存在垂向水量交換情況下的地下水全局流線可視化方法技術

存在垂向水量交換情況下的地下水全局流線可視化方法，引入Raviart-Thomas空間作為單元內部的解析流場代替現有技術的達西流速方法，在單元邊界流量精確計算基礎上，不僅可以實現現有技術單元達西流速算法在不存在天然與人為垂向水量交換特殊情況下的完整連續流線可視化，而且解決了現有技術單元達西流速算法在存在天然與人為垂向水量交換情況下無法實現的完整流線可視化，實現了在存在天然與人為垂向水量交換情況下的流線完整連續且分布均勻的地下水流場的可視化。同時，準確地刻畫了由于地下水點源匯的存在而形成的輻射流場特征，也增加了流線的計算精度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種地下水流場的可視化方法，尤其是一種在存在天然與人為垂向水量交換情況下流線完整連續且分布均勻的地下水流場的可視化方法。
技術介紹
由于地下水賦存于地面以下地層空隙中，人類不能夠直接觀察，只能通過水文地質勘探與地下水動態監測才能揭示其賦存條件與運動規律。受勘探經費的影響，水文地質勘探孔的布置密度有限，對區域水文地質條件的認識存在較大的誤差。然而，不論是研究地下水的賦存規律、可持續開采地下水，還是研究污染物質在地下水系統中的運移，或是地下工程開挖作業時的突水安全研究，都需要對地下水運動所形成的流場有充分、清晰的認識。如何將地下水賦存運動規律和動態特征實現可視化、將地下水運動所形成的流場完整連續且分布均勻地展現在人們眼前，使研究區水文地質條件得到較全面準確的揭示、為水文地質研究提供科學依據已成為緊迫的研究課題之一，也是水文地質學的一國際性難題。對于流場的描述有很多種方法，其中以流線為代表的線表示方法能夠很好地揭示流場的走向，是實現流帶、流管、流面表示方法以及粒子動畫的基礎，對這種方法的研究和使用是一個熱點。針對這一課題，國內外的學者已經進行了大量的理論和實例的研究。國內學者的研究主要集中在基于有限單元的后處理算法。其中，陳崇希教授從理論上探討了基于有限元的流線生成算法的歧義點問題，并給出了相關解決算法；武強教授在流線模擬方面也做了一些研究工作。國外學者對此課題的討論比國內更加激烈，形成流場全局后處理算法、混合有限元算法和流函數算法三大體系。其中，基于有限元方法的全局后處理算法因為其計算速度快和邊界逼近能力優秀而被廣泛使用。現有技術的基于有限單元法的流線生成算法，皆是以達西流速作為單元內部解析流場的半解析算法。但現有技術的這種以達西流速作為單元內部解析流場的半解析算法，在不存在天然與人為垂向水量交換特殊情況下，達西流速在單元邊界處尚連續；但在存在天然與人為垂向水量交換情況下，則存在著達西流速在單元邊界處不連續的問題——該問題導致了上述的現有技術存在以下缺陷:如附圖1所示，在包含抽注水井10的網格單元中、存在天然與人為垂向水量交換情況下，地下水流場中流線11不完整連續而存在斷線12、流線11分布不均勻，不能實現在存在天然與人為垂向水量交換情況下流線完整連續、分布均勻的地下水流場的可視化，無法描述由于地下水點源匯的存在而形成的輻射流場特征。針對上述缺陷，Yeh, Chavent, Briechle和Christian從不同的角度出發,提出了各自的處理方法來減弱由于不連續所帶來的問題，但由于仍然采用達西流速方法，雖然在某種程度上增加了流線的精度與可信性， 但并沒有解決上述的現有技術單元達西流速算法存在流線11不完整連續而存在斷線12，且分布不均勻的缺陷，仍然不能處理在存天然與人為垂向水量交換情況下的全局流線完整連續、分布均勻的地下水流場的可視化。
技術實現思路
根據
技術介紹
所述，本專利技術的目的是提供一種在存在天然與人為垂向水量交換情況下全局流線完整連續的地下水流場可視化方法。本專利技術的進一步的目的是提供一種在存在天然與人為垂向水量交換情況下全局流線分布均勻的地下水流場可視化方法。本專利技術是通過以下技術方案實現的根據收集到的水文地質資料，基于地下水均衡原理，首先建立二維三角形有限單元水均衡區模型； 進一步地，分析上述的三角形有限單元水均衡區； 進一步地，細分上述的三角形有限單元水均衡區，得到子三角形單元； 進一步地，計算上述的子三角形單元的邊界流量值； 進一步地,建立子單元內部的解析流場； 所述的建立子單元內部的解析流場，是指根據Raviart-Thomas空間的構造方式建立子單元內部的解析流場。本專利技術的有益效果在于引入Raviart-Thomas空間作為單元內部的解析流場代替現有技術的達西流速方法，在單元邊界流量精確計算基礎上，不僅可以實現現有技術單元達西流速算法在不存在天然與人為垂向水量交換特殊情況下的完整連續流線可視化，而且實現了現有技術單元達西流速算法在存在天然與人為垂向水量交換情況下無法實現的完整連續流線可視化，且流線分布均勻，實現了本專利技術的在存在天然與人為垂向水量交換情況下全局流線完整連續、分布均勻的地下水流場的可視化。同時，準確地刻畫了由于地下水點源匯的存在而形成的輻射流場特征，也增加了流線的計算精度。附圖說明附圖1 :現有技術的在存在天然與人為垂向水量交換情況下地下水流場可視化示意 附圖2 :本專利技術全局流線完整連續分布均勻的地下水流場可視化方法流程 附圖3 :本專利技術的二維三角形有限單元方法的水均衡區域示意 附圖4 :本專利技術的細分三角形有限單元水均衡區細分得到子三角形單元示意 附圖5 :本專利技術的計算子三角形單元的邊界流量值示意 附圖6 :本專利技術的計算所有子三角形單元的邊界流量值示意 附圖7 :本專利技術的Raviart-Thomas空間的構造示意 附圖8 :本專利技術的在存在天然與人為垂向水量交換情況下地下水流場可視化示意圖。具體實施例方式實施例1 參照附圖2，本專利技術一種本專利技術的目的是提供一種在存在天然與人為垂向水量交換情況下地下水流場可視化方法，具體包括以下步驟1.建立二維三角形有限單元水均衡區模型(附圖3); 根據收集到的水文地質資料，建立二維三角形有限單元水均衡區模型，并求解地下水預報問題，獲得各結點的預報水位值； 2.分析上述的三角形有限單元水均衡區； 建立基礎數據的拓撲結構:包括對有限單元法的點、線、元網格單元、地下水預報問題的預報水位值、邊界條件、垂向補排、井參數基礎數據的存在和相互調用的結構； 3.細分上述的三角形有限單元水均衡區，得到子三角形單元(附圖4)； 所述的細分上述的三角形有限單元水均衡區，得到子三角形單元，包括以下步驟: 3.1調用所有的單元邊界數據，在每一條原有單元邊界中心點插入新的結點； 3.2將每一原有單元新插入的點進行連接生成細分的子三角形單元； 3.3構造子三角形單元與原始點、插入點、原單元邊界和插入邊界的拓撲關系，以備后續計算使用； 4.計算上述的子三角形單元的邊界流量值； 所述的計算上述的子三角形單元的邊界流量值，具體包括以下步驟(附圖5): 4.1計算各單元通過均衡區邊界j’ ok’進入均衡區的流量值； 4.2計算通過邊界j’ k’的流量值，并將其存儲； 4.3參照附圖6，計算 所有子三角形單元的邊界流量值，并其存儲在已經設計好的拓撲結構中； 5.建立子單元內部的解析流場； 所述的建立子單元內部的解析流場，是指:根據Raviart-Thomas空間的構造方式建立子單元內部的解析流場； Raviart-Thomas空間的構造如附圖7所示。單元內任意一點M的流速值可以由通過單元邊界的流量按照以下公式來計算。由Raviart-Thomas空間的構造方式可以計算出單元內部的解析流場；本文檔來自技高網...

