基于联系数和马尔可夫链耦合的山东省旱情动态预测评价

为增强区域旱情预测评价模型的合理性、可解释性和预测评价结果的准确性,以山东省1972-2001年旱情历史序列作为评价样本,选取水库蓄水量距平百分率、地下水埋深、土壤含水量和降水量距平百分率4个旱情评价指标,采用基于加速遗传算法的模糊层次分析法确定评价指标权重,通过计算评价样本的指标数联系数、指标值联系数并利用最小相对熵原理得到样本的平均联系数,由属性识别法确定了各年份的旱情等级,建立了基于集对分析五元联系数和马尔可夫链耦合的区域旱情动态预测评价模型(简称CNMC模型),将CNMC模型应用于山东省2000、2001年旱情等级动态预测评价中,判定山东省旱情等级,将该模型确定的旱情等级与属性识别法评价结果进行对比分析。结果表明:采用CNMC模型得到的旱情等级计算值与属性识别法的评价结果一致,可发现CNMC模型中由集对分析法确定的权重值较自相关系数法确定的权重值分布均匀,克服了自相关系数法的计算不稳定性;以联系数分量为基础的属性识别法克服了直接将指标数值与评价标准匹配得到的马尔可夫链状态等级空间的粗糙性;以前5 a各年份的联系数分量为基础,充分利用了1~5步长状态转移概率矩阵,克服了普通马尔可夫链法中仅采用状态转移概率矩阵中某一行信息所带来的局限性。CNMC模型有助于深入刻画和解析预测对象与预测因子之间的复杂关系,以联系数分量为基础,不同步长的马尔可夫链状态转移概率矩阵为驱动所建立的模型能更精准地刻画系统的不确定性趋势且计算简单、操作方便,为区域旱情动态预测评价提供了一种新途径。     

基于广义三棱柱和Kriging插值的三维地层建模

总结分析目前三维地层建模技术存在的问题,针对其不足之处,研究广义三棱柱建模原理和Kriging空间插值方法原理,结合地质构造和地层层序特点,提出了基于广义三棱柱体元为基本单元;融合物探、化探、地调资料以及工程地质人员对研究区域的综合分析结果而产生的经验钻孔;并以地形等高线建立不规则三角网(TIN),利用Kriging空间插值方法,选择合适的变异函数,进行地层属性内插,增加虚拟插值钻孔。最后应用广义三棱柱建模方法,使用以上三类钻孔数据建立相对准确的三维地层模型。     

基于监测数据的边坡参数统计特征及可靠度更新∗

掌握详细的边坡岩土体参数信息是进行边坡加固与风险评估的重要前提。目前大多采用马尔可夫链蒙特卡洛模拟方法基于现场或室内试验数据进行不确定性参数统计信息及边坡可靠度更新。然而,该方法存在计算量大、计算结果不易收敛和难以解决高维边坡不确定性参数统计特征及可靠度更新等问题。本文基于粒子群优化反向传播神经网络算法建立边坡位移代理模型优化计算过程,提出了改进的基于子集模拟的贝叶斯更新方法,进而基于边坡变形监测数据进行参数统计特征及可靠度更新。最后,将提出方法应用到长春西客站深基坑边坡工程。 结果表明：提出方法能够融合有限的场地信息有效地更新边坡岩土体参数统计特征,推断其后验概率密度函数,进而更新边坡失效概率。利用更新的土体参数计算的边坡位移与实测数据吻合,验证了提出方法的适用性和有效性。另外融合监测数据进行贝叶斯更新之后,虽然土体参数的不确定性明显降低,但是边坡失效概率受外界气温、 监测点位置及数据量值的影响会增大。     

Kappa系数在干旱预测模型精度评价中的应用——以关中平原的干旱预测为例

Kappa系数较多地用在评价遥感影像分类精度中。通过对分类影像和参考影像逐个像元统计,并建立误差矩阵,可以较准确地验证遥感影像分类的精度。将Kappa系数引入到关中平原地区加权马尔可夫和自回归移动平均两种干旱预测模型的精度评价中,基于标准降水化指数和条件温度植被指数两种干旱指标,对干旱监测数据和模型预测数据建立误差矩阵,得到了错估误差、漏估误差、总体精度和Kappa系数。综合应用4种评价指标分析模型的预测结果表明,错估误差和漏估误差能够验证预测模型的局部适用性,总体精度在一定范围内不能够直接反映模型的预测精度,Kappa系数可以较精确地评价不同时空间尺度的干旱预测模型精度。当参与预测的样本数目增加到一定程度时,Kappa系数和总体精度基本相等,可以更准确地评价模型预测精度。     

