CN106874560A - 一种傍河水源地优化布井方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种傍河水源地优化布井方法，所述傍河水源地优化布井方法包括：根据水源地常规布井法设置初始布井方案；根据所述研究区实际水文地质条件，建立地下水水流模型和污染物迁移转化模型；结合研究区实际水文地质条件，利用地下水水流模型和污染物迁移转化模型设置开采井个数目标函数、布井方式目标函数、井间距目标函数和约束条件；结合所述约束条件依次对开采井个数目标函数、布井方式目标函数和井间距目标函数进行优化得到傍河水源地优化布井方案。通过建立地下水水流模型和污染物迁移转化模型，能够在约束条件下对傍河水源地开采井个数、布置形式、井间距等因素进行优化，以获取最优布井结果。

Description

一种傍河水源地优化布井方法

技术领域

本发明涉及水源利用治理技术领域，特别是指一种傍河水源地优化布井方法。

背景技术

近年来，傍河水源地取水具有明显的优势：傍河水源地不会发生因河流河床摆动所引发引水口的脱流断水危机城市供水安全的问题；河岸带过滤系统对河流水质具有净化作用，使得水源地水质得到保证。鉴于傍河水源地水量稳定、水质优越等特点，在国内傍河水源地得到了广泛应用，是我国比较常见的地下水开发类型。其中东北地区傍河水源地建设和使用历史最为悠久，早在1950前后东北地区已经将傍河区域纳入到了水文地质勘查范围之内，并在这一时期建立了国内第一批具有一定开采规模傍河水源地，以解决当地工农业及生活用水需求。统计资料显示的我国1243处地下水水源地中，傍河水源地大约有300多个，占地下水水源地总数的24％左右，在我国供水系统中起着不可替代的重要作用。如黄河、海河、滦河等以地下水作为供水水水源地的城市及工业基地均以傍河水源地作为主要供水水源。综合以上研究状况不难看出，傍河水源地在我国有大量的建设实践，并且在整个供水系统中占据重要的位置，这表明傍河水源地在我国的建设具有很强大的适用性。但是也存在一部分问题，比如布井数量、布井方式、井间距设置不合理等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种傍河水源地优化布井方法，能够全面准确优化的确定傍河水源地布井方式。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种傍河水源地优化布井方法，所述傍河水源地优化布井方法包括：

根据水源地常规布井法设置初始布井方案；

根据所述研究区实际水文地质条件，建立地下水水流模型和污染物迁移转化模型；

结合研究区实际水文地质条件，利用地下水水流模型和污染物迁移转化模型设置开采井个数目标函数、布井方式目标函数、井间距目标函数和约束条件；

结合所述约束条件依次对开采井个数目标函数、布井方式目标函数和井间距目标函数进行优化得到傍河水源地优化布井方案。

优选的，所述常规布井法为平均布井法，所述初始布井方案包括布井数量、布井方式和井间距。

优选的，所述地下水水流模型如下：

W＝ε(x,y,z,t)-∑Q_Lδ(x-x_L,y-y_L,z-z_L)

其中，Q_L为计算区域，Г为区域边界，Г1为一类边界，Г2为二类边界，q(x,y,z,t)为单位宽度补给量，ε(x,y,z,t)为单元补给强度，Q_L为第L口井开采量(L＝1,2…υ)，δ(x-x_L,y-y_L,z-z_L)为点(x_L,y_L,z_L)处的δ函数，h(x,y,z,t)为区内任一点水头标高，b为含水层底板标高；

所述污染物迁移转化模型如下：

其中，θ为表示含水层的孔隙度，R为延迟因子；t为时间，Γ为柯西边界；Ω为模拟渗流区，c为溶液中硝酸盐氮浓度值；为溶质组分的浓度，D_ij为是水动力弥散系数张量，v为是孔隙中实际水流速度，q_s为表示单位时间从单位体积含水层流入或流出的水量，c₀为初始溶质浓度，c_s为是源汇项溶质的浓度，c_q为是边界流量所对应的溶质的浓度。

优选的，所述开采井个数目标函数如下：

其中，y_i为水源地备选井i在稳定开采条件下的开启或关闭，若开采井开启则y_i＝1，否则y_i＝0，N为开采井数目；

所述布井方式目标函数如下：

其中，Q_i为水源地开采井i在稳定开采条件下的开采量，N为开采井数目；

所述井间距目标函数如下:

