（环境工程专业论文）地面沉降预测模型及应用研究.pdf

摘要 地面沉降是城市主要的地质灾害，引起的环境地质问题严重影响着城市基础 设施建设，制约经济的可持续发展。目前已普遍证实过量开采地下水造成水文地 质力学平衡的破坏是导致地面沉降最主要的原因。本文以天津市塘沽区为研究区 域，建立准确实用的沉降预测模型，这对于防治环境地质灾害，实现地下水资源 的可持续利用和有效控制地面沉降具有十分重要意义。 本文在收集、整理和分析塘沽区历史数据，利用空间聚类方法优化沉降监测 网络的基础上，借鉴国内外研究成果，分别以研究区内地下水分层年开采量和年 均水位作为模型的输入变量，以优化后各监测点的年沉降量作为输出变量，创新 性地建立了多输入、多输出b p 神经网络模型，实现了地面沉降过程并行预测。 同时为进行比较和快速趋势预测，还建立了多元回归模型。二种模型的预测能力 都通过了回归显著性检验，预测结果对观测值有充分的解释能力。其中神经网络 预测年等值线图能准确地反映区内地面沉降的空间分布模式。 经模型应用分析，塘沽区平均背景沉降速率为9 4 7m m a ，并指出各个监测 点对同一含水组开采量的变化以及地面沉降强弱与地下水位均具有较一致的响 应趋势。同时各含水组地下水水位对地面沉降的影响强度依、v 、i i 等顺 序逐渐减弱，这与基于开采量的地下水层次与强度分析的成果基本一致。因此， 在调整地下水开发利用层次时应依照、i i i 、v 、i i 的顺序加以考虑。在目前情 况下，整体开采量为8 4 5 6 3 万m 3 a 、1 6 9 1 2 6 万脚3 a 和2 6 9 7 7 5 万坍3 a 时， 预测塘沽区年地面沉降均值分别为1 6 8 m m 、3 0 9 m m 和4 5 7 m m 。 为克服b p 神经网络模型容易陷入局部最优且收敛速度慢的缺陷，本研究利 用遗传算法强大的全局搜索寻优能力，优化神经网络的初始权重，实现了遗传算 法与b p 神经网络的耦合。经实用，证明该算法是可行且有效的。 最后，本文基于g i s 建立了天津市地面沉降地理信息与预测系统，设计了操 作性强的人机交互工作界面。相关程序仅在后台执行，不仅可对区内各监测点的 水位、开采量、地面沉降等信息进行高效管理，而且可根据长期监测的水位、水 量和沉降数据，定时拟合模型。使用时，管理人员只需在相应位置输入开采量或 水位数据，点击按钮即可预测到相应的2 2 个监测点的地面沉降值。 关键词：地下水开采地下水位含水组地面沉降b p 神经网络模型多 元回归模型遗传算法地理信息系统( g i s ) 塘沽区 a b s t r a c t l a n ds u b s i d e n c ei sam a i ng e o l o g i cd i s a s t e rf o rac i t y ，c a u s i n ge n v i o m e n t q u a l i t y p r o b l e m s w h i c hi m p a i rb a s a lf a c i l i t i e s e s t a b i l i s h m e n ta n dr e s t r i c te c o n o m i c a l s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t i ti ss a i dt h a tl a n ds u b s i d e n c ei s m a i n l y c a u s e d b y g r o u n d w a t e ro v e r e x p l o i t a t i o nu n b a l a n c i n gg r o u n d w a t e ri ng e o l o g i cd y n a m i c s t a k i n g t a n g g ud i s t r i c ti nt i a n j i nf o rt h es t u d ya r e a ，ae x a c ta n da p p l i e ds u b s i d e n c ep r e d i c t i o n m o d e li se s t a b l i s h e dw h i c hi ss i g n i f i c a n tt op r e v e n ta n dc o n t r o lg e o l o g i cd i s a s t e r ， a c h i e v es u s t a i n a b l eu t i l i z a t i o no fg r o u n d w a t e rr e s o u r c ea n de f f e c t i v e l yc o n t r o ll a n d s u b s i