基于完全三叉树堆排序的波前扩展有限差分地震波走时快速算法

波前扩展有限差分地震波走时算法具有物理意义明确、因果稳定性强的特点,但每次波前扩展都要寻找波前面上的最小走时点。当计算网格点数较多,特别是涉及到三维走时计算时,寻找波前面上的最小走时点是一项十分耗时的工作。研究发现,波前扩展有限差分地震波走时算法的波前点具有两个突出特点:①波前点更新十分频繁,通常每次取出波前最小走时点后都要插入若干新的波前点;②新计算出的波前点的走时通常比较大。数据结构中的二叉树堆排序方法可以提高寻找波前面上最小走时点的效率,根据特点①,在原始二叉树堆排序方法的基础上,优化了插入新波前点和移除波前面上最小走时点的流程,实际计算结果表明,与原始的二叉树堆排序方法相比,改进后的二叉树堆排序方法可以提高大约20%的计算效率。根据特点②,将原始的二叉树堆排序方法推广到多叉树,实际计算结果表明,完全三叉树堆排序方法优于二叉树和四叉树堆排序方法,可以再提高5%的计算效率。     

地震声波数值模拟中人工边界条件的差别与组合

地震数值模拟中选取的有限计算区域产生的边界反射会干扰正常波场模拟结果,因此引入人工边界条件来降低边界反射的影响。本文针对PML（perfectly matched layer）边界条件的解耦与非解耦差分形式,应用不同空间差分阶数进行地震波场数值模拟。空间差分阶数提高后,非解耦PML差分形式在计算效率和实现方式上均更具优势。针对CE（Clayton Engquist）边界条件受入射波入射角度限制、边界处精度低吸收效果不好等问题,将2阶CE边界条件和PML边界条件组合成一种新的组合边界条件,在保证吸收效果的同时减少衰减带厚度,从而达到提高计算效率的目的。数值模拟结果验证了算法的有效性。     

基于波前重建和李代数积分的地震波走时计算

地震波走时计算在数值模拟、层析反演和偏移成像中均有重要意义。将波前重建与李代数积分相结合,提出了一种新的适应横向变速介质的非对称走时算法,称之为wave-front construction-Lie algebra integral(WFC-LAI)算法。本算法利用一次波前重建计算成像射线走时进行坐标变换,将深度域单平方根算子透镜项转化为常数,在射线坐标系下计算李代数积分和指数映射,得到地震波走时的解析表达式。数值试验表明,该方法计算结果与线性横向变速介质中走时的理论值吻合。通过与波前重建结果对比,WFC-LAI算法对于求取横向变速介质中地震波走时是可行的,节省了存储空间,易于并行,有利于提高Kirchhoff积分叠前深度偏移的精度和效率。     

基于NAD算法的声波方程时间四阶差分解法

波动方程数值模拟是研究地震波传播机理的重要工具,有限差分求解波动方程是当前地震波数值模拟的主要方法之一。当地下介质中的地震波速度较低或地震波高频成分丰富时,常规有限差分技术常常产生严重的数值频散误差,这种误差会降低数值模拟的精度,影响对地震波传播机理的分析。为压制地震波数值模拟时产生的数值频散误差,提高波场模拟精度,提出了基于NAD算子的时间四阶精度波动方程差分格式。根据对应的差分格式,分析了该差分格式的数值频散关系。与常规四阶精度差分算法的频散曲线相比,基于NAD时间四阶精度差分方法不但能够实现时间频散的有效压制,同时其基于更多网格点的位移分量和位移梯度分量空间微分求解方法还能够实现空间频散的有效压制。另外在相同模型条件下,基于NAD算法的声波方程时间四阶差分解法可采用大网格对模拟空间进行差分离散,减少网格数,提高计算效率。     

