激电找水数据处理解释方法与系统.pdf

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 激电找水数据处理解释方法与系统 ① 杨 进 孟海东 傅良魁 (中国地质大学,北京 100083) 摘 要 本文概括介绍激电找水数据处理解释的方法和步骤,给出激电找水处理解释软件系统的 设计思想、 系统结构和程序功能,并以一个例子说明它的应用效果 关键词 激电法,地下水,数据处理 0 前言 50年代,美国、 苏联等国的学者对含水岩石的激发极化现象及其探测地下水的可能性进 行了初步理论研究和试验,取得了一些有意义的成果60年代,我国开始了激发极化法找水 的理论和实验研究北京、 山西、 河南、 内蒙古和山东等10个省市自筹资金进行了这方面的工 作,1992年获国家科技进步二等奖虽然在激电法找水的基本原理、 方法技术、 仪器装备等方 面做了一些工作,但在激发极化找水的资料处理解释方面仍存在着不足为提高野外实测资 料处理和解释工作的效率和地质效果,便于资料的存贮、 管理、 交流和利用,在自然科学基金项 目的资助下,几年来我们研制、 完善了激发极化找水资料处理解释全汉化软件系统。

激电法找 水在我国已经得到广泛应用随着地下水资源的紧缺,它将发挥愈来愈大的作用 1 激电找水资料处理解释的基本方法 激电找水资料处理解释方法主要包括电阻率法和激电法的正演模拟、 资料解释及图形处 理下面简要地给出部分处理解释的基本方法 1. 1 正演模拟 激电找水资料处理解释中正演模拟主要有对称四极测深和五极纵轴测深,用来计算水平 层状介质条件下视电阻率、 视极化率、 视衰减度和视激发比 层状模型上视参数测深理论曲线的计算是根据n层水平层状介质在点源条件下满足的 泊松方程定解问题,推导出含电阻率转换函数(T)的地面电位表达,用线性滤波法计算地面电 位值由位求出各种装置条件下的视电阻率值根据体极化条件下等效电阻率的概念或利用 Cole2Cole模型所表示介质时域极化响应的极化二次电位表达式,可计算出水平层状极化介质 的极化二次场根据极化二次场值,由视参数表达式可计算视极化率ηS、 视衰减度DS和视激 发比JS 五极纵轴装置是近期提出的一种测量装置该装置是把供电电极和测量电极相互垂直布 置,这样能有效的降低或克服电磁耦合效应的影响五极纵轴装置可以做测深测量,也可以做 剖面测量,也可在AB两侧做双向观测(沿y轴正向和反向)。

根据布极的方式可知,五极纵 第22卷第3期 物 探 与 化 探 Vol. 22 ,No. 3 1998年6月GEOPHYSICAL 2.解正规方程求出ΔP; 3.给出初始阻尼系数α,改正后的参数值为P1= P0+α ΔP; 4.由P1计算出目标函数φ1; 5.比较φ1与φ0的大小,确定迭代是否收敛迭代不收敛时加大阻尼系数转到3迭代 收敛时,继续; 6.以P0代替P1,同时减小阻尼,转到1进行下一次迭代,直到目标函数达到给定的误差 限为止 自然界中的许多现象之间存在着相互依赖、 相互制约的关系,这些关系表现在量上,主要 有两种类型,一是函数关系,另一类是统计关系,或称相关关系回归分析是指由一组非随机 变量来估计或预测某一个随机变量的观测值时,所建立的数学模型及所进行的统计分析若 这个模型是线性的,则称为线性回归分析在多元线性回归方程建立的基础上,以找水实例为 依据进行激电参数预报单位涌水量的相关分析 基于多元线性回归分析方法用激电参数对单位涌水量进行预报主要有以下步骤: 1.多元回归分析的最小二乘估计; ·502· 3期杨进等:激电找水数据处理解释方法与系统 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2.回归系数的显著性检验; 3.多元回归预测; 4.回归分析的偏F检验法; 5.激电参数预报单位涌水量的相关分析。

