[發(fā)明專利]一種基于水量交換的多重介質(zhì)耦合的地下水流計算方法

有效

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• 申請日: 2017-12-07
• 公開（公告）號: CN108256140B
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 武強;趙穎旺;王彤標(biāo);徐華;張小燕
• 申請（專利權(quán)）人: 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/11
• 代理公司: 北京風(fēng)雅頌專利代理有限公司 11403
• 代理人: 王安娜;李翔

本發(fā)明涉及一種基于水量交換的多重介質(zhì)耦合的地下水流計算方法，包括以下步驟：(1)計算交換水量的初始值Q_ex⁰；(2)計算下一時刻的水頭值；(3)重新計算交換水量Q_ex^k+1；(4)檢驗交換水量是否逐步收斂并修正；(5)檢驗交換水量是否達到收斂條件。本發(fā)明所述計算方法在傳統(tǒng)耦合迭代計算過程的基礎(chǔ)上，對于不是逐步收斂的迭代過程進行了改進，提出了迭代過程中不是逐步收斂的交換水量的修正算法，保證了迭代計算過程的收斂性，提高了耦合迭代計算的穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及地下水流數(shù)值模擬技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種基于水量交換的多重介質(zhì)耦合的地下水流計算方法。

背景技術(shù)

數(shù)值模擬技術(shù)是地下水流定量研究的重要手段，不僅可以用于水量計算、地下水資源評價，也是再現(xiàn)自然界發(fā)生、發(fā)展的一些水文地質(zhì)過程的重要手段。為更好地刻畫巖溶地下水的運動規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者嘗試了不同的地下水流數(shù)值模型，主要包括等效滲透系數(shù)模型和多重介質(zhì)耦合模型。其中，等效滲透系數(shù)模型將由孔隙介質(zhì)、裂隙介質(zhì)和巖溶管道介質(zhì)等共同組成的儲水空間概化為非均質(zhì)、各向異性的滲流介質(zhì)，利用基于達西定律的滲流方程刻畫地下水流動規(guī)律。而多重介質(zhì)模型是將孔隙介質(zhì)、裂隙介質(zhì)和管道介質(zhì)中的地下水運動規(guī)律分別利用不同的方程(包括滲流方程、管道流方程等)進行刻畫，能夠更加真實地反映巖溶地下水的流動規(guī)律。

在多重介質(zhì)耦合的數(shù)值模擬過程中，將滲流模型、管道流模型耦合起來構(gòu)成耦合模型需要對兩個模型的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和物理過程分別進行耦合。其中，物理耦合過程方法主要有兩種，即水頭耦合和水量交換耦合。水頭耦合是指滲流模型與管道流模型的公共結(jié)點具有相同的水頭值；水量交換耦合是指兩個模型相互作為補給和排泄邊界，利用兩個模型的水頭差計算交換水量，并通過水量均衡將兩個模型耦合到一起。交換水量與水頭差的比值稱為水量交換系數(shù)。水量交換耦合方法是更為普遍的物理耦合過程。水頭耦合可以看作是水量交換耦合方法中當(dāng)水量交換系數(shù)取極大值時的一種特殊形式。

在利用交換水量對滲流模型和管道流模型進行物理耦合的過程中，為提高耦合計算的穩(wěn)定性，一般利用未知時刻的水頭差來計算交換水量。但是，未知時刻水頭值是交換水量的函數(shù)。此時，一般利用以交換水量收斂為依據(jù)的迭代過程進行計算。

Bauer于2003年發(fā)現(xiàn)，當(dāng)利用迭代方法計算交換水量時，如果水量交換系數(shù)很大，迭代計算過程可能出現(xiàn)發(fā)散的情況。這一現(xiàn)象限制了水量交換耦合的應(yīng)用。在這一迭代過程中，水頭值的計算受到滲流模型和管道流模型計算的控制，很難利用一個簡單的數(shù)學(xué)函數(shù)描述，為迭代算法的改進帶來了巨大的困難。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于水量交換的多重介質(zhì)耦合的地下水流計算方法，以提供收斂的耦合迭代計算方法，保證多重介質(zhì)耦合的地下水流計算的穩(wěn)定性。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于水量交換的多重介質(zhì)耦合的地下水流計算方法，所述方法包括以下步驟：

(1)計算交換水量的初始值Q_ex⁰

利用已知時刻的滲流模型和管道流模型的水頭值計算初始水頭差，進而計算交換水量的初始值，記為Q_ex⁰；

(2)計算下一時刻的水頭值

利用已知的交換水量Q_ex^k，分別計算滲流模型和管道流模型在下一時刻的水頭值；

(3)重新計算交換水量，記為Q_ex^k+1

利用步驟(2)中計算的滲流模型和管道流模型的水頭值，重新計算交換水量，記為Q_ex^k+1；

(4)檢驗交換水量是否逐步收斂