水中直流電阻率法對河道淤積層探測的可行性分析

任廣欣 何冰天 邵 帥

(中國海洋大學環境科學與工程學院，山東青島 266100)

近年來，由于水庫、江河、湖泊水下淤積嚴重，直接影響其功能的正常使用。其中河道的嚴重淤積對河道防洪排澇、運輸以及水環境質量有著重要的影響。在進行河道疏浚前，河道的水深、淤積層底界面深度的探測對河道疏浚方案的制定與實施具有重要的指導意義。

水域環境下用于淤積層探測的物探方法有多種。利用聲波(地震波)反射原理開展的聲學方法是當前水上探測的常用手段，對于水深較淺的河床，水底多次波反射嚴重［1］、沉積層中淺層氣導致的氣泡阻尼震蕩會引起有效聲波信號劇烈衰減［2］;探地雷達(GPR)也廣泛用于河床的淤積層探測［3］，但應用于強電導率的飽和泥沙以及粘土層環境中，電磁信號衰減作用增強，其有效探測深度較淺［4］。而直流電阻率法對于淺水水域的工程地質探測是一種有效的探測方法［5，6］。

國內外將直流電阻率法應用于河道淤積探測的實例較少［7］，基于解析法理論計算水下地電模型為簡單層狀模型［8］。因此本文通過有限差分法(Finite-Difference Time Domain，FDTD)對不同測量方式的探測工況進行正演模擬，并基于室內水槽試驗法研究直流電阻率應用于河道淤積層探測的可行性。

1 數值模擬

水中直流電阻率法主要有兩種探測方式:一種為測量電極位于水下，直接與地層接觸，另一種為測量電極漂浮于水面。兩種測量方式分別對應水體—土體二層介質和空氣—水體—土體三層介質地電模型。由于數值模擬法對復雜地電模型可以實現有效、快速的計算，本文采用RES2Dmod軟件的FDTD方法對水中電阻率法探測模型進行正演計算，采用基于RES2Dinv軟件進行視電阻率反演。基于計算結果討論分析直流電阻率法對河道淤積層的探測能力。

1．1 模型構建

以黃河沖積扇平原典型河流物性實測電阻率值，構建地電模型如圖1所示。第一層為河水(ρ1=10Ω·m)，第二層為粘土、亞粘土、亞砂土層(ρ2=15Ω·m)，第三層為粉砂、粉細砂層(ρ3=35 Ω·m)，第四層為中砂、粗砂(ρ4=50 Ω·m，h1=2 m)，第五層含礫砂層(ρ5=80Ω·m)。圖中黑色虛線表示電極分布位置，模擬電極分別位于河水層和沉淀層、空氣與河水層的交界面。

1．2 數值計算

通過有限差分法，將理想地電模型差分為矩形網格。在模型一、模型二中，電極分別位于河水層和沉淀層、空氣與河水層的交界面的節點處，相鄰電極為4個節點。首尾電極偏置2個網格，測量裝置為偶極—偶極，電極極距1 m，數據采集層數20層。視電阻率數據結果加入3%的隨機噪聲。

圖1 水中測量地電模型圖

1．3 計算結果與分析

當測量電極位于河床時，視電阻率反演斷面圖如圖2a)所示，虛線表示的粘土層與粉砂、中砂層分界面反映明顯，各地層面空間分布、視電阻率值與模型接近。圖2b)，圖2c)為電極漂浮于水面，水深分別為1 m和2 m的反演視電阻率斷面圖。圖中點實線表示水層與粘土層分界面，水層與粘土層、粘土層與砂層界面明顯，水層與粘土層視電阻率值與模型相近。由于水層影響，砂層與深地層電阻率值與模型相差較大。隨著水深的增加，砂土層的視電阻率值與模型值相差較大。

圖2 數值模擬計算結果

如圖1所示，模型中同時存在粘土與粉砂、粘土與細砂接觸面，圖2中的計算結果表明，地層界面兩側電阻率差異越大，地層接觸面分辨能力越高。水上漂浮式和水下測量式直流電阻率法可以實現水下淤積層探測。兩種測量方式對水下地層界面有明顯的反映，其水下測量式結果反映的地層信息更接近模型的地層分布特征。

2 室內物理試驗

試驗模擬水深為1 m的河道，不同厚度粘土淤積層與砂層整合，分別測量電極位于水底和水面條件下的視電阻率，通過視電阻率反演結果分析直流電阻率法對水下淤積層探測的有效性。

2．1 試驗器材與參數設置

物理模擬水槽材質為雙層玻璃鋼，尺寸為200 cm×150 cm×150 cm。水槽內裝有80 cm厚細砂土作為背景材料，在細砂層上部覆蓋不小于8 cm厚度粘土模擬河道淤積層。淤積層上方河水采用自來水與粘土混合水模擬。電阻率采集主機采用Geopen公司E60DN高密度電法儀。自制電極排共16個電極，電極極距10 cm。電極為φ4．3×65 mm銅棒，電極通過導線與智能電纜連接。

電法儀供電模式采用內部恒壓供電(100 V)，供電周期4 s。測量裝置偶極，使用電極數16，數據采集層數10層。

2．2 測量結果與分析

測量結果如圖3a)，圖3b)所示，圖中虛線兩側介質電性差異較大，與粘土層與細砂層電性差異反映一致，推斷虛線上部低阻區為粘土層反映，下部高阻區為砂層反映。經水槽內部多點取樣驗證，低阻異常區與水槽內部粘土層空間分布位置相近。兩種測量方式反演結果對沉積層厚度與底界劃分有較好的反映。

圖3 水槽試驗測量結果

圖3a)為模擬電極位于河床底部時的測量視電阻率反演結果，圖中粘土層與砂層邊緣分界明顯?？梢灾苯油ㄟ^視電阻率反演結果推斷河床淤積層的底界與各土層電阻率信息。圖3b)為模擬電極漂浮于水面時測量視電阻率反演結果，點實線上部低阻區為水層反映，水層與粘土層以及粘土層與砂層界面反映明顯，視電阻率剖面圖同時反映較多的地電信息(如水層電阻率、水下沉淀層分布等)。但由于水層的影響，水上測量方式對各層分界面反映較水下測量方式較差、有效深度較淺以及測量視電阻率值較水下測量值小。

綜上所述，數值模擬與室內水槽試驗探測結果一致，粘土層與砂層邊界反映明顯，表明水上漂浮式、水下測量式直流電阻率法對水下淤積層有較好的探測效果。數值模擬與水槽試驗相結合的方法，對直流電阻率法應用于河道淤積層探測的可行性研究提高了可靠性。

3 結語

1)基于FDTD方法建立水下河道淤積層模型，其計算結果表明:極距為1 m偶極裝置可用于河道淤積層探測，水上、水下直流電阻率法對河道淤積層劃分有較好的探測效果。河道下地層界面兩側介質的電性差異決定了直流電阻率法對地層的分辨能力。2)室內水槽試驗結果表明，水上、水下直流電阻率法對模擬河道粘土層與砂層分界面有較好的反映。3)為了避免單一試驗方法的局限性和偶然性，建立兩種試驗方法為直流電阻率法對河道淤積層探測的可行性分析提高了準確性與可靠性。試驗結果為直流電阻率法實際應用于河道淤積探測的實現提供可靠的理論與技術基礎。

［1］岳全貴，陳銀生，鄒方華，等．水域多道地震反射波法在海底隧道勘察中的應用［J］．資源環境與工程，2009，23(F9):181-188．

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