d e n c e s p a t i a lc l u s t e ri se m p l o y e dd u r i n gt h eo p t i m i z a t i o no fl a n ds u b s i d e n c em o n i t o r i n g n e t w o r k a n n u a lv o l u m e t r i ce x t r a c t i o nf r o md i f f e r e n tc o n f i n e da q u i f e ra n da n n u a l a v e r a g ew a t e rl e v e l sa r ei n t r o d u c e da sm o d e li n p u t , w h i l el a n ds u b s i d e n c er a t eo f o p t i m i z e dm o n i t o r i n gp o i n t s i sd e f i n e da sm o d e l o u t p u t am u l t i p l ei n p u ta n d m u l t i p l eo u t p u tn e u r a ln e t w o r km o d e li se s t a b l i s h e dt oa c h i e v el a n ds u b s i d e n c e s p a r a l l e lp r e d i c t i o n am u l t i p l er e g r e s s i o nm o d l ei sa l s oe s t a b l i s h e d t h em o d e l i n g r e s u l t sa r ep r o o f e dt ob es t a t i s t i c a l l ys i g n i f i c a n tw h i c hg u a r a n t e e st h ee x p l a n a t i o n a b i l i t yo ft h em o d e l s ，a n dt h ec o n t o u rm a po ft h en e u r a ln e t w o r km o d e lo u t p u t sf i t r e a s o n a b l yw e l lw i t ht h es p a t i a lc h a r a c t e r i s t i c so f l a n ds u b s i d e n c ei nt h es t u d ya r e a a c c o r d i n g t om o d e le s t i m a t i o n ，t h ea v e r a g eb a c k g r o u n dl a n ds u b s i d e n c er a t eo f t a n g g ud i s t r i c ti s9 4 7 m m a l a n ds u b s i d e n c ea n dw a t e rl e v e l so f m o n i t o r i n gp o i n t s r e s p o n db a s i c a l l yt h es a m et ov a r i a t i o no fe x t r a c t i o nf r o me e r t a i na q u i f e r t h e s i g n i f i c a n c eo fc o n t r i b u t i o no fa q u i f e r st ol a n ds u b s i d e n c ed e s c e n d si no r d e ro ft h e ，i ，v ，i ic o n f i n e da q u i f e r w h e nh y p o t h e t i cy i e l do fg r o u n d w a t e rm e e t s 8 4 6 x 1 0 6 酊| n 。1 6 9 x1 0 1m 3 | da n d2 7 0 x 1 0 1m 3 | n 。