CN116611274B - 一种地下水污染运移可视化数值模拟方法 - Google Patents

一种地下水污染运移可视化数值模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例中提供了一种地下水污染运移可视化数值模拟方法，属于数据处理技术领域，具体包括：获取目标区域的地下水污染数据；根据地下水污染数据构造概念模型；根据概念模型构造地质体结构模型；根据空间数据、概念模型和结构模型构造三维网格模型；根据三维网格模型建立属性场模型；根据三维网格模型和属性场模型建立多求解器类型的仿真数值模型，使用仿真数值模型进行流场模拟和污染物扩散模拟，并且在模拟过程中利用参数修正模块进行参数修正，构建可变参数模型；根据仿真数值模型和可变参数模型迭代进行仿真模拟，并生成分析结果和数据报告。通过本发明的方案，提高了预测效率、适应性和精准度。

Description

一种地下水污染运移可视化数值模拟方法
技术领域
本发明实施例涉及数据处理技术领域，尤其涉及一种地下水污染运移可视化数值模拟方法。
背景技术
目前，随着城市化的快速发展和工业生产的不断增加，地下水污染问题越来越受到重视。为了更好地理解和控制地下水污染，采用地下水污染可视化模拟技术，即通过三维可视化技术将地下水污染情况以及溶质运输规律形象地呈现出来。地下水污染可视化模拟技术是将地下水流动与地下水污染模型三维可视化相结合，将实际采集的水文地质数据与计算程序相结合，从而构建出完整的地下水流动和污染传输模型。通过这种模拟技术，可以实时观察到地下水的流动和污染程度，从而更好地预测和控制地下水的污染扩散。地下水污染可视化模拟技术需要采用一定的建模方法和算法，现有的技术存在数据输入繁琐，而且现有技术缺少水文地质基础数据管理***，使得数据无法集中的保存，为后期的研究造成了不便，使得数据处理效率低、预测精度不高。
可见，亟需一种处理效率、适应性和精准度高的地下水污染运移可视化数值模拟方法。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种地下水污染运移可视化数值模拟方法，至少部分解决现有技术中存在预测效率、适应性和精准度较差的问题。
本发明实施例提供了一种预测效率、适应性和精准度方法，包括：
步骤1，获取目标区域的地下水污染数据；
步骤2，根据地下水污染数据构造概念模型；
所述步骤2具体包括：
根据地下水污染数据中的水文地质平面图和剖面图，推断后续构建场地三维模型的基础上框定模拟范围，建立概念模型；
步骤3，根据概念模型构造地质体结构模型；
所述步骤3具体包括：
基于概念模型，结合观测井分布表、钻孔岩性数据、地质剖面图建立地质体结构模型；
步骤4，根据空间数据、概念模型和结构模型构造三维网格模型；
所述步骤4具体包括：
基于空间数据、概念模型和结构模型，利用三维网格剖分算法将三维空间分割为单元体，所有单元体集合构成三维网格模型；
步骤5，根据三维网格模型建立属性场模型；
所述步骤5具体包括：
采用插值方法为三维网格模型切割的每个网格分配初始属性形成属性场模型，其中，初始属性包括初始水位、初始污染物浓度、储水率、延迟因子、有效孔隙度、弥散系数、渗透系数和边界条件；
步骤6，根据三维网格模型和属性场模型建立多求解器类型的仿真数值模型，使用仿真数值模型进行流场模拟和污染物扩散模拟，并且在模拟过程中利用参数修正模块进行参数修正，构建可变参数模型；
所述步骤6具体包括：
根据三维网格模型和属性场模型，结合地下水流和溶质运移的影响因素，采用有限差分法在节点和单元上建立质量守恒方程和运动方程，建立使用多求解器类型的仿真数值模型，进行流场模拟和污染物扩散模拟，并且在模拟过程中利用参数修正模型进行参数修正，构建可变参数模型；
步骤7，根据仿真数值模型和可变参数模型迭代进行仿真模拟，并生成分析结果和数据报告。
根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述利用三维网格剖分算法将三维空间分割为单元体的步骤，包括：
建立包围盒，在包围盒范围内划分立方体元，对于每个小立方体确定其八个顶点的函数值，其中，所述顶点的函数值的三元函数标量值 />标识点与三元函数所定义的隐式曲面的空间位置关系为
；
