基于水层电场分层建模与垂向差分判别的水覆盖工况土工膜完整性检测系统及方法与流程

本发明属于环保防渗工程质量检测，具体涉及一种在水体覆盖工况下对土工膜进行渗漏破损定位的检测系统及方法，适用于蓄水池、调蓄池、尾矿库、人工湖、污水处理设施等无法排空水体的防渗结构的完整性检测。

背景技术：

1、土工膜是垃圾填埋场、尾矿库、蓄水与调蓄设施等环保防渗工程的核心防渗屏障，其完整性直接关系地下水与土壤污染风险。电学法（又称电阻率法、电位法）是土工膜渗漏破损定位的主流手段，其基本原理为：在土工膜上、下两侧之间施加激励电压，完好的土工膜为高电阻绝缘层，电流只能经破损孔洞流过，孔洞因而成为等效点电流源（或点电流汇），通过在膜上方扫描测量电位分布并识别其异常，即可定位破损。

2、申请人在先申请 cn 122259669 a 公开了一种基于质量自适应和多维特征分析的土工膜完整性智能检测系统及方法，其现场检测终端配置定位模块与多通道同步电位采集单元，按定位质量动态调整采集策略；云端建立项目特征库并通过特征相似度推荐检测参数；采用电场指纹识别技术，将实测电位分布与理论点源电场模型 v(r) = v0/r 作数学拟合，以拟合优度

r2 是否超过阈值（优选 0.85）区分真实破损与干扰；并以接触阻抗是否处于正常范围作为真实破损特征组合中的一项判据。该在先申请面向的是干涸工况或土质覆盖工况。

3、然而在蓄水类工程中，大量场景无法排空水体检测：一是排空成本高、周期长；二是部分设施承担连续调蓄功能，不允许停用；三是排空后膜面失去水压约束，反而可能产生新的破损。因此需要在水覆盖工况下实施检测。astm d7007-24 已记载了水覆盖工况的若干作业方式：其 §5.3.2 规定通常以偶极探头在水中系统扫描以查找电位分布异常点，偶极间距典型取 0.2 ~ 3 m；§5.3.3 记载的探头形式包括操作人员涉水手持、拖曳探头往复扫描、以及沿立面或斜坡升降三类。

4、将上述作业方式与在先申请的分析方法直接组合，在实践中会遇到三个技术问题，且该三个问题在现有技术中均未得到解决：

5、问题一：常规点源电场模型在水覆盖工况下系统性失效。

6、在干涸或土质覆盖工况下，破损孔洞可视为均匀半空间上表面的点电流源，其电位按 v ∝ 1/

r 衰减、水平电场按 e ∝ 1/

r2 衰减，在先申请的电场指纹识别正是建立在这一模型上。但在水覆盖工况下，介质结构变为”空气 / 高电导水层 / 高电阻土工膜 /下卧土层”。水层电导率通常比下卧土层高一至两个数量级，而其上边界（水面—空气）与下边界（高阻土工膜）均近似为绝缘边界。这意味着自破损孔洞流出（或流入）的电流被约束在厚度为 h 的水层平板内，无法向半空间自由扩散。其后果是：

7、在近场（水平距离

r 远小于水深

h）区域，场分布仍接近半空间点源；

8、在远场（r 远大于 h）区域，电流扩散由球面退化为柱面，水平电场由 e ∝ 1/

r2变为 e ∝ 1/

r，且幅值中显含 1/

h；

9、过渡尺度即为水深

h 本身。

10、由于实际检测中的测线间距、电极间距通常取 1 ~ 3 m，而蓄水设施的检测水深常在 0.3 ~ 1.5 m，比值

r/

h 在整个有效探测范围内普遍处于 0.5 ~ 5 之间，恰好落在过渡区与远场区。此时若仍以 v ∝ 1/

r 或 e ∝ 1/

r2 模型作拟合，模型与实际的偏差可达一倍以上（详见具体实施方式中的定量说明），拟合优度

r2 系统性偏低，大量真实破损点被误判为干扰而漏检；若为提高检出率而放宽

r2 阈值，则干扰点大量涌入，误报率急剧上升。该问题的根源是模型错误，不能通过调整阈值解决。

11、问题二：接触阻抗判据在水覆盖工况下丧失区分能力。

12、在先申请以”接触阻抗在正常范围内”作为真实破损特征组合的一项，其物理基础是：干涸工况下探测电极与土体的接触状态差异显著，接触不良的电极读数不可信，据此可剔除一部分虚假异常。但在水覆盖工况下，电极始终浸没于导电水体中，接触阻抗恒定处于很低的水平且各电极之间高度一致，该参数不再携带任何区分信息。这使得在先申请多维特征组合中的一个维度直接失效，判别能力下降。因此必须为水覆盖工况找到一个替代性判据。