t h ec o r r e s p o n d i n ge s t i m a t e d a v e r a g el a n ds u b s i d e n c er a t ei s1 6 8 m m a ，3 0 9 m m aa n d4 5 7 m m ar e s p e c t i v e l y t oc o n q u e rt h el o c a lo p t i m i z a t i o na n dt h es l o wr a t eo f c i n v e r g e n c ei nb pn e u r a l n e t w o r k ，t h ep l o b a l s e a r c h i n gf u n c t i o n so fg e n e t ia l g o r i t h m si su s e d i to p t i m i z e st h e i n i t i a lw e i g h t so fn e u r a ln e t w o r ka n da c h i e v e st h ec o u p l i n go ft h eg e n e t i ca l g o r i t h m s a n db pn e u r a ln e t w o r k t h i sa l g o r i t h mi sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e a i d e d b y g i st e c h n o l o g y ，l a n ds u b s i d e n c e g e o g r a p h i c a l i n f o r m a t i o na n d p r e d i c t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e da n dah u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n a li n t e r f a c ei s d e s i g n e d p r o c e d u r e s a r ee x e c u t e da t b a c k g r o u n d i tc a ne f f i c i e n t l ym a n a g et h e i n f o r m a t i o no f w a t e rl e v e l s ，e x p l o i t a t i o na n dl a n ds u b s i d e n c eo f m o n i t o r i n gp o i n t sa n d p u n c t u a l l yf i tt h em o d e l s i n p u tt h ee x p l o i t a t i o no rw a t e rl e v e l sd a t a ，p u s ht h eb u r o n a n dt h el a n ds u b s i d e n c ep r e d i c t i o no f t h e2 2m o n i t o r i n gp o i n t sw i l lb eg o t k e yw o r d s ：g r o u n d w a t e re x p l o i t a t i o n ；w a t e rl e v e l s ；c o n f i n e da q u i f e r ；l a n d s u b s i d e n c e ；b pn e u r a ln e t w o r km o d e l ；m u l t i p l er e g r e s s i o nm o d e l ；g e o g r a p h i c a l l n f o r m m i o ns y s t e m ( g l s ) ；t a n g g ud i s t r i c t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含获得苤鲞盘茎或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 一签名髫协一期：冲7 月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特 授权叁鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学雠文储虢瑶l 罚嗯 签字日期，6 年 月；。日 导师签名：业功l 彳 签字日期：撕5 年8 月日 天津大学博士学位论文第一章前言 第一章前言 1 1 课题的提出及研究意义 地面沉降是指区域性地面高程下降的一种环境地质现象。从广义的地面沉降 概念而言，地面沉降是自然因素或( 和) 人为因素作用下形成的地面标高损失。 自然因素包括构造下沉、地震、火山活动、气候变化、地应力变化及土体自然固 结等，因此，地面沉降应是地质历史时期普遍存在的现象。人为因素指开采地下 流体资源( 油、气、水) ，开采地下固体矿产( 金属矿、煤、盐岩等) 。