高密度電法反演軟件Res2dinv功能及其應用

徐加益

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002)

?

高密度電法反演軟件Res2dinv功能及其應用

徐加益

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002)

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

Res2Dinv；2DResitivity&IPinversion；軟件應用

Res2dinv是當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，能夠實現(xiàn)對視電阻率數(shù)據(jù)進行有效的二維反演，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作用。但是，因為該軟件也存在一定的局限性，即電阻率小曲線變圓滑，這就必須結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、多路電極轉換器、電極系三部分組成。多路電極轉換器通過電纜控制電極系的供電與測量狀態(tài)；主機通過通訊電纜、供電電纜向多路電極轉換器發(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)導入計算機后，可對數(shù)據(jù)進行編輯(如圖1)。

圖1　數(shù)據(jù)編輯界面

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

大型數(shù)據(jù)分割設置：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行反演，用上、下、左、右、PageUp、PageDown鍵等即可選取需反演的部分數(shù)據(jù)。

翻轉擬斷面圖：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，這時點擊翻轉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，可任意設置第一根電極坐標等。

2.2設置主菜單

在反演前，須對各項反演參數(shù)進行設置(如圖2)。

圖2　各項反演設置圖

阻尼系數(shù)：根據(jù)不同的噪聲設置合適的初始值及最小值，系統(tǒng)默認初始值為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)應隨深度改變而改變，因為視電阻率分辯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，就必須為每層設置不同的阻尼系數(shù)，系統(tǒng)默認每層阻尼系數(shù)增量為1.2。

線性檢索：每次反演迭代之后，擬合誤差應當減小，但當干擾噪聲較大或電阻率數(shù)據(jù)離散性較大時，擬合誤差可能增大，即反演迭代不能收斂，這時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，但可能導致整個擬合斷面失真，用戶可自行選擇是否采用線性搜索的方法[2]。

設置線性檢索收斂系數(shù)：采用線性檢索后，應設置一個線性檢索收斂系數(shù)。當兩次迭代電阻率擬合誤差的改變量很小時，例如小于0.4%，就沒有必要再進行線性搜索計算。通常改變量設定范圍是0.1%～1%之間，系統(tǒng)默認為0.4%。

收斂極限：一次迭代后擬合誤差的改變量很小時，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較小的縱橫濾波比(如：0.5)。系統(tǒng)默認初始值為1.0。

設置模型層厚度系數(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層厚度增加系數(shù)。該項設置非常重要，可直接影響到反演異常的深度，這也是物探勘察中的一個難點。由于物探技術的多解性，反演異常的深度及規(guī)?？赡芘c實際情況不吻合，故該項設置目前沒有統(tǒng)一的標準，只能憑技術人員的經(jīng)驗設置參數(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際情況。

2.3反演主菜單

反演參數(shù)設置完成后，即可進行初次反演(如圖3)。

圖3　初次反演界面圖

最小二乘法反演：點擊“最小二乘法反演”菜單，經(jīng)過幾分鐘反演計算，即可顯示反演結果(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，如對反演結果不滿意，可修改“反演”主菜單或“設置”主菜單的參數(shù)，再次進行反演計算，直到得出理想的反演成果為止。

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

圖4　反演結果

允許模型塊數(shù)量超過數(shù)據(jù)點數(shù)：系統(tǒng)默認模型塊數(shù)量不超過實測數(shù)據(jù)點數(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)，允許模型塊點數(shù)超過實測數(shù)據(jù)點數(shù)是很有用的，這將使得各層模型塊有一個相同的長度，并等于最小電極距。用戶可根椐實際情況選擇是否允許模型塊數(shù)量超過數(shù)據(jù)點數(shù)。

使用擴展模型：該設置僅應用于偶極-偶極、單極-偶極、單極-單極等邊界效應明顯的裝置中。使用擴展模型后，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展模型。

減少邊塊效應：在反演模型中，側面或底面的模型塊會擴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，特別是那些有較大噪音的數(shù)據(jù)，它將會導致模型邊界出現(xiàn)高阻或低阻異常，執(zhí)行該選項可有效地消除邊界效應。

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，但它需要運行較長的計算時間和較大的內(nèi)存。當電阻率差異小于20∶1時，推薦用戶使用普通網(wǎng)格；當數(shù)據(jù)差異不大時候，在某些情況下使用“精細網(wǎng)格”將會改進反演結果。

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)反演計算時間。

使用組合反演方式：當測線通過低阻體時，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，同時會引起低電阻體以下區(qū)域電阻率發(fā)生畸變，運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

反演結束后，用戶可以各種方式顯示反演結果(如圖5、圖6)。如顯示實測斷面與模型斷面、含地形的電阻率斷面(如圖7)、同時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顏色、縱橫坐標比例尺、字體等不滿意，這些參數(shù)均可自定義設置。

圖5　各種顯示模式

圖6　改變顯示設置

圖7　含地形的電阻率斷面圖

2.5改變顯示設置主菜單

用戶可選擇用SC變換法、有限元法進行地形改正。輸入地形數(shù)據(jù)文件時，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)，應加密地形數(shù)據(jù)點，以提高地改精度。確保兩個相鄰的地形數(shù)據(jù)點間的距離小于5倍電極距。

3　Res2dinv反演軟件的應用

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，點距根據(jù)測區(qū)實地情況分別選擇2 m、3 m，估計探測深度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高吸收率異常基本吻合。各條斷面均發(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反演軟件在該項目上取得了較好的應用效果，為大壩除險加固方案設計提供了科學的數(shù)據(jù)。現(xiàn)大壩經(jīng)加固處理后，已正常蓄水運行。

圖8　視電阻率等值線圖

4　結　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)測繪結果以及地質(zhì)資料等對反演參數(shù)進行合理設置，從而去除壞數(shù)據(jù)點，這樣才能保證反演結果，促進工程建設任務的順利開展。

[1]劉興華，王艷麗.RES2DINV與SURFER軟件在高密度電法中的應用[J].科學與財富，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