本發(fā)明屬于地球物理勘探與城市地質(zhì)災(zāi)害防治，具體涉及一種基于地震krauklis波的城市巖溶導(dǎo)水通道檢測(cè)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)巖溶導(dǎo)水通道探測(cè)依賴地震波法(如p波/s波反射信號(hào))和電磁法，但這些方法對(duì)動(dòng)態(tài)水流特征識(shí)別能力不足，且受城市環(huán)境噪聲干擾嚴(yán)重，導(dǎo)致導(dǎo)水通道的連通性評(píng)估誤差率高達(dá)30％。例如，常規(guī)地震波法對(duì)厘米級(jí)裂隙的分辨率不足(>10米)，而電磁法難以區(qū)分靜態(tài)儲(chǔ)水構(gòu)造與動(dòng)態(tài)導(dǎo)水通道。近年研究發(fā)現(xiàn)，krauklis波(即一種流體填充裂隙中的慢速導(dǎo)波)的頻散特性與裂隙開(kāi)度、流體充填性質(zhì)以及流速直接相關(guān)，可動(dòng)態(tài)反演裂縫大小及其導(dǎo)水性，但其在城市復(fù)雜環(huán)境中的信號(hào)提取與裂縫反演技術(shù)尚未成熟。

2、為此，如何提供一種新的方法，通過(guò)挖掘krauklis波的流體動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，對(duì)城市巖溶導(dǎo)水通道的開(kāi)度及動(dòng)態(tài)流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，最終有效提高對(duì)隱蔽性地質(zhì)災(zāi)害的防控，是本發(fā)明所需研究的方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于地震krauklis波的城市巖溶導(dǎo)水通道檢測(cè)系統(tǒng)及方法，通過(guò)挖掘krauklis波的流體動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，對(duì)城市巖溶導(dǎo)水通道的開(kāi)度及動(dòng)態(tài)流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，最終有效提高對(duì)隱蔽性地質(zhì)災(zāi)害的防控。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種基于地震krauklis波的城市巖溶導(dǎo)水通道檢測(cè)系統(tǒng)，包括壓電式可控震源、陣列式地震接收系統(tǒng)和多波地震儀；

3、所述壓電式可控震源用于激發(fā)地震波；

4、所述陣列式地震接收系統(tǒng)包括多條平行且等間距布置的測(cè)線，每條測(cè)線包括多個(gè)地震加速度傳感器呈直線排列且依次連接組成，各條測(cè)線上的地震加速度傳感器數(shù)量相同，且每條測(cè)線上的地震加速度傳感器等間距分布；

5、所述多波地震儀與陣列式地震接收系統(tǒng)連接，用于獲取各條測(cè)線中各個(gè)地震加速度傳感器采集的地震數(shù)據(jù)，進(jìn)行后續(xù)分析處理后確定城市巖溶導(dǎo)水通道的開(kāi)度及動(dòng)態(tài)流量。

6、進(jìn)一步，所述壓電式可控震源激發(fā)的地震波頻率為0.1～100hz。

7、進(jìn)一步，所述多波地震儀的采樣頻率為1khz～100khz。

8、進(jìn)一步，不同測(cè)線上相鄰兩個(gè)地震加速度傳感器之間的間距均相同。

9、進(jìn)一步，還包括車載式移動(dòng)探測(cè)平臺(tái)，用于運(yùn)輸壓電式可控震源、陣列式地震接收系統(tǒng)和多波地震儀，并將壓電式可控震源和陣列式地震接收系統(tǒng)布設(shè)至所需位置。

10、上述基于地震krauklis波的城市巖溶導(dǎo)水通道檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方法，具體步驟為：

11、步驟一、布設(shè)檢測(cè)系統(tǒng)：先確定探測(cè)區(qū)域，然后在探測(cè)區(qū)域內(nèi)沿車載式移動(dòng)探測(cè)平臺(tái)走向布設(shè)多條測(cè)線，從而形成陣列式地震接收系統(tǒng)，然后在陣列式地震接收系統(tǒng)一側(cè)布設(shè)壓電式可控震源，并將陣列式地震接收系統(tǒng)與多波地震儀連接；

12、步驟二、采集數(shù)據(jù)：開(kāi)啟多波地震儀及壓電式可控震源，壓電式可控震源單次激發(fā)一定時(shí)長(zhǎng)的地震波，陣列式地震接收系統(tǒng)將本次激發(fā)時(shí)間內(nèi)接收的地震波數(shù)據(jù)持續(xù)反饋給多波地震儀，并對(duì)地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)處理去噪，獲得本次激發(fā)的地震波數(shù)據(jù)；重復(fù)本步驟在該位置繼續(xù)激發(fā)多次地震波，并對(duì)應(yīng)獲得多次激發(fā)的地震數(shù)據(jù)，將多次地震數(shù)據(jù)進(jìn)行垂直疊加，最終獲得該位置的有效地震數(shù)據(jù)；

