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1、(10)申请公布号 CN 103869173 A (43)申请公布日 2014.06.18 CN 103869173 A (21)申请号 201410067376.4 (22)申请日 2014.02.26 G01R 27/14(2006.01) G01V 3/08(2006.01) G06F 19/00(2011.01) (71)申请人 国家电网公司 地址 100031 北京市西城区西长安街 86 号 申请人 国网湖北省电力公司电力科学研究 院 武汉大学 国网青海省电力公司电力科学研究 院 国网湖北省电力公司宜昌供电公司 (72)发明人 全江涛 阮羚 杨小库 李玉海 陈科基 康钧 鲁海亮 童歆。
2、 杨琪 徐菁 李伟 文习山 (74)专利代理机构 武汉楚天专利事务所 42113 代理人 雷速 (54) 发明名称 一种测量地表到地深数十公里土壤电阻率分 布的方法 (57) 摘要 一种测量地表到地深数十公里土壤电阻率分 布的方法， 其步骤是 ： 1. 用四极法测量得到视在 电阻率 ； 之后对测量结果进行反演， 得到地表至 地下300m的浅层土壤电阻率模型 ； 2.根据当地表 层土壤电阻率和不同的探测深度， 探测地表至地 下数十公里的视电阻率分布情况 ； 3. 对步骤 1 中 地表至地下 300m 的浅层土壤电阻率模型， 采用大 地电磁法正演得到视电阻率 - 高频曲线 ； 4. 将步 骤 3 。
3、正演后的视电阻率 - 高频曲线替代利用大地 电磁法测量的视电阻率 - 频率曲线的高频部分， 得到准确的视电阻率 s- 频率 f 曲线 ； 5. 对准 确的视电阻率 s- 频率 f 曲线进行反演， 得到地 表至地下数十公里的土壤电阻率模型。本方法能 精确有效地掌握入地直流电流造成的地表电位分 布。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103869173 A CN 103869173 A 1/2 页 2 1. 一种测量地表到地深数十公里土。
4、壤电阻率分布的方法， 其特征在于按照下述步骤进 行 ： 步骤 1. 利用四极法测量得到视在电阻率 =2aU/I， 其中 I 为电流极注入电流， U 为 电压极两端电压， a 为极距， 当极距 a 变化时， 视在电阻率 随之变化， 最大极距为 a=300m ； 之后对测量结果进行反演， 反演得到地表至地下 300m 的浅层土壤电阻率模型， 该模型为包 含层数， 每层电阻率和厚度三参数的层状模型 ； 步骤 2. 按照趋肤深度公式， 根据当地表层土壤电阻率和不同的探测深 度， 选取对应的磁探头 Hx、 Hy、 Hz， 探测地表至地下数十公里的视电阻率分布情况， 式中 S 为未修正前的从浅至深的视电阻。
5、率， h 为土壤深度， f 为频率， 其中磁探头 Hx， Hy， Hz 的频率 段均为 0 f ； 步骤 3. 对步骤 1 中地表至地下 300m 的浅层土壤电阻率模型， 采用大地电磁法正演得 到视电阻率 - 高频曲线， 具体方法是， 若步骤 1 所述层状模型存在 N 层层状土壤结构， 则共 有2N-1个参数， hi(i=1,2,.,N-1)和i(i=1,2,.,N)分别代表第i层的厚度和电阻率， 按照如下视电阻率 a和相位 a公式计算视电阻率 a和相位a： 式中 Z1为第 1 层的波阻抗 ； 为导磁率， 角频率 =2/T， ReZ1 和 ImZ1 分别为 Z1 的实部和虚部， a为经过大地电。
