徐加益

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002)

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高密度電法反演軟件Res2dinv功能及其應(yīng)用

徐加益

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002)

隨著當(dāng)前我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為了提高工程建設(shè)效率，需要加強(qiáng)新型信息技術(shù)的應(yīng)用。本文以高密度電法反演軟件Res2dinv的應(yīng)用為例，對該軟件的具體應(yīng)用方法進(jìn)行分析，并結(jié)合具體的工程實(shí)例對其在水利大壩勘測方面的應(yīng)用以及應(yīng)用效果進(jìn)行總結(jié)。

Res2Dinv；2DResitivity&IPinversion；軟件應(yīng)用

Res2dinv是當(dāng)前比較常見的高密度電法二維反演軟件，在很多工程中都有所使用，能夠?qū)崿F(xiàn)對視電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的二維反演，從而保證反演成果圖的質(zhì)量，對于后期資料的分析解釋具有促進(jìn)作用。但是，因?yàn)樵撥浖泊嬖谝欢ǖ木窒扌裕措娮杪市∏€變圓滑，這就必須結(jié)合電阻率等值線圖綜合分析解釋，確保解釋成果的完整性。

1　高密度電法概述

高密度電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由主機(jī)、多路電極轉(zhuǎn)換器、電極系三部分組成。多路電極轉(zhuǎn)換器通過電纜控制電極系的供電與測量狀態(tài)；主機(jī)通過通訊電纜、供電電纜向多路電極轉(zhuǎn)換器發(fā)出工作指令，向電極供電，并接收、存貯測量數(shù)據(jù)。高密度電法野外工作裝置較多，總電極與點(diǎn)距可根據(jù)場地與勘察深度任意選擇。固定斷面掃描測量方式數(shù)據(jù)采集結(jié)果其視電率斷面為一倒梯形剖面，變斷面連續(xù)滾動掃描測量方式其視電阻率斷面為一平形四邊形剖面[1]。

2　Res2dinv反演軟件的使用

2.1編輯主菜單

原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)后，可對數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯(如圖1)。

圖1　數(shù)據(jù)編輯界面

清除壞數(shù)據(jù)點(diǎn)：點(diǎn)擊“清除壞數(shù)據(jù)點(diǎn)”后，屏幕顯示各層電阻率曲線，只需雙擊曲線上畸變點(diǎn)，即可清除畸變電阻率值。

大型數(shù)據(jù)分割設(shè)置：如原始數(shù)據(jù)量太大或與其他測線有重疊部分，還可把數(shù)據(jù)任意分割成幾部分進(jìn)行反演，用上、下、左、右、PageUp、PageDown鍵等即可選取需反演的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

翻轉(zhuǎn)擬斷面圖：在野外數(shù)據(jù)采集過程中，常常選擇較方便施工的電纜一端連接儀器，有時(shí)造成測線反向，即測線小號端變?yōu)榇筇柖?，或其他情況需改變測線方向，這時(shí)點(diǎn)擊翻轉(zhuǎn)擬斷面圖菜單即可改變測線方向。

用戶可手動編輯原始數(shù)據(jù)文件，可任意設(shè)置第一根電極坐標(biāo)等。

2.2設(shè)置主菜單

在反演前，須對各項(xiàng)反演參數(shù)進(jìn)行設(shè)置(如圖2)。

圖2　各項(xiàng)反演設(shè)置圖

阻尼系數(shù)：根據(jù)不同的噪聲設(shè)置合適的初始值及最小值，系統(tǒng)默認(rèn)初始值為0.16，最小值為0.015。

阻尼系數(shù)隨深度改變：為穩(wěn)定反演過程，阻尼系數(shù)應(yīng)隨深度改變而改變，因?yàn)橐曤娮杪史洲q率隨每層深度增加而呈指數(shù)衰減，為提高深部電阻率分辯率，就必須為每層設(shè)置不同的阻尼系數(shù)，系統(tǒng)默認(rèn)每層阻尼系數(shù)增量為1.2。

線性檢索：每次反演迭代之后，擬合誤差應(yīng)當(dāng)減小，但當(dāng)干擾噪聲較大或電阻率數(shù)據(jù)離散性較大時(shí)，擬合誤差可能增大，即反演迭代不能收斂，這時(shí)就可采用線性搜索的方法。這種方法是忽略局部異常值，反演迭代雖然收斂，但可能導(dǎo)致整個(gè)擬合斷面失真，用戶可自行選擇是否采用線性搜索的方法[2]。

設(shè)置線性檢索收斂系數(shù)：采用線性檢索后，應(yīng)設(shè)置一個(gè)線性檢索收斂系數(shù)。當(dāng)兩次迭代電阻率擬合誤差的改變量很小時(shí)，例如小于0.4%，就沒有必要再進(jìn)行線性搜索計(jì)算。通常改變量設(shè)定范圍是0.1%～1%之間，系統(tǒng)默認(rèn)為0.4%。