13、步驟三、提取krauklis波：切除步驟二有效地震數(shù)據(jù)中的直達(dá)波，在剩余信號(hào)中采用能量-頻率雙選方法分離提取krauklis波；

14、步驟四、建立模型：基于krauklis波的頻散特性(即相速度與頻率關(guān)系)，建立裂縫開(kāi)度與波場(chǎng)響應(yīng)的映射模型；

15、步驟五、確定城市巖溶導(dǎo)水通道的開(kāi)度與動(dòng)態(tài)流量：根據(jù)步驟四的映射模型，確定城市巖溶導(dǎo)水通道的開(kāi)度，并反演獲得城市巖溶導(dǎo)水通道的動(dòng)態(tài)流量。

16、進(jìn)一步，所述步驟三采用能量-頻率雙選方法分離提取krauklis波，具體為：

17、①短時(shí)能量檢測(cè)：

18、定義時(shí)間窗內(nèi)信號(hào)能量：其中n為采樣點(diǎn)數(shù)，t為時(shí)窗終點(diǎn)的點(diǎn)號(hào)，n為時(shí)窗內(nèi)的點(diǎn)號(hào)，當(dāng)e(t)＞γ·eavg時(shí)判定為krauklis波有效段，其中γ為閾值因子，通常取0.5；eavg為背景噪聲平均能量，從而初步分離出krauklis波有效段；

19、②頻率特征篩選：

20、計(jì)算步驟①獲得krauklis波有效段的功率譜密度(psd)，具體公式為：其中n為采樣點(diǎn)數(shù)，fs為采樣率，fn為目標(biāo)頻率；然后提取功率譜密度中處于10～200hz的主頻帶，最終分離提取krauklis波。

21、進(jìn)一步，所述步驟四具體為：

22、采用高精度線性radon變換計(jì)算krauklis波的u(t)信號(hào)頻散曲線，獲取波速與頻率之間的關(guān)系，建立裂縫開(kāi)度與波場(chǎng)響應(yīng)的映射模型，具體步驟為：

23、1、裂隙參數(shù)化積分路徑

24、設(shè)裂隙主方向?yàn)棣龋藭r(shí)地震加速度傳感器坐標(biāo)(x,y)滿足：

25、x＝dcosθ-ssinθ,y＝dsinθ+scosθ

26、其中d為投影距離，s為沿裂隙延伸參數(shù)；

27、沿著裂隙主方向θ，對(duì)krauklis波振幅進(jìn)行radon積分：

28、

29、其中u(x,y)為krauklis波位移場(chǎng)，積分路徑對(duì)應(yīng)裂隙面法向投影；

30、2、頻散特征提取

31、krauklis波相速度與頻率關(guān)系頻散關(guān)系式：

32、式中vp為相速度，h為裂縫開(kāi)度，υ為泊松比，vs為橫波速度；由此建立裂縫開(kāi)度與波場(chǎng)響應(yīng)的映射模型。

33、進(jìn)一步，所述步驟五中反演獲得城市巖溶導(dǎo)水通道的動(dòng)態(tài)流量，具體為：先利用時(shí)頻分析提取krauklis群速度vg(f,t)，然后基于群速度信息進(jìn)行反演計(jì)算獲得城市巖溶導(dǎo)水通道的動(dòng)態(tài)流量，具體公式為：

34、瞬態(tài)流量式中，f為頻率變量，用于表征不同頻段的krauklis波，vg(f,t)為群速度，k(f)為無(wú)量綱的頻率相關(guān)權(quán)重系數(shù)，c(t)為修正項(xiàng)，用于補(bǔ)償背景流量或模型未涵蓋的穩(wěn)態(tài)/低頻分量。

35、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

36、1、本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)采用特定布設(shè)方式的陣列式地震接收系統(tǒng)，并在同一位置采用壓電式可控震源激發(fā)多次地震波數(shù)據(jù)，每次激發(fā)的地震波經(jīng)過(guò)地層及裂隙導(dǎo)水通道的傳播被陣列式地震接收系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)能保證對(duì)每次地震波數(shù)據(jù)獲取的精度，并且通過(guò)對(duì)同一位置多次激發(fā)地震波數(shù)據(jù)的疊加從而進(jìn)一步提高同一位置采集地震波數(shù)據(jù)的精度，便于后續(xù)對(duì)地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。

37、2、本發(fā)明對(duì)獲取的地震波數(shù)據(jù)先采用能量-頻率雙選方法分離提取krauklis波；然后基于krauklis波的頻散特性(即相速度與頻率關(guān)系)，建立裂縫開(kāi)度與波場(chǎng)響應(yīng)的映射模型；最后根據(jù)映射模型，確定城市巖溶導(dǎo)水通道的開(kāi)度，并建立公式反演獲得城市巖溶導(dǎo)水通道的動(dòng)態(tài)流量。通過(guò)這種方式處理，能實(shí)現(xiàn)對(duì)城市巖溶導(dǎo)水通道的開(kāi)度及動(dòng)態(tài)流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，最終有效提高對(duì)隱蔽性地質(zhì)災(zāi)害的防控。