水文地質(zhì)參數(shù)參數(shù)的測定

可采取試樣，在室內(nèi)用滲透儀完成，但因試樣的代表性差，且不易保持原狀結(jié)構(gòu)，據(jù)此測定的參數(shù)往往不準，故在實際工作中常通過從野外取得水位和流量數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)模型進行反推，也稱參數(shù)反演。例如通過抽水試驗或通過地下水位的長期觀測，可以算得滲透系數(shù)和釋（儲）水系數(shù)。

從滲透系數(shù)和釋（儲）水系數(shù)還可以派生出表征其他特征的參數(shù)，如導(dǎo)水系數(shù)（含水層的滲透系數(shù)與厚度的乘積）；導(dǎo)壓系數(shù)〔滲透系數(shù)和釋（儲）水系數(shù)之比〕，它反映含水層中任一點的水位或壓力有所變動（升或降）時，在一定距離外的其他地點受到影響所需時間的長短；影響半徑，表征由單井抽水造成水位下降的范圍，其值的平方與滲透系數(shù)成正比，與釋(儲)水系數(shù)成反比，如抽水量超過補給量，則與時間成正比，由于該參數(shù)不僅和地層性質(zhì)有關(guān)，又涉及抽水流量等非地層因素，故嚴格地說不屬水文地質(zhì)參數(shù)。但習慣上水文地質(zhì)工作人員仍把它當作水文地質(zhì)參數(shù)。

分給水度和彈性釋水系數(shù)。①給水度。含水層被疏干時，所釋出的水體積與該含水層體積之比。給水度的值取決于含水層的孔隙率，但由于水分子的吸附作用，其值總是小于孔隙率?？紫对叫。奈阶饔迷酱?，兩者的差也越大。②彈性釋水系數(shù)。承壓含水層中降低單位水頭時，從一單位面積含水層柱體中所釋出的水體積與該柱體的體積之比。由于承壓含水層水頭的降低，將原來由此水頭承擔的上覆地層的自重壓力轉(zhuǎn)嫁給含水層，從而使具有一定彈性的含水層受到擠壓，孔隙或裂隙度相應(yīng)減少而釋出一部分水。與此同時，因水本身也屬彈性體，水頭的降低促成水的膨脹，增加一部分水體積，兩者提供了彈性釋水系數(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)。給水度和彈性釋水系數(shù)都是體積比，故是無量綱數(shù)；又因含水層和水的彈性模量都是極小的數(shù)，故彈性釋水系數(shù)只及給水度的1/1000或1/10000。

單位水力坡度作用下（水力坡度是指單位距離內(nèi)的水位差），從單位面積含水層通過的流量。常用厘米/秒或米/日表示。滲透系數(shù)的大小主要取決于含水層中相連通的空隙的尺度。具有較大空隙的含水層必具較大的滲透系數(shù)。但又和在其中流動的液體的容重、粘滯度等有關(guān)。在同一含水層中若換以容重比水小、粘滯度比水大的他種液體，如石油，則此含水層的滲透系數(shù)即變小。因此它是一個兼及地層和流體特性的綜合性參數(shù)。由于地下水的水溫比較恒定，水的容重和粘滯度變化極微，故流體的因素可以忽略。但在研究鹽水、鹵水的滲流和地下水污染的問題時，則必須考慮流體的質(zhì)的變化。

滲透系數(shù)有線性和非線性的區(qū)別。在水力坡度變化的情況下，一定地層的滲透系數(shù)始終保持為常數(shù)，稱線性滲透系數(shù)。若滲透系數(shù)的值，隨著水力坡度的增大而變小，則稱非線性滲透系數(shù)。一般在空隙度小的地層中，滲透系數(shù)常保持為線性的，而在空隙度大的地層中，滲透系數(shù)則常為水力坡度的函數(shù)。

