水文学方法的演进与诠释

基于水文学的定义和内涵,应用描述性-解释性-人本性的思想方法,从问题、学科、方法3个维度入手,总结出水文科学发展演进的3条主线,剖析了各条主线不同阶段之间的辨证关系,并认为:体现上述3个维度的3条主线相互交叉,在研究对象、科学认知、方法手段和技术平台层面会形成水文学科新的生长点.针对地球水圈系统复杂多变的态势,加之水文学理论的发展曾受到方法的分割和不同方法之间互不交流的妨碍,诠释了水文学中的经验性方法与理论性公式之间的关系,并着重解读了确定性方法与随机性途径之间对立统一的相容性,最后阐述了背景环境变化和不确定性干扰情形下采取各种不同思维方式的"组合"来研究水文循环路径/过程"组合"的重要性.     

基于贝叶斯理论的水文不确定性分析研究进展

水文过程受众多自然和人为因素影响,决定了其变化的极端复杂性,表现为确定性的动态规律与不确定性的统计规律共存。水文不确定性分析的理论和方法在认识水文规律中发挥着重要作用,其中贝叶斯作为一种主要理论方法在水文水资源相关问题的研究中得到了较广泛的应用。本文评述了贝叶斯理论在水文频率分析、水文预报、确定性和不确定性方法耦合等研究中的进展,对基于贝叶斯理论的水文不确定性重点研究内容进行了展望。     

社会水文学研究进展

为了推动新兴学科——社会水文学的发展及其在流域水资源管理中的应用,有必要对有关社会水文学的研究工作进行阶段性总结,并对未来的研究方向进行展望。回顾了水文学的发展历程,理解社会水文学产生的背景,阐述社会水文学的概念及其内涵;辨析其与传统水文学、生态水文学和水文经济学等学科在研究内容、方法和理论等方面的异同点;介绍社会水文学的研究进展:本阶段着重于制度、政策和文化等社会因子在水文研究中的表达以及流域示范研究的开展,但大多数研究仍基于传统水文学背景、共进化背景或者水资源管理背景,社会水文学的理论和方法还不够成熟。未来应从以下方面加强社会水文学研究:① 深入开展社会水文学社会部分的定量研究、综合历史分析和水文重建方法、充分利用现有不同流域案例促进过程社会水文学、历史社会水文学和比较社会水文学研究;② 开展社会水文系统社会驱动力的研究,探寻社会水文学的动力机制;③ 引入非线性动力学理论刻画人-水耦合系统的复杂反馈机制,提高社会水文学的普适化数学表述;④ 积极推进“大数据”和知识挖掘技术在社会水文学研究中的应用。     

在砂土液化的危险性评价中确定性与不确定性方法的应用研究

地震导致的砂土液化具有很大的随机性。据此 ,提出了评价砂土液化危险性的确定性与不确定性两种方法。确定性方法是以液化指数为变量的多因子判别分析方法 ,不确定性方法是概率分析法 ,即用概率密度函数判断砂土液化灾害的期望损失值。     

无资料地区水文模型参数移植不确定性分析

无资料地区降水径流模拟是水文学研究的国际前沿和热点问题。水文模型参数移植是无资料地区降水径流模拟的重要方法,对径流模拟精度具有重要的影响。利用核密度估计和蒙特卡罗随机模拟等方法,构建了一种水文模型参数移植误差驱动的无资料地区径流模拟不确定性定量评估框架。以广西壮族自治区42个有水文监测站点的典型中小河流为研究对象,率定新安江模型参数并模拟日径流和洪水过程,将42个典型流域依次假定为无资料流域,利用基于回归分析、相似流域和机器学习的参数移植方法,模拟无资料地区的洪水过程并识别最优的参数移植方法,分析移植法估算的模型参数值和直接率定值相比误差的概率分布特征,定量评估模型参数移植误差带来的径流模拟不确定性。研究结果表明：(1)基于回归分析的参数移植法模拟无资料地区洪水过程的精度优于相似流域法,优选的机器学习算法比传统回归分析法和相似流域法的计算精度提高了7%～15%;(2)与模型参数率定值相比,移植方法计算的模型参数具有一定的误差,对洪水模拟敏感参数的误差小于不敏感参数;(3)受模型参数移植误差的影响,利用蒙特卡罗法随机模拟的洪水过程具有一定的不确定性,洪量和洪峰相对误差的主要区间分别为10...     

