一种用于地下水污染的评估系统及方法与流程

1.本发明涉及预测评估的数据处理领域，具体涉及一种用于地下水污染的评估系统及方法。


背景技术：

2.由于地下水处于地表以下，且存在于岩石的空隙中，因此地下水被污染后难以被发现，地下水污染后无法将地表全部挖开寻找污染源，只能在地表开挖若干处取样井，通过取样井的地下水数据对地下水的污染及污染源进行评估，通过数值模拟的方法结合地下水采样监测反演识别地下水污染源就变得十分重要，尤其是在煤矿中通过数值模拟手段对地下水污染的评估更是一种亟待发展的技术。
3.在文献《煤矿区场地地下水污染防控技术研究进展及发展方向》中提及煤矿在经过长期大规模开采会闭坑停产，闭坑停产后矿坑水的停排引起地下水污染，但是煤矿在开挖的过程中会根据煤层所在的位置做复杂的开采，矿坑的走向和分布错综复杂，所以污染地下水的矿坑积水位置较难寻找，寻找引起地下水污染的串层污染井，进行有效封堵、投放物化材料或者药剂是防治矿区地下水污染加重的重要手段，但是现有的地下水污染评估系统中还没有使用数值模拟的手段利用地下水采样监测数据反演识别污染地下水的串层污染井位置，针对以上不足，本发明提出一种用于地下水污染的评估系统及方法，利用数值模拟手段结合地下水采样监测数据反演识别引起地下水污染的串层污染井位置，确定引起地下水污染的串层污染井位置后，有效封堵或者引起地下水污染的串层污染井，能够防止地下水污染加重。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有的地下水污染评估系统中没有利用地下水采样监测数据结合数值模拟方手段，反演识别污染地下水的串层污染井位置的不足，本发明提供了一种用于地下水污染的评估系统及方法。
5.本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括数据采集模块、数值反演追踪模块和污染评估模块，所述数据采集模块用于将研究矿区的地质和水文地质条件以及采样井地下水监测数据传输给所述数值反演追踪模块，所述数值反演追踪模块根据采集的数据信息设定水文地质条件、计算流场边界以及边界已知条件，建立多相流数值模拟模型，所述数值反演追踪模块连接有污染评估模块；用于地下水污染的评估系统通过数值模拟技术反演追踪闭坑煤矿区地下水污染源的方法如下：步骤一：数据采集模块采集采样井地下水水质和水位信息、矿区的地质条件和水文地质条件以及串层污染井的范围，并将数据传输给数值反演追踪模块；步骤二：数值反演追踪模块对研究的区域进行网格划分，对串层污染井范围内局部加密，数值反演追踪模块根据数据采集模块提供的数据，基于so
42-的扩散建立多相流数
值模拟模型，根据数据采集模块提供的数据设定数值模拟初始条件、边界条件，圈定串层污染井的范围，求解污染源的三维坐标；步骤三：根据数值模拟技术得到三维坐标，在坐标位置打孔取样，验证污染源位置的地下水样本中so
42-的浓度是否与数值模拟计算得到的计算浓度接近；步骤四：在不同的串层污染井采用同样的方法进行数值模拟，收集数值模拟结果和采样结果；步骤五：对数值模拟的计算结果可信度进行分析，利用数值模拟计算得出so
42-浓度减去实际采样地下水中so
42-浓度的绝对值，除以实际采样地下水中so
42-的浓度，得到的百分比作为可信度评估的依据，所得到的百分比数值大于80%的记为可信样本组，并对可信样本组对应的串层污染井进行有效封堵或者投放药剂进行治理。
