大地电磁法在甘肃某抽水蓄能电站输水系统勘查中的应用

大地电磁法在甘肃某抽水蓄能电站输水系统勘查中的应用

韦念基陈任王自东

中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司 广西南宁 530023

摘要：抽水蓄能是世界各国保障电力系统安全稳定运行的重要方式。欧美国家建设了大量以抽水蓄能和燃气申站为主体的灵活。高效、清洁的调节电源、其中美国、德国、法国、日本、意大利等国家发展较快，抽水蓄能和燃气电站在电力系统中的比例均超过10%。我国油气资源惠赋相对债乏。燃气调峰电站发展不足。抽水蓄能和燃气电站占比仅6%左右，其中抽水蓄能占比1.4%。与发达国家相比仍有较大差距。国家“十四五”规划纲要提出，要构建现代能源体系，加快抽水蓄能电站建设和新型储能技术规模化应用。抽水蓄能电站作为优质的调节电源，在促进新能源消纳方面具有突出的作用和优势，对按时完成“双碳”目标具有重要意义。

关键词：抽水蓄能、双碳

引言

抽水蓄能是保障电力系统安全稳定的必然选择。当下，电力系统“双高”“双峰”特征明显，给电网安全运行和电力可靠供应带来巨大挑战。抽水蓄能启动快、响应快，集源、荷、储多种“技能”于一身，一流的应急救援能力让它成为当之无愧的电力系统“调节器”和“平衡器”，是极端情况下可保障电力连续供应的“稳定输出”。

甘肃某抽水蓄能电站装机容量1200MW，安装4台单机容量为300MW的单级混流可逆式水泵水轮机组。枢纽建筑物由上水库、下水库、输水系统、地下厂房和开关站等部分组成。

输水系统线路布置区为低中山区，山体雄厚，西北高东南低，线路最高点高程2768.00m，下水库进出水口点高程约2295m，最高点往上库地形综合坡度10°～35°，最高点往下库地面高程逐步下降，地形综合坡度5°～30°左右。沿线地形略有起伏，线路局部位置穿越冲沟，多从冲沟尾端穿越。仅靠近上、下水库进/出水口段埋深较浅，其余段埋藏均较深。岩体风化以物理风化作用为主，输水系统沿线覆盖层厚度变化较大，弱风化顶埋深5m～40m。构造发育部位风化程度明显加深。输水系统各隧洞段埋深不同，围岩风化程度也有较大差异。输水发电系统布置区地层岩性单一，为加里东中期侵入岩（γo32）。主体岩性为浅灰色中细粒、中细粒花岗闪长岩，具中～细粒结构、似斑状结构。

地下输水系统作为抽水蓄能电站重要构筑物，查明其地质条件具有重要意义，为此笔者利用大地电磁法在地下输水系统沿线进行探测，查明其不良地质构造，给地质专业提供参考依据。

1地球物理特征

测区范围地层岩性单一，主要为浅灰色中细粒、中细粒花岗闪长岩，浅表覆盖层主要为0.5m～2m残坡积粉土夹碎石，局部基岩出露，测区主要异常体为断层、裂隙发育带和花岗岩蚀变体；弱、微风化花岗岩的视电阻率约为500Ω• m～2000Ω• m，断层的视电阻率约为200Ω• m～300Ω• m，裂隙发育带的视电阻率约为300Ω• m～600Ω• m，花岗岩蚀变体的视电阻率约为100Ω• m～400Ω• m，且断层视电阻率呈明显“U”或“V”字低阻异常形态。

2大地电磁法的基本原理

大地电磁法是一种利用地球自然电磁场的探测方法，它是利用宇宙中的太阳风、雷电等入射到地球上的天然电磁场信号作为激发场源，又称一次场，该一次场是平面电磁波，垂直入射到大地介质中，由电磁场理论可知，大地介质中将会产生感应电磁场，此感应电磁场与一次场是同频率的，引入波阻抗Z。在均匀大地和水平层状大地情况下，波阻抗是电场E和磁场H的水平分量的比值。

                               (1)

                      (2)

                      (3)

式中f是频率，单位是Hz，是电阻率（），E是电场强度（mv/km），H是磁场强度（nT）,是电场相位，是磁场相位，单位是mrad。必须提出的是，此时的E与H，应理解为一次场和感应场的空间张量叠加后的综合场，简称总场。在电磁理论中，把电磁场（E、H）在大地中传播时，其振幅衰减到初始值1/e时的深度，定义为穿透深度或趋肤深度（）