非飽和地層的滲透系數(shù)，與飽和地層不同，它的值隨地層飽和度的變小而減少。

對于非穩(wěn)定流抽水試驗水文地質(zhì)參數(shù)計算，作者在本《水文地質(zhì)參數(shù)智能優(yōu)化計算》提出了基于智能優(yōu)化理論的配線計算方法，并論述了承壓水完整井、非完整井、邊界附近完整井、越流補給含水層、非完整井流、潛水Boulton模型、Neuman模型等水文地質(zhì)參數(shù)智能優(yōu)化配線計算方法及例題。特點是采用智能優(yōu)化配線替代傳統(tǒng)的人工配線法計算水文地質(zhì)參數(shù)，彌補了人工配線存在配線及讀數(shù)誤差的不足，解決了各種類型井函數(shù)的自動計算問題，提出了基于定點喂食的改進粒子群算法，用于曲線族類井函數(shù)的多維度目標函數(shù)優(yōu)化配線計算，加快了收斂速度，提高了計算精度，免去了所有配線法制作標準曲線及人工繪制同比例試驗曲線的麻煩和配線計算過程，使得水文地質(zhì)參數(shù)計算更加高效、快速、準確?！端牡刭|(zhì)參數(shù)智能優(yōu)化計算》重點介紹了運用粒子群算法、蟻群算法、模擬退火算法、遺傳算法、差分進化算法等進行優(yōu)化配線求解水文地質(zhì)參數(shù)的方法及步驟，以及智能優(yōu)化配線與人工手動配線計算實例對比分析?！端牡刭|(zhì)參數(shù)智能優(yōu)化計算》附有作者基于MATLAB開發(fā)的部分相關(guān)程序，便于在本行業(yè)推廣使用。