13、问题三：水深起伏使各采集点的幅值口径不一致。

14、蓄水设施底部并非严格水平，池底起伏、局部淤积、边坡过渡区均会使水深在测区内变化。由前述模型可知，同一强度的破损源，在水深较小处产生的电场幅值大于水深较大处（远场幅值含 1/

h 因子）；同时，传感器与膜面的间距

z 变化也直接改变测得幅值。若传感器按固定缆长下放，则 z 随水深起伏而变，测区内各点的幅值不可直接比较，用一个统一的幅值阈值判异常必然在浅水区误报、在深水区漏报。现行做法中，深水工况多将探头沿池底往复拖曳，使

z ≈ 0 而近似恒定。但该做法存在三项固有局限：其一，探头与膜面直接摩擦，对已服役的土工膜存在二次损伤风险；其二，池底存在淤积、软泥或沉积物时探头会陷入或被覆盖，

z 反而不可控且不可知；其三，深水由船只作业时无法保证探头贴底。更关键的是，贴底拖曳并不产生

z 的量测值——本发明所要求的不仅是

z 恒定，更是

z 可测并被作为已知量代入反演模型参与幅值归一化，这是贴底拖曳无法提供的。

15、此外，涉水手持、拖曳浮体、船载三种作业模式的

z 与移动速度各不相同，其结果亦无法直接融合到同一张成果图上。

16、既有技术路线：以经验实测替代定量建模。上述缺陷长期未被解决，与本领域的既有技术路线直接相关。以现行通用作业标准 astm d7007-24 为例：

17、其一，该标准处理”漏点信号随距离衰减”的方式是纯经验的——在测区埋设人工漏点，实测该套设备在当前场地条件下的检漏距离（附录 a3），再按 §8.4 由实测检漏距离反推测线与网格间距（不得大于检漏距离的 1.5 倍或 3.05 m，取较小者），并按 §8.12 于每个作业日开始与结束时各复测一次，达不到 3:1 信噪比即须改变现场条件后重新测量。附录 a3 更明确规定，确定信噪比 r 时不得使用理论漏点信号，漏点信号须由五个以上实测数据点表征。即：既有技术路线主动排除了以理论模型替代实测的做法，整个作业体系不依赖任何定量场模型。在此路线下，本领域缺乏改进场模型的动机。

18、其二，该标准已注意到水深的影响，但给出的对策是加密采样而非修正模型——§5.3.7 指出检测速率主要取决于扫描间距与水深，并要求以较密的扫描间距检出最小的漏点。这说明本领域已知水深会削弱可检出性，却将其视为需要靠加密测点补偿的经验性因素，而非场分布规律本身已经改变。

19、其三，该标准对水覆盖工况缺少数据分析框架——其附录 x1 给出图形法与电位等值线法两种数据分析方法，但该附录标题明确限定为土质覆盖工况；水覆盖工况没有对应的定量解释方法。

20、其四，该标准全文未涉及水电导率与水温的测量或修正，而由本发明【式2】可见，水电阻率

ρw 与水深

h 均为决定响应幅值的一阶因素。

21、其五，同族标准 astm d8265-23 进一步印证了上述技术路线：其 §5.6 要求电学测量必须尽可能贴近土工膜进行；其 §5.13 明确载明，电流流量的量化在该标准中仅作为场地特定、条件特定的指标使用——即标准自身承认其量化结果不具备跨场地、跨条件的可比性；其 §7.3.12 载明，当漏点无法与覆盖材料隔离时（明确举例为水覆盖工况），逐点隔离核验的步骤可以跳过——即标准自认在水覆盖工况下缺少逐点核验手段。

