本发明专利技术所属技术领域为“海水入侵内陆边界控制方法”领域，为建立地下水气‑液二相流及溶质运移模型，来模拟分析不同内陆边界条件对沿海地区海平面上升引起的海水入侵的效果。本发明专利技术采用的技术方案是，模拟海平面上升情况下海水入侵内陆边界的处理方法，步骤如下：步骤一：建立地下水气‑液二相流及溶质运移模型，包括基本控制方程及辅助方程，假定步骤二：模型求解；步骤三：模型边界条件确定：模型计算中的边界条件包括狄利克雷Dirichlet边界条件和诺伊曼Neumann边界条件两种，其数学处理方法如下：本发明专利技术主要应用于防止海水入侵场合。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术所属
为“海水入侵内陆边界控制方法”领域。具体讲,涉及模拟海平面上升情况下海水入侵内陆边界的处理方法。
技术介绍
世界上大部分的人口分布在沿海地区，近年来,受地壳运动、自然压密、气候变暖引起的海平面上升、大量抽用地下水等自然及人为因素的影响，致使沿海各地区已不同程度地遭到海水入侵,严重制约沿海地区的社会经济发展，引起了世界各沿海国家的充分重视。最近，由于海平面上升引起的海水入侵问题的研究也受到越来越多的关注，其中，内陆边界条件对模拟海平面上升引起的海水入侵有至关重要的影响。因此，开展内陆边界条件对模拟海平面上升引起的海水入侵影响的深入研究，寻求一种合适的内陆边界条件的处理方法，具有重要的科学价值和社会意义。虽然流量控制系统边界和水头控制系统边界在数值模拟中是最常应用的两种边界条件，但事实上，以上两种边界都有一定的局限性，因为随着海平面的上升，真实的模拟区域内陆边界既不是水头恒定，也不是流量恒定，而是一个间接的过程，因此有人提出了第三种边界条件——依靠水头的流量边界条件，这种边界条件在一些特地场地也进行了海平面上升对海水入侵的影响评估，而且也有人提出了解析解，但是却没有基于假定的理想的概念模型的一般性的研究，更缺乏基于理想的数值模拟在预测海平面上升对海水入侵的三种不同内陆边界条件的对比并得出合适的模拟海平面上升情况下海水入侵内陆边界的处理方法。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术旨在在深入分析地下多相流运移机理的基础上，建立地下水气-液二相流及溶质运移模型，来模拟分析不同内陆边界条件对沿海地区海平面上升引起的海水入侵的效果。本专利技术采用的技术方案是，模拟海平面上升情况下海水入侵内陆边界的处理方法，步骤如下：步骤一：建立地下水气-液二相流及溶质运移模型，包括基本控制方程及辅助方程，假定系统一直处于恒温状态。具体如下：模型的基本控制方程为：式中，Mκ表示κ组分的累积质量密度，组分是指纯水w、参考盐水b和空气a，Fκ为κ组分的流量密度，包括平流流量密度和扩散流量密度qκ为组分κ的源汇项；(1)累积质量密度等于β相中组分κ的质量之和，其表达式为：式中，β表示流体相，流体相为气相或液相，液相为纯水和参考盐水的混合物，表示孔隙率，Sβ为β相的饱和度，ρβ为β相的密度，patm为κ组分占β相的质量百分数；(2)平流流量pg的表达式为：式中，Fβ为相的平流流量，符合达西定律，其多相流形式的表达式为：其中，k为固有渗透系数，krβ为β相的相对渗透系数，μβ为β相的粘滞性系数，为梯度符号，pβ为β相的孔隙压力，g为重力加速度矢量；(3)扩散流量的表达式为：式中，为κ组分在β相中的分子扩散系数；τ0τβ(Sβ)为迂曲度，τ0是多孔介质特性参数，τβ＝τβ(Sβ)是饱和度的函数；分子扩散系数随压力p和温度T变化的计算式为：式中，θ为温度系数；非饱和地下水流及热流传输TOUGH的第二个版本TOUGH2中提供了三种迂曲度模型：τ0τβ＝τ0krβ(Sβ)相对渗透率模型米林顿夸克模型τ0τβ＝τ0Sβ常量扩散(7)步骤二：模型求解：以TOUGH2的水、盐水和空气的混合模块EOS7为工具，空间上采用积分形式的有限差分方法IFDM进行离散，时间上采用一阶向后差分的全隐式方法进行离散，模型的线性化采用牛顿-拉弗森Newton-Raphson迭代方法，最后得到大型稀疏系数矩阵的线性方程组；步骤三：模型边界条件确定：模型计算中的边界条件包括狄利克雷Dirichlet边界条件和诺伊曼Neumann边界条件两种，其数学处理方法如下：(1)Dirichlet边界条件Dirichlet边界条件上，边界条件单元的主要变量在计算过程中保持不变：①对于空气边界，其边界条件单元的相态为仅有气相状态,变量为pg,Xb,T，对于与大气接触的边界上pg＝patm，Xb＝0.0；T为气温；②对于已知水头边界，包括地下淡水水头边界和海水水头边界，其边界条件单元的相态均为仅有液相状态,变量为pg，Xb，T，由于液相饱和状态下毛细压力为零，因此有pg＝patm+ρlgh，其中ρl为淡水或海水的密度，h为边界上的水深；地下淡水水头边界上Xb等于零，海水边界上的Xb是根据参考盐水的特性以及海水的盐度计算出来；(2)Neumann边界条件Neumann边界条件描述的是系统与外界的流量交换情况，边界条件单元的单位流量对应式中的源汇项，流入为正：①对于不透水边界，是一类特殊的Neumann边界条件，边界上的流量为零，积分形式的有限差分法的处理很简单，就是不设置与之相邻的边界条件单元，则与不透水面单元的流量交换为零；②对于降雨入渗条件的处理方法，则设置一个适当大小的源汇项来实现；(3)依靠水头的流量边界条件设区域外的已知水位又称参考水头为Href，水流流入或者流出研究区域的流量大小与研究区内的水头H和参考水头Href之间的水头差成比例，并且用如下线性方程式表示：q＝-C(H-Href)(15)其中q是从内陆侧流入研究区的单宽淡水补给量，C是导水系数。而研究区域淡水侧的等效淡水水头Hf跟淡水补给量qf在承压含水层和非承压含水层中分别有如下关系：承压含水层：非承压含水层：其中K是含水层的渗透系数，α＝ρf/(ρs-ρf)是相对密度，ρf和ρs分别是淡水密度和海水密度，L和B分别为研究区域含水层的长度和厚度，Hs是距离含水层底部的平均海水深度。把公式(15)分别带入公式(16)和(17)中，并且让H＝Hf和q＝qf，可得出如下关系式：承压含水层：非承压含水层：模型求解具体步骤如下：(1)空间上采用积分有限差分法IFDM进行离散首先将计算域离散成子单元，其性质由形心点代表，分别对各个单元的质量平衡方程的积分形式进行空间离散，对于任意单元n，单元体积为Vn，边界面为Γn，单元的质量平衡方程的积分形式如下：式中，n为表面单元dΓn的单位法向量，指向控制单元体内为正；引入体积平均值，有式中，为Mκ，qκ在Vn上的平均值。Γn上的面积分可近似为其所包含的各个表面Anm的面积分的平均值之和，有式中，m为与单元n相邻的所有单元，Anm是单元n和m相邻的交界面，是Fκ在面Anm上的内法线方向的平均值；将式(9)、(10)和(11)代入到式(8)中，得到一组关于时间的一阶微分方程组(2)时间上采用一阶向后差分方法进行离散对式(12)的时间微分采用一阶向后差分方法，得到任意单元的全隐式非线性方程组，见式(13)：式中，引入了组分κ＝w,g,a的余量△t为时间步长，上标k和k+1表示两相邻的时间步长指标；右端的流量项和源汇项均采用新的时间步长值；(3)Newton-Raphson迭代方法对式运用Newton-Raphson迭代方法进行线性化，引入迭代指标p，对式(13)中的余量在迭代步p+1处进行泰勒级数展开，只保留一阶项，得到包含3×NEL个方程的线性方程组，NEL为计算域内单元数，并且以两迭代步的增量为未知量；最后得到大型稀疏系数矩阵的线性方程组，如式(14)：还包括模型验证步骤：运用地下水气-液二相流及溶质运移模型，模拟分析承压含水层受咸、淡水共同作用的静力平衡情况，并与已有文献的计算结果进行对比验证；还包括如下分析步骤：根据地下水气-液二相流及溶质运移模型，以咸-淡水静力本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种模拟海平面上升情况下海水入侵内陆边界的处理方法，其特征是，步骤如下：步骤一：建立地下水气‑液二相流及溶质运移模型，包括基本控制方程及辅助方程，假定系统一直处于恒温状态。