地下水回灌堵塞情况的微米尺度读取方法与流程

本发明属于测量方法相关，特别涉及一种读取微米级地下水人工回灌堵塞发生发展情况的测量方法和分析算法。

背景技术：

1、地下水人工回灌，简称为地下水回灌，也称为地下水人工补给，是缓解区域地下水资源短缺的直接工程手段，也是是解决地下水超采造成的地面沉降、海水入侵等环境地质灾害的有效工程手段，可以改善水资源时空分布不均、提高水资源利用率、改善生态环境。地下水回灌工程中的堵塞长期以来严重制约了地下水回灌技术的广泛应用。根据引起堵塞的物质来源不同，通常将堵塞类型划分为物理堵塞、化学堵塞、生物堵塞。地下水人工回灌过程中介质堵塞的形成受到如回灌水头、回灌水质、介质物质组成、回灌工程设施等众多因素的影响。

2、分形这一概念由美国数学家mande l brot于1967年首次提出，其主要描述了英国海岸线的局部复杂性和整体相似性，mande l brot把这种大量复杂的局部个体与共同组成的整体间所呈现出来的相似性称为分形。随着研究的深入，mande l brot于8年后的1975年创立了定量化的分形几何学，后来的科研工作者们基于已有的分形概念和学说逐渐形成了大量的分形相关研究成果和完备的分形应用科学体系，这些相关研究被统称为分形理论。相比欧几里得式的规则几何，分形理论可以描述自然界中普遍存在的非规则性高复杂度图形。分形理论被广泛应用于多孔介质或岩石内部空隙形状的成像判读和分析研究中。

3、地下水人工回灌过程中的介质堵塞发生发展过程，所产生的直接影响以及直接的物理表现即为介质内部孔隙的变化，所以实现对孔隙变化过程的读取，就可以获得堵塞情况的变化过程。以往多通过物理实验平台的搭建和运行，来读取渗透系数等参数以表征一定空间范围内的介质孔隙变化情况，但是实验数据的尺度局限在cm级到m级。实现对于地下水回灌堵塞情况的μm级高精度读取，有助于拓展地下水回灌堵塞的研究视野。

技术实现思路

1、本发明目的是针对地下水人工回灌的堵塞情况的观测精度局限于cm尺度以上，提出一种基于ct扫描技术、分形理论以及mk检验法应用的μm尺度地下水回灌堵塞情况读取方法。

2、本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

3、地下水回灌堵塞情况的微米尺度读取方法，包括以下步骤：

4、步骤一，使用ct扫描获取介质的微米级分辨率切片成像；

5、步骤二，使用计盒维数法计算切片的二维分形维数，并将二维分形维数当做此切片所处介质空间范围的特征参数；

6、步骤三，使用mann-kenda l l秩次相关检验法对分形维数进行趋势分析，分析分形维数的变化规律以及突变点；

7、步骤四，通过不同介质空间范围的变化趋势统计量来分析堵塞的发生发展情况。

8、本发明的进一步技术：

9、优选的，将图像与介质空间对应即可获得不同空间范围的二维分形维数，二维分形维数的计算具体为：

10、

11、式中，ε为填充平面孔隙面积的正方形平面的边长，n为充满孔隙面积所需的正方形数量，二维平面中孔隙的分形维数取值范围是1.0～2.0。

12、优选的，mk检验的原理是：通过计算平稳水文时序数据的全部对偶值(xi，xj)(j>i)中xi<xj出现的个数，如果按序列的后一个值全部比前一个值大，可以得出其具有上升的趋势，反之，则可认为序列呈下降趋势，由此构造统计量计算式如下：

13、

14、式中

15、

16、var(τ)为方差，τ为服从正态分布的统计变量，w为秩次相同个数，p为出现相同秩次的组数；

17、若u值大于零，则序列趋势为上升，否则，序列呈现下降趋势，同时，随着w值的不断增大，u值逐渐趋于服从标准正态分布。

18、本发明的有益效果是：

19、本发明包含能够表征ct扫描切片图像平面孔隙空间特征的分形理论应用和二维分形维数算法，并应用mk检验法统计二维分形维数随介质空间位置的变化而产生的变化趋势，进而分析地下水回灌堵塞的发生发展情况。相比于现有的地下水回灌堵塞试验观测方法，能够将介质堵塞情况的提取精度从cm尺度提高到μm尺度。

技术特征：

1.地下水回灌堵塞情况的微米尺度读取方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的地下水回灌堵塞情况的微米尺度读取方法，其特征在于，将图像与介质空间对应即可获得不同空间范围的二维分形维数，二维分形维数的计算具体为：

3.根据权利要求1所述的地下水回灌堵塞情况的微米尺度读取方法，其特征在于，mk检验的原理是：通过计算平稳水文时序数据的全部对偶值(xi，xj)(j>i)中xi<xj出现的个数，如果按序列的后一个值全部比前一个值大，可以得出其具有上升的趋势，反之，则可认为序列呈下降趋势，由此构造统计量计算式如下：

技术总结本发明提供地下水回灌堵塞情况的微米尺度读取方法，使用CT扫描获取介质的微米级分辨率切片成像；使用计盒维数法计算切片的二维分形维数，并将二维分形维数当做此切片所处介质空间范围的特征参数；使用Mann‑Kendall秩次相关检验法对分形维数进行趋势分析，分析分形维数的变化规律以及突变点；通过不同介质空间范围的变化趋势统计量来分析堵塞的发生发展情况。本发明包含能够表征CT扫描切片图像平面孔隙空间特征的分形理论应用和二维分形维数算法，并应用MK检验法统计二维分形维数随介质空间位置的变化而产生的变化趋势，进而分析地下水回灌堵塞的发生发展情况。相比于现有的地下水回灌堵塞试验观测方法，能够将介质堵塞情况的提取精度从cm尺度提高到μm尺度。技术研发人员：王诏楷,夏小林,刘旦旦,张世杰,龙昶宇,赵黎明,张卫,汪慧芳,陈康祚,朱昊宇,王浩宇,彭栋受保护的技术使用者：安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院（安徽省水利工程质量检测中心站）技术研发日：技术公布日：2024/12/2