国际水文科学研究的新进展

在介绍第七届国际水文科学大会关注热点问题的基础上，总结了近4年来国际水文科学研究的新进展，主要包括：无资料流域水文预测，不确定性、非线性和尺度问题，生态水文学，水文模型及资料获取与参数识别，气候变化的水文响应，水资源可持续利用，城市水文水资源，同位素技术和遥感技术在水文学中应用；提出未来水文学研究的展望。     

水文集合预报试验及其研究进展

水文集合预报是一种既可以给出确定性预报值,又能提供预报值的不确定性信息的概率预报方法。简述了水文集合预报试验(Hydrologic Ensemble Prediction Experiment,HEPEX)国际计划的主要研究内容,回顾了HEPEX研究进展,分析了对水文预报发展有重要意义的3个HEPEX前沿研究:降尺度研究、集合预报系统研究以及不确定性研究。研究表明,动力-统计降尺度法和高分辨率"单一"模式及低分辨率集合相结合是HEPEX未来研究的方向。     

水稳定同位素示踪的冰川流域水文模拟及不确定性研究

水文模拟不确定性长期以来是制约寒区水文发展的瓶颈问题。水稳定同位素示踪为认识冰川流域径流过程提供了重要“指纹”信息,但仍缺乏有效模型将该信息与冰川水文模型耦合,而且同位素信息对冰川流域水文模型不确定性的约束效果也有待检验。将水稳定同位素信息（δ¹⁸O）与冰川流域水文模型FLEX^G相耦合,实现对冰川流域水稳定同位素和径流过程的耦合建模（FLEX^G-iso）,并在乌鲁木齐河源1号冰川流域进行模拟检验和径流分割。结果表明：模型不仅对2013—2016年径流过程有良好的模拟效果,还可以重现水稳定同位素、冰川物质平衡等重要过程。利用水稳定同位素这一辅助数据,提高了模型参数的识别能力,减少了模拟过程中各水源的相互妥协效应和不确定性范围。2013—2016年1号冰川断面径流32%~34%来自融雪,48%~51%来自融冰,0%~7%来自地下水,12%~15%来自降雨径流。水稳定同位素对雪和冰川相关中间过程有明显的约束能力,原有模型对融冰贡献的模拟偏高约7%。FLEX^G-iso模型的建立有助于推动寒区水文学理论和方法的发展,以及寒区水资源、生态环境保护等相关决策制定。     

水文相似概念与理论发展探析

目前,工程水文领域面临诸多问题有待解决,例如怎样合理地将现有水文观测成果外推至无资料流域,这也成为国际水文科学协会"无测站流域水文预测计划(PUB)"所遭遇的理论瓶颈。一个可行的方法就是依据流域结构特征构建水文相似因子,并对流域进行分类,在相似框架下完成观测成果向无(缺)测站流域的转化。分析发现,水文学缺乏类似于水力学、化学和生物学的分类与相似理论体系。通过对不同学科相似理论的回顾,定义了水文相似的概念,给出了构成流域水文相似的三要素,即驱动力、结构和水动力要素。最后,讨论了可用于水文相似研究的两类方法:数理解析法和量纲分析法,并给出了其用于实际流域水文相似研究时存在的问题及解决途径。     

湿地生态水文学研究综述

基于湿地生态水文研究文献计量分析,透视国内外有关湿地水文、生态水文和水资源等领域的重大研究计划和重要学术会议,系统总结了湿地生态水文学发展历程,可分为萌芽起步阶段（20世纪50年代至80年代）、研究探索阶段（20世纪90年代）和快速发展阶段（21世纪以后）3个阶段,列举了重要代表性研究成果,并重点阐述了湿地生态水文学研究进展;基于对国际湿地生态水文学发展历程、研究进展及热点的综合分析,未来湿地生态水文学研究主要向基于"多要素、多过程、多尺度"的湿地生态水文相互作用机理及耦合机制、气候变化对湿地生态水文的影响机理及适应性调控、湿地"水文-生态-社会"耦合系统互作机理及互馈机制和基于湿地生态需水与水文服务的流域水资源综合管理等方向发展。最后,以国家重大需求为导向,提出了未来中国湿地生态水文学优先发展方向及建议。     

