基于因子分析—模糊綜合法的地下水環(huán)境影響數(shù)值模擬分析

申二寧

（江蘇省工程勘測研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚州 225002）

1 引言

地下水環(huán)境的變化，對于路面工程的建設(shè)以及關(guān)聯(lián)施工均會造成極大的影響。不同的水環(huán)境會改變土壤和內(nèi)結(jié)構(gòu)層，嚴重的甚至?xí)?dǎo)致地質(zhì)狀況的變化［1］。所以，通常情況下，在設(shè)立建筑工程之前，均需要對施工區(qū)域的地下水環(huán)境進行數(shù)值模擬［2］。初始的模擬方式為單向影響分析，但是這種形式在對地下水進行采樣和環(huán)境監(jiān)測的過程中，十分容易受到外部因素以及特定場景的影響，導(dǎo)致最終獲取的模擬結(jié)果并未達到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)，一定程度上也阻礙了工程建設(shè)進度的推進［3］。為此提出對基于因子分析—模糊綜合法的地下水環(huán)境影響數(shù)值模擬的分析和驗證。

因子分析—模糊綜合法指的是以因子作為分析的主要單元，形成定向的模擬結(jié)構(gòu)，再融合模糊數(shù)學(xué)測定框架的一種綜合性的評價模式［4］。將該方法應(yīng)用在地下水環(huán)境影響數(shù)值模擬工作之中，一定程度上可以進一步擴大實際的測定范圍，采用比照的方式進行數(shù)值的獲取以及測算，以此來進一步確保數(shù)值模擬模型的執(zhí)行精度，打破傳統(tǒng)高數(shù)值模擬測定條件的束縛，實現(xiàn)創(chuàng)新，此外，在因子分析—模糊綜合法的輔助下，還可以對地下水環(huán)境進行無間斷的實時監(jiān)測，采集相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，形成更為穩(wěn)定、多元化的數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)，為后續(xù)地面工程的建設(shè)提供參考依據(jù)。

2 區(qū)域概況

選定Q 區(qū)域作為測試的主要目標(biāo)對象，該區(qū)域為高速所經(jīng)路線，中心位置的走廊帶走勢較為奇特，大致為中部高、側(cè)向及東西低，整體的地形差異相對較大［5］。經(jīng)過測定，Q 區(qū)域最高點基本處于K22＋050線路段的左方550 m 位置，高程值為1 026 m；而最低1 267 m，最低點位于K40＋420 線路段右方205 m位置［6］。

該區(qū)域的水資源較為豐富，尤其是地下水，四通八達，流向為多方向［7］。區(qū)域的西側(cè)發(fā)育形成一條河床，高程值為652 m，極限高差450 m。該位置的水環(huán)境雖然豐富，但是對于工程的建設(shè)以及路段的開發(fā)擴展也會造成不同程度的影響［8］。例如地下水徑流增大導(dǎo)致道路沉降、塌方、農(nóng)作物減產(chǎn)、山體事故頻發(fā)、軟土區(qū)域不斷擴大，對房屋建設(shè)形成不可控的阻礙，時刻威脅人們的生產(chǎn)生活。具體如圖1 所示。

根據(jù)圖1，完成對地下水環(huán)境變化影響的分析與了解。該區(qū)的自然環(huán)境和溫度變化速度較快，地下水資源雖然豐富，但是相關(guān)人員并未對其進行處理和管控，導(dǎo)致地下水環(huán)境常年處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，對于周圍人們的生活埋下安全隱患。為解決這一問題，采用因子分析—模糊綜合法，對該區(qū)域的水環(huán)境影響進行數(shù)值模擬，確保更為直觀地觀測影響情況，實現(xiàn)多維分析。

3 實驗方法及過程

通過上述對該區(qū)域地下水環(huán)境的簡要了解，采用因子分析—模糊綜合法先進行初始水樣的抽采。測定地下水的存儲深度，一般需要設(shè)定在2.0～4.5 m之間，選定5 個測定點位，按實際地質(zhì)條件建立采樣結(jié)構(gòu)，抽采的范圍距離為1.5 m，針對這5 個不同的單元區(qū)域進行地下水樣的獲取。利用FLAC 模型對不同巖石的地下水進行轉(zhuǎn)換，見表1。