选取对应的隐式函数表达式，剖分过程中根据等值面函数提取每两个地层面之间的立方体元的隐式函数值，作为其地层标识，形成单元体。
根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述初始属性的表达式为
其中，表示网格单元/>中心点处的插值函数，/>表示单元中心点处的属性值，所述插值函数以采用反距离权重法，以最大搜索半径和最大搜索点数为限制条件。
根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述求解器类型包括共轭梯度求解器、双稳定共轭梯度求解器和多重网格求解器。
根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述仿真数值模型的表达式为
其中，表示有限差分体元节点数，/>表示体元索引下标，/>表示/>时刻第/>个节点的水头值；
系数为针对水头/>的水头变化率，表示为：
其中，为/>方向的渗透系数，/>为三维方向的集合，/>为当前/>节点的水头估计值，通过该式求解其/>方向上的变化率得到该节点总水头变化率；
系数为针对水头/>的渗流项，表示为：
其中，下标代表方程中节点的二维索引，/>为储水量，/>为时阶，/>为当前/>节点的水头估计值；
系数为源汇项，表示为：
其中，为流体源汇项；
可变参数模型的渗流耦合方程和对流-弥散耦合方程表示为：
其中，为渗透系数，/>为源汇项，/>为水头，/>为有效孔隙度，/>为阻滞因子，/>为弥散系数，/>为源汇项，/>为为吸附物密度，/>为各种化学反应，/>为吸附项速率常数，/>为动力吸附速率系数，/>为单位质量吸附物所吸附的化合物的质量，/>为溶质浓度。
本发明实施例中的处理效率、适应性和精准度方案，包括：步骤1，获取目标区域的地下水污染数据；步骤2，根据地下水污染数据构造概念模型；步骤3，根据概念模型构造地质体结构模型；步骤4，根据空间数据、概念模型和结构模型构造三维网格模型；步骤5，根据三维网格模型建立属性场模型；步骤6，根据三维网格模型和属性场模型建立多求解器类型的仿真数值模型，使用仿真数值模型进行流场模拟和污染物扩散模拟，并且在模拟过程中利用参数修正模块进行参数修正，构建可变参数模型；步骤7，根据仿真数值模型和可变参数模型迭代进行仿真模拟，并生成分析结果和数据报告。
本发明实施例的有益效果为：通过本发明的方案，通过建模过程中对数据的设置和管理查看不同时期的数据并分析，对模型进行查看和修改，针对不同情况下的污染运移采用不同模拟参数和求解器，并建立参数反馈模块，实时更新参数列表，提高地下水污染数值模拟的效率和精确性；将地下水污染监测、采集和模拟的数据及参数进行集成化、可视化，可直观了解模拟流程环节，提升场地污染的综合管理与评估预测能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种地下水污染运移可视化数值模拟方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种地下水污染运移可视化数值模拟方法的具体实施过程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种地下水污染模拟方法应用实例中建立的污染场地概念模型示意图；
图4为本发明实施例提供的一种地下水污染模拟方法应用实例中建立的地质体结构模型示意图；
图5为本发明实施例提供的一种地下水污染模拟方法应用实例中网格剖分获取的三维网格模型示意图；
图6为本发明实施例提供的一种地下水污染模拟方法应用实例中的属性参数赋值和数值模拟求解流程示意图；
图7为本发明实施例提供的一种地下水污染模拟方法应用实例中集成化***中的结构图及结果的三维展示示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本发明，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
本发明实施例提供一种地下水污染运移可视化数值模拟方法，所述方法可以应用于地下水污染物迁移规律的分析过程中。
参见图1，为本发明实施例提供的一种地下水污染运移可视化数值模拟方法的流程示意图。如图1和图2所示，所述方法主要包括以下步骤：
步骤1，获取目标区域的地下水污染数据；
