[发明专利]不稳定承压-无压井流模型及承压含水层参数反演方法

说明书

本发明提供一种不稳定承压－无压井流模型及承压含水层参数反演方法，属于煤矿区矿井的动力学技术领域。不稳定承压－无压井流模型的计算方法是先计算出承压－无压转换界与抽水井之间的距离和无压区平均水头。再根据所述承压－无压转换界与抽水井之间的距离和所述无压区平均水头计算出承压－无压井流水位降深。承压含水层参数反演的计算方法是先计算出承压－无压转换界与抽水井之间的距离。再根据所述承压－无压转换界与抽水井之间的距离计算出无压区扩散率和无压区单位产水量。通过此计算方法将为煤矿区地下水资源保护和矿区安全生产提供技术支持。

技术领域

本发明涉及煤矿区矿井的动力学技术领域，具体而言，涉及一种不稳 定承压－无压井流模型及承压含水层参数反演方法。

背景技术

不稳定承压－无压抽水井流是煤矿区矿井疏干过程中的经典地下水动力 学问题。近60年来，国内外众多学者就承压－无压井流的问题进行了针对性 的研究，提出了多种基于泰斯井流假设或者裘布依假设的承压－无压完整井 流的数值模型和解析模型。最先开始利用数值模型研究承压－无压井流渗流 场特征的是一些国外学者。Rushton和Wedderburn(1971)首次建立了基于 二维渗流基本微分方程的稳定承压－无压完整井流有限差分数值模型。该模 型忽略了在承压流转换为无压流的过程中导水系数(transmissivity)的变化， 在无压流区采用单位产水量(specific yield)取代承压区的储水系数(storativity)，提出利用基于电阻－电容网络模拟原理的有限差分法分析承压 流转变为无压流的问题。Elango和Swam inathan(1980)提出基于四边混合 曲线等参数单元的稳定承压－无压井流有限元数值模型。Wang和Zhan(2009) 则提出一种更为完善的不稳定承压－无压完整井流的半解析数值模型。该模 型基于二维渗流基本微分方程和潜水流动的布西涅斯克微分方程 (Boussinesq equation)，考虑了在承压流到无压流的转换过程中导水系数和 给水度(storage coefficient)的变化，采用四阶龙格－库塔法(Runge–Kuttamethod)求解非线性无压流问题。

解析模型相较于数值模型，具有易操作的优点。1961年，我国学者陈 崇希等首次提出了单孔抽水形成的稳定承压－无压完整井流解析模型。 Moench和Prickett(1972)认为当无压流区水位降深远远小于承压含水层 本身的厚度时，无压流区的导水系数可视为唯一常量，并提出采用热传导 中导管周围冻结问题的解来分析二维不稳定承压－无压完整井流的渗流场特 征，即MP模型。该模型可用于研究渗流场中承压－无压转换界面随时间变 化的时间动态分布特征，因此在解决不稳定承压－无压井流的工程实际问题 中得到了广泛的应用(Duffield，2007)。Chen et al(2006)基于吉林斯基势 函数(Girinskii’spotential)，在考虑了河流补给边界条件作用下，提出了井 群抽水形成的稳定承压－无压完整井流的解析模型。陈崇希(1961，1996)以 及Hu和Chen(2008)则认为在承压－无压含水层中，导水系数和给水度分 时段可被视为空间上的平均值，而不是在转换界面发生突变，并在此假设 基础上提出了基于泰斯井流假设和吉林斯基势函数(Girinskii’spotential) 的二维不稳定承压－无压完整井流解析模型，即Chen模型。

上述承压－无压井流模型为解决工程问题提供了一定的理论基础和模型 方法。然而，在人类开采地下水的活动加剧和对非饱和流作用的认识不断 深入的情况下，传统的不稳定承压－无压井流模型在实际应用中面临着挑战。 传统的二维不稳定承压－无压完整井流解析模型均未能充分考虑承压流转换 到无压流过程中导水系数、释水系数以及扩散系数(Diffusivity)等水力参 数变化对渗流场的影响。例如，在MP模型(Moench andPrickett，1972)中 将导水系数视为常量；Chen模型(Hu and Chen，2008)则假设不稳定承压－ 无压井流渗流场的扩散系数为分时段空间上的平均值。值得注意的是Wang 和Zhan(2009)提出半解析数值模型虽然考虑了不稳定承压－无压完整井流 渗流场中导水系数、给水度以及扩散系数等水力参数变化，但是该模型理 论推导过程过于复杂，限制了其在实际工程中的推广应用。