                                  (4)

由（4）式可知，趋肤深度（）将随电阻率（）和频率（f）变化，测量是在和地下研究深度相对应的频带上进行的。一般来说，频率较高的数据反映浅部的电性特征，频率较低的数据反映较深的地层特征。因此，在一个宽频带上观测电场和磁场信息，并由此计算出视电阻率和相位，进而推断大地的地电特征和地下构造。

大地电磁法测深的优点是可以测量深部的结构，不受地形、水文、地表覆盖的影响，因此其被广泛应用于地下热水勘探，地质构造探测，隧道勘察，地下引水隧洞勘察，以及金属矿产勘查等，并取得了良好的勘查效果。

3测线布置

测线沿地下输水系统轴线布置，共布置1条测线，长度4600m，测点距为20m，布置区南、北两侧山坡较陡，东西向平缓，植被稀疏。布置示意图如下图所示。

大地电磁法测线（蓝色）布置示意图

4现场数据采集

正常工作开始前在工区内采用平行试验进行仪器自检。将两个电极相互平行摆放（如X方向），两个磁棒沿垂直于电极摆放方向相互平行摆放（Y方向），平行放置的电极和磁棒间隔约40cm，确定连接好系统后利用相同的参数进行数据采集，采集成果显示在电磁场时间序列图中，Ex和Ey、Hy和Hx信号是一致的，并且计算所得的两个方向的视电阻率曲线也是一致的，说明仪器可以正常使用。

数据采集前先建立好数据存储文件夹，运行采集系统程序，设置好工作电频率、采集文件序号、文件名等参数，其它的参数可采用默认值。电、磁通道则采用电信道Ex和电磁道Hy，现场根据天然场信号强弱来设置通道Ex、通道Hy的增益，设置原则为“信号宽度占窗口宽度的1/2为标准，信号强度不能溢出窗口，在有高压线等强电磁干扰时，增益调成-1”。采集时只对高频段和低频段进行采集，且先采集低频段在采集高频段，叠加次数一般均为16次，在强干扰段则叠加32次，以保证数据的可靠性。

5物探推断解释

对野外采集的时间序列的数据进行预处理后，再现场进行FFT变换，获得电场和磁场虚实分量和相位数据，对每一个测点进行编辑，舍掉畸变的频点，保留高质量的频点数据。对所有测点进行有效编辑后，再对整个剖面进行2D处理，得到反演后的剖面电阻率色谱图，使用surfer软件绘制电阻率等值线图，得出成果图如下图所示。

视电阻率二维反演断面图

根据二维反演断面图可知浅部分布一层低阻带，视电阻率约为100Ω• m～400Ω• m，根据现场踏勘及钻孔揭露，该低阻层为覆盖层以及花岗岩强风化带；深部视电阻率整体比较高，一般大于400Ω• m，主要为弱、微风化花岗岩体，局部整体偏低可能为存在裂隙发育且富含地下水，或为局部存在蚀变花岗岩体以及花岗岩风化不均等原因。

从图中可看出5处明显的低阻突变异常，其中异常F1、F2、P1、P2呈“U”或“V”字形态，根据地质调查资料显示异常F1、F2处有断层出露，因此推断异常F1、F2为断层；异常P1、P2处附近未发现明显的构造出露，因此推断为裂隙发育带；异常T1处有钻孔揭露该处在钻孔深度（100m）范围内存在大量花岗岩蚀变体，因此推断异常T1为花岗岩蚀变体带。

6结论

本文采用大地电磁法对甘肃某抽水蓄能电站输水系统进行探测，通过二维反演揭示了 研究区内的地下电性结构，推断解释了研究区内的地层以及异常地质体的空间分布形态。通 过本文研究得出以下结论：

1、本文通过大地电磁法的二维反演结果能够准确的划分地层的界限，以及划分断层、裂隙发育带、基岩蚀变体范围及空间分布形态。

2、大地电磁法易受人类活动的干扰，如高压输电线；且其解释需要参考一定的钻孔资料。为更准确反应地层结构分布形态，如条件允许，应结合其他物探方法进行勘探、解析，如浅层地震法。

参考文献

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