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数值计算方法,数值计算法

来源:连笔字网 2023-11-23 01:05:00 作者:连笔君

数值计算法

6.1.2.1 边坡数值计算的安全系数确定

数值分析方法考虑岩土体应力应变关系,克服了极限平衡方法的缺点,为边坡稳定分析提供了较深入的概念。

目前,数值计算的失稳判据主要有两类:一是以数值计算不收敛作为失稳的标志;二是以广义塑性应变或者等效塑性应变从坡脚到坡顶贯通作为边坡破坏的标志。而用数值分析结果获取边坡安全系数也主要有两种方法:强度折减法、数值计算与极限平衡的耦合分析法。

(1)强度折减法:首先选取初始折减系数,将岩土体强度参数进行折减,将折减后的参数输入,进行数值计算,若程序收敛,则岩土体仍处于稳定状态,然后需要再增加折减系数,直到程序恰好不收敛,此时的折减系数即为稳定或安全系数。[52]

(2)数值计算与极限平衡的耦合分析法:首先采用数值分析法,计算边坡内的应力应变以及位移分布;然后将计算的应力分布结果,通过应力张量变换,求出指定滑动面上的应力分布;最后通过极限平衡方法求出与该滑动面对应的稳定性安全系数。[52]

6.1.2.2 边坡数值计算方法存在的问题剖析

应该指出,尽管近年来数值模拟方法和理论方面取得了显著的进展,但仍不能很好的适应岩土工程的复杂情况,其主要原因有两方面:(1)数学模型的不确定性。由于岩体力学性质千变万化(弹性、塑性、流变、应变硬化及应变软化等),且具有复杂的结构特性(岩体结构、岩体介质结构及地质结构等),不但至今对岩体的失稳或破坏还缺少可靠的判据或准则,而且工程开挖方法、开挖步序对围岩的力学状态(应力和应变)及稳定条件具有重大的影响,在某些情况下还起到决定性的作用,这使得目前对于数学模型的建立,尤其是本构模型的给定还带有相当程度的盲目性。(2)参数的不确定性。岩体的物理力学性质、初始地应力等参数多变,仅通过有限的现场调查和室内试验来获得参数输入信息,数据往往具有很大的离散性,很难全面反映岩体真实情况。

“数学模型给不准”和“输入参数给不准”的困难已成为岩体力学数值分析应用的“瓶颈”问题。事实上,无论数值分析技术多么发达,它们总只是某种手段,关键还是对岩体基本特性的认识。

数值计算方法 数值分析这两门课有什么区别?

数值计算方法是微分方程,常微分方程,线性方程组的求解。是一种研究并解决数学问题的数值近似解方法, 是在计算机上使用的解数学问题的方法,简称计算方法。
计算方法的计算对象是微积分,线性代数,常微分方程中的数学问题。 内容包括:插值和拟合、数值微分和数值积分、求解线性方程组的直接法和迭代法、 计算矩阵特征值和特征向量和常微分方程数值解等问题
在科学研究和工程技术中都要用到各种计算方法。 例如,在航天航空、地质勘探、汽车制造、桥梁设计、 天气预报和汉字字样设计中都有计算方法的踪影。
百度百科http://baike.baidu.com/link?url=N4rCQLGFwFB9xRBsLmHBMv3rqOjSP2WUWRL3i1KqBp9tQb_ZzltxLuQKGus9LTQS
在数值分析时要运用数值计算方法。

望~

一种用于预测残余气的数值计算新方法

刘萍 孙粉锦 李贵中 陈振宏 邓泽 庚勐 曾良君 杨泳

基金项目:国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”项目33《煤层气富集规律研究及有利区块预测评价》(编号:2008ZX05033)下属课题《中国煤层气有利区块评价与优选》(编号:2008ZX05033-005)。

作者简介:刘萍,1957年生,女,高级工程师,主要从事煤层气实验研究工作.E-mail:liuping69@petrochi-na.:com.cn.Tel:(010)69213353.

