本文選題：管道漏點(diǎn)　切入點(diǎn)：三維微震模擬　出處：《中國(guó)地質(zhì)大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：管道運(yùn)輸是一種非常有效快捷的運(yùn)輸方式,在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要地位。在我國(guó),管道運(yùn)輸涵蓋了供水、供氣以及供油系統(tǒng)的運(yùn)輸,成為關(guān)系日常生活以及經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要組成部分。作為一種新興的、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式,管道輸送具有平穩(wěn)連續(xù)、成本低、運(yùn)輸量大、質(zhì)量易保證等顯著特點(diǎn),近些年來更是得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。與此同時(shí),管道運(yùn)輸也存在著漏損的風(fēng)險(xiǎn),加之我國(guó)管道運(yùn)輸存在監(jiān)管維護(hù)不足等問題,一旦發(fā)生管道漏損,不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失,還有可能引發(fā)重大安全問題。當(dāng)前我國(guó)城市供水管網(wǎng)漏損率平均已超過20%,存在著極大的浪費(fèi)。如何有效檢測(cè)管道漏損已成為確保管線安全運(yùn)行的一個(gè)重要課題�，F(xiàn)階段常用的管道漏損定位方法,大部分還停留在二維階段,且都受到各種條件限制：能夠比較精確定位的,對(duì)場(chǎng)地、設(shè)備要求較高,如現(xiàn)在常用的相關(guān)分析法,雖然精度高,但開展工作時(shí),必須對(duì)管線的分布十分清楚,傳感器必須安放在管線的出露點(diǎn)上,同時(shí)受管線埋深、管徑變化、材質(zhì)影響較大,另一種常用的區(qū)域測(cè)漏法,儀器設(shè)備昂貴,傳感器布設(shè)程序較繁瑣,不適合普查性測(cè)漏；能夠靈活展開的,定位精度差,如最常用的聽音法,雖然使用起來簡(jiǎn)單,但精度較低,受外界環(huán)境影響大。因此,建立一種以在地面任意點(diǎn)安置檢波器對(duì)管道漏點(diǎn)進(jìn)行快速準(zhǔn)確三維定位的方法技術(shù),具有十分重要的理論和實(shí)際意義。本文以管道漏點(diǎn)形成微震為基礎(chǔ),通過研究漏點(diǎn)微震的形成機(jī)理、微震波的傳播規(guī)律和波場(chǎng)特征,建立漏點(diǎn)三維定位的理論方法技術(shù),為管網(wǎng)泄漏聲波觀測(cè)系統(tǒng)和漏點(diǎn)三維定位提供基礎(chǔ)理論依據(jù),進(jìn)而提高基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的漏點(diǎn)定位精度,有效實(shí)現(xiàn)基于地面觀測(cè)記錄的漏點(diǎn)三維定位。1)利用相對(duì)成熟的均勻各向同性介質(zhì)三維聲波方程的數(shù)值模擬方法,從均勻各向同性三維聲波方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式出發(fā),給出了時(shí)間導(dǎo)數(shù)二階差分、空間導(dǎo)數(shù)2N階差分精度的三維波動(dòng)方程高階有限差分格式及其穩(wěn)定性條件,進(jìn)一步研究了聲波方程的三維高階交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分方法,討論了邊界條件的選擇并推導(dǎo)了非分裂的CPML邊界條件三維各向同性介質(zhì)中波動(dòng)方程的交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分格式,同時(shí)分析連續(xù)震源的建立過程,形成了供水管網(wǎng)泄漏正演模擬及波場(chǎng)響應(yīng)特征分析方法。2)針對(duì)城市供水管道泄漏特點(diǎn)和漏點(diǎn)微震特性,開展了微震函數(shù)的構(gòu)建和分析研究。基于場(chǎng)地實(shí)際信號(hào)主頻的雷克子波作為母子波,采用隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)作為某時(shí)刻子波的幅度因子,構(gòu)建了漏點(diǎn)微震連續(xù)震源,所構(gòu)建的漏點(diǎn)微震震源的動(dòng)力學(xué)與場(chǎng)地實(shí)際漏點(diǎn)微震相符,模擬記錄波場(chǎng)特征與實(shí)際波場(chǎng)特征相匹配。為三維理論模擬研究提供了與實(shí)際漏點(diǎn)微震特性相符的震源數(shù)學(xué)模型。