【技術保護點】
存在垂向水量交換情況下的地下水全局流線可視化方法，其特征在于：具體包括以下步驟：（1）建立二維三角形有限單元水均衡區模型；（2）分析上述的三角形有限單元水均衡區；（3）細分上述的三角形有限單元水均衡區，得到子三角形單元；（4）計算上述的子三角形單元的邊界流量值；（5）建立子單元內部的解析流場；（6）根據實際水文地質情況及研究的實際需要設置合理的流線初始點；（7）根據已經建立好的子單元與點、邊的拓撲關系對給定的流線初始點進行定位分析，確定給定初始點所在的單元及其點、邊、三角形單元內的位置；（8）根據單元內部解析流場，由始點開始，計算得到其所在單元的出點；（9）判斷由步驟8得到出點的位置是否在研究區域邊界、人為設置的源匯項，若是則該流線的計算完畢；若不是則找到相鄰單元，并以新得到的點作為始點，繼續步驟8，以至形成由源至匯的完整流線；（10）對所有給定的流線初始點應用半解析算法，完成所有流線的計算；所述的建立子單元內部的解析流場，是指：根據Raviart?Thomas空間的構造方式建立子單元內部的解析流場。

【技術特征摘要】
1.存在垂向水量交換情況下的地下水全局流線可視化方法，其特征在于:具體包括以下步驟: (1)建立二維三角形有限單元水均衡區模型； (2)分析上述的三角形有限單元水均衡區； (3)細分上述的三角形有限單元水均衡區，得到子三角形單元； (4)計算上述的子三角形單元的邊界流量值； (5)建立子單元內部的解析流場； (6)根據實際水文地質情況及研究的實際需要設置合理的流線初始點； (7)根據已經建立好的子單元與點、邊的拓撲關系對給定的流線初始點進行定位分析，確定給定初始點所在的單元及其點、邊、三角形單元內的位置； (8)根據單元內部解析流場，由始點開始，計算得到其所在單元的出點； (9)判斷由步驟8得到出點的位置是否在研究區域邊界、人為設置的源匯項，若是則該流線的計算完畢；若不是則找到相鄰單元，并以新得到的點作為始點，繼續步驟8，以至形成由源至匯的完整流線； (10)對所有給定的流線初始點應用半解析算法，完成所有流線的計算； 所述的建立子單元內部的解析流場，是指:根據Raviart-Thomas空間的構造方式建立子單元內部的解析流場。`2.根據權利要求1所述的存在垂向水量交換情況下的地下水全局流線可視化方法，其...

【專利技術屬性】
技術研發人員：武強，趙穎旺，徐華，
申請(專利權)人：中國礦業大學北京，
類型：發明
國別省市：