一种接地极极址及其周边土壤电阻率三维探测方法和系统与流程

本发明涉及一种土壤电阻率探测方法和系统，特别是关于一种复杂条件下接地极极址及其周边土壤电阻率三维探测方法和系统。

背景技术：

目前已投入运行的高压直流输电系统，基本都是采用两端直流输电系统，在两端直流输电系统中，接地极起到钳制中性点电位，流通不平衡电流以及在极线故障或者检修时为电流提供大地返回通路的作用，是直流输电系统中重要的组成部分。其中，接地极极址的选择是整个接地极设计过程中最重要的环节之一。

根据国内外工程经验，作为高压直流输电系统的接地极极址应为宽阔且导电性能良好的大地散流区，特别在极址附近，土壤电阻率最好在100Ω·m以下，土壤要有足够的水分，且具有热容率高，导电性能好等优点。国内对接地极的土壤电阻率测量，一般首先采用温纳四极法测量浅层即极址下0～1000m的土壤电阻率；其次采用大地电磁法(简称为MT法)测量深层即极址下1000m以下的土壤电阻率；然后对得到的浅层和深层土壤电阻率进行综合分层；最后通过注流试验对分层结果进行修正，得到最终设计输入的土壤电阻率模型。下面分别对几种主要的土壤电阻率测量方法的基本原理进行简单介绍。

1)温纳四极法测量土壤电阻率

如图1所示，其中C1和C2是电流极，P1和P2是电压极，为电流表，为电压表，E为电源，得到的大地视在电阻率为：

式中：ρ_s为大地视在电阻率，单位为Ω·m；S为极距，单位为m；U为P1和P2间的电压差，单位为V；I为电流，单位为A。

温纳四极法是目前国内测量大地电阻率的主要方法，但是由于温纳四极法属于直流电阻率法，其勘探深度由收发距(电流极和电压极的距离)决定，要达到大的勘探深度，收发距必须足够大。要达到1000米的勘探深度，保守估计最大供电极距要在4000米以上，这样大的极距野外工作劳动强度大，工作效率极低(1天能做1-2个测深点)，有时受通行条件限制不一定可行。更重要的原因，由于直流电阻率法易受低阻层屏蔽，很难穿透高阻层，即便达到了很大的供电极距，也不一定能达到预期的勘探深度。基于以上诸多原因，因而温纳四极法不是勘探深度达千米的有效勘探方法。

2)大地电磁法测量土壤电阻率

MT法是建立在电磁感应原理基础上的电磁勘探方法，场源是天然的交变电磁场。MT法工作时是在一个测点上同时并连续记录电场的两个相互垂直的水平分量Ex、Ey，以及磁场三个相互垂直的分量Hx、Hy、Hz，即同时记录这五个分量随时间变化的时间序列。通过对时间序列数据进行处理可得到该测点处随周期T变化的地表阻抗Z，根据地表阻抗Z可进一步整理出视电阻率ρ_s和相位(实际为阻抗Z的相位值)资料，视电阻率ρ_s定义为：

ρ_s＝0.2T|Z|² (2)

对视电阻率ρ_s和相位资料进行处理和反演，可以获得地下介质的电性分布情况。

根据趋肤效应可知电磁场衰减到地表强度1/e(e为自然底数,e＝2.718281828459)时的深度为趋肤深度，并把趋肤深度视为大致的勘探深度：

式(3)中ρ为电阻率，单位为Ω·m，f为频率，单位为Hz；H为勘探深度，单位为m。由式(3)可知勘探深度随频率的降低而增加。

MT法由于利用了交变电磁场的感应耦合作用，可以穿透直流电测深难以穿透的高阻层，又由于天然的平面波特性，故横向效应小。另外，天然电磁场分布在较宽的频带上(10^-4～10⁵Hz)，因此只要选择合适的频段，MT法可以探测地下数百米到数百公里深度范围内的电性变化，MT法的这些特点使之成为石油等能源勘探和研究大地构造、特别是研究大地深部电性分层的一种十分有效的方法。然而，在部署大地电磁测深工作时，测深点不能太少太稀疏。测深点太少太稀疏的话，只能对大地电磁资料做一维反演，不能做二维甚至三维反演。一维反演假设地下介质电阻率呈层状分布，实际地下介质很难满足这一假设，一维反演可靠性差，不能保证大地电磁法获得的深层电阻率信息的可靠性。

3)电位拟合法测量大地电性参数

电位拟合法是预先给定极址模型，进行地面电位计算，通过合理地不断地改变极址土壤电阻率值及其分布，使得各点的电位理论计算值与试验值相拟合。电位拟合法工作分两步进行：

第一步：现场模拟试验。在被试极址合适的位置安装一个小型模拟电极(建议采用圆环形)，在远离模拟电极(宜不小于10km)的地方安装一个辅助电极，租用附近的配电线路，将其中的一相或两相，串入试验电源后连接两个试验电极，另一相留作测量电位用。试验时，给模拟电极注入一定值(宜大于5A)的直流电流，同时在模拟电极至两电极中点间测量电位升。电位测点数目应足够多，电位变化大的地方测点应密一些，反之可稀一些。总之应使测得的电位分布曲线有良好的连续性。

