CN114065593A - 一种多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的方法和装置 - Google Patents

一种多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的方法和装置，该方法包括：获取在待模拟区域内岩体的多尺度裂隙的统计数据；基于所述多尺度裂隙的统计数据，生成多尺度裂隙系统；分别对所述多尺度裂隙系统中的小尺度离散裂隙模型、中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型进行转化，得到多尺度裂隙基质连续介质模型；通过多尺度裂隙基质连续介质模型对所述岩体的水流运移和溶质运移进行模拟，得到所述岩体的水头分布模拟图和浓度分布模拟图。通过所述方法和装置，可以对岩体中的多种尺度的裂隙进行模拟，可以提高对岩体水流运移和溶质运移模拟的准确性，进而，更加准确地模拟出岩体内部地下水的真实状态。

Description

一种多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的方法和装置
技术领域
本申请涉及复杂裂隙岩体中的裂隙水模拟领域，具体而言，涉及一种多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的方法和装置。
背景技术
裂隙是岩体中广泛存在的地质构造，它对岩体的力学性质和水力性质有着显著影响，这对于地下资源开采、废弃物存储和环境修复有着重要意义。多尺度裂隙和岩石基质的共同作用使得裂隙岩体中的流体运动行为极其复杂。这使得模拟复杂裂隙岩体中的水流运移及溶质运移行为极具挑战性。
目前主要的模拟裂隙岩体的模型方法是利用离散裂隙网络模型。离散裂隙网络模型是一种精确刻画裂隙空间分布的方法，能精确模拟裂隙中的水流行为。但是由于这种模型仅能够从空间分布的角度对水流行为进行分析，但对于多尺度裂隙基质系统的刻画能力有限，因此在使用该模型对水流运移进行模拟时，模拟计算的精确度和计算效率会大大降低，无法反映出岩体内部水流运移的真实状态。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的方法和装置，可以对岩体中的多种尺度的裂隙进行模拟，可以提高对岩体水流运移和溶质运移模拟的准确性，进而，更加准确地模拟出岩体内部地下水的真实状态。
第一方面，本申请实施例提供了一种多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的方法和装置，所述方法包括：
获取在待模拟区域内岩体的多尺度裂隙的统计数据；所述多尺度裂隙包括小尺度裂隙、中尺度裂隙和大尺度裂隙；
基于所述多尺度裂隙的统计数据，生成包含有小尺度离散裂隙模型、中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型的多尺度裂隙系统；
分别对所述多尺度裂隙系统中的小尺度离散裂隙模型、中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型进行转化，得到多尺度裂隙基质连续介质模型；
通过多尺度裂隙基质连续介质模型对所述岩体的水流运移和溶质运移进行模拟，得到所述岩体的水头分布模拟图和浓度分布模拟图。
进一步的，所述分别对所述多尺度裂隙系统中的小尺度离散裂隙模型、中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙进行转化，以得到多尺度裂隙基质连续介质模型，包括：
针对所述多尺度裂隙系统中的小尺度离散裂隙模型，将所述小尺度离散裂隙模型转化为多孔介质模型，并对所述小尺度离散裂隙模型的渗透系数与岩体基质的渗透系数进行等效处理，以得到等效增强型基质；
将所述多尺度裂隙系统中的岩体基质替换为所述等效增强型基质；
将所述待模拟区域剖分为均匀大小的空间网格，针对所述多尺度裂隙系统中的中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型，对所述中尺度离散裂隙模型和所述大尺度离散裂隙模型所在空间进行非均匀网格剖分以得到细化空间网格，并将所述中尺度离散裂隙模型和所述大尺度离散裂隙模型映射到所述细化空间网格中，以得到连续介质模型；
将多尺度裂隙系统中的中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型替换为所述连续介质模型，得到多尺度裂隙基质连续介质模型。
进一步的，所述针对所述多尺度裂隙系统中的小尺度离散裂隙模型，将所述小尺度离散裂隙模型转化为多孔介质模型，并对所述小尺度离散裂隙模型的渗透系数与岩体基质的渗透系数进行等效处理，以得到等效增强型基质，包括：
(a)从所述小尺度离散裂隙模型中截取出小尺度离散裂隙子模型；其中，所述小尺度离散裂隙子模型的边长为所述小尺度裂隙平均长度的第一预设倍数；
(b)以所述小尺度离散裂隙子模型的中心位置为中心确定出正六面体模拟区域；其中，所述正六面体模拟区域的边长为所述小尺度裂隙平均长度的第二预设倍数；
(c)按照所述正六面体模拟区域，从所述小尺度离散裂隙子模型中截取出三维离散裂隙模型；
(d)利用渗流模拟算法计算出所述三维离散裂隙模型的多个等效渗透系数；其中，所述多个等效渗透系数中包括在X轴方向上的等效渗透系数、在Y轴方向上的等效渗透系数和在Z轴方向上的等效渗透系数；
(e)按照预设长度增大所述正六面体模拟区域的边长，返回执行步骤(c)，直至相邻两次的等效渗透系数之间的差值小于或等于变化阈值，得到所述等效增强型基质的多个等效渗透系数，并将所述正六面体模拟区域确定为所述等效增强型基质的典型单元体。
进一步的，所述利用渗流模拟算法计算出所述三维离散裂隙模型的多个等效渗透系数，包括：
针对所述三维离散裂隙模型内空间坐标系中的每个坐标轴方向，设置与该坐标轴方向平行的等间距的N个平面；N为大于或等于2的正整数；
针对每个平面，利用该平面截取所述三维离散裂隙模型，以得到N个的二维裂隙试样；
针对每个二维裂隙试样，计算该二维裂隙试样的等效渗透参数；
取N个等效渗透参数的平均值作为该坐标轴方向上的等效渗透系数。
进一步的，所述将所述待模拟区域剖分为均匀大小的空间网格，针对所述多尺度裂隙系统中的中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型，对所述中尺度离散裂隙模型和所述大尺度离散裂隙模型所在空间进行非均匀网格剖分以得到细化空间网格，并将所述中尺度离散裂隙模型和所述大尺度离散裂隙模型映射到所述细化空间网格中，以得到连续介质模型，包括：
对所述多尺度裂隙系统的待模拟区域进行剖分，得到多个大小相同的正六面体单元格；
针对每个所述正六面体单元格，当该正六面体单元格内存在裂隙时，确定该正六面体单元格为相交单元格；
针对每个相交单元格，对该相交单元格以及该相交单元格周围的所有正六面体单元格进行剖分，得到多个剖分单元格，以生成所述细化空间网格；
将所述中尺度离散裂隙模型和所述大尺度离散裂隙模型映射到所述细化空间网格中，并利用所述多尺度裂隙系统中大尺度裂隙和中尺度裂隙的统计数据，计算所述待模拟区域中每个待模拟单元格的渗透率和孔隙度，以得到连续介质模型；所述待模拟单元格包括剖分单元格以及正六面体单元格中除剖分单元格以外的所有正六面体单元格。