灰色马尔可夫预测模型及在地震预报中的应用

本文在灰色预测基础上,引入马尔可夫链预测,建立起灰色马尔可夫预测模型,并以云南地震为例,进行了实际应用,结果表明该模型预测精度比单独使用灰色预测的精度有了较大提高。     

考虑流固耦合的桥墩地震反应方法

跨海桥梁地震反应中,作用于桥墩上的动水压力具有明显的流固耦合特征。依据张量理论,推导时变区域散度变换关系及微分形式的几何守恒律;基于任意拉格朗日-欧拉描述,从采用欧拉描述的流体运动Navier-Stokes方程出发,推导时变区域的流体运动控制方程;给出流固耦合问题中的结构计算模型、耦合面接触条件、耦合场计算方法以及流场网格运动控制方法。以某跨海大桥为例说明桥墩地震反应方法,重点突出地震动输入、流场初始条件模拟等问题。计算结果表明:流固耦合理论能够模拟桥梁墩台地震反应中的流场和结构特性;流场初始条件的正确模拟可保证计算稳定性,并减少运算量;横向地震动激励下,桥墩基底剪力较大,纵向地震动激励下,结构运动剧烈;流固耦合系统中的线弹性结构在地震反应中具有明显的非线性特征。     

气候变化背景下辽宁省未来气象干旱危险性风险评估

利用第5次耦合模式国际比较计划CMIP5中的27个模式历史1 990 s数据、RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5情景下的未来气象数据以及观测数据评估模型模拟气象要素性能。结果表明,CanESM2,CNRM-CM5,MIROC5以及MRI-CGCM3模式模拟降水性能最好。用上述4个气候模式的数据计算描述干旱危险性强度的指标——标准化降水蒸散指数(SPEI),基于信息扩散理论得到未来不同干旱等级的超越概率。在此基础上着重分析了多模式在不同典型浓度路径(RCPs)下对未来气候变化特征的预估。结果表明:未来时段较1 990 s的轻旱危险性风险变化最显著(P0.05)。各个干旱等级的超越概率增加率最大的地区位于西部以及南部环渤海地区。辽河流域西部是中度及重度危险性高值区,次高值区位于辽宁省南部地区包括环渤海地区;北部危险性变异程度较大,在不同未来情景下随时间表现的规律不同;东部及中部地区在各个情景下均较稳定,分别被超低和低以及低和中风险覆盖。     

饱和土在单向冻结过程中的水-热-力耦合分析

给出了一多物理场模型来模拟饱和正冻土的水-热-力耦合过程。冻土区采用的是非线性弹性本构模型,而未冻区采用修正的剑桥模型。在这一数学模型中,克拉伯龙方程用于描述水和冰在相变时满足的平衡条件,并通过修正孔隙比来描述与温度有关的传导系数,由此描述未冻水的迁移。假定单元中土颗粒的长度不变且沿土柱冰晶从低温向高温有序生成,由此考虑水相变成冰的相对体积变化。以土颗粒的长度为分析目标来考虑冻胀过程中的较大变形。对于给定的边界条件,采用COMSOL软件对耦合的非线性偏微分方程进行求解。结果表明,这一方模型可以较好的模拟饱和土在冻结过程中的水-热-力耦合特征。     

基于BEPS模型模拟地表蒸散的干旱监测技术

为构建有效的干旱监测与评估指标,利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)数据以及NCEP/NCAR再分析资料并基于遥感过程耦合模型BEPS模拟了地表蒸散(evapotranspiration,ET)。同时,利用通量观测网AmeriFlux的站点观测数据验证该模型在ET模拟研究中的可靠性与适应性,在此基础上,构建BMI指数,分析了2007-2009年研究区域干湿状况的时空分布特征,并与其他干旱指数进行对比分析。结果表明:12个站点通量实测值与模型模拟的ET的相关系数为0.8568(p0.01),表明BEPS模型能够较好的模拟美国陆地生态系统的ET。BMI值的空间分布特征较为明显,与降水量与ET经纬向变化较为一致。而BMI值的时间分布特征表明,其具有较为显著的季节变化。这与地形、气候特征以及植被的分布关系密切。从检验效果来看,受降水量的影响,BMI在月尺度以上干旱监测效果相对较好。BMI与USDM的相关系数表明,本文在BEPS模型模拟ET的基础上构建的指标在干旱监测中是可行的。     

ABAQUS混凝土损伤塑性模型的动力性能分析

地震作用在混凝土结构上会在其材料中产生较高的应变率,混凝土材料具有一定的率敏感性,准确模拟混凝土结构在地震作用下的反应需采用混凝土动态本构模型.为评估ABAQUS有限元软件中的混凝土损伤塑性模型模拟混凝土动力性能的能力,采用该模型对混凝土材料和构件在不同加载速度下的动态反应进行了有限元数值分析.结果表明,随着加载速度的...     