具体实施时，通过多种数据采集方式获取地下水污染源、地下水污染物含量、地下水流速等相关数据，并且为模拟数据的输入做多数据源预处理。采集方式包括场地监测和样品实验，采集到的数据经过分析和预处理，根据数据类型和特点整理为多个数据集，以便后续处理和分析。设计支持源数据的包括标准格式及自定义格式的多种数据结构输入程序，保证数据读取的完整性。
例如，获取地质平面图、地质剖面图、观测井分布图：以某重金属污染场地为例，通过详细场地调查报告作为地图来源，并在平面图和剖面图地图上标记观测井坐标分布。
进一步地，对调查报告进行分析，将所获得的信息数据分类整理并规范化，具体地，空间数据规范为坐标加地层标记的形式并录入数据文件，非空间数据以顺序表格形式存储为通用文本或CSV表格文件，两种数据均建立总的索引查询表便于后续索引。
步骤2，根据地下水污染数据构造概念模型；
进一步的，所述步骤2具体包括：
根据地下水污染数据中的水文地质平面图和剖面图，推断后续构建场地三维模型的基础上框定模拟范围，建立概念模型。
具体实施时，构造概念模型需要定义建模的目标，包括空间坐标系和参数单位、地下水类型、溶质吸附类型、反应类型等；根据采集整理的地质、水文、工程、环境数据和信息，确定模型的空间和时间范围以及基本模型尺度；初步建立展示岩层分布、地下水流场和污染源扩散迁移趋势的概括全局的要素***，包括边界概化和内部结构概化。
例如，根据场地平面概况和调查报告中的水文地质平面图和剖面图，推断后续构建场地三维模型的基础上框定大致模拟范围，建立场地概念模型，如图3所示。在本实例中，如图3所示，从地表往下土壤性质大致分为杂填土、粉质黏土、圆砾、强风化泥岩和中风化泥岩，潜水层位于地表往下的第3层圆砾层，根据地下水流场特征，大致确定边界范围和污染源的相对位置以及在土壤地下水中的扩散迁移过程。
步骤3，根据概念模型构造地质体结构模型；
在上述实施例的基础上，所述步骤3具体包括：
基于概念模型，结合观测井分布表、钻孔岩性数据、地质剖面图建立地质体结构模型。
具体实施时，基于前述概念模型，结合采集到的钻孔分布表、钻孔岩性数据、地质剖面图等建立地质体结构模型。该模型包括分层结构和实体对象的矢量模型，其中分层结构用来描述地层的空间分布规律，而实体对象的矢量模型则用来描述空间要素的实体形态和矢量属性。基于已知岩层信息和岩性数据，对每一垂向的所有上下地层交界处的地层面边界部分进行归属判断，构造更合理的结构模型，如图4所示为本实例中的地质体结构模型。
进一步地，针对结构模型的垂向，分层结构一般用地层序列来表示，每个地层序列包括其编号、名称和含水层标记，设 层地层，第 />层地层在平面上的空间范围为/>，在垂直方向上的厚度为/>，则地层的分层结构可以表示为：
且满足：
。
步骤4，根据空间数据、概念模型和结构模型构造三维网格模型；
在上述实施例的基础上，所述步骤4具体包括：
基于空间数据、概念模型和结构模型，利用三维网格剖分算法将三维空间分割为单元体，所有单元体集合构成三维网格模型。
进一步的，所述利用三维网格剖分算法将三维空间分割为单元体的步骤，包括：
建立包围盒，在包围盒范围内划分立方体元，对于每个小立方体确定其八个顶点的函数值，其中，所述顶点的函数值的三元函数标量值 />标识点与三元函数所定义的隐式曲面的空间位置关系为
；
选取对应的隐式函数表达式，剖分过程中根据等值面函数提取每两个地层面之间的立方体元的隐式函数值，作为其地层标识，形成单元体。
具体实施时，在本实例中，对模型边界设置加密点并进行结构化网格剖分，进一步说明的是，在剖分过程中需要给每个得到的网格体元赋予地层标记，借助隐式函数实现，所述三维模型网格剖分包括结构化网格和非结构化网格。
结构化网格剖分根据输入的场地概念模型及结构信息，建立包围盒空间模型，对该空间模型进行规则切割，即在空间三个方向按照一定的空间步长（）控制三维点坐标，每一个三维点可抽象为一个立方体（长宽高分别为），使用规则格网数据表存储模型信息，包括空间地理位置和节点信息。
非结构化网格剖分根据输入的场地概念模型及结构信息，对三维模型进行空间上不规则切割，即将三维模型分割为某种不规则体元的集合，每一个不规则体元都表示该体元区域的空间信息，体元之间的数据交互通过共同角点实现，使用不规则格网数据文件存储模型空间信息，包括三维点（不规则体元角点坐标）和三维体（不规则体元角点序号）。
