[0001] 本发明涉及地球物理探测技术领域，尤其涉及一种分布式偶极‑偶极电法监测方法及系统。

[0002] 随着社会的不断发展，环境污染已经成为一个严重的全球挑战，对人类健康和生态系统产生了广泛而深远的影响。因此，环境污染的监测和控制变得至关重要。只有通过持续的监测和科学的分析，才能更加详细地了解污染源的位置及其扩散趋势和影响，从而制定更有效的治理方案和措施来减轻环境压力。

[0003] 地球物理电法勘探被广泛运用于地质和环境研究领域，这项技术的基本原理是在地表部署电极，通过注入电流到地下，然后测量在地表产生的电位差，以此评估地下空间的电性介质分布。目前，通常采用主动源常规电法或者高密度电法进行勘探，主动源直流电法工作时间短，长期监测同一测区内的电位是一大难点，且大多观测方式均需要人为移动测量电极，无法同时监测所有测点的电位数据；高密度电法虽然可以同时观测多个点位的数据且不需要人为移动测量电极，但其观测系统需要布设大量导线，这使得该方法的观测范围较小，无法承担较大范围的长期电位监测任务。同时密集的布线增大了仪器的体积，降低了仪器的可靠性与便捷性。

[0011] 下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

[0012] 除非另作定义，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

[0013] 应理解，本申请可以针对堤坝、隧道等建筑物可能存在的渗漏点、裂隙水、渗漏通道进行有效的反映，有效预警工程质量问题和生产安全隐患。长期监测测得的动态自然电位数据能够准确识别出污染厂、尾矿库等复杂区域内存在的自然电位异常特征和迁移方向，有助于减轻或防止可能出现的环境灾难。

[0014] 请参见图1，本申请提供的一种分布式偶极‑偶极电法监测方法，包括：布设N个分布式节点，每一分布式节点包括节点主体以及设于所述节点主体两侧的第一电极和第二电极，所述节点主体包括电流源，所述第一电极和所述第二电极之间的距离根据监测任务需求确定，所述N个分布式节点的工作模式包括直流电阻率法测量和自然电位监测；
在直流电法测量的工作模式下，控制所述N个分布式节点中的任意一个节点的第一电极和第二电极作为发射电极，N个分布式节点中的其余节点的第一电极和第二电极均作为测量电极进行测量得到电位，根据所述电位计算电位差，并根据所述电位差确定视电阻率；
在自然电位监测的工作模式下，控制所述N个分布式节点中的第一电极和第二电极作为测量电极进行监测，得到电位差。

[0015] 上述的分布式偶极‑偶极电法监测方法，可以应用于分布式偶极‑偶极电法监测系统，该系统由若干分布式节点组成，每个节点均可由程序控制工作在发射模式或测量模式。分布式节点设计让发射与观测点位的布置更加灵活，可以根据任务需求灵活地实现多种观测方式，大大提高对监测场地和监测任务的适用性。并且可以同时观测获得视电阻率信息和自然电位信息，可以适应于地下水调查与地下污染物活动的监测应用。

[0016] 上述方法在实现时，将发射与测量节点为分布式设计，观测点位的部署更加灵活，观测范围因不再受导线长度的限制而大大增加，一次供电便可同时测量多个偶极‑偶极观测电位差，且分布式节点避免了传统勘探工作中的跑极工作，显著提升了数据采集效率。

[0017] 应理解，分布式节点首先需要能够进行地下供电和电位测量，节点主体内部设置有电流源和电位测量装置。节点可能需要在不同的环境条件下工作，包括潮湿或腐蚀性环境，故其需要具备防水和耐腐蚀的材质以保证节点部分的稳定性与可靠性，适应不同环境条件下的适应性，包括温度、湿度和地下条件。具体地，防水方面，可以设置防水涂层、橡胶密封件等；耐腐蚀方面，可以采用工程塑料如聚醚醚酮、聚酰亚胺等。