进一步的，所述通过多尺度裂隙基质连续介质模型对岩体的水流运移和溶质运移进行模拟，得到所述岩体的水头分布模拟图和浓度分布模拟图，包括：
针对所述多尺度裂隙基质连续介质模型中的每个待模拟单元格，建立该待模拟单元格的水量均衡方程和质量守恒方程；
基于所述水量均衡方程计算出所述多尺度裂隙基质连续介质模型中的每个待模拟单元格的水头值；
基于所述质量守恒方程计算出所述多尺度裂隙基质连续介质模型中的每个待模拟单元格的溶质浓度值；
将每个待模拟单元格的水头值和溶质浓度值映射到所述多尺度裂隙基质连续介质模型中，以得到所述水头分布模拟图和所述浓度分布模拟图。
进一步的，通过以下步骤计算所述多尺度裂隙基质连续介质模型中的每个待模拟单元格的水头值：
在所述多尺度裂隙基质连续介质模型的边界设置水流边界条件，并设置初始水头条件，其中，所述水流边界条件为流量边界或水头边界；
针对所述多尺度裂隙基质等效连续介质模型中的每个待模拟单元格，基于所述水流边界条件、所述初始水头条件和该待模拟单元格的属性参数，利用所述水量均衡方程计算该待模拟单元格的水头值；
通过以下步骤计算所述多尺度裂隙基质连续介质模型中的每个待模拟单元格的溶质浓度值：
在所述多尺度裂隙基质连续介质模型的边界设置溶质边界条件，并设置初始浓度条件，其中，所述溶质边界条件为浓度边界或溶质通量边界；
针对所述多尺度裂隙基质等效连续介质模型中的每个待模拟单元格，基于所述溶质边界条件、所述初始浓度条件和该待模拟单元格的属性参数，利用所述质量守恒方程计算该待模拟单元格的溶质浓度值。
第二方面，本申请实施例还提供了一种多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的装置，所述装置包括：
获取模块，用于获取在待模拟区域内岩体的多尺度裂隙的统计数据；所述多尺度裂隙包括小尺度裂隙、中尺度裂隙和大尺度裂隙；
系统生成模块，用于基于所述多尺度裂隙的统计数据，生成包含有小尺度离散裂隙模型、中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型的多尺度裂隙系统；
模型转化模块，用于分别对所述多尺度裂隙系统中的小尺度离散裂隙模型、中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型进行转化，得到多尺度裂隙基质连续介质模型；
模拟模块，用于通过多尺度裂隙基质连续介质模型对所述岩体的水流运移和溶质运移进行模拟，得到所述岩体的水头分布模拟图和浓度分布模拟图。
第三方面，本申请实施例还提供一种电子设备，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行如上述的多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的方法的步骤。
第四方面，本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行如上述的多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的方法的步骤。
本申请实施例提供的一种多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的方法和装置，基于裂隙在渗流过程中的行为特征将介质划分为小、中、大三种尺度的裂隙和岩石多孔介质，便于采用不同的方法有针对性的构建含水介质模型。本申请综合了小尺度裂隙和岩石基质两者渗透特性等效出一种均质各向异性的连续介质，即等效增强型基质。这样既保留了小尺度裂隙对裂隙岩体整体的渗透特性的影响，又能够通过消除数量众多的裂隙来减少计算量。根据裂隙的几何属性将其转化为待模拟单元格的多孔介质的渗透率。这样既能够采用连续介质模型对裂隙进行刻画，直接实现了裂隙与基质的耦合模拟，也保留了裂隙的空间几何形态，以致于能够详细刻画其中的水流分布情况。整个裂隙岩体全部采用等效连续介质进行建模，避免了复杂的物质交换方程，统一采用非均匀网格的有限差分方法进行模拟计算，提高了对水流运移和溶质运移的模拟的准确性。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例所提供的一种多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的方法的流程图；
图2为本申请实施例所提供的多尺度裂隙基质连续介质模型的建立方法的流程图；
图3为本申请实施例所提供的等效增强型基质等效渗透系数的计算结果示意图；
图4为本申请实施例所提供的一种多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的装置的结构示意图；
图5为本申请实施例所提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的每个其他实施例，都属于本申请保护的范围。
裂隙是岩体中大量存在的地质构造，它对岩体的力学性质和水力性质有着显著影响，这对于地下资源开采、废弃物存储和环境修复有着重要意义。由于裂隙发育过程中的地质构造作用，天然裂隙岩体中的裂隙发育的规模相差较大，分布随机，连通性复杂，呈现出多尺度特性。多尺度裂隙和岩石基质的共同作用使得裂隙岩体中的流体运动行为及其复杂。这对于模拟复杂裂隙岩体中的水流及溶质运移来说是充满挑战性的。如何构建表征复杂裂缝性岩体的模型以及刻画其中流体运动的数学模型是众多学者正在积极探索的问题。
经研究发现，目前主要的模拟裂隙岩体的模型方法有：离散裂隙网络模型、双重介质模型和等效连续介质模型。离散裂隙网络模型是一种精确刻画裂隙空间分布和几何形态的方法，能精确模拟裂隙中的水流行为。但是在对较大范围内数量众多的裂隙进行模拟时，会产生巨大的计算量。并且由于其求解方法原因，对于多尺度裂隙的模拟计算精确度会大大降低。双重介质模型是一种用于刻画包含两种水力性质相差较大的介质之间的水流行为的方法。双重介质模型的局限在于对连通性较强的裂隙较为有效，并且对于全局的渗流场的水流平衡需要额外的数学方程来控制裂隙域和孔隙域之间的水量交换。对于连通性差异较大的多尺度裂隙系统，其适用性仍存在局限。传统的等效连续介质模型常用于大规模的水文地质模拟，将大范围的非均质裂隙岩体概化成一种均质的多孔介质。这种概化的方法大量的忽略了裂隙介质的结构细节，缺少对裂隙中的水流分布的刻画。
基于此，本申请实施例提供了一种多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的方法，对裂隙岩体中的多尺度裂隙进行完整的刻画，并且耦合裂隙与岩石基质进行精确的水流运移和溶质运移模拟。
请参阅图1，图1为本申请实施例所提供的一种多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的方法的流程图。如图1中所示，本申请实施例所提供的多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的方法，包括：
S101,获取在待模拟区域内岩体的多尺度裂隙的统计数据。
其中，所述多尺度裂隙包括小尺度裂隙、中尺度裂隙和大尺度裂隙。
需要说明的是，这里的岩体是指在一定工程范围内，由包含软弱结构面的各类岩石所组成的具有不连续性、非均质性和各向异性的地质体。待模拟区域可以是用户在进行模拟之前提前预设好的模拟区域，例如待模拟区域可以是80m×60m×20m这样的长方体区域。裂隙指的是岩体受力后断开并沿断裂面无显著位移的断裂构造。根据本申请提供的实施例，裂隙可以包括多尺度裂隙，其中，多尺度裂隙还包括小尺度裂隙、中尺度裂隙和大尺度裂隙。统计数据指的是多尺度裂隙的参数，例如多尺度裂隙的长度、倾向、倾角和数量等，对此本申请不做具体限定。