基于单程波真振幅分步傅里叶叠前深度偏移方法

这里将单程波真振幅方程与分步傅里叶算子（SSF）相结合,同时还结合了保幅算法和分步傅里叶算法的优点,因此该方法具有计算量小,占内存少,能处理横向变化的速度等优点。并且克服了傅里叶有限差分方法偏移后的振幅都有很大的偏差的不足。与目前广泛应用的常规的分步有限差分叠前深度偏移相比,具有成像精度高,保持地震波动力学特征等优点。在Marmousi模型上成功地进行了真振幅分步傅里叠前深度偏移处理,取得了理想的成像效果。     

一种变网格差分的快速行进法

地震波旅行时精度直接影响着地震反演、叠前偏移成像、层析成像等各领域研究成果的可靠性,因此,研究如何提高地震波旅行时精度是很有意义的。在双重网格技术的基础上,引入一种基于变网格差分格式的快速行进法(FMM)计算地震波旅行时,通过正演模拟均匀模型、存在高速异常体模型、Marmousi模型来分析变网格FMM的优势及适用性。研究结果表明:均匀模型背景下,变网格FMM与双重网格FMM优势相当,但是在存在高速异常体模型背景下,双重网格FMM可能违背波前扩展的规律,从而导致较大的误差,而变网格FMM则不存在这样的问题; Marmousi模型试算验证了变网格FMM能适应各种复杂模型。因此,该方法是一种有效提高走时计算精度和效率的方法,不仅增强了FMM法的适用性,而且扩展了变网格技术的应用范围。     

复杂地表起伏多重变加密网格有限差分法波动方程数值模拟

常规变加密网格有限差分波动方程数值模拟方法采用水平分层加密网格,该网格剖分策略在适应地形起伏和近地表速度结构变化特征方面效果较差。针对该问题,提出一种起伏多重变加密网格有限差分波动方程数值模拟方法。该方法根据地形起伏和近地表低速层到高速层的速度分布特征进行网格加密;采用不同网格中的变系数差分格式离散声波方程,在保证波场模拟精度的同时兼顾计算效率;同时,为了进一步保障地表附近波场模拟的精度,地表附近最细网格中的差分格式不做降阶处理,针对位于地表以上的虚像点的波场值,提出一种融入自由地表边界条件的法向虚像外推法。算例分析验证该算法对速度模型不同区域进行的网格多次加密显著提高了计算效率,以黄土塬实际模型为例,耗时为常规1 m×1 m网格耗时的43.3%,并可达到和细网格基本一致的模拟精度,模拟误差控制在10^-12范围内,同时表现出很好的近地表散射压制和边界吸收效果,且算法能稳定地适应实际复杂地表介质。     

基于Hyposat和HypoDD的山东地区地震波一维速度模型

本文收集了2009—2016年山东地区M≥0.1的1 554次地震事件及其走时数据,对该地区地震波一维速度模型进行了研究。首先,使用走时曲线拟合、折合走时曲线分析等方法给出了山东地区地震波一维速度结构模型的初始模型以及参考变化范围;然后,精选55次震相较为丰富的地震事件,用Hyposat方法进行批量重定位,根据残差以及地球物理背景给出P波参考模型,之后对理论波速比加入合理的扰动,对所有P波和S波速度模型组合进行批量地震重定位,根据残差结果极小值获得了最优的P波和S波速度模型;最后,利用多重检验方法对最优模型进行检验,包括天然及非天然地震事件检验、3种定位水平差异检验、4种定位深度差异检验以及乳山和长岛震群的双差定位检验,最终获得了较为可靠的山东地区地震波一维速度模型:vP1=6.13km/s,vP2=6.88km/s,vP3=7.93km/s,H1=22km,H2=33km,vS1=3.54km/s,vS2=3.95km/s,vS3=4.46km/s。另外,本文发现,单纯型等非线性算法的定位结果对于速度模型依赖性较低,反之Geiger类型的线性迭代定位方法则较为依赖速度模型。     

