專利名稱：一種計(jì)算單井回灌量的有限差分方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工程水文地質(zhì)、水文水資源、地下水科學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種計(jì)算單井回灌量的有限差分方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，我國(guó)的地下水人工補(bǔ)給工作已經(jīng)有了較大發(fā)展，特別是在控制地面沉降、擴(kuò)大地下水資源開(kāi)采、利用含水層貯能等方面起了明顯作用。所謂地下水人工補(bǔ)給，即通過(guò)各種人工措施，把各種地表水資源補(bǔ)充 到含水層內(nèi)可利用的地下水資源增加。地下水補(bǔ)給主要包括直接和間接兩類方法，其中管井注入法是國(guó)內(nèi)外大量使用的直接方法之一?；毓嗑墓ぷ餍逝c單井回灌量(回灌井工作時(shí)單位時(shí)間流入含水層的水量)密切相關(guān)，成為工程中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。單井回灌量通?？梢酝ㄟ^(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論計(jì)算獲得。然而回灌井的成井過(guò)程中每道工序(沖孔、換漿、下管、填礫、止水、洗井)都與回灌量有直接關(guān)系，這造成了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)(試驗(yàn)井、試驗(yàn)工況較少情況下)獲得的回灌量人為誤差較大，不能作為代表值。其次，理論計(jì)算由于涉及經(jīng)驗(yàn)公式、水位抬升量等因素，而大量現(xiàn)場(chǎng)回灌試驗(yàn)表明，常見(jiàn)的回灌量(P)與水位抬升量(S)的關(guān)系有直線型、拋物型、冪函數(shù)型、對(duì)數(shù)曲線型等多種形式，因此脫離大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也難以直接通過(guò)理論計(jì)算確定回灌量。在這種情況下，按照工程實(shí)際情況建立數(shù)值模型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算獲得單井回灌量已經(jīng)成為重要的輔助手段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種計(jì)算單井回灌量的有限差分方法。本發(fā)明提出的計(jì)算單井回灌量的有限差分方法，包括下述步驟
(1)對(duì)井濾管進(jìn)行簡(jiǎn)化，使得有限差分模型更為簡(jiǎn)潔；
(2)對(duì)井濾管計(jì)算空間進(jìn)行有限差分劃分；
(3)對(duì)步驟(2)劃分得到的各網(wǎng)格建立節(jié)點(diǎn)水均衡有限差分關(guān)系；
(4)根據(jù)實(shí)際工程對(duì)簡(jiǎn)化井所在地層進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)賦值，并通過(guò)設(shè)置已知水頭邊界或定水頭邊界、隔水邊界來(lái)區(qū)分濾管、濾管周?chē)盍弦约皩?shí)際地層；然后根據(jù)地下水三維非穩(wěn)定流運(yùn)動(dòng)方程建立水均衡線性方程組，并運(yùn)用Gauss-Seide迭代求解方程；
(5)通過(guò)累加流經(jīng)簡(jiǎn)化濾管外圍相鄰網(wǎng)格的水量差來(lái)計(jì)算單井回灌量。具體步驟如下
(1)、對(duì)管井結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效簡(jiǎn)化
①按照周長(zhǎng)相等原則，將井截面由圓形簡(jiǎn)化為正方形；
②根據(jù)濾管開(kāi)孔率相等原則，對(duì)濾管開(kāi)孔及布置方式進(jìn)行如下簡(jiǎn)化將圓形開(kāi)孔方式簡(jiǎn)化為方形開(kāi)孔方式，并使其開(kāi)孔面積相等，各開(kāi)孔之間的間距依據(jù)開(kāi)孔率相等原則進(jìn)行計(jì)算確定；
(2)、對(duì)管井結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的密度不應(yīng)小于濾管上的方形開(kāi)孔邊長(zhǎng)及間距的最小值；
(3)、在步驟(2)得到的網(wǎng)格上進(jìn)行井濾管骨架管結(jié)構(gòu)的精細(xì)模擬井底(沉砂管底端)、濾管壁、濾管頂均定義為死單元，濾管開(kāi)孔位置設(shè)置為定水頭邊界，濾管周?chē)鸀V料段及地層根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告提供的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行賦值(滲透系數(shù)、儲(chǔ)水系數(shù)等)；
(4)、在步驟(2)劃分得到的各單個(gè)網(wǎng)格建立水均衡的有限差分方程及邊界條件與初始條件方程，見(jiàn)式I ;
權(quán)利要求