针对上述步骤S101，针对于一个岩体，获取该岩体的待模拟区域内的小尺度裂隙、中尺度裂隙和大尺度裂隙的统计数据。如何获取多尺度裂隙的统计数据在现有技术中有详细介绍，在此不再过多赘述。
S102，基于所述多尺度裂隙的统计数据，生成包含有小尺度离散裂隙模型、中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型的多尺度裂隙系统。
需要说明的是，离散裂隙模型指的是通过展布于三维空间中的各类裂缝片组成的裂缝网络集团来构建整体的裂缝模型，从而实现对裂缝系统从几何形态直到其渗流行为的逼真细致的有效描述。小尺度离散裂隙模型既是基于小尺度裂隙的统计数据构建的离散裂隙模型，中尺度离散裂隙模型既是基于中尺度裂隙的统计数据构建的离散裂隙模型，大尺度离散裂隙模型既是基于大尺度裂隙的统计数据构建的离散裂隙模型。根据本申请提供的实施例，多尺度裂隙系统中包含有小尺度离散裂隙模型、中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型。
针对上述步骤S102，基于得到的多尺度裂隙的统计数据，建立多尺度裂隙的离散裂隙模型。在这里，裂隙被概化为了圆盘型(或多边形)。裂隙由中心点位置、半径、倾向和倾角确定其空间上的几何形态。通过蒙特卡洛方法根据一定的概率分布规律随机生成这些几何参数。在生成多尺度裂隙系统时，不同尺度的裂隙的在数量和长度上会有明显差异。由大到小的三个尺度裂隙其空间内的数量是由少到多。得到的离散裂隙模型用于模拟水流运移和溶质运移，以及后续的等效多孔介质概化流程。得到场地的裂隙数据后，中、小尺度裂隙的几何参数通常为统计分析得到的概率分布数据，采用蒙特卡洛方法随机生成，裂隙中心点位置通常为均匀分布或者泊松分布，裂隙长度服从对数正态分布，裂隙倾角和倾向服从费舍分布；大尺度裂隙或断裂以固定的调查数据形式展示，采用单独的几何建模方式进行构建。在小尺度离散裂隙模型、中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型均被构建好后，将所有裂隙的模型叠加在一个空间内，即得到多尺度裂隙系统。具体的，如何利用裂隙的统计数据构建离散裂隙模型在现有技术中有详细介绍，在此不再过多赘述。
S103，分别对所述多尺度裂隙系统中的小尺度离散裂隙模型、中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型进行转化，得到多尺度裂隙基质连续介质模型。
请参阅图2，图2为本申请实施例所提供的多尺度裂隙基质连续介质模型的建立方法的流程图。如图2中所示，针对上述步骤S103，所述分别对所述多尺度裂隙系统中的小尺度离散裂隙模型、中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型进行转化，得到多尺度裂隙基质连续介质模型，包括：
S201，针对所述多尺度裂隙系统中的小尺度离散裂隙模型，将所述小尺度离散裂隙模型转化为多孔介质模型，并对所述小尺度离散裂隙模型的渗透系数与岩体基质的渗透系数进行等效处理，以得到等效增强型基质。
需要说明的是，渗透参数是一个代表岩土的渗透性强弱的定量指标，也是渗流计算时必须用到的一个基本参数。小尺度裂隙和岩石基质两者渗透特性等效出一种均质各向异性的连续介质，即等效增强型基质。
针对上述步骤S201，在具体实施时，首先将小尺度离散裂隙模型转换为连续介质模型，具体的，如何将离散裂隙模型转换为连续介质模型的方法在现有技术中有详细介绍，在此不再过多赘述。再对所述小尺度离散裂隙模型的渗透系数与岩体基质的渗透系数进行等效处理，以得到等效增强型基质。
作为一种可选的实施方式，所述针对所述多尺度裂隙系统中的小尺度离散裂隙模型，将所述小尺度离散裂隙模型转化为多孔介质模型，并对所述小尺度离散裂隙模型的渗透系数与岩体基质的渗透系数进行等效处理，以得到等效增强型基质，包括：
(a)从所述小尺度离散裂隙模型中截取出小尺度离散裂隙子模型；其中，所述小尺度离散裂隙子模型的边长为所述小尺度裂隙平均长度的第一预设倍数。
需要说明的是，小尺度离散裂隙子模型指的是在小尺度离散裂隙模型中截取出的一部分模型，具体的，小尺度离散裂隙子模型为正六面体。第一预设倍数是指预先设定的，用于确定小尺度离散裂隙子模型的边长的倍数，例如，可以设定第一预设倍数为100倍。
针对上述步骤，在具体实施时，根据小尺度裂隙的统计数据中的平均长度来确定小尺度离散裂隙子模型的边长。延续上一实施例，例如第一预设倍数为100倍，小尺度裂隙平均长度为1m，这时确定出的小尺度离散裂隙子模型是边长为100m的正六面体。
(b)以所述小尺度离散裂隙子模型的中心位置为中心确定出正六面体模拟区域；其中，所述正六面体模拟区域的边长为所述小尺度裂隙平均长度的第二预设倍数。
需要说明的是，第二预设倍数是指预先设定的，用于确定正六面体模拟区域的边长的倍数，例如，可以设定第二预设倍数为4倍。
针对上述步骤，在具体实施时，在小尺度离散裂隙子模型的中心位置为中心划分出一个边长为小尺度裂隙平均长度的第二预设倍数的正六面体模拟区域。延续上一实施例，例如，第二预设倍数为4倍，小尺度裂隙平均长度为1m，这时在小尺度离散裂隙子模型的中心位置确定出一个边长为4m的正六面体模拟区域，其中，该正六面体模拟区域的中心与小尺度离散裂隙子模型的中心相同。
(c)按照所述正六面体模拟区域，从所述小尺度离散裂隙子模型中截取出三维离散裂隙模型。
需要说明的是，三维离散裂隙模型指的是在小尺度离散裂隙子模型中根据正六面体模拟区域截取出的模型。
针对上述步骤，在具体实施时，按照确定出的正六面体模拟区域，从小尺度离散裂隙子模型中截取出三维离散裂隙模型，其中，三维离散裂隙模型的大小与正六面体模拟区域的大小相同。具体的，在截取出三维离散裂隙模型后，需要提取在该正六面体模拟范围内的所有裂隙。
(d)利用渗流模拟算法计算出所述三维离散裂隙模型的多个等效渗透系数；其中，所述多个等效渗透系数中包括在X轴方向上的等效渗透系数、在Y轴方向上的等效渗透系数和在Z轴方向上的等效渗透系数。
需要说明的是，等效渗透系数指的是对于与土层层面平行和垂直的简单渗流情况，作为渗流计算的依据。这里，需要计算三个等效渗透系数，其中包括在X轴方向上的等效渗透系数、在Y轴方向上的等效渗透系数和在Z轴方向上的等效渗透系数。
针对上述步骤，作为一种可选的实施方式，所述利用渗流模拟算法计算出所述三维离散裂隙模型的多个等效渗透系数，包括：
针对所述三维离散裂隙模型内空间坐标系中的每个坐标轴方向，设置与该坐标轴方向平行的等间距的N个平面；N为大于或等于2的正整数；针对每个平面，利用该平面截取所述三维离散裂隙模型，以得到N个的二维裂隙试样；针对每个二维裂隙试样，计算该二维裂隙试样的等效渗透参数；取N个等效渗透参数的平均值作为该坐标轴方向上的等效渗透系数。
在X轴方向上的等效渗透系数、在Y轴方向上的等效渗透系数和在Z轴方向上的等效渗透系数都可以使用上述方法进行计算。这里，以在X轴方向上的等效渗透系数求解为例，首先沿着与X轴垂直的方向，即沿着Z轴方向设置等间距的N个垂直于Z轴的平面，也就是平行于X轴的N个平面，这里N为大于或等于2的正整数，例如N＝6。设置好6个垂直于Z轴的平面后，用这6个平面去截取三维离散裂隙模型，可以得到6个二维裂隙试样。这里的二维裂隙试样既是三维离散裂隙模型的一个界面。再得到6个二维裂隙试样后，再去计算每个二维裂隙试样的等效渗透参数。