[0018] 节点的电池方案可由可充电电池构成，以确保监测任务在长期监测中不会中断。在数据存储及节点的控制方面，为发挥分布式布设的优势，节点的功能操控，包括节点供电及测量状态的起始控制、测量数据的实时存储及数据传输等均通过无线操控的方式完成。

[0019] 下面，为便于描述，将第一电极和第二电极用电极A、电极B；或者，电极M和电极N替代。

[0020] 进一步地，请参见图2，图2为偶极‑偶极观测装置的测量示意图。供电电极AB和测量电极MN采用偶极‑偶极装置并分开有一段距离，且A、B、M、N四个电极都位于同一条直线上。偶极‑偶极装置通常取 的中点作为记录点，投影点的拟深度为 或 ，此时测量极M和N的电位分别为：

[0021] 式中， 表示第一电极的电位， 表示第二电极的电位， 表示电阻率，表示供电电流的大小，A表示供电节点的第一电极，B表示供电节点的第二电极，M表示测量节点的第一电极，N表示测量节点的第二电极。

[0022] 故电位差为：

[0023] 此时，测点处的视电阻率 的表达式为：

[0024] 其中，装置系数K为：

[0025] 在偶极‑偶极测量方式中， ，当在同一条测线上测量时，若 ，且间隔系数 为正整数时，装置系数可化简为：

[0026] 偶极‑偶极观测模式的优点在于电极A、B、M、N附近有很高的水平分辨率，但其装置系数在直流电法的观测方式中最小，测量信号 的强度与间隔系数 的三次方成反比，抗噪能力较弱，该故对于同一个极距a，间隔系数不宜过大，通常控制在6以下。

[0027] 请参见图3，图3为偶极‑偶极装置在测线上的断面测量示意图，假设地表共有9个电极，以间隔系数 分别为1、2、3、4为例，共可测得4个伪深度下的倒梯形视电阻率断面。如图3所示，当间隔系数为1时，测线上有6个待测电位，当间隔系数为2时，测点数为5，间隔系数为3时，测点数为4，间隔系数为4时，测点数为3，断面中共有18个测点。

[0028] 在实际测量中，偶极‑偶极装置的供电极距通常保持不变，探测深度由间隔系数控制，发射电极每次供电仅能完成单个测点的视电阻率测量，需要不断改变间隔系数并移动供电电极和测量电极进行测量才能得到地下视电阻率断面。若仅对某一点进行测深工作，则保持测点的坐标不变，将发射电极和测量电极分别向两侧移动同等距离以增大测量深度。

[0029] 如图3所示，当发射极A、B分别位于1和2号点，测量极M、N分别位于3和4号点时，所测得得视电阻率投影点位于第一层剖面线的第一个点。然后需要将4个电极逐点同时向右移动，继续供电测量得到间隔系数 =1时的剖面线。之后再增大间隔系数，例如，将发射电极仍置于1、2号点，将测量电极置于4、5号点，此时供电可以测得间隔系数为2时左侧的第一个拟测量点的视电阻率，以此类推，便可得到不同拟深度下的剖面线，完成地下视电阻率断面的测量。在该模式下，发射电极需要单独供电18次，测量电极需要在6个位置共移动18次。供电次数与电极及间隔系数的关系如（7）所示，其中，Q为地表电极数。

[0030] 传统偶极‑偶极观测时：

[0031] 请参见图4，图4展示了分布式偶极‑偶极观测系统在一条测线上的测量示意图，每一个独立节点都可以作为供电电极，故无需通过移动节点改变测量电位，而多个测量节点同时工作可在单个节点的一次供电中实现多个间隔系数下的视电阻率测量。例如，当1号和2号电极作为发射电极向地下供电时，3号和4号、4号和5号、5号和6号、6号和7号电极可分别作为四组测量电极并同时进行电位差测量，其分别对应的间隔系数为1、2、3、4，一次供电可获得四个不同深度的视电阻率数据。以此类推，当供电节点从1‑2号点位向右移动时，每次供电可分别获得4、4、4、3、2、1个视电阻率数据。在本例中，分布式节点观测系统无需移动发射和测量电极，多节点的同时测量使得本观测系统仅需6次供电就可完成主剖面的全部测量工作，显著降低了发射电极的供电次数，避免了测量跑极。

