一种基于优化控制点确定水文地质参数的自动配线方法

摘要

本发明公开了一种基于优化控制点确定水文地质参数的自动配线方法，包括如下步骤：进行承压含水层非稳定流抽水试验，得试验资料；基于非稳定流承压含水层抽水试验资料，绘制实测数据曲线与配线法标准曲线，给出通过基于优化控制点的自动配线法实现实测曲线与标准曲线的拟合；选取匹配点计算水文地质参数。本发明提出的计算机自动配线的新方法，人机交互简单，接近传统配线法的基本操作模式；通过控制点带动所有实测点，可以大大减小沿标准曲线移动的次数，相当于寻找了一条最优路径移动实测数据点，在保证精度的同时，缩短了后台操作时间，提高了工作效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种确定承压含水层水文地质参数的方法，尤其是涉及一种基于优化控制点实现自动配线确定承压含水层导水系数、贮水系数等水文地质参数的方法。

背景技术

近年来，随着我国人口的迅速增长和经济的快速发展，城市建设规模和速度前所未有，城市建设用地日益紧张，地下空间的开发和利用也日益紧迫，北京和沿海一些大城市地下轨道交通和车站、大型地下商场、地下停车场等大型深基坑工程层出不穷，这些深基坑的施工成败与能否较好的控制地下水关系密切，为降低深基坑工程的设计与施工风险，有必要通过抽水试验确定各含水层，特别是承压含水层的水文地质参数。此外，抽水试验也是煤炭资源等地质勘探的重要手段，其目的是研究含水层重要水文地质特征，取得含水层水文地质参数，评价含水层的富水性，并为预计矿井涌水量与对地下水综合利用的评价提供资料。因此，承压含水层水文地质参数的确定对揭示抽取地下水引起地下水变化和运动的基本规律有着重要的意义，而且为开采地下水和石油以及地下工程建设等生产活动提供理论依据和技术保障。

非稳定流承压完整井求取水文地质参数的方法主要有Jacob直线法、配线法和水位恢复法，其中配线法是最为常用的方法。传统方法采用人工配线，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。随着计算机技术的发展，计算机配线早年主要停留在手动配线的阶段，通过程序实现了数据的自动录入，但曲线的拟合仍然依据主观的判断；近年来兴起了智能算法，如基于配线法的BP神经网络求解Theis模型（2010）等，但是这些智能算法已失去了配线法实现过程的直观性。

发明内容

发明目的：本发明基于配线法标准曲线与实测曲线基本重合，采用控制点带动所有实测点沿标准曲线移动，寻找离差平方和最小值的原理，提出一种实现自动配线确定承压含水层水文地质参数的方法，并结合抽水试验进行了验证。这一方法不仅精度高、易操作，而且具有计算快速，配线过程直观可见等优点。

技术方案：为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种基于优化控制点确定水文地质参数的自动配线方法，包括如下步骤：

A、进行承压含水层非稳定流抽水试验，得试验资料；

B、基于非稳定流承压含水层抽水试验资料，绘制实测数据曲线与配线法标准曲线，给出通过基于优化控制点的自动配线法实现实测曲线与标准曲线的拟合；

C、选取匹配点计算水文地质参数。

为了提高配线的精度和易操作性，所述步骤B为：采用控制点和辅助控制点带动所有实测数据点沿标准曲线移动，寻找离差平方和最小值，实现自动配线；所述步骤C为：根据配线结果计算水文地质参数。

为了进一步提高配线的精度、易操作性及直观性，所述步骤B包括如下步骤：

B1、绘制配线法标准曲线，所述标准曲线由m个理论点连线而成；

B2、录入实测数据，所述实测数据为n个，由程序直接读取Excel表格录入；

B3、确定控制点坐标A(x_A,y_A)，所述控制点A取n个实测数据的均值作为横坐标x_A，然后在x_A左右各取0.25，计算该范围内实测点纵坐标的均值y_A，得到控制点A(x_A,y_A)；由控制点A带动实测数据平移，每个理论点与控制点A在横、纵坐标方向有绝对距离和所述绝对距离即控制点至理论点的实际距离，与坐标无关，将控制点和所有实测数据点按平移量移动至标准曲线附近，计算每次的离差平方和f_A(k)（k=1、2…m），确定f_A的最小值，所述k表示第k次平移，同时也表示第k个理论点，k的取值范围为[1，m]；

