一种拖曳式的水底地质电法探测系统和方法与流程

本发明涉及地球物理勘探技术领域，更具体的说是涉及一种拖曳式的水底地质电法探测系统和方法。

背景技术：

随着我国城镇化进程的加快，各地区的基础建设在如火如荼的进行。其中，与水下岩土体结构、水下环境资源、穿河过江水下工程施工项目等相关的水下基础建设逐年增加。故，通过相关的技术探测手段提前对水底地质结构等地质信息进行分析判断，这对后期工程设计、措施制定、安全建设等具有至关重要的意义。

目前，获取水底地质结构及异常等的技术手段包括钻探、探地雷达、瞬变电磁、声呐、地震勘探、常规电法勘探等。钻探可直接获取水下某一位置的水底地质信息，但是耗时费力、无法获取整个区域内的水底地质信息；探地雷达发射的电磁波在水中衰减迅速，由于受探测深度限制，仅可获取水底基岩面等有限的地质信息，无法对水底下部地质信息进行高精度探测；瞬变电磁存在低阻水体造成的低阻屏蔽现象严重，高精度瞬变电磁可获得深度上千米范围内的水底地质结构，但是针对人类水下工程施工等浅部地质体内规模较小目标体的精确探测分辨则难以奏效；水中声呐、地震勘探对水底面以下沉积层中的目标分辨能力有限，难以有效探测规模相对较小且隐蔽的水下目标体；常规电法勘探则是将地面电法勘探的电缆线及采集仪器照搬到水域上进行探测，其存在施工测量效率低、数据采集慢、可控性差、精确度低等缺陷。

针对目前应用于水域的常规电勘探存在的缺陷，相关技术人员已经进行了改进。在授权公告号为cn105259584b，名称为一种水域电法勘探系统的发明专利中公开了发送机在主控平台的控制下输出成交变电流信号发送至水下产生水下电场，则多通道接收机通过电场传感器和水下拖曳探测电缆接收反映不同深度的地电信息的地电电压，并采集发送机的发送电流一起传输给主控平台，进而通过主控平台对多通道接收机各个通道的接收信号得到反映水下地质情况的地电参数，从而完成淡水水域的电法勘探。

上述专利虽然针对不同的问题进行了一定的改进，但是仍然没有系统性的解决如下问题：

1)水底地形起伏：因为地形的起伏影响着后期的数据结果，如果布设于水底的电缆系统未按照实际的地形对电缆各电极高程坐标进行校正，而是仅默认为电缆各电极位于同一水平面上进行处理，则未对电极高程坐标进行校正的数据处理结果会与实际加入高程坐标的结果有比较大的差异，无法真实准确反映水底地质信息。现有专利设计的电缆多是浮于水面或水中同一深度，未考虑电缆系统布设于水底后各电缆上电极因水底地形起伏的差异而对各电极高程坐标进行获取，即使有将电缆直接沉于水底进行探测，也未明确指出水底地形起伏是需要考虑及说明并设计电缆上各电极高程坐标需传感器测量获取并带入处理软件进行带地形数据处理等操作。

2)水底电缆线拖拽：沉于水底的电缆系统通过铜片通道上的简易式水下电极与水底土体介质直接接触耦合后，进行现场数据采集，待采集完成后，需将各电极从土体介质中取出后通过拖船拖拽电缆系统向前移动至下一待测区域进行测量。其中，水底电缆线的拖拽需要首先解决电缆各电极与水底土体的分离问题，另外，仅是将两者分离后对在水底的电缆系统直接进行拖拽，则很有可能存在因为水底异物拉扯缆线损坏缆线结构或由于水底地形起伏导致电极再次插入土体介质而无法直接拖拽等实际可能会出现的问题。

3)电缆线水下定位：水底地质体的测量需要对电缆线的位置进行定位，目的是确定每次采集时的缆线实际控制长度以及确定缆线的位置，并为每次的缆线移动及缆线重叠布设位置提供实际坐标定位数据，提高现场缆线严格按照设计测量线位置及区域进行布设及数据采集的准确度。通过对电缆线进行水下定位解决现场缆线每次移动位置偏离实际位置以及电缆线每次移动并重叠测量位置点误差大等问题。现有的缆线定位仅是在首尾电极处安装定位系统，获得电缆线的布设位置，但并没有考虑到电缆线每次移动后重叠布设段的起始点坐标，如果布设偏差较大，会影响将每个剖面的数据进行联合处理后结果的准确性，降低水下地质体探测的精确度。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种拖曳式的水底地质电法探测系统和方法，以系统解决上述水底地质电法探测中目前仍存在的不足和问题。具有较好应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种拖曳式的水底地质电法探测系统，包括：水下电缆线、简易式水下电极、水压测量传感单元、电缆浮沉单元、水下gps定位系统、充气机、电法数据采集存储模块和数据处理模块；

所述水下电缆线与所述电缆浮沉单元固定，所述电缆浮沉单元与所述充气机相连；所述水下电缆线依次连接所述电法数据采集存储模块和所述数据处理模块；

所述水下电缆线上固定有多个所述简易式水下电极和多个水压测量传感单元；且所述水压测量传感单元和所述简易式水下电极对应设置；

所述水下gps定位系统包括：应答器、船载换能器和gps；其中，应答器仅需三个，所述应答器分别固定在所述水下电缆线上的前、中、尾部简易式水下电极处；所述应答器与所述船载换能器无线连接；所述gps固定在拖船上。