(中石油勘探开发研究院廊坊分院 河北廊坊 065007)

摘要:煤层含气量现场测试中发现以下问题:(1)慢速解吸法测量低煤阶煤层含气量时,残余气量小可能导致常规方法无法获得结果或误差偏大;(2)快速解吸法测试煤层气含气量时,粉碎煤样测试残余气的方式可能造成少量煤层气的散失而使残余气结果偏低,为此,需建立一种残余气预测的数值计算方法,加强实测与数值计算结果对比,提高含气量测试准确性和可靠度。以描述吸附过程Langmuir公式为参考,将解吸量对应吸附量,解吸时间对应吸附压力,结合实验分析数据,提出了一种用于预测残余气的数值计算新方法。通过与实测数据进行对比分析,认为该方法准确度较高、稳定性好,能够较准确获得低含气量情况下的残余气结果,并有效提高现场含气量测试工作效率。

关键词:煤层含气量 残余气 计算方法 Langmuir曲线拟合法

A New Method of Numerical Calculation to Predict Residual Gas

LIU Ping SUN Fenjin LI Guizhong CHEN Zhenhong DENG Ze GENG Meng ZENG Liangjun and YANG Yong

(Langfang Branch of Petro China Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Langfang Hebei 065007, China)

Abstract: The following issues are found in the site test of coalbed gas content: (1) When slow desorption method is employed to measure the coalbed gas content, small amount of residual gas may lead to no result with the application of the routine method or high deviation; (2) When quick desorption method is employed to deter- mine the coalbed gas content, testing the residual gas by crushing coal sample may cause dissipation of a small a- mount of coal-bed gas and lead to lower residual gas results. Due to this, a method of numerical calculation to pre- dict residual gas shall be established to enhance the comparison of the actual measured result and the numerical calculation result and improve the accuracy and the reliability of the gas content test. By taking the Langmuir for- mula that describes the desorption process as reference, a new method of numerical calculation to predict residual gas is proposed by comparing the desorption quantity with the adsorption quantity, desorption time with the adsorp- tion pressure, as well as combining the experimental analysis data. Through comparative analysis with the meas- ured data, it is concluded that this method has high accuracy and good stability, and can obtain the result of the residual gas under low gas content more accurately, thus to enhance the work efficiency of site gas content test.

Keywords: coalbed gas content; residual gas; calculation method; Langmuir curve fitting method

引言

煤层气含量是表征煤层气储层特征的关键参数之一,准确获取煤层气含量对于煤层气资源勘探开发和煤矿瓦斯灾害防治具有重要意义。在测试过程中,煤层含气量分为损失气量、解吸气量和残余气量3部分,损失气量通过数值方法回归计算,解吸气量和残余气量则是实际解吸测试得到(钱凯等,1996,五戏岩等,2005)。一般情况下,残余气可通过选取解吸剩余样品并破碎获得,但特殊情况下,直接测试不能满足残余气测试的要求。针对以上问题,本文将详细探讨导致该特殊情况的原因,并首次提出一种基于Langmuir公式的残余气预测算新方法。

1 残余气测试中存在的特殊问题

国内学者对煤层含气量的测试和计算方法进行了大量的研究,周胜国,徐成法等(1995,2002,2005)通过解吸模拟实验,发现煤样全过程解吸特征曲线为不对称的S型,认为解吸初期气体解吸是与解吸时间的平方根呈线形关系需修正;张群等(2009)通过模拟实验发现实测的模拟损失气量比美国矿业局直接法估算的损失气量高很多;邓泽等(2008)通过分析测试中解吸温度和损失时间对损失气量的影响,提出曲线拟合法计算损失气量;高绪晨等(1999),傅雪海等(1999),董红等(2001),杨东根等(2010),根据含气煤层的测井物理响应,基于含气煤岩物理特征和密度、伽马、声波时差等测井的统计关系,提出了间接计算含气量的方法;张群等(1999),对残余气做了大量分析研究,认为残余气在煤层气中占的比例变化很大,为15%~30%,受煤级、灰分和煤样粒度等因素影响,煤级和灰分越高,残余气含量亦越高;刘洪林等(2000),指出煤阶、灰分、温度、显微煤岩类型、割理发育程度及煤样粒度等参数是影响吸附时间长短的重要因素,并决定了残余气的比例。前人的研究主要集中在损失气的模拟和计算、总含气量的直接或间接预测以及残余气比重的影响因素分析,未对有关残余气的计算方法进行详细论述。

