《Journal of Cleaner Production》：Moisture durability of welded-joints reinforced with a novel
Eucalyptus globulus tannin-based adhesive: experimental investigation and coupled thermal-mechanical modeling using RSM and FEM
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本研究通过室内实验平台同步监测侵蚀空洞发展与地面振动，揭示空洞生长三阶段（初始、传播、稳定）与声学信号特征（如RMS、CF、EMD能量比）的动态关联，发现声学谱呈现“过山车”模式，且基于声学特征可准确分类侵蚀阶段。该成果为实时管道健康监测和减少水资源浪费提供理论支撑。
张鹏|黄万毅|齐蓓萌|傅海璐|袁一星|欧阳杰|刘海星
中国吉利iang大学能源环境与安全工程学院及碳计量学院，中国浙江省杭州市，310018
摘要
可持续的水资源管理需要采取监测策略，以减少泄漏损失并支持更清洁、更具韧性的基础设施。埋设管道的泄漏会侵蚀周围土壤，形成地下空洞并产生声学信号。我们利用一个受控的室内平台，结合同步成像和声学技术，实验研究了空洞形成与地面振动之间的耦合现象。尽管形态存在方向差异，但空洞的发展始终遵循三个阶段：初始阶段、传播阶段和稳定阶段。声谱显示出典型的“过山车”模式，从宽带衰减转变为中高频反弹，最终以低频为主，这一变化与空洞扩张过程相吻合。关键参数（如均方根值RMS、共振频率CF和基于经验模态分解EMD的能量比）与空洞大小有很强的相关性，而高斯混合模型聚类仅通过声学信息就能准确分类侵蚀阶段。简单的情景分析表明，早期识别不同侵蚀阶段可以降低因水流失而产生的能源消耗和二氧化碳排放。这些发现凸显了声学传感作为非侵入式、实时工具在推动更清洁生产和可持续城市水资源分配系统方面的潜力。
引言
快速的城市化和社会经济发展加剧了确保安全可持续供水的挑战（Sun等人，2021年）。供水网络（WDNs）将水输送到家庭、工业、农业和商业设施等（Fan等人，2022年）。然而，由于腐蚀（Hussein Farh等人，2023年）、老化以及地面沉降不均（Muddassir等人，2024年），管道容易发生泄漏。供水网络中的泄漏会导致大量水资源和经济损失，并增加水生产和分配的碳足迹。全球供水管道系统每年损失近1260亿立方米的水（Medio等人，2024年），其中许多系统的泄漏率超过30%，甚至有些超过50%（Grant等人，2012年；Zhang等人，2022年）。除了水资源损失外，泄漏还可能因外部污染物的侵入而对饮用水安全构成威胁（Qi等人，2018年）。泄漏还会侵蚀和液化周围土壤，导致地面沉降和天坑，从而危及基础设施的完整性和公共安全（Guo等人，2013年；Zhang等人，2020年）。因此，及时检测和监测泄漏对于减少损失和支持更清洁、更具韧性的城市水资源系统至关重要。
为了检测供水网络中的泄漏，人们采用了多种传感技术，包括基于声学的方法（Xu等人，2024年，2025年）、压力监测方法（Li等人，2019年）和探地雷达（GPR）技术（Korlapati等人，2022年）。其中，基于声学的方法应用最为广泛。大多数声学方法都是非侵入式的，除了水听器和管道内的智能球（Fan等人，2022年）。泄漏噪声相关器是一种常用的传统方法，通过比较两个位置采集的信号之间的互相关来估计传播延迟，从而定位泄漏点（Brennan等人，2019年）。近年来，数据驱动的声学方法发展迅速，从手工特征提取（Li等人，2018年；Martini等人，2017年）转向基于深度学习的泄漏识别（Cody等人，2020年；Kang等人，2018年）。最近的深度学习泄漏检测研究越来越多地采用端到端架构（Zhang等人，2023年），并进一步结合可解释性分析和数据增强策略（Xu等人，2025年；Liu等人，2024年；Wu等人，2024年）以提高抗噪能力和泛化能力。然而，它们的性能仍很大程度上依赖于数据量和质量。