表1 不同巖層地下水FLAC 模型轉(zhuǎn)換

根據(jù)表1，完成對不同巖層地下水FLAC 模型的轉(zhuǎn)換處理。隨著地下水抽采深度的增加，地下水水壓逐漸升高，如圖2 所示。

圖2 地下水抽采深度對于水壓力影響分析

根據(jù)圖2，完成對地下水抽采深度對于水壓力影響的分析和了解。接下來，綜合實際的模擬需求和因子分析—模糊綜合法，對該位置的水環(huán)境影響進行完整性數(shù)值模擬。對上述采集的水樣進行測驗，設(shè)計能量平衡方程為：

式中，H 表示物質(zhì)平衡標(biāo)準(zhǔn)；y 表示測驗區(qū)域；R 表示單項距離；m 表示積累能量；n 表示可檢驗?zāi)芰浚籺 表示檢驗次數(shù)。

根據(jù)上述測定，完成對數(shù)值模擬平衡環(huán)境的設(shè)定。依據(jù)物質(zhì)平衡模擬的需求，測算出水環(huán)境對應(yīng)的物質(zhì)累計項，公式為：

式中，D 表示物質(zhì)累計項；β 表示地下水孔隙度；i 表示水環(huán)境劃分區(qū)域；X 表示標(biāo)定偏差；v 表示質(zhì)量分數(shù)；δ 表示轉(zhuǎn)換累計分數(shù)；σ 表示定向飽和度。

根據(jù)上述測定，完成對地下水環(huán)境數(shù)值模擬物質(zhì)累計項的測算。根據(jù)實際的模擬需求及標(biāo)準(zhǔn)的變化，調(diào)整對應(yīng)的模擬累計標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 模擬需求量變化指標(biāo)參數(shù)設(shè)定

根據(jù)表2 完成對模擬需求量變化指標(biāo)參數(shù)的設(shè)定，此時營造穩(wěn)定的水環(huán)境模擬條件和動態(tài)化處理環(huán)境，隨即融合因子分析—模糊綜合法進行單元模擬邊緣框的設(shè)置。這部分需要注意的是，為確保最終數(shù)值模擬效果的真實性與合理性，需要先對該區(qū)域的水環(huán)境進行邊緣標(biāo)定，獲取相對應(yīng)的初始還原數(shù)值，將水環(huán)境下每一個劃定單元設(shè)定為單階層的塑造因子，融合模糊綜合法，設(shè)計離散模擬框架，具體如圖3 所示。

圖3 模糊綜合法下離散數(shù)值模擬框架設(shè)定

根據(jù)圖3 完成對模糊綜合法下離散數(shù)值模擬框架的設(shè)定與調(diào)整，隨后進行水環(huán)境影響模擬的多方向分析，并建立數(shù)值模擬模型。利用因子分析—模糊綜合法，使用正交網(wǎng)格進行地下水環(huán)境的定向劃分，設(shè)置6 個拋分層，采集此時的水環(huán)境基礎(chǔ)性數(shù)值以及信息，并測算出對應(yīng)的滲透系數(shù)，一般為0.020，這部分需要注意的是，在3 個階段設(shè)定的滲透系數(shù)均是不同的，可以將其控制在0.02～0.09。

同時，為了提高數(shù)值模擬處理和計算速度以及效率，對內(nèi)部地層環(huán)境進行單值合并處理，水平模擬方向范圍設(shè)定為259 000～358 010 m 之間。將標(biāo)定位置的水環(huán)境進行坐標(biāo)劃分，利用設(shè)計的初始數(shù)值模擬模型對X，Y 軸方向上各個地層進行單獨剖分。

當(dāng)水環(huán)境發(fā)生相應(yīng)的變化時，周圍會形成對應(yīng)的壓力，對地質(zhì)層以及巖石層也會造成影響。為此，綜合獲取的數(shù)據(jù)以及信息，測算出水環(huán)境壓力變化的正交垂向范圍，公式為：

式中，B 表示水環(huán)境壓力變化的正交垂向范圍；f 表示過渡距離；?表示垂直方向；e 表示正交處理次數(shù)；r 表示垂直堆疊范圍；θ 表示地層深度。