目前常用的含气量测试方法有慢速解吸法和快速解吸法,这两种方法在残余气现场操作和测试中均存在一些问题,主要表现在:(1)利用慢速解吸法测量低煤阶煤层含气量时,由于含气量普遍偏小,残余气量更低,常规方法可能无法直接测得残余气量,或因测值太低导致误差增大;(2)快速解吸法测试煤层气含气量时,由于人为终止自然解吸,并通过粉碎煤样测试残余气,可能造成少量煤层气散失,致使残余气的测试结果小于实际值,总含气量偏小,另一方面由于解吸记录数据较少,不能正确反映煤岩解吸规律,无法得到吸附时间、扩散能力等关键参数。针对以上问题,本文提出一种新的残余气数值计算方法,即Langmuir曲线拟合法,试图从数值计算的角度探讨残余气,解决存在的问题。

2 残余气比重的影响因素和Langmuir曲线拟合法的提出

2.1 煤层气解吸曲线特征

图1为高煤阶、低煤阶样品解吸曲线,由图可知,两样品解吸气量随时间延长,均不断增大,呈先陡后缓的曲线形态。解吸记录起始点为将煤样密封至解吸罐的时刻,由于此时解吸压力为大气压力(远低于临界压力),吸附于大中孔隙表面的煤层气率先通过有利路径解吸,导致解吸初期曲线陡峭,但在吸附时间(63.2%)之后,随着常规解吸试验的进行,煤基质中气体浓度逐渐减小,产生扩散的驱动力即浓度梯度亦随之减小,越来越多的气体难以克服微孔隙产生的扩散阻力,不能从煤中解吸出来(周胜国,2002),曲线之间逐渐趋于平缓,此时解吸出来的煤层气以残留在煤基质内的微孔表面的气体为主。

图1 某高(a)低(b)煤阶解吸曲线

2.2 残余气比重的影响因素分析

残余气比重是指残余气占总含气量的百分比。其影响因素主要包括煤阶、煤样粒度和灰分等。煤阶不同,岩隙结构不同。低阶煤以大、中孔为主,有利于解吸扩散,同时微孔比例小,保持残余气的能力有限,即残余气比重小;相反高阶煤微孔发育,气体需克服较大的扩散阻力,使得自然解吸结束时仍残余相对较多的煤层气;中阶煤介于二者之间。煤样粒度对解吸速度有一定影响,一般而言,粉煤、煤屑(钻屑)、煤心(块样)的解吸速度依次减小,吸附时间增大,残余气滞留能力增强(徐成法等,2005)。煤样越碎,解吸距离缩短,扩散阻力减小,使得在柱状和块状煤样中不能解吸出来的一些气体解吸出来,因此一般情况下煤样粒度越小,残余气比重越小。另外随着煤中灰分的增加,残余气含量逐渐增高,两者呈较好的正相关关系。通过煤岩学和扫描电子显微镜研究,初步认为,这是因为煤中存在的细小矿物如黏土矿物等充填在煤的孔隙中,不同程度地阻碍了气体的运移通道,使气体在煤中扩散运移的能力减弱,不利于气体从煤中解吸出来所致。此外煤岩组分、测试温度等对残余气比重也有一定程度的影响。

2.3 Langmuir曲线拟合法

Langmuir公式是根据汽化和凝聚动力学平衡原理建立的,其方程简单实用,已被广泛应用于煤和其他吸附剂对气体的吸附,同时,根据其动态平衡的假设,该方程同样可以描述煤层气解吸过程。煤层气吸附和解吸通常认为是一种可逆过程,但是适用于煤层气吸附的Langmuir公式能否较好地描述其解吸曲线形态值得研究。为此,基于Langmuir公式,通过参数意义转换,提出用于预测残余气含量的新方法,并通过拟合度检验判断其是否适用于解吸过程。