埋地管线腐蚀模型及地震随机反应分析

埋地管线在使用过程中会出现不同程度的腐蚀现象。由于管线腐蚀受到周围土壤性质、输送介质等不确定因素的影响,其腐蚀状态会呈现随机性的特点。本文利用带吸收壁的齐次马尔可夫链理论,提出了管线腐蚀发生的离散状态模型,并根据管线腐蚀线性发展模型,推导给出了管线截面面积随时间变化的概率模型。在此基础上,利用弹性地基梁原理建立了管线地震反应的表达式,并利用M on te-C arlo随机模拟方法进行了模拟分析。实例分析表明,本文建立的腐蚀模型可以较好地模拟埋地管线的腐蚀现象,并能获得在地震激励下腐蚀管线的随机反应。     

滨海高水位下渗透性风化岩的损伤模型研究

滨海地区风化岩层中高地下水位对地下工程的影响是长期被关注的热点问题。从岩土材料应力-渗流-损伤完全耦合作用下的弹塑性特点出发,提出一种适用于风化岩层的流固耦合弹塑性损伤本构模型。考虑岩土材料抗拉性能和抗压性能的差异,选取修正的Mohr-Coulomb破坏准则作为岩土介质的塑性理论模型,采用有效应力空间进行应力-应变计算,把塑性计算与损伤计算进行解耦,并对有效应力进行谱分解,分析了拉、压不同状态应力下岩土体材料损伤演化的不同规律,利用得到的应力、应变和损伤变量,与介质的渗流参数建立相应的关系,实现了应力-渗流-损伤的完全耦合。此外,基于Abaqus软件平台及回映算法编制了相应的非线性程序,结合算例将所得计算结果进行了系统分析,初步验证了该理论的可靠与合理性。研究成果可为滨海城市中深基坑开挖诱发地层渗透破坏等灾害的控制提供理论依据。     

岩溶区空间变异性边坡建筑荷载作用下稳定分析∗

基于长沙湘江欢乐城废弃矿坑进行改造再利用工程项目,为保证上部工程建筑安全,对地质条件复杂且常有岩溶发育的矿坑高陡边坡稳定性开展了系列研究。考虑岩土体固有的空间变异性及岩溶孔洞影响,采用确定性和可靠度分析相结合的方法对边坡稳定性进行评价。首先针对土岩结构多级高边坡采用Morgenstern‐Price法计算非圆弧滑动面条件下的安全系数;随后基于随机场理论,考虑岩土体抗剪强度指标的空间变异性,对不同变异特征下受结构荷载作用的高陡分级边坡稳定性开展了概率分析;并探讨了岩溶空洞的发育情况及位置对高陡边坡可靠度的影响。结果表明,在土‐岩二元结构的边坡中,滑动破坏往往只发生在性质较差的上层土体中。考虑岩土体力学特性的空间变异特征对边坡稳定性分析具有重要意义,忽略空间变异性可能高估边坡的失效概率;溶洞位置和形状都会影响边坡稳定性,溶洞越靠近陡峭临空面对边坡影响越大,整体来说圆形溶洞比方形溶洞更容易造成边坡失稳破坏。     

基于改进的线性滤波自回归模型法的大跨空间结构风荷载模拟

为了准确模拟大跨空间结构的风荷载,提出了改进的线性滤波自回归模型(Auto-Regressive model)法。该方法基于传统线性滤波自回归模型,通过高斯-赛德尔(Gauss-Seidel)迭代法求解大跨空间结构风荷载模拟中的回归系数矩阵,进而对大跨空间结构的风荷载进行模拟。结果表明:改进的线性滤波AR模型法解决了自由度过大导致的回归系数矩阵不正定的问题;能够有效地模拟具有空间相关性、时间相关性的节点脉动风速时程,模拟精度、速度和计算稳定性均满足实际工程应用要求。     

