非稳定流抽水自动配线的软件实现（薛海,李斌,邹剑峰）

时间：2021-01-14 08:04:38　来源：柠檬阅读网本文已影响人

［摘要］在非稳定流抽水试验的水文地质参数求解方法中，标准曲线对比法（配线法）是最为常用的方法。在使用此方法时，由于步骤相对繁琐，工作量较大。而且利用配线观察者的目测进行配线，存在较大的随意性，从而引入不必要的误差。以配线法为基础，采用曲率和距离双重判别方法，并通过计算机编程，实现了人工配线的计算机化以及完全自动配线功能，使实际工程的配线工作效率大幅提高。

［关键词］非稳定流泰斯曲线配线

1 传统配线法及其不足

在供水和排水系统中，当采用井抽取地下水的工程方式时，多数情况下地下水向井进行的流动是非稳定流动过程。在此过程中，水头、降深等都随时间变化，同时还与含水层透水系数、贮水系数、导水系数密切相关。因此，地下水向井的非稳定流动是一个复杂的物理过程。在实际工程中，一般的作法［1］是首先在所关注的区域内进行非稳定抽水试验，得到累计时间、抽水井分布、抽水流量及各测孔的水位降深等实测数据，并将降深S与t/r2（其中t为抽水时间，r为观测孔至抽水孔的距离）的关系绘制于双对数透明坐标纸中。之后在保持横纵坐标轴分别平行的情况下，将此坐标纸在事先绘制好的W(u)～1/u标准关系曲线纸上移动，直至重合试验数据与标准曲线重合。最后任取一匹配点，读取该点在两坐标系中的两组横纵坐标值，并代入泰斯公式计算水文地质参数T和S。

到目前为止，配线法虽然是求解水文地质参数首选方法，但其操作过程中也存在一些问题：一是步骤较为繁琐，且重复性较大。例如，在配线过程中首先要在透明纸上逐点点绘降深S与t/r2的双对数图像，并且配线过程在手工完成的情况下也很难保证两坐标系的坐标轴绝对平行，而当观测孔较多时，这一配线过程对于每一测孔均要重复进行。另一方面，由于配线的实质是寻找试验点在标准曲线上的最佳“附着”位置，通过人为进行的主观判断则很难达到客观上的“最佳”，因此计算结果带有一定的随意性。

2 配线法软件设计的原则和思路

由于上述传统配线法在实际应用上的不便，有学者对此问题进行了研究。刘玉珍等［2］将灵敏度分析法应用于泰斯方程求解水文地质参数的计算中。研究中将水位降深看作是以导水系数和弹性释水系数为变量的函数，并利用最小二乘法原理计算求得理论降深与观测降深最佳拟合时的导水系数和弹性释水系数。方法整体上经过较严格的数学推导，并通过两个抽水试验实例进行了验证。该研究在一定程度上解决了上述不便，但由于应用方式与传统配线法有一定差异，不能直接观察配线过程，对应用人员来说直观性有所欠缺。齐学斌［3］则利用高斯+牛顿迭代算法，对导水系数、贮水系数等进行求解，并且程序稍改后也可用于稳定流情形的计算，应用范围有所拓宽，然而该研究同样存在易用性和与传统方法衔接方面的欠缺。

在前人的研究基础上，本研究则着眼于以下四个方面的原则：

1.尽量接近传统配线法的基本操作模式，这样可以使工程人员最大程度地快速掌握软件的使用。

2.能够直接读取EXCEL文档中的输入参数数据，并可批量读入。一方面是由于工程实际当中，大多数抽水试验人员已习惯利用EXCEL软件进行试验数据的录入和整理；
另一方面，多数情况下抽水试验将涉及多个测孔数据，批量读入并处理可以大幅提高计算效率。

3.软件需识别明显有问题的试验数据点。由于实际抽水试验中可能存在误操作或者读取误差过大的情形，自动剔除这些数据点，不使其参与运算，将有利于保证配线的物理意义和准确性。

4.应提供手动配线和自动配线的两种操作方式。在某些特殊情况下，自动配线方法可能出现较大误差甚至错误。此时，应允许操作人员通过软件进行人工辅助配线操作，以保证系统的灵活性和容错性。