本发明实施例以结构化网格剖分为例，具体地，首先建立包围盒，在包围盒范围内划分立方体元，对于每个小立方体确定其八个顶点的函数值，这些顶点函数的三元函数标量值 />标识点与三元函数所定义的隐式曲面的空间位置关系（内部、面上、外部）：
进一步地，根据上述方式，选取合适的隐式函数表达式，剖分过程中根据等值面函数提取每两个地层面之间的立方体元的隐式函数值，作为其地层标识。在本实施例中，地层标识为3即标记为含水层。
进一步地，在本发明中，建立三维网格模型可以通过指定结构化网格的边长或三维方向上的网格数得到符合需求的模拟精度，在本实施例中，剖分平面分辨率选定10m，垂向分辨率选定0.5m，如图5所示为建立的三维网格模型。
步骤5，根据三维网格模型建立属性场模型；
进一步的，所述步骤5具体包括：
采用插值方法为三维网格模型切割的每个网格分配初始属性形成属性场模型，其中，初始属性包括初始水位、初始污染物浓度、储水率、延迟因子、有效孔隙度、弥散系数、渗透系数和边界条件。
进一步的，所述初始属性的表达式为
其中，表示网格单元/>中心点处的插值函数，/>表示单元中心点处的属性值，所述插值函数以采用反距离权重法，以最大搜索半径和最大搜索点数为限制条件。
具体实施时，所述初始属性包括初始水位、初始污染物浓度、储水率、延迟因子、有效孔隙度、弥散系数、渗透系数和边界条件。
进一步地，由于观测井数量限制，无法得到10m高精度网格的所有属性值，在本实例中，采用插值方法为每个体元提取参数值：
进一步地，对于某一属性项，设该属性值为，则可以用离散的方式描述：
其中，表示网格单元/>中心点处的插值函数，/>表示单元中心点处的属性值。同理，渗透率/>、孔隙度/>、地下水位/>等水文指标也可用离散方法来描述。
进一步地，其中的插值函数以采用反距离权重法（IDW），以最大搜索半径和最大搜索点数/>为限制条件：
其中，为第i个点的属性值，/>为第i个点和当前待插值点的距离，为当前待插值点空间坐标，/>为第i个插值点的空间坐标，/>为第i个插值点的反距离权重。
进一步地，经过上述步骤，建立带有地层标记、属性值和初始条件的三维网格模型，该模型可作为数值模拟的初始迭代输入源。
同时，边界条件按照类型区分为狄利克雷边界条件和诺依曼边界条件，边界条件的设置来源于场地真实检测数据，分为渗流场边界条件和浓度场边界条件。
设模拟区域边界为，则边界类型参数可表示为：
其中为指定流量边界的区域集合，/>为指定水头边界的区域集合，/>为通过隔离和孔隙弹性作用影响水位变化的区域集合，/>为溢流区域集合。
进一步地，上述四种类型的边界条件可以根据实际场地来指定。
步骤6，根据三维网格模型和属性场模型建立多求解器类型的仿真数值模型，使用仿真数值模型进行流场模拟和污染物扩散模拟，并且在模拟过程中利用参数修正模块进行参数修正，构建可变参数模型；
在上述实施例的基础上，所述步骤6具体包括：
根据三维网格模型和属性场模型，结合地下水流和溶质运移的影响因素，采用有限差分法在节点和单元上建立质量守恒方程和运动方程，建立使用多求解器类型的仿真数值模型，进行流场模拟和污染物扩散模拟，并且在模拟过程中利用参数修正模型进行参数修正，构建可变参数模型。
可选的，所述求解器类型包括共轭梯度求解器、双稳定共轭梯度求解器和多重网格求解器。
进一步的，所述仿真数值模型的表达式为
其中，表示有限差分体元节点数，/>表示体元索引下标，/>表示/>时刻第/>个节点的水头值；
系数为针对水头/>的水头变化率，表示为：
其中，为/>方向的渗透系数，/>为三维方向的集合，/>为当前/>节点的水头估计值，通过该式求解其/>方向上的变化率得到该节点总水头变化率；
系数为针对水头/>的渗流项，表示为：
其中，下标代表方程中节点的二维索引，/>为储水量，/>为时阶，/>为当前节点的水头估计值；
系数为源汇项，表示为：
其中，为流体源汇项；
可变参数模型的渗流耦合方程和对流-弥散耦合方程表示为：
其中，为渗透系数，/>为源汇项，/>为水头，/>为有效孔隙度，/>为阻滞因子，为弥散系数，/>为源汇项，/>为为吸附物密度，/>为各种化学反应，/>为吸附项速率常数，/>为动力吸附速率系数，/>为单位质量吸附物所吸附的化合物的质量，/>为溶质浓度。
具体实施时，如图6所示为根据本发明实施方案的应用实例中的属性参数赋值和数值模拟求解流程示意图。有限差分模拟器采用一种规则格网空间离散和时间近似方法处理场模型，形成大规模稀疏线性方程组，以水头为例，求解方案如下：
