中部非洲西部地區(qū)地表電阻率特征

魏樹滿，高燕和，張美多

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

0 引言

中部非洲是指從撒哈拉沙漠與非洲大陸西部突起部分合圍的廣大縱深地區(qū)，不包括東非大裂谷西部。該地區(qū)一般是指中非共和國、喀麥隆、赤道幾內(nèi)亞、加蓬、剛果共和國(簡稱“剛果(布)”)、剛果民主共和國(簡稱“剛果(金)”)、圣多美和普林西比等7 個國家。該地區(qū)水量完全依賴剛果河及其支流，流域面積僅次于亞馬遜河，屬熱帶雨林氣候，常年濕熱。

喀麥隆曼維萊水電站、剛果(布)英布魯水電站、剛果(金)ZONGOⅡ水電站分布在中部非洲的西部地區(qū)(見圖1)，本文通過總結(jié)3 座水電站的電阻率測試成果，以點(diǎn)帶面地歸納了該地區(qū)地表電阻率的一般性特征，并對其成因進(jìn)行了粗淺分析，旨在為同行和設(shè)計人員提供一些參考。

1 曼維萊水電站

1.1 工程簡介

曼維萊水電站位于喀麥隆南部緊鄰赤道幾內(nèi)亞的恩特姆河(NTEM)主干流上，地處熱帶叢林地區(qū)，距首都雅溫得340 km。采用低壩擋水，長引渠引水，埋置式地下廠房，長尾水布置的方式?？傃b機(jī)容量201 MW，水庫總庫容1.3 億m3。

1.2 地形、地質(zhì)簡況

工程區(qū)位于喀麥隆南部，屬高原地帶，海拔高程400～700 m，地表有濃密的熱帶雨林。

地層巖性主要為下元古界Ntem 組花崗片麻巖(Pt1N)以及輝綠巖、花崗閃長巖等。第四系堆積物分布廣泛，按成因可分為沖積、坡積、殘積和湖積等類型。

1.3 電阻率測試結(jié)果

1.3.1 水的電阻率

實(shí)測恩特姆河水的電阻率為660～755 Ω·m，平均值為716 Ω·m;地下水(井水)的電阻率為223～234 Ω·m，平均值為229 Ω·m;雨水的電阻率為3 518～3 526 Ω·m，平均值為3 521 Ω·m。

圖1 地理位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of geographical position

1.3.2 巖土體電阻率

工程區(qū)覆蓋層主要為第四系棕黃色粉質(zhì)粘土和棕紅色粉質(zhì)粘土，對稱四極電測深多呈D 型曲線(如圖2)。棕黃色粉質(zhì)粘土的電阻率為2 640～3 641 Ω·m，平均電阻率值為3 263 Ω·m;其下部的棕紅色粉質(zhì)粘土的電阻率為436～550 Ω·m，平均電阻率值為500 Ω·m。

下元古界花崗片麻巖和輝綠巖的實(shí)測電阻率為2 000～8 000 Ω·m.。

圖2 C2K-3 點(diǎn)電測深曲線Fig.2 Electrical sounding curve of C2K-3

2 英布魯水電站

2.1 工程簡介

英布魯水電站位于剛果(布)首都布拉柴維爾以北215 km 處的剛果河一級支流萊菲尼河(LEFINI)上，距剛果河河口14 km，為河床徑流式水電站，項(xiàng)目總裝機(jī)容量為120 MW，由4 臺30 MW 機(jī)組組成，年平均發(fā)電量為6.815 億kW·h。2011年5月建成，現(xiàn)已成為剛果(布)國家電網(wǎng)的主力電站。

2.2 地質(zhì)簡況

工程區(qū)內(nèi)地層巖性主要有白堊系(K)膠結(jié)不良的軟弱砂巖、第三系(N)砂壤土及第四系(Q)松散堆積物。

2.3 電阻率測試結(jié)果

2.3.1 水的電阻率

實(shí)測萊菲尼河水電阻率為1 050～1 280 Ω·m，平均值為1 130 Ω·m。地下水(鉆孔涌水)電阻率為550～680 Ω·m，平均值為630 Ω·m。

2.3.2 巖土體電阻率

表層砂壤土(N1)的電阻率為3 200～6 800 Ω·m，平均值為5 460 Ω·m;其下部砂壤土(N1)的電阻率為2 130～2 560 Ω·m，平均值為2 300 Ω·m。

