地下水三维流多边形有限差分模拟软件开发研究及实例应用
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摘要
地下水流数值模拟技术已成为地下水资源和地质环境评价问题分析的主要方法之一,而三维地下水流数值模拟软件本身存在两个主要的内容,一是可视化的前后处理,二是核心程序的仿真性。通用的地下水流模拟软件的形成已成为发展的主流趋势,它不仅要求能有效快速处理数据,而且强调核心程序对水文地质条件刻画的仿真性以及核心程序与前后处理程序良好的接口。目前国际上已推出多款地下水流模拟商业软件,而其对若干水文地质模拟要素的仿真技术有待改进,同时国内没有形成统一的模拟软件。本文的研究正是基于这个问题展开的。
本文以地下水三维流多边形有限差分模拟理论为研究中心,采用了多学科技术综合应用研究的新技术和新方法,遵循着面向对象程序设计和系统设计的理论,在数字化和可视化思想的指导原则下,对三维模拟软件开发中的各个关键问题进行了探讨与改进,并且以河西走廊黑河干流中游地区为例,应用设计的三维模拟软件实际完成该区的三维地下水数值模拟研究。本文的主要研究内容、方法及工作有如下几点:
1.全文围绕着三维数值模拟的前后处理及模拟系统集成的内容,对模拟中的各个关键问题,包括平面三角网络的剖分、平面等值线的形成、空间插值的实现、模拟数值科学计算可视化、数值模拟的各个水文地质要素处理问题,分别展开了较详细的论述及研究。
2. 正确刻画水文地质模拟要素是水流数值模拟的基本出发点,因此本文详细介绍了地下水三维流任意多边形有限差分法数值模拟的基本理论,并对如何模拟经常遇到的大气降雨入渗的滞后性、潜水蒸发排泄、河流和水库及包括混合井在内的各种井孔、泉等问题作了较充分的分析和讨论。
3.基于三维多边形有限差分地下水数值模拟的理论,对数值模拟系统进行了总体框架设计,采用面向对象语言C++中的类表示了不同的可视化研究内容,同时设计了模拟中的文件系统,认为在模拟系统中应首先把握住地下水的含水系统结构,整个系统必须有一个良好的总体设计和文件组织。
4.在重点分析了前人平面三角剖分中波前推进法(advancing front method)和Delaunay 三角剖分方法的基础上,对Delaunay三角剖分方法中结点位置的设置作了改进,并实现了平面三角网络的剖分程序的编制,同时对网络中部分存在的钝角提出了网络编辑及优化的解决办法,其结果基本可满足水文地质数值模拟的要求。另外本文提出了平面三角网络的逻辑结构,并且在这个逻辑结构基础上很容易得出网络的侧边结点序号等信息。
5.总结和介绍了目前存在的各种不同的离散化数据插值方法,以一个实际带有一定数
量的采样点的函数分别对不同的插值方法进行了测试,分析认为MQS(改进的距离反比法)、径向基函数法(包括Multiquadirc和薄板样条法)、克里格法插值结果比较理想,而且插值结果同采样点的数量及分布有直接的关系。
6.对数值模拟科学计算可视化的要素从一维、二维、三维数据场分别作了详细的讨论,其中简要分析了平面等值线绘制算法中经常用到的网络序列法和三角网格等值线法,同时编制了相应的程序,实现结果同国内外广泛应用的Surfer软件生成的结果一致;而且综合分析了已有的三维建模的各种开发环境及建模采用的方法,根据水流三维模型重建的要求及OpenGL本身方便独立的特点,详细介绍了利用OpenGL构建三维水流实体模型的“六结点单元法”及“八结点单元法”,提出的方法不仅简单,而且显示起来速度较快,可方便利用水流数值模拟前处理已生成的网络数据;同时从模拟计算中水文地质参数的意义出发,设计了地下水水流线的绘制算法,并予以实现。
7.一个模型的好坏与水文地质模型的合理概化、水文地质模拟要素的仿真技术有着直接的关系,而相应的三维水流模型基础资料则是运行模拟必备的条件之一,因此本文详细归纳了建立三维水流模型所需的资料,这将为实际水文地质勘探工作提供参考和依据。在资料的获取基础之上,同时分析了数值模拟前后处理、核心程序及两者接口实现的内容,并以图件展示了前后处理实现的图形用户界面,探讨了不同格式的图形数据格式的定义及如何输入、输出及转化这些图形数据。
8.以河西走廊黑河干流中游地区地下水三维流数值模拟为例,在充分分析研究区水文地质条件的基础之上,对水文地质参数进行了分区,进行了模型识别工作,从不同观测孔的拟合、泉的拟合及地下水水资源的均衡分析得出模拟结果可满足目前的水文地质情况,特别探讨和研究了地下水与地表水的转化关系,再以现状的开采动态进行了15年后地下水动态进行了预测,并对结果进行了分析。
Groundwater numerical simulation has been one main method for groundwater resources analysis and geology environmental evaluation. Three-dimensional groundwater modeling software has two basic research contents. One is pre-post processing with the technique of the visualization, and the other is model accuracy. Common groundwater modeling software is final trend of software development, and it not only requires effective and quick data process, but also the model accuracy of depicting hydro-geological condition, and the well-designed interface between core program and pro-post processing program.