6、磁法正演后的浅层视电阻率 ； 式中 i=1,2,.,N，为第 i 层的复传播系数 ； Z0i为第 i 层特征阻抗 ； Zi为 第 i 层顶面的波阻抗， e 为自然对数， KN为第 i 层的复传播系数 ； Z0N为第 N 层特征阻抗， ZN 为第 N 层顶面的波阻抗 ； 步骤 4. 将步骤 3 正演后的视电阻率 - 高频曲线替代利用大地电磁法测量的视电阻 率 - 频率曲线的高频部分， 得到准确的视电阻率 s- 频率 f 曲线。 步骤 5. 对准确的视电阻率 s- 频率 f 曲线进行反演， 即得到地表至地下数十公里的 土壤电阻率模型， 该模型也为包含层数， 每层电阻率和厚度三参数的层状模型。 所述。
7、准确的 s- 频率 f 曲线的反演， 按照如下目标函数方程进行 层状模型参数 上式中sj表示准确的视电阻率曲线在第j个周期点上的离散采样值， M表示采样数 或周期点数， cj表示某一理论曲线在相应周期点上的视电阻率值， 它是由给定的层状模型 参数 1,2,.,k,h1,h2,.,hk-1通过正演理论计算求得的， 这里将层状模型参数同一 权 利 要 求 书 CN 103869173 A 2 2/2 页 3 用向量 ： 上式中， m 表示层状模型参数的总数， 对于 k 层层状模型， m=2k-1， *是理论曲线和实 测曲线拟合最好时， 理论曲线所对应的的层状模型参数。 权 利 要 求 书 CN 1。
8、03869173 A 3 1/4 页 4 一种测量地表到地深数十公里土壤电阻率分布的方法 技术领域 0001 本发明属电力系统土壤电阻率测量领域， 用于测量从地表至地深数十公里的土壤 视电阻率分布。 背景技术 0002 目前， 电力系统广泛使用四极法作为变电站站址范围大地电阻率的测量方法。四 极法的缺点是测量深度 （测深） 不足， 只能测量地表以下数百米的电阻率分布。 0003 大地电磁测深法 （MT 法） 是以天然电磁场为场源来研究地球内部电性结构的一种 重要的地球物理手段。大地电磁法也有一个明显的短板， 就是无法准确测量地表浅层的电 阻率分布。 0004 四极法和大地电磁法的测量的电阻率的。
9、物理意义不相同。 使用四极法测得的土壤 电阻率， 不是土壤电阻率的真值， 而是综合考虑土壤不均匀性后的一个视在电阻率， 它随土 壤结构和测量极间距的变化而变化。使用大地电磁法测得的土壤电阻率， 是由场值转换的 视电阻率， 它充分反映地下电性的变化规律。 两者测量结果并不能简单拼接， 如何结合两者 方法来获得地表至地深数十公里土壤视电阻率分布， 对于直流输电工程直流极的选址、 设 计以及预测直流电流在交流电网中的分布有着重要的意义。 0005 土壤电阻率模型的正演的目的在于利用现有土壤电阻率模型推测某种电土壤电 阻率观测结果， 而反演的目的在于寻找一个合理的土壤电阻率模型使之与某种土壤电阻率 观。
10、测结果一致。 发明内容 0006 本发明提供一种新的综合运用四极法和大地电磁测深法测量地表至深层大地的 视电阻率分布的方法， 用以克服四极法测深不足、 大地电磁勘测法无法准确测量地表浅层 的电阻率分布的缺点， 测量由地表至地下数十公里的土壤电阻率分布情况， 以便准确掌握 土壤模型结构， 为交直流电网的安全运行提供保障。 0007 所述测量地表到地深数十公里土壤电阻率分布的方法的特征在于按照下述步骤 进行 ： 0008 步骤 1. 利用四极法测量得到视在电阻率 =2aU/I， 其中 I 为电流极注入电 流， U 为电压极两端电压， a 为极距， 当极距 a 变化时， 视在电阻率 随之变化， 最大。
11、极距为 a=300m ； 之后对测量结果进行反演， 反演得到地表至地下 300m 的浅层土壤电阻率模型， 该 模型为包含层数， 每层电阻率和厚度三参数的层状模型 ； 0009 步骤 2. 按照趋肤深度公式， 根据当地表层土壤电阻率和不同的探 测深度， 选取对应的磁探头 Hx、 Hy、 Hz， 探测地表至地下数十公里的视电阻率分布情况， 式中 S为未修正前的从浅至深的视电阻率， h 为土壤深度， f 为频率， 其中磁探头 Hx， Hy， Hz 的 频率段均为 0 f ； 0010 步骤 3. 对步骤 1 中地表至地下 300m 的浅层土壤电阻率模型， 采用大地电磁法正 说 明 书 CN 1038。