B4、取辅助控制点B(x_B,y_B)，x_B=2/3×（实测数据最大值-实测数据最小值）+实测数据最小值，然后在x_B左右各取0.25，计算该范围内实测点纵坐标的均值y_B，得到控制点B(x_B,y_B)，用与步骤B3同样的方法寻找离差平方和f_B的最小值，取f_A、f_B中较小值，按对应的平移量移动实测数据，即可完成配线。

上述步骤B3中，标准曲线（理论点组成）和实测曲线（实测数据点组成）的双对数坐标值可能不同。

所述步骤B3中，第k次平移的离差平方和f_A(k)，即每次移动后，计算第i个实测数据点与标准曲线上m个理论点的距离（k=1、2…m），所述为第i个数据点和第k个理论点的绝对距离，与坐标无关，找出（k=1、2…m）中的最小值，该值是第i个实测数据点至理论点的最短斜距，与求第i个实测数据点到标准曲线的最小距离等效，因为求离差平方和的目的在于找到实测曲线距离标准曲线最近的位置，所以该等效基本不影响自动配线的精度，而且不需要求点到曲线的距离，便于实现。

所有实测数据点用同样的方法确定到标准曲线的绝对距离，平方求和就可以得到离差平方和f_A(k)；步骤B4中，同样的方法，得到离差平方和f_B(k)。

为了提高精度，上述离差平方和最小值的确定包括如下步骤：

1）k=1，即控制点A带动实测数据第一次平移，所述k同时是第k个理论点，k的取值范围为[1，m]；

2）控制点A及n个实测数据点均平移所述为控制点A至第k个理论点的绝对距离，即控制点至理论点的实际距离，与坐标无关，作第k次平移；

3）（k=1、2…m;i=1、2…n）,所述是第i个数据点和m个理论点距离的最小值（k=1、2…m），即第i个实测数据点至理论点的最短斜距，与求第i个实测数据点到标准曲线的最小距离等效，其中为第i个数据点和第k个理论点的绝对距离，与坐标无关；

4）（i=1、2…n），所述f_A(k)为第k次平移后n个实测数据点与标准曲线的离差平方和；

5）当k<m时，k=k+1，即平移次数小于m次时，均由控制点A带动实测数据向下一个理论点平移，求得相应的离差平方和，直到m次平移完成后，终止循环；每一次平移后求得的离差平方和f_A(k)（k=1、2…m）均存储在数列中；

6）循环终止，f_A=min[f_A(k)]（k=1、2…m），得到控制点A带动实测数据平移m次的最小离差平方和。

上述步骤B4中按对应的平移量移动实测数据，即可完成配线，所述相应的平移量，如果f_A≤f_B,则相应的平移量为其中k为f_A所对应的第k次平移；如果f_A>f_B，则相应的平移量为其中k为f_B所对应的第k次平移，根据平移量得到最终配线位置。

上述步骤C中的水文地质参数一般包括导水系数和贮水系数。

导水系数和贮水系数的按如下方法计算：

$>s=\frac{Q}{4\mathrm{\pi T}}W\left(u\right)---\left(1\right)$>

$>u=\frac{r^2{\mu }^{*}}{4\mathrm{Tt}}---\left(2\right)$>

在双对数坐标纸下，W(u)，-1/u和s，-t/r²的曲线形态基本一致，当配线完成后，在曲线上或曲线任取一匹配点，，记下匹配点的对应坐标值：W(u)，1/u，s和t/r²或t，代入（1）、（2），分别计算有关参数：

$>T=\frac{Q}{4\pi \left[s\right]}\left[W\left(u\right)\right]---\left(3\right)$>

$>{\mu }^{*}=\frac{4T}{\left[\frac{1}{u}\right]}\left[\frac{t}{r^2}\right]---\left(4\right)$>

式中：W(u)—井函数；Q—抽水井流量，单位为m³/h；T—导水系数，单位为m²/d；μ^*—含水层的贮水系数；s—抽水影响范围内，任意一点任一时刻的水位降深，单位为m；t—自抽水开始到计算时刻的时间，单位为min；r—计算点到抽水井距离，单位为m。

