一种基于高密度电阻率法的地源热泵前期勘查方法及系统与流程

本发明涉及地源热泵地热资源勘查技术领域，具体涉及一种基于高密度电阻率法的地源热泵前期勘查方法及系统。

背景技术：

在地源热泵地热资源前期勘查时，由于地质结构及场地条件的复杂多变，需要在前期勘查时查明隐伏构造分布、破碎带及破碎带的富水情况等信息，以为勘探孔位置和后期地埋管布孔区域的有利选择提供地质依据。

实际勘查时，由于场地条件具有特殊性，尤其在地表基岩出露较浅及回填土较厚的地区，往往电极接地条件不好，电流无法传输至目的地层，导致使用接地类电磁法勘查技术手段局限性较多。即便采用接地类电磁法勘查时，实测数据干扰性太大，不能如实地反演出地下电介质的变化情况，导致无法准确地推断出地层信息及构造破碎区域。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于高密度电阻率法的地源热泵前期勘查方法及系统，以解决现现有技术中接地类电磁法勘查技术无法准确推断出地层信息的问题。

第一方面，本发明提供了一种基于高密度电阻率法的地源热泵前期勘查方法，所述方法包括：

根据勘测区域面积大小确定电极装置和测量装置的布置方案，并获取布置方案的多个预设参数；

采集不同检测点的视电阻率数据、实测电势值和所述多个预设参数建立初始介质电阻率模型；

根据所述初始介质电阻率模型获取勘测区域空间内电势分布以及计算电势值；

比较实测电势值与计算电势值，若两者之差小于预设差值，则该检测点的视电阻率数据有效；

根据所有检测点的有效视电阻率进行反演得到勘测区域的二维视电阻率剖面，以获取勘测区域内地下电性异常体。

可选地，所述根据勘测区域面积大小确定电极装置和测量装置的布置方案，并获取布置方案的多个预设参数的步骤包括：

将所述电极装置的第一电极与第二电极固定在勘测区域内的第一发射点和第二发射点，所述第一发射点和所述第二发射点之间的距离为第一预设距离；

在所述勘测区域内按照第二预设距离设置多条检测线，每条检测线上设置多个检测点，相邻两个检测点之间的距离为预设距离；

将所述测量装置的第一检测电极设置在每条检测线的第一检测点，其第二检测电极依次在该条检测线剩余检测点进行检测；

其中，第一发射点、第二发射点、第一检测点和第二检测点的排列如下：

所述第一检测点和所述第二检测点设置在所述第一发射点和所述第二发射点之间；或者，所述第一检测点和所述第二检测点设置在所述第一发射点和所述第二发射点的一侧；或者，所述第一检测点、所述第一发射点、所述第二检测点和所述第二发射点依次排列。

可选地，按照预设频率控制电极转换开关向第一电极和第二电极接通直流电，以向勘测区域内地下提供电流。

可选地，所述采集不同检测点的视电阻率数据、实测电势值和所述多个预设参数建立初始介质电阻率模型的步骤包括：

获取每条检测线上第一检测点和第二检测点之间的电位差；

根据所述第一电极和所述第二电极提供的电流、上述电位差以及多个参数计算第一检测点和第二检测点之间的视电阻率。

可选地，所述获取每条检测线上第一检测点和第二检测点之间的电位差的步骤包括：

每次测量时第二检测点依次远离第一检测点预设距离。

可选地，利用数据处理软件RES2DINV根据所有检测点的有效视电阻率进行反演得到勘测区域的各二维视电阻率剖面，以获取勘测区域内地下电性异常体，包括：

获取初始地点断面，并在所述初始地点断面上计算视电阻率的理论曲线；

利用有效视电阻率数据计算实际曲线；

采用最佳拟合法对比实际曲线和理论曲线反演成像色谱图，从而得到正演、反演的计算参数。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于高密度电阻率法的地源热泵前期勘查系统，所述系统包括：电极装置、测量装置和上位机；所述上位机通过电极转换开关与所述电极装置电连接，所述测量装置与所述上位机通信连接；