优选的，所述水下电缆线为特制的密封防水、抗拉性能强的水下物探专用电缆，其中，电缆线上的各铜片通道设计为压模圆环抽头(铜环)。

优选的，所述电缆浮沉单元包括：多个水下气囊和通气管；

各个所述水下气囊一一对应固定在各个所述简易式水下电极的正上方；各个所述水下气囊之间通过所述通气管连通，所述通气管和所述充气机相连。电缆浮沉单元具有控制电缆线在水中上下浮动的能力，其由缩胀性能良好的水下气囊和连通管组成。其中，水下气囊设计在电缆线上各个铜环位置处固定的简易式水下电极的正上方；各个水下气囊之间通过通气管相互连通，且密封性完好；电缆浮沉单元与水下电缆线之间可以要求生产厂家在出厂之前粘结制作固定好。

优选的，还包括：水压显示器；所述水压测量传感单元通过无线方式与所述水压显示器连接。

水压测量传感单元具有密封防水性能；水压测量传感单元固定在水下电缆线的各个铜环旁，用于测量水下电缆线上各个电极所处深度的水压，进而计算出各个电极位于水底的深度，获得水底地形起伏数据；各个水压测量传感单元将测量计算得到的各简易式水下电极所处水底深度数据通过无线信号传输到拖船上的水压显示器中；水压显示器用于接收保存各水压测量传感单元传输回来的测量数据并可实时显示。

优选的，还包括：定位显示器；所述定位显示器置于所述拖船上；所述船载换能器与所述定位显示器相连。

水下gps定位系统由船载gps、船载换能器、水下应答器和定位显示器构成；船载gps和定位显示器置于船上；船载换能器置于船尾附近水面下；水下应答器仅需三个，其中两个分别固定在水下电缆线的首尾电极处的缆线上，另外一个应答器根据缆线重叠测量区段在每次移动缆线并重叠测量的缆线位置点处固定；固定于水下电缆线中部的应答器可根据实际需要的重叠范围在电缆线下水工作前调整固定好；

水下gps定位技术由gps定位和水声定位相结合，它利用水声相对定位技术将gps水面高精度定位能力向水下延伸，使待测物在工作潜深可以获得自身的经纬度坐标，且定位精度可以保证与gps水面定位精度在同一量级。超短基线(usbl)定位技术属于水声定位技术中的一种，其适用于在较浅水域进行工作。usbl系统中，应答器安装在水下电缆线上，船载换能器通过测量出到应答器的水平和垂直角度及斜距完成水下电缆线姿态定位。水下gps定位技术具有安装简单、操作方便、无需组建水下基线阵和测距精度高等优点。

船载换能器测量获得的定位数据通过can总线发至定位显示器；定位显示器通过自动计算船载gps和船载换能器测量获得的水下定位数据，对每次电缆上的首尾电极点经纬度坐标、每次采集布设的水下电缆有效测量长度范围及电缆移动后重叠的位置点进行精确测定，使得每次电缆系统布设于水底的位置有效控制在待测区域内的测线上进行移动并准确控制重叠测量范围。

优选的，根据水下电缆线布设于水底的实际情况，所述简易式水下电极包括：背鳍状水下电极、圆弧状水下电极和尖锥状水下电极。

简易式水下电极改变现有的仅适用于地表的棒式电极设计样式，根据水下电缆线布设于水底的实际情况，将电极设计为背鳍状、圆弧状、尖锥状等可供多种样式选择的简易式水下电极，其中背鳍状、圆弧状电极适用于水底为淤泥质土层等松软接触面，尖锥状电极适用于水底为砂层、砾石层等颗粒物较大或较硬的接触面；优选的，简易式水下电极为铜等导电性优的材质，并且为实心结构，其可增加电缆线的重量；所述简易式水下电极固定扣在上述电缆线的各铜环通道上。该简易式水下电极结构简单，易于固定，价格低廉，与水底土体介质接触耦合效果好，适用性强。

优选的，所述充气机为通过气门阀与所述电缆浮沉单元中的通气管连接的可控式的充气机。通过控制充气机对通气管内充气，气体经过通气管聚集到各个水下气囊内，使得水下气囊充气膨胀，电缆系统受气囊膨胀产生的浮力而脱离水底土体介质向上浮动(其中，气囊充气后可产生的最大浮力需能让缆线整体漂浮在水面上)，缆线随船向前移动至下一个测量区域后，通过对水下气囊放气，使得缆线下沉至待测区域的水底并与水底土体介质接触。通过可控式充气机对水下气囊进行充放气操作，可调节电缆系统沉于水底、悬于水中或漂于水面等不同位置。

优选的，所述简易式水下电极内侧具有多个导电簧片，每个所述简易式水下电极通过导电簧片与所述水下电缆线上的每个铜片通道固定。

优选的，位于电缆线上的中部的简易式水下电极处的应答器的位置根据水下电缆线在水底每次移动后的重叠测量位置确定。

优选的，所述电法数据采集存储模块包括网络并行电法仪；所述水下电缆线通过配套的航插头与所述网络并行电法仪的数据采集接口连接；网络并行电法仪具有高密度电法的多倍电极间距的并行采集功能，还具备连续快速并行扫描地电场的功能，大大提高了现场电法数据采集效率和数据质量。

所述数据处理模块为预设有相应的数据处理软件的笔记本电脑或台式机；所述数据处理软件包括：网络并行电法处理系统软件、surfer成图软件、excel以及agi反演软件。

一种基于拖曳式的水底地质电法探测系统的探测方法，包括如下步骤：

(1)准备工作

在拖船上，将简易式水下电极、应答器、水压测量传感单元和电缆浮沉单元固定在水下电缆线的相应位置上，组成水下电缆系统，并依次将水下电缆线与电法数据采集存储模块、数据处理模块相连；

