CN102156779A - 地下水流仿真与预测分析方法 - Google Patents

Abstract

一种地下水流仿真与预测分析方法，主要通过对采区地下水数据进行动态观测与采集，利用数据引擎将地下水数据集成到图形工作站中，自动构建各水层动态水位的有限元网格模型，同时确定参数分区及其相应的参数值，从而实现水层水位动态模拟以及地下水运移仿真；在设计的软、硬件环境中进行地下水渗流场仿真与含水层动态实时模拟，运用交互操作、信息查询等工具对VR环境和WEB环境中的各类模型进行交互式分析、预测与评价。本发明的方法可为预测采区地下水资源未来发展状况和演化趋势提供合理开发利用水资源的科学依据，整体造价低廉，易于推广使用，运行灵活可靠。

Description

地下水流仿真与预测分析方法

技术领域

本发明涉及地质科学及可视化技术的综合利用，尤其是通过数据引擎将不同时期和格式的多源地下水数据集成到工作站中，建立水层网格模型，自动构建动态水位有限元网格，在此基础上实现各类水层的预测模拟，以及含水层地下水运移仿真的地下水流仿真与预测分析方法。

背景技术

地下水是我国城市生活和工农业用水的重要供水水源，地下水资源的可持续利用，紧密关系到国民经济的可持续发展。由于地下水赋存于地面以下岩石空隙中，人们无法直接观察，只能通过水文地质勘察与地下水动态监测才能揭示其赋存条件与运动规律。然而，受勘察经费影响，水文地质勘察孔的布置密度有限，对区域水文地质条件的认识存在较大的误差。利用数值模型对地下水流和溶质运移等问题进行仿真模拟，能够将地下水赋存环境运动规律和动态特征直接展现在人们眼前，使采区水文地质条件得到较全面准确的揭示，并以其有效性、灵活性和相对廉价性逐渐成为地下水研究领域的一种不可或缺的重要方法。

几十年来，国内外相关组织和机构在地下水模拟领域不断地研究和探索，积累了一定的研究成果。Juan等运用ARC/INFO和MODFLOW模拟了美国Jackson Hole地区的冲积含水层，并通过补给、排泄和水均衡的评估对模型进行了合理的校准。Facchi等建立渗流地带模拟与基于MODFLOW的地下水系统数值模拟耦合模型，用GIS来控制空间分布式参数以及输入和输出值，与其他类似模型不同的是可以评估作物水分消耗值在时间和空间上的分布情况。黄丹等建立了地下水概念模型、数学模型、三维数值模拟模型和优化模型的耦合模型，并提出运用Arc View、地下水模拟软件FEFLOW和最优化软件Lindo或Lingo的实现方案。颜辉武等研制了地下水资源三维体视化系统，由水文地质数据库、基础图形库、水文地质体体数据生成、水文地质体体视化、剖面显示和地下水流场可视化6个模块组成。

由于地下水的复杂性和不可见性，现有的数值模拟方法和软件系统依然缺乏有效的对地下水进行动态仿真模拟的方法、以及对流场的模拟分析、评价及预测手段。目前，通用的地下水模拟软件显示的流线是众多离散的矢量，不是一条从源至汇的连续线，而常用的绘图软件和算法也不能实现连续流线的绘制。近几年，这些软件不断的更新升级，但是没有正面的解决流场的实时动态的速度和流线的输出显示，而是用迹线模拟水流。

发明内容

根据背景技术所述，本发明的目的在于提供一种对地下水流仿真与预测分析方法，通过对采区地下水数据进行动态观测与采集，利用数据引擎将不同时期、不同格式的多源地下水数据集成到图形工作站中，并建立各含水层的网格模型、自动构建动态水位的有限元网格模型，同时确定参数分区及其相应的参数值，从而实现潜水含水层和承压含水层虚拟开采井抽水预测模拟、水位动态预测模拟、以及含水层地下水运移仿真；在设计的软、硬件环境中进行地下水渗流场仿真模型与含水层模型动态实时模拟与一体化显示，运用交互操作、信息查询等工具对VR环境和WEB环境中的各类模型进行交互式分析、预测与评价，为预测采区地下水资源未来发展状况和演化趋势，提供合理开发利用水资源的科学依据。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