优选的，所述约束条件包括降深约束、水量约束、井间距约束和水质约束中的至少一种。

优选的，所述结合所述约束条件依次对开采井个数目标函数、布井方式目标函数和井间距目标函数进行优化得到傍河水源地优化布井方案，包括：

判断目标函数的函数值是否满足约束条件，并评估目标函数；

当各目标函数的函数值超出约束条件，通过遗传算法等对决策变量进行处理，产生新的决策变量组；

结合新的决策变量组依次评价状态变量和目标函数，确定最优的决策变量，得到傍河水源地优化布井方案。

优选的，所述结合新的决策变量组依次评价状态变量和目标函数，包括：

结合新的决策变量组依次评价状态变量和目标函数，使得状态变量和目标函数且能够满足约束条件和成本最低目标函数的要求。

优选的，所述结合新的决策变量组依次评价状态变量和目标函数，包括：

根据地下水水流模型和污染物迁移转化模型结合所述约束条件和开采井个数目标函数对开采井个数进行优化分析，得到开采井个数优化结果。

优选的，所述结合新的决策变量组依次评价状态变量和目标函数，包括：

选取不同布井方案，据地下水水流模型和污染物迁移转化模型结合布井方式目标函数，以最大抽水量为布井方案的评判依据，对不同布井方案在相同约束条件下进行优化分析，得到布井方式优化结果。

优选的，所述结合新的决策变量组依次评价状态变量和目标函数，包括：

在水源地位置不变，开采井个数相同，布井方式相同的条件下，根据地下水水流模型和污染物迁移转化模型结合所述约束条件和井间距目标函数对井间距进行优化分析，得到井间距优化结果。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，通过建立地下水水流模型和污染物迁移转化模型，能够在约束条件下对傍河水源地开采井个数、布置形式、井间距等因素进行优化，以获取最优布井结果。

附图说明

图1为本发明实施例的傍河水源地优化布井方法流程图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例的一种傍河水源地优化布井方法，所述傍河水源地优化布井方法包括：

步骤101：根据水源地常规布井法设置初始布井方案；

其中，所述常规布井法为平均布井法，所述初始布井方案包括布井数量、布井方式和井间距。平均布井法可以包括：矩形布井、三角形布井、梅花形布井，开采井的供水总量必须满足设计需水量，本着技术上合理、经济上安全的原则确定水井(井组)的数量与井间距离。取水地段范围确定之后，井数主要决定于该地段的允许开采量或设计总需水量和井间距离，以及单井出水量的大小。

具体的，可以根据研究区的规划开采量、单井涌水量及平均布井条件下开采井经群干扰系数等三个指标确定开采井个数：

其中，q_i——为单井涌水量；Q_p——为规划开采量；N——为开采井个数；α——井群干扰系数。

集中式供水水井井间距的确定，采用解析法井流公式计算，通常状况下井间干扰强度即井群干扰系数需保证在20％-25％之间，可以取干扰系数为25％条件下开采井的井间距离作为水源井初步布设井间距，将傍河水源地潜水含水层中井确定r-a曲线用到的计算公式列出：

在仿泰斯公式的基础上，采用映射迭加原理，得到i井以定流量Q单独抽水时，f时刻在距i井r_m处的降深计算公式为：

s'(r,t)为修正降深，且有

式中，

s(r,t)为f时刻距i井r_m处的水位降深；H为潜水含水层的厚度；K为潜水含水层的渗透系数im潜水含水层的给水度；h_cp为t时刻降落漏斗范围内潜水含水层的平均厚度r_w为抽水井半径；r为计算点到i井的距离；r'为计算点到i井的映射井的距离。

再在仿泰斯公式的基础上，采用映射迭加原理，推导出排井各以不同的定流量抽水时,t时刻任一点处的降深计算公式为：

修正降深：

可以首先计算当第i口井单独以定流量Q抽水时t时刻在i井井壁凡rw处的降深值s(rw，t)，再计算：井排的N口井各以不等的定流量Q，抽水，限定t时刻各井井壁处均达到s(r,1,t)值时，各井的定流量Q值。每改变一次井距离ri，则N口井均得到各自的Qi值，即Qij(i＝l，…，N；j＝l，…，m)。

干扰系数计算公式：

将计算出的Qij(i＝l，…，N；j＝l，…，m)及1)中所取的定流量Q代入，即可计算出与井间距ri对应的各井的干据系数aij(i＝l，…，N；j＝l，…，m)。

中计算出的rj-aij(i＝l，…，N；j＝l，…，m)系列数据，绘制出井排中不同井的曲线，采用ri-aij曲线确定最佳配合点。由于井间距计算过程较为复杂，中间计算数据较为庞杂，宜采用FORTRAN程序来编程计算，已提高计算效率及结算结果的准确性。