具体有：先将简易式水下电极分别固定扣在电缆线的各铜环上，然后根据实际电缆在水底每次移动后的重叠测量范围，在电缆线中部的相应电极位置处固定一个应答器，将电缆线尾端的特制航插头插在网络并行电法仪的数据采集接口处，将电缆浮沉单元的尾端通气管与可控式充气机连接，将船载gps固定在船尾，将船载换能器置于船尾水面下。需要说明的是，电缆浮沉单元、电缆线各铜环旁固定的水压测量传感单元及在电缆线首尾电极处各固定安装的应答器等均可让生产厂家在出厂前安装固定在水下电缆线上的相应位置。

(2)将水下电缆系统置于水底

将水下电缆系统放入水中，充气机对电缆浮沉单元进行充气，先让水下电缆系统漂浮于水面下方，拖船拖拽水下电缆系统到达待测区域位置后，通过充气机对电缆浮沉单元中水下气囊的气量进行逐步释放，使得水下电缆系统逐渐下沉，在此过程中，水下gps定位系统可实时获得水下电缆的姿态和位置，水压测量传感单元测量各个简易式水下电极所处的水深，待水下电缆系统到达指定测线位置并且沉入水底，使电极与水底土体介质完全接触后，获取并保存各简易式水下电极位置处的水压测量传感单元所测得的水底地形数据和水下电缆线上首尾电极、重叠起始点处电极共三个位置点处的应答器所测得的经纬度坐标；

(3)采集水底地质电性数据

对电法数据采集存储模块进行参数设置，设置完成后进行供电，水下电缆线上各个铜片通过简易式水下电极依次向水底土体介质内产生电流并形成电场，同时进行电位采集，获取监测断面内的水底地质电性数据；

具体有：首先设置仪器采集参数，如，恒流时间、采样时间间隔、供电电压、采集模式、供电方式等；待仪器各参数设置完成后，对仪器供电，水下电缆线上各铜片通过电极依次向水底土体介质内产生电流并形成电场，其余所有电极进行电位采集，最终获取监测断面内的水底地质电性数据。网络并行电法仪分为am法(单点电源场)和abm法(偶极子电源场)两种不同的采集模式，其中，am法采集模式可同时采集二级、三极装置类型的电法数据(需布设无穷远电极)，abm法采集模式则可同时采集温纳四极、温纳偶极和温纳微分三种装置类型电法数据(无需布设无穷远电极)。通常情况下，am法采集模式的恒流时间、采样时间间隔分别设置为：0.5s、50ms；abm法采集模式的恒流时间、采样时间间隔分别设置为：0.2s，100ms。

(4)拖拽到下一探测位置并重复上述步骤

待数据采集完成后，通过充气机对通气管内充气，使得水下电缆系统随着水下气囊的膨胀向上浮，将简易式水下电极脱离水底土体介质并随水下电缆系统整体向上浮，拖船拖拽水下电缆系统整体向下一探测段方向移动，到达指定区域后，通过水下gps定位系统将电缆线上的第一个电极控制在重叠段的起始点，即上一次采集时中部应答器的位置坐标点处，之后逐渐对水下气囊进行放气操作，使得整个水下电缆系统沉入水底，待水下电缆系统完全沉入水底并且简易式水下电极插入水底土体介质后，重复上述数据采集操作以及移动拖拽水下电缆系统至下一个探测区域的操作，直至将整个测试区内的数据采集完毕；

(5)数据处理阶段

数据处理阶段包括预处理、数据反演处理和数据结果成图；

预处理：使用网络并行电法处理系统软件打开原始数据；查看并修改简易式水下电极坐标，其中包括通过在excel软件中对坐标数据换算整理合并、加入地形数据、导出文件的操作；将导出的带地形的文件数据放入网络并行电法处理系统中，同时对各断面的原始数据进行合并统一；接下来是常规数据解编、输出视电阻率数据文件和agi反演格式数据文件，其中，在进行常规数据解编前需对采集到的数据进行检查，如果数据中存在不符合实际情况的异常跳点需要剔除；

数据反演处理：依据现场地质情况同时结合实际数据采集的质量选择合适的反演方法，以使反演得出最佳的结果，agi反演软件内提供了三种反演方法，其中包括了阻尼最小二乘法反演、圆滑模型反演和抗噪声反演，主要流程为：反演参数的初始设置、选择合适的反演方法、设置数据噪声标准、反演迭代次数和圆滑系数及最大均方根误差；打开agi反演格式数据文件，并进行联合反演，获得整条测线上的完整水底地质体的电性数据剖面图，待反演结束后，导出dat格式的反演电阻率数据文件；

数据结果成图：通过surfer成图软件分别对视电阻率数据和agi反演软件导出的反演电阻率数据进行成图处理，其中包括：在surfer软件中打开dat格式的数据、进行网格化数据、选择网格化方法、网格划分大小及过滤异常数据基本处理流程，并且根据实际需要选择滤波器对数据进行滤波以及进行白化处理，通过上述处理流程，最终获得带地形的水底地质电性结果图；

(6)水底地质电性结果分析

根据实际水底探测目的及探测结果图，并结合已有的现场地质资料，对电性结果图中不同区域位置的电阻率及分布规律特征进行解释，综合分析判断水底地质信息。

本发明提供的一种拖曳式的水底地质电法探测系统和方法的适用范围广，可针对浅海水域、江河湖泊及水库等的水底地质进行高精度、高分辨率的快速探测，具体可对包括：水底淤泥层厚度、水底基岩面深度、水底岩体结构完整性、水下基础工程稳定性、海水入侵程度及范围、水底浅层气赋存位置、岩溶空洞、裂隙渗水通道、煤矿领域的水体下方采空区空间分布及工作面上覆岩体裂隙带高度等的水底地质进行精准勘探，获得水底地质目标体准确、详细的地质信息。