具体如下：模型的基本控制方程为：∂Mκ∂t=-div(Fκ)+qκ---(1)]]>式中，Mκ表示κ组分的累积质量密度，组分是指纯水w、参考盐水b和空气a，Fκ为κ组分的流量密度，包括平流流量密度和扩散流量密度qκ为组分κ的源汇项；(1)累积质量密度Mκ等于β相中组分κ的质量之和，其表达式为：Mκ=ΣβXβκφSβρβ---(2)]]>式中，β表示流体相，流体相为气相或液相，液相为纯水和参考盐水的混合物，φ表示孔隙率，Sβ为β相的饱和度，ρβ为β相的密度，为κ组分占β相的质量百分数；(2)平流流量的表达式为：Fadvκ=ΣβXβκFβ---(3)]]>式中，Fβ为β相的平流流量，符合达西定律，其多相流形式的表达式为：Fβ=-kρβkγβ(Sw)μβ(▿pβ-ρβg)---(4)]]>其中，k为固有渗透系数，krβ为β相的相对渗透系数，μβ为β相的粘滞性系数，为梯度符号，pβ为β相的孔隙压力，g为重力加速度矢量；(3)扩散流量的表达式为：式中，为κ组分在β相中的分子扩散系数；τ0τβ(Sβ)为迂曲度，τ0是多孔介质特性参数，τβ＝τβ(Sβ)是饱和度的函数；分子扩散系数随压力p和温度T变化的计算式为：式中，θ为温度系数；非饱和地下水流及热流传输TOUGH的第二个版本TOUGH2中提供了三种迂曲度模型：τ0τβ＝τ0krβ(Sβ)相对渗透率模型米林顿夸克模型τ0τβ＝τ0Sβ常量扩散 (7)步骤二：模型求解：以TOUGH2的水、盐水和空气的混合模块EOS7为工具，空间上采用积分形式的有限差分方法IFDM进行离散，时间上采用一阶向后差分的全隐式方法进行离散，模型的线性化采用牛顿‑拉弗森Newton‑Raphson迭代方法，最后得到大型稀疏系数矩阵的线性方程组；步骤三：模型边界条件确定：模型计算中的边界条件包括狄利克雷Dirichlet边界条件和诺伊曼Neumann边界条件两种，其数学处理方法如下：(1)Dirichlet边界条件Dirichlet边界条件上，边界条件单元的主要变量在计算过程中保持不变：①对于空气边界，其边界条件单元的相态为仅有气相状态,变量为pg,Xb,T，对于与大气接触的边界上pg＝patm，Xb＝0.0；T为气温；②对于已知水头边界，包括地下淡水水头边界和海水水头边界，其边界条件单元的相态均为仅有液相状态,变量为pg、Xb、T，由于液相饱和状态下毛细压力为零，因此有pg＝patm+ρlgh，其中ρl为淡水或海水的密度，h为边界上的水深；地下淡水水头边界上Xb等于零，海水边界上的Xb是根据参考盐水的特性以及海水的盐度计算出来；(2)Neumann边界条件Neumann边界条件描述的是系统与外界的流量交换情况，边界条件单元的单位流量对应式中的源汇项，流入为正：①对于不透水边界，是一类特殊的Neumann边界条件，边界上的流量为零，积分形式的有限差分法的处理很简单，就是不设置与之相邻的边界条件单元，则与不透水面单元的流量交换为零；②对于降雨入渗条件的处理方法，则设置一个适当大小的源汇项来实现；(3)依靠水头的流量边界条件设区域外的已知水位又称参考水头为Href，水流流入或者流出研究区域的流量大小与研究区内的水头H和参考水头Href之间的水头差成比例，并且用如下线性方程式表示：q＝‑C(H‑Href) (15)其中q是从内陆侧流入研究区的单宽淡水补给量，C是导水系数。而研究区域淡水侧的等效淡水水头Hf跟淡水补给量qf在承压含水层和非承压含水层中分别有如下关系：承压含水层：qf=KBL(Hf-(1+α)αHs+B2α)---(16)]]>非承压含水层：qf=K2L(Hf2-(1+α)αHs2)---(17)]]>其中K是含水层的渗透系数，α＝ρf/(ρs‑ρf)是相对密度，ρf和ρs分别是淡水密度和海水密度，L和B分别为研究区域含水层的长度和厚度，Hs是距离含水层底部的平均海水深度。把公式(15)分别带入公式(16)和(17)中，并且让H＝Hf和q＝qf，可得出如下关系式：承压含水层：Hf=CLKBHref+(1+α)αHs-B2αCLKB...
