一种基于多场耦合模型的地下水系统环境容量评价方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于多场耦合模型的地下水系统环境容量评价方法，引入地下水水位、水温、水质、以及地面沉降作为地下水环境容量评价指标，分析各指标之间的耦合相关性，建立目标区域地下水系统环境容量评价多场耦合三维数值模型，预测地下水开采条件下渗流场、温度场、化学场、应力场的演化趋势、以及其对地下水环境的影响，并结合地下水水位、水温、水质、以及地面沉降约束条件，模拟计算满足该约束条件下的地下水系统环境容量；该方法克服了以往模型单因子评价的片面性，实现了多种指标相互影响下的地下水系统环境容量的定量研究，评价结果更加科学，为科学地开发利用地下水资源、保护生态环境，促进人与自然协调发展提供科学依据。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多场耦合模型的地下水系统环境容量评价方法
本专利技术涉及一种基于多场耦合模型的地下水系统环境容量评价方法，属于地下水环境保护及治理修复

技术介绍
地下水环境容量是指地下水系统演化过程中，在没有诱发不可接受的环境、经济、以及社会后果的一定目标约束下，地下水系统对自然或人类活动影响所能承受的最大阈值。目前应用于地下水环境容量的评价方法主要有模型法、数值模拟软件和非稳定流数学模型相结合的综合法、以及经验公式法。以上方法中，模型法侧重于水质方面，评价结果不能综合反映地下水环境容量；数值模拟软件和非稳定流数学模型相结合的综合法比较合理，但缺少实践经验支持；经验公式法用起来较为方便，但涉及的指标固定，缺乏灵活性。总的来看，以上方法以单指标定量计算为主，对地下水系统整体性缺少考虑，评价结果较为片面，得出的结果很难全面地反映地下水环境容量所处的状态。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于多场耦合模型的地下水系统环境容量评价方法，引入多维因素作为地下水环境容量评价指标，能够全面反映地下水环境容量所处的状态，准确获得目标区域满足预设目标收敛判别条件的最优地下水开采量。本专利技术为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术设计了一种基于多场耦合模型的地下水系统环境容量评价方法，用于获得目标区域满足预设目标收敛判别条件的最优地下水开采量，即地下水系统环境容量，包括如下步骤：步骤A.针对目标区域水文地质条件，概化出目标区域地下水系统概念模型，并建立目标区域地下水系统环境容量评价多场耦合三维数值模型，然后进入步骤B；步骤B.获得目标区域的当前地下水开采量，并应用目标区域地下水系统环境容量评价多场耦合三维数值模型，获得当前地下水开采量所对应目标区域地下水水头值、地下水溶质浓度值、地下水温度值、地面沉降量，然后进入步骤C；步骤C.判断当前地下水开采量所对应目标区域的地下水水头值、地下水溶质浓度值、地下水温度值、地面沉降量，是否满足预设目标收敛判别条件，若是则表示当前地下水开采量即为目标区域满足预设目标收敛判别条件的最优地下水开采量，否则进入步骤D；步骤D.针对目标区域的当前地下水开采方案进行调整，然后返回步骤B。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤A中，构建目标区域地下水系统环境容量评价多场耦合三维数值模型包括数学模型、以及数学模型的求解，其中，数学模型包括控制方程和参数动态变化方程，其中，控制方程如下：式中，h为目标区域坐标(x,y,z)位置对应t时刻的地下水水头值；C为目标区域坐标(x,y,z)位置对应t时刻的地下水溶质浓度值；T为目标区域坐标(x,y,z)位置对应t时刻的地下水温度值；Δb潜水与分别为目标区域潜水含水层的弹性变形量和非弹性变形量，Δb承压与分别为目标区域承压含水层的弹性变形量和非弹性变形量，Δb潜水、Δb承压、之和构成目标区域地面沉降量Δb；Kxx、Kyy分别为水平渗透系数；Kzz为垂向渗透系数；W为当前单位时间从目标区域单位体积含水层中流入或流出的水量，即地下水源汇项；μs为储水