1. 3 图形处理 图形作为一种资料处理解释的结果,具有直观、 明了、 反映一定地质信息等特点因此,图 形以适当的形式输出,对资料的处理解释有一定的意义图形处理主要包括剖面曲线(实测测 深曲线、K剖面曲线、 联合剖面曲线)、 图形数据的网格化、 断面等值线图、 资料解释成果图 剖面曲线绘制的主要内容是绘制光滑曲线(或称函数插值法 ) , 它的基本思想是把一条曲 线看成是由一系列的密集的点连接而成的只要计算出这些点的平面位置,并确保在这些点 上具有连续的一阶导数或者连续的二阶导数,就可以保证曲线是光滑的绘制光滑曲线的方 法很多,我们采用张力样条函数插值法张力样条函数的一个显著的特征是具有一个张力系 数σ ,当σ→0时,张力样条函数等同于三次样条函数,当σ→∞ 时,则它将退化成分段线性函 数因此,可以选择合适的σ,使得点与点之间的曲线尽量缩短,好象在整条曲线的两端用一 种作用力拉到合适的程度,即能消除可能出现的多余拐点,又保持了曲线的光滑性 等值线断面图绘制之前,首先需将图形数据进行网格化数据网格化时有以下要求 : (1) 网格化后的数据要尽可能地逼近实测值 ;(2) 网格化后的数据消除了局部突变 ;(3) 对于数据量 大的断面,网格化时运行速度要快而且占用内存量小。

按上述要求,可选择两种方法进行网格 化,即曲面样条函数拟合法和最小二乘曲面拟合法 曲面样条函数拟合法是将曲面样条函数看成是一块无限大的平板纯弯曲时的变形,其挠 度ω和作用于该板上负载q之间满足一定的微分方程给定几个独立点上挠度的条件下,用 豪斯霍尔德变换法求解关于样条函数系数的方程组,可得到曲面样条函数由此可计算出曲 面上不同位置的挠度值计算结果表明,当剖面上实测数据少而稀时,用上述方法进行网格 化,一般能得到较好的效果,这种方法运行速度较慢,占用内存量较大 最小二乘曲面拟合是n次多项式曲面来拟合、 逼近实测数据断面根据最小二乘法原 理,观测值与拟合曲面之差的平方和为最小时,便可得到高阶线性方程组给定多项式的次数 n,通过求解方程组可求出多项式系数这种网格化方法的特点是能消除局部突变,而且运行 速度快,但逼近程度差 用网格法绘制断面等值线的基本步骤是 :(1) 内插等值点的位置,计算各条等值线与网格 边交点的坐标 ;(2) 找出一条等值线的起始点,并确定判断和识别的条件,以追踪一条等值线 的全部等值点 ;(3) 连接各等值点,绘制光滑曲线 ;(4) 标志等值线符号 2 激电找水数据处理解释软件系统 2. 1 环境说明 激电找水资料的处理解释系统包括数值计算、 资料解释、 成图处理和图形输出。

为了实现 这些功能,我们选用了计算与图形功能较强的C语言进行软件开发,编制了20多个功能模 块,使得整个软件系统成为一个有机的整体我们采用了全汉化窗口和下拉式菜单技术,设计 了友好的人机界面这种界面便于用户学习、 操作、 使用和推广 2. 2 软件系统结构 ·602· 物 探 与 化 探22卷 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2. 2. 1 软件系统树状结构 软件采用树状结构,这种结构层次清楚,明了直观,便于学习掌握在树状结构的各个节 点上,完成激电找水资料处理、 解释和成图的各项工作软件系统的基本结构见图1 图1 软件系统树状结构示意图 Ο～ Τ — 树节点 2. 2. 2 软件系统菜单结构 菜单是交互式用户界面执行各种功能的一种基本形式,专为用户使用而给出的功能选择 项其最上端为主菜单(一级菜单 ) , 在主菜单的各项中又包含了各种功能,这些功能为二级子 菜单,二级子菜单中又包含了三级子菜单选择功能时需使用三个基本键:箭头键、 回车键 (Enter)和退出键(Esc)。