传统和旋转交错网格有限差分在双相介质中的模拟对比

以Biot双相介质模型为背景,笔者推导了双相各向同性介质二维三分量一阶速度——应力弹性波方程方程,建立了各向同性双相介质波动方程的二维三分量有限差分格式。分别采用传统交错网格有限差分技术和旋转交错网格有限差分技术对均匀和非均匀双相各向同性介质进行了波场模拟。结果表明,旋转交错网格有限差分技术能够有效模拟双相各向同性介质中弹性波的传播情况;通过传统和旋转交错网格有限差分技术的对比,说明了旋转交错网格有限差分算法的稳定性更强,避免了插值带来的误差,是一种有效的地震波场模拟方法。     

基于完全三叉树的快速推进法地震波走时计算

快速推进法(简称FMM)在地震波走时计算中有着精度高、效率高的特点,但窄带扩展每次都要寻找最小走时。当网格节点较多时,寻找最小走时非常耗时。在保证精度的前提下,为了提高计算效率,笔者对堆排序的排序方式做了改进,将完全三叉树排序方法引入到快速推进法地震波走时计算中。模型试算结果表明,基于完全三叉树快速推进法计算出的地震波走时与用完全二叉树方法的精度一致,且前者比后者效率提高约10%。     

A generic approach to modelling flexible confined boundary conditions in SPH and its application

In this paper, a new approach to applying confining stress to flexible boundaries in the smoothed particle hydrodynamics (SPH) method is developed to facilitate its applications in geomechanics. Unlike the conventional SPH methods that impose confining boundary conditions by creating extra boundary particles, the proposed approach makes use of kernel truncation properties of SPH approximations that occur naturally at free-surface boundaries. Therefore, it does not require extra boundary particles and, as a consequence, can be utilised to apply confining stresses onto any boundary with arbitrary geometry without the need for tracking the curvature change during the computation. This enables more complicated problems that involve moving confining boundaries, such as confining triaxial tests, to be simulated in SPH without difficulties. To further enhance SPH applications in elasto-plastic computations of geomaterials, a robust numerical procedure to implement Mohr-Coulomb plasticity model in SPH is presented for the first time to avoid difficulties associated with corner singularities in Mohr-Coulomb model. The proposed approach was first validated against two-dimensional finite element (FE) solutions for confining biaxial compression tests to demonstrate its predictive capability at small deformation range when FE solutions are still valid. It is then further extended to three-dimensional conditions and utilised to simulate triaxial compression experiments. Simulation results predicted by SPH show good agreement with experiments, FE solutions, and other numerical results available in the literature. This suggests that the proposed approach of imposing confining stress boundaries is promising and can handle complex problems that involve moving confining boundary conditions.     

Object-oriented implementation of 3D DC adaptive finite-element method

In this paper, we introduced a clear object-oriented framework to implement the complicated adaptive procedure with C ++ programming language. In this framework, it consisted of the unstructured mesh generation, a-posterior error estimating, adaptive strategy, and the postprocessing. Unlike the procedure-oriented framework, which is commonly used in DC resistivity modeling with FORTRAN language, the object-oriented one, which is famous for its characteristic of encapsulation, could be used for a class of problems that would be executed by only making some changes on the user interface. To validate its flexibility, two synthetic DC examples were tested here.     

Automatic analysis of geological structure from dip-strike data

We present a technique to analyze dip-strike data to estimate a geologic structure in a previous study, in which some technical and geological problems are left unsolved. In this study, we have solved some geological problems which are to take the lateral discontinuity of the structure into account and use levels of bedding plane as input data. And also, we tried to extend the technique to more general problems that the structure consists of vertically different geologic units. We show the technique revised and some artificial and actual examples analyzed to check its validity and applicability.     