6.作为本发明进一步的方案，所述数据采集模块采集的矿区地质条件、水文地质条件以及地下水采样井实时监测数据包括：实际研究场地的三维区域边界：用于划定数值模拟计算流场的三维计算区域，根据实际的场地大小设定计算的空间步长l，并根据空间步长将实际研究场地的大小划分为的三维区域，式中al、bl和cl记为实际研究场地的长度、宽度和深度，并将计算区域内的坐标集合记为；待评估矿区地层性质和分类：用于设定数值计算潜水含水层的类型，并根据大部分的潜水含水层类型设定潜水含水层的性质和参数；地表类型：用于设定数值模拟计算的上部边界，根据场地的开阔性和雨水渗入特性将上部边界设定为水量交换边界，记为；底层地下水的边界岩层性质：用于设定数值模拟计算区域的底部边界性质和参数，根据底部微渗透的特性，将研究区域的底部边界设定为零通量边界，记为；研究矿区四周的地下水流量以及水压信息：设定计算区域的上、下边界和左、右边界类型及参数，设定模拟区域的上边界和下边界均为不透水的零通量边界，分别将上边界和下边界记为和，将左边界和右边界设定为已知压力的边界，并分别将左边界和右边界记为和；设定监测数据的取样时间间隔：作为数值模拟计算的监测时刻划分依据；采样井信息：用于在数值模拟计算中对采样井编号并实施数值计算；采样井水质信息中的so
42-浓度：通过采样的方式从待求的污染源位置so
42-浓度范围中抽取300组数据代入多相流数值模拟模型，并对其进行反演，取100组接近取样井so
42-浓度的数据进行核对，取准确度达到提前设定要求的数据进行统计计算。
7.作为本发明进一步的方案，所述数值追踪反演模块的数值建模信息包括：初始条件：包括模拟区的初始压力分布、初始so
42-以及含水相以及初始so
42-的浓度，初始条件为：
；；；式中：记为模拟区域的初始压力分布函数，记为已知的压力函数；记为地下水的初始饱和度，记为已知的地下水饱和度函数；记为地下水中so
42-的初始浓度函数，记为已知的so
42-初始浓度函数；边界条件：根据水文地质条件设定已知的流量边界和压力边界，根据矿区的暴雨强度及周边河流信息设定源汇项以及so
42-浓度边界，边界条件为：；；；；；；；；
式中：记为地下水中so
42-的浓度；记为地下水的实际平均流速，记为so
42-的饱和度，记为地下水中so
42-的弥散系数张量，n记为边界的法线方向，记为上部边界上的已知压力分布函数，记为左边界的已知压力函数，记为右边界的已知压力函数，记为上部边界so
42-的已知浓度函数，记为左边界的so
42-已知浓度函数，记为右边界的so
42-已知浓度函数；时间步长：根据采样井的采样时间间隔设定数值模拟的计算时间步长t，并选取需要模拟计算的计算时刻t=10t，11t，12t，13t，14t；多相流数值模拟计算偏微分方程：根据质量守恒定律建立多相流偏微分方程，多相流偏微分方程为：，；式中：s记为组成物质种类，s=1记为组成物质为水，s=2记为组成物质为so
42-，记为研究模拟区域地层的孔隙度，记为地下水中so
42-的总浓度，记为组成物质的密度，记为地下水中so
42-的浓度，记为地下水中so
42-的饱和度，记为地下水中so
42-的弥散系数张量；，；式中：d记为so
42-在地下水中的分子扩散系数，记为地层的扭曲系数，记为克罗内克函数，和分别记为so
42-在地下水中的横向弥散度和纵向弥散度，记为so
42-的渗流速度，和分别表示so
42-在i方向和在j方向上的渗流分速度；，；
式中：记为so
42-的相对渗透率，记为so
42-的固有渗透率，记为地下水的粘滞度，记为地下水的压力，g记为重力加速度，记为地下水的密度。
8.作为本发明进一步的方案，所述数值反演追踪模块连接有显示屏，所述显示屏用于显示数值模拟计算结果，并将计算结果显示在矿区三维地图上，标定可信度最高的串层污染井三维坐标，同时显示此处so
42-的浓度。
9.作为本发明进一步的方案，所述污染评估模块对所述数值反演追踪模块的计算结果可信度进行评估，所述可信度计算公式为：；式中：记为数据可信度，记为通过数值计算所得的so
42-浓度，记为实际取样所得so
42-浓度。
10.本发明相比现有技术具有以下优点：该用于地下水污染的评估系统及方法，通过数据采集模块的设置能够采集闭坑煤矿区域的地质条件信息和水文地质条件信息，使用so
