用于單裂隙中溶質運移數值模擬的隨機行走粒子追蹤方法技術

一種用于單裂隙中溶質運移數值模擬的隨機行走粒子追蹤方法，包括：建立裂隙介質概念模型，將裂隙結構離散成二維計算網格，所述計算網格屬性包括隙寬；建立裂隙介質地下水水流數學模型，計算得到模擬地下水水流場分布，并與實驗觀測值進行對比驗證，獲得接近裂隙真實分布的模擬裂隙結構；針對所述模擬裂隙結構及其對應的模擬地下水水流場分布，用隨機行走粒子追蹤方法對單裂隙介質中溶質運移進行模擬，獲取溶質的分布。

Stochastic walk particle tracking method for numerical simulation of solute transport in a single fracture

Including a random walk particle for the numerical simulation of solute transport in a single fracture tracing method: to establish the conceptual model of the fractured medium, fracture structure is discretized into two-dimensional computational grid, the grid properties include the gap width; establish fractured groundwater flow mathematical model, the calculated simulation of groundwater flow field distribution, compared with experimental observations, simulation of fissure structure close to the true distribution of fracture; for the fracture structure and the corresponding simulation of groundwater flow field distribution simulation, using random walk particle tracking method for solute transport in a single fracture simulation, obtain the solute distribution.

