一種利用大地電磁三維反演數據建立水平土壤模型的方法技術

一種利用大地電磁三維反演數據建立水平分層土壤電性模型的方法包括：根據大地電磁三維反演土壤電阻率數據建立復合分層土壤模型，選用地表電位作為擬合指標，采用最小二乘法，將用有限元方法求得的復合模型的地表電位與用格林函數法推得的水平模型的地表電位進行擬合，得到水平分層土壤電性模型的目標函數，并采用遺傳算法優化求解，得出水平分層土壤電性模型中每層土壤電阻率參數及對應層深，從而實現了模型由復合分層到水平分層的轉化。本發明專利技術降低了模型的復雜度，提高了模型的可靠性，能夠為接地極問題的分析提供更加準確的土壤電阻率模型數據。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及高壓直流輸電系統接地極土壤電阻率建模領域，尤其涉及一種利用大地電磁三維反演數據建立水平分層土壤電性模型的方法。
技術介紹
土壤電阻率是接地工程計算中一個常用的參數，直接影響接地裝置接地電阻的大小、地網地面電位分布、接觸電壓和跨步電壓。土壤電阻率ρ的大小主要取決于土壤中導電離子的濃度和土壤中的含水量，它是土壤中所含導電離子濃度A的倒數A1和單位體積土壤含水量B的倒數B1的函數，也就是說，土壤中所含導電離子濃度越高，土壤的導電性就越好，ρ就越??；反之就越大。高壓直流輸電技術憑借其在傳輸距離與送電容量等方面的優勢，已成為目前國內外區域聯網和電能傳輸的重要方式。在單極回路運行方式下，高壓直流輸電系統以接地極為直流電流返回通道。強大的直流電流持續地通過接地極注入大地，會產生電磁干擾等不良效應，影響接地極周邊電氣設施的平穩運行。因此，土壤是分析接地網接地性能的必然要考慮的因素，如何通過建立復雜地質條件下的土壤電阻率模型，在獲得準確土壤模型參數的基礎上分析接地極對周邊電氣環境的影響，成為現有技術亟待解決的重要問題。目前，接地極環境影響分析大多基于水平分層土壤電性模型。現有技術中常用的土壤電阻率測量方法有Wenner四極法、大地電磁(MT)法和電位擬合法等。Wenner四極法是采用沿直線等距排列的4個電極，外面的一對電極中一個是電流注入極、另一個是電流返回極，里面的一對電極用于測量電位差，保持電流不變，改變極間距，從而得到一系列電壓值。距離越大，電流穿越的土壤越深，隨著極間距的變化，電流和電壓之間的關系可以反映土壤電阻率值及其分布。但是對于復雜地質情況，Wenner四極法無法得到準確數據，且測量成本高、測量深度有限；電位擬合法是采用計算機對土壤電阻率給定的模型進行地面電位分析計算，通過合理的改變極址土壤電阻率值及其分布，使得各點的電位理論計算值與實驗值相擬合，來確定極址土壤電阻率值及其分布。電位擬合法參數可靠，適用于確定土壤參數分布復雜的地區和數百甚至數公里處深處的土壤電阻率值。但是電位擬合法需租用配電線路，實驗難度較大，費用較高，數據處理比較復雜；大地電磁法是通過測量獲取頻率與視電阻曲線，并以此進行三維數據反演，能較好的反映極址土壤電阻率值及其分布。但三維反演數據形式如圖1(a)所示，以各斷面為基礎，提供斷面電阻率的等高線分布。而接地極環境影響分析中采用的土壤水平分層電阻率模型如圖1(b)所示，不能簡單套用圖1(a)的數據形式。因此如何將大地電磁反演數據模型轉化為水平分層土壤電性模型，成為限制大地電磁法應用、提高接地極環境影響分析準確性的關鍵問題。其也是現有技術中亟待解決的問題。
技術實現思路
本專利技術的目的在于，給出一種利用大地電磁三維反演數據建立水平分層土壤電性模型的方法，用于提供適用于現有接地問題準確分析的土壤電性模型，并可以解決上述現有技術中存在缺陷。為了實現上述目的，本專利技術提出的技術方案是，一種水平分層土壤電性模型的擬合方法，包括:以大地電磁三維反演電阻率數據為輸入。大地電磁法通過選取不同測量點、不同電磁波頻率所對應的土壤波阻抗，通過三維建模反演獲得不同深度的土壤電阻率分布水平截面圖。以土壤地表電位分布為擬合參數。在接地極環境影響分析中，地表電位是核心評價指標。為實現土壤電性模型的擬合，根據大地電磁法三維反演得到的電阻率數據，計算土壤結構的地表電位分布情況，以這一指標為擬合參數，依據水平分層土壤電性模型的地表電位分布規律，求取與之最為貼近的水平分層土壤電性模型參數。以土壤電阻率的水平分層模型為輸出。一種利用大地電磁三維反演數據建立水平分層土壤電性模型的方法具體包括以下步驟：步驟1：根據大地電磁三維反演得到的數據建立復合分層土壤電性模型。對大地電磁反演算數據進行預處理，剔除噪聲數據，修補缺失值，將大地電磁法三維反演模型沿x軸、y軸、z軸等間距分割，即沿三維坐標軸進行等間距的格柵化處理，根據原有的大地電磁三維反演土壤電阻率數據，即保持模型原有坐標點電阻率數值不變，采用四維數據插值方法，對分割后的模型進行土壤電阻率數據擬合，得到復合分層土壤電性模型，即對格柵化處理后新增坐標點的土壤電阻率數值進行求解，從而建立復合分層土壤電性模型。步驟2：選取并計算土壤模型擬合參數。選擇土壤地表電位作為擬合指標，進行擬合，以實現土壤電阻率模型由復合分層向水平分層的轉化。對復合分層土壤電性模型地表電位分布，采用有限元方法求解。把每個均勻網格視為一個六面體單元，將全求解域內的電位用每個單元內的嘗試函數分片表示。用每個單元不同節點的電勢值及對應插值函數表示該單元內的嘗試函數。采用變分法構造對應于泊松方程的泛函，并在每個六面體內運用泛函對各個節點的勢函數值進行求解。最后將各個單元計算的結果相加得到整體方程表達式，計算全求解域內電位分布，得到復合分層土壤電性模型的地表電位，記為Vi(i＝1,2,…,n)。步驟3：建立土壤水平分層模型目標函數。利用格林函數法對水平分層土壤電性模型電位分布進行遞推求解。點電流源在任意位置產生的電位函數稱作格林函數，是構建土壤模型之間等價公式的核心參數。經過計算，可求得電位分布關于電阻率和層厚的函數表達式，記為V′i＝f(ρi,hi),(i＝1,2,…,n)。采用最小二乘法，將水平分層和復合分層的土壤模型電位分布進行曲線擬合，從而得到水平分層模型所需的目標函數： f ( ρ 1 , ρ 2 , ... ρ n , h 1 , h 2 , ... h n ) = Σ i = 1 n [ V i - f ( ρ i , h i ) ] 2 . ]]>步驟4：尋找目標函數最優解，獲得土壤水平分層模型參數。采用遺傳算法優化求解步驟3中的目標函數。在優化過程中選取各層電阻率值及層厚作為遺傳算法參數；選用浮點數編碼方法；適應度即為待優化的目標函數，求解可得土壤水平分層模型各層電阻率參數及對應層深。本專利技術以大地電磁法三維反演數據為基礎，根據測得的數據建立等效三維復合分層土壤電性模型，以地表電位本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種利用大地電磁三維反演數據建立水平分層土壤電性模型的方法，其特征在于，具體包括以下步驟：步驟1：根據大地電磁三維反演得到的數據建立復合分層土壤電性模型；步驟2：選取并計算土壤模型擬合參數；步驟3：建立土壤水平分層模型目標函數；步驟4：尋找目標函數最優解，獲得土壤水平分層模型參數；通過以上操作，由復合分層土壤電性模型轉化得到水平分層土壤電性模型。