目錄

前言

第一章 基本概念與定義 1

第一節(jié) 基本概念 1

第二節(jié) 水文地質(zhì)參數(shù) 2

第三節(jié) 抽水試驗 4

一、抽水試驗的目的、分類 4

二、抽水試驗資料的整理及水文地質(zhì)參數(shù)計算 5

第二章 智能算法簡介 6

第一節(jié) 粒子群優(yōu)化算法 6

一、標準粒子群算法 6

二、標準粒子群算法流程 7

三、參數(shù)設(shè)置 7

第二節(jié) 蟻群算法 9

一、蟻群算法概述 9

二、基本蟻群算法 9

三、蟻群算法函數(shù)極值尋優(yōu)實現(xiàn)步驟及流程 10

四、計算參數(shù)的選擇 11

第三節(jié) 模擬退火算法 11

一、模擬退火算法概述 11

二、模擬退火算法原理 12

三、模擬退火算法的基本思想 12

四、模擬退火算法流程 13

五、計算參數(shù)的選擇 13

第四節(jié) 遺傳算法 14

一、遺傳算法概述 14

二、遺傳算法基本原理 14

三、遺傳算法計算流程 15

四、計算參數(shù)的選擇 16

第五節(jié) 差分進化算法 16

一、差分進化算法概述 16

二、差分進化算法原理 17

三、差分進化算法流程 17

四、計算參數(shù)的選擇 17

第三章 承壓完整井非穩(wěn)定流抽水試驗 19

第一節(jié) 無界承壓含水層完整井流 19

一、泰斯(Theis)非穩(wěn)定流 19

二、井函數(shù)W(u)的近似解 21

三、井函數(shù)W(u)的數(shù)值解 22

第二節(jié) Theis降深-時間配線法 24

一、Theis降深-時間配線法求解水文地質(zhì)參數(shù) 24

二、計算例題3.1 26

三、標準粒子群優(yōu)化配線求解水文地質(zhì)參數(shù) 27

四、基于標準PSO算法的降深-時間優(yōu)化配線法計算實例 29

五、PSO算法參數(shù)取值影響分析 33

第三節(jié) Theis降深-距離配線法 35

一、Theis降深-距離配線法求解水文地質(zhì)參數(shù) 35

二、計算例題3.2 36

三、帶壓縮因子粒子群(YSPSO)優(yōu)化配線求解水文地質(zhì)參數(shù) 38

四、基于YSPSO算法的降深-距離優(yōu)化配線法計算實例 38

五、YSPSO算法參數(shù)取值影響分析 42

第四節(jié) Theis降深-時間距離配線法 43

一、Theis降深-時間距離配線法求解水文地質(zhì)參數(shù) 43

二、計算例題3.344

三、線性遞減權(quán)重粒子群(LinWPSO)優(yōu)化配線求解水文地質(zhì)參數(shù) 47

四、LinWPSO算法降深-時間距離優(yōu)化配線法計算實例 48

五、LinWPSO算法參數(shù)取值影響分析 55

第五節(jié) Theis降深-距離時間配線法 57

一、Theis降深-距離時間配線法求解水文地質(zhì)參數(shù) 57

二、計算例題3.4 58

三、帶壓縮因子的粒子群(YSPSO)算法實現(xiàn)降深-距離時間優(yōu)化配線 60

第六節(jié) 雅各布(Jacob)降深-時間直線圖解法 62

一、降深-時間直線圖解法求解水文地質(zhì)參數(shù) 62

二、計算例題3.5 63

三、基于最小二乘法的自動優(yōu)化Jacob降深-時間直線圖解法 64

四、基于最小二乘法的自動優(yōu)化Jacob降深-時間直線圖解法計算實例 64

第七節(jié) 雅各布(Jacob)降深-距離直線圖解法 66

一、降深-距離直線圖解法求解水文地質(zhì)參數(shù) 66

二、計算例題3.6 67

三、基于最小二乘法曲線擬合的降深-距離直線圖解法 68

四、基于最小二乘法曲線擬合的降深-距離直線圖解法計算實例 68

第八節(jié) 雅各布(Jacob)降深-時間距離直線圖解法 69

一、降深-時間距離直線圖解法求解水文地質(zhì)參數(shù) 69

二、計算例題3.7 70

三、基于最小二乘法曲線擬合的降深-時間距離直線圖解法 70

四、基于最小二乘法曲線擬合的降深-時間距離直線圖解法計算實例 70

第九節(jié) 水位恢復(fù)法 72

一、水位恢復(fù)法求解水文地質(zhì)參數(shù) 72

二、計算例題3.8 73

三、基于最小二乘法的水位恢復(fù)直線圖解法 74

四、基于最小二乘法的水位恢復(fù)直線圖解法計算實例 75

第十節(jié) 大直徑井抽水試驗優(yōu)化配線 76

一、Papadopulos和Cooper(1967)大直徑井非穩(wěn)定流基本理論 76