22、其六，技术选择指南 astm d6747-25 明确承认了本技术所针对问题的存在而未给出解决手段：其 §7.1.5 载明，方法灵敏度随偶极探头与土工膜表面距离的增大而下降，且对于深水工况，受测线长度、液体深度及场地条件等多种因素影响，漏点异常的定位精度可能下降。尤须注意的是，该指南 §7.3 同时载明增大偶极间距可提高检漏能力——即标准自身的作业指引推动

r 增大，恰恰把工作点推入

r/

h 更大的远场区，使常规半空间模型的偏差进一步扩大。既有技术路线由此陷入自相矛盾的处境：为提高检出率而增大偶极间距，同时又使解释模型的系统性偏差加剧；而该矛盾在纯经验框架内无从察觉。

23、由既有技术路线导出的定量矛盾。按 §5.3.2，水覆盖工况的偶极间距典型取 0.2~ 3 m；按 §8.4，测线间距上限为 3.05 m。而蓄水类设施的检测水深常在 0.3 ~ 1.5 m 之间。据此，同一破损点在相邻测点与相邻测线上的响应，其

r/

h 最大可达 10，普遍落在

r/

h> 1 的过渡区与远场区——此时半空间模型的偏差已超过 27%，

r/

h ≥ 2 时超过一倍（定量结果见具体实施方式 实施例二）。该矛盾此前未被认识：既有技术以加密测点补偿灵敏度下降，却未识别出衰减律本身已由球面扩散退化为柱面扩散；因而无论怎样加密测点、怎样调整判定阈值，模型性偏差都无法消除。

24、综上，现有技术在水覆盖工况下存在电场模型失效、判据维度缺失、幅值口径不一致三方面缺陷，导致误判率高、成果不可比。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的是提供一种水覆盖工况土工膜完整性检测系统及方法，通过对水层电场作分层建模、以垂向差分判据替代失效的接触阻抗判据、并对传感器与膜面间距实施闭环恒定控制与幅值归一化，解决水覆盖工况下模型失效、判据缺失与幅值不可比三个问题。

2、本发明采取的技术方案如下。

3、一、水体参数原位测量与分层介质电场建模

4、本发明在检测终端上设置水体参数原位测量单元，逐采集点同步测量水深

h、水电导率

σw 与水温

t。水电导率随温度显著变化，故按下式归一化至 25 ℃ 基准：

5、【式1】

6、

7、式中

σw0 为归一化至 25 ℃ 的水电导率，

σw(

t) 为温度

t 下的实测水电导率，

ρw 为对应的水电阻率，

β 为水体电导率温度系数，取 0.018 ~ 0.022 /℃。

8、在此基础上建立双绝缘边界镜像级数模型。将水层视为厚度 h、电阻率

ρw 的导电平板，其上边界（水面）与下边界（土工膜）均视为绝缘边界，反射系数均为 +1。破损孔洞位于下边界上，等效为强度

ileak 的点电流源（在实际极性下为点电流汇，不影响模型形式）。按镜像法，水层内距源水平距离

r、距下边界高度

z 处的水平电场分量为：

9、【式2】

10、

11、记其中的级数部分为 s(r, z, h, n)，见【式3】，则

er =

ileak·

ρw·

s/(4π)。

12、【式3】

13、

14、该模型具有明确的两个渐近极限：

15、近场 ：仅 n = 0 项起主导作用，s → 2r/(r²+z²)^{3/2}，进而得【式4】（取z → 0），即退化为半空间点源解，与在先申请所用模型一致；