所述电极装置用于在所述电极转换开关导通时向勘测区域内地下提供电流；

所述测量装置用于实时测量所述勘测区域内检测线上第一检测点与第二检测点之间的电位差以及视电阻率数据并传输给所述上位机；

所述上位机用于根据视电阻率反演所述勘测区域二维视电阻率剖面，以获取勘测区域内地下电性异常体。

可选地，所述上位机内安装有数据处理软件RES2DINV。

由上述技术方案可知，本发明根据勘测区域面积大小确定电极装置和测量装置的布置方案，并获取布置方案的多个预设参数；采集不同检测点的视电阻率数据、实测电势值和所述多个预设参数建立初始介质电阻率模型；根据所述初始介质电阻率模型获取勘测区域空间内电势分布以及计算电势值；比较实测电势值与计算电势值，若两者之差小于预设差值，则该检测点的视电阻率数据有效；根据所有检测点的有效视电阻率进行反演得到勘测区域的二维视电阻率剖面，以获取勘测区域内地下电性异常体。与现有技术相比较，本发明可以直观、准确地反映检测线范围内地下电性异常体的形态、形状等，以及剖面中出现的低阻区等位置。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种基于高密度电阻率法的地源热泵前期勘查方法流程示意图；

图2是本发明实施例中测量装置检测原理示意图；

图3是本发明实施例中电极装置提供电流示意图；

图4是本发明实施例中上位机反演原理示意图；

图5是本发明实施例提供的一种基于高密度电阻率法的地源热泵前期勘查系统示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种基于高密度电阻率法的地源热泵前期勘查方法，如图1所示，所述方法包括：

S1、根据勘测区域面积大小确定电极装置和测量装置的布置方案，并获取布置方案的多个预设参数；

S2、采集不同检测点的视电阻率数据、实测电势值和所述多个预设参数建立初始介质电阻率模型；

S3、根据所述初始介质电阻率模型获取勘测区域空间内电势分布以及计算电势值；

S4、比较实测电势值与计算电势值，若两者之差小于预设差值，则该检测点的视电阻率数据有效；

S5、根据所有检测点的有效视电阻率进行反演得到勘测区域的二维视电阻率剖面，以获取勘测区域内地下电性异常体。

下面结合附图以及实施例对本发明提供的基于高密度电阻率法的地源热泵前期勘查方法作详细描述。

本发明实施例中，首先计算勘测区域的面积大小、地质和地形条件，从而确定电极装置和测量装置的布置方案。如图2所示，第一电极A、第二电极B为供电电极，该第一电极A和第二电极B固定在勘测区域内的第一发射点和第二发射点。其中第一发射点和第二发射点之间的距离为第一预设距离。需要说明的是，该第一预设距离的长度为na，其中n＝2，3，4……，a表示相邻两个检测点之间的最小距离即第二预设距离。如图2所示，测量装置的第一检测电极设置在每条检测线的第一检测点，其第二检测电极依次在该条检测线剩余检测点即第二检测点进行检测。

如图2所示，第一发射点、第二发射点、第一检测点和第二检测点的排列如下：

(1)第一检测点和所述第二检测点设置在所述第一发射点和所述第二发射点之间。

(2)所述第一检测点和所述第二检测点设置在所述第一发射点和所述第二发射点的一侧。

(3)所述第一检测点、所述第一发射点、所述第二检测点和所述第二发射点依次排列。

如图2所示，本发明一实施例中采用上述第(1)种排列方案。第一电极A连接直流电源E的正极，第二电极B连接直流电源E的负极，电流I依次通过第一电极A、地和第二电极B到达直流电源E的负极。其中，第一电极A和第二电极B之间以电力线形式电连接。如图3所示，当电极转换开关(图中未示出)导通时，第一电极A和第二电极B分别以第一发射点和第二发射点为起点向地上和地下发射电力线(图3中虚线为电力线。为简化附图，图3中仅示出了地下电力线，且实线为电势等值面)。若勘测区域内没有电介质，则等值线分别以第一发射点和第二发射点为球心形成半球状态的电力线；若勘测区域内具有电介质，则电力线的形状会发生变化。根据电力线的形状变化，即可推断出电介质的形状等参数。

本发明实施例中，以第一电极A和第二电极B形成的直接为中间线，在勘测区域内按照第二预设距离设置多条检测线，其中，该多条检测线按照预设距离分别向中间线的两侧延伸，从而形成多条平行布设的检测线。每条检测线上设置多个检测点，相邻两个检测点之间的距离为第二预设距离如图2中距离a。实际应用中，本发明实施例中测量装置的第一检测电极设置在每条检测线的第一检测点M，然后将第二检测电极N依次在该条检测线剩余检测点即第二检测点设置，这样即可检测到第一检测点M与第二检测点N之间的电位差U_MN。

