地下水流仿真与预测分析方法
专利汇可以提供地下水流仿真与预测分析方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种地下 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。，下面是地下水流仿真与预测分析方法专利的具体信息内容。
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（Hi, Hj, Hk, Hm），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，(ωA ,ωB ,ωC ,ωD ) 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) = ωA EA + ωB EB + ωC EC + ωD 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。
地下水流仿真与预测分析方法
技术领域
背景技术
发明内容
（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。
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（Hi, Hj, Hk, Hm），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，(ωA ,ωB ,ωC ,ωD ) 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) = ωAEA + ωBEB + ωCEC + ωDED (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。
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。
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。
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。
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。
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
含水层数据格式
ID KIJXYTOP1 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。
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。
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。
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。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 一种沉积盆地构造隆升的定量评价方法 | 2020-05-18 | 338 |
| 一种基于滤波器设计的时移地震反演方法 | 2020-05-16 | 844 |
| 一种富Hf矿物或岩石进行Hf同位素分析方法及系统 | 2020-05-15 | 195 |
| 一种Ti掺杂α-Al2O3透明陶瓷热释光材料的制备方法 | 2020-05-21 | 652 |
| 能够将重金属离子无害化的无机电解凝结剂及使用该凝结剂的资源化处理方法 | 2020-05-22 | 281 |
| 大幅黑白片实时假彩色化处理 | 2020-05-23 | 819 |
| 一种基于动力地质学的仿真岩心的制备装置及方法 | 2020-05-11 | 866 |
| 使用矿物学确定压裂刺激点的布置的系统、方法、和计算机程序产品 | 2020-05-17 | 937 |
| 微型自动分样器 | 2020-05-13 | 576 |
| 游标吴氏网 | 2020-05-18 | 171 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