1、地下水仿真流程

（1）在水文地质勘察中，为了探索地下水的形成条件、特征、动态规律等，对采区地下水的水位、水量、流速、水质等进行定期动态观测。采区地下水动态勘察孔主要分布在有代表性的水文地质单元内，监测线常平行和垂直于地下水流向布设，监测网的密度可根据地形、地貌、地质等情况并结合实际工程需求而设定。

（2）采区地下水数据采集的手段分为人工和自动两种方式，结合实际水文地质条件，一般设定每天记录1次数据，每月采集数据1次，通过网络导入远程或本地服务器的数据库中。

（3）通过数据引擎实现将不同时期、不同格式的多源数据导入到本发明系统中，作为三维模拟的原始水文地质依据。常用的数据引擎包括：ArcView数据引擎、DTM/DEM数据引擎、ORACLE等数据库引擎、以及其它构网软件数据引擎等。

（4）通过基于组件的面向服务的构建模式集成技术，允许实时地选择并组织不同的构建流程，完成各种所需功能。对采区现有可利用数据和资料进行分析、归类、数字化，通过数据管理工具进行模型的选择、存储、导入和导出等操作。

（5）采区三维水流动态模拟主要依据现有的来自GMS、GIS、数据库以及异构系统的数据，充分利用这些数据并进行有效的耦合/集成是非常必要的。采用上述数据引擎驱动方法，加强三维地质模拟系统的输入、输出功能，融合各种类型的数据。

（6）采用矢栅混合模型、体边混合模型以及数据时空动态转换方法，将单元结点（点类对象）、虚拟井（线类对象）、流线（线类对象）、水位（面类对象）、含水层（体类对象）等异种数据模型集成，建立地下水模拟所需的各种模型。

（7）为了真实感地实现三维地下水流动态仿真，需要以各个含水层的顶、底板标高为依据，建立各含水层的网格模型。

（8）在原始采集数据的基础上进行插值计算，或从GIS、GMS等系统导入水位数据，并采用自适应的约束Delaunay三角化方法，自动构建动态水位的有限元网格模型。

（9）计算相关数据导入，包括各个时期的源汇项数据、影响阀值、时间步长、水文地质参数、边界条件等数值模拟计算所需要的各类数据或参数。确定参数分区及其相应的参数值，如渗透系数等，并进行参数分区的导入或导出操作。

（10）实现潜水含水层和承压含水层虚拟开采井抽水预测模拟。选择一个或多个感兴趣的流场作为地下水资源计算和预测的初始流场，建立虚拟单井或虚拟多井进行流场预测模拟，以反映虚拟开采井条件下的流场变化，仿真地下水流动。

（11）基于地下水水位动态监测资料，利用拟合与插值技术，实现水位动态预测模拟，可以连接时间历史资料或预测资料实现地下水流动的仿真显示与预测。

（12）基于有限元数值计算理论，针对地下水数值模拟计算的某一时刻的流场，以含水层模型中含水层顶底板标高为样本数据，利用水流模型生成流线，并采用粒子系统理论、多线程等技术，实现含水层地下水运移仿真。

（13）模拟精度与可靠性检测。如果地下水仿真精度或可靠性无法满足要求，则可通过分析不同情况，分别转入相应步骤重新调正数据或参数，直到满足应用需求为止。

（14）在虚拟水文地质场景中进行地下水渗流场仿真模型与含水层模型动态实时模拟与一体化显示，同时在网络环境中实现3DWEB信息发布与查询。可以运用交互操作、信息查询等工具对VR环境和WEB环境中的各类模型进行交互式分析、预测与评价，为预测采区地下水资源未来发展状况和演化趋势，提供合理开发利用水资源、保护生态环境管理决策的科学依据。

2、地下水渗流场模拟方法

2.1单元基函数

采用有限元数值计算理论，地下水流场可以离散化为有限个三角形或四面体单元。根据单元中结点数目及对近似解可微性要求，选择满足一定插值条件的插值函数为单元基函数。

三角单元基函数。设三角形单元平面方程为：

                           （10-1）

三角形三顶点处的水头值可表示为：

                                    （10-2）

则基函数为：

                              （10-3）

四面体单元基函数。对于四面体内部各点的水头用线性插值方法确定，即设单元e内的水头近似函数为：

                          （10-4）

设（i, j, k, m）为四面体单元e的四个结点，结点处的水头分别为（H_i, H_j, H_k, H_m），则有：

     (10-5)