12、69173 A 4 2/4 页 5 演得到视电阻率 - 高频曲线， 具体方法是， 若步骤 1 所述层状模型存在 N 层层状土壤结构， 则共有 2N-1 个参数， hi(i=1,2,.,N-1) 和 i(i=1,2,.,N) 分别代表第 i 层的厚度和电 阻率， 按照如下视电阻率 a和相位 a公式计算视电阻率 a和相位a： 0011 0012 式中 Z1为第 1 层的波阻抗 ； 为导磁率， 角频率 =2/T， ReZ1 和 ImZ1 分别 为 Z1的实部和虚部， a为经过大地电磁法正演后的浅层视电阻率 ； 0013 0014 0015 式中 i=1,2,.,N，为第 i 层的复传播系数 ； Z0。
13、i为第 i 层特征阻抗 ； Zi为第i层顶面的波阻抗， e为自然对数， KN为第i层的复传播系数 ； Z0N为第N层特征阻抗， ZN为第 N 层顶面的波阻抗 ； 0016 步骤 4. 将步骤 3 正演后的视电阻率 - 高频曲线替代利用大地电磁法测量的视电 阻率 - 频率曲线的高频部分， 得到准确的视电阻率 s- 频率 f 曲线。 0017 步骤 5. 对准确的视电阻率 s- 频率 f 曲线进行反演， 即得到地表至地下数十公 里的土壤电阻率模型， 该模型也为包含层数， 每层电阻率和厚度三参数的层状模型。 0018 所述准确的 s- 频率 f 曲线的反演， 按照如下目标函数方程进行 0019 00。
14、20 层状模型参数 0021 上式中sj表示准确的视电阻率曲线在第j个周期点上的离散采样值， M表示采 样数或周期点数， cj表示某一理论曲线在相应周期点上的视电阻率值， 它是由给定的层状 模型参数 1,2,.,k,h1,h2,.,hk-1通过正演理论计算求得的， 这里将层状模型参数 同一用向量 ： 0022 0023 上式中， m 表示层状模型参数的总数， 对于 k 层层状模型， m=2k-1， *是理论曲线 和实测曲线拟合最好时， 理论曲线所对应的的层状模型参数。 0024 上述方案的精髓在于 ： 利用四极法测量视在电阻率分布， 反演得到地表至地下 300m 的浅层土壤电阻率模型 ； 利用。
15、大地电磁法测量从低频至高频的视电阻率分布情况。对 地表至地下 300m 的浅层土壤电阻率模型， 采用大地电磁法正演得到视电阻率 - 高频曲线， 将正演后的视电阻率 - 高频曲线替代利用大地电磁法测量的视电阻率 - 频率曲线高频部 分， 得到准确的视电阻率 - 频率曲线。对准确的视电阻率 - 频率曲线进行反演得到地表至 地下数十公里的土壤电阻率模型。 0025 其有益效果是 ： 能较为精确地获取从表层至数十公里深的土壤电阻率模型， 避免 说 明 书 CN 103869173 A 5 3/4 页 6 造成直流极接地电阻设计值与实际值相差较大， 有利于准确有效地掌握入地直流电流造成 的地表电位分布。。
16、 附图说明 0026 图 1a 为四极法测量原理图 ； 0027 图 1b 为大地电磁法测量原理图 ； 0028 图 2a 为四极法测量结果图 ； 0029 图 2b 为电磁法测量结果图 ； 0030 图 3 为修正后的视电阻率 - 频率曲线图。 0031 图 4 为某地反演结果表 ； 0032 图 5 为本发明原理框图。 0033 具体实施方 0034 以下结合附图说明测量地表到地深数十公里土壤电阻率分布的方法。 0035 步骤1.如图1a、 图2a所示， 利用四极法测量得到视在电阻率=2aU/I， 图1a中 I 为电流极注入电流， U 为电压极两端电压， a 为极距， 当极距 a 变化时，。
