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水文地质的计算方法

水文地质的计算方法

  1.应用的技术手段:⑴调查、钻探、地球物理勘探和遥感技术;⑵各种观测和试验技术(水位、流量等的观测;抽水试验、示踪试验和弥散试验等);⑶各种地下水模拟技术(数值模拟用的较多);⑷同位素技术等。

  随着科学技术水平的不断提高,水文地质计算方法也不断发展。水文地质计算方法大致有:解析解法,物理模拟法,数值解法,系统分析方法,概率统计方法等等。

  解析解法。

  60年代以前,解含水层地下水的水头和流量问题,多偏重于解析解法。如“地下水动力学”课程中所述,无论是以稳定流为基础的裘布衣公式,还是以非稳定流为基础的泰斯公式,它们的推导都有许多假设,在水文地质条件满足这些假设时,当然没有问题。但要解决大范围的地下水系统计算时,由于水文地质条件的复杂性,解析解法就无能为力了。

  物理模拟法。

  物理模拟有电模拟、水力模拟、粘滞流模拟、薄膜模拟等等,以电模拟应用较多。早在本世纪的20年代,苏联的巴甫洛夫斯基提出了电解液模拟(arn A),它成为当时研究水工建筑物地区渗捕问题的重要手段。以后叉发展到电阻网模拟,在50年代和60年代,R-C网络和R-R阿络模拟也得到发展。60年代中期叉出现了与计算机结合在一起的混合机。

  数值解法。

  60年代后期随着电子计算机的发展,人们把数值模拟应用到水文地质计算中来。由于电模拟制作和参数调试都比数值法麻烦,所以应用更多的是数值解法。

  在水文地质计算中应用的数值方法可大致归纳为5类。①有限差分法(简称有限差法);②有限单元法(简称有限元法);@边界单元法(简称边界元法);④特征线法}⑥有限分析法。

  有限差分法从60年代初就开始应用于水文地质计算。最初多用正规网格和松弛解法,1968年引入交替方向豫式差分法,以后又引入强隐式法,1973年被推广到变格距情况,兰马特f Lemard)于1D79年提出了上游加权有限拦分法。

  有限单元法从1968年开始应用于水史地质计算,1 972年弓1八等参数有限单元法,1977年休延康(Huyakorn)和尼尔康卡(lxlilkuka)等提出了上风有限单元法。

  有限差分法和有限单元法是水一_上地质汁箅中最常用的数值计算方法。

  边界单元法是70年代中期发展起来的一种新的数值方法,浚J6法不需要对整个计算区域进行刚格剖分,而n要剖分区域边界(见罔1)。在求出边界.I‘_的物理量以舌,计算区域内部任一点的未知量町通过边界L的已知量求出。因此,所需准备的输入数据比柯限差分法和有限单元法少,不易出错,边界单元剖分图n-计算区域4厂…计算区域的边界。

  在水文地质汁算中,常常会遇到无限边界的情况,液情况下若带有限差分或有限单元法计算·都需要人为地划出一条不受开采(或补给)影响的边界,但划出的这条边界常与实际情况有所差异,而且在地F水资源评价时要计算流量,有限单元怯难以直接算出流量边界一匕的c?/抽值,所算出的流量只是一个近似值,和实际值有一定的出入。边界单元法处理这些问题则比较容易,冈而求得的流量也比较准确。

  边界单元法对于求懈均质区域的稳定流问题(拉普拉斯方程,泊松方程)比较快速,有效。但当非均质区很多时,尤其是非均质区域的非稳定流问题,计算会变得相当复杂,优越性就不明显丁。

  特征线法用来解双曲型偏微分疗程比较有效。将特征线法和有限单元法相结合的特征有限元法以及和有限差分法相结合的特征有限差法是求解水质模型的一种有效方法,尤其是用来求解对流占优势的污染物运移问题极为方便。

  所有卜述的数值计算方法,部首先是把渗流匮(解区域)进行离散化,然后认为每一单元内含水层是均质的,具有同一参数。同时.把原米的偏微分方程化为结点方程(组),这一方程组一般足线性的。求解这个线性方崔组.即可得到每一结点的水头近似值,进而可算出流世或其他项F1。

  有限分析法是80年代发展起来的‘种新的数值计算方法。它也是一种区域离散方法,它是通过某种解析途径进行离散化,得到一一组方程,然后求得每一结点的水头近似值和进一步算出流量。

  其它方法。

  系统分析方法,是结合数学模型及计算机技术米进行分析的一种方法,在地下水资源管理中得到迅速发展。许多国家,叮i在用此方法实行大规模和大范围的河水调用,以达到地下水和河水资源瓦相调剂,统一运行。系统方法叮以根据所在地区的气象、地质、地貌等自然地理条件与系统的关系以及经济、政治等社会环境条件,根据需要与可能,为该系统确定—个最优解。

  随机模型也在地下水资源管理中广泛应用。如时间序列分析,也开始应用于地下水计算中。随着计算机科学的发展,将使更多更新的方法应用于实际生产中去。

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