高密度电法反演软件Res2dinv功能及其应用

2016-09-18徐加益

水利科学与寒区工程 2016年8期

关键词：电法测线高密度

徐加益

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳 550002)

高密度电法反演软件Res2dinv功能及其应用

徐加益

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳 550002)

随着当前我国社会经济的快速发展，为了提高工程建设效率，需要加强新型信息技术的应用。本文以高密度电法反演软件Res2dinv的应用为例，对该软件的具体应用方法进行分析，并结合具体的工程实例对其在水利大坝勘测方面的应用以及应用效果进行总结。

Res2Dinv；2DResitivity&IPinversion；软件应用

Res2dinv是当前比较常见的高密度电法二维反演软件，在很多工程中都有所使用，能够实现对视电阻率数据进行有效的二维反演，从而保证反演成果图的质量，对于后期资料的分析解释具有促进作用。但是，因为该软件也存在一定的局限性，即电阻率小曲线变圆滑，这就必须结合电阻率等值线图综合分析解释，确保解释成果的完整性。

1　高密度电法概述

高密度电法数据采集系统由主机、多路电极转换器、电极系三部分组成。多路电极转换器通过电缆控制电极系的供电与测量状态；主机通过通讯电缆、供电电缆向多路电极转换器发出工作指令，向电极供电，并接收、存贮测量数据。高密度电法野外工作装置较多，总电极与点距可根据场地与勘察深度任意选择。固定断面扫描测量方式数据采集结果其视电率断面为一倒梯形剖面，变断面连续滚动扫描测量方式其视电阻率断面为一平形四边形剖面[1]。

2　Res2dinv反演软件的使用

2.1编辑主菜单

原始数据导入计算机后，可对数据进行编辑(如图1)。

图1　数据编辑界面

清除坏数据点：点击“清除坏数据点”后，屏幕显示各层电阻率曲线，只需双击曲线上畸变点，即可清除畸变电阻率值。

大型数据分割设置：如原始数据量太大或与其他测线有重叠部分，还可把数据任意分割成几部分进行反演，用上、下、左、右、PageUp、PageDown键等即可选取需反演的部分数据。

翻转拟断面图：在野外数据采集过程中，常常选择较方便施工的电缆一端连接仪器，有时造成测线反向，即测线小号端变为大号端，或其他情况需改变测线方向，这时点击翻转拟断面图菜单即可改变测线方向。

用户可手动编辑原始数据文件，可任意设置第一根电极坐标等。

2.2设置主菜单

在反演前，须对各项反演参数进行设置(如图2)。

图2　各项反演设置图

阻尼系数：根据不同的噪声设置合适的初始值及最小值，系统默认初始值为0.16，最小值为0.015。

阻尼系数随深度改变：为稳定反演过程，阻尼系数应随深度改变而改变，因为视电阻率分辩率随每层深度增加而呈指数衰减，为提高深部电阻率分辩率，就必须为每层设置不同的阻尼系数，系统默认每层阻尼系数增量为1.2。

线性检索：每次反演迭代之后，拟合误差应当减小，但当干扰噪声较大或电阻率数据离散性较大时，拟合误差可能增大，即反演迭代不能收敛，这时就可采用线性搜索的方法。这种方法是忽略局部异常值，反演迭代虽然收敛，但可能导致整个拟合断面失真，用户可自行选择是否采用线性搜索的方法[2]。

设置线性检索收敛系数：采用线性检索后，应设置一个线性检索收敛系数。当两次迭代电阻率拟合误差的改变量很小时，例如小于0.4%，就没有必要再进行线性搜索计算。通常改变量设定范围是0.1%～1%之间，系统默认为0.4%。

收敛极限：一次迭代后拟合误差的改变量很小时，表明反演过程已收敛。再一次迭代将不会使拟合误差明显减小。收敛极限以拟合误差百分率的形式给出，这个值通常在1%～10%之间。

迭代次数：程序通常使用4～6次迭代，超过10次是毫无意义的，可以改变最小二乘法反演子程序的迭代次数。

平面滤波纵横比率：反演结束后，如视电阻率剖面纵方向的主要异常被拉伸了，可通过在纵方向使用更高的纵横滤波比(如2.0)，就可以为纵向选择最优化的反演参数，如主要异常是水平方向拉伸，就得为垂向选择一个较小的纵横滤波比(如：0.5)。系统默认初始值为1.0。

设置模型层厚度系数：可以使模型层厚度沿深度方向以10%增加或以25%增加，也可以指定模型的第一层厚度及沿深度方向层厚度增加系数。该项设置非常重要，可直接影响到反演异常的深度，这也是物探勘察中的一个难点。由于物探技术的多解性，反演异常的深度及规模可能与实际情况不吻合，故该项设置目前没有统一的标准，只能凭技术人员的经验设置参数，但可尽量利用已知条件，如钻探、地质调绘成果等，不断修改各层的厚度系数，使反演成果更接近于实际情况。

