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摘要：由于地层的形成存在一定的不确定性，导致地下水渗流流动过程是错综复杂的。近些年来大量开采地下水资源导致的地面沉降现象，给社会安全带来一定的危害，所以为了减少开采地下水带来的地面沉降数值，需要进行地下水渗流分析研究。本文以卡尔曼滤波理论为依托进行水文地质参数的反演，采用数值模拟计算的方法，模拟出三维地下水渗流流场，得出渗流流动规律，为减少地面沉降量提供参考。
关键词：卡尔曼滤波；水文地质概念模型；地下水渗流流动规律
1引言
近些年来随着经济高速发展以及国内人口数量的迅速增长，抽取地下水资源从而引发地面沉降现象已经成为普遍的岩土工程问题。长期过量的抽取地下水导致水资源补给量不足，造成水位长时间低于正常水平从而形成地下水降落漏斗引发地面沉降现象，存在一定的安全隐患，给区域内人民的生产生活和社会的迅速发展带来严重影响。
抽取地下水会导致土层多孔介质内部的应力重新分配调整，将原本的应力平衡状态破坏，从而导致地面沉降现象的发生。所以研究地下水渗流流动规律是具有重要价值与意义。本文应用卡尔曼滤波理论，进行地下水水文参数数据的同化计算，借助地下水流场分析模拟软件进行水文地质参数反演，得到较为准确的水文地质参数，同时建立三维渗流非稳定模型进行地下水含水层的渗流流场分析，以不同开采地下水量为计算模拟条件，从而为减少由于抽取地下水导致的地面沉降数量提供参考。
1 某研究区域水文参数渗透系数的反演
在进行复杂的地下水渗流分析时，通常应用数值模拟分析的手段来探究地下水的运动形态及规律。目前常用数据同化技术对地下水水位观测数据进行分析修正，得到更加精确的参数值。而卡尔曼滤波理论作为数据同化技术中较为成熟的理论体系，在分析研究中得到了广泛的应用。
基于卡尔曼滤波理论，借助于地下水流场分析软件平台，建立地下水渗流模型，来进行水文参数渗透系数的反演计算。分析计算模型范围大小为200m x 200m的含水层，并且设置计算模型的厚度为100m，初始的地下水水位深度为2m。计算模型的上边界及下边界设置为不透水边界条件，而左边界及右边界设置为定水头边界条件，并且设置抽水井4个以及25个水位观测井，外界条件抽水井的抽水流量设定为 ，如下图1所示：
图1模型区域平面示意图
根据卡尔曼滤波理论进行同化计算，程序将上一时间步的同化值作为下一时间段水头值代入计算，之后将对水文地质参数进行反演计算。计算结果如图2、3所示：
由图2、3可以看出，水头值经过计算后在第20步左右时就已基本稳定，之后过程中误差值在0.1左右，说明以卡尔曼滤波理论为依托来进行计算分析过滤误差是有效的。用同化计算得到的水头值进行该区域水文参数渗透系数的反演，结果如图4所示：
图2 水头和测量误差同化过程
图3水头值的数据同化过程
图4 反演所得渗透系数场
由图4反演结果显示，渗透系数为0.773，接近计算模型参考值0.8，误差较小。由计算过程中可以发现，水头值经过同化之后更加接近真实值，表明该方法有效可以用于研究区的地下水分析计算。
2 水文地质概念模型
2.1 模拟范围及边界条件
如图5所示本次模拟计算选取的某区域面积约为500km2，并且该地区的抽取地下水位置主要是在300m~500m含水层之间，因此选取该段为分析研究对象并建立模型如下图所示：
图5 研究区域流场数值模型网格剖分示意图
由上图所示，该研究计算范围内应用数值模拟软件进行网格划分，得到312个计算三角形网格单元，185个计算节点。
3.三维地下水渗流模型
3.1三维地下水渗流数学模型
三维地下水非稳定渗流的计算数学模型公式如下：
图6 分析研究区域三维数值模型
图7研究区2014年速度场分布云图
图8研究区2015年速度场分布云图
由以上地下水速度场云图分布可以看出，在抽取地下水井群的中心渗流速度较大，向四周扩散渗流速度将逐渐减小。并且随着开采地下水水量的增多，开采井周边的地下水流场速度变大，并且速度场分散在集中的抽水井附近。
获得渗流流场水文地质参数之后对某研究区域地下水流场的变化进行分析，得到并绘制出该区域的地下水水位降落漏斗的示意图。
图9 地下水水位漏斗图
由以上地下水水位示意图可以更直观的反映出在地下水井集中的区域，水位下降较为明显，形成漏斗形状。依据所建立的渗流数学模型，对监测井ZK20结点水位计算结果与观测值进行拟合，如图10所示，表明该模型中有关参数选择合理。
图10 ZK20号井地下水水位校核图
由上图可以看出，地下水水位的观测值及模拟值相差较小，且地下水水位变化趋势相同，即数值模拟效果较好。
4.结论与建议
本文应用卡尔曼滤波理论，进行地下水水文参数数据的同化计算，得到较为准确的水文地质参数，同时选取某地区为研究对象，建立三维渗流非稳定模型进行地下水含水层的渗流流场分析，以不同开采地下水量为计算模拟条件，分析得出地下水在含水层中的运动规律，随着开采地下水水量的增多，开采井周边的地下水流场速度变大，并且速度场分散在集中的抽水井附近。
参考文献
[1]张寿全. 中国的水环境与水资源可持续利用若干问题[J]. 工程地质报,1999,03:250-256.
[2]匡耀求,黄宁生. 中国水资源利用与水环境保护研究的若干问题[J]. 中国人口.资源与环 境,2013,04:29-33.
[3]武强,徐华,赵鹏,李磊. 地下水渗流场可视化动态模拟与应用研究[J]. 系统仿真学报,2009,15:4841-4844.
[4]谢先红.基于数据同化方法的水文地质参数反演与变量估计[A].北京力学会.北京力学会第十六届学术年会论文集[C].北京力学会:,2010:2.
[5]陈彦,吴吉春. 含水层渗透系数空间变异性对地下水数值模拟的影响[J].水科学进展,2005,(04):482-487.
[6]南统超，吴吉春.集合卡尔曼滤波估计水文地质参数的局域化修正[J]. 水科学进展,2010,(05):613-621.
[7]林琳,史良胜,宋雪航. 地下水参数反演的确定性集合卡尔曼滤波方法[J]. 武汉大学学报(工学版),2016,(02):161-167+172.
[8]陈崇希,林敏,朱伟武,等. 城市地下水咸化趋势预测—准三维数值模拟方法[J].地球科学,1993,18(1):49-58
论文作者:钱大江1,张杰2,范加胜3
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第19期
论文发表时间:2018/11/19
标签：地下水论文; 卡尔论文; 水文地质论文; 水位论文; 参数论文; 模型论文; 水头论文; 《建筑学研究前沿》2018年第19期论文;