砂巖的電阻率為6 000～9 200 Ω·m，平均值為7 580 Ω·m;含水砂巖的電阻率為4 400～5 470 Ω·m，平均值為4 830 Ω·m。

3 ZONGOⅡ水電站

3.1 工程簡介

ZONGOⅡ水電站位于剛果(金)下剛果省，距首都金沙薩公路里程約130 km，距港口城市馬塔迪約285 km;攔河壩距20世紀(jì)60年代建成的ZONGOⅠ水電站廠房約1.4 km。為低壩引水式水電站，攔河壩位于剛果河一級支流因基西(INKISI)河上，距因基西河河口約4.4 km;水電站廠房布置于剛果河左岸灘地上，上游距因基西河河口約1.6 km?？傃b機(jī)容量150 MW，由三臺單機(jī)容量50 MW 機(jī)組組成，多年平均發(fā)電量約9.02 億kW·h。

3.2 地形、地質(zhì)簡況

壩址位于因基西(INKISI)河上，壩址河谷大體呈不對稱梯形，地面高程340～425 m，植被茂盛，河水湍急;隧洞段沿線地面高程380～480 m，隧洞埋深一般為40～130 m;壓力鋼管段地面高程270～380 m;廠房位于剛果河左岸，大體在一級階地后緣位置。一級階地階面高程222～235 m 左右，寬度50～80 m，植被發(fā)育，生長有棕櫚樹。

基巖為上元古界(Pt3a)巨厚層—厚層砂巖，紫色，堅硬致密，耐風(fēng)化。覆蓋層為第四系(Q4)殘積土、沖洪積土。

3.3 電阻率測試結(jié)果

3.3.1 水的電阻率

實(shí)測因基西河水電阻率為170～180 Ω·m，平均值為174 Ω·m;剛果河水電阻率為317～359 Ω·m，平均值為335 Ω·m;壩址區(qū)地下水(泉水)電阻率為180～185 Ω·m，平均值為183 Ω·m。

3.3.2 巖土體電阻率

壩址區(qū)、電站廠房區(qū)的對稱四極電測深的多呈D型曲線(見圖3)。壩址區(qū)電阻率測試結(jié)果表明:第四系(Q4)殘積土沖洪積土及上元古界(Pt3a)全風(fēng)化砂巖的電阻率為1 500～2 200 Ω·m，平均值為1 876 Ω·m;強(qiáng)風(fēng)化—弱風(fēng)化砂巖400～630 Ω·m，平均值為453 Ω·m;完整砂巖露頭的電阻率為1 633～1 842 Ω·m，平均值為1 724 Ω·m。

電站廠房區(qū)電阻率測試結(jié)果表明:干燥松散沙一般為5 000～8 400 Ω·m，平均值為6 766 Ω·m，在剛果河邊的沙層高密度電法測試的最大值達(dá)16 000 Ω·m;沖洪積土2 500～4 000 Ω·m，平均值為3 214 Ω·m;基巖890～2 080 Ω·m，平均值為1 296 Ω·m。

4 電阻率特征分析

4.1 電阻率特征

圖3 CW5-60 點(diǎn)電測深曲線Fig.3 Electrical sounding curve of CW5-60

通過對上述3 座水電站實(shí)測電阻率的總結(jié)，可歸納中部非洲地區(qū)地表電阻率具有如下特征:①地表水(河水)的電阻率實(shí)測值為170～1 280 Ω·m;②地下水(井水、泉水等)的電阻率實(shí)測值為180～680 Ω·m;③地表土的電阻率一般大于其下部土體的電阻率，地表土的電阻率實(shí)測值為1 500～6 800 Ω·m，下部土體的電阻率實(shí)測值為436～2 560 Ω·m;④白堊系(K)膠結(jié)不良的軟弱砂巖電阻率為4 400～9 200 Ω·m;⑤上元古界(Pt3a)巨厚層—厚層致密砂巖電阻率為1 630～1 840 Ω·m;⑥下元古界花崗片麻巖和輝綠巖的實(shí)測電阻率為2 000～8 000 Ω·m。

該地區(qū)無論是水的還是土壤的電阻率普遍比國內(nèi)的常見值［1，2］偏大，有的＞10 倍以上。如萊菲尼河水電阻率最大實(shí)測達(dá)1 280 Ω·m，是國內(nèi)河水電阻率最大常見值的12.8 倍。