3 配线法软件各部分实现方法

3.1 手动辅助配线部分

手动辅助配线是为在软件上模拟传统配线法而设计的，也是自动配线的基础。本部分的一个要点是，如何实现当用户在双对数坐标系中移动试验数据时，不仅保持试验数据的相对图形不变，而且还要同时计算出原试验数据的相对变化值。实际上，在双对数坐标下，要保持试验数据点相对图形不变（即各点的横纵坐标相对值不变），则原各试验数据的移动值必定各不相同，需进行换算得到。

以x轴方向为例，假设任一原试验数据点的横坐标为x0，则在双对数坐标下其横坐标为lg（x0），当在对数坐标下沿x轴平移固定的距离Δx时（双对数坐标下各点均移动相同距离Δx），设原试验点数据横坐标需要相应移动Δx0，则有：

lg(x0)+Δx＝lg(x0+Δx0) （1）

整理得：

Δx0＝x0(10Δx－１) （2）

于是，原数据的横坐标变为x′0＝x0+(10Δx－１)x0＝10Δxx0

也就是说，当在对数坐标的x方向平移Δx距离时，原坐标系下该点的横坐标将变化为10Δxx0，各点的移动均依赖于其移动前的坐标点x0，因此在原坐标系中的移动距离各点并不相同。

上述部分在软件实现上则是通过设置“上下左右箭头”按钮，如图2所示。用户可以通过点击按钮实时地在图像中看到试验数据点的移动情况。为了满足用户对配线速度的不同需求，软件中设置了滑竿来让用户控制平移速度的快慢（在程序中则是控制Δx的大小来实现的）。当用户认为配线合适时，只需点击计算按钮即可完成这种配线情况下的有关水文地质参数计算。

3.2 自动配线部分

自动配线是本研究的一个难点。表面上看，似乎利用数学上常用的拟合方法就可实现，而实际上由于自动配线过程是一个由已知数据散点的形状来判断其位于理论曲线的确切部位的问题，而非由数据散点求拟合曲线函数的问题，因此仅利用曲线拟合方法很难达到要求。

实际上自动配线应包括两个方面，一是由试验散点构成图形的弯曲程度应该与理论曲线上某部分的弯曲程度相当；
二是由于散点为实测数据，必然存在误差，不可能完全贴附在理论曲线上。因此在保证弯曲程度接近的情况下，应使试验数据点距理论曲线的平均“距离”最小。

对于上述两方面问题，本程序采用如图1所示的流程。

4 配线法软件的界面及功能

图2所示即为软件总体界面。界面最左侧是试验数据输入及计算控制面板，在此面板上，可以通过“载入实验数据”和“做实验数据图”等按钮及弹出的文件选择对话框选取事先准备好的EXCEL数据文档，一次载入全部测孔参数并显示试验数据点图像。界面右上侧为图像可视化面板，主要用于显示对数坐标系、理论曲线以及配线过程中试验数据点的动态变化情况。界面右下侧则为配线控制操作面板，面板上的四个箭头用来进行人工辅助配线，右侧两个数据滑竿用来调节人工配线的数据移动速度。其右侧为自动配线按钮，点击后则可以一次性得到最优配线方案。当然如果自动配线结果并不满意，则可利用人工箭头进行微调。

5 算例验证

算例采用文献3的数据资料，并与其结果进行对比。

已知抽水井深120m，某观测孔距抽水井距离为43m，流量为60m3/h，抽水试验记录如下表所示：

将数据输入EXCEL表格，在软件中打开，并点击自动配线按钮。配线结果如图3所示。计算得到的导水系数T=171.65m2/d，与文献3得到的T=171.93 m2/d十分接近（其余参数的计算此处省略）。

6 结语

本软件实现了用户通过点击鼠标进行交互式配线,且计算结果可以实时地反映在图线上的可视化功能,这种软件模式设计不仅使得繁琐的泰斯曲线配线过程变得更加轻松简单,大幅提高了配线工作效率,而且由人工配线而引入的相对随意性和误差也可得到有效控制。应用表明,本软件完全可以满足实际生产中进行快速配线的需要,具有一定的推广价值。

参考文献

［1］ SL 320—2005. 水利水电工程钻孔抽水试验规程［S］. 2005：31–37

［2］刘玉珍，程世迎. 灵敏度分析法确定水文地质参数的基本模型及其应用［J］.水利学报 2006. 37（7）：845-850

［3］齐学斌. 非稳定流抽水试验参数计算的迭代算法及计算机模拟［J］.水利学报 1995. 7（7）：67-71．

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