[发明专利]存在垂向水量交换情况下的地下水全局流线可视化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种地下水流场的可视化方法，尤其是一种在存在天然与人为垂向水量交换情况下流线完整连续且分布均匀的地下水流场的可视化方法。

背景技术

由于地下水赋存于地面以下地层空隙中，人类不能够直接观察，只能通过水文地质勘探与地下水动态监测才能揭示其赋存条件与运动规律。受勘探经费的影响，水文地质勘探孔的布置密度有限，对区域水文地质条件的认识存在较大的误差。然而，不论是研究地下水的赋存规律、可持续开采地下水，还是研究污染物质在地下水系统中的运移，或是地下工程开挖作业时的突水安全研究，都需要对地下水运动所形成的流场有充分、清晰的认识。

如何将地下水赋存运动规律和动态特征实现可视化、将地下水运动所形成的流场完整连续且分布均匀地展现在人们眼前，使研究区水文地质条件得到较全面准确的揭示、为水文地质研究提供科学依据已成为紧迫的研究课题之一，也是水文地质学的一国际性难题。

对于流场的描述有很多种方法，其中以流线为代表的线表示方法能够很好地揭示流场的走向，是实现流带、流管、流面表示方法以及粒子动画的基础，对这种方法的研究和使用是一个热点。

针对这一课题，国内外的学者已经进行了大量的理论和实例的研究。国内学者的研究主要集中在基于有限单元的后处理算法。其中，陈崇希教授从理论上探讨了基于有限元的流线生成算法的歧义点问题，并给出了相关解决算法；武强教授在流线模拟方面也做了一些研究工作。

国外学者对此课题的讨论比国内更加激烈，形成流场全局后处理算法、混合有限元算法和流函数算法三大体系。其中，基于有限元方法的全局后处理算法因为其计算速度快和边界逼近能力优秀而被广泛使用。

现有技术的基于有限单元法的流线生成算法，皆是以达西流速作为单元内部解析流场的半解析算法。

但现有技术的这种以达西流速作为单元内部解析流场的半解析算法，在不存在天然与人为垂向水量交换特殊情况下，达西流速在单元边界处尚连续；但在存在天然与人为垂向水量交换情况下，则存在着达西流速在单元边界处不连续的问题——该问题导致了上述的现有技术存在以下缺陷：如附图1所示，在包含抽注水井10的网格单元中、存在天然与人为垂向水量交换情况下，地下水流场中流线11不完整连续而存在断线12、流线11分布不均匀，不能实现在存在天然与人为垂向水量交换情况下流线完整连续、分布均匀的地下水流场的可视化，无法描述由于地下水点源汇的存在而形成的辐射流场特征。

针对上述缺陷，Yeh, Chavent, Briechle 和Christian从不同的角度出发，提出了各自的处理方法来减弱由于不连续所带来的问题，但由于仍然采用达西流速方法，虽然在某种程度上增加了流线的精度与可信性，但并没有解决上述的现有技术单元达西流速算法存在流线11不完整连续而存在断线12，且分布不均匀的缺陷，仍然不能处理在存天然与人为垂向水量交换情况下的全局流线完整连续、分布均匀的地下水流场的可视化。

发明内容

根据背景技术所述，本发明的目的是提供一种在存在天然与人为垂向水量交换情况下全局流线完整连续的地下水流场可视化方法。

本发明的进一步的目的是提供一种在存在天然与人为垂向水量交换情况下全局流线分布均匀的地下水流场可视化方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：根据收集到的水文地质资料，基于地下水均衡原理，首先建立二维三角形有限单元水均衡区模型；

进一步地，分析上述的三角形有限单元水均衡区；

进一步地，细分上述的三角形有限单元水均衡区，得到子三角形单元；

进一步地，计算上述的子三角形单元的边界流量值；

进一步地，建立子单元内部的解析流场；

所述的建立子单元内部的解析流场，是指：根据Raviart-Thomas空间的构造方式建立子单元内部的解析流场。

本发明的有益效果在于：引入Raviart-Thomas空间作为单元内部的解析流场代替现有技术的达西流速方法，在单元边界流量精确计算基础上，不仅可以实现现有技术单元达西流速算法在不存在天然与人为垂向水量交换特殊情况下的完整连续流线可视化，而且实现了现有技术单元达西流速算法在存在天然与人为垂向水量交换情况下无法实现的完整连续流线可视化，且流线分布均匀，实现了本发明的在存在天然与人为垂向水量交换情况下全局流线完整连续、分布均匀的地下水流场的可视化。同时，准确地刻画了由于地下水点源汇的存在而形成的辐射流场特征，也增加了流线的计算精度。

附图说明