At present, several kinds of abroad commercial groundwater modeling softwares have turned on. However, many problems in depicting hydro-geological conditions of these softwares have to be modified. In the homeland uniformed modeling software hasn’t been formed. This paper is from this.
Based on the theory of three-dimensional finite different groundwater modeling, making full use of new technique and methods in multi-subjects synthetical researches, importing the thought of object-oriented programming and software system design, and under the direction of the theory of digitization and visualization, this paper discussed and supplied the treatments for common key problems of modeling software development, and finally made one case study on middle reach of mainstream of the Heihe River in Hexi corridor. This case applied three-dimensional groundwater modeling programs designed by the theories in this paper. The main contents, methods and works are followed:
1. Centered on pre-post processing and system integration of three-dimensional groundwater modeling, this paper makes researches on such key problems as automatic triangle mesh generation in arbitrary plane domain, plain contour map generation, and methods for space interpolations, scientific calculation visualization and how to depict the problems of many special hydro-geological conditions.
2. Depicting hydro-geology elements correctly is the basic element of numerical simulation. So this paper introduced basic theory of three-dimensional finite different groundwater modeling, and discussed how to depict such general hydro-geology
problems as the lag properties of infiltration,evaporation of phreatic water, river, reservoir, all kinds of wells including mixing well, springs and etc.
3. From the view of the theory of groundwater flow modeling, this paper design the whole structure of modeling system, applied the class of C++ to express different objects of visualization theory, designed file system of modeling system. The author considers well-organized modeling structure will be the first-place content of the whole system.
4. Comparing and analyzing advancing front method and Delaunay method in automatic triangle mesh generation of arbitrary plane domain, this paper made some improvements on the placement of node, and realized the program of the plain triangle mesh generation. This article also supplied the function for editing the obtuse triangle, and the results satisfied the requirement of modeling program successfully. Effective logic structure of triangle mesh is supplied, from which we can get adjacent side and node information easily.
5. This paper summered current method of scatter data interpolations, and selected one factual function and compared the results from different inserting methods. By analysis and comparison, the author thinks the results by insertion of MQS, Radical Basis Function or Kriging method are perfect, and the results have direct relation with the numbers and distribution of sampling points.
6. This paper discussed scientific calculation visualization of one, two, three-dimension data field of in groundwater numerical simulation, and analyzed the methods of the grid-sequence method and triangle mesh contour map generation, and at the same time programmed related programs, which are consistent with the results by surfer software. Also this article summered the methods of three-dimension solid model construction, and according
本文以地下水三维流多边形有限差分模拟理论为研究中心,采用了多学科技术综合应用研究的新技术和新方法,遵循着面向对象程序设计和系统设计的理论,在数字化和可视化思想的指导原则下,对三维模拟软件开发中的各个关键问题进行了探讨与改进,并且以河西走廊黑河干流中游地区为例,应用设计的三维模拟软件实际完成该区的三维地下水数值模拟研究。本文的主要研究内容、方法及工作有如下几点:
1.全文围绕着三维数值模拟的前后处理及模拟系统集成的内容,对模拟中的各个关键问题,包括平面三角网络的剖分、平面等值线的形成、空间插值的实现、模拟数值科学计算可视化、数值模拟的各个水文地质要素处理问题,分别展开了较详细的论述及研究。
2. 正确刻画水文地质模拟要素是水流数值模拟的基本出发点,因此本文详细介绍了地下水三维流任意多边形有限差分法数值模拟的基本理论,并对如何模拟经常遇到的大气降雨入渗的滞后性、潜水蒸发排泄、河流和水库及包括混合井在内的各种井孔、泉等问题作了较充分的分析和讨论。
3.基于三维多边形有限差分地下水数值模拟的理论,对数值模拟系统进行了总体框架设计,采用面向对象语言C++中的类表示了不同的可视化研究内容,同时设计了模拟中的文件系统,认为在模拟系统中应首先把握住地下水的含水系统结构,整个系统必须有一个良好的总体设计和文件组织。
4.在重点分析了前人平面三角剖分中波前推进法(advancing front method)和Delaunay 三角剖分方法的基础上,对Delaunay三角剖分方法中结点位置的设置作了改进,并实现了平面三角网络的剖分程序的编制,同时对网络中部分存在的钝角提出了网络编辑及优化的解决办法,其结果基本可满足水文地质数值模拟的要求。另外本文提出了平面三角网络的逻辑结构,并且在这个逻辑结构基础上很容易得出网络的侧边结点序号等信息。
5.总结和介绍了目前存在的各种不同的离散化数据插值方法,以一个实际带有一定数
量的采样点的函数分别对不同的插值方法进行了测试,分析认为MQS(改进的距离反比法)、径向基函数法(包括Multiquadirc和薄板样条法)、克里格法插值结果比较理想,而且插值结果同采样点的数量及分布有直接的关系。
6.对数值模拟科学计算可视化的要素从一维、二维、三维数据场分别作了详细的讨论,其中简要分析了平面等值线绘制算法中经常用到的网络序列法和三角网格等值线法,同时编制了相应的程序,实现结果同国内外广泛应用的Surfer软件生成的结果一致;而且综合分析了已有的三维建模的各种开发环境及建模采用的方法,根据水流三维模型重建的要求及OpenGL本身方便独立的特点,详细介绍了利用OpenGL构建三维水流实体模型的“六结点单元法”及“八结点单元法”,提出的方法不仅简单,而且显示起来速度较快,可方便利用水流数值模拟前处理已生成的网络数据;同时从模拟计算中水文地质参数的意义出发,设计了地下水水流线的绘制算法,并予以实现。