经由上述的技术方案可知，本发明公开提供了一种拖曳式的水底地质电法探测系统和方法，与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、设计的简易式水下电极改变了以往将传统的棒式电极沉于水底或浮于水面进行探测存在的缺陷，提高了水下电缆与水底土体介质的接触耦合效果，具有结构简单、固定方便、可拆卸、适用性强等优点。固定上简易式水下电极的电缆系统沉于水底后的探测深度更深，数据分辨率更高，数据结果更可靠。

2、解决了之前水域电缆系统并不考虑水底地形起伏的实际问题，通过水压测量传感单元对各电极所处水深进行测量，将各电极的实际水底地形坐标带入数据处理软件中进行处理，结果将更加真实可靠，异常体所处位置的圈定将更加准确。

3、解决了现场水下缆线位置无法准确确定、电缆实际水底有效测量长度不知、缆线移动重叠位置点偏差大等问题，通过水下gps定位系统可实时准确定位缆线的实际位置及电缆移动后的下一站重叠位置起点坐标，并且能够时刻掌握电缆系统位于水底的姿态，控制水底缆线的布设和移动始终在测量线上进行。

4、通过可控式充气机对水下气囊进行充放气操作，气囊浮力改变带动电缆系统沉于水底或在水中上下浮动，船体拖曳电缆向下一测量区移动，有效解决了拖曳式电缆系统布设于水底使简易式水下电极插入水底土体介质接触耦合后如何脱离、移动的问题。

5、网络并行电法仪在具备常规高密度电法仪特点的同时具有连续快速并行扫描地电场的优势，故将网络并行电法仪与智能一体化的拖曳式水底地质电法探测系统推广应用于水域电法探测领域，可实现对水底地质结构的快速高分辨率扫描。

本发明提供的拖曳式的水底地质电法探测系统和方法系统性的解决了目前水域电法探测中存在的问题及技术难题，具有广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的拖曳式的水底地质电法探测系统的整体结构示意图；

图2为本发明提供的电缆浮沉单元充气后的整个系统上浮示意图；

图3为本发明提供的拖船拖拽水下电缆系统移动示意图；

图4为本发明提供的水下电缆系统到达下一测量段后的布置示意图；

图5为本发明提供的三种设计类型的简易式水下电极主视图；

图6为本发明提供的简易式水下电极侧视图；

图7为本发明提供的水压测量模块工作原理图；

图8为本发明提供的水下gps定位系统工作原理图；

图9为本发明提供的拖曳式水底地质电法探测系统现场工作流程图；

图10为常规水域电法位于水面上进行探测的反演电阻率剖面图；

图11为常规水域电法位于水面下方2.5m进行探测的反演电阻率剖面图；

图12为本发明提供的拖曳式水底地质电法探测系统位于水底土体介质表面进行探测的反演电阻率剖面图。

图中，1—水下应答器、2—简易式水下电极、3—水下气囊、4—水压测量传感单元、5—电压参照电极n极、6—电缆线、7—通气管、8—船载换能器、9—gps、10—can总线、11—拖船、12—可控式充气机、13—网络并行电法仪、14—定位显示器、15—水压显示器、16—导电簧片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1，附图1为本发明提供的拖曳式水底地质电法探测系统整体结构示意图，具体包括：水下电缆线6、简易式水下电极2、水压测量传感单元4、电缆浮沉单元、水下gps定位系统、充气机12、电法数据采集存储模块和数据处理模块；

水下电缆线6与电缆浮沉单元固定，电缆浮沉单元与充气机12相连；水下电缆线6依次连接电法数据采集存储模块和数据处理模块；

水下电缆线6上固定有多个简易式水下电极2和多个水压测量传感单元4；且水压测量传感单元4和简易式水下电极2对应设置；

水下gps定位系统包括：应答器1、船载换能器8和gps9；应答器1仅需3个，其分别固定在水下电缆线6上的前、中、尾部简易式水下电极2处；应答器1与船载换能器8无线连接；gps9固定在拖船11上。

在具体实现时，水下电缆线6与电缆浮沉单元黏贴固定，水下电缆线6通过航插与电法数据采集存储模块的数据接口相连，具体的，电法数据采集存储模块是网络并行电法仪13；网络并行电法仪13与数据处理模块连接。

简易式水下电极2与水下电缆线6上的每个铜片通道固定；水压测量传感单元4固定安装在简易式水下电极2旁的水下电缆线6上；水下电缆线6上的前、中、尾端电极处固定水下gps定位系统中的应答器1；水下gps定位系统中的船载换能器8悬挂在拖船11尾部并置于水面以下；水下gps定位系统中的gps9固定在拖船11尾部；网络并行电法仪13、数据处理模块、充气机12、水压显示器15、gps9和配套的定位显示器置14于拖船上；其中，水压测量传感单元4通过无线方式与水压显示器15连接；船载换能器8与定位显示器14相连。水下电缆线6、简易式水下电极2、应答器1、水压测量传感单元4及电缆浮沉单元集成为一体后置于水底。

为了进一步优化上述技术方案，电缆浮沉单元包括：多个水下气囊3和通气管7；各个水下气囊3一一对应固定在各个简易式水下电极2的正上方；各个水下气囊3之间通过通气管7连通，通气管7和充气机12相连。