为了方便检测，上述步骤A抽水试验为在抽水孔周围配置若干个观测孔，抽水过程中，保持抽水量固定而观测地下水位变化的抽水试验；所述步骤A抽水试验资料包括抽水井流量、观测孔与抽水井的距离及观测孔降深随时间的变化。

有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的一种基于优化控制点确定水文地质参数的自动配线方法具有以下优点：

①提出的计算机自动配线的新方法，人机交互简单，接近传统配线法的基本操作模式；

②相比将区域分成点的阵列，越加密，其精度越高，但后台操作次数剧增，比如等间距加密，每次加密后台操作次数增加(2n-1)²-n²，式中n为第n次加密时单行（或单列）的点数，在W(u)数值表中1/u有288个点，如果要达到该精度，则至少平移328329次，每次平移要计算每个实测点到标准曲线的距离，求离差平方和，这样运算量是很大的，甚至会导致死机。通过控制点带动所有实测点，可以大大减小沿标准曲线移动的次数，相当于寻找了一条最优路径移动实测数据点，在保证精度的同时，缩短了后台操作时间，提高了工作效率。

附图说明

图1为自动配线法的流程图；

图2(a)、2(b)、2(c)为控制点定位示意图，以控制点A为例；

图3为确定离差平方和最小值的流程图，以控制点A带动实测数据平移为例；

图4为配线法标准曲线；

图5为本发明实施例自动配线结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

确定承压含水层水文地质参数，首先进行承压含水层非稳定流抽水试验，给出抽水井流量、观测孔与抽水井距离及观测孔降深随时间变化的试验资料，采用Excel表格以规定格式记录试验数据；然后给出通过基于优化控制点的自动配线法实现实测曲线与标准曲线的拟合，最终选取匹配点计算导水系数、贮水系数等水文地质参数的方法。

所述承压含水层非稳定流抽水试验，即在抽水孔周围配置若干个观测孔，抽水过程中，保持抽水量固定而观测地下水位变化的抽水试验，所述抽水孔的进水部分揭穿整个承压含水层。

所述通过基于优化控制点的自动配线法实现实测曲线与标准曲线的拟合，最终选取匹配点计算导水系数、贮水系数等水文地质参数。如图1所示，其步骤为：

（1）绘制配线法标准曲线，所述标准曲线由m个理论值连线而成；

（2）录入实测数据，所述实测数据一共n个，由程序直接读取Excel表格录入；

（3）确定控制点坐标A(x_A,y_A)和辅助控制点B(x_B,y_B)，所述控制点A取n个实测数据的均值作为横坐标x_A，如图2(a)所示，取坐标均值可以避免选取某一异常数据点作为控制点；然后在x_A左右各取0.25，如图2(b)所示，因为对数坐标轴的单位为1，相当于采用单位刻度的1/2，该范围不能取太小，否则可能数据点太少，容易受异常值的影响，该范围也不能取太大，否则控制点在曲线拐弯处，y坐标将发生偏离，根据标准曲线判断单位刻度的1/2范围内线段较平直，所以在x左右各取0.25；计算该范围内实测点（如图2(b)中的①②③）纵坐标的均值y，如图2(b)中所示；得到控制点A(x_A,y_A)，如图2(c)中所示。所述辅助控制点B(x_B,y_B)的选取有利于提高计算精度，因为配线法一般后半段拟合较好，坐标x_B=2/3×（实测数据最大值-实测数据最小值）+实测数据最小值，然后在x_B左右各取0.25，计算该范围内实测点纵坐标的均值y_B，得到控制点B(x_B,y_B)。

（4）由控制点A（辅助控制点B）带动实测数据点平移m次，得到离差平方和最小值f_A（f_B），以控制点A带动实测数据平移为例，如图3所示，其过程为：

1）k=1，即控制点A带动实测数据第一次平移，所述k同时是第k个理论点，k的取值范围为[1，m]；

2）控制点A及n个实测数据点均平移所述为控制点A至第k个理论点的绝对距离，即控制点至理论点的实际距离，与坐标无关，作第k次平移；

3）（k=1、2…m;i=1、2…n）,所述是第i个数据点和m个理论点距离的最小值（k=1、2…m），即第i个实测数据点至理论点的最短斜距，与求第i个实测数据点到标准曲线的最小距离等效，因为求离差平方和的目的在于找到实测曲线距离标准曲线最近的位置，所以该等效基本不影响自动配线的精度，而且不需要求点到曲线的距离，便于实现。其中为第i个数据点和第k个理论点的绝对距离，与坐标无关；