箭头键用于移动光标选择功能,回车键用于执行所选择的功能,退出 键用于退出子菜单返回上级菜单软件菜单结构见表1 表1 激电找水数据处理解释软件系统汉化示意菜单 系统环境数据处理正演处理反 演 解 释图 形 处 理图 形 输 出 使用手册仪器输入四极测深经验法反演绘制剖面曲线图设置打印机号 维护工具数据转换五极测深最优化法反演图形数据网格化显示与打印图 装入拼音编 辑 器其它测深线性回归分析绘拟断面等值线自定义图输出 装入五笔其它方法反演绘视地电断面图 退出输入绘制解释柱状图 退出系统绘目标地电断面 绘 自 定 义 图 计算RS,MS,曲面样条网格化 RS,MS,JS,DS最小二乘网格化 2. 3 软件系统功能 2. 3. 1 系统环境的基本功能 系统使用说明提供了用户使用帮助,系统维护工具既有DOS下常用的基本功能,又具有 类似WINDOWS下的特殊功能它能实现窗口下的文件拷贝、 文件删除、 文件浏览、 文件编 辑、 文件改名等汉化编辑器既可在西文状态下编辑,也可在中文状态下编辑汉字输入可采 用拼音输入法或五笔字型输入法它可实现多窗口、 多文件同时编辑同时用户可根据自己 的需要自定义编辑命令,进行二次开发。

2. 3. 2 数据输入功能 仪器传输数据是指把实测数据从电测仪器(如平遥卜宜仪器厂的JJ6智能化激电仪)传输 ·702· 3期杨进等:激电找水数据处理解释方法与系统 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 到计算机,然后把传输数据转换成激电找水软件系统的统一格式手工输入数据是用本系统 编辑器把手工记录的实测数据按照规定的数据格式输入到计算机形成数据文件 2. 3. 3 正演计算功能 本系统可计算不同极距条件下各种物性层状介质中对称四极测深曲线和不同极距条件下 各种等轴状体介质中五极纵轴测深曲线可计算视电阻率、 视极化率、 视衰减度、 视激发比 2. 3. 4 反演解释功能 该系统反演解释可采用改进的阻尼最小二乘法反演和经验法反演,线性回归分析主要用 于有部分已知井位的地区找水时,利用已知井位的激电参数和已知井的单位涌水量求出多元 回归方程,然后通过实测激电资料预报所测井的单位涌水量 2. 3. 5 图形处理和图形输出功能 剖面曲线绘制模块主要绘制实测激电测深曲线图, K剖面曲线图和联合剖面曲线图。

断 面等值线图绘制包括图形数据网格化(曲面样条网格化和最小二乘网格化)、 绘制拟断面等值 线、 绘制视断面等值线、 绘制实测数据解释柱状图、 绘制目标地电断面图形输出主要有图形 的屏幕输出和打印机输出 图2 对称四极测深曲线图3 五极纵轴测深曲线 3 激电找水软件系统的使用实例 3. 1 正演模拟算例 对称四极测深曲线正演模拟给出不同参数不同地电条件下的各种曲线(图 2) 五极纵轴 测深曲线正演模拟给出不同参数不同地电条件下的各种曲线(图 3) 3. 2 山西梁家寨激电找水实例 图4 山西梁家寨激电找水工作布置示意图 3. 2. 1 概况 梁家寨村现有人口500余人,因该村祖辈居 住在黄土坡上,无生活用水之水源生活用水主 要取自黄土坡沟底开挖的大口径井,村民靠挑水 维持生活农田灌溉基本上靠天降水维持因 ·802· 物 探 与 化 探22卷 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 此,该村迫切要求打一口深井,以解决人畜饮水的困难 1993～1994年对该区周围的地形、 地貌、 区域地质等进行了实地调查。

该村地处黄土丘 陵区的黄土高坡上,海拨1 200 m ,区内基本为黄土覆盖,村南约2 km处有一近东北 — 西南向 断层,其岩性主要为二迭。