根据水下电缆线6布设于水底的实际情况，简易式水下电极2包括：背鳍状水下电极、圆弧状水下电极和尖锥状水下电极，请参见附图5，图5a为背鳍状水下电极、图5b为圆弧状水下电极、图5c为尖锥状水下电极。背鳍状、圆弧状电极适用于水底为淤泥质土层等松软接触面，尖锥状电极适用于水底为砂层、砾石层等颗粒物较大的或较硬的接触面。请参见附图6，简易式水下电极上具有导电簧片16，其中，导电簧片16为能够将简易式水下电极2夹持并固定在电缆线铜片上的有一定形变及夹持固定能力的导电簧片，即简易式水下电极2通过导电簧片16与水下电缆线6上的每个铜片通道固定。

优选的，充气机12为通过气门阀与电缆浮沉单元中的通气管7连接的可控式的充气机12。通过控制充气机对通气管内充气，气体经过通气管聚集到各个水下气囊内，使得水下气囊充气膨胀，电缆系统受气囊膨胀产生的浮力而脱离水底土体介质向上浮动(其中，气囊充气后可产生的最大浮力需能让缆线整体漂浮在水面上)，缆线随船向前移动至下一个测量区域后，通过对水下气囊放气，使得缆线下沉至待测区域的水底并与水底土体介质接触。通过可控式充气机对水下气囊进行充放气操作，可调节电缆系统沉于水底、悬于水中或漂于水面等不同位置。

参见附图7，附图7为本发明提供的水压测量模块工作示意图，其中水压测量传感单元4安装固定在电缆线6上的各个铜片位置处，用于测量各个简易式水下电极2所处的水深，获得水底起伏地形数据，通过对水压显示器15进行操作，实时控制水压测量传感单元4获得水底地形数据并将数据无线传输至水压显示器15上。

图8为本发明提供的水下gps定位系统工作原理图。具体的，水下gps定位系统由船载gps9、船载换能器8、水下应答器1和定位显示器14构成；所述船载gps9和定位显示器14置于船上；所述船载换能器8置于船尾附近水面下；所述水下应答器1仅需三个，其中两个分别固定在水下电缆线的首尾电极处的缆线上，另外一个应答器根据缆线重叠测量区段在每次移动缆线并重叠测量的缆线位置点处固定；所述固定于水下电缆线中部的应答器可根据实际需要的重叠范围在电缆线下水工作前调整固定好。该系统的设计适用于对水下电缆的姿态、位置及重叠测量起始点进行精确的定位，通过对每一次现场电缆线位置的移动和确定提供准确的定位数据，为后期数据的合并处理提供更可靠的保证。

本发明提供的拖曳式水底地质电法探测系统整体结构中，电缆线上按照一定电极距设计的环形铜片的间距和数量、电压参照电极n极(环形铜片)的位置均可根据实际需要让生产厂家定做，电缆线上部的通气管与水下气囊之间，通气管、水下气囊与电缆线之间，各水压测量传感单元均及电缆线首尾电极处应答器是出厂前生产厂家按照客户需求加工集成为一体的，上述部件及结构无需现场工作人员固定，现场人员仅需要将一个水下应答器固定在电缆线上的相应位置处以及将简易式水下电极夹持固定在电缆线上的各环形铜片处即完成水下电缆系统的现场安装工作，待水下电缆系统安装完成后，将通气管与可控式充气机连通，电缆线航插头与网络并行电法仪接口连接，船载换能器通过can总线连接至定位显示器接口即完整整个系统的连接固定工作。

本发明设计的一种拖曳式的水底地质电法探测系统的适用范围广，可针对浅海水域、江河湖泊及水库等的水底地质进行高精度、高分辨率的快速探测，具体可对包括：水底淤泥层厚度、水底基岩面深度、水底岩体结构完整性、水下基础工程稳定性、海水入侵程度及范围、水底浅层气赋存位置、岩溶空洞、裂隙渗漏通道、煤矿领域的水体下方采空区空间分布及工作面上覆岩体裂隙带高度等的水底地质进行精准勘探，获得水底地质目标体准确、详细的地质信息。根据上述不同的探测目标体深度及大小，可灵活设计生产电缆线的电极间距和电极通道数。例如，针对水底10m以浅的地质体结构探测，可将电缆线设计为电极间距1m、电极通道数32道或电极间距1m、电极通道数64道等；针对水底50m以浅的地质体结构探测，可将电缆线设计为电极间距2.5m、电极通道数64道；而针对水底150m深处的水体下方采空区、采煤工作面上覆岩体破坏等地质体异常探测，则需将电缆线设计为电极间距5m、电极通道数64道或电极间距5m、电极通道数96道等。相较于现有的水域电缆系统，本发明直接将电缆系统布设于水底使简易式水下电极与水底土体介质直接接触耦合好，并能测量各电极处的水底起伏地形等特点的智能一体化电缆系统具有数据质量可靠、勘探深度更深、勘探精度更高，适用范围更广等明显优势。

本发明所使用的电法数据采集存储模块包括网络并行电法仪13；水下电缆线6通过配套的航插头与网络并行电法仪13的数据采集接口连接；

数据处理模块为预设有相应的数据处理软件的笔记本电脑或台式机；数据处理软件包括：网络并行电法处理系统软件、surfer成图软件、excel以及agi反演软件。

并行电法采集系统具有高密度电法的多倍电极间距的并行采集功能，还具备连续快速并行扫描地电场的功能，大大提高了电法数据采集效率和数据质量。该电法采集仪器有0、24、48、72、96v共五挡供电电压可供选择，现场可根据探测目标深度、电缆长度等情况进行合理选择，并且该仪器可根据现场需要自行设定控制电缆线上的部分电极进行数据采集工作，灵活性强。该仪器其分为am和abm两种采集模式，其中，am法采集模式可同时采集二级、三极装置类型的电法数据(需布设无穷远电极)，abm法采集模式则可同时采集温纳四极、温纳偶极和温纳微分三种装置类型电法数据(无需布设无穷远电极)。通常情况下，am法采集模式的恒流时间、采样时间间隔分别设置为：0.5s、50ms；abm法采集模式的恒流时间、采样时间间隔分别设置为：0.2s，100ms。以电缆线上电极道数为64道为例，am法采集模式所需的采集时间仅为96s，abm法采集模式所需要的采集时间则为1080s。abm法所采集到的数据量较大，但是相对于am法而言，现场采集所需的时间过长，很难满足现场快速探测的需求，所以，在保证数据可靠性的基础上，选择am法作为现场电法数据采集模式更为合适。而且，现场采用am法进行数据采集在满足了快速电场扫描的同时依然能够通过后期处理将am法数据推导为abm法数据，这样即可在高效快速采集的基础上提供更多的电法装置数据。

