随机水文地质计算问题探讨

本文着重论述了随机水文地质计算中三个主要方面的问题。初步探索了地下水运移随机机理,分析水文地质计算中存在的某些亟待解决的问题,认为随机方法用于水文地质计算可行且必要,讨论了针对水文地质数据特点,建立地下水动态随机模型,进行模拟和预报,尝试性地用随机方法计算复杂边界情况下的水文地质参数。并给出它们的计算实例。最后,简要指出水文地质计算中随机模型应用持点和发展趋势。     

地下水模型的Neumann展开Monte-Carlo随机有限元法

讨论了求解地下水模型(水流模型和水质模型)的Neumann展开Monte-Carlo随机有限元法。从基本的随机变量入手,避免了过程中随机变量的增多问题,给出结点水头(浓度)的均值、方差和水头在某区间的概率计算方法;改进了矩阵求逆的效率,对输入随机变量较多、随机变量变异较大的非稳定地下水问题特别有效。同时选取二维承压地下水水流问题(有解析解)作为例子,进行了随机数值模拟实验。      

水文随机模拟进展

综述了近20年来水文随机模拟的新进展,包括三方面:①随机水文模型改进和创新;②水文随机模拟应用研究新进展;③水文随机模拟认识新进展。并指出了今后的研究重点:①对水文过程的重要物理特性和统计特性作深入的分析;②加强非参数模型和非线性模型的研究;③加强流域系统随机模型的研究;④加强建立模型时如何综合利用多种信息的研究;⑤加强模型的各种检验和合理分析。     

平顶山矿区岩溶水系统水-岩相互作用的随机水文地球化学模拟

在前期工作的基础上,基于新的（补充）采集的地下水化学样品的分析数据,以ＷＡＴＥＱ４Ｆ模型为基础,应用本次研究中开发的耦合的ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ－ＷＡＴＥＱ４Ｆ模型,对平顶山矿区地下水系统中水－岩反应状态进行了随机水文地球化学模拟和评价。结果表明：随机水文地球化学模拟方法具有很好的实用性和应用性和应用前景;在模拟研究区内地下水相对于方解石、、白云石、威武央过饱和,而与玉髓处于平衡状态。这些结果为该区     

基于随机配点法的地下水污染风险评价

地下水污染事件难以被直接观测,其发生环境通常也具有多种不确定性,风险评价可以量化地下水污染事件的危害性。利用随机配点模型和多项式抽样技术,建立了高效的风险评价模型;考虑了渗透系数、孔隙率和弥散度等多种不确定性因子,探讨了复杂条件下的风险函数的分布特征。研究结果表明:基于随机配点法的风险评价模型避免了多次重复求解对流弥散方程,通过计算成本低廉的随机配点技术得到浓度随机场的拉格朗日多项式,进行多项式抽样获取浓度样本并得到风险函数;与传统的解析算法相比,该方法无需对输入参数和浓度的分布形态做出假设;与传统的蒙特卡罗(Monte Carlo)算法相比,该模型具有明显的效率优势和优越的收敛速度;输入参数的分布类型对风险分布产生显著影响。     

随机输入情况下汇流计算方法的探讨

大量的实测资料表明,在汇流过程中存在着许多难以预料和控制的不确定性因素。为了更合理的描述汇流过程,建模时应用随机微分方程替代确定性常微分方程。初步探讨了有白噪声输入情况下的线性随机汇流系统,在获得初始条件的随机特性后可以得到汇流模型的解析解和数值解,计算实例表明,在汇流模型建模中引进随机微分方程理论值得深入研究。     

水文地质计算中随机模型应用特点

本文初步分析了水文地质计算中应用随机模型的特点及注意事项。结合水文地质工作实际情况,介绍了根据动态数据进行随机模拟、推求参数的方法和体会,并给出了计算实例。     

基于随机森林法的弥河-潍河流域地下水质量评价研究

准确掌握地下水的环境质量状况是合理确定地下水资源开发策略和有效进行地下水资源保护的重要前提。通过随机森林（random forest）法构建弥河-潍河流域地下水质量评价模型,结果表明：（1）随机森林法在进行地下水水质分类时具有分类精度高、泛化能力强等特点,且在进行超参数优化后,其分类精度会进一步提高,证明将随机森林法应用于地下水质量评价是可行的,并且其综合性能要优于逻辑回归模型;（2）研究区地下水水样均为Ⅳ类和Ⅴ类水,说明水质状况整体较差;（3）通过分类指标重要性评价可以看出,研究区地下水水质的主要影响指标为硝酸盐、总硬度和溶解性总固体,而此类指标的主要来源是蔬菜种植化肥的不合理使用及河流污染入渗,因此要进一步加强对蔬菜种植污染排放及河流水质的监测和控制。     

