2.6.2.1水文地质模型的概化

(1)含水层结构的概化

含水层空间形态，双重介质延迟滞后给水现象的影响可以不考虑，但在反演求参法，应给出剖分后，任一节点(数学模型的离散点)的空间位置(x，y)上的含水层厚度值，承压水含水层以M表示，潜水含水层以含水层水位h减低界面标高H_D［即(h－H_D)］表示，达到较细致地在地质模型上反映出含水层厚度变化规律。

在含水层的物理特征上，它根据含水层的K(或T)μ^*和主渗方向在空间上的变化规律，达到非均质分区，就能较真实地描述含水层的非均质性和各向异性特征。

在处理计算层与相邻含水层存在的水力联系上，一般要求地质模型给出与相邻含水层连接位置(坐标);连接方式，是断层接触还是通过弱透水层的越流补给，属于哪一类的越流系统。如果对越流补给的含水层有足够的控制，则可在数学模型中分别列出2个含水层的方程，按方程组联立求解，否则只能近似地将越流量按含水层补给边界给出或按定水头越流系统处理。

(2)地下水流态的概化

疏干流场的地下水流态比天然流场复杂得多，常常出现种种复杂的流态。但是，这些复杂的流态仅仅出现在井巷的周围，对于大面积来说仍然保持与天然状态相似的特点。因此，水文地质模型必须根据疏干流场的具体情况作出概化，并阐述其依据。

(3)边界条件的概化

数值法对边界条件有较强的刻画能力，它能较真实地模拟边界复杂的几何形态，较好地描述边界的水力特征。它与非确定性统计模型相结合，可以处理解析解无能为力的不确定边界问题。计算时要求:根据含水层空间形态的概化，确定侧向垂向边界，给出边界的坐标位置;确定边界性质，有无水量交换及交换方式;根据动态观测及抽(放)水资料，用数理统计的方法概化出边界水位或流量的变化规律，并按不同时段给出边界节点水位或单宽流量。

在二维数学模型中，垂向的水量交换是作为水量的附加项(W)列入方程的，因此对水量附加项的概化，要求与上述边界的概化问题同样慎重。同时，要求给出含水层中人工抽(注)水井孔的位置、类型及其抽(注)水强度。

如上所述，数值解由于采用与空间状态有关的分布参数系统，从而避免了解析解要求严格理想化带来的种种失真，从而大大提高了数学模型处理复杂水文地质问题的能力，同时也提高了利用各种勘探信息的能力。因此，只要地质模型正确，定会获得较好的技术效果。

但是，数值法由于对勘探试验工程的要求很高，计算量巨大，必须借助电子计算机进行，所以仅适用于勘探工程控制程度较高的复杂大水矿床。

2.6.2.2建立数学模型并进行离散化

根据以上对水文地质条件的概化，确定了水文地质概念模型，给出相应的数学模型，参见《地下水动力学》等相关书籍。

对渗流区域进行离散化，并建立相应的数值模型，离散化步骤如下。

1)将整个研究区域，按照一定的模式进行剖分以形成若干个小单元。对于非稳定流，也要将计算时间按照一定的要求分成若干个小时段。

2)一个小单元可以看做是一个地下水的小均衡域。再按照一定的模式在小单元上定义一个特征点(节点)，这个特征点上的各种物理量，比如水头、渗透系数、给水度、储水系数、垂向入渗系数、越流系数等作为小单元的代表值。

3)在剖分的基础上，从描述地下水运动的基本微分方程出发，通过离散化的方法，建立一个小时段内结点之间制约各种物理量的关系式，这种关系式一般表现为代数方程。

4)利用定解条件，建立在一个小时段内处于边界上的点元与内部点元间的关系式，这种关系式一般也表现为代数方程。

5)求解由上述两步构成的方程组，这个方程组一般表现为含有水头的封闭线性方程组。通过求解这个方程组，就可得到某一时刻渗流区域上水头的集合{H}。集合{H}就是渗流区域上某一时刻地下水流场的近似解。