42-的扩散代表矿坑积水反渗造成地下水污染的扩散，利用质量守恒和so
42-扩散规律建立数值模型，并对研究三维区域设置网格，结合已知的边界条件和初始条件求解污染源的确定位置坐标，计算结果得出后，在标定的目标处取样，分析数值模拟结果的可信度，并对可信度符合要求区域的串层污染井实施有效封堵或药剂投放，解决了现有的地下水污染评估系统中没有结合数值模拟技术反演追踪煤矿串层污染井位置的不足，减轻了大量打井取样的人力投入，提高了煤矿串层污染井治理的精确度。
附图说明
11.图1是本发明的整体结构图。
具体实施方式
12.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
13.如图1所示，本实施例提供一种技术方案：一种用于地下水污染的评估系统，包括数据采集模块、数值反演追踪模块和污染评估模块，所述数据采集模块用于将研究矿区的地质和水文地质条件以及采样井地下水监测数据传输给所述数值反演追踪模块，所述数值反演追踪模块根据采集的数据信息设定水文地质条件、计算流场边界以及边界已知条件，建立多相流数值模拟模型，所述数值反演追踪模块连接有污染评估模块；用于地下水污染的评估系统通过数值模拟技术反演追踪闭坑煤矿区地下水污染源的方法如下：步骤一：数据采集模块采集采样井地下水水质和水位信息、矿区的地质条件和水
文地质条件以及串层污染井的范围，并将数据传输给数值反演追踪模块；步骤二：数值反演追踪模块对研究的区域进行网格划分，对串层污染井范围内局部加密，数值反演追踪模块根据数据采集模块提供的数据，基于so
42-的扩散建立多相流数值模拟模型，根据数据采集模块提供的数据设定数值模拟初始条件、边界条件，圈定串层污染井的范围，求解污染源的三维坐标；步骤三：根据数值模拟技术得到三维坐标，在坐标位置打孔取样，验证污染源位置的地下水样本中so
42-的浓度是否与数值模拟计算得到的计算浓度接近；步骤四：在不同的串层污染井采用同样的方法进行数值模拟，收集数值模拟结果和采样结果；步骤五：对数值模拟的计算结果可信度进行分析，利用数值模拟计算得出so
42-浓度减去实际采样地下水中so
42-浓度的绝对值，除以实际采样地下水中so
42-的浓度，得到的百分比作为可信度评估的依据，所得到的百分比数值大于80%的记为可信样本组，并对可信样本组对应的串层污染井进行有效封堵或者投放药剂进行治理。
14.通过数据采集模块的设置能够采集闭坑煤矿区域的地质条件信息和水文地质条件信息，使用so
42-的扩散代表矿坑积水反渗造成地下水污染的扩散，利用质量守恒和so
42-扩散规律建立数值模型，并对研究三维区域设置网格，结合已知的边界条件和初始条件求解污染源的确定位置坐标，计算结果得出后在标定的目标处取样分析数值模拟结果的可信度，并对可信度符合要求区域的串层污染井实施有效封堵或药剂投放，解决了现有的地下水污染评估系统中没有结合数值模拟技术反演追踪煤矿串层污染井位置的不足，减轻了大量打井取样的人力投入，提高了煤矿串层污染井治理的精确度。
15.所述数据采集模块采集的矿区地质条件、水文地质条件以及地下水采样井实时监测数据包括：实际研究场地的三维区域边界：用于划定数值模拟计算流场的三维计算区域，根据实际的场地大小设定计算的空间步长l，并根据空间步长将实际研究场地的大小划分为的三维区域，式中al、bl和cl记为实际研究场地的长度、宽度和深度，并将计算区域内的坐标集合记为；待评估矿区地层性质和分类：用于设定数值计算潜水含水层的类型，并根据大部分的潜水含水层类型设定潜水含水层的性质和参数；地表类型：用于设定数值模拟计算的上部边界，根据场地的开阔性和雨水渗入特性将上部边界设定为水量交换边界，记为；底层地下水的边界岩层性质：用于设定数值模拟计算区域的底部边界性质和参数，根据底部微渗透的特性，将研究区域的底部边界设定为零通量边界，记为；研究矿区四周的地下水流量以及水压信息：设定计算区域的上、下边界和左、右边界类型及参数，设定模拟区域的上边界和下边界均为不透水的零通量边界，分别将上边界和下边界记为和，将左边界和右边界设定为已知压力的边界，并分别将左边界和右
