專利名稱：地下水流仿真與預(yù)測分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地質(zhì)科學(xué)及可視化技術(shù)的綜合利用，尤其是通過數(shù)據(jù)引擎將不同時(shí)期和格式的多源地下水?dāng)?shù)據(jù)集成到工作站中，建立水層網(wǎng)格模型，自動(dòng)構(gòu)建動(dòng)態(tài)水位有限元網(wǎng)格，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各類水層的預(yù)測模擬，以及含水層地下水運(yùn)移仿真的地下水流仿真與預(yù)測分析方法。
背景技術(shù)：
地下水是我國城市生活和工農(nóng)業(yè)用水的重要供水水源，地下水資源的可持續(xù)利用，緊密關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。由于地下水賦存于地面以下巖石空隙中，人們無法直接觀察，只能通過水文地質(zhì)勘察與地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測才能揭示其賦存條件與運(yùn)動(dòng)規(guī)律。然而，受勘察經(jīng)費(fèi)影響，水文地質(zhì)勘察孔的布置密度有限，對(duì)區(qū)域水文地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)存在較大的誤差。利用數(shù)值模型對(duì)地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移等問題進(jìn)行仿真模擬，能夠?qū)⒌叵滤x存環(huán)境運(yùn)動(dòng)規(guī)律和動(dòng)態(tài)特征直接展現(xiàn)在人們眼前，使采區(qū)水文地質(zhì)條件得到較全面準(zhǔn)確的揭示，并以其有效性、靈活性和相對(duì)廉價(jià)性逐漸成為地下水研究領(lǐng)域的一種不可或缺的重要方法。幾十年來，國內(nèi)外相關(guān)組織和機(jī)構(gòu)在地下水模擬領(lǐng)域不斷地研究和探索，積累了一定的研究成果。Juan等運(yùn)用ARC/INF0和M0DFL0W模擬了美國Jackson Hole地區(qū)的沖積含水層，并通過補(bǔ)給、排泄和水均衡的評(píng)估對(duì)模型進(jìn)行了合理的校準(zhǔn)。Facchi等建立滲流地帶模擬與基于M0DFL0W的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬耦合模型，用GIS來控制空間分布式參數(shù)以及輸入和輸出值，與其他類似模型不同的是可以評(píng)估作物水分消耗值在時(shí)間和空間上的分布情況。黃丹等建立了地下水概念模型、數(shù)學(xué)模型、三維數(shù)值模擬模型和優(yōu)化模型的耦合模型，并提出運(yùn)用Arc View、地下水模擬軟件FEFLOW和最優(yōu)化軟件Lindo或Lingo的實(shí)現(xiàn)方案。顏輝武等研制了地下水資源三維體視化系統(tǒng)，由水文地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)圖形庫、水文地質(zhì)體體數(shù)據(jù)生成、水文地質(zhì)體體視化、剖面顯示和地下水流場可視化6個(gè)模塊組成。由于地下水的復(fù)雜性和不可見性，現(xiàn)有的數(shù)值模擬方法和軟件系統(tǒng)依然缺乏有效的對(duì)地下水進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬的方法、以及對(duì)流場的模擬分析、評(píng)價(jià)及預(yù)測手段。目前，通用的地下水模擬軟件顯示的流線是眾多離散的矢量，不是一條從源至匯的連續(xù)線，而常用的繪圖軟件和算法也不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)流線的繪制。近幾年，這些軟件不斷的更新升級(jí)，但是沒有正面的解決流場的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的速度和流線的輸出顯示，而是用跡線模擬水流。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)背景技術(shù)所述，本發(fā)明的目的在于提供一種對(duì)地下水流仿真與預(yù)測分析方法，通過對(duì)采區(qū)地下水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測與采集，利用數(shù)據(jù)引擎將不同時(shí)期、不同格式的多源地下水?dāng)?shù)據(jù)集成到圖形工作站中，并建立各含水層的網(wǎng)格模型、自動(dòng)構(gòu)建動(dòng)態(tài)水位的有限元網(wǎng)格模型，同時(shí)確定參數(shù)分區(qū)及其相應(yīng)的參數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)潛水含水層和承壓含水層虛擬開采井抽水預(yù)測模擬、水位動(dòng)態(tài)預(yù)測模擬、以及含水層地下水運(yùn)移仿真；在設(shè)計(jì)的軟、