从根本上说，基于声学的泄漏检测方法依赖于泄漏水流、管道壁和周围土壤相互作用产生的声波（Scussel等人，2023年）。然而，泄漏检测的性能受到管道材料（Muntakim等人，2017年）、埋设深度、环境噪声（Hu等人，2021年）和土壤性质（Shukla等人，2020年）的显著影响。土壤具有空间异质性，随着水流进入回填材料，泄漏会进一步改变局部条件。泄漏水逐渐侵蚀土壤，形成侵蚀空洞，这些空洞通过持续的水力冲刷从泄漏点向外扩展（Mukunoki等人，2012年）。空洞的生长速率和范围取决于泄漏压力、排放速率和土壤固有特性（Datta和Sarkar，2016年）。侵蚀空洞的发展不仅改变了流体-土壤相互作用（Van Zyl等人，2013年），还影响了关键参数（如土壤饱和度和孔隙压力（Cui等人，2012年），这些参数既影响泄漏产生的声学信号的产生，也影响其衰减（Peng等人，2022年）。因此，泄漏声学特征会随着侵蚀过程而演变，而不会保持不变。
尽管在泄漏过程中土壤会发生侵蚀，但在大多数现有研究中，泄漏位置的声学信号仍被视为固定源。声学特征（如频率、幅度和波形）通常是在稳态泄漏条件下提取的（Guo等人，2016年；Hu等人，2021年）。因此，由空洞生长引起的声学变化常常被忽略。此外，许多深度学习研究使用二元的“泄漏/非泄漏”标记方案进行训练（Wu等人，2024年；C. Zhang等人，2022年），可能没有明确考虑泄漏过程的时间演变，特别是早期动态。许多实验还使用均匀的沙质土壤（Juliano等人，2013年），这与实际管道环境中异质且压实的回填材料有很大不同。因此，泄漏引起的声学信号在空洞发展过程中的阶段依赖性演变尚未得到充分理解，这限制了对泄漏特征的准确描述。
为填补这一知识空白，本研究通过实验研究了泄漏引起的土壤侵蚀空洞的渐进发展及其相关的声学信号演变。具体目标是：（1）在不同泄漏方向和运行条件下研究空洞的形成和生长；（2）描述侵蚀过程中地面振动信号的时间演变；（3）分析空洞侵蚀动态与声学信号特征之间的关系。通过实现这些目标，本研究旨在阐明地下侵蚀如何控制泄漏声学特征，并将声学特征作为侵蚀阶段的潜在指标。这些发现有助于早期预警天坑和实时监测管道健康状况，从而提高城市安全并支持更清洁、更具韧性的水资源基础设施的发展。
实验平台
为了模拟埋设供水管道中泄漏引起的土壤侵蚀过程，构建了一个室内实验系统，如图1所示。主管道由内径为DN50毫米的球墨铸铁管组成。水从储水箱泵入压力水箱。为了消除泵引起的声学干扰，使用压力水箱作为唯一的水源。控制阀和压力表用于调节和维持压力。
泄漏方向的影响
在本研究中，使用实验室装置模拟了由埋设管道泄漏引起的土壤侵蚀空洞的形成。图3展示了通过直径为1毫米的泄漏孔，在三种泄漏方向（向上、向下和向右水平）下空洞的发展情况。不同方向的空洞形态和生长速率存在差异。
当泄漏流垂直向上冲击上方土壤时（图3a），在最初的5分钟内，一个小空洞在侧面开始扩展。
结论
埋设水管道中的泄漏不仅是结构缺陷，也是资源损失和环境风险的潜在来源。通过同时捕捉空洞几何形态和地面声学信号，本研究揭示了地下侵蚀动态与非侵入式声学特征之间的耦合关系，为预防性监测和可持续水资源管理提供了支持。主要研究结果总结如下：
(1)向上、向下和水平泄漏条件下的实验观察
作者贡献声明
张鹏：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、方法论、数据整理、概念构建。黄万毅：撰写——审阅与编辑、方法论、研究。齐蓓萌：撰写——审阅与编辑、验证、方法论。傅海璐：撰写——审阅与编辑、方法论。袁一星：可视化、资源获取、资金筹集。欧阳杰：可视化、资金筹集。刘海星：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调，
关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本工作时，作者使用了ChatGPT-3.5来提升语言表达和可读性。使用该工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3208100）、国家自然科学基金（项目编号：52479004）、国家重点研发计划（项目编号：2016YFC0400603）和国家重点研发计划（项目编号：2024YFF0618100）的支持。
