本发明公开了一种基于动态层析扫描的管涌发展预测预警方法,包括如下步骤:解译含水层渐进侵蚀机理与渗流场动态响应规律;建立含水层渐进侵蚀流固耦合模型;布置监测井收集监测数据;建立含水层渐进侵蚀多源监测数据解译模型;计算当前渗流场;管涌流固耦合模型计算侵蚀情况;更新渗流场并迭代计算至步长要求。本发明方法结合了管涌流固耦合模型的特点以及水力层析扫描刻画非均质含水层的优势,对管涌通道动态发展进行预测,得到的结果相较于传统的监测方式,在准动态反应、实时反馈、精确定位等方面有较大的提升。
1.一种基于动态层析扫描的管涌发展预测预警方法,其特征在于:包括以下步骤:1)布置监测井收集监测数据:在监测区域布置若干监测井,若干监测井呈网状分布,在每个监测井内设置监测点,监测点接收水位、水温、流速流向的数据;2)多源监测数据融合:通过贝叶斯理论将步骤1)中收集到的时序响应数据进行融合,构建多源信息融合框架,建立含水层渐进侵蚀多源监测数据的解译模型;其中,本步骤包括以下分步骤:2.1)将步骤1)获得的渗透系数分布场T(x)和水头分布场H(x)进行分解:lnT(x)=F+f(x) (1)式(1)中:F为渗透系数分布场的均值,f(x)为均值F下的扰动;lnH(x)=H+h(x) (2)式(2)中:H为水头分布场的均值,h(x)为均值H下的扰动;2.2)监测区域内任意一点的渗透系数的估计值为:其中,λmi为渗透系数分布场对该点的贡献量,βmj为水头分布场对该点的贡献量,Nf为渗透系数分布场测量的总个数,Nh为水头分布场测量的总个数;3)利用连续线性估计算法求解地下水运移方程:利用在前期勘察资料中得到的先验信息,计算出场地内水力参数随机分布规律,结合步骤2)中的多源信息融合框架,通过连续线性估计算法得到堤基含水层渗流场的空间分布;其中,本步骤包括以下分步骤:3.1)根据前期勘探数据,获取含水层参数的均值、方差和相关尺度;3.2)将含水层参数的均值赋予分析区域内每一个网格内,结合边界条件,建立监测区域三维正分析模型,利用监测区域三维正分析模型,计算每一次刺激下每个探测位置在估计参数条件下的水头以及流量;3.3)利用连续线性估计算法对探测区域内待估点的含水层参数值进行估计,未知参数的迭代计算公式为:式中,uc为待估的监测区域含水层参数向量;uc(r+1)为参数向量uc在第r+1次的条件估计值,r=0的参数来源于步骤3.2)正分析的结果以及先验资料;d*为每次刺激作用下的监测值,d(r)为三维正分析模型的模拟值,ω(r)T表示权重系数,T为反演周期,权重系数矩阵ω计算公式为:[εdd+λdiag(εdd)]ω=εdu (5)其中εdd是观测数据之间的协方差矩阵,而εdu是观测数据与参数之间的协方差矩阵;λ是Levenberg-Marquardt算法动态乘子,而diag()运算符代表取对角阵;协方差由敏感度得到:式中,Jdu是观测数据对探测区域参数变化的敏感度矩阵,参数协方差矩阵εuu在r=0时由先验地质信息给出,随后每次迭代按照下式逐步更新:3.4)重复式(4)的迭代过程,直至得到的参数估计值条件下得到的计算值与探测值之差小于等于0.1%,结束迭代;3.5)通过达西定律计算渗流场在该时刻的空间分布:式中,kx、ky、kz分别为x、y、z方向上的渗透系数,vx、vy、vz分别为x、y、z方向上的渗透速度,分别表示水头分布场H对x、y、z的偏导;4)基于动态层析扫描的堤基逆向侵蚀管涌实时刻画:利用分区界面上的物质交换关系,结合堤基管涌初始边值条件特点提出管涌耦合模型的高效求解方法;通过流固耦合数学模型以及管涌数学模型参数敏感度求解高效算法共同求解在步骤3)给出的渗流场中管涌的发展情况,并计算颗粒流失情况;其中,本步骤包括以下分步骤:4.1)通过伴随方程求解管涌流固耦合模型参数敏感度矩阵:将敏感度方程乘以一个任意的可微参数然后分别对体积和时间积分,即:式中,K(x)为渗透系数,SS是贮水系数,Q(x)是流量,Ω和T是空域和时域,α是参数向量,k=1,…N,N是参数总数量;通过格林恒等式将式(8)转变为:通过边界条件以及状态方程,消去敏感度4.2)通过计算得到的渗流场分布计算管涌正分析数学模型:式(10a)表示流固耦合模型中的水流方程,式(10b)表示流固耦合模型中的固态向的方程;其中,H是水头;SS是贮水系数;Cm是土体侵蚀后运动颗粒的质量浓度;V是步骤3.5)中求得的渗流场分布;I是单位时间内土体中颗粒的流失量;采用幂函数表示:式中,α、β为常系数,τc为
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