其中，

假设：

                       (10-6)

于是上式可写成：

              （10-7）

2.2流速计算

二维流速计算。设单元内任意一点p(x,y)处水头为：

                (10-8)

根据达西定理和公式10-3，可求得平面上p点流速：

三维流速计算。设四面体内一点P，(ω_A ,ω_B ,ω_C ,ω_D ) 为四面体中每个结点的权值，则点P对应点物理量值E（向量）为：

E ( P) = ω _A E A + ω _B E B + ω _C E C + ω _D E D　  　　                (10-11)

运用公式10-6、公式10-7，可求得四面体流场中点P的速度分量为：

2.3流径点坐标计算

设初始点位置为P0(x,y,z)，流径点序列为P0P1P2…PiPj…Pn。考虑当前为Pi时，下一个点Pj的坐标计算方法。

1）由流速计算公式10-9、10-12可求得点Pi的流速（Vx,Vy,Vz）。

2) 由Pi的流速可求得以点Pi为原点的射线方程。

3) 计算Pi所属单元的（maxX,maxY,maxZ）和（minX,minY,minZ）值。

4）联立射线方程即可求出交点坐标p，结合公式10-2，可求得Pj。

从初始P0开始，重复步骤1) -- 4），即可得到流径点序列P0P1P2…PiPj…Pn的坐标。

2.4属性识别

地下水流场离散化为若干个三角形或四面体，这些单元蕴含着不同的地下水的属性特征，设P为地下水的属性特征集合，根据他们在地下水模拟算法中的作用，将这些属性特征依照其优先级的顺序依次排列为：

P={边界,分水岭,包气带,疏干区,降落漏斗,源汇项,示踪模式起始点,流线途径单元}

其中，属性特征值就是该属性在属性特征集合P中的位置。

假设地下水流场离散化的三角形或四面体单元集合为T，对于VC∈T，记Cp为C的属性，如果C的属性为Pi (Pi∈P, I=1..8)，则Cp=I，完成单元的属性识别。

3、数据管理

数据模型的存取模式与采区的数据量有关，主要分为3种：

1）保存核心和拓展两个数据模型。当需要进行流场模拟时，直接调入即可。主要适合数据量小的流场模拟；

2）仅仅保存核心数据模型。当需要进行流场模拟时，根据核心数据自动重构拓展数据模型，模拟结束后，释放内存空间。主要适合数据量中等的流场模拟；

3）只保存核心数据模型。当需要进行流场模拟时，按照分区自动重构相关区内的拓展数据模型，模拟结束后，释放内存空间，再自动选择下一个分区重复上述操作。主要处理海量数据。

为此，本发明设计了R-Tree一个动态的索引结构链表实现数据管理和空间搜索。设N为分区个数，Rib(I∈(1,N))表示采区分区情况，可以由用户在建立流场网格模型时给定，或者由流场模拟算法自动划分。对于数据量较小的流场模拟，则N=1，不进行分区操作。每个分区包含两个指针*pT和*pE，分别指向核心数据模型和拓展数据模型。*pT中包含一系列单元，而*pE中又分别包含多个指针，如*pP指向一系列点-面拓扑数据，*pS指向一系列体-体拓扑数据等。在存取1）模式中，pE!=NULL；而2）、3）模式中，pE=NULL，需要根据*pT进一步动态建立与释放。

4、三维动态可视化分析与发布

4.1  VR可视化分析

地质科学工作的自然性特征意味着对地下环境的观察研究是通过采样或遥感设备间接进行的，因而虚拟环境中的可视化设计是非常重要的技术，它允许地质学者综合测评从仪器数据中提取出来的模型，并有利于问题的解释和理解。随着科学可视化技术的发展，地下水运移仿真模型的表现形式也随之丰富起来，为地质学者提供了观察复杂地质数据的新方法和新手段。

本发明地下水的可视化设计主要包括：

地下含水层与水位的三维可视化显示主要通过用户交互式选择需要绘制的含水层或水位，进行相应地参数设置完成。可以添加光照模型、纹理映射、透明度设计等来增强显示的效果。

地下水流场模拟显示主要实现地下水渗流场的绘制。利用地下水位监测数据，或利用系统模拟分析某时刻的水位数据，可生成指定含水层指定时刻的地下水渗流场图。本发明系统生成的地下水渗流场图由点、线、面三类对象组成一个或多个文件。用户关闭该窗口时系统将提示存盘。若保存，本发明系统将该地下水渗流场图交给数据管理模块保存。

