水文地質(zhì)參數(shù)計算應用范文

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1數(shù)據(jù)處理軟件SHP的主要設計

水文地質(zhì)參數(shù)可視化計算程序包括主程序和一系列相對獨立的子程序，共用一個模塊。首先明確軟件適用的范圍，由于實際工程中抽水試驗應用廣泛，壓水試驗是鉆孔內(nèi)最常用的巖體原位滲透試驗，《水利水電工程鉆孔壓水試驗規(guī)程》(SL31-2003)采用呂榮試驗作為常規(guī)性的壓水試驗方法。微水試驗作為新的水文地質(zhì)試驗方法，其試驗時間短、不需要附加觀測孔，經(jīng)濟簡便，對地下水正常觀測的影響也較小，幾乎不造成任何污染，取得的滲透參數(shù)雖只涉及試驗孔附近小范圍的含水層介質(zhì)，但在研究范圍小或在研究范圍內(nèi)有較多勘探孔的情況下，采用微水試驗無疑是一種理想的方法。而其他方法使用較少，因此，程序包括三大部分:抽水試驗、壓水試驗和微水試驗，其結構圖如圖1所示。圖1程序結構其中穩(wěn)定流潛水完整井和穩(wěn)定流承壓完整井根據(jù)Dupuit公式和Thiem公式求解;非穩(wěn)定流承壓完整井的Jacob直線法、配線法和水位恢復法，根據(jù)Theis公式求解;呂榮法，采用三級壓力5個階段求解透水率;振蕩試驗法采用Kipp模型，基于振蕩方程確定含水層參數(shù)，而承壓微水試驗和潛水微水試驗的理論公式分別根據(jù)Cooper模型和Bouwer模型基于水流的傳導方程確定水文地質(zhì)參數(shù)。

2程序設計流程

軟件中各個子程序的流程按照數(shù)據(jù)錄入—繪制曲線—計算求參3個步驟來完成，除穩(wěn)定流潛水完整井和穩(wěn)定流承壓完整井，因其只需直接輸入已知條件即可得到滲透系數(shù)。

2.1數(shù)據(jù)錄入Jacob直線法、配線法等均需要輸入大量數(shù)據(jù)，已有的計算機程序多采用逐個輸入數(shù)據(jù)或讀取*.dat文件。鑒于Excel具有強大數(shù)據(jù)處理功能，該軟件通過數(shù)據(jù)庫語言建立連接，直接讀取Excel文件的方式錄入數(shù)據(jù)。單擊“數(shù)據(jù)處理”后，實測數(shù)據(jù)即顯示在picture圖片框中。

2.2繪制曲線對于Jacob直線法、水位恢復法、呂榮法這3種方法來說，繪制曲線的重點在于動態(tài)坐標的生成問題。每次錄入數(shù)據(jù)之后，查找數(shù)據(jù)中的最大值，并依據(jù)最大值重新設置圖片框的范圍，同時橫、縱坐標也隨之變化。Jacob直線法、水位恢復法采用最小二乘法原理擬合直線(如圖2)，與Excel作圖結果一致。呂榮法連接5個數(shù)據(jù)點即可繪制上升曲線與下降曲線。配線法、脈沖振蕩試驗法和承壓微水試驗這3種方法則需要繪制標準曲線，配線法為雙對數(shù)坐標，后兩者為半對數(shù)坐標。程序根據(jù)人工配線先繪制標準曲線，之后將實測點繪制在透明(半)對數(shù)坐標上移動至與標準曲線重合這一原理實現(xiàn)整個過程的可視化:調(diào)用過程函數(shù)Draw繪制標準曲線及其(半)對數(shù)坐標軸，編寫另一過程函數(shù)Draw1繪制實測點及其(半)對數(shù)坐標軸，前者顯示主坐標軸，后者顯示次坐標軸，配線時，視覺效果即實測點所在(半)對數(shù)紙在標準曲線所在(半)對數(shù)紙上移動。配線法可以通過尋找實測數(shù)據(jù)點與標準曲線離差平方和的最小值來實現(xiàn)程序的自動配線。這3種方法均可采用手動配線法，通過滾動條的滑動或單擊滾動條兩側箭頭，移動實測點及其(半)對數(shù)坐標，直至實測曲線與標準曲線重合。該過程的實現(xiàn)方法為:每當觸發(fā)滾動條命令時，記錄移動值，圖片框被清空，重新調(diào)用Draw與Draw1函數(shù)，Draw1函數(shù)考慮移動值。潛水微水試驗是在半對數(shù)坐標紙上繪出lgy-t曲線，首先擬合該曲線的直線部分，延伸該直線至t=0并記下y0，選取直線上一點，記下y和t的值。然后查找與Lk/rw相關的無量綱參數(shù)A、B或C，計算ln(Re/rw)，最后得到巖土體的滲透性參數(shù)。根據(jù)該原理，需要解決兩方面的問題:首先確定曲線的直線段進行擬合其次是查找參數(shù)。第一個問題程序以MouseDown命令選擇分界點，利用比分界點觀測時刻早的那部分數(shù)據(jù)，采用最小二乘法擬合直線;第二個問題要查找標準曲線確定參數(shù)A、B或C值，先通過后臺計算Lk/rw，其中Lk為過濾器長度，rw為花管半徑(m)，A、B、C標準曲線由許多散點組成，確定橫坐標Lk/rw，的相鄰兩點，兩點構成直線函數(shù)，將橫坐標Lk/rw代入該函數(shù)，可以獲得對應的縱坐標值，即A、B值或C值。