2.3反演主菜单

反演参数设置完成后，即可进行初次反演(如图3)。

图3　初次反演界面图

最小二乘法反演：点击“最小二乘法反演”菜单，经过几分钟反演计算，即可显示反演结果(如图4)，屏幕最上方的断面图为原始视电阻率断面图，第二张图为初始视电阻率模型断面图，第三张图为反演拟合电阻率断面图，如对反演结果不满意，可修改“反演”主菜单或“设置”主菜单的参数，再次进行反演计算，直到得出理想的反演成果为止。

修改模型层厚度系数：与“设置”主菜单内“设置模型层厚度系数”功能完全一样。

图4　反演结果

允许模型块数量超过数据点数：系统默认模型块数量不超过实测数据点数，这将非常适用大于40电极的大、中型数据。然而，对于一些小型数据，允许模型块点数超过实测数据点数是很有用的，这将使得各层模型块有一个相同的长度，并等于最小电极距。用户可根椐实际情况选择是否允许模型块数量超过数据点数。

使用扩展模型：该设置仅应用于偶极-偶极、单极-偶极、单极-单极等边界效应明显的装置中。使用扩展模型后，系统程序自动排列模型块的分布以使其包含最大的数据信息，用户可选择是否使用扩展模型。

减少边块效应：在反演模型中，侧面或底面的模型块会扩展到使用的有限差分网格或有限元网格的边缘，这些边缘的模型块将具有较大的边界效应，特别是那些有较大噪音的数据，它将会导致模型边界出现高阻或低阻异常，执行该选项可有效地消除边界效应。

优化模型的网格类型：选择较好的网格类型将会得到较精确的视电阻率值，但它需要运行较长的计算时间和较大的内存。当电阻率差异小于20∶1时，推荐用户使用普通网格；当数据差异不大时候，在某些情况下使用“精细网格”将会改进反演结果。

优化阻尼系数：使用优化阻尼系数，程序收敛的迭代次数将明显减少，然而每一次迭代的时间将会增加，对小到中型数据将明显减少全部数据反演计算时间。

使用组合反演方式：当测线通过低阻体时，会发生低阻屏蔽现象，反演模型中局部出现电阻率低值，同时会引起低电阻体以下区域电阻率发生畸变，运用组合反演方式在某些情况下可减小这种畸变。

2.4显示主菜单

反演结束后，用户可以各种方式显示反演结果(如图5、图6)。如显示实测断面与模型断面、含地形的电阻率断面(如图7)、同时显示电阻率及自电断面等。各种显示断面均可以bmp或pcx图形格式存盘并输出[3]。

如用户对反演断面图默认颜色、纵横坐标比例尺、字体等不满意，这些参数均可自定义设置。

图5　各种显示模式

图6　改变显示设置

图7　含地形的电阻率断面图

2.5改变显示设置主菜单

用户可选择用SC变换法、有限元法进行地形改正。输入地形数据文件时，确保不漏掉第一根电极的地形数据，在地形起伏较大的测区，应加密地形数据点，以提高地改精度。确保两个相邻的地形数据点间的距离小于5倍电极距。

3　Res2dinv反演软件的应用

某水库为供水、防洪、灌溉、旅游等综合利用的水利工程。水库大坝经两次加高后，坝高42.1 m，坝底宽218 m，坝顶宽5 m，坝顶长176 m。2001年11月6日，坝脚排水沟出现浑浊水流，2002年1月27日左坝体三至四马道间出现罐状塌坑，严重影响大坝安全。为查明坝体塌陷的原因，采用了以高密度电法为主，辅以电磁波CT的勘察方法，其任务是查明坝体渗水通道、坝体土洞及坝体不良工程隐患等，为此，在一至四马道间布置7条高密度电法测线，点距根据测区实地情况分别选择2 m、3 m，估计探测深度15～25 m，三马道上布置两对电磁波CT孔，即ZK24-ZK25、ZK25-ZK26。

高密度电法数据经Res2dinv软件反演计算，成果数据用SURFER绘图软件绘出视电阻率等值线图(见图8)，综合钻探、电磁波CT资料得出解释成果。3测线50～60 m处，高密度电法低阻异常与电磁波CT高吸收率异常基本吻合。各条断面均发现多处低阻异常，主要集中在后两次加高的坝体上，推断为多处黏土疏松带引起；大坝涵管处几条相邻测线上均出现低阻异常，推断为沿涵管发育一条渗水通道，渗水通道为涵管严重破损渗漏对周边坝体及下伏基岩的淘蚀作用引起，坝体未发现较大规模的空洞存在。本次高密度电法反演成果与地质调绘、钻探等成果基本吻合，Res2dinv反演软件在该项目上取得了较好的应用效果，为大坝除险加固方案设计提供了科学的数据。现大坝经加固处理后，已正常蓄水运行。