一种利用大地电磁三维反演数据建立水平土壤模型的方法技术

一种利用大地电磁三维反演数据建立水平分层土壤电性模型的方法包括：根据大地电磁三维反演土壤电阻率数据建立复合分层土壤模型，选用地表电位作为拟合指标，采用最小二乘法，将用有限元方法求得的复合模型的地表电位与用格林函数法推得的水平模型的地表电位进行拟合，得到水平分层土壤电性模型的目标函数，并采用遗传算法优化求解，得出水平分层土壤电性模型中每层土壤电阻率参数及对应层深，从而实现了模型由复合分层到水平分层的转化。本发明专利技术降低了模型的复杂度，提高了模型的可靠性，能够为接地极问题的分析提供更加准确的土壤电阻率模型数据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高压直流输电系统接地极土壤电阻率建模领域，尤其涉及一种利用大地电磁三维反演数据建立水平分层土壤电性模型的方法。
技术介绍
土壤电阻率是接地工程计算中一个常用的参数，直接影响接地装置接地电阻的大小、地网地面电位分布、接触电压和跨步电压。土壤电阻率ρ的大小主要取决于土壤中导电离子的浓度和土壤中的含水量，它是土壤中所含导电离子浓度A的倒数A1和单位体积土壤含水量B的倒数B1的函数，也就是说，土壤中所含导电离子浓度越高，土壤的导电性就越好，ρ就越小；反之就越大。高压直流输电技术凭借其在传输距离与送电容量等方面的优势，已成为目前国内外区域联网和电能传输的重要方式。在单极回路运行方式下，高压直流输电系统以接地极为直流电流返回通道。强大的直流电流持续地通过接地极注入大地，会产生电磁干扰等不良效应，影响接地极周边电气设施的平稳运行。因此，土壤是分析接地网接地性能的必然要考虑的因素，如何通过建立复杂地质条件下的土壤电阻率模型，在获得准确土壤模型参数的基础上分析接地极对周边电气环境的影响，成为现有技术亟待解决的重要问题。目前，接地极环境影响分析大多基于水平分层土壤电性模型。现有技术中常用的土壤电阻率测量方法有Wenner四极法、大地电磁(MT)法和电位拟合法等。Wenner四极法是采用沿直线等距排列的4个电极，外面的一对电极中一个是电流注入极、另一个是电流返回极，里面的一对电极用于测量电位差，保持电流不变，改变极间距，从而得到一系列电压值。距离越大，电流穿越的土壤越深，随着极间距的变化，电流和电压之间的关系可以反映土壤电阻率值及其分布。但是对于复杂地质情况，Wenner四极法无法得到准确数据，且测量成本高、测量深度有限；电位拟合法是采用计算机对土壤电阻率给定的模型进行地面电位分析计算，通过合理的改变极址土壤电阻率值及其分布，使得各点的电位理论计算值与实验值相拟合，来确定极址土壤电阻率值及其分布。电位拟合法参数可靠，适用于确定土壤参数分布复杂的地区和数百甚至数公里处深处的土壤电阻率值。但是电位拟合法需租用配电线路，实验难度较大，费用较高，数据处理比较复杂；大地电磁法是通过测量获取频率与视电阻曲线，并以此进行三维数据反演，能较好的反映极址土壤电阻率值及其分布。但三维反演数据形式如图1(a)所示，以各断面为基础，提供断面电阻率的等高线分布。而接地极环境影响分析中采用的土壤水平分层电阻率模型如图1(b)所示，不能简单套用图1(a)的数据形式。因此如何将大地电磁反演数据模型转化为水平分层土壤电性模型，成为限制大地电磁法应用、提高接地极环境影响分析准确性的关键问题。其也是现有技术中亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，给出一种利用大地电磁三维反演数据建立水平分层土壤电性模型的方法，用于提供适用于现有接地问题准确分析的土壤电性模型，并可以解决上述现有技术中存在缺陷。为了实现上述目的，本专利技术提出的技术方案是，一种水平分层土壤电性模型的拟合方法，包括:以大地电磁三维反演电阻率数据为输入。大地电磁法通过选取不同测量点、不同电磁波频率所对应的土壤波阻抗，通过三维建模反演获得不同深度的土壤电阻率分布水平截面图。以土壤地表电位分布为拟合参数。在接地极环境影响分析中，地表电位是核心评价指标。为实现土壤电性模型的拟合，根据大地电磁法三维反演得到的电阻率数据，计算土壤结构的地表电位分布情况，以这一指标为拟合参数，依据水平分层土壤电性模型的地表电位分布规律，求取与之最为贴近的水平分层土壤电性模型参数。以土壤电阻率的水平分层模型为输出。一种利用大地电磁三维反演数据建立水平分层土壤电性模型的方法具体包括以下步骤：步骤1：根据大地电磁三维反演得到的数据建立复合分层土壤电性模型。对大地电磁反演算数据进行预处理，剔除噪声数据，修补缺失值，将大地电磁法三维反演模型沿x轴、y轴、z轴等间距分割，即沿三维坐标轴进行等间距的格栅化处理，根据原有的大地电磁三维反演土壤电阻率数据，即保持模型原有坐标点电阻率数值不变，采用四维数据插值方法，对分割后的模型进行土壤电阻率数据拟合，得到复合分层土壤电性模型，即对格栅化处理后新增坐标点的土壤电阻率数值进行求解，从而建立复合分层土壤电性模型。步骤2：选取并计算土壤模型拟合参数。选择土壤地表电位作为拟合指标，进行拟合，以实现土壤电阻率模型由复合分层向水平分层的转化。对复合分层土壤电性模型地表电位分布，采用有限元方法求解。把每个均匀网格视为一个六面体单元，将全求解域内的电位用每个单元内的尝试函数分片表示。用每个单元不同节点的电势值及对应插值函数表示该单元内的尝试函数。采用变分法构造对应于泊松方程的泛函，并在每个六面体内运用泛函对各个节点的势函数值进行求解。最后将各个单元计算的结果相加得到整体方程表达式，计算全求解域内电位分布，得到复合分层土壤电性模型的地表电位，记为Vi(i＝1,2,…,n)。步骤3：建立土壤水平分层模型目标函数。利用格林函数法对水平分层土壤电性模型电位分布进行递推求解。点电流源在任意位置产生的电位函数称作格林函数，是构建土壤模型之间等价公式的核心参数。经过计算，可求得电位分布关于电阻率和层厚的函数表达式，记为V′i＝f(ρi,hi),(i＝1,2,…,n)。采用最小二乘法，将水平分层和复合分层的土壤模型电位分布进行曲线拟合，从而得到水平分层模型所需的目标函数： 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 . ]]>步骤4：寻找目标函数最优解，获得土壤水平分层模型参数。采用遗传算法优化求解步骤3中的目标函数。在优化过程中选取各层电阻率值及层厚作为遗传算法参数；选用浮点数编码方法；适应度即为待优化的目标函数，求解可得土壤水平分层模型各层电阻率参数及对应层深。本专利技术以大地电磁法三维反演数据为基础，根据测得的数据建立等效三维复合分层土壤电性模型，以地表电位本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用大地电磁三维反演数据建立水平分层土壤电性模型的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1：根据大地电磁三维反演得到的数据建立复合分层土壤电性模型；步骤2：选取并计算土壤模型拟合参数；步骤3：建立土壤水平分层模型目标函数；步骤4：寻找目标函数最优解，获得土壤水平分层模型参数；通过以上操作，由复合分层土壤电性模型转化得到水平分层土壤电性模型。