收斂極限：一次迭代后擬合誤差的改變量很小時(shí)，表明反演過程已收斂。再一次迭代將不會使擬合誤差明顯減小。收斂極限以擬合誤差百分率的形式給出，這個(gè)值通常在1%～10%之間。

迭代次數(shù)：程序通常使用4～6次迭代，超過10次是毫無意義的，可以改變最小二乘法反演子程序的迭代次數(shù)。

平面濾波縱橫比率：反演結(jié)束后，如視電阻率剖面縱方向的主要異常被拉伸了，可通過在縱方向使用更高的縱橫濾波比(如2.0)，就可以為縱向選擇最優(yōu)化的反演參數(shù)，如主要異常是水平方向拉伸，就得為垂向選擇一個(gè)較小的縱橫濾波比(如：0.5)。系統(tǒng)默認(rèn)初始值為1.0。

設(shè)置模型層厚度系數(shù)：可以使模型層厚度沿深度方向以10%增加或以25%增加，也可以指定模型的第一層厚度及沿深度方向?qū)雍穸仍黾酉禂?shù)。該項(xiàng)設(shè)置非常重要，可直接影響到反演異常的深度，這也是物探勘察中的一個(gè)難點(diǎn)。由于物探技術(shù)的多解性，反演異常的深度及規(guī)?？赡芘c實(shí)際情況不吻合，故該項(xiàng)設(shè)置目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，只能憑技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)設(shè)置參數(shù)，但可盡量利用已知條件，如鉆探、地質(zhì)調(diào)繪成果等，不斷修改各層的厚度系數(shù)，使反演成果更接近于實(shí)際情況。

2.3反演主菜單

反演參數(shù)設(shè)置完成后，即可進(jìn)行初次反演(如圖3)。

圖3　初次反演界面圖

最小二乘法反演：點(diǎn)擊“最小二乘法反演”菜單，經(jīng)過幾分鐘反演計(jì)算，即可顯示反演結(jié)果(如圖4)，屏幕最上方的斷面圖為原始視電阻率斷面圖，第二張圖為初始視電阻率模型斷面圖，第三張圖為反演擬合電阻率斷面圖，如對反演結(jié)果不滿意，可修改“反演”主菜單或“設(shè)置”主菜單的參數(shù)，再次進(jìn)行反演計(jì)算，直到得出理想的反演成果為止。

修改模型層厚度系數(shù)：與“設(shè)置”主菜單內(nèi)“設(shè)置模型層厚度系數(shù)”功能完全一樣。

圖4　反演結(jié)果

允許模型塊數(shù)量超過數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)：系統(tǒng)默認(rèn)模型塊數(shù)量不超過實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，這將非常適用大于40電極的大、中型數(shù)據(jù)。然而，對于一些小型數(shù)據(jù)，允許模型塊點(diǎn)數(shù)超過實(shí)測數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)是很有用的，這將使得各層模型塊有一個(gè)相同的長度，并等于最小電極距。用戶可根椐實(shí)際情況選擇是否允許模型塊數(shù)量超過數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。

使用擴(kuò)展模型：該設(shè)置僅應(yīng)用于偶極-偶極、單極-偶極、單極-單極等邊界效應(yīng)明顯的裝置中。使用擴(kuò)展模型后，系統(tǒng)程序自動排列模型塊的分布以使其包含最大的數(shù)據(jù)信息，用戶可選擇是否使用擴(kuò)展模型。

減少邊塊效應(yīng)：在反演模型中，側(cè)面或底面的模型塊會擴(kuò)展到使用的有限差分網(wǎng)格或有限元網(wǎng)格的邊緣，這些邊緣的模型塊將具有較大的邊界效應(yīng)，特別是那些有較大噪音的數(shù)據(jù)，它將會導(dǎo)致模型邊界出現(xiàn)高阻或低阻異常，執(zhí)行該選項(xiàng)可有效地消除邊界效應(yīng)。

優(yōu)化模型的網(wǎng)格類型：選擇較好的網(wǎng)格類型將會得到較精確的視電阻率值，但它需要運(yùn)行較長的計(jì)算時(shí)間和較大的內(nèi)存。當(dāng)電阻率差異小于20∶1時(shí)，推薦用戶使用普通網(wǎng)格；當(dāng)數(shù)據(jù)差異不大時(shí)候，在某些情況下使用“精細(xì)網(wǎng)格”將會改進(jìn)反演結(jié)果。

優(yōu)化阻尼系數(shù)：使用優(yōu)化阻尼系數(shù)，程序收斂的迭代次數(shù)將明顯減少，然而每一次迭代的時(shí)間將會增加，對小到中型數(shù)據(jù)將明顯減少全部數(shù)據(jù)反演計(jì)算時(shí)間。