二、Papadopulos和Cooper(1967)大直徑井配線法求解水文地質(zhì)參數(shù) 78

三、計算例題3.9 79

四、改進的SAPSO算法大口井優(yōu)化配線求解水文地質(zhì)參數(shù) 79

第十一節(jié) 各向異性介質(zhì)中的完整井流 84

一、Papadopulos模型解 84

二、Papadopulos模型配線法求解水文地質(zhì)參數(shù) 85

三、計算例題3.10 86

四、標準粒子群優(yōu)化(PSO)配線求解各向異性介質(zhì)含水層水文地質(zhì)參數(shù) 88

五、SA PSO混合算法求解各向異性介質(zhì)含水層水文地質(zhì)參數(shù) 93

六、不同優(yōu)化方法分析對比 94

第四章 定降深承壓完整井非穩(wěn)定流抽水試驗 96

第一節(jié) 無越流定降深單井非穩(wěn)定流G(λ)-λ標準曲線配線法 96

一、G(λ)-λ標準曲線配線法求解水文地質(zhì)參數(shù) 96

二、井函數(shù)G(λ)的近似解 98

三、傳統(tǒng)G(λ)-λ標準曲線配線法計算實例 98

四、自適應(yīng)慣性權(quán)重粒子群(SAPSO)定降深抽水試驗優(yōu)化配線法 101

五、自適應(yīng)慣性權(quán)重粒子群算法優(yōu)化配線法計算實例一 102

六、自適應(yīng)慣性權(quán)重粒子群算法優(yōu)化配線法計算實例二 105

第二節(jié) 直線圖解法 109

一、直線圖解法求解水文地質(zhì)參數(shù) 109

二、基于最小二乘法曲線擬合的直線圖解法 110

三、計算實例 111

第三節(jié) 第一類越流系統(tǒng)定降深非穩(wěn)定流標準曲線配線法 112

一、G(λ.rBw)-λ標準曲線配線法基本原理 112

二、RandWPSO配線法求解水文地質(zhì)參數(shù) 114

三、隨機權(quán)重粒子群G(λ.rBw)-λ.Q-t優(yōu)化配線法計算實例 115

第五章 直線邊界附近的單井非穩(wěn)定流抽水試驗 120

第一節(jié) 直線隔水邊界附近的單井非穩(wěn)定流 120

一、標準曲線配線法求解水文地質(zhì)參數(shù) 120

二、遺傳算法優(yōu)化配線求解水文地質(zhì)參數(shù) 123

三、隔水邊界遺傳算法優(yōu)化配線法計算實例分析 124

第二節(jié) 直線補給邊界附近的單井非穩(wěn)定流 129

一、標準曲線配線法求解水文地質(zhì)參數(shù) 129

二、基于隨機權(quán)重粒子群(RandWPSO)優(yōu)化配線求解水文地質(zhì)參數(shù) 132

三、基于RandWPSO算法的補給邊界降深-距離優(yōu)化配線法計算實例 132

第六章 第一類越流系統(tǒng)非穩(wěn)定流抽水試驗 136

第一節(jié) 第一類越流系統(tǒng)非穩(wěn)定流抽水試驗標準曲線配線法 136

一、第一類越流系統(tǒng)標準曲線配線法求解水文地質(zhì)參數(shù) 136

二、Hantush和Jacob井函數(shù)W(u.Br)近似解 139

三、Hantush和Jacob井函數(shù)W(u.Br)數(shù)值解的推導(dǎo) 141

四、學(xué)習因子同步變化粒子群(LnCPSO)優(yōu)化配線求解水文地質(zhì)參數(shù) 143

五、學(xué)習因子同步變化粒子群算法越流系統(tǒng)降深-時間配線法計算分析 144

六、LnCPSO算法參數(shù)取值影響分析 149

第二節(jié) 定點喂食粒子群優(yōu)化算法(LFPSO)151

一、問題的提出 151

二、定點喂食的思路 151

三、計算公式及實施步驟 152

四、定點喂食粒子群LFeHPSO算法優(yōu)化配線法計算步驟 153

五、LFeHPSO算法優(yōu)化配線計算實例 154

第三節(jié) 根據(jù)穩(wěn)定狀態(tài)抽水試驗資料確定水文地質(zhì)參數(shù) 156

一、傳統(tǒng)標準曲線配線法求解水文地質(zhì)參數(shù) 156

二、蟻群算法優(yōu)化(ACO)配線求解水文地質(zhì)參數(shù) 159

三、基于蟻群算法的越流系統(tǒng)穩(wěn)定流優(yōu)化配線計算實例 159

四、免疫算法(Immune)的越流系統(tǒng)穩(wěn)定流優(yōu)化配線 162

五、基于隨機權(quán)重粒子群的越流系統(tǒng)穩(wěn)定流優(yōu)化配線計算分析 164