示例性的，本文对裂隙基质的二维渗流问题采用流量交换解法。首先对裂隙和连续介质分别建立的渗透矩阵。然后基于裂隙介质和连续介质相同节点的水头相等以及质量守恒原则，形成整个渗流区域的整体渗透矩阵。首先建立裂隙网络中所有节点之间的导水系数矩阵，根据局部立方定律，裂隙中的流量公式为下述公式(1)：
Figure BDA0003382577010000111
其中，q为单宽流量，其中ρ为流体密度，g为重力加速度，μ为动力粘滞系数，b为裂隙隙宽，hi，hi+1为一个裂隙段上的两个节点的水头，l为裂隙段的长度。根据上式可以写出裂隙内水流方程的矩阵形式，如下述公式(2)所示：
ATATh＝Q (2)
其中，A为邻接矩阵，反映节点之间的邻接关系；T为导水系数矩阵；h为节点水头；Q为源汇项，在不考虑蒸发、降水补给的情况下，Q通常设置为0。裂隙中导水系数系数矩阵中元素的计算公式为下述公式(3)：
Figure BDA0003382577010000112
伽辽金有限单元求解方程如下述公式(4)：
Figure BDA0003382577010000113
其中，e为单元积分区域；Ni，Nj为形函数；可将公式(4)写作矩阵的形式，如下述公式(5)所示：
Teh＝F (5)
其中，Te为连续介质的导水系数矩阵，F为源汇项矩阵，本文在不考虑降水和蒸发的情况下进行模拟，设定F为0矩阵。由此可以得出导水系数矩阵中元素的计算公式如下述公式(6)：
Figure BDA0003382577010000121
在得到连续介质中的倒是系数矩阵后，对裂隙导水系数矩阵和连续介质的导水系数矩阵进行叠加。若模拟区域内两个离散点之间既有裂隙的导水系数也有连续介质的导水系数，则将两者相加，最终得到裂隙-连续介质耦合的导水系数矩阵。
在计算出每个二维裂隙试样的等效渗透系数后，取这6个等效渗透参数的平均值，即为在X轴方向上的等效渗透系数。上述实例为如何在X轴方向上的等效渗透系数，同理，在Y轴方向上的等效渗透系数和在Z轴方向上的等效渗透系数也可以用上述方式计算。
(e)按照预设长度增大所述正六面体模拟区域的边长，返回执行步骤(c)，直至相邻两次的等效渗透系数之间的差值小于或等于变化阈值，得到所述等效增强型基质的多个等效渗透系数，并将所述正六面体模拟区域确定为所述等效增强型基质的典型单元体。
需要说明的是，典型单元体指的是用等效连续介质概念描述岩体性质的最小尺寸。变化阈值指的是预先设定好的，用于判断等效渗透参数的变化是否达到收敛的阈值。预设长度指的是预先设定好的长度，用于增大正六面体模拟区域的范围，例如，预设长度可以是2m。
针对上述步骤，在具体实施时，按照预设长度增大正六面体模拟区域的边长，延续上一实施例，例如预设长度为2m，将正六面体模拟区域的边长增大到6m，这时返回执行步骤(c)，然后计算增大后的正六面体模拟区域的多个等效渗透系数，判断相邻两次的等效渗透系数之间的差值是否小于或等于变化阈值，若不是，则继续按照预设长度增大正六面体模拟区域的边长，返回执行步骤(c)，再计算多个等效渗透系数。直到相邻两次的等效渗透系数之间的差值小于或等于变化阈值，这时则认为等效渗透系统的变化达到收敛，并停止增大正六面体模拟区域的边长。将此时的多个等效渗透系数作为等效增强型基质的多个等效渗透系数，将最后得到的正六面体模拟区域作为等效增强型基质的典型单元体。这样，在每增大一次正六面体模拟区域都能得到一个等效渗透系数，当等效渗透系数趋于稳定时，就得到了一个在统计意义上趋于均质各向异性的裂隙岩体尺寸。
作为一种可选的实施方式，还有一种方法可以确定等效渗透系数的变化是否达到收敛，即判断最近一次得到的等效渗透系数与前五次得到的等效渗透系数的均值之间的误差是否为最近一次得到的等效渗透系数的10％，若在10％以内，即判断等效渗透系数的变化达到稳定收敛，这时将最近一次得到的等效渗透系数作为等效增强型基质的等效渗透系数，将当前状态下的正六面体模拟区域作为等效增强型基质的典型单元体。
S202，将所述多尺度裂隙系统中的岩体基质替换为所述等效增强型基质。
针对上述步骤S202，在等效增强型基质确定出后，将多尺度裂隙系统中原本的岩体基质替换为步骤S201确定出的等效增强型基质，这样既保留了小尺度裂隙对裂隙岩体整体的渗透特性的影响，又能够通过消除数量众多的裂隙来减少计算量。
S203，将所述待模拟区域剖分为均匀大小的空间网格，针对所述多尺度裂隙系统中的中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型，对所述中尺度离散裂隙模型和所述大尺度离散裂隙模型所在空间进行非均匀网格剖分以得到细化空间网格，并将所述中尺度离散裂隙模型和所述大尺度离散裂隙模型映射到所述细化空间网格中，以得到连续介质模型。
由于中尺度裂隙和大尺度裂隙具有较显著的导水作用，将裂隙其映射到连续介质的网格空间内进行概化和等效。裂隙附近的网格进行加密，多孔介质区域保留较低分辨率的网格剖分。根据裂隙的几何属性将其转化为单元格的多孔介质的渗透率。这样既能够采用连续介质模型对裂隙进行刻画，直接实现了裂隙与基质的耦合模拟，也保留了裂隙的空间几何形态，以致于能够详细刻画其中的水流分布情况。针对上述步骤S203，所述将所述待模拟区域剖分为均匀大小的空间网格，针对所述多尺度裂隙系统中的中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型，对所述中尺度离散裂隙模型和所述大尺度离散裂隙模型所在空间进行非均匀网格剖分以得到细化空间网格，并将所述中尺度离散裂隙模型和所述大尺度离散裂隙模型映射到所述细化空间网格中，以得到连续介质模型，包括：
对所述多尺度裂隙系统的待模拟区域进行剖分，得到多个大小相同的正六面体单元格。
针对每个所述正六面体单元格，当该正六面体单元格内存在裂隙时，确定该正六面体单元格为相交单元格。
针对上述两个步骤，具体的，首先对整个多尺度裂隙系统的待模拟区域进行剖分，剖分为均为大小的空间网格，以得到多个大小相同的正六面体单元格。由于多尺度裂隙系统中存在很多裂隙，因此这些正六面体单元格中会存在与裂隙相交的单元格，这些正六面体单元格用于与裂隙平面进行相交识别。每个裂隙平面上存在着数量众多的离散点，这些离散点是在生成裂隙平面的过程中产生的。这些离散点的密集程度远高于正六面体单元格的剖分密度。当一个正六面体单元格包含某个裂隙上的散点时，即判定该裂隙与该网格相交。同时，当多个裂隙与同一个单元格相交时，这些裂隙的编号都会储存在这个单元格中。这时将与裂隙相交的正六面体单元格确定为相交单元格。
针对每个相交单元格，对该相交单元格以及该相交单元格周围的所有正六面体单元格进行剖分，得到多个剖分单元格，以生成所述细化空间网格。
针对上述步骤，具体的，在确定出所有的相交单元格后，再对与裂隙相交的网络进行细化剖分。与裂隙相交的单元格都会被标记，首先对这些被标记的单元格进行剖分。一般的，一个单元格会被分为8个等大小的单元格，而这8个单元格会再次与先前包含的不同裂隙进行相交判断。除了与裂隙相交的单元格要进行多次剖分外，包含裂隙的单元格周围的六个单元格也需要进行剖分。这是为了保证单元格之间的尺寸相差控制在二倍以内，以免相邻单元格之间的尺寸相差较大带来计算误差。这样将整个待模拟区域进行了非均匀网格剖分，生成细化空间网格，细化空间网格中既包括正六面体单元格，也包括剖分单元格。