2.3計算求參Jacob直線法、水位恢復法經(jīng)過直線擬合，獲得斜率值，即可代入相應的公式求得導水系數(shù)與貯水系數(shù);呂榮法在數(shù)據(jù)錄入時，已經(jīng)將Q3、P3賦值給數(shù)組，直接代入公式q=(Q3/L)×(1/P3)求得透水率，式中:q為透水率(Lu)，Q3為第三(最大)壓力階段的壓入流量(L/min)，P3為第三(最大)壓力階段的試驗壓力(MPa)，L為試段長度(m);配線法、脈沖振蕩試驗法、承壓微水試驗和潛水微水試驗，通過MouseDown命令選擇匹配點(計算點)，除潛水微水試驗獲得滲透系數(shù)值外，其余均獲得導水系數(shù)與貯水系數(shù)。計算完成之后可單擊“新建”繼續(xù)計算，也可單擊“保存”，存為“．TXT”格式，將計算所得水文地質(zhì)參數(shù)存儲在計算機任意位置。保存時會彈出對話框“輸入試驗信息”，以避免進行大量計算后保存結果出現(xiàn)混亂。軟件中各子程序采用的實現(xiàn)方法歸納整理，如表1所示。3SPH的特點及創(chuàng)新SPH主要特色在于實用性強、人機交互簡單、配線過程可視化以及程序設計人性化。該軟件可用于多種試驗方法求取水文地質(zhì)參數(shù)，滿足不同的工程需要;VB的強大界面功能，使得整個操作流程清晰、明確、簡單;配線時移動坐標紙的過程，使得軟件可視化特征更清楚明了;利用“打開”與“關閉”文件的命令實現(xiàn)計算結果的連續(xù)保存，并輸入信息加以標記，方便使用。在該軟件的開發(fā)之中，除了數(shù)據(jù)錄入時采用數(shù)據(jù)庫調(diào)用Excel，包括微水試驗這一國內(nèi)新興起的試驗方法之外，還具有兩點創(chuàng)新之處:(1)用VB控件—滾動條實現(xiàn)手動配線:通過查閱已有的配線法計算程序，手動實現(xiàn)方法只有輸入數(shù)據(jù)點移動距離，如將數(shù)據(jù)點往左、上移輸入負數(shù)，反復進行，直至與標準曲線基本重合。本程序采用滾動條控制實測點及其所在坐標軸的移動，非常直觀，與不斷輸入移動距離比較省時省力;(2)實現(xiàn)非穩(wěn)定流承壓完整井自動配線的新方法，即優(yōu)化路徑法:根據(jù)在雙對數(shù)坐標紙下，W(u)－1/u和s-r2/t的曲線形態(tài)基本一致，受人工配線的啟發(fā)，擬合完成時，散點區(qū)域中必定存在一點(控制點)位于標準曲線上，新方法的原理就在于采用控制點帶動所有實測點沿標準曲線移動，尋找實測數(shù)據(jù)距標準曲線離差平方和最小的位置。具體實現(xiàn)方法為:①計算實測點橫坐標的均值得到x，在x左右各取0.25，即對數(shù)坐標單位的1/2，計算該范圍內(nèi)實測點縱坐標的均值得到y(tǒng)，確定控制點A(x，y);標準曲線共有157個點，每個點與A在橫、縱坐標方向均有一組平移量，將所有實測數(shù)據(jù)點按相應的平移量移動至標準曲線附近，共移動157次，尋找離差平方和f1最小的位置;②為避免曲線拐彎的影響，再取輔助控制點，其橫坐標計算公式為:x=2/3×(實測數(shù)據(jù)最大值－實測數(shù)據(jù)最小值)+實測數(shù)據(jù)最小值用同樣的方法確定y值和尋找離差平方和f2的最小值，取f1、f2中較小值，按其相應的平移量移動實測數(shù)據(jù)，即可完成配線。和已有方法相比，在精度和速度方面都有較大提高。