三维动态显示是在水位绘制、剖面图生成与绘制模块的基础上的进一步延伸。本发明系统可直接显示动态的水位，以表示不同时刻水头地变化情况；另外，系统在给定的选择范围生成剖面立体图后，给出的显示过程是静态的。为使该三维立体图以动态的形式旋转，显示不同的侧面，就需要该图不停地改变视角，取得动态效果，并可根据需要控制其旋转速度。在流线生成之后，还可以实现流线的动态显示。由于流线是一种线对象，缺少投影变形，作为一种可视化表达方法有其局限性。为了增强流线的可视化表现能力，采用基于光照的流线可视化技术。

等水位线生成与填充主要功能是彩色等值线图的生成与绘制。处理过程是：首先接受用户点击菜单消息后提示用户选择格网文件，然后设置参数，绘制等值线，并将结果显示在屏幕上，如果保存则将绘图结果写入磁盘。

立体图生成与绘制主要功能是由用户交互式地选择一个工作区，产生感兴趣地立体子区域，再将选择的子区域绘制出来。

剖面图生成与绘制主要功能是生成剖面图，并绘制。处理过程是：首先接受用户点击菜单消息进入鼠标状态，再接受用户的鼠标单击消息获得两个点，计算两点所连的直线并联合网格计算出剖面，最后将剖面显示出来。

立体栅状图生成与绘制主要功能是立体栅状图的生成与绘制。它是剖面图生成功能的进一步延伸，纵横交错的剖面图经过一定规则的组合后生成立体栅状图。由用户在平面地理图形上绘出制作立体栅状图的范围，并给出纵横交错的剖面数，本发明系统自动从空间数据库搜索相关数据信息，首先处理形成不同的剖面，并将这些剖面进行必要的变换后组合成立体栅状图。

设计立体图、剖面图、立体栅状图等的目的是为了从剖面或三维含水层上显示选定时间段的水位变化状况，或从剖面或空间上显示地下水的流动状况。

模型一体化显示主要解决三维含水层模型与水流仿真模型二者之间的藕合与一体化显示。在显示三维含水层模型的前提下，同时显示空间数据场模型，主要包括：两种数据模型的同时显示；以及两种模型的空间位置上的藕合，如地下水体与含水层之间。

4.2  3D WEB发布

3DWEB技术是实现Internet展示的核心和前沿技术，可以将三维地下水仿真模型转换为在Internet的IE中浏览的IE文件。地质学者可在任意一台连上互联网的客户端访问，实现在IE网页中的全三维场景的浏览和交互、查询。

主要实现方法为：

1）采用基于WEB开放式的体系设计，提供一个分布式、协同操作、可升级的C/S环境，包括数据库服务器、图形工作站、以及客户端。

数据库服务器--存储、管理三维地下水模型的空间数据、数值模拟的前处理数据参数等、以及基于知识的规则库、3D图元等文件。

图形工作站--实现三维地下水数值模拟。

客户端--分为两类，一类是允许本地下载并实现VR可视化分析；一类是通过IE网页实现浏览与查询功能。

2) 在IE网页中建立一个VR三维水文地质虚拟场景，并将三维地下水仿真模型转换为IE浏览器可接受的文件格式。

3) 通过交互式工具完成人机互动虚拟漫游，使地质学者可以“行走”在地下不可见的空间，从不同角度观察地下水情况。

4) 地质学者可以使用信息查询工具选择VR场景中的各类模型，通过数据库接口工具来访问由数据库服务器存储管理的地下水相关数据信息，如参数分区、观测孔过程线对比信息、各时期地下水水头的历史数据和模拟预测数据等。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有点和效果：

1、本发明利用数值模型对地下水流和溶质运移等问题进行仿真模拟，尤其是针对人们无法直接观察的地下水的动态，通过本发明方法能够将地下水赋存环境、运动规律和动态特征直接可以展现在人们面前，得到比较全面、准确地揭示。