第二步：反演拟合。先应根据试验得到的电位分布曲线及形状，同时结合极址地区地质资料，估计出极址土壤电阻率参数分层，即给出初值；然后采用计算机计算出与模拟试验相同测点的电位。通过不断地修改初值，直到理论计算与模拟试验结果相吻合或比较吻合，此时的给定初值即可作为极址土壤电阻率参数的设计计算电性模型。

由于电位拟合法模拟了接地极运行情况，因此所获得的参数真实可靠，特别适用于极址土壤参数分布复杂(如有山、湖泊、沟渠等)地区，和数百米至数公里深处的土壤电阻率值测量。但是，电位拟合法并不是测量土壤电阻率的方法，它只是通过“反演拟合”的手段来修正人们建立的土壤电阻率模型。由于层状介质的假设、参与拟合的数据有限、反演多解性强等原因，对于经过电位拟合法修正得到的土壤电阻率模型也难以评价其可靠性。

以上分析表明，从实用性和有效性角度考虑，现有的土壤电阻率测量方法还需要优化和发展，才能满足复杂条件下土壤电阻率测量的要求。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种接地极极址及其周边土壤电阻率三维探测方法和系统，其实现了小范围和大范围的精细程度兼顾，测量结果可靠性更高。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种接地极极址及其周边土壤电阻率三维探测方法，其包括以下步骤：1)根据初始接地极极址范围部署测点；2)采集各测点的坐标数据；3)采集各测点的时间序列数据；4)根据得到的各测点的坐标数据和时间序列数据，进行数据处理和三维反演，得到实际地下地质情况的三维电阻率结构。

根据初始接地极极址范围部署测点之前，所述方法还包括以下步骤：采集拟部署接地极地区的地质、地理、水文资料，并分析得到初始的接地极极址范围。

所述步骤1)中，根据初始接地极极址范围部署测点的方法为音频大地电磁法和大地电磁法相结合的方法。

所述步骤2)中，各测点的坐标数据是由高精度测量仪器对部署的所有测点的大地坐标和高程进行测定得到的。

所述步骤3)中，各测点的时间序列数据由大地电磁仪器系统依据MT和AMT有关技术规范要求对各个测点进行野外数据采集得到的。

所述步骤4)中，对相关数据进行处理和三维反演的具体方法为：①采用阻抗张量ROBUST估计方法，对各测点的AMT、MT时间序列资料进行预处理，得到各测点的阻抗数据，并进一步得到各测点的大地电磁响应数据，即各测点的视电阻率和相位信息；②对得到的各测点的大地电磁响应数据进行一致性检查，剔除不合理的数据点；③对步骤②中得到的所有测点的视电阻率数据进行静位移分析和校正；④对各测点的坐标数据以及步骤③中的视电阻率和步骤②中的相位数据进行三维反演，得到地下介质的三维电阻率模型。

所述音频大地电磁法和大地电磁法相结合的方法具体为：根据初始接地极极址范围，面积性规则密集部署音频大地电磁测点，如果局部勘探地区受地形、地物限制，则音频大地电磁测点面积性不规则密集部署，但以较规则覆盖勘探区为原则；根据初始接地极极址范围，面积性规则稀疏部署大地电磁测点；同样，如果局部地区受地形、地物限制，则大地电磁测点面积性不规则稀疏部署，但以较规则覆盖勘探区为原则。

一种接地极极址及其周边土壤电阻率三维探测系统，其特征在于，该系统包括：用于根据所述初始接地极极址范围部署测点的测点部署模块；用于采集各测点坐标数据的坐标数据采集模块；用于采集各测点时间序列数据的时间序列数据采集模块；以及根据所述各测点的坐标数据和时间序列数据进行数据处理和三维反演的数据处理和反演模块。

所述系统还包括用于采集拟部署接地极地区的地质、地理、水文资料的初始采集模块，和用于根据所述地质、地理、水文资料分析得到初始接地极极址范围的分析模块。

所述测点部署模块利用音频大地电磁法和大地电磁法相结合的方法，根据初始接地极极址范围部署测点。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用AMT法和MT法相结合的方法对接地极极址范围内外进行测点部署，实现了小范围和大范围精细程度兼顾，接地极极址附近小范围内电阻率结果精细，满足选址、接地极址勘测和建址需要；接地极极址大范围内电阻率结果粗略，满足选址评估需要。2、本发明由于采用AMT法对接地极极址范围内进行测点部署，保证了接地极极址附近土壤浅部电阻率结果的精细程度。3、本发明由于采用MT法在接地极极址范围内以其附近的大范围稀疏部署MT测点，不但保证了接地极极址大范围深部电阻率结果的可靠性，也有效的降低了操作成本。4、本发明由于采用三维反演方法对AMT法和MT法测点的相关数据进行联合反演，从本质上利用浅部精细结构约束深部结构，进一步保证了深部结果的可靠性，得到了符合实际地下地质情况的三维电阻率结构，解决了复杂条件下土壤电阻率建模的难题。