3)基于城市供水管道漏點(diǎn)特性和地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),構(gòu)建了在均勻無限半空間下的水平單一平直水泥管道模型、管道下方存在水平物性分層模型和管道下方存在起伏物性分層的三類典型漏點(diǎn)三維地質(zhì)地球物理理論模型,為后續(xù)研究提供了基礎(chǔ)。4)基于本文構(gòu)建的漏點(diǎn)微震連續(xù)震源數(shù)學(xué)模型、三類典型漏點(diǎn)三維地質(zhì)地球物理模型和三維高階交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分方法,進(jìn)行了漏點(diǎn)微震波場(chǎng)特征三維數(shù)值模擬和分析研究,得到了與實(shí)際漏點(diǎn)微震相符的三維微震波場(chǎng),為后續(xù)研究提供了三維微震模擬數(shù)據(jù)。5)針對(duì)漏點(diǎn)三維微震模擬數(shù)據(jù),采用相對(duì)于參考道的廣義相關(guān)方法,開展了相對(duì)于參考道的相關(guān)計(jì)算和特征研究,以及影響相關(guān)時(shí)差獲取精度的因素研究,說明了相關(guān)時(shí)差提取方法的準(zhǔn)確性和有效性。結(jié)果表明：①根據(jù)兩條及以上不平行測(cè)線的互相關(guān)譜同相軸的頂點(diǎn)可進(jìn)行漏點(diǎn)的近似平面定位,過頂點(diǎn)位置的測(cè)線垂直線的交點(diǎn)即為漏點(diǎn)的近似平面定位,該位置可為參考道選擇和三維定位反演的平面搜索范圍提供依據(jù)。②不管參考道是近道還是遠(yuǎn)道,所獲得的相關(guān)時(shí)差均十分接近于理論值,相對(duì)而言近道的時(shí)差精度比遠(yuǎn)道高。采用x分量記錄進(jìn)行相關(guān)時(shí)差獲取比z分量記錄更有效,因此采用x分量記錄和靠近漏點(diǎn)道作為參考道有利于相關(guān)時(shí)差的獲取,提高相對(duì)于參考道相關(guān)時(shí)差的獲取精度。③相關(guān)時(shí)窗具有一定大小后,對(duì)相對(duì)于參考道的相關(guān)時(shí)差獲取精度影響不大,即相關(guān)時(shí)差獲取精度基本上與相關(guān)時(shí)窗大小無關(guān)；當(dāng)記錄中存在噪聲時(shí),總體對(duì)相對(duì)于參考道的相關(guān)時(shí)差獲取精度影響不明顯,當(dāng)時(shí)窗長(zhǎng)度大于1000ms后,相關(guān)時(shí)差完全滿足精度要求,說明相對(duì)于參考道相關(guān)時(shí)差的獲取方法具有較高抗噪能力。6)針對(duì)漏點(diǎn)三維微震模擬數(shù)據(jù),采用基于相對(duì)于參考道時(shí)差的模擬退火三維定位反演方法,進(jìn)行了地面排列方式和觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)三維定位精度影響的理論分析和數(shù)值模擬研究,說明了基于相對(duì)于參考道時(shí)差的模擬退火三維定位反演方法的準(zhǔn)確性和有效性。結(jié)果表明：①垂直管道的單線單邊還是單線雙邊排列只能有效獲取漏點(diǎn)的x坐標(biāo),平行管道的排列只能有效獲取漏點(diǎn)的y坐標(biāo),此時(shí)斜交管道的排列已不能獲取漏點(diǎn)的任意坐標(biāo),也就是說不管單線單邊還是單線雙邊都無法實(shí)現(xiàn)漏點(diǎn)的三維定位。②平行和正交雙線排列測(cè)線組可較準(zhǔn)確地獲取漏點(diǎn)的三維坐標(biāo),相對(duì)而言平行測(cè)線組的定位精度要高；斜交雙線排列測(cè)線組只能較準(zhǔn)確地獲取漏點(diǎn)的x、y坐標(biāo),其定位精度前兩測(cè)線組相當(dāng),但已不能對(duì)z進(jìn)行有效定位。在一般情況下宜采用平行雙線排列測(cè)線組來獲取漏點(diǎn)的三維坐標(biāo),且具有較高的定位精度,滿足實(shí)際要求。③在排列長(zhǎng)度一定的情況下,x、y和z的反演定位精度基本上與記錄道數(shù)無關(guān)；在記錄道數(shù)一定的情況下,x、y和z的反演定位精度與排列長(zhǎng)度(即道間距)有關(guān),在折射波與直達(dá)波交匯處誤差最大。因此,適當(dāng)選擇排列位置和長(zhǎng)度有利于漏點(diǎn)位置的有效確定。④在噪聲存在的情況下,平行和正交雙線排列測(cè)線組可較準(zhǔn)確地獲取漏點(diǎn)的三維坐標(biāo),相對(duì)而言坐標(biāo)z的相對(duì)誤差比坐標(biāo)x、y的相對(duì)誤差大；斜交雙線排列測(cè)線組只能較準(zhǔn)確地獲取漏點(diǎn)的x、y坐標(biāo),其定位精度高于前兩測(cè)線組,但已不能對(duì)z進(jìn)行有效定位,這是因管道下方界面產(chǎn)生的反射和折射干涉所致。說明基于相對(duì)于參考道相關(guān)時(shí)差的模擬退火定位反演方法具有較高的抗噪能力。