2、本发明整体设备造价低廉，运行灵活，有效。

附图说明

图1为本发明仿真环境与数据流示意图

图2为本发明地下水动态仿真流程示意图

图3为本发明可视化系统功能示意图

图4为本发明实施例数据模型的管理结构示意图

图5为本发明实施例水位模型示意图

图6为本发明实施例含水层模型示意图

图7为本发明实施例观测孔过程线对比图

图8为本发明实施例三维含水层，水位叠加模型示意图

图9为本发明实施例水位含水层立体透视图

图10为本发明实施例水位在时空中的变化图

图11为本发明实施例地下水流线剖视图

图12为本发明实施例虚拟开采井抽水预测模拟视图

图13为本发明实施例数据查询参数分区视图。

具体实施方式

如图1所示为地下水仿真的软硬件环境，其中：“箭头”方向表示地下水模拟的数据流向。

1．  软件环境

本发明的开发环境：Windows操作系统系列（Windows XP及以上操作系统）；Microsoft Visual Studio 2005；Microsoft Office；数据库（如Access、Oracle、SQL Server等）。

本发明的运行环境：Windows操作系统系列（Windows XP及以上操作系统）；数据库。本发明系统提供的功能主要有：系统集成、数据管理、建立模型、地下水数据前处理、地下水动态模拟、VR可视化、3DWEB信息发布、交互操作、信息查询、以及地下水可视化分析、预测与评价等。

2．  硬件环境

本发明网络版的硬件环境主要包括：地下水动态勘察孔、监测网/Internet网、服务器、图形工作站及PC机系列（支持P4以上各种系列主机）、数字化仪、扫描仪、绘图机、激光打印机或喷墨打印机或网络打印机等。

本发明单机版硬件的最低配置是支持P4以上各种PC机系列。

下面以北京市平原区地下水流应用情况为实施例对本发明作进一步描述：

1、数据集成与管理：从GIS、GMS等系统导入水位数据及其相关数据和信息。充分搜集采区的现有钻孔数据、物探信息、地质图、地质构造图以及相关地质资料，并通过数字化仪、扫描仪，将原始数据数字化，采用数据库工具管理、维护、处理信息，使用MapGis 或 ARCGIS9.0软件生成一系列图层文件。

数据模型的管理结构如图4。

数据模型分为地质模型和水文模型。地质模型又包括TEN和TIN；水文模型包括参数分区、含水层、水位以及流线。

参数分区存贮GIS参数分区，包含四层含水层的参数划分区域，以及各个区域的K值等属性信息。

含水层描述四层含水层模型，包括三类数据格式文件，分别为shp文件、文本文件、以及本发明系统的sis文件。

水位模型包括模拟期水位1995（4*12）、验证期水位2000（4*12）、第一时期(2005.1-2007.12)第一方案（4*36）、第一时期(2005.1-2007.12)第二方案（4*36）、第二时期(2008.1-2009.12)第一方案（4*24）、第二时期(2008.1-2009.12)第二方案（4*24）、第三时期(2010.1-2014.12)第一方案（4*60）、第三时期(2010.1-2014.12)第二方案（4*60）、第四时期(2015.1-2019.12)第一方案（4*60）、第四时期(2015.1-2019.12)第二方案（4*60）、以及历史水位等。每个目录包括相应的headX、layX-region、动态水位headX等文件。历史水位数据主要包括1995年和2000年的观测孔数据。

流线主要用于存储动态生成的离散流线和连续流线。

2、水文地质模型导入与重构

水位数据格式

含水层数据格式

ID

K

I

J

X

Y

top1

top2

top3

top4

BOT4

水位模型

考虑到北京平原区水位模型多、数据量大，本发明提供三种模型存取方式：

1)        选择模型——读入选择的模型，整体读入一个sis文件中的所有模型；

2)        选择对象——仅仅读入选择文件中第几个对象的模型，这种功能使用户可以有选择读入感兴趣的独立的对象模型，便于比较分析。如可以选择读入模拟期水位1995HEAD2中第3时段的水位模型、选择读入验证期水位2000HEAD2中第3时段的水位模型，进行各种显示和分析；

3)        保存模型——仅仅保存数据管理视窗中选择显示的对象作为一个文件模型，用户可以选择感兴趣的水位模型，进行自由组合，形成一个sis文件，方便之后调用。如可以选择第一时期(2005.1-2007.12)第二方案HEAD1中的第一时段、第二时期(2008.1-2009.12)第二方案HEAD1中的第一时段、第三时期(2010.1-2014.12)第一方案HEAD1中的第一时段、以及第四时期(2015.1-2019.12)第一方案HEAD1中的第一时段等组合成一个新的sis文件保存。以后通过选择模型可以方便地进行读入、显示、分析等。