设为渗流场模型狄利克雷问题的解，根据三维有限差分方法，基于隐式差分法将所有水头取t时阶的值，则/>满足：
其中，表示第t+1时阶有限差分格网中心点处的水头值，/>表示第t-1时阶有限差分格网中心点的水头值，/>表示单位体元的储水量，与水头/>相关。考虑所有有限差分网格节点得到整体的渗流场模型，可近似为：
其中，表示有限差分体元节点数，/>表示体元索引下标，/>表示/>时刻第/>个节点的水头值；
进一步地，系数为针对水头/>的水头变化率，表示为：
其中，为/>方向的渗透系数，/>为三维方向的集合，/>为当前/>节点的水头估计值，通过该式求解其/>方向上的变化率得到该节点总水头变化率；
系数为针对水头/>的渗流项，表示为：
其中，下标代表方程中节点的二维索引，/>为储水量，/>为时阶，/>为当前节点的水头估计值；
系数为源汇项，表示为：
其中，为流体源汇项；
进一步地，即可得到稀疏线性方程组的最终形式，该方程的隐式解为：
其中，为线性系数，/>为/>子区域的线性***矩阵，进一步地，有限差分体元结果集合可表示为：
其中，为第/>时阶有限差分格网中心点处的水头值。
作为本发明进一步的技术方案，针对上述数值模型形成的大型稀疏线性方程组求解问题，可以选择采用共轭梯度、双稳定共轭梯度、多重网格等多种求解类型进行数值运算：
可选地，共轭梯度法求解可以求解离散化后的水流方程，求解关键数值模型如下：
对于矩阵和向量/>，/>为/>时刻的估计水头或污染浓度值，该时刻满足残差向量/>和/>，则满足关系/>：
对于下一次迭代值与初始迭代值/>的差值，有：
；
其中，为第/>次迭代的步长，/>为/>次迭代的共轭方向，继续求解/>，有；
重复以上步骤，直到收敛或达到最大迭代次数。
可选地，稳定双共轭梯度法对于分辨率为的系数矩阵/>和向量/>，初始化方程组/>及参数，计算新的残差向量/>和左偏共轭向量/>有：
其中，为迭代停止条件，/>为松弛系数，/>为/>次迭代的共轭方向，/>为以/>为共轭方向计算的向量；
继续计算新的向量：
；
其中，为迭代步长，利用该步长更新向量/>和残差向量/>：
/>
同时计算迭代条件和松弛系数：
；
满足模拟迭代条件即返回解。
可选地，多重网格法在多个不同粒度的网格上进行迭代求解，从而获得更好的求解速度和精度。基本数学方程表现为：
其中，是平滑操作算子，/>为残差向量，/>表示迭代次数，/>表示第/>次迭代的解向量，/>表示上一次迭代的解向量。
进一步地，将网格限制到父网格：
其中，表示父网格的分辨率，/>表示当前网格的分辨率，/>表示限制算子，表示限制操作后得到的父网格的残差向量，/>表示原始网格的残差向量。
作为本发明进一步的技术方案，在数值求解迭代过程中利用参数修正模块构建可变参数模型，读取参数修正模块可变参数数据集与模型可变参数标识，修正模拟可变参数，更新后的模型可变参数参与下一时间步的模拟，表示为：
式中，为参数修正状态，/>表示未实行参数校正，表示实行；/>为模型可变参数数据集，/>为模型可变参数唯一标识符集，/>为模型可变参数总个数，/>为模型可变参数矩阵，/> 为模型可变参数唯一标识符。
具体地，在本实例中，模拟参数设置为模拟时长2年，迭代步长15天，溶质吸附类型选定Frenchque 平衡吸附，化学反应类型选定Dissolve 化学平衡，分别选择不同线性方程组求解器进行数值运算以进行对比，并根据迭代过程设置合理绝对误差限和相对误差限。
进一步地，本发明建立可变参数模型，包括渗透反应墙和抽水井：
渗透反应墙模型渗流耦合方程和对流—弥散耦合方程如下：
其中，分别表示/>方向上的渗透系数，qs为源汇项，h为水头，/>为有效孔隙度，/>为阻滞因子，/>为弥散系数，/>为源汇项，/>为为吸附物密度，/>为各种化学反应，/>为吸附项速率常数，/>为动力吸附速率系数，/>为单位质量吸附物所吸附的化合物的质量，C为溶质浓度。
抽水井模型渗流耦合方程和对流—弥散耦合方程如下：
其中，为抽水速率，/>分别表示/>方向上的渗透系数，分别表示单位体元在/>方向上的边长，/>为弥散系数，/>为单位质量吸附物所吸附的化合物的质量，C为溶质浓度。
进一步地，在上所述的两种可变参数模型中：
进一步地，在本实例中，为模拟求解器设置状态机管理，只有当前步骤顺利完成才可进入下一步骤，否则模拟求解结束。