【技术特征摘要】
1.一种利用大地电磁三维反演数据建立水平分层土壤电性模型的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1：根据大地电磁三维反演得到的数据建立复合分层土壤电性模型；步骤2：选取并计算土壤模型拟合参数；步骤3：建立土壤水平分层模型目标函数；步骤4：寻找目标函数最优解，获得土壤水平分层模型参数；通过以上操作，由复合分层土壤电性模型转化得到水平分层土壤电性模型。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1的处理方式为对大地电磁反演数据进行预处理，剔除噪声数据，修补缺失值，将大地电磁法三维反演模型沿x轴、y轴、z轴等间距格栅化处理，保持原有坐标点的大地电磁三维反演土壤电阻率数据不变，采用四维数据插值方法，对格栅化处理后的模型新增坐标点的土壤电阻率数据进行拟合，从而建立复合分层土壤电性模型。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2的处理方式为选择土壤地表电位作为拟合指标，进行拟合，以实现土壤电阻率模型由复合分层向水平分层的转化；对复合分层土壤电性模型地表电位分布，采用有限元方法求解；把每个均匀网格视为一个六面体单元，将全求解域内的电位用每个单元内的尝试函数...

【专利技术属性】
技术研发人员：许刚，赵妙颖，张俞，石纹赫，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11