7.一个模型的好坏与水文地质模型的合理概化、水文地质模拟要素的仿真技术有着直接的关系,而相应的三维水流模型基础资料则是运行模拟必备的条件之一,因此本文详细归纳了建立三维水流模型所需的资料,这将为实际水文地质勘探工作提供参考和依据。在资料的获取基础之上,同时分析了数值模拟前后处理、核心程序及两者接口实现的内容,并以图件展示了前后处理实现的图形用户界面,探讨了不同格式的图形数据格式的定义及如何输入、输出及转化这些图形数据。
8.以河西走廊黑河干流中游地区地下水三维流数值模拟为例,在充分分析研究区水文地质条件的基础之上,对水文地质参数进行了分区,进行了模型识别工作,从不同观测孔的拟合、泉的拟合及地下水水资源的均衡分析得出模拟结果可满足目前的水文地质情况,特别探讨和研究了地下水与地表水的转化关系,再以现状的开采动态进行了15年后地下水动态进行了预测,并对结果进行了分析。
Groundwater numerical simulation has been one main method for groundwater resources analysis and geology environmental evaluation. Three-dimensional groundwater modeling software has two basic research contents. One is pre-post processing with the technique of the visualization, and the other is model accuracy. Common groundwater modeling software is final trend of software development, and it not only requires effective and quick data process, but also the model accuracy of depicting hydro-geological condition, and the well-designed interface between core program and pro-post processing program.
At present, several kinds of abroad commercial groundwater modeling softwares have turned on. However, many problems in depicting hydro-geological conditions of these softwares have to be modified. In the homeland uniformed modeling software hasn’t been formed. This paper is from this.
Based on the theory of three-dimensional finite different groundwater modeling, making full use of new technique and methods in multi-subjects synthetical researches, importing the thought of object-oriented programming and software system design, and under the direction of the theory of digitization and visualization, this paper discussed and supplied the treatments for common key problems of modeling software development, and finally made one case study on middle reach of mainstream of the Heihe River in Hexi corridor. This case applied three-dimensional groundwater modeling programs designed by the theories in this paper. The main contents, methods and works are followed:
1. Centered on pre-post processing and system integration of three-dimensional groundwater modeling, this paper makes researches on such key problems as automatic triangle mesh generation in arbitrary plane domain, plain contour map generation, and methods for space interpolations, scientific calculation visualization and how to depict the problems of many special hydro-geological conditions.
2. Depicting hydro-geology elements correctly is the basic element of numerical simulation. So this paper introduced basic theory of three-dimensional finite different groundwater modeling, and discussed how to depict such general hydro-geology
problems as the lag properties of infiltration,evaporation of phreatic water, river, reservoir, all kinds of wells including mixing well, springs and etc.
3. From the view of the theory of groundwater flow modeling, this paper design the whole structure of modeling system, applied the class of C++ to express different objects of visualization theory, designed file system of modeling system. The author considers well-organized modeling structure will be the first-place content of the whole system.
4. Comparing and analyzing advancing front method and Delaunay method in automatic triangle mesh generation of arbitrary plane domain, this paper made some improvements on the placement of node, and realized the program of the plain triangle mesh generation. This article also supplied the function for editing the obtuse triangle, and the results satisfied the requirement of modeling program successfully. Effective logic structure of triangle mesh is supplied, from which we can get adjacent side and node information easily.
5. This paper summered current method of scatter data interpolations, and selected one factual function and compared the results from different inserting methods. By analysis and comparison, the author thinks the results by insertion of MQS, Radical Basis Function or Kriging method are perfect, and the results have direct relation with the numbers and distribution of sampling points.
6. This paper discussed scientific calculation visualization of one, two, three-dimension data field of in groundwater numerical simulation, and analyzed the methods of the grid-sequence method and triangle mesh contour map generation, and at the same time programmed related programs, which are consistent with the results by surfer software. Also this article summered the methods of three-dimension solid model construction, and according
引文
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