步骤102：根据所述研究区实际水文地质条件，建立地下水水流模型和污染物迁移转化模型；

其中，水文地质条件包括含水层概化、边界条件、水文地质参数，所述水文地质参数包括渗透系数和源汇项，所述地下水水流模型如下：

W＝ε(x,y,z,t)-∑Q_Lδ(x-x_L,y-y_L,z-z_L)

其中，Q_L为计算区域，Г为区域边界，Г1为一类边界，Г2为二类边界，q(x,y,z,t)为单位宽度补给量，ε(x,y,z,t)为单元补给强度，Q_L为第L口井开采量(L＝1,2…υ)，δ(x-x_L,y-y_L,z-z_L)为点(x_L,y_L,z_L)处的δ函数，h(x,y,z,t)为区内任一点水头标高，b为含水层底板标高；

所述污染物迁移转化模型如下：

其中，θ为表示含水层的孔隙度，R为延迟因子；t为时间，Γ为柯西边界；Ω为模拟渗流区，c为溶液中硝酸盐氮浓度值；为溶质组分的浓度，D_ij为是水动力弥散系数张量，v为是孔隙中实际水流速度，q_s为表示单位时间从单位体积含水层流入或流出的水量，c₀为初始溶质浓度，c_s为是源汇项溶质的浓度，c_q为是边界流量所对应的溶质的浓度。

在建立地下水水流模型和污染物迁移转化模型之后还可以对建立的模型进行参数识别和模型验证，

步骤103：结合研究区实际水文地质条件，利用地下水水流模型和污染物迁移转化模型设置开采井个数目标函数、布井方式目标函数、井间距目标函数和约束条件；

其中，所述开采井个数目标函数如下：

其中，y_i为水源地备选井i在稳定开采条件下的开启或关闭，若开采井开启则y_i＝1，否则y_i＝0，N为开采井数目；

所述布井方式目标函数如下：

其中，Q_i为水源地开采井i在稳定开采条件下的开采量，N为开采井数目；

所述井间距目标函数如下:

所述约束条件包括降深约束、水量约束、井间距约束和水质约束中的至少一种。

步骤104：结合所述约束条件依次对开采井个数目标函数、布井方式目标函数和井间距目标函数进行优化得到傍河水源地优化布井方案。

其中，所述结合所述约束条件依次对开采井个数目标函数、布井方式目标函数和井间距目标函数进行优化得到傍河水源地优化布井方案，包括：

判断目标函数的函数值是否满足约束条件，并评估目标函数；

当各目标函数的函数值超出约束条件，通过遗传算法等对决策变量进行处理，产生新的决策变量组；

结合新的决策变量组依次评价状态变量和目标函数，确定最优的决策变量，得到傍河水源地优化布井方案。

优选的，所述结合新的决策变量组依次评价状态变量和目标函数，包括：

结合新的决策变量组依次评价状态变量和目标函数，使得状态变量和目标函数且能够满足约束条件和成本最低目标函数的要求。

其中，可以利用地下水模拟软件VisualMODFLOW中的MGO模块(ModularGroundwaterOptimizer)进行处理和运算，目标函数、决策变量和状态变量是MGO运算的基本组成部分，本文中傍河水源井优化目标函数设定为在满足城市供水条件下水源地建设及水厂原水处理的成本最低；决策变量即建设水源地和水厂抽取原水后对特征污染物进行达标处理所需要的费用总和；状态变量即水源井的抽水量和水源井中特征特征污染物的浓度。

遗传算法(Genetic Algorithms，简称GA)是一种在多目标优化领域具有广泛应用的随机搜索算法(Random Searching Algorithm)，其原理主要是模仿生物自然选择(Natural Selection)和自然遗传机制；该方法的优化求解就是一个循环往复反复计算的过程，具体步骤为遗传编码、适应度计算、选择、交叉、变异、回归适应度计算直到满足条件。该算法具有有其他之所以会在优化领域广泛应用，主要是该方法具有其他算法所不具备的优势：在对非线性模型的优化过程中，对模型的线性、连续、可微与否不做限制，受到决策变量和约束条件的束缚较少，因此该方法在优化模型最优解的求解过程中具有高效、并行、全局搜索的特点。文中所涉及到的地下水优化程序MGO(Modular Groundwater Optimizer)正是基于该类算法全局、并行、高效的运算特点，该程序在地下水水质管理中的应用最为广泛。将水流和迁移模拟程序与遗传算法相结合，能适应如开采井个数、开采井位置等这一类非线性、不连续的目标函数的优化过程，能够处理水头、梯度、水流以及浓度等约束条件。