这里，应注意，上述对于相交单元格被剖分的数量仅为举例，实际中，相交单元格被剖分的数量不限于上述例子。
将所述中尺度离散裂隙模型和所述大尺度离散裂隙模型映射到所述细化空间网格中，并利用所述多尺度裂隙系统中大尺度裂隙和中尺度裂隙的统计数据，计算所述待模拟区域中每个待模拟单元格的渗透率和孔隙度，以得到连续介质模型。
需要说明的是，所述待模拟单元格包括剖分单元格以及正六面体单元格中除剖分单元格以外的所有正六面体单元格。具体的，在生产细化空间网格后，将中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型映射到细化空间网格中，并利用多尺度裂隙系统中大尺度裂隙和中尺度裂隙的统计数据，计算在待模拟区域内每个待模拟单元格的渗透率和孔隙度。
示例性的，裂隙转化为等效连续介质的渗透率和孔隙度计算方法为：
将裂隙转化为多孔介质需要将裂隙基质的渗透特性概化并赋给多孔介质。待模拟单元格的渗透性和孔隙度取决于单元格内裂隙的总体积，渗透系数表现出的各向异性由裂隙的几何特征决定。
裂隙的等效多孔介质的等效孔隙度由下述公式(7)计算：
Figure BDA0003382577010000151
其中，Vc为待模拟单元格的体积，VF为待模拟单元格内裂隙占据的体积，φM为多孔介质的孔隙度。裂隙占据的总体积等于各个与待模拟单元格相交裂隙的体积之和，计算方法如下述公式(8)：
Figure BDA0003382577010000152
N为与待模拟单元格相交的裂隙的数量，Af为每个裂隙与待模拟单元格相交的面积，bf为裂隙的隙宽。每个等效多孔介质单元格的渗透张量由下述公式(9)计算：
Figure BDA0003382577010000153
其中，φ为裂隙f在待模拟单元格内的等效孔隙度，Ω为裂隙f的坐标变换张量。具体的，裂隙f的坐标变换张量Ω由下述公式(10)-(13)计算：
Figure BDA0003382577010000154
Figure BDA0003382577010000155
Figure BDA0003382577010000156
Figure BDA0003382577010000157
其中，n1，n2，n3为裂隙面在X轴，Y轴，Z轴方向的上单位法向量，α为裂隙的倾角，ω为裂隙倾向。通常得到的三维渗透张量只有主对角线上的主方向的渗透张量会被赋予等效多孔介质单元格。通过以上计算过程，可以得到带有裂隙渗透特性的多孔介质单元格。
S204，将多尺度裂隙系统中的中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型替换为所述连续介质模型，得到多尺度裂隙基质连续介质模型。
针对上述步骤S204，在确定出连续介质模型后，将多尺度裂隙系统中的中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型替换为步骤S203中确定出的连续介质模型，以得到多尺度裂隙基质连续介质模型。
S104，通过多尺度裂隙基质连续介质模型对所述岩体的水流运移和溶质运移进行模拟，得到所述岩体的水头分布模拟图和浓度分布模拟图。
需要说明的是，水流运移指的是水流在岩体的裂隙中流动的效果，溶质运移指的是溶质在岩体的裂隙中流动的效果。针对上述步骤S104，通过多尺度裂隙基质连续介质模型对所述岩体的水流运移和溶质运移进行模拟，得到所述岩体的水头分布模拟图和浓度分布模拟图，包括：
针对所述多尺度裂隙基质连续介质模型中的每个待模拟单元格，建立该待模拟单元格的水量均衡方程和质量守恒方程。
首先针对多尺度裂隙基质连续介质模型中每个待模拟单元格建立水量均衡方程和质量守恒方程，其中，水量均衡方程如下述公式(14)所示，质量守恒方程如下述公式(15)所示：
Figure BDA0003382577010000161
其中，n为单元格i周围与之相邻的待模拟单元格的总数，Qij为相邻的待模拟单元格中的j待模拟单元格对i待模拟单元格的流量，Wi为单元格i的补给量(量纲为L3T-1)，Pi为单元格i的蒸发量(量纲为L3T-1)，μ(承压水时替换为S，贮水系数)在潜水水位上升时为饱和差，下降时为给水度，ai为单元格i的边长，Δhi为单元格i的水头高度，Δt为时间步长。该式为非稳定流的有限差分数学模型，当模拟稳定流时，只需将右侧水头随时间变化项设为0即可。
Figure BDA0003382577010000162
其中，φi为待模拟单元格i的孔隙度，Iij为待模拟单元格j对待模拟单元格i的水动力弥散通量，Aij为待模拟单元格j与待模拟单元格i之间的过水断面面积，Δt为时间步长。
通过以下步骤计算所述多尺度裂隙基质连续介质模型中的每个待模拟单元格的水头值：
在所述多尺度裂隙基质连续介质模型的边界设置水流边界条件，并设置初始水头条件。需要说明的是，所述水流边界条件为流量边界或水头边界。作为一种可选的实施方式，可以在多尺度裂隙基质连续介质模型的左右两侧设定水头边界，左侧边界设定为22m，右侧边界设定为20m，进而可以产生2m的水头差，其余边界设为隔水边界。
针对所述多尺度裂隙基质等效连续介质模型中的每个待模拟单元格，基于所述水流边界条件、所述初始水头条件和该待模拟单元格的属性参数，利用所述水量均衡方程计算该待模拟单元格的水头值。
在模拟稳定流的时候，达到稳定状态的每个待模拟单元格的水量变化为0。待模拟单元格之间的水量交换根据达西定律计算，Qij的计算方法如下述公式(16)：
Figure BDA0003382577010000171
其中，ai，aj分别为待模拟单元格i和待模拟单元格j的边长。Aij为两个待模拟单元格之间的过水断面，为较小的待模拟单元格的边长的平方。
由于每个待模拟单元格大小不同，并且存在待模拟单元格之间的渗透系数差异较大，所以本申请在此取Kij为待模拟单元格i和待模拟单元格j的渗透系数的调和平均值，计算公式如下述公式(17)：
Figure BDA0003382577010000172
其中，渗透系数K由待模拟单元格的渗透率计算，即通过下述公式(18)计算：
Figure BDA0003382577010000173
在建立了每个待模拟单元格的水量均衡方程后，即可通过高斯赛德尔方法迭代求解出多尺度裂隙基质连续介质模型中每个待模拟单元格的水头值。具体的，如何通过高斯赛德尔方法迭代求解出多尺度裂隙基质连续介质模型中每个待模拟单元格的水头值在现有技术中有详细介绍，在此不再过多赘述。
通过以下步骤计算所述多尺度裂隙基质连续介质模型中的每个待模拟单元格的溶质浓度值：
在所述多尺度裂隙基质连续介质模型的边界设置溶质边界条件，并设置初始浓度条件。
需要说明的是，溶质边界条件为浓度边界或溶质通量边界。作为一种可选的实施方式，可以在多尺度裂隙基质连续介质模型的左侧边界设定50mmol/L的浓度边界，右侧边界设定为0mmol/L的浓度边界，其余边界设为0通量边界，以时间步长为5s进行模拟。
针对所述多尺度裂隙基质等效连续介质模型中的每个待模拟单元格，基于所述溶质边界条件、所述初始浓度条件和该待模拟单元格的属性参数，利用所述质量守恒方程计算该待模拟单元格的溶质浓度值。
其中，水动力弥散通量的计算方法如下述公式(19)：
Figure BDA0003382577010000181
其中，ci和cj分别是待模拟单元格i和待模拟单元格j的溶质浓度值，Dij为水动力弥散系数，可通过下述公式(20)计算：
Dij＝D′ij+D″ (20)
其中，Dij′为机械弥散系数，D″为分子扩散系数。根据速度分量ux，uy，uz能够得到沿x，y，z方向的机械弥散系数Dij′，如下述公式(21)所示：