1.計(jì)算單井回灌量的有限差分方法，其特征在于具體步驟如下 (1)、對(duì)管井結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效簡(jiǎn)化 ①按照周長(zhǎng)相等原則，將井截面由圓形簡(jiǎn)化為正方形； ②根據(jù)濾管開(kāi)孔率相等原則，對(duì)濾管開(kāi)孔及布置方式進(jìn)行如下簡(jiǎn)化將圓形開(kāi)孔方式簡(jiǎn)化為方形開(kāi)孔方式，并使其開(kāi)孔面積相等，各開(kāi)孔之間的間距依據(jù)開(kāi)孔率相等原則進(jìn)行計(jì)算確定； (2)、對(duì)管井結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格剖分的密度不應(yīng)小于濾管上方形開(kāi)孔邊長(zhǎng)及間距的最小值； (3)、在步驟(2)得到的網(wǎng)格上進(jìn)行井濾管骨架管結(jié)構(gòu)的精細(xì)模擬井底或沉砂管底端、濾管壁、濾管頂均定義為死單元，濾管開(kāi)孔位置設(shè)置為定水頭邊界，濾管周?chē)鸀V料段及地層根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告提供的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行賦值，所述水文地質(zhì)參數(shù)為滲透系數(shù)、儲(chǔ)水系數(shù)； (4)、在步驟(2)劃分得到的各單個(gè)網(wǎng)格建立水均衡的有限差分方程及邊界條件與初始條件方程，見(jiàn)式I ; ■ d {, dh'\ 5 ,, dh) d {, dh' Bh , 、+， _____ I --- . I ] _____ Ir" ______ { -- . Lr· _______ I __— n/ __f y % 5 々、id f I Qx \ ox J φ K ay} az \ m}Bi Ηχ,γ,ζ, ) ^^(χ,γ,ζ, ..................................................GwJeri(I) k( x, yr z, t) |Mij= ^ (xr y, z)..................................................e Ω 式中是Λ ,分別為各向異性主方向滲透系數(shù)(m/d)為點(diǎn)(Hz)在f時(shí)刻的水頭值(m) ψ為源匯項(xiàng)(1/d) 'Ss為儲(chǔ)水系數(shù)(Ι/m) ; 為時(shí)間(d); P為計(jì)算域?yàn)榈谝活愡吔鐥l件為第一類邊界條件I]上的水頭值(m)； (5)、采用差分近似方法對(duì)步驟(4)中式I進(jìn)行離散化處理，三維流某節(jié)點(diǎn)與周?chē)?jié)點(diǎn)水均衡差分關(guān)系見(jiàn)式(2)所示 Bi K ,t+ K χ—, [(Mr4辦(Ak)W) k^*l\ -~ MX*IK I (Aj)3(Δζ J f y*4；i φ-m timn _ Li^n d^n — 一 +(1^ r t-K ,...........................-Γ , ^^ (2)I 4# 御 1 如 _-) ;沖(_ ·Φ (Aj)* _ &(* )g**n _ I v'Jwi {hzf(ΔζΥ J Q- 畫(huà)知一^ 式中4 表示點(diǎn)(UA)上々時(shí)刻的水頭；OWSl , 5常取三種情況當(dāng)5=0時(shí)稱有限差分顯不差分格式，當(dāng)5 = 0.5時(shí)稱有限差分中心差分格式，當(dāng)Θ= I時(shí)稱有限差分隱式差分格式；在離散過(guò)程中采取中心差分格式，解是無(wú)條件穩(wěn)定的，對(duì)離散的線性方程進(jìn)行Gauss-Seide迭代加快收斂速度； (6)、 對(duì)濾管上的所有定水頭邊界外圍網(wǎng)格中流出的水量進(jìn)行累加，累計(jì)結(jié)果即為單井單井回灌量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種計(jì)算單井回灌量的有限差分方法，具體為對(duì)井濾管進(jìn)行等效簡(jiǎn)化處理，對(duì)井濾管計(jì)算空間進(jìn)行有限差分劃分；劃分得到的各網(wǎng)格建立節(jié)點(diǎn)水均衡有限差分關(guān)系；根據(jù)實(shí)際工程對(duì)簡(jiǎn)化井所在地層進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)賦值，并通過(guò)設(shè)置已知水頭邊界或定水頭邊界、隔水邊界來(lái)區(qū)分簡(jiǎn)化濾管、濾管周?chē)盍弦约皩?shí)際地層；然后根據(jù)地下水三維非穩(wěn)定流運(yùn)動(dòng)方程建立水均衡線性方程組，運(yùn)用Gauss-Seide迭代求解方程；通過(guò)累加流經(jīng)簡(jiǎn)化濾管外圍相鄰網(wǎng)格的水量差來(lái)計(jì)算回灌量。本發(fā)明針對(duì)以往基坑工程中單井回灌量主要依靠工程類比和成井后回灌試驗(yàn)確定，事前計(jì)算預(yù)測(cè)困難的問(wèn)題，依據(jù)水文地質(zhì)勘察成果和回灌要求，采用有限差分方法預(yù)測(cè)不同濾管長(zhǎng)度和不同濾管位置回灌井的單井回灌量，為整體回灌方案的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供低成本、快速和定量化的依據(jù)。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102855390SQ20121028094
公開(kāi)日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月9日
發(fā)明者王建秀, 胡蒙蒙, 吳遠(yuǎn)斌, 隋東昌, 田普卓, 汪沛, 馮波 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)