尽管地 面沉降成因复杂，学术界还是得到公认的结论1 2 】：地壳运动导致的地面沉降有可 能存在，但沉降速率很小；地面静、动荷载引起的地面沉降仅在局部地段内存在； 由于抽汲地下流体，而引起松散层内液压降低，是导致区域整体性沉降的主要原 因。 1 1 。1 国内外地面沉降概述 据已有的文献资料，地面沉降现象最早发生的记录时间是1 8 9 1 年，在中美 洲的墨西哥城。其次于1 8 9 8 年在日本新泻发现，但是，由于沉降量不大，危害 性暴露的还不明显，当时将其成因归结于地壳升降运动。随后地面沉降普遍发生 在2 0 世纪，尤其是其下半世纪。美国的地面沉降最早在加州萨克拉门托圣卓阿 金流域发现，到1 9 9 5 年，美国有4 5 个州，超过4 4 0 3 0 _ b j , - , ；的土地受到了地面沉 降的影响，相当于新汉布什尔州与佛蒙特州的总和。由此引发的经济损失更是惊 人：仅在圣克拉拉山谷，沉降所造成的直接经济损失，在1 9 7 9 年大约为1 3 1 亿 美元，而到了1 9 9 8 年则高达3 亿美元p j 。 我国最早于1 9 2 1 年在上海市区发现地面沉降现象，至今我国共有9 0 多个 城市或地区( 包括台湾) 有地面沉降现象【3 0 】。较严重的有上海、天津、台北、西 安、宁波、苏锡常等。据最新全国水资源综合规划初步成果表明，全国地下水超 采区面积近1 9 万拥2 。有2 4 个省( 自治区、直辖市) 存在不同程度的地下水超采 问题，主要分布在黄淮海流域。其超采区面积占全国总量的7 0 以上，其中河 北省超采面积占该省平原区面积的9 1 6 。地下水超采直接造成区域性地下水 位持续下降、水资源枯竭，危及供水安全和饮用水安全，还诱发了地面沉降、地 面塌陷、海( 咸) 水入侵、荒漠化、湿地萎缩等生态环境问题1 4 l 。 目前，世界上已有5 0 多个国家和地区发生地面沉降，较严重的国家有日本、 美国、墨西哥、意大利、泰国和中国等。 由于地面沉降具有生成缓慢、持续时间长、初期影响不显著等特点。起初没 有引起人们的足够重视。直n - - 十世纪三十年代，在世界些主要沿海城市地面 天律大学博士学位论文第一章前言 沉降发展严重，又遭到风暴潮的侵袭，严重威胁到人类生存环境和生命财产的安 全，使得学术界逐步开展地面沉降研究。 地面沉降是指区域性地面高程下降的一种环境地质现象，也是一种对资源利 用、环境保护、经济发展、城市建设和人民生活构成威胁的地质灾害。地面标高 的损失将引发一系列的次生灾害，如：沿海地区风暴潮灾害的频率增加；河道行 洪能力降低；城市及经济建设基础设施破坏以及地下水资源恶化等。 迫于地面沉降问题的严重性，联合国教科文组织( u n e s c 0 ) 与国际水文科学 协会分别于1 9 6 9 、1 9 7 6 、1 9 8 4 、1 9 9 1 、1 9 9 6 和2 0 0 0 年在日本的东京、美国的阿 纳海姆、意大利的威尼斯、美国的休斯敦、荷兰的海牙和意大利的拉韦纳召开了 6 届国际地面沉降学术会议。p o l a n dj f 和d a v i sg h 于1 9 6 9 年发表了这一 领域的重要文献由于抽汲地下流体而引起的地面沉降并指出1 5 j ，“由于抽汲 地下水而引起的地层压密是地面沉降的地质环境；抽水是地面沉降的外部引 发原因”。 为了探索地面沉降机理和防治，我国分别于1 9 6 4 、1 9 8 0 、1 9 8 8 、1 9 9 0 和1 9 9 8 年在上海和天津召开了5 届全国性地面沉降学术研讨会，交流成果，总结经验， 推动了我国地面沉降研究工作的进展。近年来，我国的地面沉降程度和范围还在 进一步地加深和加大，1 9 9 8 年的中国大洪灾已存在着地面沉降的加重影响1 6 j 。 “十五”期间我国地面沉降研究虽然取得一些新的成就，但随着我国经济近年来 的大发展，也同时出现了一些新的地面沉降问题。 1 1 2 课题的提出 ( 1 ) 课题的来源 地下水是维持人类社会可持续发展的经济和战略资源，是综合国力的有机组 成部分。地下水作为自然资源具有可恢复性，是水资源的重要组成部分。地下水 的不合理开采，必然打破地下水系统的水量均衡、水盐均衡和岩土力学平衡。地 下水系统势必通过水位、水量、水质和含水介质发生一系列响应变化并与外部环 境之间实现新的平衡【”。由此引发的很多环境地质变化对人类生存和社会经济发 展是灾害性的，地面沉降是其中有代表性和普遍性的问题。 天津市作为我国北方沿海的重要开放城市，由于地表水资源的严重缺乏，被 迫过量开采地下水，是造成地面沉降的主要原因，属于典型的因为资源性缺水而 导致地面沉降的城市鸭由于地面沉降严重，不仅引起海平面相对上升量的增加， 加剧了风暴潮和海水入侵等自然灾害的影响程度，而且地面高程的损失增加了地 质安全事故危险性，并且造成城市控沉费用的逐年增加。 