Figure BDA0003382577010000182
其中，水动力弥散系数由机械扩散和分子扩散组成，αL为纵向弥散度，αT为横向弥散度。
对于对流项的离散化处理，对流项中的cij的取值取决于单元格之间的水流方向。cij为两个相邻单元格之间的作为源的待模拟单元格的浓度，可通过下述公式(22)计算：
Figure BDA0003382577010000183
将每个待模拟单元格的水头值和溶质浓度值映射到所述多尺度裂隙基质连续介质模型中，以得到所述水头分布模拟图和所述浓度分布模拟图。
这里，在每个待模拟单元格的水头值和溶质浓度值都计算完成后，将每个待模拟单元格的水头值和溶质浓度值映射到多尺度裂隙基质连续介质模型中，以使每个待模拟单元格都被赋予对应的数值，即可生成所述岩体的水头分布模拟图和所述浓度分布模拟图，用于模拟岩体中的水流运移和溶质运移。
在裂隙岩体中，将裂隙划分为大、中、小三种尺度。将小尺度裂隙与多孔介质耦合得到等效增强型基质(EMM)。将中、大裂隙映射到空间网格上，转化为等效连续介质模型(ECM)，将整个裂隙岩体都转化为多孔介质。并且对裂隙附近的网格进行加密，增强对裂隙几何形态的刻画精度。最终将整个多尺度裂隙系统转化为等效连续介质模型，采用有限差分的方法实现耦合多尺度裂隙的水流和溶质运移模拟。
根据本申请提供的多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的方法，基于裂隙在渗流过程中的行为特征将介质划分为小、中、大三种尺度的裂隙和岩石多孔介质，便于采用不同的方法有针对性的构建含水介质模型。四种介质中，小尺度裂隙和岩石多孔介质导水能力较弱，但是具有一定的储水意义，并且小尺度裂隙能够增强岩石多孔介质的透水性。
所以本申请综合了小尺度裂隙和岩石基质两者渗透特性等效出一种均质各向异性的连续介质，即等效增强型基质。这样既保留了小尺度裂隙对裂隙岩体整体的渗透特性的影响，又能够通过消除数量众多的裂隙来减少计算量。中尺度裂隙和大尺度裂隙具有较显著的导水作用，将裂隙其映射到连续介质的网格空间内进行概化和等效。裂隙附近的网格进行加密，多孔介质区域保留较低分辨率的网格剖分。根据裂隙的几何属性将其转化为待模拟单元格的多孔介质的渗透率。这样既能够采用连续介质模型对裂隙进行刻画，直接实现了裂隙与基质的耦合模拟，也保留了裂隙的空间几何形态，以致于能够详细刻画其中的水流分布情况。整个裂隙岩体全部采用等效连续介质进行建模，避免了复杂的物质交换方程，统一采用非均匀网格的有限差分方法进行模拟计算，提高了对水流运移和溶质运移的模拟的准确性和计算效率。
下面，作为一种实施例，对本申请提供的多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的方法进行说明。
首先，获取在待模拟区域内一个岩体的多尺度裂隙的统计数据，多尺度裂隙的统计数据如下表1所示。作为示例，待模拟区域可以为80m×60m×20m。如何获取统计数据的方法在步骤S101中有详细说明，在此不再赘述。
表1多尺度裂隙的统计数据
Figure BDA0003382577010000201
两组小尺度裂隙在空间内的密度为0.4条/m3，计算小尺度裂隙和多孔介质耦合得到的等效增强型基质的等效渗透系数，在100m×100m×100m范围内生成小尺度裂隙，从4m×4m×4m的模拟范围开始计算，每次增大2m。
请参阅图3，图3为本申请实施例所提供的等效增强型基质等效渗透系数的计算结果示意图。如图3所示，最新一次等效渗透系数的模拟结果与前五次等效渗透系数的模拟结果的均值相对误差在10％以内，即判断达到稳定收敛，等效增强型基质各个方向的等效渗透系数的典型单元体大小为16m。确定出典型单元体大小后，还需判断该典型单元体大小是否小于待模拟区域，若是，则可以利用计算出来的等效渗透系数进行接下来的模拟。若典型单元体大小大于待模拟区域，则认为裂隙岩体的渗透参数不会随着尺寸的变化而变化，这时需要利用表2中不同模拟尺寸大小下的各个方向等效渗透系数来确定所需的等效渗透参数。不同模拟尺寸大小下的各个方向等效渗透系数如下表2所示。
表2不同模拟尺寸大小下的各个方向等效渗透系数
Figure BDA0003382577010000202
Figure BDA0003382577010000211
然后针对所述多尺度裂隙系统中的中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型，将中、大尺度裂隙的离散裂隙模型转化为连续介质模型，如何得到连续介质模型在步骤S203中详细说明，在此不再赘述。作为示例，正六面体单元格初始大小设置为10m，进行2次细化剖分，得到最小的待模拟单元格大小为2.5m。然后针对待模拟区域中每个待模拟单元格，计算该待模拟单元格的渗透率和孔隙度。
在得到多尺度裂隙基质连续介质模型后，通过多尺度裂隙基质连续介质模型对岩体的水流运移和溶质运移进行模拟，在多尺度裂隙基质连续介质模型的左右两侧分别设置水头边界22m和20m，其余边界设置为隔水边界，使水流从左向右流动，模拟得到稳定流的水头分布结果。在稳定流模拟结果的基础上进行溶质运移模拟，在左侧边界设定50mmol/L的浓度边界，右侧边界设置为0mmol/L的浓度边界，其余的边界设为0通量边界，以时间步长为5s进行模拟，可以得到四个时刻的多尺度裂隙基质连续介质模型中的浓度分布图。利用本申请实施例提供的计算每个待模拟单元格的水头值和溶质浓度值的方法计算出每个待模拟单元格的水头值和溶质浓度值后，将每个待模拟单元格的水头值和溶质浓度值映射到多尺度裂隙基质连续介质模型中，以使每个待模拟单元格都被赋予对应的数值，即可生成岩体的水头分布模拟图和浓度分布模拟图。
请参阅图4，图4为本申请实施例所提供的一种多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的装置的结构示意图。如图4中所示，所述多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的装置300包括：
获取模块301，用于获取一个岩体在待模拟区域内的多尺度裂隙的统计数据；所述多尺度裂隙包括小尺度裂隙、中尺度裂隙和大尺度裂隙；
系统生成模块302，用于基于所述多尺度裂隙的统计数据，生成包含有小尺度离散裂隙模型、中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型的多尺度裂隙系统；
模型转化模块303，用于分别对所述多尺度裂隙系统中的小尺度离散裂隙模型、中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型进行转化，得到多尺度裂隙基质连续介质模型；
模拟模块304，用于通过多尺度裂隙基质连续介质模型对所述岩体的水流运移和溶质运移进行模拟，得到所述岩体的水头分布模拟图和浓度分布模拟图。
进一步的，所述模型转化模块303在用于分别对所述多尺度裂隙系统中的小尺度离散裂隙模型、中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型进行转化，以得到多尺度裂隙基质连续介质模型时，所述模型转化模块303用于：
针对所述多尺度裂隙系统中的小尺度离散裂隙模型，将所述小尺度离散裂隙模型转化为多孔介质模型，并对所述小尺度离散裂隙模型的渗透系数与岩体基质的渗透系数进行等效处理，以得到等效增强型基质；