4）（i=1、2…n），所述f_A(k)为第k次平移后n个实测数据点与标准曲线的离差平方和；

5）当k<m时，k=k+1，即平移次数小于m次时，均由控制点A带动实测数据向下一个理论点平移，求得相应的离差平方和，直到m次平移完成后，终止循环；每一次平移后求得的离差平方和f_A(k)（k=1、2…m）均存储在数列中；

6）循环终止，f_A=min[f_A(k)]（k=1、2…m），得到控制点A带动实测数据平移m次的最小离差平方和。

（5）min(f_A,f_B)，即比较f_A和f_B的大小，取较小值;

（6）确定相应的平移量，得到最终配线位置，所述相应的平移量，如果f_A≤f_B,则相应的平移量为其中k为f_A所对应的第k次平移；同理，如果f_A>f_B，则相应的平移量为其中k为f_B所对应的第k次平移，根据平移量得到最终配线位置；

（7）选取匹配点，计算水文地质参数，承压含水层完整井定流量非稳定流：

$>s=\frac{Q}{4\mathrm{\pi T}}W\left(u\right)---\left(1\right)$>

$>u=\frac{r^2{\mu }^{*}}{4\mathrm{Tt}}---\left(2\right)$>

式中：W(u)—井函数；Q—抽水井流量（m³/h）；T—导水系数（m²/d）；μ^*—含水层的贮水系数；s—抽水影响范围内，任意一点任一时刻的水位降深（m）；t—自抽水开始到计算时刻的时间（min）；r—计算点到抽水井距离（m）。

在双对数坐标纸下，W(u)-1/u和s-t/r²的曲线形态基本一致，当配线完成后，任取一匹配点（在曲线上或曲线外均可），记下匹配点的对应坐标值：W(u)，1/u，s和t/r²（或t），代入（1）、（2），分别计算有关参数：

$>T=\frac{Q}{4\pi \left[s\right]}\left[W\left(u\right)\right]---\left(3\right)$>

$>{\mu }^{*}=\frac{4T}{\left[\frac{1}{u}\right]}\left[\frac{t}{r^2}\right]---\left(4\right)$>

本实施例中一种基于优化控制点确定水文地质参数的自动配线法的具体步骤如下：

（1）承压含水层非稳定流抽水试验

已知某一承压含水层抽水试验，抽水井号14，抽水井稳定流量为60m³/h，其中四个观测孔，观测孔2距离抽水井43m，观测孔15距离抽水井140m，观测孔10距离抽水井510m，观测孔1距离抽水井780m，累计抽水1185min，给出各个观测孔降深随时间变化的试验资料，如表1所示：

表1观测孔试验数据

（2）采用Excel表格以规定格式记录试验数据，即抽水时间除以观测孔与抽水井距离的平方（min/㎡）记录在表格的第一列，观测孔的降深（m）记录在表格第二列。

（3）通过一种基于优化控制点的自动配线法实现实测曲线与标准曲线的拟合，最终选取匹配点计算导水系数、贮水系数等水文地质参数：

本实施例中采用VB程序实现自动配线法，首先，输入抽水井稳定流量60m³/h并读取Excel表格中的实测数据，进入绘图，自动生成配线法标准曲线，本实施例中标准曲线采用157个点理论点，因为157个理论点之后，标准曲线在横坐标达到10⁸，早已趋于平稳，其后的标准曲线予以省略，不影响计算结果，同时可以减小后台计算量；然后单击“配线”，完成自动配线，实现标准曲线与实测数据曲线的拟合，如图5所示；选取任意一个拟合结果较好的匹配点，计算得到导水系数T=227.2122m²/d，贮水系数μ^*=1.4251×10^-4，计算速度很快，仅需2-3s，若采用阵列的方法，则至少需要1min才能完成配线。

（4）采用人工配线法计算得到的导水系数为212.3m²/d，贮水系数为1.47×10^-4，计算结果与其比较精度满足工程要求。