[0032] 分布式偶极‑偶极观测：

[0033] 测量节点的同步工作不仅可以测量发射极所在测线上的电位差，还可以测量旁侧测线的电位差，完成三维或类三维电位差测量，考虑地下电性结构的三维空间分布特征，获取更全面的视电阻率数据，以便更精准地揭示地下介质信息及自然场源分布。

[0034] 图5为分布式节点三维测量示意图，图中实线为分布式节点所在测线，假设此时供电电极在中间测线，则虚线为其两侧测线的测量电极与供电电极的投影点所在直线，虚线上的圆点即为该断面上的拟测点在地表的投影。

[0035] 假设每条测线间的间隔为b，当测量节点在供电节点的旁侧时相应的偶极‑偶极装置系数为：；
其中，n为发射节点和测量节点在x方向上的间隔数，例如当A、B保持不动，M、N移动至2和3号点时，n=1。

[0036] 综上，上述的分布式偶极‑偶极电法监测系统结合了直流电阻率法测量和自然电场监测的特点，采用分布式节点布设代替传统的有线电极，分布式节点设计让发射与观测点位的布置更加灵活，可以根据任务需求灵活地实现多种观测方式，大大提高对监测场地和监测任务的适用性。并且可以同时观测获得视电阻率信息和自然电场信息，特别适合地下水调查与地下污染物活动的监测应用。多测量节点同时工作使得一次供电便可同时测量多个间隔系数下的视电阻率，显著降低了传统直流电法所需的供电次数，提高了测量效率。考虑到地下结构的空间特征，当节点供电时，测线旁侧的节点可测得拟三维视电阻率，为解释工作提供更多的数据，更全面地刻画地下电性结构。

[0037] 下面，以一具体实验为例对上述的方法进行阐述如下：此处展示当点源电流场中存在低阻球体时的理论测量结果，地下背景电阻率设置为1，球体的电阻率设置为0.05，球体的半径设置为1m，球心距离地表1.5m，供电电极AB和测量电极MN的长度均为1m，装置布设如图6所示，图中黑色圆点为本发明的节点位置，图中虚线为低阻球体的轮廓在地表的投影，假设测量沿X方向进行，共21条测线（Y=‑10 m至Y=10 m），间隔系数分别为1、2、3、4、5。

[0038] 传统直流电法测量需要分别在21条测线上进行工作，且在每条测线上不断移动电极、变化电极距才能测量5个间隔系数下的视电阻率结果。而本发明不仅无需移动任何节点，还可以在较少的供电次数下完成相同的测量工作，且可实现传统直流电法不能实现的拟三维测量和长期电位监测，及无线操控和数据传输等任务，降低人工工作量，提高工作效率。

[0039] 图7为5个间隔系数下的三维空间拟深度视电阻率结果，图8为间隔系数为1时的视电阻率平面等值线图，图9展示了不同间隔系数对应的低阻球体主剖面（Y=0 m）的视电阻率曲线，图10为图9相应的视电阻率断面异常等值线图。主剖面视电阻率曲线在间隔系数较小时候，在球体上方存在极小值，在球体两侧有两个对称且略大于1的极大值，随着间隔系数增大，偶极‑偶极装置测量深度增大，球顶的极小值先继续变小然后变大，球体两侧出现两个极小值形成向下的双峰。在这种情况下，间隔系数为3时，探测效果最好。

[0040] 本申请还提供一种分布式偶极‑偶极电法监测系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。该分布式偶极‑偶极电法监测系统可以实现上述分布式偶极‑偶极电法监测方法的各个实施例，且能达到相同的有益效果，此处，不做赘述。

[0041] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。