将所述多尺度裂隙系统中的岩体基质替换为所述等效增强型基质；
将所述待模拟区域剖分为均匀大小的空间网格，针对所述多尺度裂隙系统中的中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型，对所述中尺度离散裂隙模型和所述大尺度离散裂隙模型所在空间进行非均匀网格剖分以得到细化空间网格，并将所述中尺度离散裂隙模型和所述大尺度离散裂隙模型映射到所述细化空间网格中，以得到连续介质模型；
将多尺度裂隙系统中的中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型替换为所述连续介质模型，得到多尺度裂隙基质连续介质模型。
进一步的，所述模型转化模块303在用于将所述小尺度离散裂隙模型转化为多孔介质模型，并对所述小尺度离散裂隙模型的渗透系数与岩体基质的渗透系数进行等效处理，以得到等效增强型基质时，所述模型转化模块303用于：
(a)从所述小尺度离散裂隙模型中截取出小尺度离散裂隙子模型；其中，所述小尺度离散裂隙子模型的边长为所述小尺度裂隙平均长度的第一预设倍数；
(b)以所述小尺度离散裂隙子模型的中心位置为中心确定出正六面体模拟区域；其中，所述正六面体模拟区域的边长为所述小尺度裂隙平均长度的第二预设倍数；
(c)按照所述正六面体模拟区域，从所述小尺度离散裂隙子模型中截取出三维离散裂隙模型；
(d)利用渗流模拟算法计算出所述三维离散裂隙模型的多个等效渗透系数；其中，所述多个等效渗透系数中包括在X轴方向上的等效渗透系数、在Y轴方向上的等效渗透系数和在Z轴方向上的等效渗透系数；
(e)按照预设长度增大所述正六面体模拟区域的边长，返回执行步骤(c)，直至相邻两次的等效渗透系数之间的差值小于或等于变化阈值，得到所述等效增强型基质的多个等效渗透系数，并将所述正六面体模拟区域确定为所述等效增强型基质的典型单元体。
进一步的，所述模型转化模块303在用于利用渗流模拟算法计算出所述三维离散裂隙模型的多个等效渗透系数时，所述模型转化模块303用于：
针对所述三维离散裂隙模型内空间坐标系中的每个坐标轴方向，设置与该坐标轴方向平行的等间距的N个平面；N为大于或等于2的正整数；
针对每个平面，利用该平面截取所述三维离散裂隙模型，以得到N个的二维裂隙试样；
针对每个二维裂隙试样，计算该二维裂隙试样的等效渗透参数；
取N个等效渗透参数的平均值作为该坐标轴方向上的等效渗透系数。
进一步的，所述模型转化模块303在用于将所述待模拟区域剖分为均匀大小的空间网格，针对所述多尺度裂隙系统中的中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型，对所述中尺度离散裂隙模型和所述大尺度离散裂隙模型所在空间进行非均匀网格剖分以得到细化空间网格，并将所述中尺度离散裂隙模型和所述大尺度离散裂隙模型映射到所述细化空间网格中，以得到连续介质模型时，所述模型转化模块303用于：
对所述多尺度裂隙系统的待模拟区域进行剖分，得到多个大小相同的正六面体单元格；
针对每个所述正六面体单元格，当该正六面体单元格内存在裂隙时，确定该正六面体单元格为相交单元格；
针对每个相交单元格，对该相交单元格以及该相交单元格周围的所有正六面体单元格进行剖分，得到多个剖分单元格，以生成所述细化空间网格；
将所述中尺度离散裂隙模型和所述大尺度离散裂隙模型映射到所述细化空间网格中，并利用所述多尺度裂隙系统中大尺度裂隙和中尺度裂隙的统计数据，计算所述待模拟区域中每个待模拟单元格的渗透率和孔隙度，以得到连续介质模型；所述待模拟单元格包括剖分单元格以及正六面体单元格中除剖分单元格以外的所有正六面体单元格。
进一步的，所述模拟模块304在用于通过多尺度裂隙基质连续介质模型对岩体的水流运移和溶质运移进行模拟，得到所述岩体的水头分布模拟图和浓度分布模拟图时，所述模拟模块304用于：
针对所述多尺度裂隙基质连续介质模型中的每个待模拟单元格，建立该待模拟单元格的水量均衡方程和质量守恒方程；
基于所述水量均衡方程计算出所述多尺度裂隙基质连续介质模型中的每个待模拟单元格的水头值；
基于所述质量守恒方程计算出所述多尺度裂隙基质连续介质模型中的每个待模拟单元格的溶质浓度值；
将每个待模拟单元格的水头值和溶质浓度值映射到所述多尺度裂隙基质连续介质模型中，以得到所述水头分布模拟图和所述浓度分布模拟图。
进一步的，所述模拟模块304通过以下步骤计算所述多尺度裂隙基质连续介质模型中的每个待模拟单元格的水头值：
在所述多尺度裂隙基质连续介质模型的边界设置水流边界条件，并设置初始水头条件，其中，所述水流边界条件为流量边界或水头边界；
针对所述多尺度裂隙基质等效连续介质模型中的每个待模拟单元格，基于所述水流边界条件、所述初始水头条件和该待模拟单元格的属性参数，利用所述水量均衡方程计算该待模拟单元格的水头值；
通过以下步骤计算所述多尺度裂隙基质连续介质模型中的每个待模拟单元格的溶质浓度值：
在所述多尺度裂隙基质连续介质模型的边界设置溶质边界条件，并设置初始浓度条件，其中，所述溶质边界条件为浓度边界或溶质通量边界；
针对所述多尺度裂隙基质等效连续介质模型中的每个待模拟单元格，基于所述溶质边界条件、所述初始浓度条件和该待模拟单元格的属性参数，利用所述质量守恒方程计算该待模拟单元格的溶质浓度值。
请参阅图5，图5为本申请实施例所提供的一种电子设备的结构示意图。如图5中所示，所述电子设备400包括处理器410、存储器420和总线430。
所述存储器420存储有所述处理器410可执行的机器可读指令，当电子设备400运行时，所述处理器410与所述存储器420之间通过总线430通信，所述机器可读指令被所述处理器410执行时，可以执行如上述图1以及图2所示方法实施例中的多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的方法的步骤，解决了现有技术中对于多尺度裂隙的模拟计算精确度较低的问题，提高了对水流运移和溶质运移的模拟的准确性，具体实现方式可参见方法实施例，在此不再赘述。
本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时可以执行如上述图1以及图2所示方法实施例中的多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的方法的步骤，解决了现有技术中对于多尺度裂隙的模拟计算精确度较低的问题，提高了对水流运移和溶质运移的模拟的准确性，具体实现方式可参见方法实施例，在此不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的方法，其特征在于，所述方法包括：
获取在待模拟区域内岩体的多尺度裂隙的统计数据；所述多尺度裂隙包括小尺度裂隙、中尺度裂隙和大尺度裂隙；
基于所述多尺度裂隙的统计数据，生成包含有小尺度离散裂隙模型、中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型的多尺度裂隙系统；
分别对所述多尺度裂隙系统中的小尺度离散裂隙模型、中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型进行转化，得到多尺度裂隙基质连续介质模型；