基于随机理论的Nash汇流模型初探

在Nash模型中引入随机微分方程理论,分别假定模型具有随机输入和随机参数的情况,对汇流过程的随机性进行了分析和探讨,并将随机汇流模型应用到沿渡河流域,取得了满意的效果.在Nash模型中引入随机理论,不仅可以给出汇流系统输出的数学期望,而且可以同时给出输出的均方差.这样就能够正确地反映出随机性因素对汇流过程的影响.     

河流污染带的随机模拟方法

根据随机理论，推导了一个描述污染带变化的概率模型，并采用Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ抽样法对其求数值解。该随机模型的解是一个随机物，实例计算表明，它的解能够反映任一计算点的浓度变化趋势及范围，并能够给浓度等值线附加上概率的意义，表现了在不确定因素的影响下，污染带随机变化的情况。     

基于随机理论的地下水环境风险评价

针对确定性模型难以描述含水层非均质空间分布的问题,提出基于随机理论的地下水环境风险评价方法。以矩形场地地下水污染风险评价为例,采用蒙特卡罗法生成大量渗透系数随机场,模拟含水层参数各种可能的非均质空间分布,在此基础上建立场地地下水流模型与溶质运移模型,分别计算污染物在地下水中的迁移转化情况。统计大量随机模拟中污染事故发生的频率,当模拟次数足够多时,污染频率收敛于污染概率,污染风险即通过污染概率体现出来。该方法将模型参数设为满足一定分布特征的随机变量,避免了确定性方法得出的武断的评价结果,可为工厂的选址、水源地的选址等工作提供科学指导。     

基于随机介质理论的抽水地表变形时空耦合预测模型

抽取地下水引起的地表变形对地面建(构)筑物的正常使用和结构安全构成了严重威胁。深入研究抽水地表变形预测理论对于沉降灾害防治具有重要意义。由于土体模型选择和土工参数测定上的困难,基于比奥固结理论的数值求解方法在计算抽水地表变形上尚未取得理想效果。文章将随机介质理论与一维固结理论结合,建立了新的抽水地表变形时空预测模型。首先,利用一维固结微分方程,建立反映地面沉降时间效应的半经验计算模型;其次,在分析抽水地面沉降空间分布规律的基础上,利用随机介质理论研究抽水地面沉降空间分布特征;再次,综合考虑抽水地面沉降的时间效应和空间分布形态,建立抽水地面沉降的时空耦合预测模型及抽水地表倾斜、水平移动、水平变形、曲率的时空计算模型。利用这些模型计算地表变形共需5个计算参数,介绍了参数求解方法。最后,利用上述时空耦合计算模型预测某地单井抽水引起地表变形的时空规律。研究表明,所建立的抽水地表变形预测模型能准确地反映抽水地表变形的时空规律,能方便、快捷地预测地下水开采引起的地表变形。     

含水层和土壤的随机特征对水分运动的影响

将土壤或含水层的介质参数视为随机分布,建立了饱和非饱和水流运动的随机微分方程,利用随机数值求解方法,得到各种随机参数对水头分布和含水量空间变异性的影响。分析结果表明,随着渗透系数空间变异性和相关尺度的增大,含水层水头分布的变异性增大;对于区域内有抽水井分布的问题,在井点附近区域,z向水流速度空间变异性大,而在井点处变异性较小。当采用Gardner-Russo模型描述非饱和水分特征时,其非饱和土壤介质参数α的变异性对土壤负压和含水量变异性的影响大于饱和渗透系数,土壤含水量越小,含水量的空间变异性越大。初步讨论了根据随机数值方法研究地下水运动问题的可靠性分析方法。     