使用組合反演方式：當(dāng)測線通過低阻體時(shí)，會發(fā)生低阻屏蔽現(xiàn)象，反演模型中局部出現(xiàn)電阻率低值，同時(shí)會引起低電阻體以下區(qū)域電阻率發(fā)生畸變，運(yùn)用組合反演方式在某些情況下可減小這種畸變。

2.4顯示主菜單

反演結(jié)束后，用戶可以各種方式顯示反演結(jié)果(如圖5、圖6)。如顯示實(shí)測斷面與模型斷面、含地形的電阻率斷面(如圖7)、同時(shí)顯示電阻率及自電斷面等。各種顯示斷面均可以bmp或pcx圖形格式存盤并輸出[3]。

如用戶對反演斷面圖默認(rèn)顏色、縱橫坐標(biāo)比例尺、字體等不滿意，這些參數(shù)均可自定義設(shè)置。

圖5　各種顯示模式

圖6　改變顯示設(shè)置

圖7　含地形的電阻率斷面圖

2.5改變顯示設(shè)置主菜單

用戶可選擇用SC變換法、有限元法進(jìn)行地形改正。輸入地形數(shù)據(jù)文件時(shí)，確保不漏掉第一根電極的地形數(shù)據(jù)，在地形起伏較大的測區(qū)，應(yīng)加密地形數(shù)據(jù)點(diǎn)，以提高地改精度。確保兩個(gè)相鄰的地形數(shù)據(jù)點(diǎn)間的距離小于5倍電極距。

3　Res2dinv反演軟件的應(yīng)用

某水庫為供水、防洪、灌溉、旅游等綜合利用的水利工程。水庫大壩經(jīng)兩次加高后，壩高42.1 m，壩底寬218 m，壩頂寬5 m，壩頂長176 m。2001年11月6日，壩腳排水溝出現(xiàn)渾濁水流，2002年1月27日左壩體三至四馬道間出現(xiàn)罐狀塌坑，嚴(yán)重影響大壩安全。為查明壩體塌陷的原因，采用了以高密度電法為主，輔以電磁波CT的勘察方法，其任務(wù)是查明壩體滲水通道、壩體土洞及壩體不良工程隱患等，為此，在一至四馬道間布置7條高密度電法測線，點(diǎn)距根據(jù)測區(qū)實(shí)地情況分別選擇2 m、3 m，估計(jì)探測深度15～25 m，三馬道上布置兩對電磁波CT孔，即ZK24-ZK25、ZK25-ZK26。

高密度電法數(shù)據(jù)經(jīng)Res2dinv軟件反演計(jì)算，成果數(shù)據(jù)用SURFER繪圖軟件繪出視電阻率等值線圖(見圖8)，綜合鉆探、電磁波CT資料得出解釋成果。3測線50～60 m處，高密度電法低阻異常與電磁波CT高吸收率異?；疚呛稀８鳁l斷面均發(fā)現(xiàn)多處低阻異常，主要集中在后兩次加高的壩體上，推斷為多處黏土疏松帶引起；大壩涵管處幾條相鄰測線上均出現(xiàn)低阻異常，推斷為沿涵管發(fā)育一條滲水通道，滲水通道為涵管嚴(yán)重破損滲漏對周邊壩體及下伏基巖的淘蝕作用引起，壩體未發(fā)現(xiàn)較大規(guī)模的空洞存在。本次高密度電法反演成果與地質(zhì)調(diào)繪、鉆探等成果基本吻合，Res2dinv反演軟件在該項(xiàng)目上取得了較好的應(yīng)用效果，為大壩除險(xiǎn)加固方案設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)大壩經(jīng)加固處理后，已正常蓄水運(yùn)行。

圖8　視電阻率等值線圖

4　結(jié)　語

根據(jù)上述案例中Res2dinv軟件的使用情況發(fā)現(xiàn)，該軟件中存在缺陷，有部分功能不能正常發(fā)揮出來，從而增大數(shù)據(jù)誤差。對此，需要根據(jù)地質(zhì)測繪結(jié)果以及地質(zhì)資料等對反演參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，從而去除壞數(shù)據(jù)點(diǎn)，這樣才能保證反演結(jié)果，促進(jìn)工程建設(shè)任務(wù)的順利開展。

[1]劉興華，王艷麗.RES2DINV與SURFER軟件在高密度電法中的應(yīng)用[J].科學(xué)與財(cái)富，2011(3)：126-127.

[2]韋乙杰，袁忠明.RES2DINV在粵北某鉛鋅礦區(qū)激電測深反演中的應(yīng)用[J].物探與化探，2013(5)：827-829.

[3]何煥林，代軍，袁慎志.高密度電阻率法在園博塔選址勘察中的應(yīng)用[J].工程勘察，2013，41(11)：80-82.

徐加益(1970-)，男，高級工程師，主要從事水利工程物探方面的工作。

P631.3

A

2096-0506(2016)08-0056-04