本发明一实施例中，在勘测区域内设置20个电极发射点(1、2、3、……、20)，相邻两个电极发射点之间距离为距离a。随着地面深度的增加，每层中的检测点也随之减少，如图4所示，第一层的检测点设置为18个；第18层的检测点设置为15个；第32层的检测点设置为11个；第43层的检测点设置为8个；第51层的检测点设置为5个，第56层的检测点设置为2个。需要说明的是，本发明实施例中仅示意性介绍了随着地面深度增加减少检测点的过程，但是层数与检测点之间具体关系可以采用现有技术中方法计算，本发明不作限定。

本发明实施例中，设置预设距离a后做剖面测量。第一电极沿着检测线方向依次顺移预设距离a。然后改变第一发射点、第一检测点、第二检测点和第二发射点的相互位置继续做剖面测量，即加大两个电极之间的距离即na(n依次增大)、增加测量深度。例如可以选取AM＝MN＝NB＝na(为简化说明，本段中发射点、检测点直接采用对应的电极、检测电极的标号进行表示)，无论n取值多大，每次剖面测量时第一电极A和第二电极B向前顺移的距离均为a。对每一个n值来说就是一条剖面，而各检测点即一个测深点，即本发明实施例中高密度电阻率法结合了电剖面法和电测深法，所测量的电位差以及视电阻率可以反映被测介质空间(水平方向和垂直方向)上的电阻率的变化。

如图4所示，测量装置采集到第一检测点M和第二检测点N之间的电位差U_MN和电流I，以及测量装置和电极装置的参数可以计算视电阻率ρa＝KU_MN/I，其中，K为装置系数。然后，测量装置将上述电位差、电流和视电阻率传输给上位机。

上位机中安装有数据处理软件RES2DINV，该数据处理软件RES2DINV根据上述视电阻率获取勘测区域二维视电阻率剖面，包括：

(1)将视电阻率进行格式转换，然后预处理消除坏点，例如圆滑、剖面调换、数据格式转换等，进而保留有效的检测点数据。

(2)采用最佳拟合法拟合到色谱图。获取一个初始地点断面，在初始断面上计算视电阻率的理论曲线。利用有效视电阻率数据计算实际曲线。然后采用最佳拟合法对比理论曲线与实际曲线，通过修改参数获得最佳拟合效果。当拟合效果最佳时可以得到高密度电阻率法反演成像色谱图，最后根据现场实验和装置参数对比分析，选择正演、反演计算参数。

(3)根据现场采集的视电阻率数据和上述装置参数建立初始介质电阻率模型，获得介质空间上的电势分布，将计算电势值与实测电势值的差值。若上述差值小于预设差值时，说明电势值的变化在合理的误差范围内，则实测为该勘测区域的真实视电阻率数据，结束反演计算，根据所得的差值和刚度矩阵对电阻率模型进行校正。并重复上述计算，直至所得的差值小于给定的预设差值范围为止。本发明实施例中在确定高、低阻地质体方面具有较好的实用性。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于高密度电阻率法的地源热泵前期勘查系统，如图5所示，所述系统包括：电极装置、测量装置和上位机；所述上位机通过电极转换开关(图中未示出)与所述电极装置电连接，所述测量装置与所述上位机通信连接；

所述电极装置用于在所述电极转换开关导通时向勘测区域内地下提供电流；

所述测量装置用于实时测量所述勘测区域内检测线上第一检测点与第二检测点之间的电位差以及视电阻率数据并传输给所述上位机；

所述上位机用于根据视电阻率反演所述勘测区域二维视电阻率剖面，以获取勘测区域内地下电性异常体。

可选地，所述上位机内安装有数据处理软件RES2DINV。

可见，本发明实施例提供的基于高密度电阻率法的地源热泵前期勘查方法及系统，通过获取勘测区域中检测线上各检测点的电位差，然后计算完视电阻率后，由上位机进行建模和反演得到色谱图，供操作人员使用。本发明实施例可以现场实时处理，实现野外数据采集、收录、处理、成像等，具有成本低、效率高(电极布设一次性完成)等优点。并且，本发明实施例中可以如实地反演出地下电介质的变化情况，准确地推断出隐伏构造分布、是否有破碎带及破碎带的富水情况。

应当注意的是，在本实施例公开的装置的各个部件中，根据其要实现的功能而对其中的部件进行了逻辑划分，但是，本发明不受限于此，可以根据需要对各个部件进行重新划分或者组合，例如，可以将一些部件组合为单个部件，或者可以将一些部件进一步分解为更多的子部件。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的系统中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

以上实施方式仅适于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。