7硬件環(huán)境中進(jìn)行地下水滲流場仿真模型與含水層模型動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)模擬與一體化顯示，運(yùn)用交互操作、信息查詢等工具對(duì)VR環(huán)境和TOB環(huán)境中的各類模型進(jìn)行交互式分析、預(yù)測與評(píng)價(jià)， 為預(yù)測采區(qū)地下水資源未來發(fā)展?fàn)顩r和演化趨勢，提供合理開發(fā)利用水資源的科學(xué)依據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的 1、地下水仿真流程
(1)在水文地質(zhì)勘察中，為了探索地下水的形成條件、特征、動(dòng)態(tài)規(guī)律等，對(duì)采區(qū)地下水的水位、水量、流速、水質(zhì)等進(jìn)行定期動(dòng)態(tài)觀測。采區(qū)地下水動(dòng)態(tài)勘察孔主要分布在有代表性的水文地質(zhì)單元內(nèi)，監(jiān)測線常平行和垂直于地下水流向布設(shè)，監(jiān)測網(wǎng)的密度可根據(jù)地形、 地貌、地質(zhì)等情況并結(jié)合實(shí)際工程需求而設(shè)定。(2)采區(qū)地下水?dāng)?shù)據(jù)采集的手段分為人工和自動(dòng)兩種方式，結(jié)合實(shí)際水文地質(zhì)條件，一般設(shè)定每天記錄1次數(shù)據(jù)，每月采集數(shù)據(jù)1次，通過網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入遠(yuǎn)程或本地服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中。(3)通過數(shù)據(jù)引擎實(shí)現(xiàn)將不同時(shí)期、不同格式的多源數(shù)據(jù)導(dǎo)入到本發(fā)明系統(tǒng)中，作為三維模擬的原始水文地質(zhì)依據(jù)。常用的數(shù)據(jù)引擎包括=ArcView數(shù)據(jù)引擎、DTM/DEM數(shù)據(jù)引擎、ORACLE等數(shù)據(jù)庫引擎、以及其它構(gòu)網(wǎng)軟件數(shù)據(jù)引擎等。(4)通過基于組件的面向服務(wù)的構(gòu)建模式集成技術(shù)，允許實(shí)時(shí)地選擇并組織不同的構(gòu)建流程，完成各種所需功能。對(duì)采區(qū)現(xiàn)有可利用數(shù)據(jù)和資料進(jìn)行分析、歸類、數(shù)字化，通過數(shù)據(jù)管理工具進(jìn)行模型的選擇、存儲(chǔ)、導(dǎo)入和導(dǎo)出等操作。(5)采區(qū)三維水流動(dòng)態(tài)模擬主要依據(jù)現(xiàn)有的來自GMS、GIS、數(shù)據(jù)庫以及異構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，充分利用這些數(shù)據(jù)并進(jìn)行有效的耦合/集成是非常必要的。采用上述數(shù)據(jù)引擎驅(qū)動(dòng)方法，加強(qiáng)三維地質(zhì)模擬系統(tǒng)的輸入、輸出功能，融合各種類型的數(shù)據(jù)。(6)采用矢柵混合模型、體邊混合模型以及數(shù)據(jù)時(shí)空動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換方法，將單元結(jié)點(diǎn) (點(diǎn)類對(duì)象)、虛擬井(線類對(duì)象)、流線(線類對(duì)象)、水位(面類對(duì)象)、含水層(體類對(duì)象)等異種數(shù)據(jù)模型集成，建立地下水模擬所需的各種模型。(7)為了真實(shí)感地實(shí)現(xiàn)三維地下水流動(dòng)態(tài)仿真，需要以各個(gè)含水層的頂、底板標(biāo)高為依據(jù)，建立各含水層的網(wǎng)格模型。(8)在原始采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行插值計(jì)算，或從GIS、GMS等系統(tǒng)導(dǎo)入水位數(shù)據(jù)， 并采用自適應(yīng)的約束Delaimay三角化方法，自動(dòng)構(gòu)建動(dòng)態(tài)水位的有限元網(wǎng)格模型。