考虑软土蠕变效应的路基沉降有限元反演分析

提出了考虑软土蠕变效应的路基沉降有限元反演分析方法,通过Matlab语言将Abaqus有限元分析软件嵌入改进的鲸鱼算法中,实现了软土地层计算参数快速而又准确的获取。并采用修正的Drucker-Prager屈服准则模型与"时间硬化"蠕变法则耦合模型模拟考虑蠕变效应的路基土体的沉降变形情况。为了验证该方法的可靠性,构建了某跨越软土地区的高速公路路基有限元反演模型,模拟了整个施工期内路基的变形情况,结果表明,反演分析得到的路基变形情况与实测值有较高的一致性。另外,利用反演分析得到的计算参数预测了工后10年的路基与路面的沉降情况,为该公路的运行与管理提供很好的理论指导。     

基于数字流域的水文过程模拟研究

考虑流域下垫面空间变异性，基于数字高程模型构建了数字流域，并在此基础上对描述流域水文物理过程的数学方法进行了探讨，文章认为，数字水文模型是一种有物理基础的包含大容量信息的现代模拟灌河实例研究表明，数字水文模型可以十分方便地输出水文要素和状态变量的空间分布与时间序列，这对充分利用现有观测信息进行水文信息的深层挖掘创新了条件。     

BP网络马尔可夫模型的水质预测研究——基于灰色关联分析

根据汾河水质的实际情况,应用BP网络马尔可夫模型对水质进行预测。采用拉依达准则剔除样本集异常数据,结合水质污染的实际情况,以COD为参考序列,应用灰色关联度对常规指标进行分析,确定BP网络的输入节点。在BP网络预测结果的基础上采用马尔可夫链对残差序列进行修正。经过关联度分析,确定氨氮、挥发酚、水温、BOD5及COD自身作为BP网络的输入节点,解决了多变量复杂系统建模过程中BP网络输入节点无法自动寻优的问题,使得BP网络的预测结果更加符合实际。对预测误差较大的样本采用马尔可夫修正误差残值,使得相对误差从-15.43%改善到了-15%,修正值更接近于实测值。BP网络马尔可夫模型,结合了BP网络和马尔可夫的优点,提高了预测的精度。     

冻土随机性研究现状及展望

基于国内外近些年对土体随机性问题所取得的研究成果,分别从影响冻土随机性的内外因素、冻土参数的概率分布规律和随机场计算模型等几个方面总结了随机性的研究现状及进展,取得了如下认识:(1)由于内外因素的影响,冻土物理力学参数、水分场参数等均存在很强的变异性;(2)分析总结了随机变量的概率函数推断方法,相比而言,正态信息扩散法能够有效地描述随机变量的波动性;(3)总结了随机性描述方法,发现随机场方法不仅能考虑随机变量的空间性,而且具有较好的应用前景;(4)总结分析了冻土随机场的计算方法,其中,随机有限元法能够充分考虑材料参数的随机性,具有较好的应用前景。基于以上对冻土中随机性研究现状的认识,笔者认为今后还需展开更深入的研究:对冻土中涉及的参数分布规律进行充分的研究;对冻土冰水相变过程中的随机过程进行深入分析;开展冻土水、热、力及水、热、力、盐等多耦合场、多尺度随机场的研究。     

砂土三轴压缩和拉伸行为的分数阶塑性模型∗

实际工程中的砂土等粗粒土往往不仅会受到压缩剪切作用,还有可能受到拉伸剪切作用。但是,目前所建立的分数阶塑性力学模型,仅考虑了砂土的压缩剪切行为;对于砂土的拉伸剪切行为,还有待进一步验证。运用广义分数阶微分定义,提出了一个修正的剪胀方程,并基于此建立了一个可以描述砂土三轴压缩和拉伸行为的分数阶塑性力学模型。选取不同砂土的三轴压缩和拉伸试验数据,对模型进行了验证,结果表明,模型可以合理的对砂土在压缩和拉伸条件下的应力应变行为进行预测。     

能源隧道的温度应力有限元计算

基于ABAQUS通用有限元软件与清华岩土热力学模型有限元分析程序(TTS-FEP),分析能源隧道能量传输过程中的温度应力。建立平面应变算例,分别进行线性弹性、非线性弹性和非线性粘弹塑性分析。计算结果表明:通过瞬态传热计算分析,ABAQUS通用有限元软件与清华岩土热力学模型有限元分析程序计算结果接近。由于环向方向较径向方向受到更大约束作用,计算所得环向应力变化较为明显。将衬砌材料分别设定为线性弹性模型、非线性弹性模型与非线性粘弹塑性模型,所得能源隧道应力计算结果较接近。关于温度应力的计算,3种模型计算所得衬砌与围岩界面处温度应力逐渐减小。