【技術特征摘要】
1.一種利用大地電磁三維反演數據建立水平分層土壤電性模型的方法，其特征在于，具體包括以下步驟：步驟1：根據大地電磁三維反演得到的數據建立復合分層土壤電性模型；步驟2：選取并計算土壤模型擬合參數；步驟3：建立土壤水平分層模型目標函數；步驟4：尋找目標函數最優解，獲得土壤水平分層模型參數；通過以上操作，由復合分層土壤電性模型轉化得到水平分層土壤電性模型。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：步驟1的處理方式為對大地電磁反演數據進行預處理，剔除噪聲數據，修補缺失值，將大地電磁法三維反演模型沿x軸、y軸、z軸等間距格柵化處理，保持原有坐標點的大地電磁三維反演土壤電阻率數據不變，采用四維數據插值方法，對格柵化處理后的模型新增坐標點的土壤電阻率數據進行擬合，從而建立復合分層土壤電性模型。3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：步驟2的處理方式為選擇土壤地表電位作為擬合指標，進行擬合，以實現土壤電阻率模型由復合分層向水平分層的轉化；對復合分層土壤電性模型地表電位分布，采用有限元方法求解；把每個均勻網格視為一個六面體單元，將全求解域內的電位用每個單元內的嘗試函數...

【專利技術屬性】
技術研發人員：許剛，趙妙穎，張俞，石紋赫，
申請(專利權)人：華北電力大學，
類型：發明
國別省市：北京;11