第七章 第二類越流系統(tǒng)非穩(wěn)定流抽水試驗 166

第一節(jié) 基本情況 166

第二節(jié) 根據(jù)短時間抽水試驗資料求解水文地質(zhì)參數(shù) 167

一、配線法求解水文地質(zhì)參數(shù) 167

二、弱透水層彈性釋水越流井函數(shù)H(u.β)的數(shù)值解 169

三、自適應(yīng)慣性權(quán)重粒子群(SAPSO)優(yōu)化配線求解水文地質(zhì)參數(shù) 171

四、自適應(yīng)慣性權(quán)重粒子群算法優(yōu)化配線計算分析 172

五、基于定點喂食的粒子群算法(LFPSO)例題計算分析 178

第三節(jié) 根據(jù)長時間抽水試驗資料求解水文地質(zhì)參數(shù) 181

第八章 潛水完整井非穩(wěn)定流抽水試驗 183

第一節(jié) 考慮遲后疏干的博爾頓(Boulton)模型 183

一、傳統(tǒng)博爾頓配線法 183

二、Boulton井函數(shù)的數(shù)值計算及近似處理 186

三、傳統(tǒng)博爾頓配線法計算例題8.1 187

四、基于隨機權(quán)重粒子群(RandWPSO)的Boulton模型優(yōu)化配線法 193

五、潛水非穩(wěn)定流Boulton模型RandWPSO算法優(yōu)化配線計算實例 194

六、基于定點喂食的隨機權(quán)重粒子群算法優(yōu)化(LFRandWPSO)配線計算流程 206

七、LFRandWPSO算法優(yōu)化配線計算分析 207

第二節(jié) 其他Boulton模型實例優(yōu)化配線計算分析 210

一、5套潛水非穩(wěn)定流抽水試驗資料LFRandWPSO算法優(yōu)化配線分析 210

二、Boulton模型粒子群優(yōu)化配線算法的改進 221

第三節(jié) 考慮含水層各向異性及遲后疏干的紐曼(Neuman)模型 232

一、Neuman配線法 232

二、Neuman井函數(shù)的求解 233

三、先配B曲線后配A曲線配線法計算步驟及計算例題245

四、先配A曲線后配B曲線配線法計算步驟及計算例題257

第四節(jié) 不同Neuman配線法求解的差異性分析 260

一、Neuman配線法的配線類型 261

二、不同Neuman配線方法計算結(jié)果分析 261

第九章 承壓非完整井非穩(wěn)定流抽水試驗 263

第一節(jié) 承壓非完整井標準曲線配線法基本原理 263

一、承壓非完整井非穩(wěn)定流基本方程 263

二、非完整井井函數(shù)的求解 264

第二節(jié) 根據(jù)抽水試驗資料確定水文地質(zhì)參數(shù) 269

一、承壓非完整井配線計算步驟 270

二、承壓非完整井計算例題9.1 271

第三節(jié) 隨機權(quán)重粒子群非完整井優(yōu)化配線求解文地質(zhì)參數(shù) 272

一、基于隨機權(quán)重粒子群非完整井優(yōu)化配線求解水文地質(zhì)參數(shù) 272

二、基于RandWPSO算法的非完整井優(yōu)化配線計算實例 272

第十章 其他水文地質(zhì)參數(shù)智能優(yōu)化求解 278

第一節(jié) 承壓含水層微水試驗 278

一、承壓含水層微水試驗配線法求解水文地質(zhì)參數(shù) 278

二、基于線性遞減權(quán)重粒子群優(yōu)化(LinWPSO)配線求解水文地質(zhì)參數(shù) 282

三、線性遞減權(quán)重粒子群算法優(yōu)化配線計算實例 282

第二節(jié) 彌散系數(shù)智能優(yōu)化配線法 285

一、標準曲線配線法 285

二、蟻群算法優(yōu)化配線求解彌散系數(shù) 289

三、基于蟻群算法的彌散系數(shù)優(yōu)化配線計算分析 289

四、基于標準粒子群(PSO)的彌散系數(shù)優(yōu)化配線計算分析 293

五、基于差分進化的彌散系數(shù)優(yōu)化配線計算分析 296

參考文獻 299

附錄 302

附錄1 降深-時間配線法 3 2100433B

水文地質(zhì)勘察綜述

為各種專門目的而進行的比較詳細的水文地質(zhì)勘察工作。一般在水文地質(zhì)普查的基礎(chǔ)上進行，采用較大的比例尺。如供水水文地質(zhì)勘探、礦床水文地質(zhì)勘探、地熱水文地質(zhì)勘探等。在工作中一般要投入較多的勘探工程量。與工程的設(shè)計階段相適應(yīng)，專門性的水文地質(zhì)勘探?？煞譃槌醪娇碧胶驮敿毧碧絻蓚€階段，每一階段工作的結(jié)果都要提交專門性的水文地質(zhì)勘探報告和有關(guān)的圖件。