16、【式4】

17、

18、远场 ：级数收敛为柱面扩散解，得【式5】，衰减律由 1/

r2 变为 1/

r，且幅值显含 1/

h。

19、【式5】

20、

21、模型采用

ileak 与破损源水平坐标 （

x0，

y0） 为待定参数，h、

ρw、z 为由实测给定的已知量，对实测数据作最小二乘拟合，输出拟合优度

r2。级数截断阶数按【式9】取值。

22、【式9】

23、

24、同时设置模型适用性判定：计算无量纲比值

r/

h，

r/

h ≤ 0.2 ~ 0.3 时允许采用近场半空间近似以降低运算量，超过该阈值时强制采用完整级数模型。

25、二、垂向双深度差分判别

26、本发明设置垂向电极阵列：沿铅垂方向布置至少两组探测电极，垂向间隔 δ

z 固定（取 0.15 ~ 0.40 m），分别位于距膜面

z1 与

z2 =

z1 + δ

z 的高度上，对同一水平位置的电位同步采集。取实测垂向梯度

gmeas。由镜像级数模型可算出同一位置的预测垂向梯度

gpred（以反演所得 r、

ileak 与实测 h、

ρw 代入），取一致性系数

κ，二者定义见【式6】。

27、【式6】

28、

29、判别规则为：

30、

min≤ κ ≤ κ_max（κ_min取 0.5~0.7，κ_max取 1.4~1.8）]]>

真实破损

κ < 0（符号相反）

干扰源位于水面侧或水体侧向

0（κ₀取 0.1~0.2）]]>

均匀背景场干扰

其余

待复测

31、其物理依据为：破损孔洞位于水层下边界，故其产生的电位在下层电极处高于上层电极，垂向梯度符号确定且量值可由模型预测；而水面漂浮物、岸边设施杂散电流等干扰源位于水层上边界或水层之外，其垂向梯度符号相反；远处电极产生的近似均匀背景场则垂向梯度接近于零。因此垂向这一在干涸工况下不可用的维度，在水覆盖工况下反而成为可靠的判别维度，恰好填补接触阻抗判据失效所留下的空缺。

32、该判别的一个额外优点是：由于两组电极装于同一缆索、同步采集，两者共享同一水平位置、同一时刻的背景场与同一套采集电路，共模干扰与时变漂移在做差时被大幅抵消，无需额外的往返测量。

33、三、垂向位置闭环控制与跨模式归一化

34、本发明设置垂向位置闭环控制单元，以测深子单元实时输出的水深

h 为反馈量，通过垂向位置执行机构（绞车、浮体配重/浮力调节、压载水舱或自主定深水下航行器）动态调节阵列在水体中的垂向位置，使最下一组探测电极与膜面的间距

z1 稳定于设定值

zset（取 0.2 ~ 0.5 m，且不大于 0.5 m）。同时由设于阵列上的压力式深度计输出电极入水深度

d，取 作为实测间距。须特别指出：本单元的价值不止于使

z 恒定，更在于使

z 成为可测量、并作为已知量代入反演模型参与幅值归一化的参数。现行做法中深水工况的贴底拖曳虽可使

z ≈ 0，却不产生

z 的量测值，亦无法在淤积、软泥或船只作业条件下维持。

35、在此基础上设置跨模式归一化融合单元：不再以原始电位幅值作为异常判据，而是将各采集点的实测场强按各自的 h、

ρw、

z1 经模型归算为等效破损电流：

36、【式7】

37、

38、式中

er,meas 为该采集点的实测水平场强，

s(

r,

z1,

h,

n) 为【式3】所定义的级数项，其自变量

r、

z1、

h 均取实测值或反演值。

39、

ileak 是破损孔洞本身的物理属性，与水深、水质、传感器高度、作业模式均无关。

40、须与现有标准中的相近概念严格区分。astm d8265-23 §3.2.13 定义的 siteresponse current（场地响应电流）是：向覆盖材料中的电流源电极施加电压后，流经整个测区全部漏点的总电流，为一个场地级的单一标量；且该标准 §5.13 明确载明，此类电流量化在标准中仅作为场地特定、条件特定的指标使用，不具备跨场地、跨条件的可比性。本发明的

ileak 与之在三个层面均不同：其一，

ileak 是由场模型反演得到的单个破损点的等效电流，而非全测区总量；其二，

ileak 经

h、

ρw、

z1 归一化后具备跨水深、跨水质、跨作业模式的可比性，恰是标准声明其不做的事；其三，

ileak 可进一步换算为等效破损孔径（【式8】），场地响应电流无此含义。因此涉水手持、拖曳浮体、船载三种模式采集的数据一经归算，即可在同一量纲下比较、设定统一阈值并融合为同一张成果图；同一破损点若被多种模式重复覆盖，可按各自拟合优度加权平均以提高精度。

41、进一步地，圆形孔洞连通其上、下两侧导电介质时，其收缩电阻由 maxwell 关系给出，据此可由等效破损电流反算等效破损孔径，见【式8】。

42、【式8】

43、

44、式中

d 为等效破损孔径，

ρs 为土工膜下卧土层电阻率，

u 为供电回路施加的激励电压，

k 为无量纲修正系数，计入孔洞填充物、孔洞形状偏离圆形及土工膜厚度的影响，由现场标定确定。该换算使检测结果由”有无破损”进一步给出破损规模分级，为修复优先级排序提供依据。