图5分别表示lay1_model1995_Heads_31.0、"lay2_ model1995_Heads"_31.0、"lay3_ model1995_Heads"_31.0、"lay4_ model1995_Heads"_31.0水位模型。

含水层模型：

1)        选择主菜单中的数据管理项目，从数据导入栏中选择GMS导入；

2)        选择含水层导入，此时，本发明系统利用CFileDialog类弹出文件选择框，供用户选择来自GMS的含水层顶地板标高数据文件（*txt）；

3)        将导入的含水层顶地板标高数据文件自动转换成本发明可接受的文件格式，并生成含水层顶地板标高T曲面模型；

4)        用R-Tree链表结构对T曲面模型进行数据的存储管理，并将模型以“.sis”文件作为临时层面文件保存；

5)        以上述T曲面模型为依据，建立四层含水层的层状模型如图6，每层含水层包含顶板、地板两层。此含水层模型主要用于地下水流线生成以及虚拟井模拟的顶地板标高数据。

参数分区：

1）参数分区的数据格式。参数分区数据以shape文件格式存储，分区边界的类型为多边形。将shp分区导入本发明系统后需要转化成有限元的网格单元形式，其数据格式如下：

2）参数分区导出

由于流线等模拟采用有限元的方法，因此，需要将来自GMS的shape文件中的参数分区转化为三角形网格节点参数，具体步骤如下：

i. 将参数分区的shp文件导入本发明系统；

ii. 基于各个含水层的参数分区边界，确定三角形单元的参数分区值；

iii. 导出参数分区文件（.prg）

观测孔过程线对比图：

历史水位数据以观测孔数据为主，且采区内的数据量比较少。考虑到这些因素，本发明设计了曲线拟合功能，显示历史水位对应的实测和模拟过程线对比图。

观测孔数据分为“潜水”对应模型第一含水层组的观测孔和“承压水”对应模型第二含水层组观测孔，其观测孔数据格式为：

其中，数据体中个字段含义具体如下：列A：孔号；列B：GMS水流模型中该观测孔所在网格中心位置的ID标识；列C：观测孔X坐标；列D：观测孔Y坐标；列D：观测孔Z坐标；列E: 观测孔所在区县；列F：观测孔所在乡名；列G：观测孔所对应的水位实测值（第一行）、模拟值（第二行）；列H：1月初水位值；列I-T：各月末水位值

本发明系统提供了一个交互式选择感兴趣的观测孔，并显示其对应的实测和模拟过程线对比图，具体设计为：

1)        观测孔数据导入，从数据管理菜单中选择感兴趣的历史水位数据，导入到内存中；

2)        交互式拾取一个感兴趣的观测孔；

本发明系统将对所选择的观测孔，显示其对应的实测和模拟过程线对比图（如图7）。由于采用了VC对话框技术，因此，提供多个过程线对比图同时显示，便于分析比较。

3、可视化分析与预测：

允许多层次、多细节地揭示地质界面、构造界面以及断层块等地质现象，通过对三维水文地质模型的剥离、选择、提取等操作，表现三维模型的局部特征（图8）。

立体透视式技术使三维模型中的不同对象具有不同的透视力，更好地表现地质对象之间的关系。图9中左、右图分别表示流线、水位和含水层叠加后一般显示和透明显示。

图10a水位"lay2_MOD1013_Heads"_90.0的模型；以"lay2_MOD1013_Heads"_90.0和下一个水位"lay2_MOD1013_Heads"_120.0为关键帧，取插值时段3，图10（b1,b2,b3,b4）分别表示从关键帧到插值帧的动态变化过程，如果动态模拟过程水位变化不平滑，存在跳跃现象，可以通过调整插值时段的取值，得到用户满意的动态模拟结果；也可以在一个或多个剖面上观察水位的动态变化过程，图10d是上述动态模拟时，在图所示的切面上的水位变化，从左至右对应图（b1,b2,b3,b4）的时段水位。用户可以通过鼠标任意选择一个感兴趣的区域，观察局部区域内水位变化情况（图10e）；也可以通过鼠标任意选择一个切面，观察剖面上水位变化情况10f。