此外，参见附图1～4和图9，本发明实施例还公开了一种基于拖曳式的水底地质电法探测系统的探测方法，包括如下步骤：

(1)准备工作

在拖船上，将简易式水下电极、应答器、水压测量传感单元和电缆浮沉单元固定在水下电缆线的相应位置上，组成水下电缆系统，并依次将水下电缆线与电法数据采集存储模块、数据处理模块相连；

参见附图1，图1中电缆线上的电极通道数为8道，从左到右依次是1#至8#电极，先将简易式水下电极2分别固定扣在电缆线6的各铜环上，然后根据实际电缆在水底每次移动后的重叠测量范围，在电缆线6中部的相应电极(6#电极)位置处固定一个应答器1，将电缆线6尾端的特制航插头插在网络并行电法仪13的数据采集接口处，将电缆浮沉单元的尾端通气管7与可控式充气机12连接，将船载gps9固定在船尾，将船载换能器8置于船尾水面下。需要说明的是，电缆线的各铜环旁的电缆线6上固定的水压测量传感单元4、电缆线6首(1#电极)尾(8#电极)电极处各固定安装一个应答器1是生产厂家在出厂前固定安装完成好的，水下气囊与通气管是连通的并黏贴在电缆线6的上部，电缆浮沉单元的黏贴固定让生产厂家完成。

(2)将水下电缆系统置于水底

将水下电缆系统放入水中，充气机对电缆浮沉单元进行充气，先让水下电缆系统漂浮于水面下方，拖船拖拽水下电缆系统到达待测区域位置后，通过充气机对电缆浮沉单元中水下气囊的气量进行逐步释放，使得水下电缆系统逐渐下沉，在此过程中，水下gps定位系统可实时获得水下电缆的姿态和位置，水压测量传感单元测量各个简易式水下电极所处的水深，待水下电缆系统到达指定测线位置并且电极与水底土体介质完全接触后，获取并保存各简易式水下电极位置处的水压测量传感单元所测得的水底地形数据和水下电缆线上首尾电极、重叠起始点处电极共三个位置点处的应答器所测得的经纬度坐标；

具体有：待各单元模块调试完成后，将水下电缆系统放入水中，此时充气机12通过通气管7对水下气囊3进行充气，先让水下电缆系统浮于水面下方，拖船11拖拽水下电缆系统到达待测区域的测线位置后，通过可控式充气机12对水下气囊3的气量进行控制并逐渐释放，使得水下电缆系统通过自重逐渐下沉至水底，在这一过程中，水下gps定位系统获得的数据可实时显示在定位显示器14上，获得电缆线的姿态及位置，水压测量传感单元4可实时测量各电极所处的水深，待水下电缆系统到达指定测线位置并且电极与水底土体介质完全接触后，获取并保存各电极位置处的水压测量传感单元4所测得的水底地形数据，并将地形起伏数据无线传输并保存至拖船11上的水压显示器15内，以及获得水下电缆线上首尾电极、重叠起始点处电极共三个位置点处的经纬度坐标。水下电缆系统沉入水底并且各电极与水底土体介质接触耦合后的整体布置图如图1所示。

(3)采集水底地质电性数据

对电法数据采集存储模块进行参数设置，设置完成后进行供电，水下电缆线上各个铜片通过简易式水下电极依次向水底土体介质内产生电流并形成电场，并进行电位采集，获取监测断面内的水底地质电性数据；

具体有：首先设置仪器参数，如，恒流时间、采样时间间隔、供电电压、采集模式、供电方式等；待仪器各参数设置完成后，对仪器供电，水下电缆线6上各铜片通过电极2依次向水底土体介质内产生电流并形成电场，其余所有电极进行电位采集，最终获得监测断面内的水底地质电性数据。网络并行电法仪分为am法(单点电源场)和abm法(偶极子电源场)两种不同的采集模式，其中，am法采集模式可同时采集二级、三极装置类型的电法数据(需布设无穷远电极)，abm法采集模式则可同时采集温纳四极、温纳偶极和温纳微分三种装置类型电法数据(无需布设无穷远电极)。通常情况下，am法采集模式的恒流时间、采样时间间隔分别设置为：0.5s、50ms；abm法采集模式的恒流时间、采样时间间隔分别设置为：0.2s，100ms。

(4)拖拽到下一探测位置并重复上述步骤

待数据采集完成后，通过充气机对通气管内充气，使得水下电缆系统随着水下气囊的膨胀向上浮，同时也带动简易式水下电极脱离水底土体介质并随水下电缆系统整体向上浮，拖船拖拽水下电缆系统整体向下一探测段方向移动，到达指定区域后，通过水下gps定位系统将电缆线上的第一个电极控制在重叠段的起始点，即上一次采集时中部应答器的位置坐标点处，之后逐渐对水下气囊进行放气操作，使得整个水下电缆系统沉入水底，待水下电缆系统完全沉入水底并且简易式水下电极插入水底土体介质后，重复上述数据采集操作以及移动拖拽水下电缆系统至下一个测试区域的操作，直至将整个探测区内的数据采集完毕；