6)若计算下一时刻的水头集合{H}，重复3)、4)、5)步。

2.6.2.3反求参数与验证边界

数值法求参能起到对地质模型(内部结构和边界条件)进行验证及判别的效果。因为求参的数学模型是以勘探工程控制的地质模型为依据建立的，它反映在抽水试验条件下，地下水量的交换与均衡。因此，反求参数在数学上的含意是利用水头函数解算地下水均衡方程，而水头函数是一个多元函数，它是均衡场地质条件和均衡条件的表征。所以解算均衡方程，也就是在已知水头函数的条件下，对组成均衡场的各要素进行判别。这种判别在地质上的含意，可以理解为是对矿区水文地质条件(包括边界条件)的一次全面验证，其结果可以导致对条件的重新认识。

1)直接求参。把水头函数作为已知量(即任何时刻渗流场上的任何节点的水头值是给定的)，将模型中的方程参数T、μ^*(μ)等看做未知数直接解出。由于这种方法对观测数据和观测点数量要求很高，在观测点较少的情况下往往不能保证结果的合理性，因此目前较少采用。

2)间接求参，即试算法。计算时给出参数初值及其变化范围，用正演计算求解水头函数，将计算结果和实测值作曲线进行拟合比较，通过不断调整参数初值，反复多次的正演计算，使计算曲线与实测曲线符合拟合要求，即拟合误差小于规定值。因此，反演计算问题实质是曲线的拟合问题。这种计算过程可由计算机自动执行，也可由人工和机器配合进行。

3)拟合要求。通常以数学模型中的两个基本项，作为拟合的基本要求。即水头梯度场的拟合(固定时段，对不同时段的水头梯度场进行计算值与实测值的拟合)和水头降速场的拟合(固定空间位置，对不同空间位置的水头降速场，进行计算值与实测值的拟合)。根据经验，拟合的相对误差，最好不超过水头降速值的5%，绝对误差应视含水层的富水性及人工流场的水头降低而定。

4)拟合段的选择。总的看，拟合时段愈长，精度愈高。但是为了节省调参时间，常作选择性的拟合。此时，拟合时段的选择应控制降速最大和降深最大的曲线段。

5)时间步长的选择:时间步长取的合适，既能保证计算的精度，又能节约时间，它是模拟计算的重要一环。根据人工流场水头变化的特点，抽水初期，水头变化较快、应当使用小的步长，以保证计算精度。随着水头变化愈来愈慢，应当逐渐加大步长，以节省时间。

6)模型识别。抽水流场的水头降速场和水头梯度场，是在抽水试验强烈激发状态下，流场各要素相互作用的结果。因此，可以通过拟合对比来识别修正地质模型中的各项参数和边界条件，最后达到验证模型的目的。

2.6.2.4预测矿坑涌水量

即在已知疏干工程设计(即给定内边界条件)的前提下，用修正好的参数，通过分析抽水试验成果和动态长期观测资料所掌握的外边界条件，来预测矿坑涌水量。

随着矿山开拓的强烈排水，疏干漏斗不断扩展，会改变原始模型的边界条件，因此预测开采条件下的变化规律，是矿坑涌水量计算的关键。用数值法预测矿坑涌水量，一般可求得:

1)有效疏干量。指在所选定的疏干时间内，将井巷边缘的地下水位降低至某一设计标高所需的最低限度的排水强度。因此它与矿坑涌水量是两个完全不同的概念，后者是客观存在的，而前者是人为的。因为有效疏干量是对应疏干时间而存在的，因此需要通过对一组疏干时间及其相应的疏干水量的数据，进行经济技术条件的对比后，才能作出最后的选择。

计算时，先根据设计开采水平的水位降深，给出不同的疏干量(Q₁，Q₂，…，Q_n)，算出相对应的疏干时间(t₁，t₂，…，t_n)，然后作为该水平的Q_s=f(t_s)曲线，作为选择有效疏干量的依据。

2)稳定流量。在求出有效疏干量后，将疏干坑道以定水头边界标定，求出稳定流场，计算进入坑道的稳定流量。

3)最大流量。根据地下水动态的分析，找出雨季地下水位回升速度。计算时，疏干坑道仍以定水头边界处理，在稳定流场的基础上，按雨季地下水位的回升速度标定边界及节点水头，求出雨季末期或水位回升速度最大时期疏干坑道的涌水量。

本文地址： http://www.goggeous.com/d/1/1315584

文章来源：天狐定制

版权声明：除非特别标注，否则均为本站原创文章，转载时请以链接形式注明文章出处。