管道运输是一种非常有效快捷的运输方式,在经济发展中占有重要地位。在我国,管道运输涵盖了供水、供气以及供油系统的运输,成为关系日常生活以及经济建设的重要组成部分。作为一种新兴的、经济的运输方式,管道输送具有平稳连续、成本低、运输量大、质量易保证等显著特点,近些年来更是得到了长足的发展。与此同时,管道运输也存在着漏损的风险,加之我国管道运输存在监管维护不足等问题,一旦发生管道漏损,不仅会造成经济损失,还有可能引发重大安全问题。当前我国城市供水管网漏损率平均已超过20%,存在着极大的浪费。如何有效检测管道漏损已成为确保管线安全运行的一个重要课题。现阶段常用的管道漏损定位方法,大部分还停留在二维阶段,且都受到各种条件限制：能够比较精确定位的,对场地、设备要求较高,如现在常用的相关分析法,虽然精度高,但开展工作时,必须对管线的分布十分清楚,传感器必须安放在管线的出露点上,同时受管线埋深、管径变化、材质影响较大,另一种常用的区域测漏法,仪器设备昂贵,传感器布设程序较繁琐,不适合普查性测漏；能够灵活展开的,定位精度差,如最常用的听音法,虽然使用起来简单,但精度较低,受外界环境影响大。因此,建立一种以在地面任意点安置检波器对管道漏点进行快速准确三维定位的方法技术,具有十分重要的理论和实际意义。本文以管道漏点形成微震为基础,通过研究漏点微震的形成机理、微震波的传播规律和波场特征,建立漏点三维定位的理论方法技术,为管网泄漏声波观测系统和漏点三维定位提供基础理论依据,进而提高基于微震监测技术的漏点定位精度,有效实现基于地面观测记录的漏点三维定位。1)利用相对成熟的均匀各向同性介质三维声波方程的数值模拟方法,从均匀各向同性三维声波方程的数学表达式出发,给出了时间导数二阶差分、空间导数2N阶差分精度的三维波动方程高阶有限差分格式及其稳定性条件,进一步研究了声波方程的三维高阶交错网格有限差分方法,讨论了边界条件的选择并推导了非分裂的CPML边界条件三维各向同性介质中波动方程的交错网格有限差分格式,同时分析连续震源的建立过程,形成了供水管网泄漏正演模拟及波场响应特征分析方法。2)针对城市供水管道泄漏特点和漏点微震特性,开展了微震函数的构建和分析研究。基于场地实际信号主频的雷克子波作为母子波,采用随机函数产生的随机数作为某时刻子波的幅度因子,构建了漏点微震连续震源,所构建的漏点微震震源的动力学与场地实际漏点微震相符,模拟记录波场特征与实际波场特征相匹配。为三维理论模拟研究提供了与实际漏点微震特性相符的震源数学模型。3)基于城市供水管道漏点特性和地质结构特点,构建了在均匀无限半空间下的水平单一平直水泥管道模型、管道下方存在水平物性分层模型和管道下方存在起伏物性分层的三类典型漏点三维地质地球物理理论模型,为后续研究提供了基础。4)基于本文构建的漏点微震连续震源数学模型、三类典型漏点三维地质地球物理模型和三维高阶交错网格有限差分方法,进行了漏点微震波场特征三维数值模拟和分析研究,得到了与实际漏点微震相符的三维微震波场,为后续研究提供了三维微震模拟数据。5)针对漏点三维微震模拟数据,采用相对于参考道的广义相关方法,开展了相对于参考道的相关计算和特征研究,以及影响相关时差获取精度的因素研究,说明了相关时差提取方法的准确性和有效性。结果表明：①根据两条及以上不平行测线的互相关谱同相轴的顶点可进行漏点的近似平面定位,过顶点位置的测线垂直线的交点即为漏点的近似平面定位,该位置可为参考道选择和三维定位反演的平面搜索范围提供依据。②不管参考道是近道还是远道,所获得的相关时差均十分接近于理论值,相对而言近道的时差精度比远道高。采用x分量记录进行相关时差获取比z分量记录更有效,因此采用x分量记录和靠近漏点道作为参考道有利于相关时差的获取,提高相对于参考道相关时差的获取精度。③相关时窗具有一定大小后,对相对于参考道的相关时差获取精度影响不大,即相关时差获取精度基本上与相关时窗大小无关；当记录中存在噪声时,总体对相对于参考道的相关时差获取精度影响不明显,当时窗长度大于1000ms后,相关时差完全满足精度要求,说明相对于参考道相关时差的获取方法具有较高抗噪能力。