具体包括：待数据采集完成后，通过可控式充气机12对通气管7内充气，使得电缆线6上的水下气囊3膨胀，简易式水下电极2受气囊3逐渐增大的向上浮力后，脱离水底土体介质并随水下电缆系统整体向上浮动，拖船11拖拽水下电缆系统整体向下一探测段方向移动，到达指定区域后，通过水下gps定位系统将电缆线1#电极控制在重叠段的起始点(即图2中6#电极所处的测量重复起始点处)后，逐渐对气囊3放气操作，使得整个电缆系统逐渐沉入水底指定区域，待电缆系统完全沉入水底并且简易式水下电极插入水底土体介质后，重复上述数据采集操作以及移动拖拽电缆系统至下一个测试区域等操作。具体见图3、图4示意图。

(5)数据处理阶段

数据处理阶段包括预处理、数据反演处理和数据结果成图；

预处理流程有：使用网络并行电法处理系统(wbdpro)打开原始数据；查看并修改电极坐标，其中包括通过在excel软件中对坐标数据换算整理合并、加入地形数据、导出文件等操作；将导出的带地形的文件数据放入wbdpro处理系统中，同时对各断面的原始数据进行合并统一；接下来是常规数据解编、输出视电阻率数据文件(dat格式)、输出agi反演格式数据文件(urf格式)，其中，在进行常规数据解编前需对采集到的数据进行检查，如果数据中存在不符合实际情况的异常跳点需要剔除，以减小后期软件计算反演时其对真实数据造成的影响，提高数据的质量。

数据反演处理流程，agi反演软件内提供了三种反演方法，其中包括了阻尼最小二乘法反演、圆滑模型反演、抗噪声反演，反演处理时可以依据现场地质情况同时结合实际数据采集的质量选择合适的反演方法，以使反演得出最佳的结果。主要流程为：反演参数的初始设置、选择合适的反演方法、设置数据噪声标准、反演迭代次数、圆滑系数及最大均方根误差等参数。打开待反演的urf格式文件，待上述设置完成后进行联合反演，即可获得整条测线上的完整水底地质体的电性数据剖面图，待反演结束后，导出dat格式的反演电阻率数据文件。

数据结果成图，通过surfer成图软件分别对视电阻率数据和agi反演软件导出的反演电阻率数据进行成图处理。其中包括：在surfer软件中打开dat格式的数据、进行网格化数据、选择网格化方法、网格划分大小及过滤异常数据基本处理流程，并且根据实际需要可以选择滤波器对数据进行滤波以及进行白化等处理，通过上述处理流程，最终获得带地形的水底地质电性结果图。

(7)水底地质电性结果分析

本发明设计的一种拖曳式的水底地质电法探测系统及方法的适用范围广，可针对浅海水域、江河湖泊及水库等的水底地质进行高精度、高分辨率的快速探测，具体可对包括：水底淤泥层厚度、水底基岩面深度、水底岩体结构完整性、水下基础工程稳定性、海水入侵程度及范围、水底浅层气赋存位置、岩溶空洞、裂隙渗水通道、煤矿领域的水体下方采空区空间分布及工作面上覆岩体裂隙带高度等的水底地质进行精准勘探，获得水底地质目标体准确、详细的地质信息。根据实际水底探测目的及探测结果图，并结合已有的现场地质资料，对电性结果图中不同区域位置的电阻率及分布规律特征进行解释，综合分析判断水底地质信息。

本发明明确提出并设计了本套智能化的水底地质勘探拖拽式电缆系统。相较于其他发明将电缆布设于水面或者水中而言，本发明将电缆系统直接布设于水底并将缆线上各电极与水底淤泥层等土体介质直接接触耦合，同时通过水压测量模块测量各电极所处的水深，获得水底真实起伏地形数据，并将各电极的坐标带入数据处理软件中进行带地形视电阻率成图及带地形电阻率反演，明显提高了现场探测数据的精度和可靠性、数据结果更加符合实际情况、同时也增加了电缆系统对水底地质体的有效地探测深度，并且通过水下gps定位系统，对每次电缆上的首尾电极点经纬度坐标、每次采集布设的电缆有效测量长度范围及电缆移动后重叠的位置点进行精确测定，使得每次电缆系统布设于水底的位置有效控制在待测区域内的测线上进行移动重叠测量，最后将每次移动布设后采集到的原始电性数据进行合并后联合处理，即可获得整条测线上的完整水底地质体的电性数据剖面图。

本发明根据现场实际存在的问题及需求设计了该套电缆系统，并对该套电缆系统的结构设计、现场布设、电极所处水底深度及地形数据采集、测线首尾电极及重叠电极点的经纬度坐标确定、现场仪器参数设置、数据采集方式、采集完成后外部的可控式充气机通过通气管对各水下气囊进行充气作业使得整个电缆系统上浮(上浮位置可控)、船体移动至下一测量段后将电缆上的1#电极控制于重叠点处上方后、气囊放气使电缆系统缓慢下沉至待测区域、在这一过程中需控制并适当调整电缆线在测量区段内，降低误差、重复上述步骤进行数据采集等具体操作步骤进行了详细的说明。

