[发明专利]基于多孔介质流固耦合模型的地质灾害预测系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及地质灾害的预测系统和方法，尤其涉及基于多孔介质流固耦合模型的地质灾害预测系统和方法。

背景技术

现有技术中，通常采用对地下水系统进行数值模拟来进行地质灾害的预测。我国科学家在建立地下水系统数值模拟领域做了大量的工作。张明江等采用“渗流管流耦合模型”、“入渗滞后补给法”和“参数迭代法”提高了模型的仿真性及对地下水资源评价的精度。薛禹群等介绍了Ms-FEM(多尺度有限元法)的基本原理，并将其应用于非均质多孔介质中的流动问题，通过计算结果的比较得出多尺度有限元法比传统有限元法有效的结论。但是由于实际水文地质条件的复杂性，这种数值模拟方法的应用中还存在一些问题，比如因野外试验数据难以采集而不能准确对水文地质条件进行模拟等。随着计算机的广泛应用，可以通过计算机软件实现对大量水文地质学及地下水动力学问题的模拟，且其计算能力远远超过人们获取数值模型所需野外资料的能力，但目前国内并没有先进的土壤和地下水系统数值模拟系统和方法。

国外开发了许多功能多样的地下水系统数值模拟系统，以其模块化、可视化、交互性、方法多样化等特点得到广泛的使用，如MODFLOW，MODFLOW是英文Modular Three-dimensional Finite-difference Ground-water Flow Model（模块化三维有限差分地下水流动模型）的简称。MODFLOW采用有限差分法对地下水流进行数值模拟，差分法易于程序的普及和数据文件的规范，但是当对某些单元网格加密时，会增加许多额外不必要的计算单元，延长系统的运行时间。而且土壤地下水结构复杂，有限差分法模拟的效果不佳。同时MODFLOW本身也仅限于模拟地下水在孔隙介质中的流动，并没有涉及到对地下土壤方面的模拟。而如果要对地陷、地基沉降、山体滑坡、泥石流等地质灾害进行准确预测，则需将地下水在孔隙介质中的流动和地下土壤的沉降结合起来进行模拟。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供基于多孔介质流固耦合模型的地质灾害预测系统和方法，解决现有技术不能模拟地下土壤的沉降情况因此不能准确预测地陷、地基沉降、山体滑坡、泥石流等地质灾害，且现有技术采用有限差分法运算效率较低的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：基于多孔介质流固耦合模型的地质灾害预测方法，包括以下步骤：

a、采集待预测地理区域的地质参数；

b、根据待预测地理区域的地理特征和所述地质参数，建立水文地质概念模型；

c、根据要预测的地质灾害类型和待预测区域的地理特征，采用有限元法将所述水文地质概念模型转化为对应的三维地下水数学模型，并向所述数学模型输入所述地质参数得到待预测地理区域的位移和应力随时空分布情况的模拟结果；

d、采用图形和/或数据文字形式输出所述模拟结果，所述模拟结果用于描述地下水在空隙介质间的流动和地下土壤的沉降情况；

e、根据输出的模拟结果，预测地质灾害发生的时间、地理范围及形成机理，并给出解决方案。

进一步，还包括以下步骤：将待预测地理区域的位移和应力随时空分布模拟结果与实测的位移和应力变化情况相比较，调整所述三维地下水数学模型的参数，使模拟结果在给定的误差范围内与实测结果相吻合。

进一步，所述的地质灾害类型包括山体滑坡、泥石流、地陷或地基沉降。

进一步，所述待预测地理区域的地理特征包括地形地貌特征、地质水文特征、构造地质特征、水文气象条件、地下水补给量和/或地下排泄量。

进一步，所述地质参数包括待预测地理区域的流体和/或固体的物性参数；所述流体的物性参数包括渗透率、流速、饱和度、膨胀压力、给水度、空隙压力和/或储水率；所述固体的物性参数包括外部应力、应变梯度和/或应变。

进一步，所述地质参数还包括待预测地理区域的弥散系数、分配系数、孔隙度、反应速率常数、剪切模量、弹性模量和/或泊松比。

进一步，所述建立水文地质概念模型包括以下步骤：

（1）根据所述地理特征，将待预测地理区域的地下水系统概化分层为各含水层和不透水层，并生成所述水文地质概念模型的范围、汇源项、边界条件、初始条件的参数文件；

（2）根据步骤a采集到的地质参数定义所述各含水层和不透水层的属性，所述属性包括渗透系数、给水度、储水率、孔隙度、补给强度、蒸发强度、外部应力、应变梯度和/或应变；

（3）根据所述参数文件和各层属性，建立水文地质概念模型。