图11基于含水层模型，交互式生成的剖面上的地下水流线。其主要步骤为：1）交互式剖切一个剖面；2）建立一个流线对象；3）基于该剖面，交互式生成一系列地下水模拟流线。

图12 为多个虚拟开采井下的流场模拟与预测分析。用户利用鼠标交互式在感兴趣的位置生成多个虚拟井，并输入相关的一系列参数，如储（释）水系数、影响阀值、计算精度、抽水量等，动态模拟开采井下的水位变换，密度基值为6，初始水位设计为H0非水平，含水层为lay3；参数分区从lay3-region.prg文件导入。

对当前选择对象实现分类信息的查询操作。水文数据主要实现参数分区数据查询。例如对第一含水层的参数进行交互查询。图13(a)为一层含水层的参数分区显示，图13(e)表达第一含水层查询并显示参数分区为3的区域。

Claims (5)

1.一种对地下水流仿真与预测分析方法，主要是通过对采区地下水数据进行动态观测与采集，利用数据引擎将不同时期、不同格式的多源地下水数据集成到图形工作站中，并建立各含水层的网格模型、自动构建动态水位的有限元网格模型，同时确定参数分区及其相应的参数值，从而实现潜水含水层和承压含水层虚拟开采井抽水预测模拟、水位动态预测模拟、以及含水层地下水运移仿真；在设计的软、硬件环境中进行地下水渗流场仿真模型与含水层模型动态实时模拟与一体化显示，运用交互操作、信息查询等工具对VR环境和WEB环境中的各类模型进行交互式分析、预测与评价。

2.根据权利要求1所述的地下水流仿真与预测分析方法，其特征在于：所述的地下水流仿真步骤如下：

（1）对采区地下水的水位、水量、流速、水质进行定期动态观测；

（2）采区地下水数据采集，通过网络导入远程或本地服务器的数据库中；

（3）通过数据引擎实现将不同时期、不同格式的多源数据导入到系统中，作为三维模拟的原始水文地质依据；

（4）对采区现有可利用数据和资料进行分析、归类、数字化，通过数据管理工具进行模型的选择、存储、导入和导出等操作；

（5）采用上述数据引擎驱动方法，加强三维地质模拟系统的输入、输出功能，融合各种类型的数据；

（6）采用矢栅混合模型、体边混合模型以及数据时空动态转换方法，将单元结点、虚拟井、流线、水位、含水层等异种数据模型集成，建立地下水模拟所需的各种模型；

（7）以各个含水层的顶、底板标高为依据，建立各含水层的网格模型；

（8）在原始采集数据的基础上进行插值计算，或从GIS、GMS等系统导入水位数据，并采用自适应的约束Delaunay三角化方法，自动构建动态水位的有限元网格模型；

（9）计算相关数据导入，包括各个时期的源汇项数据、影响阀值、时间步长、水文地质参数、边界条件等数值模拟计算所需要的各类数据或参数；确定参数分区及其相应的参数值，如渗透系数等，并进行参数分区的导入或导出操作；

（10）实现潜水含水层和承压含水层虚拟开采井抽水预测模拟；选择一个或多个感兴趣的流场作为地下水资源计算和预测的初始流场，建立虚拟单井或虚拟多井进行流场预测模拟，以反映虚拟开采井条件下的流场变化，仿真地下水流动；

（11）基于地下水水位动态监测资料，利用拟合与插值技术，实现水位动态预测模拟，连接时间历史资料或预测资料实现地下水流动的仿真显示与预测；

（12）基于有限元数值计算理论，针对地下水数值模拟计算的某一时刻的流场，以含水层模型中含水层顶底板标高为样本数据，利用水流模型生成流线，并采用粒子系统理论、多线程等技术，实现含水层地下水运移仿真；