水文地質(zhì)勘察內(nèi)容

水文地質(zhì)勘察的工作內(nèi)容包括：

①水文地質(zhì)測繪。對地下水和與其有關(guān)的各種地質(zhì)現(xiàn)象進行實地觀測和填圖工作，包括收集有關(guān)的資料；布置觀測點和觀測線進行實地調(diào)查；測定井、泉等地下水露頭的流量和水質(zhì)；研究其形成條件，以查明地下水的形成、分布、埋藏條件和巖土的含水性；尋找地下水的富水地段，選定進一步勘探和試驗工作的地點等。利用遙感技術(shù)，對衛(wèi)星照片和航空照片進行解譯，以配合水文地質(zhì)測繪，是一種又快又好的方法，可以提高地面測繪的效率和精度。

②地球物理勘探。地球物理勘探（簡稱物探）常用來尋找地下水，確定含水層的位置，劃分咸水體和淡水體界線等。在水文地質(zhì)勘探中常用的地面物探方法有電測深法、電剖面法、自然電場法、淺層地震法、α－徑跡法等。 常用的鉆井地球物理方法有電測井法、放射性測井法等。物探方法由于比較快速、經(jīng)濟，常與水文地質(zhì)鉆探和試驗配合進行，利用物探確定鉆孔和抽水試驗地點，可以提高效率。

③水文地質(zhì)鉆探。鉆探的目的是確定含水層的位置與分布，以查明地下水的存在條件。所獲巖心要進行詳細編錄，并且利用鉆孔進行抽水試驗或其他水文地質(zhì)試驗。水文地質(zhì)鉆探的要求和一般的礦產(chǎn)鉆探不同，要求有較大的孔徑并且用清水鉆進。否則利用鉆孔求得的水文地質(zhì)參數(shù)可能失真。

④水文地質(zhì)試驗。水文地質(zhì)試驗的目的是取得各種參數(shù)，為地下水資源評價或礦山涌水量計算等提供基礎(chǔ)資料，包括抽水試驗、壓水試驗、注水試驗和彌散試驗等，最常用的是抽水試驗。

⑤地下水動態(tài)觀測。地下水動態(tài)觀測是水文地質(zhì)勘察的一項重要內(nèi)容。在布置鉆探和水文地質(zhì)試驗時，就要考慮到保留一部分鉆孔用來進行長期觀測，定期測定地下水的水位、水質(zhì)和水溫，以便為以后的地下水資源評價或其他水文地質(zhì)計算提供基礎(chǔ)資料。一般要求動態(tài)觀測的時間不少于一個水文年，時間系列愈長愈好。

⑥實驗室分析。在水文地質(zhì)勘察過程中，要選取水樣、巖樣或土樣進行實驗室的水質(zhì)分析、粒度分析、孢粉或微體古生物分析、同位素年齡測定等。

⑦編制水文地質(zhì)報告和圖件。水文地質(zhì)勘察的成果一般分為報告和圖件兩部分。報告應(yīng)當正確地反映實際的水文地質(zhì)條件，回答要求解決的問題。圖件一般是一系列的水文地質(zhì)圖，根據(jù)勘察的目的、要求的不同，圖件的數(shù)量和內(nèi)容都可以不同，常見的有綜合水文地質(zhì)圖、地下水等水位線圖、巖石含水性圖、水化學(xué)圖、地下水埋深圖、地下水污染程度圖、水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)圖等。2100433B