(9)計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，包括各個(gè)時(shí)期的源匯項(xiàng)數(shù)據(jù)、影響閥值、時(shí)間步長、水文地質(zhì)參數(shù)、邊界條件等數(shù)值模擬計(jì)算所需要的各類數(shù)據(jù)或參數(shù)。確定參數(shù)分區(qū)及其相應(yīng)的參數(shù)值，如滲透系數(shù)等，并進(jìn)行參數(shù)分區(qū)的導(dǎo)入或?qū)С霾僮鳌? 10)實(shí)現(xiàn)潛水含水層和承壓含水層虛擬開采井抽水預(yù)測模擬。選擇一個(gè)或多個(gè)感興趣的流場作為地下水資源計(jì)算和預(yù)測的初始流場，建立虛擬單井或虛擬多井進(jìn)行流場預(yù)測模擬，以反映虛擬開采井條件下的流場變化，仿真地下水流動(dòng)。(11)基于地下水水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測資料，利用擬合與插值技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水位動(dòng)態(tài)預(yù)測模擬，可以連接時(shí)間歷史資料或預(yù)測資料實(shí)現(xiàn)地下水流動(dòng)的仿真顯示與預(yù)測。(12)基于有限元數(shù)值計(jì)算理論，針對(duì)地下水?dāng)?shù)值模擬計(jì)算的某一時(shí)刻的流場，以含水層模型中含水層頂?shù)装鍢?biāo)高為樣本數(shù)據(jù)，利用水流模型生成流線，并采用粒子系統(tǒng)理論、多線程等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)含水層地下水運(yùn)移仿真。
( 13)模擬精度與可靠性檢測。如果地下水仿真精度或可靠性無法滿足要求，則可通過分析不同情況，分別轉(zhuǎn)入相應(yīng)步驟重新調(diào)正數(shù)據(jù)或參數(shù)，直到滿足應(yīng)用需求為止。(14)在虛擬水文地質(zhì)場景中進(jìn)行地下水滲流場仿真模型與含水層模型動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)模擬與一體化顯示，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)3DWEB信息發(fā)布與查詢?？梢赃\(yùn)用交互操作、信息查詢等工具對(duì)VR環(huán)境和TOB環(huán)境中的各類模型進(jìn)行交互式分析、預(yù)測與評(píng)價(jià)，為預(yù)測采區(qū)地下水資源未來發(fā)展?fàn)顩r和演化趨勢，提供合理開發(fā)利用水資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境管理決策的科學(xué)依據(jù)。2、地下水滲流場模擬方法
2. 1單元基函數(shù)
采用有限元數(shù)值計(jì)算理論，地下水流場可以離散化為有限個(gè)三角形或四面體單元。根據(jù)單元中結(jié)點(diǎn)數(shù)目及對(duì)近似解可微性要求，選擇滿足一定插值條件的插值函數(shù)為單元基函數(shù)。三角單元基函數(shù)。設(shè)三角形單元平面方程為
權(quán)利要求
1.一種對(duì)地下水流仿真與預(yù)測分析方法，主要是通過對(duì)采區(qū)地下水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測與采集，利用數(shù)據(jù)引擎將不同時(shí)期、不同格式的多源地下水?dāng)?shù)據(jù)集成到圖形工作站中，并建立各含水層的網(wǎng)格模型、自動(dòng)構(gòu)建動(dòng)態(tài)水位的有限元網(wǎng)格模型，同時(shí)確定參數(shù)分區(qū)及其相應(yīng)的參數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)潛水含水層和承壓含水層虛擬開采井抽水預(yù)測模擬、水位動(dòng)態(tài)預(yù)測模擬、以及含水層地下水運(yùn)移仿真；在設(shè)計(jì)的軟、硬件環(huán)境中進(jìn)行地下水滲流場仿真模型與含水層模型動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)模擬與一體化顯示，運(yùn)用交互操作、信息查詢等工具對(duì)VR環(huán)境和TOB 