标准Langmuir公式为

中国煤层气技术进展:2011年煤层气学术研讨会论文集

式中:V为吸附量,m3/t;P为吸附压力,MPa;VL为Langmuir体积,即理论最大吸附量,m3/t;PL为Langmuir压力,即体积达到0.5VL时,对应的吸附压力,MPa。可以看出,吸附量随压力的增大不断增加,当压力趋近于无穷大时,吸附量亦无限接近吸附量最大值,而解吸量同样随着解吸时间的增大不断增加,当解吸时间趋近于无穷大时,解吸气量亦接近于最大值而趋于稳定,体现出与吸附曲线相似的曲线变化形态,因此变换Lang-muir公式的字母意义,将解吸量对应吸附量,解吸时间对应吸附压力,即根据吸附和解吸的可逆性规律得

中国煤层气技术进展:2011年煤层气学术研讨会论文集

其中:G为实测解吸气含量,m3/t;T为实测解吸时间,h;GL为极限解吸气含量,m3/t;TL为解吸气含量达到0.5GL时对应的实测解吸时间,ho变换公式(2),得

中国煤层气技术进展:2011年煤层气学术研讨会论文集

根据实测解吸数据,参照式(3)得到T/G与T的对应关系图,拟合即可得到极限解吸含气量GL。又因为GL为实测解吸气量Q2与Q3残余气量之和,则可由下式求得残余气量

中国煤层气技术进展:2011年煤层气学术研讨会论文集

3 现场应用

Langmuir曲线拟合法计算残余气主要依据现场解吸数据,其结果的可靠性主要受限于解吸时间的长短,如图2所示,解吸时间越长,解吸曲线越平缓,预测值越可靠。

吐哈盆地某煤层气井测试中发现,大量低阶煤样品均存在残余气极低而无法直接测量或误差大的问题。以某样品A为例,采用本文提出的Langmuir曲线拟合法对低煤阶煤层残余气量进行计算,达到了比较满意的效果,如图3所示,预测极限解吸气量为1.26m3/t,且根据解吸测得的Q2=1.24m3/t,求得残余气含量为0.02m3/t,相关系数在0.99以上,具有较高的可信度;同时得到了该区残余气比重分布(图4),残余气比重为0.10%~4.35%,平均0.94%。

针对在快速解吸条件下残余气测量误差可能增大的情况,利用Langmuir曲线拟合法对某井10个样品48h内的解吸数据进行拟合分析,得到残余气值。从表1和图5可以看出,预测值比实测值普遍偏高,平均高出16%。说明现场快速解吸法中关于48h之后即进入残余气测试阶段的规定欠妥,期间造成部分煤层气散失,对损失气量Q1乃至总含气量有一定影响,建议将解吸时间延长至解吸曲线较平缓或解吸量日增长不超过10%的时刻。另外二次取样也会影响残余气测试的准确性,建议现场尽量均匀取样,且至少重复测试2次,取两组相近数据的平均值作为最终残余气量。

图2 样品A实测解吸曲线

图3 样品A拟合曲线

图4 残余气比重分布

表1 某井样品实测结果

续表

图5 残余气结果对比

4 结论

(1)针对残余气测试中主要存在问题,根据煤层气吸附和解吸过程的可逆性规律,首次提出类似于Langmuir公式的残余气预测方法,通过现场实测数据验证,该方法拟合度较高,具有一定的可靠性。

(2)快速解吸条件下,残余气实测值普遍偏低,建议延长解吸时间至解吸曲线较平缓或日增长解吸量不超过10%的时刻,且保持均匀取样,至少重复测试两次,取两组相近数据的平均值作为最终残余气值。

参考文献

邓泽,刘洪林,康永尚.2008.煤层气含气量测试中损失气量的估算方法[J].天然气工业,(3)