本发明解决了电缆系统布设于水底后电极与土体直接接触耦合，无需设计安装传统的仅适用于地面的棍棒式电极及设计结构复杂且现场安装布设繁琐的水域电极，较电缆浮于水面和水中进行探测而言，本发明具有探测的数据质量更可靠、数据结果更精确、探测深度更深等明显优点；解决了之前发明的水域电缆系统并不考虑水底地形起伏的实际问题，通过水压测量传感单元对电极所处深度进行测量，将各电极的实际水底地形坐标带入数据处理软件中进行处理，结果更加真实可靠；解决了现场水下缆线位置无法准确确定、电缆实际有效测量长度不知、缆线移动重叠位置点偏差大等问题，通过水下gps定位系统准确定位缆线的实际位置以及缆线移动后的下一站重叠位置点，并且时刻控制水底缆线的姿态和移动始终在测线上；解决了拖曳式电缆系统布设于水底使简易式水下电极与水底介质接触耦合后如何移动的问题，通过对水下气囊进行充气，带动电缆系统上浮后，通过船体拖曳电缆向下一测量区移动。

需要说明的是，本发明所设计的电缆系统主要是下沉至水底使得简易式水下电极与水底具有起伏地形的淤泥层等土体介质直接接触耦合后进行探测，提高勘探数据的精度和勘探深度，但并不局限于本发明的电缆系统只能用于水底进行地质探测，本发明通过外置的可控式充气机对水下气囊进行充气，可使整个电缆系统浮于水中及水面的任何位置进行探测，并且通过水下gps定位系统及水压测量传感单元获得电缆系统在水中的深度和位置等准确数据，所以在现场对水底地质进行探测的过程中，如果遇到某些区域的水底存在干扰影响电缆系统布设的异物较多，不便于将电缆系统沉于水底时，即可通过上述方式将电缆系统浮于水中或水面的任何位置，进而对现场数据进行采集，需要说明的是，电缆系统浮于水中时的各电极所处的深度并不要求必须控制在同一深度上，通过各电极位置处的水压测量模块可实时获得其所处水深，数据处理过程中将带电极高程的电极坐标数据带入处理软件中进行处理即可。所以本发明可根据水底不同的地质情况、地形复杂条件或者外界干扰情况等，适时的调整电缆系统沉于水底或者浮于水中、水面，故本发明的现场适用性更强，在满足重点用于直接对水底地质进行探测的同时，同样兼顾设计并具备了可浮于水中或水面任何深度进行快速扫描探测的能力。

为了比较并验证本发明所提供的技术方案的探测较目前的水域电法探测更精确，效果更好，在某河道内进行了现场对比探测实验。附图10、11为采用常规的水域电法探测系统分别将电缆线位于水面和位于水面下方2.5m处的探测结果反演电阻率剖面图，附图12为采用本发明提供的拖曳式水底地质电法探测系统位于水底土体介质表面进行探测的反演电阻率剖面图。其中，三组剖面图所使用的电缆线上的电极间距均为1m、电极通道数均为64道，测线间重叠16道电极，均使用网络并行电法仪采集现场水下电性数据，其中仪器供电电压均为72v，均进行am法数据采集。

分析图10可以发现，由于电缆系统布设于水面，使得仪器供电后在测试区内所产生的电场由于水体的低阻屏蔽作用主要分布于水体中，而进入到水底地质体内部的电场较弱，这就导致无法有效获得水底地质的电性数据，但从图上看，结果图中能看出水底界面的分布及水底地形，但无法有效判断水底地质体的结构情况，探测结果达不到针对水底地质内部结构情况的探查要求，但能探测出水底界面的分布情况等基本信息，另外，能有效探测到的水底下方深度有限。

分析图11发现，将电缆系统置于水面下2.5m深处进行探测的结果，较其置于水面要好一些，水底地质异常体的位置能够较好的圈定，图中深色区域为水底基岩，白色区域为淤泥等土体介质的分布位置，从图中发现在横向上55～80m范围，深度在8～16m范围的基岩内部存在白色低阻区，分析可能是该区域基岩完整性较差，长期的水体水流掏蚀使得该位置处充填大量的淤泥等土体介质。

为了对比本发明的探测与上述两种探测之间的效果和精确度的差异，故在同一测试区内，采用了本发明的拖曳式水底地质电法探测系统，简易式水下电极由于自重和电缆系统的重量插入水底介质耦合良好后进行现场探测，由于是将电缆系统布置于水底界面上，水底存在一定的地形起伏，所以在水平方向上的有效探测长度会较上述两种方式略短些。通过对采集到的数据进行相应的处理后，得到了如图12所示的带水底地形反演电阻率剖面图，从图中可清晰的分辨出不同位置水底淤泥层的厚度，以及水底基岩界面的位置，其中，图上的白色区域为水底淤泥层等土体介质的分布情况，深色区域则是水底基岩介质，观察图12可见，在水平方向上的50～55m位置的基岩面处存在类似缺口一样的低阻区，在缺口下方则出现水平方向45～75m、纵向上在9～15m范围内的低阻区域，并且该低阻区域为连通的，该区域的电阻率基本上为5～20ω〃m，与基岩面上部的淤泥层电阻率值相近，分析认为该处水底基岩稳定性及完整性较差，基岩内的低阻区域部分为已充填了大量的淤泥和水体，并且该低阻区域的上方部分基岩处于悬空状态，故，在未有效探明该区域水底地质的情况下，若在该位置处进行桩体或其它工程施工建设，会严重影响后期工程结构的稳定性和安全性。为验证本发明系统探测结果的准确性，现场钻机队在测试区域的水平方向上的55m和70m两个位置处分别打钻验证，根据打钻结果与图12进行对比发现，结果基本一致，现场探测结果精确可靠。而上述两种探测方式的结果与本发明系统的探测结果比较发现，上述两种的结果无法达到此分辨率和精确度，同时，针对水底地质体的有效探测深度也较浅，很难为该区域的工程建设提供准确的水底地质数据资料和可靠指导。故本发明的系统及方法与现有技术相比优势明显。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。