【技術實現步驟摘要】
用于單裂隙中溶質運移數值模擬的隨機行走粒子追蹤方法
本專利技術涉及裂隙地下水中滲流與溶質運移的數值模擬領域，特別是關于一種用于單裂隙中溶質運移數值模擬的隨機行走粒子追蹤方法。
技術介紹
含水介質廣義上可分為孔隙介質、裂隙介質與巖溶介質。裂隙介質本身是透水性非常微弱的基巖，很多衛生垃圾填埋、放射性核廢料處置等地下工程選擇裂隙介質作為天然防滲層。隨著此類工程的發展，其對地下水的影響受到越來越多的重視，裂隙介質中地下水水流和溶質運移研究也因此成為水環境管理和保護方面一個重要領域。裂隙介質中地下水水流和溶質運移的主要通道是裂隙，相較于孔隙介質，對裂隙介質中地下水水流和溶質運移的數值模擬具有更大的難度。一方面裂隙介質具有強烈的非均質性，從現場獲取的裂隙數據很難完整且準確的表達裂隙的真實分布。另一方面，在數值模擬中裂隙表面粗糙度、裂隙的分布和連通性、裂隙與巖體的相互作用等因素都會對地下水水流和溶質運移過程造成影響。通常對于裂隙介質的數值模擬有單裂隙滲流概念模型和裂隙巖體滲流概念模型，后者包括等效連續體模型和離散裂隙網格模型，以及混合模型等。單裂隙滲流概念模型是假設巖體被一條裂隙切割，可將巖體概化成兩個表面光滑且平行的平板，平板間隔代表裂隙，間隔大小代表隙寬。研究單裂隙的水力特征是研究巖體裂隙滲流的基礎。天然巖體裂隙均為粗糙裂隙，很難滿足單裂隙滲流概念模型中光滑平板的假定?？紤]裂隙表面粗糙度對裂隙水流的影響，就需要對單裂隙滲流概念模型進行修正。有關裂隙的參數估計是裂隙介質數值模擬的關鍵，特別是滲透系數，對表征地下水滲流及污染物濃度分布和運移狀況至關重要。在裂隙介質溶質運移問題中，除了要考慮裂隙中的滲流作用，還需要考慮水力彌散和分子擴散過程。傳統的有限元和有限差分方法需要較高的計算成本，在裂隙介質污染物運移數值模擬中難以發揮作用。
技術實現思路
鑒于現有方案存在的問題，為了克服上述現有技術方案的不足，本專利技術提出了一種用于單裂隙中溶質運移數值模擬的隨機行走粒子追蹤方法。根據本專利技術的一個方面，提供了一種用于單裂隙中溶質運移數值模擬的隨機行走粒子追蹤方法，包括：建立裂隙介質概念模型，將裂隙結構離散成二維計算網格，所述計算網格屬性包括隙寬；建立裂隙介質地下水水流數學模型，計算得到模擬地下水水流場分布，并與實驗觀測值進行對比驗證，獲得接近裂隙真實分布的模擬裂隙結構；針對所述模擬裂隙結構及其對應的模擬地下水水流場分布，用隨機行走粒子追蹤方法對單裂隙介質中溶質運移進行模擬，獲取溶質的分布。從上述技術方案可以看出，本專利技術具有以下有益效果：考慮單裂隙介質的非均質性，采用地質統計學方法獲取模擬隙寬分布，并通過重復用實驗觀測值驗證模擬得到的水流場分布，獲取最佳裂隙結構，相較于單裂隙滲流概念模型更接近巖體和裂隙的真實分布；基于隨機行走粒子追蹤方法對單裂隙介質中溶質運移進行模擬，采用粒子模擬污染物，通過計算粒子在水流場中的位移獲得粒子在不同時間點的位置，采用統計的方式獲得污染物分布，相較于有限元和有限差分法可以更精細的刻畫污染物的運移。附圖說明圖1為本專利技術實施例提供用于單裂隙中溶質運移數值模擬的隨機行走粒子追蹤方法的流程圖；圖2為圖1中步驟S2中的具體流程圖；圖3為圖1中步驟S3中的具體流程圖。具體實施方式本專利技術某些實施例于后方將參照所附附圖做更全面性地描述，其中一些但并非全部的實施例將被示出。實際上，本專利技術的各種實施例可以許多不同形式實現，而不應被解釋為限于此數所闡述的實施例；相對地，提供這些實施例使得本專利技術滿足適用的法律要求。在本說明書中，下述用于描述本專利技術原理的各種實施例只是說明，不應該以任何方式解釋為限制專利技術的范圍。參照附圖的下述描述用于幫助全面理解由權利要求及其等同物限定的本專利技術的示例性實施例。下述描述包括多種具體細節來幫助理解，但這些細節應認為僅僅是示例性的。因此，本領域普通技術人員應認識到，在不悖離本專利技術的范圍和精神的情況下，可以對本文中描述的實施例進行多種改變和修改。此外，為了清楚和簡潔起見，省略了公知功能和結構的描述。此外，貫穿附圖，相同附圖標記用于相似功能和操作。為使本專利技術的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本專利技術進一步詳細說明。本專利技術實施例提供了一種用于單裂隙中溶質運移數值模擬的隨機行走粒子追蹤方法，采用地質統計方法獲取裂隙結構，更接近巖體和裂隙的真實分布，具體地，由地質統計學的方法來獲得密度分布函數，以此來表征單裂隙介質計算網格的隙寬值，根據隙寬計算滲透率，從而求解單裂隙介質地下水滲流過程，基于隨機行走粒子追蹤方法對單裂隙介質中溶質運移進行模擬，具體地，將地下水中的溶質抽象為大量粒子，以粒子的運動來模擬溶質在單裂隙介質中的運移，其中以粒子的有序運動來刻畫溶質因對流引起的遷移過程，以粒子的隨機位移來刻畫溶質的分子擴散過程，可以更精細的刻畫污染物的分布。圖1為本專利技術實施例提供的一種單裂隙中溶質運移數值的模擬方法的流程圖，如圖1所示，該模擬方法具體包括：步驟S1：建立單裂隙介質概念模型。具體地，建立裂隙結構離散成二維計算網格的裂隙介質模型，選取四邊形平面結構的計算區域代表單裂隙介質，將裂隙結構離散成二維計算網格，該網格可以是規則網格，也可以是不規則網格，將隙寬作為每個網格的屬性，而不需要作為網格的維度。步驟S2：采用數值模擬方法獲取地下水水流場分布，并進行驗證，獲得接近巖體和裂隙的真實分布的模擬裂隙結構。步驟S2具體包括，如圖2所示：步驟S201：采用一個密度分布函數來表征計算網格的隙寬b，該密度分布函數由地質統計學的方法來獲得。具體地，用統計學方法生成一組符合高斯分布的數據，數據個數等于步驟S1中生成的二維計算網格個數，以生成數據的值代表隙寬，用地質統計學方法生成隙寬分布函數時，應結合實驗方法，以裂隙實際測量值作為參考。步驟S202：計算每個計算網格的滲透率，求解地下水水流方程，獲得模擬二維地下水流場分布；具體地，每個計算網格的滲透率k由下式計算獲得：其中k代表滲透率，b代表計算網格的隙寬，該地下水水流方程為：其中h為地下水水頭，x，y為空間坐標，SS為單位儲水量，K為滲透系數，t為時間，滲透系數K與滲透率k的關系：ρ為水的密度，g為重力加速度，μ為水動力黏度。步驟S203：以實驗觀測值對步驟S202生成的模擬二維地下水流場分布進行驗證；具體地，由于裂隙中的實際流場很難獲取，可以用流入邊界和流出邊界的地下水水頭來做驗證，所述驗證采用選取流入與流出邊界的水頭，將數值模擬結果與實驗觀測值進行比較，若誤差值超過可接受的限度，則去除該組數據，若誤差值在可接受的限度內，則保存該組數據及相應的誤差值。步驟S204：重復步驟S201-S203，獲得最優組數據，獲得最優模擬裂隙結構。具體地，多次重復步驟S201-S205，獲得多組數據及相應的誤差值，選取誤差值最小的一組數據，可以認為該組數據對應的隙寬分布能夠有效代表單裂隙結構的隙寬分布，進而獲得模擬裂隙結構，并獲得該隙寬分布下的模擬地下水流場。步驟S3，針對所述模擬裂隙結構及其隙寬分布下的地下水流場，用隨機行走粒子追蹤方法對單裂隙介質中溶質運移進行模擬，更精細的刻畫污染物的分布。步驟S3具體包括，如圖3所示：步驟S301：以粒子代表污染物，設定粒子本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于單裂隙中溶質運移數值模擬的隨機行走粒子追蹤方法，其特征在于，包括：步驟S1：建立裂隙介質概念模型，將裂隙結構離散成二維計算網格，所述計算網格屬性包括隙寬；步驟S2：建立裂隙介質地下水水流數學模型，計算得到模擬地下水水流場分布，并與實驗觀測值進行對比驗證，獲得接近裂隙真實分布的模擬裂隙結構；步驟S3：針對所述模擬裂隙結構及其對應的模擬地下水水流場分布，用隨機行走粒子追蹤方法對單裂隙介質中溶質運移進行模擬，獲取溶質的分布。