步骤7，根据仿真数值模型和可变参数模型迭代进行仿真模拟，并生成分析结果和数据报告。
具体实施时，以上所述模型构造完成、参数设置完成后进行数值模拟，通过建模技术将仿真模拟过程及结果以图形化方式展现，包括污染扩散分布、地下水位、三维地形的静态及动态演示。针对污染物特性和地下水流动特点，实现污染扩散的模拟，并分析污染物迁移途径和风险，所述仿真模拟过程及结果的可视化与分析包括三维模型的场景交互、三视平面图、模型纵横向剖切、地层筛选剖切、等值线、属性分级展示和动态变化等效果。
同时，对模拟结果进行定量分析评估即精度检验，针对稀疏线性方程组求解的精度检验方案为，将稀疏矩阵/>与求解结果向量/>的乘积和向量/>做误差检验，当向量相对误差/>、向量绝对误差/>、向量和相对误差/>都满足阈值限制时，认为求解结果正确。
当以上条件均满足时，返回0，即当前时间步下求解正确。
作为本发明进一步的技术方案，对模型输出为网格组织形式的数据文件，对各属性项参数或地下水位、污染物浓度结果输出为规范化或格式化的数据文件。
下面将结合一个具体实施例对本方案进行具体说明，本发明还提供一种应用于所述地下水污染运移可视化数值模拟方法的地下水污染可视化模拟***，结构如图7的（a）所示，通过集成数据管理、模型管理、建模过程图形化、场景可视化、参数设置线性流程化于一体的模拟***，直观高效地提升场地污染评估和预测能力。如图7的（b）和图7的（c）所示，模拟***中地下水位和污染物浓度分布的模拟结果可视化，在本具体实施例中，可以明显看出污染物的分布及扩散趋势，且与地下水位具有强相关性。
本实施例提供的地下水污染运移可视化数值模拟方法，通过建模过程中对数据的设置和管理查看不同时期的数据并分析，对模型进行查看和修改，针对不同情况下的污染运移采用不同模拟参数和求解器，并建立参数反馈模块，实时更新参数列表，提高地下水污染数值模拟的效率和精确性；将地下水污染监测、采集和模拟的数据及参数进行集成化、可视化，可直观了解模拟流程环节，提升场地污染的综合管理与评估预测能力。
特别地，根据本发明的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信装置从网络上被下载和安装，或者从存储装置被安装，或者从ROM 被安装。在该计算机程序被处理装置执行时，执行本发明实施例的方法中限定的上述功能。
需要说明的是，本发明上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的***、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器（CD-ROM）、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本发明中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF（射频）等等，或者上述的任意合适的组合。
上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。
上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备可以执行上述方法实施例的相关步骤。
或者，上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备可以执行上述方法实施例的相关步骤。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机（例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接）。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的***、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本发明实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种地下水污染运移可视化数值模拟方法，其特征在于，包括：
步骤1，获取目标区域的地下水污染数据；
步骤2，根据地下水污染数据构造概念模型；
所述步骤2具体包括：