率；t为时间；n为孔隙度；I为溶质源汇项；Dxx、Dyy、Dzz分别为沿三维坐标系上x轴方向、y轴方向、z轴方向的水动力弥散系数分量；λx、λy、λz分别为三维坐标系上x轴、y轴、z轴各方向地下水的热动力弥散系数；cw为水的热容量；cs为介质的热容量；Qc为热源汇项；vx、vy、vz为介质中流体分别为沿三维坐标系上x轴方向、y轴方向、z轴方向的渗流速度，表示[]中的函数对三维坐标系上x轴方向求偏导，即表示该函数在三维坐标系上x轴方向上的变化量；表示[]中的函数对三维坐标系上y轴方向求偏导，即表示该函数在三维坐标系上y轴方向上的变化量；表示[]中的函数对三维坐标系上z轴方向求偏导，即表示该函数在三维坐标系上z轴方向上的变化量；表示[]中的函数对时间t求偏导，即表示该函数在时间t上的变化量；b0为含水层的初始厚度；nw为水位以上作为多孔介质总体积部分的湿气容量，ρw为水的密度，Δh为孔隙水头变化值；μske和μskv分别为土体骨架的弹性储水率和非弹性储水率；Ω为目标区域地下水环境评价域；参数动态变化方程如下：式中，αL和αT分别为溶质在孔隙介质中的纵向弥散度和横向弥散度；λa为介质的热传导系数；α*L和α*T分别为温度在孔隙介质中的纵向热弥散度和横向热弥散度；Daq为分子有效扩散系数；βw、γw分别是水的压缩系数和水的重度；α为土体的压缩系数；n0、K0分别是孔隙度和渗透系数变化前的初值；K是三维渗透系数张量，即(Kxx,Kyy,Kzz)；数学模型的定解条件包括初始条件和边界条件，其中，初始条件如下：式中，h0(x,y,z)表示t＝0初始时刻目标区域点(x,y,z)的水位值；C0(x,y,z)表示t＝0初始时刻目标区域点(x,y,z)的溶质浓度值；T0(x,y,z)表示t＝0初始时刻目标区域点(x,y,z)的水温度值；并定义t＝0的初始时刻目标区域点(x,y,z)的地面沉降量Δb(x,y,z)为零；数学模型的求解，首先采用伽辽金加权余量法对研究区的数学模型进行空间和时间离散，然后采用预处理共轭梯度法对模型进行有限元求解，进而形成目标区域地下水系统环境容量评价多场耦合三维数值模型。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤B中，获得目标区域的当前地下水开采量，通过地下水源汇项W代入目标区域地下水系统环境容量评价多场耦合三维数值模型，首先应用所述控制方程中的渗流方程，计算获得当前地下水开采量所对应的目标区域地下水水头值h；然后应用达西公式计算当前地下水开采量所对应地下水渗流速度，并将地下水渗流速度分别代入溶质运移方程和热量运移方程，分别计算获得当前地下水开采量所对应目标区域地下水溶质浓度值C与地下水温度值T；最后根据地面沉降方程，计算获得当前地下水开采量所对应目标区域地面沉降量Δb。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述预设目标收敛判别条件包括预设目标区域地下水水头目标值、预设目标区域地下水溶质浓度目标值、预设目标区域地下水温度目标值、预设目标区域地面沉降目标量；所述步骤C中，判断当前地下水开采量所对应目标区域地下水水头值h、地下水溶质浓度值C、地下水温度值T、地面沉降量Δb，是否分别均不大于预设目标区域地下水水头目标值、预设目标区域地下水溶质浓度目标值、预设目标区域地下水温度目标值、预设目标区域地面沉降目标量。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤D中，选择如下三种方案中的任意一种方案、或者至少两种方案的组合，针对目标区域的当前地下水开采方案进行调整；(1)增加或者减少目标区域垂向上不同含水层开采井的数量；(2)调整目标区域不同含水层各开采井的位置；(3)增加或减少目标区域不同含水层各开采井的开采量。本专利技术所述一种基于多场耦合模型的地下水系统环境容量评价方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术所设计基于多场耦合模型的地下水系统环境容量评价本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多场耦合模型的地下水系统环境容量评价方法，其特征在于：用于获得目标区域满足预设目标收敛判别条件的最优地下水开采量，即地下水系统环境容量，包括如下步骤：/n步骤A.