⑤漏點(diǎn)深度已知時(shí),任意雙線排列測(cè)線組均可較準(zhǔn)確地獲取漏點(diǎn)的平面坐標(biāo),相對(duì)而言y坐標(biāo)的定位精度比x坐標(biāo)高,斜交雙線排列測(cè)線組定位精度最高,正交測(cè)線組次之,平行測(cè)線組最低。7)為了說明本文所形成的數(shù)據(jù)模擬、相對(duì)參考道的相關(guān)時(shí)差獲取和模擬退火三維定位反演方法技術(shù)的實(shí)用性和有效性,開展了漏點(diǎn)三維定位的場(chǎng)地試驗(yàn)和分析研究,說明三維理論模擬與實(shí)際漏點(diǎn)微震波場(chǎng)特性相符,相對(duì)參考道的相關(guān)時(shí)差獲取和模擬退火三維定位反演方法技術(shù)可有效應(yīng)用于實(shí)際,其漏點(diǎn)定位位置與實(shí)際基本相符,滿足應(yīng)用要求,但z(即漏點(diǎn)深度)存在一定的誤差,相對(duì)而言坐標(biāo)z(即漏點(diǎn)深度)的誤差高于x和y。當(dāng)管道漏點(diǎn)深度已知時(shí),x和y具有更高定位精度。8)理論模擬與場(chǎng)地試驗(yàn)結(jié)果表明,本文形成的基于地面記錄的漏點(diǎn)三維定位的理論方法技術(shù)(即漏點(diǎn)的地面監(jiān)測(cè)方法)和流程,可有效實(shí)現(xiàn)漏點(diǎn)的地面三維定位,且有較強(qiáng)的適應(yīng)性,為供水管網(wǎng)漏點(diǎn)的三維定位提供了新方法和新途徑。本文解決了以下關(guān)鍵問題：①構(gòu)建了漏點(diǎn)震源函數(shù)及地球物理模型；②針對(duì)供水管泄漏環(huán)境及其震源特性,有效實(shí)現(xiàn)三維聲波高階交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分微震模擬；③建立了適用于供水管道泄漏震源特征的有效信號(hào)提取方法,利用正演模擬計(jì)算的結(jié)果,對(duì)連續(xù)隨機(jī)震源的信號(hào)特征進(jìn)行分析,尋找微震監(jiān)測(cè)中有效的泄漏信號(hào)識(shí)別方法；④建立針對(duì)供水管泄漏點(diǎn)的震源定位方法及觀測(cè)系統(tǒng),利用正演的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,采用相關(guān)技術(shù)對(duì)無噪聲的模型記錄進(jìn)行到時(shí)差計(jì)算,比較了觀測(cè)方式不同對(duì)提取到時(shí)差精度的影響。本文的創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在：①以實(shí)際漏點(diǎn)形成特征為基礎(chǔ),基于實(shí)際漏點(diǎn)記錄波場(chǎng)特征分析,采用實(shí)際信號(hào)主頻的雷克子波作為母子波,隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)作為某時(shí)刻子波的幅度因子,構(gòu)建了城市供水管網(wǎng)漏點(diǎn)的連續(xù)震源函數(shù),所構(gòu)建的連續(xù)漏點(diǎn)微震震源與實(shí)際震源相符,模擬記錄波場(chǎng)特征與實(shí)際波場(chǎng)特征相匹配；②基于所構(gòu)建的漏點(diǎn)連續(xù)微震震源,采用三維聲波高階有限差分?jǐn)?shù)值模擬,有效實(shí)現(xiàn)了供水管網(wǎng)漏點(diǎn)的微震數(shù)值模擬,模擬記錄與實(shí)際觀測(cè)記錄相匹配；③通過理論和數(shù)值模擬的波場(chǎng)特征、相對(duì)參考道的相關(guān)時(shí)差、漏點(diǎn)的三維定位和噪聲系統(tǒng)分析,形成了基于地面記錄的漏點(diǎn)三維定位的觀測(cè)系統(tǒng),認(rèn)為任意單測(cè)線排列均不能有效實(shí)現(xiàn)漏點(diǎn)的三維定位,必須采用雙測(cè)線排列方可有效實(shí)現(xiàn)漏點(diǎn)的三維定位,且具有較高的抗噪能力,此時(shí)的三維定位滿足實(shí)際要求；④通過數(shù)值模擬和場(chǎng)地試驗(yàn),形成了基于地面記錄的漏點(diǎn)三維定位的理論方法技術(shù)(即漏點(diǎn)的地面監(jiān)測(cè)方法)和流程,有效實(shí)現(xiàn)漏點(diǎn)的地面三維定位,為供水管網(wǎng)漏點(diǎn)的三維定位提供了新方法和新途徑。
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【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TU991.61;P631.4

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本文編號(hào)：1568228