45、四、关于本发明区别于现有技术的实质性特点

46、（一）本发明的认识与本领域既有认识相反。依常规理解，水体导电性远优于土体，水覆盖工况下的信号传输条件应优于干涸工况，故只需沿用原有解释框架即可；现行标准亦仅将水深列为影响检测速率、需以加密扫描间距补偿的经验因素（astm d7007-24 §5.3.7），并未认为场分布规律本身发生了改变。本发明的分析表明恰好相反：正因为水层导电性好，且其上、下边界均近似绝缘，激励电流被约束在厚度为 h 的水层平板内、无法向半空间自由扩散，远场衰减律由球面扩散的 1/

r2 退化为柱面扩散的 1/

r，且幅值中显含 1/

h—— 即水越深，同一破损点的响应反而越弱。该结论与”水导电性好则信号强”的直觉相反，非依常规推理可得。

47、（二）本发明将工况劣势转化为新的判别维度。水覆盖工况使在先申请所依赖的接触阻抗判据完全失效，属明显劣势。本发明认识到：干涸工况下探测电极只能布置于地表，不存在可用的垂向自由度；而水覆盖工况恰恰提供了这一自由度。据此以垂向梯度一致性判据替代失效的接触阻抗判据，且新判据的信息量优于被替代者——它不仅能判别真伪，还能依据垂向梯度的符号与量级指出干扰源的位置类别（水面侧、侧向或均匀背景场）。将工况带来的劣势转化为优于原方案的技术效果，非显而易见。

48、（三）本发明偏离了本领域的既有技术路线。现行标准明确排除以理论漏点信号确定信噪比，要求以人工漏点实测确定检漏距离并据以反推测线间距（astm d7007-24 §8.4、§8.12 及附录 a3），即既有路线为”以经验实测替代定量建模”。本发明反其道而行，建立定量场模型并据以对幅值作跨水深、跨水质、跨作业模式的归一化，属于对既有技术路线的偏离，而非沿其方向的常规改进。

49、（四）本发明的技术手段是特定的而非泛化的。本发明并非笼统地”采用更精确的模型”，而是基于对边界条件的具体认识——水面与高阻土工膜构成一对反射系数均为 +1的绝缘边界——建立双绝缘边界镜像级数模型，并给出以水深

h 为过渡尺度的模型适用性定量判据（

r/

h ≤ 0.2 ~ 0.3 可用近场近似）。该边界条件的识别与由此导出的定量判据，构成本发明的实质性特点。

50、五、有益效果

51、1、解决了模型失效问题。以双绝缘边界镜像级数模型替代自由空间点源模型，使拟合在整个

r/

h 范围内成立。按定量计算，在

r/

h = 1 时半空间模型相对本模型的偏差已达 27.5%，

r/

h = 2 时达 108%，

r/

h = 5 时达 403%；采用本模型后该系统性偏差被消除，拟合优度不再因模型错误而偏低，真实破损的漏检显著减少。

52、2、补回了失效的判据维度。以垂向梯度一致性系数

κ 替代水下失效的接触阻抗判据，且该判据对干扰源位置具有方向鉴别能力（可区分底部真实破损、水面侧干扰与均匀背景场），判别信息量优于被替代的接触阻抗判据。

53、3、实现了全测区与跨模式的幅值可比。垂向位置闭环控制消除了池底起伏引入的z 变化，等效破损电流归一化消除了水深与水质差异的影响，使一套阈值在全测区、全模式下有效，并使三种作业模式的成果可融合为一张图。

54、4、填补了现行标准自认的能力空白。astm d6747-25 §7.1.5 已承认深水工况下漏点定位精度会因液体深度等因素而下降；astm d8265-23 §7.3.12 亦载明水覆盖工况下逐点隔离核验步骤可以跳过——即现行标准体系自认在该工况下缺少定位精度保障与逐点核验手段。本发明以”拟合优度 + 垂向梯度一致性”双判据输出带置信度的判别结果，正是针对该空白。

55、在不排空水体的前提下完成检测，避免了排空的成本、停用损失与因失去水压约束而产生新破损的风险，具有显著的工程与环保价值。