针对目标区域水文地质条件，概化出目标区域地下水系统概念模型，并建立目标区域地下水系统环境容量评价多场耦合三维数值模型，然后进入步骤B；/n步骤B.获得目标区域的当前地下水开采量，并应用目标区域地下水系统环境容量评价多场耦合三维数值模型，获得当前地下水开采量所对应目标区域地下水水头值、地下水溶质浓度值、地下水温度值、地面沉降量，然后进入步骤C；/n步骤C.判断当前地下水开采量所对应目标区域的地下水水头值、地下水溶质浓度值、地下水温度值、地面沉降量，是否满足预设目标收敛判别条件，若是则表示当前地下水开采量即为目标区域满足预设目标收敛判别条件的最优地下水开采量，否则进入步骤D；/n步骤D.针对目标区域的当前地下水开采方案进行调整，然后返回步骤B。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多场耦合模型的地下水系统环境容量评价方法，其特征在于：用于获得目标区域满足预设目标收敛判别条件的最优地下水开采量，即地下水系统环境容量，包括如下步骤：
步骤A.针对目标区域水文地质条件，概化出目标区域地下水系统概念模型，并建立目标区域地下水系统环境容量评价多场耦合三维数值模型，然后进入步骤B；
步骤B.获得目标区域的当前地下水开采量，并应用目标区域地下水系统环境容量评价多场耦合三维数值模型，获得当前地下水开采量所对应目标区域地下水水头值、地下水溶质浓度值、地下水温度值、地面沉降量，然后进入步骤C；
步骤C.判断当前地下水开采量所对应目标区域的地下水水头值、地下水溶质浓度值、地下水温度值、地面沉降量，是否满足预设目标收敛判别条件，若是则表示当前地下水开采量即为目标区域满足预设目标收敛判别条件的最优地下水开采量，否则进入步骤D；
步骤D.针对目标区域的当前地下水开采方案进行调整，然后返回步骤B。


2.根据权利要求1所述一种基于多场耦合模型的地下水系统环境容量评价方法，其特征在于，所述步骤A中，构建目标区域地下水系统环境容量评价多场耦合三维数值模型包括数学模型、以及数学模型的求解，其中，数学模型包括控制方程和参数动态变化方程，其中，控制方程如下：



式中，h为目标区域坐标(x,y,z)位置对应t时刻的地下水水头值；C为目标区域坐标(x,y,z)位置对应t时刻的地下水溶质浓度值；T为目标区域坐标(x,y,z)位置对应t时刻的地下水温度值；Δb潜水与分别为目标区域潜水含水层的弹性变形量和非弹性变形量，Δb承压与分别为目标区域承压含水层的弹性变形量和非弹性变形量，Δb潜水、Δb承压、之和构成目标区域地面沉降量Δb；Kxx、Kyy分别为水平渗透系数；Kzz为垂向渗透系数；W为当前单位时间从目标区域单位体积含水层中流入或流出的水量，即地下水源汇项；μs为储水率；t为时间；n为孔隙度；I为溶质源汇项；Dxx、Dyy、Dzz分别为沿三维坐标系上x轴方向、y轴方向、z轴方向的水动力弥散系数分量；λx、λy、λz分别为三维坐标系x轴、y轴、z轴方向的地下水的热动力弥散系数；cw为水的热容量；cs为介质的热容量；Qc为热源汇项；vx、vy、vz为介质中流体分别为沿三维坐标系上x轴方向、y轴方向、z轴方向的渗流速度，表示[]中的函数对三维坐标系上x轴方向求偏导，即表示该函数在三维坐标系上x轴方向上的变化量；表示[]中的函数对三维坐标系上y轴方向求偏导，即表示该函数在三维坐标系上y轴方向上的变化量；表示[]中的函数对三维坐标系上z轴方向求偏导，即表示该函数在三维坐标系上z轴方向上的变化量；表示[]中的函数对时间t求偏导，即表示该函数在时间t上的变化量；b0为含水层的初始厚度；nw为水位以上作为多孔介质总体积部分的湿气容量，ρw为水的密度，Δh为孔隙水头变化值；μske和μskv分别为土体骨架的弹性储水率和非弹性储水率；Ω为目标...

【专利技术属性】
技术研发人员：马青山，贾军元，葛伟亚，
申请(专利权)人：中国地质调查局南京地质调查中心华东地质科技创新中心，
类型：发明
国别省市：江苏;32