通过多尺度裂隙基质连续介质模型对所述岩体的水流运移和溶质运移进行模拟，得到所述岩体的水头分布模拟图和浓度分布模拟图。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分别对所述多尺度裂隙系统中的小尺度离散裂隙模型、中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙进行转化，以得到多尺度裂隙基质连续介质模型，包括：
针对所述多尺度裂隙系统中的小尺度离散裂隙模型，将所述小尺度离散裂隙模型转化为多孔介质模型，并对所述小尺度离散裂隙模型的渗透系数与岩体基质的渗透系数进行等效处理，以得到等效增强型基质；
将所述多尺度裂隙系统中的岩体基质替换为所述等效增强型基质；
将所述待模拟区域剖分为均匀大小的空间网格，针对所述多尺度裂隙系统中的中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型，对所述中尺度离散裂隙模型和所述大尺度离散裂隙模型所在空间进行非均匀网格剖分以得到细化空间网格，并将所述中尺度离散裂隙模型和所述大尺度离散裂隙模型映射到所述细化空间网格中，以得到连续介质模型；
将多尺度裂隙系统中的中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型替换为所述连续介质模型，得到多尺度裂隙基质连续介质模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述针对所述多尺度裂隙系统中的小尺度离散裂隙模型，将所述小尺度离散裂隙模型转化为多孔介质模型，并对所述小尺度离散裂隙模型的渗透系数与岩体基质的渗透系数进行等效处理，以得到等效增强型基质，包括：
(a)从所述小尺度离散裂隙模型中截取出小尺度离散裂隙子模型；其中，所述小尺度离散裂隙子模型的边长为所述小尺度裂隙平均长度的第一预设倍数；
(b)以所述小尺度离散裂隙子模型的中心位置为中心确定出正六面体模拟区域；其中，所述正六面体模拟区域的边长为所述小尺度裂隙平均长度的第二预设倍数；
(c)按照所述正六面体模拟区域，从所述小尺度离散裂隙子模型中截取出三维离散裂隙模型；
(d)利用渗流模拟算法计算出所述三维离散裂隙模型的多个等效渗透系数；其中，所述多个等效渗透系数中包括在X轴方向上的等效渗透系数、在Y轴方向上的等效渗透系数和在Z轴方向上的等效渗透系数；
(e)按照预设长度增大所述正六面体模拟区域的边长，返回执行步骤(c)，直至相邻两次的等效渗透系数之间的差值小于或等于变化阈值，得到所述等效增强型基质的多个等效渗透系数，并将所述正六面体模拟区域确定为所述等效增强型基质的典型单元体。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用渗流模拟算法计算出所述三维离散裂隙模型的多个等效渗透系数，包括：
针对所述三维离散裂隙模型内空间坐标系中的每个坐标轴方向，设置与该坐标轴方向平行的等间距的N个平面；N为大于或等于2的正整数；
针对每个平面，利用该平面截取所述三维离散裂隙模型，以得到N个的二维裂隙试样；
针对每个二维裂隙试样，计算该二维裂隙试样的等效渗透参数；
取N个等效渗透参数的平均值作为该坐标轴方向上的等效渗透系数。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将所述待模拟区域剖分为均匀大小的空间网格，针对所述多尺度裂隙系统中的中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型，对所述中尺度离散裂隙模型和所述大尺度离散裂隙模型所在空间进行非均匀网格剖分以得到细化空间网格，并将所述中尺度离散裂隙模型和所述大尺度离散裂隙模型映射到所述细化空间网格中，以得到连续介质模型，包括：
对所述多尺度裂隙系统的待模拟区域进行剖分，得到多个大小相同的正六面体单元格；
针对每个所述正六面体单元格，当该正六面体单元格内存在裂隙时，确定该正六面体单元格为相交单元格；
针对每个相交单元格，对该相交单元格以及该相交单元格周围的所有正六面体单元格进行剖分，得到多个剖分单元格，以生成所述细化空间网格；
将所述中尺度离散裂隙模型和所述大尺度离散裂隙模型映射到所述细化空间网格中，并利用所述多尺度裂隙系统中大尺度裂隙和中尺度裂隙的统计数据，计算所述待模拟区域中每个待模拟单元格的渗透率和孔隙度，以得到连续介质模型；所述待模拟单元格包括剖分单元格以及正六面体单元格中除剖分单元格以外的所有正六面体单元格。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通过多尺度裂隙基质连续介质模型对岩体的水流运移和溶质运移进行模拟，得到所述岩体的水头分布模拟图和浓度分布模拟图，包括：
针对所述多尺度裂隙基质连续介质模型中的每个待模拟单元格，建立该待模拟单元格的水量均衡方程和质量守恒方程；
基于所述水量均衡方程计算出所述多尺度裂隙基质连续介质模型中的每个待模拟单元格的水头值；
基于所述质量守恒方程计算出所述多尺度裂隙基质连续介质模型中的每个待模拟单元格的溶质浓度值；
将每个待模拟单元格的水头值和溶质浓度值映射到所述多尺度裂隙基质连续介质模型中，以得到所述水头分布模拟图和所述浓度分布模拟图。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过以下步骤计算所述多尺度裂隙基质连续介质模型中的每个待模拟单元格的水头值：
在所述多尺度裂隙基质连续介质模型的边界设置水流边界条件，并设置初始水头条件，其中，所述水流边界条件为流量边界或水头边界；
针对所述多尺度裂隙基质等效连续介质模型中的每个待模拟单元格，基于所述水流边界条件、所述初始水头条件和该待模拟单元格的属性参数，利用所述水量均衡方程计算该待模拟单元格的水头值；
通过以下步骤计算所述多尺度裂隙基质连续介质模型中的每个待模拟单元格的溶质浓度值：
在所述多尺度裂隙基质连续介质模型的边界设置溶质边界条件，并设置初始浓度条件，其中，所述溶质边界条件为浓度边界或溶质通量边界；
针对所述多尺度裂隙基质等效连续介质模型中的每个待模拟单元格，基于所述溶质边界条件、所述初始浓度条件和该待模拟单元格的属性参数，利用所述质量守恒方程计算该待模拟单元格的溶质浓度值。
8.一种多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于获取在待模拟区域内岩体的多尺度裂隙的统计数据；所述多尺度裂隙包括小尺度裂隙、中尺度裂隙和大尺度裂隙；
系统生成模块，用于基于所述多尺度裂隙的统计数据，生成包含有小尺度离散裂隙模型、中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型的多尺度裂隙系统；
模型转化模块，用于分别对所述多尺度裂隙系统中的小尺度离散裂隙模型、中尺度离散裂隙模型和大尺度离散裂隙模型进行转化，得到多尺度裂隙基质连续介质模型；
模拟模块，用于通过多尺度裂隙基质连续介质模型对所述岩体的水流运移和溶质运移进行模拟，得到所述岩体的水头分布模拟图和浓度分布模拟图。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过所述总线进行通信，所述机器可读指令被所述处理器运行时执行如权利要求1至7任一所述的多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如权利要求1至7任一所述的多尺度裂隙基质系统中地下水耦合模拟的方法的步骤。
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