本发明实施例的傍河水源地优化布井方法，步骤104具体包括：

根据地下水水流模型和污染物迁移转化模型结合所述约束条件和开采井个数目标函数对开采井个数进行优化分析，得到开采井个数优化结果；

选取不同布井方案，据地下水水流模型和污染物迁移转化模型结合布井方式目标函数，以最大抽水量为布井方案的评判依据，对不同布井方案在相同约束条件下进行优化分析，得到布井方式优化结果；

其中，可以选取矩形布井方案、梅花形布井方案和三角形布井方案

在水源地位置不变，开采井个数相同，布井方式相同的条件下，根据地下水水流模型和污染物迁移转化模型结合所述约束条件和井间距目标函数对井间距进行优化分析，得到井间距优化结果。

其中，优化模拟过程中，需要对该优化模型解法选项中的参数进行设定，主要包括最大迭代次数(Maxlter)，正向模拟个数(NSimPerlter)等。优化模型的运行效率及优化结果的可靠程度与参数设定有直接关系，如果模型参数设置不合理，会使优化过程耗费大量时间，并且优化结果可靠性。因此，可以在参数设定这一部分采取多次试运行的方法对相应参数进行甄别筛选，如表1所示。

表1优化模型参数表

本发明实施例的根据水源地常规布井法设置初始布井方案，其约束条件具体包括：

降深约束的计算方法，即水源地稳定开采条件下，地下水水位降深最大值必须要小于该处含水层厚度的0.5倍。首先，根据研究区现状开采条件的数值模拟模型对拟定开采井i所在位置的水头值进行求解。然后根据拟定开采井位置及含水层厚度数据，按照公式(3-10)计算获取降深约束条件。综上所述，降深约束条件的计算结果见表2，结合MGO优化模型中关于降深约束的设定方法，将井位点降深约束转化为水头hi的限值来表征，即himin≤hi≤hi0。

表2降深约束条件统计表

水量约束根据研究区的水文地质勘查报告，则取抽水实验单井涌水量作为开采井的最大抽水量Q_max，规划水源地抽水试验单井涌水量为6895m3/d，则Q_max＝6895m3/d；且水源地总的供水量至少要达到规划开采量，

即

井间距约束在于确定抽水井之间的最小距离，本文取井群干扰系数为25％时集中布井井间距的关系，根据表中的相关参数运用Fortran程序编程计算求解开采井之间的最小距离，L_min＝200m。

表3开采井间距计算相关参数表

表3

本次规划水源地开采目的层为潜水含水层，根据库萨金经验公式：

其中，

R——为影响半径(m)；

S——抽水孔水位下降值(m)；

H——抽水前潜水层厚度(m)；

K——含水层是渗透系数。

根据上述公式，计算获得r＝732m，则Lmax＝2r＝1465m。

综上，200≤L≤1464m。

水质约束

水质约束是指开采井中特征污染物的浓度必须要小于某一限值，根据前文此处特征污染物即NO3^-，根据水源地选址要求中关于傍河水源地建设地下水质量的要求，根据《地下水质量标准》(GB/T 14848-93)中III类水的要求则Cmax＝20mg/L。

综上，0≤Ci≤20mg/L。

本发明实施例的傍河水源地优化布井方法，通过建立地下水水流模型和污染物迁移转化模型，能够在约束条件下对傍河水源地开采井个数、布置形式、井间距等因素进行优化，以获取最优布井结果。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种傍河水源地优化布井方法，其特征在于，所述傍河水源地优化布井方法包括：

根据水源地常规布井法设置初始布井方案；

根据所述研究区实际水文地质条件，建立地下水水流模型和污染物迁移转化模型；

结合研究区实际水文地质条件，利用地下水水流模型和污染物迁移转化模型设置开采井个数目标函数、布井方式目标函数、井间距目标函数和约束条件；

结合所述约束条件依次对开采井个数目标函数、布井方式目标函数和井间距目标函数进行优化得到傍河水源地优化布井方案。

2.根据权利要求1所述的傍河水源地优化布井方法，其特征在于，所述常规布井法为平均布井法，所述初始布井方案包括布井数量、布井方式和井间距。

3.根据权利要求1所述的傍河水源地优化布井方法，其特征在于，所述地下水水流模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂}{\∂x}\left(T\frac{\∂h}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(T\frac{\∂h}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(T\frac{\∂h}{\∂z}\right)+W=E\frac{\∂h}{\∂t}\\ h(x,y,z,0)=h^0(x,y,z)\\ h(x,y,z,0)|{\mathrm{\Γ}}_1=h^1(x,y,z,t)\\ T\frac{\∂h}{\∂x}|{\mathrm{\Γ}}_2=q(x,y,z,t)\end{array}\right.---EquationSection4$