边界记为和；设定监测数据的取样时间间隔：作为数值模拟计算的监测时刻划分依据；采样井信息：用于在数值模拟计算中对采样井编号并实施数值计算；采样井水质信息中的so
42-浓度：通过采样的方式从待求的污染源位置so
42-浓度范围中抽取300组数据代入多相流数值模拟模型，并对其进行反演，取100组接近取样井so
42-浓度的数据进行核对，取准确度达到提前设定要求的数据进行统计计算。
16.所述数值追踪反演模块的数值建模信息包括：初始条件：包括模拟区的初始压力分布、初始so
42-以及含水相以及初始so
42-的浓度，初始条件为：；；；式中：记为模拟区域的初始压力分布函数，记为已知的压力函数；记为地下水的初始饱和度，记为已知的地下水饱和度函数；记为地下水中so
42-的初始浓度函数，记为已知的so
42-初始浓度函数；边界条件：根据水文地质条件设定已知的流量边界和压力边界，根据矿区的暴雨强度及周边河流信息设定源汇项以及so
42-浓度边界，边界条件为：；；；；
；；；；式中：记为地下水中so
42-的浓度；记为地下水的实际平均流速，记为so
42-的饱和度，记为地下水中so
42-的弥散系数张量，n记为边界的法线方向，记为上部边界上的已知压力分布函数，记为左边界的已知压力函数，记为右边界的已知压力函数，记为上部边界so
42-的已知浓度函数，记为左边界的so
42-已知浓度函数，记为右边界的so
42-已知浓度函数；时间步长：根据采样井的采样时间间隔设定数值模拟的计算时间步长t，并选取需要模拟计算的计算时刻t=10t，11t，12t，13t，14t；多相流数值模拟计算偏微分方程：根据质量守恒定律建立多相流偏微分方程，多相流偏微分方程为：，；式中：s记为组成物质种类，s=1记为组成物质为水，s=2记为组成物质为so
42-，记为研究模拟区域地层的孔隙度，记为地下水中so
42-的总浓度，记为组成物质的密度，记为地下水中so
42-的浓度，记为地下水中so
42-的饱和度，记为地下水中so
42-的弥散系数张量；，
；式中：d记为so
42-在地下水中的分子扩散系数，记为地层的扭曲系数，记为克罗内克函数，和分别记为so
42-在地下水中的横向弥散度和纵向弥散度，记为so
42-的渗流速度，和分别表示so
42-在i方向和在j方向上的渗流分速度；，；式中：记为so
42-的相对渗透率，记为so
42-的固有渗透率，记为地下水的粘滞度，记为地下水的压力，g记为重力加速度，记为地下水的密度。
17.所述数值反演追踪模块连接有显示屏，所述显示屏用于显示数值模拟计算结果，并将计算结果显示在矿区三维地图上，标定可信度最高的串层污染井三维坐标，同时显示此处so
42-的浓度。
18.通过显示屏的设置能够将数值计算的结果展示在显示屏上，并结合显示屏上的三维地图具体展示串层污染井的位置，便于研究人员对串层污染井的位置进行分析并讨论封堵方式和投药计量，有助于有效防治地下水污染。
19.所述污染评估模块对所述数值反演追踪模块的计算结果可信度进行评估，所述可信度计算公式为：；式中：记为数据可信度，记为通过数值计算所得的so
42-浓度，记为实际取样所得so
42-浓度。
20.通过可信度公式的设置能够对数值计算的结果进行判别，进而能够对可信度达到要求的计算坐标实施串层污染井治理，避免数值模拟的计算结果不准确造成封堵材料和投放药剂的浪费。
21.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。