经过“十三五”时期，我国已经成为隧道及地下工程建设规模最大、施工难度最高、发展速度最快的国家。“十四五”时期，我国又将布局兴建一批重大基础设施工程。当前与今后，在已经和即将修建的工程中，隧道与地下洞室施工建造的需求占比多、施工难度大、地质风险高;施工期间易发生突涌水等不良地质灾害，导致人员和设备的重大损失。因此，探测地下突涌水灾害源，预报前方可能发生的突涌水灾害是保障工程安全高效建造的关键问题，是维护人民生命财产安全的重大需求，也是面向国民经济主战场的必然要求。
　　瞬变电磁探测方法利用电磁感应的原理，有利于探测良导目标体，对地下水富集的区域响应敏感，是突涌水预报方法体系的重要组成部分。瞬变电磁场由人工发出的短时脉冲激发，瞬变电磁观测信号来自于脉冲在地下介质中感应出的涡流。瞬变电磁场扩散迅速、变化快，难以从中提取含水构造的精确位置或边界轮廓。感应涡流在大地中随时间耗散，刻画含水构造形态的信号随时间而逐渐衰减，使得瞬变电磁响应信号有利于揭示富水区域的分布情况，但刻画含水构造形态的能力不足。因此，提高瞬变电磁法对含水构造的探测分辨能力一直是广大学者所关注的关键问题。为了进一步分离提取、突出放大与含水构造有关的探测信息，提高瞬变电磁探测的分辨能力，瞬变电磁波场变换理论利用数学变换对观测数据进行转换，改变了信号的形态，突出了与含水构造结构形态和边界轮廓有关的异常信息，是提高含水构造探测精度的优化解决方案，相关理论和方法研究具有重要科学意义和工程实用价值。对此，国内外已经开展了相应的研究，但并不完善:①瞬变电磁信号扩散迅速，不利于充分提取含水构造的结构与形态信息，亟需在波场变换中降低虚拟波场的传播速度，以减小虚拟波场的波长，提高虚拟波场对目标体的分辨能力。②从波场正变换的角度对波场变换性质规律的研究不深入，波场正反变换对信号的作用规律尚需进一步明确。③瞬变电磁响应信号善于感知水体内部电性分布，提取的虚拟波场善于刻画水体的外部形态，亟需取长补短形成一套含水构造探测成像的工程化方案。
　　针对上述问题，采用数学推导、理论分析、数值计算与现场试验等方法，以突涌水灾害源的探测定位、分布圈定以及形态刻画问题为核心，重点开展了瞬变电磁虚拟波场降速方法、波场变换关系、瞬变电磁波场正反变换方法及其响应特征研究，形成了对含水构造定位分布和形态刻画的一套探测成像方法及实现流程并成功开展了现场试验验证。本文的主要研究工作及成果如下:
　　(1)瞬变电磁虚拟波场降速方法和波场变换关系。从电磁场控制方程出发，给出了降低瞬变电磁虚拟波场速度的方法。通过数学推导建立了速度变化的虚拟波场和时间域电磁场间的波场变换关系。通过理论分析，研究并总结了波场变换关系的主要性质和对信号的作用效果，明确了控制虚拟波场传播速度的关键参数，并回答了如何实现对虚拟波场的降速处理。
　　(2)瞬变电磁波场正变换方法及响应特征。通过数学推导，建立了从虚拟波场到瞬变电磁信号的波场变换关系式。通过理论分析，总结了波场正变换对信号的作用规律。从变换的积分表达式出发，采用了三步最优化的思路，研究并给出了波场正变换过程中参数的取值范围和取值方法。通过分析波场正变换响应，总结了其特征规律，认识到了波场正变换结果与虚拟波场子波波形、频率的无关性，明确了虚拟波场的速度快慢对波场正变换结果的影响;最终从波场正变换的角度证明了降低虚拟波场速度能够提高瞬变电磁探测的分辨能力。
　　(3)基于虚拟波场降速的瞬变电磁波场反变换方法与响应特征。针对波场反变换具有不适定性的问题，从变换的积分表达式出发，采用了三步最优化的思路，研究了虚拟波场提取时参数的取值范围和取值方法，在保证精度的条件下缩小了波场变换核函数积分的区间长度，提高了反变换的精度和效率。研究并印证了降低虚拟波场速度对改善虚拟波场提取精度的影响和作用，实现了通过降低虚拟波场速度来提高瞬变电磁探测分辨能力的理论设想。
　　(4)基于瞬变电磁虚拟波场提取的含水构造成像方法。针对瞬变电磁信号和所提取的虚拟波场，融合了全域视电阻率和波恩近似成像两种方法，使得瞬变电磁信号与虚拟波场相互扬长避短，形成了一套针对地下工程含水构造探测成像的成像方法与数据处理流程。
　　(5)在上述研究基础上，在陕西省引汉济渭工程和甘肃省魏家地煤矿开展了现场试验，探测结果与揭露的实际地质情况基本一致，验证了方法的有效性和可靠性。