地下水动态观测网优化设计研究

本文采用状态空间分析法,通过对地下水流系统输入变量、输出变量及地下水动态测量值的研究,提出了地下水流系统确定一随机性数值模型。运用该模型的模拟解,进行地下水动态观测网优化设计。该方法把地下水动态观测网密度、位置及观测频率优化与地下水流系统结合起来研究。为了克服该模型计算量大的缺陷,本文提出了一种改进算法,使这一观测网优化方法适于在微机上实现,减少了计算工作量。该方法曾用于陕西某地区地下水位动态观测网的优化设计,取得了显著经济效益。     

基于三维随机水文地质结构模型的地下水流数值模拟: 以西辽河平原为例

为了探究水文地质结构对地下水流数值模拟的不确定性,可以运用随机模拟建立地下水位的预测模型。根据转移概率地质统计方法模拟多孔介质岩性分布,利用非线性规划的思路计算岩性与水文地质参数之间的关系,从而建立相对精确的随机水文地质参数场。将不同的水文地质参数场运用到MODFLOW中,得到不同的随机模拟结果。通过比较随机模型和确定模型的末流场拟合情况以及水位动态拟合图,发现确定模型和随机模型具有相似趋势,都能与实测流场拟合较好,但是随机模型更能体现真实的水文地质特征。对随机模型预测10年后的地下水水位做不确定性分析,得到水位平均变幅介于-5～5 m之间,且95%置信度水位变幅的平均上限线约为0.146 m。研究结果为决策者提供科学依据。     

Numerical study of soil heterogeneity effects on contaminant transport in unsaturated soil (model development and validation)

The movement of chemicals through soil to groundwater is a major cause of degradation of water resources. In many cases, serious human and stock health implications are associated with this form of pollution. The study of the effects of different factors involved in transport phenomena can provide valuable information to find the best remediation approaches. Numerical models are increasingly being used for predicting or analyzing solute transport processes in soils and groundwater. This article presents the development of a stochastic finite element model for the simulation of contaminant transport through soils with the main focus being on the incorporation of the effects of soil heterogeneity in the model. The governing equations of contaminant transport are presented. The mathematical framework and the numerical implementation of the model are described. The comparison of the results obtained from the developed stochastic model with those obtained from a deterministic method and some experimental results shows that the stochastic model is capable of predicting the transport of solutes in unsaturated soil with higher accuracy than deterministic one. The importance of the consideration of the effects of soil heterogeneity on contaminant fate is highlighted through a sensitivity analysis regarding the variance of saturated hydraulic conductivity as an index of soil heterogeneity. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

利用趋势化随机参数场的地下水流数值模拟优化方法

水文地质参数场的刻画是建立地下水流数值模拟模型的关键问题和难点问题。通常来讲,参数场合理性程度越高,模型拟合精度越高。本次研究将随机方法和参数空间分布表达进行结合,提出了趋势化随机参数场的构建方法。以渗透系数为研究对象,首先利用MCMC采样和样本数据特征确定水文地质参数的基本数据结构,进而根据样本空间分布特征对其进行趋势化处理,最终形成趋势化的渗透系数场。通过算例分析,利用趋势化处理后的渗透系数场能够大幅提高模拟精度,相比传统赋均值方法其误差可降至原来的1/3。在北京大兴跌隆起地区进行的实例应用说明,趋势化渗透系数场对提升岩性粒径较大(中砂以上)地区模拟精度效果显著,案例中粗砂区域渗透系数经趋势化处理后平均拟合误差由2.76 m下降至0.64 m;而对岩性以细砂及以下粒径为主的区域模拟精度提升并不明显。总体来说,该方法可为地下水流数值模型的优化提供借鉴,提升模型拟合精度,从而更加合理地刻画地下水流系统。     

土方开挖粘塑性模糊随机损伤机理研究

以基坑工程为例分析了开挖损伤演变的模糊随机性并建立了广义非确定性空间O：Б（s,f）。提出了初始损伤有效张量的概念模型,在“损伤源汇”概念基础上提出了模糊衰减模型,构造了粘塑性模糊随机损伤增量方程并实现了基坑开挖过程的模糊随机损伤模拟。在线性算子基础上提出了模糊随机损伤矢量极限值{Ωu},进而建立了以损伤有效张量为基础的粘塑性模糊随机损伤本构模型及粘塑性非线性模糊随机数值方法。在粘塑性模糊随机损伤有限元基础上建立了粘塑性模糊随机损伤变化率方程,实现了对基坑开挖过程中模糊随机损伤演变发展的全面模拟,完成了模糊随机卸荷损伤模型的构建。