（13）模拟精度与可靠性检测：如果地下水仿真精度或可靠性无法满足要求，则可通过分析不同情况，分别转入相应步骤重新调正数据或参数，直到满足应用需求为止；

（14）在虚拟水文地质场景中进行地下水渗流场仿真模型与含水层模型动态实时模拟与一体化显示，同时在网络环境中实现3DWEB信息发布与查询。

3.根据权利要求2所述的地下水流仿真与预测分析方法，其特征在于：所述数据模型的存取模式主要分为3种：

（1）保存核心和拓展两个数据模型：当需要进行流场模拟时，直接调入即可，主要适合数据量小的流场模拟；

（2）仅仅保存核心数据模型：当需要进行流场模拟时，根据核心数据自动重构拓展数据模型，模拟结束后，释放内存空间，主要适合数据量中等的流场模拟；

（3）只保存核心数据模型：当需要进行流场模拟时，按照分区自动重构相关区内的拓展数据模型，模拟结束后，释放内存空间，再自动选择下一个分区重复上述操作；主要处理海量数据。

4.根据权利要求1所述的地下水流仿真与预测分析方法，其特征在于：所述的地下水流三维动态可视化分析与发布步骤如下：

（1）VR可视化分析：地下含水层与水位的三维可视化显示主要通过用户交互式选择需要绘制的含水层或水位，进行相应地参数设置完成，可以添加光照模型、纹理映射、透明度设计等来增强显示的效果；

（2）3D WEB发布，采用基于WEB开放式的体系设计，提供一个分布式、协同操作、可升级的C/S环境，包括数据库服务器、图形工作站、以及客户端；在IE网页中建立一个VR三维水文地质虚拟场景，并将三维地下水仿真模型转换为IE浏览器可接受的文件格式；通过交互式工具完成人机互动虚拟漫游，使地质学者可以“行走”在地下不可见的空间，从不同角度观察地下水情况；使用信息查询工具选择VR场景中的各类模型，通过数据库接口工具来访问由数据库服务器存储管理的地下水相关数据信息。

5.根据权利要求1所述的地下水流仿真与预测分析方法，其特征在于：所述的地下水渗流场模拟方法采用有限元数值计算理论，地下水流场离散化为有限个三角形或四面体单元，根据单元中结点数目及对近似解可微性要求，选择满足一定插值条件的插值函数为单元基函数；

三角单元基函数，设三角形单元平面方程为：

                           （10-1）

三角形三顶点处的水头值可表示为：

                                    （10-2）

则基函数为：

                              （10-3）

四面体单元基函数，对于四面体内部各点的水头用线性插值方法确定，即设单元e内的水头近似函数为：

                          （10-4）

设（i, j, k, m）为四面体单元e的四个结点，结点处的水头分别为（H_i, H_j, H_k, H_m），则有：

     (10-5)

其中，

     假设：

                       (10-6)

     于是上式可写成：

              （10-7）

二维流速计算：设单元内任意一点p(x,y)处水头为：

                (10-8)

根据达西定理和公式10-3，可求得平面上p点流速：

         

三维流速计算，设四面体内一点P，(ω_A ,ω_B ,ω_C ,ω_D ) 为四面体中每个结点的权值，则点P对应点物理量值E（向量）为：

E( P) = ω _A  EA + ω _B  EB + ω _C  EC + ω _D  ED　  　　                (10-11)

运用公式10-6、公式10-7，可求得四面体流场中点P的速度分量为：

 

流径点坐标计算，设初始点位置为P0(x,y,z)，流径点序列为P0P1P2…PiPj…Pn,考虑当前为Pi时，下一个点Pj的坐标计算方法;

1）由流速计算公式10-9、10-12可求得点Pi的流速（Vx,Vy,Vz）;

2) 由Pi的流速可求得以点Pi为原点的射线方程;

3) 计算Pi所属单元的（maxX,maxY,maxZ）和（minX,minY,minZ）值;

4）联立射线方程即可求出交点坐标p，结合公式10-2，可求得Pj; 

从初始P0开始，重复步骤1) -- 4），即可得到流径点序列P0P1P2…PiPj…Pn的坐标; 

属性识别:地下水流场离散化为若干个三角形或四面体，这些单元蕴含着不同的地下水的属性特征，设P为地下水的属性特征集合，根据他们在地下水模拟算法中的作用，将这些属性特征依照其优先级的顺序依次排列为：

P={边界,分水岭,包气带,疏干区,降落漏斗,源汇项,示踪模式起始点,流线途径单元}

其中，属性特征值就是该属性在属性特征集合P中的位置，假设地下水流场离散化的三角形或四面体单元集合为T，对于VC∈T，记Cp为C的属性，如果C的属性为Pi (Pi∈P, i=1..8)，则Cp=i，完成单元的属性识别。

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