董红,侯俊胜,李能根等.2001.煤层煤质和含气量的测井评价方法及其应用[J].物探与化探,(2)

傅雪海,陆国桢,秦杰等.1999.用测井响应值进行煤层气含量拟合和煤体结构划分[J],测井技术,(2)

高绪晨,张炳,羡法.1999.煤工业分析、吸附等温线和含气量的测井解释[J].测井技术,23(2):108~111

刘洪林,王红岩,张建博.2000.煤层气吸附时间计算及其影响因素分析[J].石油实验地质,(4)

彭金宁,傅雪海,申建等.2005.潘庄煤层气解吸特征研究[J].天然气地球科学,16(6):768~770

钱凯,赵庆波.1996.煤层甲烷气勘探开发理论与实验测试技术.北京:石油工业出版社,143~148

王红岩,刘洪林,赵庆波等.2005.煤层气富集成藏规律[M].北京:石油工业出版社,50~75

徐成法,周胜国,郭淑敏.2005.煤层含气量测定方法探讨[J].河南理工大学学报:自然科学版,(2)

张群,范章群.2009.煤层气损失气含量模拟试验及结果分析[J].煤炭学报,(12)

张群,杨锡禄.1999.煤中残余气含量及其影响因素[J].煤田地质与勘探,(5)

周胜国.2002.煤层含气量模拟试验方法及应用[J].煤田地质与勘探,(5)

周胜国.1995.损失气求取方法研究[J].焦作工学院学报,(1)

设计数值计算方法应该注意的原则有哪些

地面时的保护范围计算,单针保护范围的计算l在实际工作中大部分防雷工程都是要求避雷针设在屋顶。所以很多人为了套用公式,不管何种情况,都把屋顶作为地面来进行计算,这是不符合滚球法原则的。将屋顶做为地面来计算避雷针保护范围的方法是有条件的,各种规范中都有详细的说明。笔者多年来都是根据现场的实际情况灵活使用滚球法原理进行简便的、不需要记公式的方法计算避雷针的保护范围。如下例:例2雷达站接闪器保护范围的计算该雷达塔楼为圆形,雷达天线罩所在天面高83.2m,三根避雷针安装在三个支撑柱的顶端。二类防雷建筑,滚球半径hr为45m。由于楼高超过hr,所以塔楼必须采取防侧击雷措施。对雷达天线的防护,只要计算出避雷针在雷达天线罩顶端和侧面的保护范围即可达到保护的目的。①雷达天线罩顶端保护范围的计算:图3为塔楼侧剖面图,在塔楼中轴线上方距天线罩顶hr+lm(保护距离取1m)处一点0为圆心,以hr为半径作圆弧交避雷针于A点,交中轴线于E点。AD为避雷针距中轴线的距离,设计图已给出作者简介:谭玉龙(1963一),男,四川兰电防雷有限公司总经理、法人代表,气象电子工程师。长期从事雷电防护工程工作,在实践中,累积了大量经验并总结应用新技术,开发新产品,广泛应用于省内多个大型防雷工程,主持并参与40多个大、中型综合防雷工程的设计、施工。并解决了古建筑物、通信基站和铁路信号系统等防雷技术难题。