17、 视在电阻率 随之 变化， 最大极距为 a=300m ； 之后对测量结果进行反演， 反演得到地表至地下 300m 的浅层土 壤电阻率模型 （如图 4 所示） ， 该模型为包含层数， 每层电阻率和厚度三参数的层状模型 ； 此 处反演的目的在于寻找一个合理的土壤电阻率模型使之与某种土壤电阻率观测结果一致。 以四极法为例， 在图 1a 中的测量数据为视在电阻率与极距的的曲线， 反演的目的在于寻找 到一个合理的层状模型 （包含层数， 每层电阻率和厚度） ， 若在此模型上测量， 得到结果与测 量数据的相对误差尽可能小。 0036 步骤 2. 如图 1b 所示， 按照趋肤深度公式， 根据当地表层土壤电阻 。
18、率和不同的探测深度， 选取对应的磁探头 Hx、 Hy、 Hz， 探测地表至地下数十公里的视电阻率 分布情况， 式中 S为未修正前的从浅至深的视电阻率， h 为土壤深度， f 为频率， 图 1b 中磁 探头 Hx， Hy， Hz 的频率段均为 0 f ； 0037 步骤 3. 对步骤 1 中地表至地下 300m 的浅层土壤电阻率模型， 采用大地电磁 法正演得到视电阻率 - 高频曲线 （如图 2b 所示） ， 此曲线为视电阻率随频率变化的曲 线。具体方法是， 若步骤 1 所述层状模型存在 N 层层状土壤结构， 则共有 2N-1 个参数， hi(i=1,2,.,N-1) 和 i(i=1,2,.,N)。
19、 分别代表第 i 层的厚度和电阻率， 按照如下视电 阻率 a和相位 a公式计算视电阻率 a和相位a： 0038 0039 式中 Z1为第 1 层的波阻抗 ； 为导磁率， 角频率 =2/T， ReZ1 和 ImZ1 分别 为 Z1的实部和虚部， a为经过大地电磁法正演后的浅层视电阻率 ； 0040 说 明 书 CN 103869173 A 6 4/4 页 7 0041 0042 式中 i=1,2,.,N，为第 i 层的复传播系数 ； Z0i为第 i 层特征阻抗 ； Zi为第i层顶面的波阻抗， e为自然对数， KN为第i层的复传播系数 ； Z0N为第N层特征阻抗， ZN为第 N 层顶面的波阻抗 ；。
20、 0043 使用大地电磁法测得的土壤电阻率， 是由场值转换的视电阻率， 它充分反映地下 电性的变化规律。视在电阻率和视电阻率都反映了综合土壤的不均匀特性， 但两者的物理 意义也不相同， 视在电阻率随土壤结构和测量极间距的变化而变化， 视电阻率是由场值转 换转换而来， 反映了地下电性的变化规律。此处正演的目的在于利用现有土壤电阻率模型 推测某种电土壤电阻率观测结果。 0044 步骤 4. 将步骤 3 正演后的视电阻率 - 高频曲线替代利用大地电磁法测量的视电 阻率 - 频率曲线的高频部分， 得到准确的视电阻率 s- 频率 f 曲线 （如图 3 示） 。 0045 步骤 5. 对准确的视电阻率 s。
21、- 频率 f 曲线进行反演， 即得到地表至地下数十公 里的土壤电阻率模型， 该模型也为包含层数， 每层电阻率和厚度三参数的层状模型 （图 4 后 两列示） 。 0046 所述准确的 s- 频率 f 曲线的反演， 按照如下目标函数方程进行 0047 0048 的层状模型参数 0049 上式sj表示准确的视电阻率曲线在第j个周期点上的离散采样值， M表示采样 数或周期点数， cj表示某一理论曲线在相应周期点上的视电阻率值， 它是由给定的层状模 型参数 1,2,.,k,h1,h2,.,hk-1通过正演理论计算求得的， 这里将层状模型参数同 一用向量 ： 0050 0051 上式中， m 表示层状模型参数的总数， 对于 k 层层状模型， m=2k-1， *是理论曲线 和实测曲线拟合最好时， 理论曲线所对应的的层状模型参数。 0052 上述步骤在本发明原理框图 5 中已有清晰表述。 说 明 书 CN 103869173 A 7 1/3 页 8 图 1a 图 1b 图 2a 说 明 书 附 图 CN 103869173 A 8 2/3 页 9 图 2b 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103869173 A 9 3/3 页 10 图 5 说 明 书 附 图 CN 103869173 A 10 。