環(huán)境中的各類模型進(jìn)行交互式分析、預(yù)測與評(píng)價(jià)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下水流仿真與預(yù)測分析方法，其特征在于所述的地下水流仿真步驟如下(1)對(duì)采區(qū)地下水的水位、水量、流速、水質(zhì)進(jìn)行定期動(dòng)態(tài)觀測；(2)采區(qū)地下水?dāng)?shù)據(jù)采集，通過網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入遠(yuǎn)程或本地服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中；(3)通過數(shù)據(jù)引擎實(shí)現(xiàn)將不同時(shí)期、不同格式的多源數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)中，作為三維模擬的原始水文地質(zhì)依據(jù)；(4)對(duì)采區(qū)現(xiàn)有可利用數(shù)據(jù)和資料進(jìn)行分析、歸類、數(shù)字化，通過數(shù)據(jù)管理工具進(jìn)行模型的選擇、存儲(chǔ)、導(dǎo)入和導(dǎo)出等操作；(5)采用上述數(shù)據(jù)引擎驅(qū)動(dòng)方法，加強(qiáng)三維地質(zhì)模擬系統(tǒng)的輸入、輸出功能，融合各種類型的數(shù)據(jù)；(6)采用矢柵混合模型、體邊混合模型以及數(shù)據(jù)時(shí)空動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換方法，將單元結(jié)點(diǎn)、虛擬井、流線、水位、含水層等異種數(shù)據(jù)模型集成，建立地下水模擬所需的各種模型；(7)以各個(gè)含水層的頂、底板標(biāo)高為依據(jù)，建立各含水層的網(wǎng)格模型；(8)在原始采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行插值計(jì)算，或從GIS、GMS等系統(tǒng)導(dǎo)入水位數(shù)據(jù)，并采用自適應(yīng)的約束Delaimay三角化方法，自動(dòng)構(gòu)建動(dòng)態(tài)水位的有限元網(wǎng)格模型；(9)計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，包括各個(gè)時(shí)期的源匯項(xiàng)數(shù)據(jù)、影響閥值、時(shí)間步長、水文地質(zhì)參數(shù)、邊界條件等數(shù)值模擬計(jì)算所需要的各類數(shù)據(jù)或參數(shù)；確定參數(shù)分區(qū)及其相應(yīng)的參數(shù)值， 如滲透系數(shù)等，并進(jìn)行參數(shù)分區(qū)的導(dǎo)入或?qū)С霾僮鳎?10)實(shí)現(xiàn)潛水含水層和承壓含水層虛擬開采井抽水預(yù)測模擬；選擇一個(gè)或多個(gè)感興趣的流場作為地下水資源計(jì)算和預(yù)測的初始流場，建立虛擬單井或虛擬多井進(jìn)行流場預(yù)測模擬，以反映虛擬開采井條件下的流場變化，仿真地下水流動(dòng)；(11)基于地下水水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測資料，利用擬合與插值技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水位動(dòng)態(tài)預(yù)測模擬，連接時(shí)間歷史資料或預(yù)測資料實(shí)現(xiàn)地下水流動(dòng)的仿真顯示與預(yù)測；(12)基于有限元數(shù)值計(jì)算理論，針對(duì)地下水?dāng)?shù)值模擬計(jì)算的某一時(shí)刻的流場，以含水層模型中含水層頂?shù)装鍢?biāo)高為樣本數(shù)據(jù)，利用水流模型生成流線，并采用粒子系統(tǒng)理論、多線程等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)含水層地下水運(yùn)移仿真；(13)模擬精度與可靠性檢測如果地下水仿真精度或可靠性無法滿足要求，則可通過分析不同情況，分別轉(zhuǎn)入相應(yīng)步驟重新調(diào)正數(shù)據(jù)或參數(shù)，直到滿足應(yīng)用需求為止；(14)在虛擬水文地質(zhì)場景中進(jìn)行地下水滲流場仿真模型與含水層模型動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)模擬與一體化顯示，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)3DWEB信息發(fā)布與查詢。