根据地下水污染数据中的水文地质平面图和剖面图，推断后续构建场地三维模型的基础上框定模拟范围，建立概念模型；
步骤3，根据概念模型构造地质体结构模型；
所述步骤3具体包括：
基于概念模型，结合观测井分布表、钻孔岩性数据、地质剖面图建立地质体结构模型；
步骤4，根据空间数据、概念模型和结构模型构造三维网格模型；
所述步骤4具体包括：
基于空间数据、概念模型和结构模型，利用三维网格剖分算法将三维空间分割为单元体，所有单元体集合构成三维网格模型；
步骤5，根据三维网格模型建立属性场模型；
所述步骤5具体包括：
采用插值方法为三维网格模型切割的每个网格分配初始属性形成属性场模型，其中，初始属性包括初始水位、初始污染物浓度、储水率、延迟因子、有效孔隙度、弥散系数、渗透系数和边界条件；
步骤6，根据三维网格模型和属性场模型建立多求解器类型的仿真数值模型，使用仿真数值模型进行流场模拟和污染物扩散模拟，并且在模拟过程中利用参数修正模块进行参数修正，构建可变参数模型；
所述步骤6具体包括：
根据三维网格模型和属性场模型，结合地下水流和溶质运移的影响因素，采用有限差分法在节点和单元上建立质量守恒方程和运动方程，建立使用多求解器类型的仿真数值模型，进行流场模拟和污染物扩散模拟，并且在模拟过程中利用参数修正模型进行参数修正，构建可变参数模型，其中，所述参数修正模型的表达式为
，
，
，
式中，为参数修正状态，/>表示未实行参数校正，/>表示实行；/>为模型可变参数数据集，/>为模型可变参数唯一标识符集，/>为模型可变参数总个数，/>为模型可变参数矩阵，/> 为模型可变参数唯一标识符；
所述可变参数模型包括渗透反应墙模型和抽水井模型；
步骤7，根据仿真数值模型和可变参数模型迭代进行仿真模拟，并生成分析结果和数据报告。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于,所述利用三维网格剖分算法将三维空间分割为单元体的步骤，包括：
建立包围盒，在包围盒范围内划分立方体元，对于每个小立方体确定其八个顶点的函数值，其中，所述顶点的函数值的三元函数标量值 />标识点与三元函数所定义的隐式曲面的空间位置关系为
；
选取对应的隐式函数表达式，剖分过程中根据等值面函数提取每两个地层面之间的立方体元的隐式函数值，作为其地层标识，形成单元体。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于,所述初始属性的表达式为
；
其中，表示网格单元/>中心点处的插值函数，/>表示单元中心点处的属性值，所述插值函数以采用反距离权重法，以最大搜索半径和最大搜索点数为限制条件。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于,所述求解器类型包括共轭梯度求解器、双稳定共轭梯度求解器和多重网格求解器。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于,所述仿真数值模型的表达式为
其中，表示有限差分体元节点数，/>表示体元索引下标，/>表示/>时刻第/>个节点的水头值；
系数为针对水头/>的水头变化率，表示为：
其中，为/>方向的渗透系数，/>为三维方向的集合，/>为当前/>节点的水头估计值，通过该式求解其/>方向上的变化率得到该节点总水头变化率；
系数为针对水头/>的渗流项，表示为：
其中，下标代表方程中节点的二维索引，/>为储水量，/>为时阶，/>为当前节点的水头估计值；
系数为源汇项，表示为：
其中，为流体源汇项；
渗透反应墙模型的渗流耦合方程和对流-弥散耦合方程表示为：
其中，为渗透系数，/>为源汇项，/>为水头，/>为有效孔隙度，/>为阻滞因子，/>为弥散系数，/>为源汇项，/>为为吸附物密度，/>为各种化学反应，/>为吸附项速率常数，/>为动力吸附速率系数，/>为单位质量吸附物所吸附的化合物的质量，/>为溶质浓度；
抽水井模型渗流耦合方程和对流—弥散耦合方程表示为：
，
，
其中，为抽水速率，/>、/>、/>分别表示/>，/>，/>方向上的渗透系数，/>，/>，分别表示单位体元在/>，/>，/>方向上的边长，/>为弥散系数，/>为单位质量吸附物所吸附的化合物的质量，/>为溶质浓度。
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