任廣欣 何冰天 邵 帥

(中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266100)

近年來，由于水庫(kù)、江河、湖泊水下淤積嚴(yán)重，直接影響其功能的正常使用。其中河道的嚴(yán)重淤積對(duì)河道防洪排澇、運(yùn)輸以及水環(huán)境質(zhì)量有著重要的影響。在進(jìn)行河道疏浚前，河道的水深、淤積層底界面深度的探測(cè)對(duì)河道疏浚方案的制定與實(shí)施具有重要的指導(dǎo)意義。

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

國(guó)內(nèi)外將直流電阻率法應(yīng)用于河道淤積探測(cè)的實(shí)例較少［7］，基于解析法理論計(jì)算水下地電模型為簡(jiǎn)單層狀模型［8］。因此本文通過有限差分法(Finite-Difference Time Domain，F(xiàn)DTD)對(duì)不同測(cè)量方式的探測(cè)工況進(jìn)行正演模擬，并基于室內(nèi)水槽試驗(yàn)法研究直流電阻率應(yīng)用于河道淤積層探測(cè)的可行性。

1 數(shù)值模擬

水中直流電阻率法主要有兩種探測(cè)方式:一種為測(cè)量電極位于水下，直接與地層接觸，另一種為測(cè)量電極漂浮于水面。兩種測(cè)量方式分別對(duì)應(yīng)水體—土體二層介質(zhì)和空氣—水體—土體三層介質(zhì)地電模型。由于數(shù)值模擬法對(duì)復(fù)雜地電模型可以實(shí)現(xiàn)有效、快速的計(jì)算，本文采用RES2Dmod軟件的FDTD方法對(duì)水中電阻率法探測(cè)模型進(jìn)行正演計(jì)算，采用基于RES2Dinv軟件進(jìn)行視電阻率反演?；谟?jì)算結(jié)果討論分析直流電阻率法對(duì)河道淤積層的探測(cè)能力。

1．1 模型構(gòu)建

以黃河沖積扇平原典型河流物性實(shí)測(cè)電阻率值，構(gòu)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(xì)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(shù)值計(jì)算

通過有限差分法，將理想地電模型差分為矩形網(wǎng)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(jié)點(diǎn)處，相鄰電極為4個(gè)節(jié)點(diǎn)。首尾電極偏置2個(gè)網(wǎng)格，測(cè)量裝置為偶極—偶極，電極極距1 m，數(shù)據(jù)采集層數(shù)20層。視電阻率數(shù)據(jù)結(jié)果加入3%的隨機(jī)噪聲。

圖1 水中測(cè)量地電模型圖

1．3 計(jì)算結(jié)果與分析

當(dāng)測(cè)量電極位于河床時(shí)，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(diǎn)實(shí)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(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

如圖1所示，模型中同時(shí)存在粘土與粉砂、粘土與細(xì)砂接觸面，圖2中的計(jì)算結(jié)果表明，地層界面兩側(cè)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(cè)量式直流電阻率法可以實(shí)現(xiàn)水下淤積層探測(cè)。兩種測(cè)量方式對(duì)水下地層界面有明顯的反映，其水下測(cè)量式結(jié)果反映的地層信息更接近模型的地層分布特征。

2 室內(nèi)物理試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)M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(cè)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(jié)果分析直流電阻率法對(duì)水下淤積層探測(cè)的有效性。

2．1 試驗(yàn)器材與參數(shù)設(shè)置

物理模擬水槽材質(zhì)為雙層玻璃鋼，尺寸為200 cm×150 cm×150 cm。水槽內(nèi)裝有80 cm厚細(xì)砂土作為背景材料，在細(xì)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(jī)采用Geopen公司E60DN高密度電法儀。自制電極排共16個(gè)電極，電極極距10 cm。電極為φ4．3×65 mm銅棒，電極通過導(dǎo)線與智能電纜連接。

電法儀供電模式采用內(nèi)部恒壓供電(100 V)，供電周期4 s。測(cè)量裝置偶極，使用電極數(shù)16，數(shù)據(jù)采集層數(shù)10層。

2．2 測(cè)量結(jié)果與分析

測(cè)量結(jié)果如圖3a)，圖3b)所示，圖中虛線兩側(cè)介質(zhì)電性差異較大，與粘土層與細(xì)砂層電性差異反映一致，推斷虛線上部低阻區(qū)為粘土層反映，下部高阻區(qū)為砂層反映。經(jīng)水槽內(nèi)部多點(diǎn)取樣驗(yàn)證，低阻異常區(qū)與水槽內(nèi)部粘土層空間分布位置相近。兩種測(cè)量方式反演結(jié)果對(duì)沉積層厚度與底界劃分有較好的反映。

圖3 水槽試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

圖3a)為模擬電極位于河床底部時(shí)的測(cè)量視電阻率反演結(jié)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(jié)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(shí)測(cè)量視電阻率反演結(jié)果，點(diǎn)實(shí)線上部低阻區(qū)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(shí)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(cè)量方式對(duì)各層分界面反映較水下測(cè)量方式較差、有效深度較淺以及測(cè)量視電阻率值較水下測(cè)量值小。

綜上所述，數(shù)值模擬與室內(nèi)水槽試驗(yàn)探測(cè)結(jié)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(cè)量式直流電阻率法對(duì)水下淤積層有較好的探測(cè)效果。數(shù)值模擬與水槽試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)直流電阻率法應(yīng)用于河道淤積層探測(cè)的可行性研究提高了可靠性。

3 結(jié)語(yǔ)

1)基于FDTD方法建立水下河道淤積層模型，其計(jì)算結(jié)果表明:極距為1 m偶極裝置可用于河道淤積層探測(cè)，水上、水下直流電阻率法對(duì)河道淤積層劃分有較好的探測(cè)效果。河道下地層界面兩側(cè)介質(zhì)的電性差異決定了直流電阻率法對(duì)地層的分辨能力。2)室內(nèi)水槽試驗(yàn)結(jié)果表明，水上、水下直流電阻率法對(duì)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(yàn)方法的局限性和偶然性，建立兩種試驗(yàn)方法為直流電阻率法對(duì)河道淤積層探測(cè)的可行性分析提高了準(zhǔn)確性與可靠性。試驗(yàn)結(jié)果為直流電阻率法實(shí)際應(yīng)用于河道淤積探測(cè)的實(shí)現(xiàn)提供可靠的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

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