Sarma‐based key‐group method for rock slope reliability analyses

The methods used in conducting static stability analyses have remained pertinent to this day for reasons of both simplicity and speed of execution. The most well‐known of these methods for purposes of stability analysis of fractured rock masses is the key‐block method (KBM). This paper proposes an extension to the KBM, called the ‘key‐group method’ (KGM), which combines not only individual key‐blocks but also groups of collapsable blocks into an iterative and progressive analysis of the stability of discontinuous rock slopes. To take intra‐group forces into account, the Sarma method has been implemented within the KGM in order to generate a Sarma‐based KGM, abbreviated ‘SKGM’. We will discuss herein the hypothesis behind this new method, details regarding its implementation, and validation through comparison with results obtained from the distinct element method. Furthermore, as an alternative to deterministic methods, reliability analyses or probabilistic analyses have been proposed to take account of the uncertainty in analytical parameters and models. The FOSM and ASM probabilistic methods could be implemented within the KGM and SKGM framework in order to take account of the uncertainty due to physical and mechanical data (density, cohesion and angle of friction). We will then show how such reliability analyses can be introduced into SKGM to give rise to the probabilistic SKGM (PSKGM) and how it can be used for rock slope reliability analyses. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于随机模拟技术和局部奇异性理论的地球化学异常不确定性分析

地球化学异常通常是直接按某个阈值将整个研究区划分为高异常区或低异常区,这可能导致一些重要异常信息的丢失或决策判断失误。从统计学角度分析,推断未采样点处可能取得结果的概率,或者刻画估计值大于或小于某一地球化学异常阈值的概率分布,更符合勘查地球化学找矿活动的实际需要。针对确定性地球化学场建模方法的局限性,本研究通过集成地统计随机模拟和局部奇异性理论实现地球化学异常识别及其不确定性度量。通过奇异性指数-分位数分析,刻画奇异性指数在频率域中的分布模式,实现地球化学异常阈值分割。采用局部不确定性和空间不确定性算法模拟地球化学异常不确定性传播过程,并以新疆西天山地区为研究区,开展铜异常识别及其不确定性评价应用研究。     

基于联系累积前景理论的基坑支护方案决策

基坑支护方案决策受决策者的风险态度和指标的随机模糊性影响与控制,是一个复杂的不确定性决策难题。应用联系数与累积前景理论的耦合方法,探讨了基坑支护方案的联系累积前景理论优选新模型,即首先基于原始规范化的决策信息确定正、负理想方案,再基于联系数理论定量统一描述待选方案与正、负理想方案间的确定和不确定关系,以构建基于联系前景效用价值函数的综合决策模型,并求解最优的权向量,确定合理的基坑支护方案。实例应用和与其他方法结果对比表明,文中方法应用于基坑支护方案优选是有效可行的,且能定量表达待选方案与理想方案间的联系和转化态势,避免了基坑支护方案决策过程的非理性。     

基于有机污染物扩散的复合衬垫厚度的概率设计

有机污染物在复合衬垫中的运移以扩散方式为主。目前关于运移参数不确定性及其对衬垫性能影响的研究还不多,复合衬垫厚度的设计也没有考虑不确定性的影响。总结了运移参数已有的成果,采用蒙特卡罗法研究了半无限条件下运移参数的变异性对衬垫底部污染物质量浓度和通量的影响,并对衬垫厚度进行了设计。研究表明:土工膜中有机污染物的分配系数和扩散系数的变异性对质量浓度和通量的影响可以忽略,而土中有机污染物的扩散系数和阻滞系数的变异性对其影响则非常显著。确定性方法计算的结果偏于危险,有必要加强对土中有机污染物的扩散系数和阻滞系数概率特性的研究。以甲苯为例进行黏土衬垫厚度设计,结果表明:概率计算方法得到的黏土衬垫厚度约为确定性方法的1.71~1.81倍,采用概率方法进行衬垫设计更合理。     

Development of a probabilistic approach for rock wedge failure

For rock slope engineering, uncertainty and variability are inherent in data collected on orientation and strength of discontinuities, yielding a range of results. Unfortunately, conventional deterministic analysis based on the factor of safety concept, requires a fixed representative value for each parameter without regard to the degree of uncertainty involved. Therefore, the deterministic analysis fails to properly represent uncertainty and variability, so common in engineering geology studies. To overcome this shortcoming, the probabilistic analysis method was proposed and used for more than a decade in rock slope stability analysis. However, most probabilistic analyses included a deterministic model as part of the analysis procedure causing subsequent problems, which went uncorrected. The objectives of this paper are to develop a solution for these difficulties in probabilistic analyses and to propose an appropriate simulation procedure for the probabilistic analysis of rock wedge failures. As part of the solution, probability of kinematic instability and probability of kinetic instability are evaluated separately to provide a proper, combined evaluation for failure probability. To evaluate the feasibility of this new probabilistic approach, the procedure is applied to a practical example, a major, highway rock cut in North Carolina, USA. Results of the probabilistic approach are compared to those of the deterministic analysis; findings are significantly different, indicating that the deterministic analysis does not depict rock slope variations, particularly where significant scatter in parameter data occurs.     