6)针对漏点三维微震模拟数据,采用基于相对于参考道时差的模拟退火三维定位反演方法,进行了地面排列方式和观测系统参数对三维定位精度影响的理论分析和数值模拟研究,说明了基于相对于参考道时差的模拟退火三维定位反演方法的准确性和有效性。结果表明：①垂直管道的单线单边还是单线双边排列只能有效获取漏点的x坐标,平行管道的排列只能有效获取漏点的y坐标,此时斜交管道的排列已不能获取漏点的任意坐标,也就是说不管单线单边还是单线双边都无法实现漏点的三维定位。②平行和正交双线排列测线组可较准确地获取漏点的三维坐标,相对而言平行测线组的定位精度要高；斜交双线排列测线组只能较准确地获取漏点的x、y坐标,其定位精度前两测线组相当,但已不能对z进行有效定位。在一般情况下宜采用平行双线排列测线组来获取漏点的三维坐标,且具有较高的定位精度,满足实际要求。③在排列长度一定的情况下,x、y和z的反演定位精度基本上与记录道数无关；在记录道数一定的情况下,x、y和z的反演定位精度与排列长度(即道间距)有关,在折射波与直达波交汇处误差最大。因此,适当选择排列位置和长度有利于漏点位置的有效确定。④在噪声存在的情况下,平行和正交双线排列测线组可较准确地获取漏点的三维坐标,相对而言坐标z的相对误差比坐标x、y的相对误差大；斜交双线排列测线组只能较准确地获取漏点的x、y坐标,其定位精度高于前两测线组,但已不能对z进行有效定位,这是因管道下方界面产生的反射和折射干涉所致。说明基于相对于参考道相关时差的模拟退火定位反演方法具有较高的抗噪能力。⑤漏点深度已知时,任意双线排列测线组均可较准确地获取漏点的平面坐标,相对而言y坐标的定位精度比x坐标高,斜交双线排列测线组定位精度最高,正交测线组次之,平行测线组最低。7)为了说明本文所形成的数据模拟、相对参考道的相关时差获取和模拟退火三维定位反演方法技术的实用性和有效性,开展了漏点三维定位的场地试验和分析研究,说明三维理论模拟与实际漏点微震波场特性相符,相对参考道的相关时差获取和模拟退火三维定位反演方法技术可有效应用于实际,其漏点定位位置与实际基本相符,满足应用要求,但z(即漏点深度)存在一定的误差,相对而言坐标z(即漏点深度)的误差高于x和y。当管道漏点深度已知时,x和y具有更高定位精度。8)理论模拟与场地试验结果表明,本文形成的基于地面记录的漏点三维定位的理论方法技术(即漏点的地面监测方法)和流程,可有效实现漏点的地面三维定位,且有较强的适应性,为供水管网漏点的三维定位提供了新方法和新途径。本文解决了以下关键问题：①构建了漏点震源函数及地球物理模型；②针对供水管泄漏环境及其震源特性,有效实现三维声波高阶交错网格有限差分微震模拟；③建立了适用于供水管道泄漏震源特征的有效信号提取方法,利用正演模拟计算的结果,对连续随机震源的信号特征进行分析,寻找微震监测中有效的泄漏信号识别方法；④建立针对供水管泄漏点的震源定位方法及观测系统,利用正演的数值模拟计算结果,采用相关技术对无噪声的模型记录进行到时差计算,比较了观测方式不同对提取到时差精度的影响。本文的创新点体现在：①以实际漏点形成特征为基础,基于实际漏点记录波场特征分析,采用实际信号主频的雷克子波作为母子波,随机函数产生的随机数作为某时刻子波的幅度因子,构建了城市供水管网漏点的连续震源函数,所构建的连续漏点微震震源与实际震源相符,模拟记录波场特征与实际波场特征相匹配；②基于所构建的漏点连续微震震源,采用三维声波高阶有限差分数值模拟,有效实现了供水管网漏点的微震数值模拟,模拟记录与实际观测记录相匹配；③通过理论和数值模拟的波场特征、相对参考道的相关时差、漏点的三维定位和噪声系统分析,形成了基于地面记录的漏点三维定位的观测系统,认为任意单测线排列均不能有效实现漏点的三维定位,必须采用双测线排列方可有效实现漏点的三维定位,且具有较高的抗噪能力,此时的三维定位满足实际要求；④通过数值模拟和场地试验,形成了基于地面记录的漏点三维定位的理论方法技术(即漏点的地面监测方法)和流程,有效实现漏点的地面三维定位,为供水管网漏点的三维定位提供了新方法和新途径。