【技术特征摘要】
1.一种模拟海平面上升情况下海水入侵内陆边界的处理方法，其特征是，步骤如下：步骤一：建立地下水气-液二相流及溶质运移模型，包括基本控制方程及辅助方程，假定系统一直处于恒温状态。具体如下：模型的基本控制方程为：∂Mκ∂t=-div(Fκ)+qκ---(1)]]>式中，Mκ表示κ组分的累积质量密度，组分是指纯水w、参考盐水b和空气a，Fκ为κ组分的流量密度，包括平流流量密度和扩散流量密度qκ为组分κ的源汇项；(1)累积质量密度Mκ等于β相中组分κ的质量之和，其表达式为：Mκ=ΣβXβκφSβρβ---(2)]]>式中，β表示流体相，流体相为气相或液相，液相为纯水和参考盐水的混合物，φ表示孔隙率，Sβ为β相的饱和度，ρβ为β相的密度，为κ组分占β相的质量百分数；(2)平流流量的表达式为：Fadvκ=ΣβXβκFβ---(3)]]>式中，Fβ为β相的平流流量，符合达西定律，其多相流形式的表达式为：Fβ=-kρβkγβ(Sw)μβ(▿pβ-ρβg)---(4)]]>其中，k为固有渗透系数，krβ为β相的相对渗透系数，μβ为β相的粘滞性系数，为梯度符号，pβ为β相的孔隙压力，g为重力加速度矢量；(3)扩散流量的表达式为：式中，为κ组分在β相中的分子扩散系数；τ0τβ(Sβ)为迂曲度，τ0是多孔介质特性参数，τβ＝τβ(Sβ)是饱和度的函数；分子扩散系数随压力p和温度T变化的计算式为：式中，θ为温度系数；非饱和地下水流及热流传输TOUGH的第二个版本TOUGH2中提供了三种迂曲度模型：τ0τβ＝τ0krβ(Sβ)相对渗透率模型米林顿夸克模型τ0τβ＝τ0Sβ常量扩散(7)步骤二：模型求解：以TOUGH2的水、盐水和空气的混合模块EOS7为工具，空间上采用积分形式的有限差分方法IFDM进行离散，时间上采用一阶向后差分的全隐式方法进行离散，模型的线性化采用牛顿-拉弗森Newton-Raphson迭代方法，最后得到大型稀疏系数矩阵的线性方程组；步骤三：模型边界条件确定：模型计算中的边界条件包括狄利克雷Dirichlet边界条件和诺伊曼Neumann边界条件两种，其数学处理方法如下：(1)Dirichlet边界条件Dirichlet边界条件上，边界条件单元的主要变量在计算过程中保持不变：①对于空气边界，其边界条件单元的相态为仅有气相状态,变量为pg,Xb,T，对于与大气接触的边界上pg＝patm，Xb＝0.0；T为气温；②对于已知水头边界，包括地下淡水水头边界和海水水头边界，其边界条件单元的相态均为仅有液相状态,变量为pg、Xb、T，由于液相饱和状态下毛细压力为零，因此有pg＝patm+ρlgh，其中ρl为淡水或海水的密度，h为边界上的水深；地下淡水水头边界上Xb等于零，海水边界上的Xb是根据参考盐水的特性以及海水的盐度计算出来；(2)Neumann边界条件Neumann边界条件描述的是系统与外界的流量交换情况，边界条件单元的单位流量对应式中的源汇项，流入为正：①对于不透水边界，是一类特殊的Neumann边界条件，边界上的流量为零，积分形式的有限差分法的处理很简单，就是不设置与之相邻的边界条件单元，则与不透水面单元的流量交换为零；②对于降雨入渗条件的处理方法，则设置一个适当大小的源汇项来...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙冬梅，牛司香，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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