Sensitivity and uncertainty analyses for performance assessment modeling

Sensitivity and uncertainty analyses methods for computer models are being applied in performance assessment modeling in the geologic high-level radioactive-waste repository program. The models used in performance assessment tend to be complex physical/chemical models with large numbers of input variables. There are two basic approaches to sensitivity and uncertainty analyses: deterministic and statistical. The deterministic approach to sensitivity analysis involves numerical calculation or employs the adjoint form of a partial differential equation to compute partial derivatives; the uncertainty analysis is based on Taylor series expansions of the input variables propagated through the model to compute means and variances of the output variable. The statistical approach to sensitivity analysis involves a response surface approximation to the model with the sensitivity coefficients calculated from the response surface parameters; the uncertainty analysis is based on simulation. The methods each have strengths and weaknesses.     

地震作用下边坡随机动力分析方法的若干进展

不确定性问题是边坡工程抗震设计所面临的巨大挑战。为此, 本文综述了近年来在边坡随机动力分析方法方面的相关研究, 并探讨了此类分析方法在边坡工程抗震设计中的应用前景。首先, 回顾了在边坡动力稳定性方面的已有研究成果, 分析了边坡工程中所涉及的不确定性问题。其次, 总结了边坡随机动力分析的流程, 引入了一种基于概率密度演化的边坡随机动力分析框架。然后重点介绍了随机动力分析中的地震动不确定性, 通过典型台站实测资料说明了地震动不确定性的存在性, 介绍了基于场地特征的随机地震动模型。在此基础上, 阐述了边坡随机动力分析的具体内容, 主要包括:(1)边坡随机动力响应分析; (2)边坡动力可靠度分析; (3)边坡地震易损性分析; (4)边坡动力失稳及风险评估; (5)边坡抗震性能优化设计等。最后, 回顾了边坡随机动力分析方法的若干进展, 分析了所取得的成果并进行了展望。总的来说, 边坡随机动力分析将确定性分析拓展到了基于完备概率集的不确定性分析, 为边坡工程抗震设计提供了一定的理论参考, 但在随机地震动模拟、多随机因素耦合、支护结构优化设计等方面仍需进一步完善。     

节理岩体力学性能不确定性分析方法研究

基于连续介质损伤力学框架,通过损伤张量和有效应力来描述节理岩体的力学性能,自主研发了基于损伤力学模型的有限元程序（CD-FEM）,用于节理岩体等效力学性能研究。同时,采用Karhunen-Loeve（K-L）展开来分解随机输入场,用混沌多项式来表示随机输出场,采用概率配点法生成配点,再由连续损伤有限元分析系统CD-FEM求解确定性方程组,最终得到输出域的统计数据,从而提出了一种将随机分析与基于连续损伤力学模型的数值分析方法解耦进行节理岩体不确定性力学行为分析的方法。利用该方法,对一典型节理岩体在加载条件下的力学行为进行不确定性分析,并与蒙特卡罗方法进行对比,结果表明,所提方法的计算量大大减少,极大地提高了节理岩体力学性能不确定性分析的效率,可应用于对节理岩体在不同载荷条件下的不确定性进行分析。     

An Application of Bayesian Inverse Methods to Vertical Deconvolution of Hydraulic Conductivity in a Heterogeneous Aquifer at Oak Ridge National Laboratory

A Bayesian inverse method is applied to two electromagnetic flowmeter tests conducted in fractured weathered shale at Oak Ridge National Laboratory. Traditional deconvolution of flowmeter tests is also performed using a deterministic first-difference approach; furthermore, ordinary kriging was applied on the first-difference results to provide an additional method yielding the best estimate and confidence intervals. Depth-averaged bulk hydraulic conductivity information was available from previous testing. The three methods deconvolute the vertical profile of lateral hydraulic conductivity. A linear generalized covariance function combined with a zoning approach was used to describe structure. Nonnegativity was enforced by using a power transformation. Data screening prior to calculations was critical to obtaining reasonable results, and the quantified uncertainty estimates obtained by the inverse method led to the discovery of questionable data at the end of the process. The best estimates obtained using the inverse method and kriging compared favorably with first-difference confirmatory calculations, and all three methods were consistent with the geology at the site.