4應用實例

4.1工程概況玄武湖位于南京市城區(qū)中北部，南、北、東三面環(huán)山，西面為沖積平原。玄武湖隧道西起模范馬路，東至新莊立交二期，全長約2.7km，隧道從湖底穿行進入城區(qū)，其中暗埋段為2.2km，總寬度為32.0m，為雙向六車道，單洞凈寬為13.6m，通行凈高為4.5m。隧道穿過玄武湖、古城墻和中央路，到達蘆席營路口后在南京化工大學附近出地面。玄武湖隧道工程區(qū)地層巖性主要第四紀沉積土層，全新世沉積土層，晚更新世－早全新世沉積土層，基巖－燕山期巖漿巖。場內(nèi)地下水可分為淺層潛水及深層弱承壓水。隧道途經(jīng)水域部分，勘探期間水深度0.6～1.8m，湖底淤泥厚度0.2～1.2m，湖水面標高10.13m。隧道途經(jīng)陸(島)域部分，模范馬路段地面標高10.19～10.47m;模范馬路－玄武湖段地面標高10.24～12.16m，其間穿過中央路及玄武湖城墻;梁洲段地面標高11.29～14.78m;翠洲段地面標高10.16～13.31m;萬人游泳池－藥物園段地面標高10.88～11.17m。

4.2SHP軟件計算本文采用新型軟件SHP確定水文地質(zhì)參數(shù)，計算出導水系數(shù)、貯水系數(shù)、滲透系數(shù)，并且將軟件計算結果與人工計算結果進行比較，軟件計算省去了人工計算的繁瑣過程，操作簡單，計算過程僅需2～3s。抽水試驗實測數(shù)據(jù)如表2所示，選取第5～600min的流量計算平均值，得出穩(wěn)定流量Q=1.443m3/h。以自動配線法為例，整個計算過程如下:(1)首先進入SHP軟件主界面，如圖1所示，單擊“配線法”，即可出現(xiàn)以下窗口，如圖3所示。(2)單擊“錄入數(shù)據(jù)”，選取“降深時間配線法”進行下一步計算(圖4)。(3)進入降深時間配線法窗口，根據(jù)表2數(shù)據(jù)輸入“抽水井流量”及“計算點到抽水井的距離”，單擊“”選擇Excel文件，如圖5所示。(4)單擊選擇數(shù)據(jù)所在“工作表”，讀取“累計抽取時間”和“計算時刻降深”，如圖6所示。(5)點擊“數(shù)據(jù)處理”，即進入配線窗口，如圖7所示。(6)配線步驟完成后，用鼠標單擊曲線上任意點，再點擊“輸出結果”，即可算出導水系數(shù)為44.7292m2/d，已知含水層厚度為10.3m，則滲透系數(shù)為4.34264m/d，如圖8所示。人工計算結果導水系數(shù)為47.12m2/d，滲透系數(shù)為4.57m/d。由軟件計算結果和人工計算結果對比可知，SHP軟件精度較高，計算所需時間較短，計算過程清楚明了。

5結束語

就目前而言，SHP是一款較全面、新穎的計算水文地質(zhì)參數(shù)的軟件，通過靈活運用VB語言實現(xiàn)曲線擬合、參數(shù)計算等，并提出基于SHP的程序手動配線和自動配線的新方法，使得軟件具有簡單實用、人性化、可視化的特點。現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理軟件不能針對特定的大量數(shù)據(jù)進行譯碼和繪圖分析，SHP運用數(shù)據(jù)庫調(diào)用Excel文件，除了提高工作效率外，還可以進行數(shù)據(jù)預處理，剔除異常點，保證擬合精度，為工程項目的順利進行提供良好的基礎保障。

作者：李偉駱祖江張靜李志利王璐佳單位：河海大學地球科學與工程學院同濟大學地下建筑與工程系廣州地鐵設計研究院有限公司