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數值法水量計算的步驟

數值法水量計算的正式進行,是在水文地質勘察外業工作完成之後,計算所需的各種原始數據按照數值法水量計算的要求已全部整理、分析、計算完畢,只等調用;計算所需的任何壹種數據缺失,都會導致水量計算無法進行。

壹般而言,數值法水量計算需要經過如下幾個重要的步驟。

1.概化水文地質模型

包括對計算區域的圈定、計算域邊界形狀及性質的確定、含水層的劃分、上下層水力聯系的確定、參數分區等。

其中,計算區域的圈定,主要考慮計算任務的需要,兼顧邊界條件處理的方便。對於數百、數千、數萬甚至數十萬平方千米的大區域,多在勘察區邊界附近分段選定出方便概化處理的計算區邊界即可,計算區邊界與勘察區邊界兩者壹般不會相差非常懸殊。然而,對於面積僅有數平方千米、或者最多數十平方千米的供水水源地,計算區邊界圈定與水源地範圍常常懸殊很大,並且必須比水源地範圍要大。根據情況不同,常會作這樣的處理:

(1)當近距離內沒有已建成的相鄰水源地時,計算區域的圈定主要考慮本水源地開采方案布設的方便、邊界條件概化的方便。

(2)當近距離內有已建成的相鄰水源地、新建水源地開采有可能影響到相鄰水源地時,計算區域的圈定除了考慮本水源地開采方案布設的方便、邊界條件概化的方便之外,還應當把已建成的相鄰水源地也納入計算域內,計算本水源地布設的開采方案時,把相鄰水源地現狀的開采方案也納入計算中,以論證計算本水源地布設的不同開采方案對相鄰水源地的影響。

(3)當計算區的某壹側是無限延伸時,也就是說開采方案引起的流場變化遠遠達不到這壹側的自然邊界時,如果也不具備壹條已知水頭變化規律的“已知變水頭的邊界”時,可以把這壹側的模型邊界向外推至開采方案引不起流場變化的數公裏之外,作為已知的定水頭邊界處理。

2.選用合適的數學模型來描述

是潛水還是承壓水還是承壓轉無壓水,或者是二者、三者都有;單層還是多層含水層;各向同性還是各向異性;二維流還是準三維流還是三維流;穩定流還是非穩定流;以及初始條件、邊界條件的數學描述。

3.單元剖分

在參數分區的基礎上進行單元剖分,單元剖分時應當註意:①剖分的單元不能壹個單元騎跨在兩個參數區上;②用作擬合孔、預測孔的觀測孔要剖分在節點上。

4.編程

自己編制計算程序,或者購買適合的計算軟件。如果是自己編制計算程序,則要經過調試程序、檢驗程序,確認程序無誤後,再投入正式使用。如果是購買適合的計算軟件,則要經過學習、使用軟件的培訓。

5.計算時段剖分

先確定模型識別、模型檢驗所涉及起始日期、時間,結束日期、時間,然後,按照壹定的遞推關系進行計算時段的剖分。

6.初始流場、末刻流場的模擬

在統測水位繪制各含水層初始流場、末刻流場的基礎上,模擬計算出剖分圖上各含水層全部節點的初始水位值、末刻水位值,作為數值法水量計算程序所用的初始流場、及對照末刻計算流場的實測流場。

7.模型識別

把所確定的模型識別起始日期到結束日期之間的源匯項數據按時段代入計算程序、把各區的參數初值作為模型的參數初值代入計算程序,運行程序,通過不斷調試模型參數得到的擬合孔的計算歷時曲線與實測的歷時曲線進行擬合,調試出壹組仿真度最高的模型參數。

8.模型檢驗

把所確定的模型檢驗起始日期到結束日期之間的源匯項數據按時段代入計算程序、把模型識別調試出的模型參數代入計算程序,主要看模型識別結束日期之後擬合孔的計算歷時曲線,與實測的歷時曲線的吻合程度,來檢驗模型識別階段調試出的模型參數是否經得起“外推”的檢驗;如果“外推”段的擬合曲線誤差太大,則應推倒識別階段的模型參數,重新進行模型識別、模型檢驗,直到滿足誤差要求為止。

9.模型預報

經過模型識別、通過模型檢驗後確定了模型參數,即最終確定了數值模型,即可用其來進行模型預報。進行模型預報時,壹般根據供水需要設計多個可供選擇的開采方案,分別代入數值模型,來預測未來數十年(城市供水水源地壹般不少於30a)後的流場,然後,通過對比、分析,選擇其中較合理的開采方案作為水源地建設、施工設計的水文地質依據。

本章以下幾節分別介紹不同水文地質條件的幾種二維流有限元水量計算問題。

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