附图说明

图1是现有温纳四极法布线图；

图2是本发明大地电磁法(MT法)和音频大地电磁法(AMT法)测点分布图，其中○代表MT测点，*代表AMT测点，黑色框线代表初始接地极极址范围；

图3是本发明MT法和AMT法资料处理和反演流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明接地极极址及其周边土壤电阻率三维探测方法包括以下步骤：

1)采集相关资料并进行综合分析，得到初始的接地极极址范围。

采集拟部署接地极地区的大范围地质、地理、水文等方面的相关资料进行综合分析，选择宽阔且导电性能良好的大地散流区，特别是土壤电阻率在100Ω·m以下，土壤水份多，热容率高，且导电性能好的地区作为初始的接地极极址范围。

2)如图2所示，采用音频大地电磁法(AMT法)和大地电磁法(MT法)相结合的方法在初始接地极极址范围内及其附近部署测点。

在接地极极址土壤电阻率勘测工作中，为了保证接地极极址附近土壤浅部电阻率结果的精细程度和大范围深部电阻率结果的可靠性，本发明采用AMT法(频率范围10～10000赫兹)和MT法(频率范围0.001～320赫兹)相结合的方法对测点进行部署，即：

根据初始接地极极址范围，优选在初始接地极极址范围内，面积性规则密集部署AMT测点，进而获得接地极极址范围1000米深度内的电阻率信息。如果局部勘探地区受地形、地物等因素限制，则AMT测点也可以不规则部署，但以较规则覆盖勘探区为原则。

根据初始接地极极址范围，优选在初始接地极极址范围内及其附近的大范围内，面积性规则稀疏部署MT测点，进而获得接地极极址大范围深达几十公里的电阻率信息。同样，如果局部勘探地区受地形、地物等因素限制，则MT测点也可以不规则部署，但以较规则覆盖勘探区为原则。

3)采用高精度测量仪器(如差分GPS)对部署的所有测点的大地坐标和高程进行测定，得到各测点的坐标数据。

4)采用大地电磁仪器系统，依据MT和AMT有关技术规范要求对各个测点进行野外数据采集，得到各测点的时间序列数据。

5)根据野外采集得到的各测点的坐标数据和时间序列数据，进行数据处理和三维反演，得到符合实际地下地质情况的三维电阻率结构。

如图3所示，具体的数据处理和三维反演流程为：

①采用阻抗张量ROBUST估计方法，对各测点的AMT、MT时间序列资料进行预处理，得到各测点的阻抗数据，并进一步得到各测点的视电阻率和相位信息等大地电磁响应数据。

②对得到的大地电磁响应数据进行一致性检查，剔除不合理的数据点。

由于大地电磁法是基于天然场的方法，电磁信号弱，易受各种噪声干扰，发生畸变。所以需要对大地电磁响应数据进行一致性检查，即对大地电磁视电阻率和相位数据编辑、滤波、一致性分析和校正处理，剔除不合理的数据点，消除畸变资料的影响。

③对步骤②中得到的所有测点的视电阻率数据进行静位移分析和校正。

采用曲线平移法、空间滤波法或联合解释法等静位移分析方法处理由于浅地表局部异常体引起的静位移问题，对得到的所有测点的视电阻率进行静位移分析和校正，压制或消除静位移对反演结果的影响。

④对各测点的坐标数据以及步骤③中的视电阻率和步骤②中的相位数据进行三维反演，得到实际地下介质的电阻率模型。

基于上述步骤得到的AMT和MT法的相关数据，采用三维快速松弛反演或共轭梯度反演等三维反演方法进行联合反演，得到符合实际地下地质情况的三维电阻率结构。

本发明还提出一种适用于上述接地极极址及其周边土壤电阻率三维探测方法的系统，该系统包括：用于采集拟部署接地极地区的地质、地理、水文资料的初始采集模块；用于根据所述地质、地理、水文资料分析得到初始接地极极址范围的分析模块；用于在初始接地极极址范围内及其附近部署测点的测点部署模块；用于采集各测点坐标数据的坐标数据采集模块；用于采集各测点时间序列数据的时间序列数据采集模块；以及根据各测点的坐标数据和时间序列数据进行数据处理和三维反演的数据处理和反演模块。

其中，测点部署模块利用音频大地电磁法和大地电磁法相结合的方法，根据初始接地极极址范围部署测点。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中相关数据的采集方法和数据的预处理方法和反演方法等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。