0-1整数规划在水源地开采井最优布局中的应用研究

新建水源地如何最优布井,对水源地开采运行具有重大影响。本文介绍了0-1整数规划及其求解方法,并结合一个实际问题进行说明。作者应用0-1整数规划方法建立了北京密怀顺平原区拟建水源地最优布井的地下水管理模型,采用响应矩阵法将地下水模拟模型和管理模型相耦合,运用分支-定界法求出最优井位,并将优化井位与原拟定井位的计算结果进行了对比。结果表明,0-1整数规划能很好地解决最优布井问题,对水源地规划、基坑降水、地下水人工回灌等方面都具有一定的指导意义。     

基于土体细观结构重构技术的渗流场数值模拟

真实土体的细观结构由许多个大小不一的土颗粒团组成,传统四参数随机生长法（QSGS）构建的土体结构土颗粒团比较均匀,与实际情况存在较大的差异。为弥补这一缺陷,考虑土体孔隙率及自相关函数的影响,对传统的四参数随机生长法进行改进,实现了更接近于真实土体的细观结构重构。在此基础上基于格子Boltzmann方法,采用D2Q9模型,通过设置模型入口、出口边界为非平衡态外推格式,左右边界及土颗粒边界为标准反弹格式的边界条件,建立了模拟重构土体细观渗流场的二维模型。同时,针对一算例编制了相应的计算程序,研究了恒定流速入渗情况下重构土体的细观渗流场。研究表明：土体的渗流方向优先选择连通性较好孔隙所形成的通道,流速受控于通道整体连通性的优劣。整体贯通型的通道流动速度较快,部分连通的孔隙中其流动速度相对较慢。即使局部孔隙空间较大,其渗流速度仍取决于是否位于贯通型通道上。     

不同子流域划分对流域径流、泥沙、营养物模拟的影响——丰乐河流域个例研究

以丰乐河流域为研究对象,选用SWAT2000模型定量化研究不同子流域划分层次对模型模拟结果的影响,得到结论:①不同的子流域划分层次在阈值范围内对径流过程的影响较小,而对泥沙、营养物的影响较大;②就本流域而言,子流域划分层次对模拟结果的影响存在上限、下限两个阈值,高于上限,出现模拟失真,低于下限,尽管可通过调参获得满意结果,但难以满足流域规划与管理对空间数据的要求,阈值的确定与具体的流域特征有关;③就本流域而言,当子流域划分数量比较少时,出口泥沙响应的敏感性高于总磷、总氮;当子流域划分数量比较多时,出口泥沙响应的敏感性要低于总磷、总氮。     

Genetic Programming Approach for Predicting Surface Subsidence Induced by Mining

INTRODUCTIONThe study of surface subsidence resulting fromunderground mining holds significance in view ofbeneficial effects on national economy and people’sliving conditions.As is known,a large quantity ofminerals need to be exploited for modernization con-struction.Mining leads to surface subsidence,someunderground engineering and production facilities aredestroyed accordingly,which blocks the developmentof production and retards people’s living standard.To solve this contradiction,su…     

Optimization Research of Water-Soil Resources in Huanghua

According to the present situation and problems of land use in Huanghua, this article determines the objectives of optimal allocation of land resources. As the basis of gray linear programming approach, we create gray linear programming model and set decision variables. By constructing the objective function and collection of constraint equations in which the main constraints is water resources, we obtain the program of optimal allocation of land resources under different constraints of water resources. The optimal result is analyzed to the present situation and planning of land use, to study feasibility of the program and the effectiveness in the decision of sustainable use of water -soil resources     

无网格自然单元法在弹塑性分析中的应用

无网格自然单元法在构造位移插值函数时不需要单元的信息,只需要结点的信息,在裂纹扩展模拟、材料非线性分析、几何非线性分析以及三维计算等方面具有广阔的应用前景。阐述了将无网格自然单元法应用于结构弹塑性分析的过程和基本理论,给出了其位移插值函数的构造过程,并将其结果与常规的有限单元法进行对比,证明了该方法用于弹塑性分析的优越性。