W＝ε(x,y,z,t)-∑Q_Lδ(x-x_L,y-y_L,z-z_L)

$T=\left\{\begin{array}{c}T\\ K(h-b)\end{array}\right.$

$E=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\μ}}^{*}\\ \mathrm{\μ}\end{array}\right.$

其中，Q_L为计算区域，Г为区域边界，Г1为一类边界，Г2为二类边界，q(x,y,z,t)为单位宽度补给量，ε(x,y,z,t)为单元补给强度，Q_L为第L口井开采量(L＝1,2…υ)，δ(x-x_L,y-y_L,z-z_L)为点(x_L,y_L,z_L)处的δ函数，h(x,y,z,t)为区内任一点水头标高，b为含水层底板标高；

所述污染物迁移转化模型如下：

其中，θ为表示含水层的孔隙度，R为延迟因子；t为时间，Γ为柯西边界；Ω为模拟渗流区，c为溶液中硝酸盐氮浓度值；为溶质组分的浓度，D_ij为是水动力弥散系数张量，v为是孔隙中实际水流速度，q_s为表示单位时间从单位体积含水层流入或流出的水量，c₀为初始溶质浓度，c_s为是源汇项溶质的浓度，c_q为是边界流量所对应的溶质的浓度。

4.根据权利要求3所述的傍河水源地优化布井方法，其特征在于，所述开采井个数目标函数如下： $J=Min\underset{i}{\overset{N}{\Σ}}{y}_i,i=1,2,3,,,N$

其中，y_i为水源地备选井i在稳定开采条件下的开启或关闭，若开采井开启则y_i＝1，否则y_i＝0，N为开采井数目；

所述布井方式目标函数如下：

$J=Max\underset{i}{\overset{N}{\Σ}}{Q}_i,i=1,2,3,,,N$

其中，Q_i为水源地开采井i在稳定开采条件下的开采量，N为开采井数目；

所述井间距目标函数如下:

$J=Max\underset{i}{\overset{N}{\Σ}}{Q}_i,i=1,2,3,,,N$

5.根据权利要求4所述的傍河水源地优化布井方法，其特征在于，所述约束条件包括降深约束、水量约束、井间距约束和水质约束中的至少一种。

6.根据权利要求4所述的傍河水源地优化布井方法，其特征在于，所述结合所述约束条件依次对开采井个数目标函数、布井方式目标函数和井间距目标函数进行优化得到傍河水源地优化布井方案，包括：

判断目标函数的函数值是否满足约束条件，并评估目标函数；

当各目标函数的函数值超出约束条件，通过遗传算法等对决策变量进行处理，产生新的决策变量组；

结合新的决策变量组依次评价状态变量和目标函数，确定最优的决策变量，得到傍河水源地优化布井方案。

7.根据权利要求6所述的傍河水源地优化布井方法，其特征在于，所述结合新的决策变量组依次评价状态变量和目标函数，包括：

结合新的决策变量组依次评价状态变量和目标函数，使得状态变量和目标函数且能够满足约束条件和成本最低目标函数的要求。

8.根据权利要求7所述的傍河水源地优化布井方法，其特征在于，所述结合新的决策变量组依次评价状态变量和目标函数，包括：

根据地下水水流模型和污染物迁移转化模型结合所述约束条件和开采井个数目标函数对开采井个数进行优化分析，得到开采井个数优化结果。

9.根据权利要求8所述的傍河水源地优化布井方法，其特征在于，所述结合新的决策变量组依次评价状态变量和目标函数，包括：

选取不同布井方案，据地下水水流模型和污染物迁移转化模型结合布井方式目标函数，以最大抽水量为布井方案的评判依据，对不同布井方案在相同约束条件下进行优化分析，得到布井方式优化结果。

10.根据权利要求8所述的傍河水源地优化布井方法，其特征在于，所述结合新的决策变量组依次评价状态变量和目标函数，包括：

在水源地位置不变，开采井个数相同，布井方式相同的条件下，根据地下水水流模型和污染物迁移转化模型结合所述约束条件和井间距目标函数对井间距进行优化分析，得到井间距优化结果。