根據(jù)上述測定，完成對水環(huán)境壓力變化的正交垂向范圍的確定，將其設(shè)定在構(gòu)建的初始數(shù)值模擬模型之中，作為模型的虛擬化外延標(biāo)準(zhǔn)。

遵循物質(zhì)平衡的標(biāo)準(zhǔn)，在合理的范圍之內(nèi)調(diào)整模擬需求的變化總量以及單元量，在模型中設(shè)定離散數(shù)值模擬框架，將獲取的數(shù)據(jù)以及信息填充導(dǎo)入框架之中，形成完整的數(shù)值模擬動態(tài)模型，進行模型基礎(chǔ)數(shù)值以及指標(biāo)的設(shè)置，見表3。

表3 模型基礎(chǔ)數(shù)值設(shè)定調(diào)整

根據(jù)表3 完成對模型基礎(chǔ)數(shù)值的設(shè)定與調(diào)整。以此為基礎(chǔ)，對設(shè)定的數(shù)值模擬模型進行調(diào)整，并針對標(biāo)定的地下水環(huán)境，分析此時標(biāo)定點位壓裂區(qū)域的水壓，具體如圖4 所示。

圖4 地下水標(biāo)定點位壓裂區(qū)域水壓變動情況

根據(jù)圖4 完成對地下水標(biāo)定點位壓裂區(qū)域水壓變動的分析和研究。在測試的過程中，設(shè)定具體的測試周期，共12 個周期，每一個周期48 h，經(jīng)過一個周期的模擬分析之后，定時采集相對應(yīng)的水環(huán)境數(shù)據(jù)以及信息。分析之后，實現(xiàn)初始的數(shù)值模擬。隨即以此為基礎(chǔ)，利用因子分析—模糊綜合法將地下水環(huán)境的變動情況設(shè)定為一個梯形，針對每一層的數(shù)值模擬情況測算出地層的壓強值，公式為：

式中，A 表示地層壓強值；L 表示平均移動距離；s?表示偏移距離；ε 表示定向壓力值；Q 表示模糊定值；ω表示水力壓裂值。

根據(jù)上述測定，完成對地層壓強值的測算，根據(jù)該數(shù)值的變動，逐步對最終的結(jié)果進行比照分析與研究。

4 實驗結(jié)果分析

綜合上述實驗測試，利用因子分析—模糊綜合法對選定區(qū)域地下水環(huán)境變動影響進行數(shù)值模擬測定，針對地下水環(huán)境的變動，結(jié)合實際的測試需求及標(biāo)準(zhǔn)，測算獲取最終的測試結(jié)果，見表4。

表4 測試結(jié)果對比分析

根據(jù)表4 完成對最終測試結(jié)果的分析與驗證研究：針對選定的地下水環(huán)境，標(biāo)定出地下水的流經(jīng)地層，在不同深度的地層狀態(tài)分別為白云巖、泥巖以及頁巖，通過數(shù)值模擬，測算出最終的地層壓強的具體數(shù)值以及分解信息。可以觀測到，隨著地層深度的增加，地下水環(huán)境會發(fā)生一定的改變，在數(shù)值模擬背景下，地層壓強值逐漸增大；反之，地層深度減少，地下水環(huán)境地層壓強值逐漸減小，壓強控制在120～350 kPa 之間，存在正向的變動關(guān)系。

5 結(jié)論

依據(jù)實驗的分析和研究，最終可以得出以下結(jié)論：數(shù)值模擬分析過程中，隨著地層深度的增加，地下水環(huán)境會發(fā)生一定的改變，地層壓強值逐漸增大；反之，地層深度減少，地下水環(huán)境地層壓強值逐漸減小，對地下水的流動方向以及徑流都會發(fā)生對應(yīng)的影響，存在正向的變動關(guān)系。

針對不同的工程建設(shè)需求以及標(biāo)準(zhǔn)，需對施工區(qū)域進行邊緣標(biāo)定，過程中通過獲取的地下水環(huán)境數(shù)值信息，分析地下水的流動情況、流動方向以及流動狀態(tài)，針對劃分的區(qū)域進行數(shù)值模擬。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合地下水文環(huán)境進行深層次的模擬分析，逐步構(gòu)建更為穩(wěn)定、多元的模擬結(jié)構(gòu)，確保施工過程中數(shù)值的精準(zhǔn)度與可靠性，確保工程順利完成。