基于因子分析—模糊综合法的地下水环境影响数值模拟分析

申二宁

（江苏省工程勘测研究院有限责任公司，江苏 扬州 225002）

1 引言

地下水环境的变化，对于路面工程的建设以及关联施工均会造成极大的影响。不同的水环境会改变土壤和内结构层，严重的甚至会导致地质状况的变化［1］。所以，通常情况下，在设立建筑工程之前，均需要对施工区域的地下水环境进行数值模拟［2］。初始的模拟方式为单向影响分析，但是这种形式在对地下水进行采样和环境监测的过程中，十分容易受到外部因素以及特定场景的影响，导致最终获取的模拟结果并未达到预期的标准，一定程度上也阻碍了工程建设进度的推进［3］。为此提出对基于因子分析—模糊综合法的地下水环境影响数值模拟的分析和验证。

因子分析—模糊综合法指的是以因子作为分析的主要单元，形成定向的模拟结构，再融合模糊数学测定框架的一种综合性的评价模式［4］。将该方法应用在地下水环境影响数值模拟工作之中，一定程度上可以进一步扩大实际的测定范围，采用比照的方式进行数值的获取以及测算，以此来进一步确保数值模拟模型的执行精度，打破传统高数值模拟测定条件的束缚，实现创新，此外，在因子分析—模糊综合法的辅助下，还可以对地下水环境进行无间断的实时监测，采集相关的数据信息，形成更为稳定、多元化的数值模拟结构，为后续地面工程的建设提供参考依据。

2 区域概况

选定Q 区域作为测试的主要目标对象，该区域为高速所经路线，中心位置的走廊带走势较为奇特，大致为中部高、侧向及东西低，整体的地形差异相对较大［5］。经过测定，Q 区域最高点基本处于K22＋050线路段的左方550 m 位置，高程值为1 026 m；而最低1 267 m，最低点位于K40＋420 线路段右方205 m位置［6］。

该区域的水资源较为丰富，尤其是地下水，四通八达，流向为多方向［7］。区域的西侧发育形成一条河床，高程值为652 m，极限高差450 m。该位置的水环境虽然丰富，但是对于工程的建设以及路段的开发扩展也会造成不同程度的影响［8］。例如地下水径流增大导致道路沉降、塌方、农作物减产、山体事故频发、软土区域不断扩大，对房屋建设形成不可控的阻碍，时刻威胁人们的生产生活。具体如图1 所示。

根据图1，完成对地下水环境变化影响的分析与了解。该区的自然环境和温度变化速度较快，地下水资源虽然丰富，但是相关人员并未对其进行处理和管控，导致地下水环境常年处于不稳定的状态，对于周围人们的生活埋下安全隐患。为解决这一问题，采用因子分析—模糊综合法，对该区域的水环境影响进行数值模拟，确保更为直观地观测影响情况，实现多维分析。

3 实验方法及过程

通过上述对该区域地下水环境的简要了解，采用因子分析—模糊综合法先进行初始水样的抽采。测定地下水的存储深度，一般需要设定在2.0～4.5 m之间，选定5 个测定点位，按实际地质条件建立采样结构，抽采的范围距离为1.5 m，针对这5 个不同的单元区域进行地下水样的获取。利用FLAC 模型对不同岩石的地下水进行转换，见表1。

表1 不同岩层地下水FLAC 模型转换

根据表1，完成对不同岩层地下水FLAC 模型的转换处理。随着地下水抽采深度的增加，地下水水压逐渐升高，如图2 所示。

图2 地下水抽采深度对于水压力影响分析

根据图2，完成对地下水抽采深度对于水压力影响的分析和了解。接下来，综合实际的模拟需求和因子分析—模糊综合法，对该位置的水环境影响进行完整性数值模拟。对上述采集的水样进行测验，设计能量平衡方程为：

式中，H 表示物质平衡标准；y 表示测验区域；R 表示单项距离；m 表示积累能量；n 表示可检验能量；t 表示检验次数。

根据上述测定，完成对数值模拟平衡环境的设定。依据物质平衡模拟的需求，测算出水环境对应的物质累计项，公式为：

式中，D 表示物质累计项；β 表示地下水孔隙度；i 表示水环境划分区域；X 表示标定偏差；v 表示质量分数；δ 表示转换累计分数；σ 表示定向饱和度。

根据上述测定，完成对地下水环境数值模拟物质累计项的测算。根据实际的模拟需求及标准的变化，调整对应的模拟累计标准，见表2。

表2 模拟需求量变化指标参数设定

根据表2 完成对模拟需求量变化指标参数的设定，此时营造稳定的水环境模拟条件和动态化处理环境，随即融合因子分析—模糊综合法进行单元模拟边缘框的设置。这部分需要注意的是，为确保最终数值模拟效果的真实性与合理性，需要先对该区域的水环境进行边缘标定，获取相对应的初始还原数值，将水环境下每一个划定单元设定为单阶层的塑造因子，融合模糊综合法，设计离散模拟框架，具体如图3 所示。