计算避雷针保护范围的一种方法为13m。图2滚球法图3顶面和侧面保护范围的计算A8l8lOD=0A一AD=43.08m.其中OA=45mAD:13mDE=hr—OD=1.92m避雷针高(从天线罩基座算起)h=天线罩高度+保护距离+DE=14.4m即专用避雷针高度大于14.4m即可。考虑专用避雷针生产规格,故选专用避雷针高度为15m。②雷达天线罩侧面保护范围的计算:见图4(图4为图3中H—B的剖面图),以O为圆心,以hr为半径作圆弧交避雷针C、B。则:FB=DB×sin60。=AD×sin60。=11.26m.OF=~//0B一FB=43.57m.见图3,以避雷针B为圆心,以O”F为半径作弧;以观景大厅顶部避雷带(或均压环)边缘G点为圆心,以hr为半径作弧;两弧交于H点。以H点为圆心,hr为半径作弧交G、I两点,两点间的圆弧即为雷达天线罩侧面最小保护范围。结论:专用避雷针高度为15米。/…~\\\\\图4H—B的剖面图雷达天线罩顶部最短保护距离为:专用避雷针高度一雷达天线罩高度一DE=15—11.48—1.92=1.6米。雷达天线罩边缘最短保护距离为:雷达天线罩中心距H点的距离一雷达天线罩半径一h,从图中量得为1.05米。雷达天线罩中部的保护范围见图5。图5天线罩侧面的保护范围若采用先计算雷达天线罩侧面的保护范围再计算顶端的保护范围,还可得出更精确的数值。一般来说,用绘图的方法计算避雷针保护范围比较方便,尤其是设在山上或屋顶的球体或圆柱体的被保护物,需要安装三根针或四根针进行保护时,其避雷针的保护范围计算采用绘图结合计算的方法最简便。笔者曾看到很多文章介绍避雷针保护范围计算时都是利用建筑物屋顶平面做为地平面来计算,这样可以直接套用公式。用建筑物屋面做为地面来计算避雷针保护范围是有条件的,一是屋面要有合适的避雷网格,二是只限于屋面范围内,扩大屋顶面积做为地面来套用公式计算是错误的。实际上,只要掌握滚球法的原理,在各种条件下都可采用以上这种简便的方法来计算避雷针的保护范围。

数值法水量计算的步骤

数值法水量计算的正式进行,是在水文地质勘察外业工作完成之后,计算所需的各种原始数据按照数值法水量计算的要求已全部整理、分析、计算完毕,只等调用;计算所需的任何一种数据缺失,都会导致水量计算无法进行。

一般而言,数值法水量计算需要经过如下几个重要的步骤。

1.概化水文地质模型

包括对计算区域的圈定、计算域边界形状及性质的确定、含水层的划分、上下层水力联系的确定、参数分区等。

其中,计算区域的圈定,主要考虑计算任务的需要,兼顾边界条件处理的方便。对于数百、数千、数万甚至数十万平方千米的大区域,多在勘察区边界附近分段选定出方便概化处理的计算区边界即可,计算区边界与勘察区边界两者一般不会相差非常悬殊。然而,对于面积仅有数平方千米、或者最多数十平方千米的供水水源地,计算区边界圈定与水源地范围常常悬殊很大,并且必须比水源地范围要大。根据情况不同,常会作这样的处理:

(1)当近距离内没有已建成的相邻水源地时,计算区域的圈定主要考虑本水源地开采方案布设的方便、边界条件概化的方便。

(2)当近距离内有已建成的相邻水源地、新建水源地开采有可能影响到相邻水源地时,计算区域的圈定除了考虑本水源地开采方案布设的方便、边界条件概化的方便之外,还应当把已建成的相邻水源地也纳入计算域内,计算本水源地布设的开采方案时,把相邻水源地现状的开采方案也纳入计算中,以论证计算本水源地布设的不同开采方案对相邻水源地的影响。

(3)当计算区的某一侧是无限延伸时,也就是说开采方案引起的流场变化远远达不到这一侧的自然边界时,如果也不具备一条已知水头变化规律的“已知变水头的边界”时,可以把这一侧的模型边界向外推至开采方案引不起流场变化的数公里之外,作为已知的定水头边界处理。

2.选用合适的数学模型来描述

是潜水还是承压水还是承压转无压水,或者是二者、三者都有;单层还是多层含水层;各向同性还是各向异性;二维流还是准三维流还是三维流;稳定流还是非稳定流;以及初始条件、边界条件的数学描述。

3.单元剖分

在参数分区的基础上进行单元剖分,单元剖分时应当注意:①剖分的单元不能一个单元骑跨在两个参数区上;②用作拟合孔、预测孔的观测孔要剖分在节点上。

4.编程

自己编制计算程序,或者购买适合的计算软件。如果是自己编制计算程序,则要经过调试程序、检验程序,确认程序无误后,再投入正式使用。如果是购买适合的计算软件,则要经过学习、使用软件的培训。