此地區(qū)高電阻率現(xiàn)象很令人費(fèi)解，甚至有人懷疑測試結(jié)果有問題。通過測試方法的比對以及改變水的NaCI濃度試驗(yàn)分析論證表明電阻率測試結(jié)果是正確的。同時水質(zhì)分析試驗(yàn)結(jié)果表明:因基西河水的電導(dǎo)率為88 μS/cm;剛果河水的電導(dǎo)率為21 μS/cm，說明在導(dǎo)電性方面野外測試結(jié)果和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的是一致的［3］。

4.2 電阻率特征分析

4.2.1 土壤電阻率

大地有兩種導(dǎo)電方式，電子導(dǎo)電和離子導(dǎo)電，通常金屬礦物及石墨以電子導(dǎo)電為主，而多數(shù)巖石、土壤則以離子導(dǎo)電為主［4］。土壤導(dǎo)電方式主要是各種無機(jī)鹽類或酸、堿離解成的自由移動的陰陽離子導(dǎo)電。而各類無機(jī)鹽或酸、堿又必須在有水的情況下才能離解成自由移動的導(dǎo)電離子，干燥的土壤或純凈的水是不導(dǎo)電或?qū)щ娔芰懿畹?。所以土壤電阻率的大小主要取決于土壤中導(dǎo)電離子的濃度和土壤中的含水量。一般認(rèn)為，土壤電阻率是土壤中所含導(dǎo)電離子濃度A 的倒數(shù)1/A 和單位體積土壤含水量B 的倒數(shù)1/B 的函數(shù)［5］，即

也就是說，土壤中所含導(dǎo)電離子濃度越高，土壤的導(dǎo)電性就越好，ρ 就越小;反之就越大。土壤越濕，含水量越多，導(dǎo)電性能就越好，ρ 值就越小;反之就越大。

上述觀點(diǎn)在國內(nèi)的電阻率測試解釋中是適用的，但解釋中部非洲地區(qū)的土壤電阻率特征就不太合適了。該地區(qū)屬熱帶雨林氣候，全年多雨，無干季，年降水量在2 000 mm 以上，最少雨月降水量也超過60 mm，應(yīng)該說該地區(qū)土壤的含水量是很大的，但土壤尤其是地表土的電阻率卻較高。筆者認(rèn)為:①降水量較大導(dǎo)致土壤的淋溶作用強(qiáng)烈，上部土層的可溶性物質(zhì)和細(xì)微土粒遭到淋洗，逐漸滲透到下部土層或流失，多年的大量降水帶走了土壤中易溶于水的導(dǎo)電離子，使土壤中所含導(dǎo)電離子濃度越來越低，從而降低了土壤的導(dǎo)電能力;②由于當(dāng)?shù)赝寥赖暮饕纱髿饨邓a(bǔ)給，但雨水的電阻率卻高達(dá)3500 Ω·m 以上，可以說土壤的含水量越多，其導(dǎo)電性能就越差。

4.2.2 河水的電阻率

河水電阻率偏高主要是由于降雨量大及工業(yè)不發(fā)達(dá)所致。剛果河一級支流萊菲尼河水電阻率為1 050～1 280 Ω·m;在位于金沙薩和布拉柴維爾等大城市的下游的ZONGOⅡ水電站的剛果河水電阻率也相對較大，雖然上游的城市的生活用水及工業(yè)污水直接排入剛果河，但實(shí)測值仍為317～359 Ω·m。

綜合分析認(rèn)為:非洲中部地區(qū)地表電阻率偏高的主要因素是降雨量大且雨水中含有的自由移動的離子濃度低，以及工業(yè)不發(fā)達(dá)污染少有關(guān)。

5 結(jié)語

通過中部非洲地區(qū)3 座水電站電阻率實(shí)測結(jié)果的總結(jié)，粗淺地歸納、分析了非洲中部地區(qū)地表電阻率的基本特征及成因。由于測試數(shù)據(jù)較少，而不能全面、系統(tǒng)評價該地區(qū)地表電阻率的基本規(guī)律。

［1］SL 326—2005，水利水電工程物探規(guī)程［S］.

［2］DL/T 5010—2005，水電水利工程物探規(guī)程［S］.

［3］魏樹滿，張劍平，張美多.剛果(金)ZONGOⅡ水電站電阻率特征［J］.水電站設(shè)計，2012(1):68－69.

［4］費(fèi)錫銓.電法勘探［M］.北京:地質(zhì)出版社，1986.

［5］李景祿.實(shí)用電力接地技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2002.