图3 模糊综合法下离散数值模拟框架设定

根据图3 完成对模糊综合法下离散数值模拟框架的设定与调整，随后进行水环境影响模拟的多方向分析，并建立数值模拟模型。利用因子分析—模糊综合法，使用正交网格进行地下水环境的定向划分，设置6 个抛分层，采集此时的水环境基础性数值以及信息，并测算出对应的渗透系数，一般为0.020，这部分需要注意的是，在3 个阶段设定的渗透系数均是不同的，可以将其控制在0.02～0.09。

同时，为了提高数值模拟处理和计算速度以及效率，对内部地层环境进行单值合并处理，水平模拟方向范围设定为259 000～358 010 m 之间。将标定位置的水环境进行坐标划分，利用设计的初始数值模拟模型对X，Y 轴方向上各个地层进行单独剖分。

当水环境发生相应的变化时，周围会形成对应的压力，对地质层以及岩石层也会造成影响。为此，综合获取的数据以及信息，测算出水环境压力变化的正交垂向范围，公式为：

式中，B 表示水环境压力变化的正交垂向范围；f 表示过渡距离；ϖ表示垂直方向；e 表示正交处理次数；r 表示垂直堆叠范围；θ 表示地层深度。

根据上述测定，完成对水环境压力变化的正交垂向范围的确定，将其设定在构建的初始数值模拟模型之中，作为模型的虚拟化外延标准。

遵循物质平衡的标准，在合理的范围之内调整模拟需求的变化总量以及单元量，在模型中设定离散数值模拟框架，将获取的数据以及信息填充导入框架之中，形成完整的数值模拟动态模型，进行模型基础数值以及指标的设置，见表3。

表3 模型基础数值设定调整

根据表3 完成对模型基础数值的设定与调整。以此为基础，对设定的数值模拟模型进行调整，并针对标定的地下水环境，分析此时标定点位压裂区域的水压，具体如图4 所示。

图4 地下水标定点位压裂区域水压变动情况

根据图4 完成对地下水标定点位压裂区域水压变动的分析和研究。在测试的过程中，设定具体的测试周期，共12 个周期，每一个周期48 h，经过一个周期的模拟分析之后，定时采集相对应的水环境数据以及信息。分析之后，实现初始的数值模拟。随即以此为基础，利用因子分析—模糊综合法将地下水环境的变动情况设定为一个梯形，针对每一层的数值模拟情况测算出地层的压强值，公式为：

式中，A 表示地层压强值；L 表示平均移动距离；s˜表示偏移距离；ε 表示定向压力值；Q 表示模糊定值；ω表示水力压裂值。

根据上述测定，完成对地层压强值的测算，根据该数值的变动，逐步对最终的结果进行比照分析与研究。

4 实验结果分析

综合上述实验测试，利用因子分析—模糊综合法对选定区域地下水环境变动影响进行数值模拟测定，针对地下水环境的变动，结合实际的测试需求及标准，测算获取最终的测试结果，见表4。

表4 测试结果对比分析

根据表4 完成对最终测试结果的分析与验证研究：针对选定的地下水环境，标定出地下水的流经地层，在不同深度的地层状态分别为白云岩、泥岩以及页岩，通过数值模拟，测算出最终的地层压强的具体数值以及分解信息。可以观测到，随着地层深度的增加，地下水环境会发生一定的改变，在数值模拟背景下，地层压强值逐渐增大；反之，地层深度减少，地下水环境地层压强值逐渐减小，压强控制在120～350 kPa 之间，存在正向的变动关系。

5 结论

依据实验的分析和研究，最终可以得出以下结论：数值模拟分析过程中，随着地层深度的增加，地下水环境会发生一定的改变，地层压强值逐渐增大；反之，地层深度减少，地下水环境地层压强值逐渐减小，对地下水的流动方向以及径流都会发生对应的影响，存在正向的变动关系。

针对不同的工程建设需求以及标准，需对施工区域进行边缘标定，过程中通过获取的地下水环境数值信息，分析地下水的流动情况、流动方向以及流动状态，针对划分的区域进行数值模拟。以此为基础，结合地下水文环境进行深层次的模拟分析，逐步构建更为稳定、多元的模拟结构，确保施工过程中数值的精准度与可靠性，确保工程顺利完成。