，2021，44（5）：34-40.4 倪志康，叶盛波，史城，等.一种深度学习辅助的探地雷达定位方法 J.电子与信息学报，2022，44（4）：1265-1273.5 CATALDO A，PERSICO R，LEUCCI G，et al.Time domain reflectometry，ground penetrating radar and electrical resistivity tomography：a comparative analysis of 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毕伟Analysis of GPR signal features from leaking underground water supply pipesZHANG Yuqiang*，GUO Hui（School of Physics and Electronic Information，Yanan University，Yanan 716000，China）Abstract：Aiming at the problem of radar detection of leakage of underground water supply pipes，based on the study of the diffusion law of pipe leakage and the influence of the change of surrounding soil moisture content on the soil dielectric constant，the radar detection of leaking pipes under different burial depths，different incident frequencies，different buried soils and different materials of pipelines was simulated by computer，and the features of the echo signals of obtained pipes and the leakage area were analyzed.The results provide strong support for improving the effectiveness and accuracy of radar detection data interpretation of water supply pipes and its leakage.Key words：pipe leakage；ground penetrating radar；numerical simulation；feature analysis97