【技術特征摘要】
2017.01.04 CN 201710005881X1.一種用于單裂隙中溶質運移數值模擬的隨機行走粒子追蹤方法，其特征在于，包括：步驟S1：建立裂隙介質概念模型，將裂隙結構離散成二維計算網格，所述計算網格屬性包括隙寬；步驟S2：建立裂隙介質地下水水流數學模型，計算得到模擬地下水水流場分布，并與實驗觀測值進行對比驗證，獲得接近裂隙真實分布的模擬裂隙結構；步驟S3：針對所述模擬裂隙結構及其對應的模擬地下水水流場分布，用隨機行走粒子追蹤方法對單裂隙介質中溶質運移進行模擬，獲取溶質的分布。2.根據權利要求1所述的隨機行走粒子追蹤方法，其中，步驟S2包括：步驟S201：采用一個密度分布函數來表征所述計算網格的隙寬；步驟S202：計算每個計算網格的滲透率，求解地下水水流方程，獲得模擬二維地下水流場分布；步驟S203：以實驗觀測值對所述模擬二維地下水流場分布進行驗證；以及步驟S204：重復步驟S201-S203，選取與實驗觀察值誤差最小的模擬二維地下水流場分布，采用其對應的模擬裂隙結構作為最接近巖體和裂隙的真實分布的模擬裂隙結構。3.根據權利要求2所述的隨機行走粒子追蹤方法，其中，所述密度分布函數由地質統計學方法獲得。4.根據權利要求2所述的隨機行走粒子追蹤方法，其中，所述滲透率采由下式計算獲得：其中k代表滲透率，b代表計算網格的隙寬。5.根據權利要求2所述的隨機行走粒子追蹤方法，其中，所述地下水水流方程為：其中h為地下水水頭，x，y為空間坐標，SS為單位儲水量，K為滲透系數，t為時間，滲透系數K與滲透率k的關系為：其中，ρ為水的密度，g為重力加速度，μ為水動力黏度。6.根據權利要求2所述的隨機行走...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫源媛，蘇婧，席北斗，紀丹鳳，崔馳飛，朱建超，
申請(專利權)人：中國環境科學研究院，
類型：發明
國別省市：北京,11