[发明专利]基于流网的非均质含水层优势流路径识别方法

说明书

本发明公开了一种基于流网的非均质含水层优势流路径识别方法，该方法首先建立流管面积或体积与水流移动时间之间的定量关系；将已有的地下水流模拟程序用于非均质介质中流函数计算；通过计算流管面积或体积，高效、准确地识别时间最短的移动路径。与已有的粒子追踪法和图论技术相比，本发明提供的方法效率更高、准确性更好。

技术领域

本发明属于水力学技术领域，具体指代一种基于流网的非均质含水层优势流路径识别方法。

背景技术

目前，地下水污染问题得到越来越多的关注；地下水溶质运移难点之一在于地下水流场中优势流的存在，即：占含水层小部分体积、导水能力强的优势通道，常常可以传输大量的水流和溶质，甚至显著改变含水层行为。在自然界中普遍存在的含水层非均质性，是导致了地下水流场非均一性和优势流的主要因素。基于含水层非均质性识别地下水流场中的优势流路径，是地下水运移模拟与水质监控的重要部分。目前优势流路径识别与分析的主要手段是传统的粒子追踪法(PT)，以及近年新出现的基于图论的最小阻力路径法(MHR)。传统PT法在流场中释放大量粒子，通过追踪这些粒子在对流和弥散作用下的运动，分析水流运动不均匀性。该方法可靠性好，但主要问题在于计算量很大，需要大量时间及存储空间，而且根据粒子当前位置计算下一时刻位置容易引入不断积累的误差。MHR法以类似于导航寻路的算法寻找整体阻力最小的路径，计算效率较高，但其不考虑水动力条件和边界条件，容易导致不符合水动力规律的搜寻结果，因此该方法的可靠性还无法令人满意。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于流网的非均质含水层优势流路径识别方法，通过利用已有的工具，便捷、高效且可靠地识别非均质含水层中的优势流路径，为有效刻画自然条件下污染物监控提供有力工具。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种基于流网的非均质含水层优势流路径识别方法，包括步骤如下：

(1)根据所要研究的非均质含水层，确定渗透系数K的分布；

(2)对上述渗透系数K取倒数，得阻力场R分布，即R＝1/K；

(3)根据含水层条件，指定流函数Ψ的边界条件；

(4)计算含水层内流函数Ψ的分布；

(5)根据计算得到的流函数Ψ分布，采用等高线法计算一系列等差流线(即相邻流线的流函数之差相等)，流线包裹的空间即为流管；

(6)计算各流管的面积或体积；

(7)对各流管的面积或体积进行排序，面积或体积最小的流管对应最短的移动时间，即为优势流路径所在。

进一步地，所述步骤(3)中流函数Ψ与步骤(2)中阻力场R的关系满足如下方程：

其中，x为空间向量，该方程对应的边界条件需要指定如下：按照区域流场状况，上下游分别为流函数零坡度边界其他平行于主流方向的边或面为恒定流函数边界Ψ(x)＝C，C为常数。

进一步地，所述步骤(4)中利用地下水流模拟软件(如MODFLOW、FEWATER等)在非均质含水层中求解上述流函数Ψ与阻力场R的关系方程，得到流函数的空间分布。

进一步地，所述步骤(5)利用等高线计算方法(如MATLAB中的contour函数等)计算若干等差流函数值的在空间上的分布，即等差流线。

进一步地，所述步骤(6)中使用polyarea函数计算流管的面积或体积。

进一步地，所述步骤(6)中计算的流管面积或体积，正比于流管内的渗流运动过程的时间t，即：