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的地下水流仿真與預(yù)測分析方法，其特征在于所述數(shù)據(jù)模型的存取模式主要分為3種(1)保存核心和拓展兩個(gè)數(shù)據(jù)模型當(dāng)需要進(jìn)行流場模擬時(shí)，直接調(diào)入即可，主要適合數(shù)據(jù)量小的流場模擬；(2)僅僅保存核心數(shù)據(jù)模型當(dāng)需要進(jìn)行流場模擬時(shí)，根據(jù)核心數(shù)據(jù)自動(dòng)重構(gòu)拓展數(shù)據(jù)模型，模擬結(jié)束后，釋放內(nèi)存空間，主要適合數(shù)據(jù)量中等的流場模擬；(3)只保存核心數(shù)據(jù)模型當(dāng)需要進(jìn)行流場模擬時(shí)，按照分區(qū)自動(dòng)重構(gòu)相關(guān)區(qū)內(nèi)的拓展數(shù)據(jù)模型，模擬結(jié)束后，釋放內(nèi)存空間，再自動(dòng)選擇下一個(gè)分區(qū)重復(fù)上述操作；主要處理海量數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下水流仿真與預(yù)測分析方法，其特征在于所述的地下水流三維動(dòng)態(tài)可視化分析與發(fā)布步驟如下(1)VR可視化分析地下含水層與水位的三維可視化顯示主要通過用戶交互式選擇需要繪制的含水層或水位，進(jìn)行相應(yīng)地參數(shù)設(shè)置完成，可以添加光照模型、紋理映射、透明度設(shè)計(jì)等來增強(qiáng)顯示的效果；(2)3DWEB發(fā)布，采用基于TOB開放式的體系設(shè)計(jì)，提供一個(gè)分布式、協(xié)同操作、可升級(jí)的C/S環(huán)境，包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、圖形工作站、以及客戶端；在IE網(wǎng)頁中建立一個(gè)VR三維水文地質(zhì)虛擬場景，并將三維地下水仿真模型轉(zhuǎn)換為IE瀏覽器可接受的文件格式；通過交互式工具完成人機(jī)互動(dòng)虛擬漫游，使地質(zhì)學(xué)者可以“行走”在地下不可見的空間，從不同角度觀察地下水情況；使用信息查詢工具選擇VR場景中的各類模型，通過數(shù)據(jù)庫接口工具來訪問由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存儲(chǔ)管理的地下水相關(guān)數(shù)據(jù)信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地下水流仿真與預(yù)測分析方法，其特征在于所述的地下水滲流場模擬方法采用有限元數(shù)值計(jì)算理論，地下水流場離散化為有限個(gè)三角形或四面體單元，根據(jù)單元中結(jié)點(diǎn)數(shù)目及對(duì)近似解可微性要求，選擇滿足一定插值條件的插值函數(shù)為單元基函數(shù)；三角單元基函數(shù)，設(shè)三角形單元平面方程為
全文摘要
一種地下水流仿真與預(yù)測分析方法，主要通過對(duì)采區(qū)地下水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測與采集，利用數(shù)據(jù)引擎將地下水?dāng)?shù)據(jù)集成到圖形工作站中，自動(dòng)構(gòu)建各水層動(dòng)態(tài)水位的有限元網(wǎng)格模型，同時(shí)確定參數(shù)分區(qū)及其相應(yīng)的參數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)水層水位動(dòng)態(tài)模擬以及地下水運(yùn)移仿真；在設(shè)計(jì)的軟、硬件環(huán)境中進(jìn)行地下水滲流場仿真與含水層動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)模擬，運(yùn)用交互操作、信息查詢等工具對(duì)VR環(huán)境和WEB環(huán)境中的各類模型進(jìn)行交互式分析、預(yù)測與評(píng)價(jià)。本發(fā)明的方法可為預(yù)測采區(qū)地下水資源未來發(fā)展?fàn)顩r和演化趨勢提供合理開發(fā)利用水資源的科學(xué)依據(jù)，整體造價(jià)低廉，易于推廣使用，運(yùn)行靈活可靠。
文檔編號(hào)G06T17/05GK102156779SQ201110092540
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月13日
發(fā)明者徐華, 武強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京), 北京石油化工學(xué)院