5.计算时段剖分

先确定模型识别、模型检验所涉及起始日期、时间,结束日期、时间,然后,按照一定的递推关系进行计算时段的剖分。

6.初始流场、末刻流场的模拟

在统测水位绘制各含水层初始流场、末刻流场的基础上,模拟计算出剖分图上各含水层全部节点的初始水位值、末刻水位值,作为数值法水量计算程序所用的初始流场、及对照末刻计算流场的实测流场。

7.模型识别

把所确定的模型识别起始日期到结束日期之间的源汇项数据按时段代入计算程序、把各区的参数初值作为模型的参数初值代入计算程序,运行程序,通过不断调试模型参数得到的拟合孔的计算历时曲线与实测的历时曲线进行拟合,调试出一组仿真度最高的模型参数。

8.模型检验

把所确定的模型检验起始日期到结束日期之间的源汇项数据按时段代入计算程序、把模型识别调试出的模型参数代入计算程序,主要看模型识别结束日期之后拟合孔的计算历时曲线,与实测的历时曲线的吻合程度,来检验模型识别阶段调试出的模型参数是否经得起“外推”的检验;如果“外推”段的拟合曲线误差太大,则应推倒识别阶段的模型参数,重新进行模型识别、模型检验,直到满足误差要求为止。

9.模型预报

经过模型识别、通过模型检验后确定了模型参数,即最终确定了数值模型,即可用其来进行模型预报。进行模型预报时,一般根据供水需要设计多个可供选择的开采方案,分别代入数值模型,来预测未来数十年(城市供水水源地一般不少于30a)后的流场,然后,通过对比、分析,选择其中较合理的开采方案作为水源地建设、施工设计的水文地质依据。

本章以下几节分别介绍不同水文地质条件的几种二维流有限元水量计算问题。

水平层状大地正演理论及数值算法

设水平电偶极子位于n层水平大地表面,层参数如图4.3.6所示,磁导率均为μ0。设场源变化规律为 I=I0e-iωt,偶极距 PE=I·AB。采用具有相同原点的直角坐标系x,y,z和柱坐标系r,φ,z,坐标原点位于场源点O,x轴平行电偶极子方向,z轴与界面垂直。首先将水平谐变电偶极子置于(0,0,-h),待解出电磁场表达式后再让h=0。对电性源,引入磁矢量位A,此时介质分布具有对于z 轴的柱对称性,A有Ax和Az分量,Ay=0,即

A=Axex+Azez (4.3.18)

将磁矢量位A的微分方程式(4.1.54)化作关于Ax和Az的两个标量微分方程,利用分离变量法进行求解,可得赤道偶极装置的最终结果有以下一种解型

图4.3.6 n层水平层状大地表面水平谐变电偶极子

电法勘探

式中:u1=

,这里波数取k1=

;函数R1和

分别由递推关系式计算:

电法勘探

式中:

=1,Rn=1,uj=

,kj=

和R1与直流电测深中电阻率转换函数相似,它是地电参数ρj、hj以及积分变量m的函数,但也是频率的函数,可以称其为水平层状大地的频率特性函数。]]

电法勘探

式中:

电法勘探

电法勘探

式中:Δ=ln 10/10为抽样间隔;C0n和C1n分别为含零阶和一阶贝塞尔函数积分的滤波系数。其选择个数是能够计算出满足精度的正确曲线而逐步调整得来的。滤波系数见表4.3.1 和表4.3.2。用类似的方法可以计算电磁场的其他分量。按上述数值方法计算的某个频率的电磁场数据代入到视电阻率公式中,便可得到某个频率的视电阻率值。

表4.3.1 计算含零阶贝塞尔函数积分的滤波系数

续表

表4.3.2 计算含零阶贝塞尔函数积分的滤波系数

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