基于此，天津大学与天津市控制地面沉降办公室共同承担了“天津市地面沉 2 天津大学博士学位论文第一章前言 降预警系统研究”的课题，本论文即是该课题的主要研究内容。 ( 2 ) 研究背景 国外对地面沉降机理及预测相关问题的研究起步较早，尤其是美国地调局于 上世纪8 0 年代开发m o d f l o w 例( m o d u l a rt h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t ed i f f e r e n c e g r o u n dw a t e rf l o wm o d e l ) 以来，确定性模型的数值解法取得突破性的进展，使 地面沉降模拟和预测由科研转入实用阶段。确定性模型模拟和预测精度不断提 高，也相继出现t g m s t l o l ( g r o u n d w a t e rm o d e l i n gs y s t e m ) 、v i s u a lm o d f l o w ! 】、 p m w i n t ”l ( p r o c e s s i n gm o d f l o wf o rw i n d o w s ) 等成熟商业软件。 国内地面沉降的研究和控制工作始于建国初期，但预测模型研究相对国外略 微滞后。由于地质资料储备、经济承受能力等原因，国内的地面沉降模型研究呈 现确定性与随机统计模型长期并存、发展并不断创新的局面。 目前，有关地面沉降的研究课题已经从最初的实验室内的模型和模拟试验研 究；地面沉降区土层化学、矿物分析；含水层水文研究过渡为以下一些热点问题 得研究：l t 3 1 1 4 】 地面沉降控制与地下水资源可持续开发； 地面沉降灾害损失评估； 地面沉降潜在热点预测( 尤其是沿海低地地区) ： 新的地面沉降监测技术； 以及控制和预测地面沉降新的方法与数学模型等。 1 1 3 课题的研究意义 多年来，根据历史水准点的调查，天津市的地面沉降随着地下水的开发利用 而发生发展。天津市地面沉降的发展，大致可分以下几个阶段：1 9 2 3 1 9 5 7 年 地面沉降初期阶段，地下水开采量2 0 0 1 2 0 0 万m 3 a ，沉降量7 1 1 2 0m m a ； 1 9 5 8 1 9 6 6 年地面沉降中心初步形成阶段，地下水开采量1 2 0 0 4 7 0 0 万m ， 沉降量是3 0 4 6m m a ，并形成了北站、河北大街、大直沽、陈塘庄等沉降中心； 1 9 6 6 1 9 8 5 年，地面沉降急剧持续发展阶段，地下水开采量约1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 万 埘，地面沉降量8 0 1 0 0m m a ，己形成的沉降中心进一步发展扩大：1 9 8 6 年 至今，地面沉降治理阶段，此阶段大力压缩地下水开采量，近5 年市区平均开采 量减至6 8 0 万坍左右，二组地下水基本达到合理开发利用的水平，地面沉降已 控制在1 5 m 晰锄茔右，至此可以说天津市区的地面沉降已基本得到控制【1 5 】。但是， 随着天津工业的东移，天津滨海新区的建设和发展，作为天津建设国际大都市 “三步走”发展战略的实施，引滦工程供水保证率低和单一供水水源的不足之处 开始凸显，突出的水资源供需矛盾也开始在不同层面和地域范围内逐渐暴露，地 3 天津大学博1 学位论文第。章前言 下水超采的问题开始以新的形式予以表现，因此出现了西青、津南、武清、宁河、 静海等新的沉降漏斗。也说明郊县地区地面沉降控制并没有达到预期的目的，对 于海拔比较低的沿海区县地面沉降的威胁仍然严重。 由此看出，随着地下水资源的过量开采天津市地面沉降现象越来越严重，并 由此产生了一系列的环境地质问题，如：河道堤防沉降，降低河道防洪和航运能 力；地下管网沉降，降低城市排水系统的能力；沿海地面标高损失，加重风暴潮 危害；不均匀沉降，威胁轨道交通安全；局部沉降，破坏生命线工程；房屋、道 路开裂等【引。 为此，探索地下水资源可持续开采量，建立合理的数学模型对地下水开采可 能引起的地面沉降的大小和分布进行预测。然后，在此基础上寻找地下水位与地 面沉降相互之问的定量关系，指导地下水开采行为，为制定合理的地下水开采规 划提供可信的理论依据，这对于防治环境地质灾害实现地下水资源的可持续利用 具有十分重要意义。 1 2 地面沉降模拟研究的现状 以地下流体开采为主因的地面沉降的模拟和预测，始终是地面沉降研究的热 点。地面沉降过程包含了影响其变化的各种确定性因素和随机因素的信息，因此， 可将模型分为确定性机理模型和随机统计模型两类。 1 2 1 确定性模型 地面沉降是土层中孔隙水承担的孑l 隙水压力和土骨架承担的有效应力发生 变化的结果。处于平衡状态的含水系统，当地下水被抽出后，孔隙水压力减小， 原先的土、水平衡状态被破坏，有效应力发生变化，土体产生变形。由于土体的 非线弹性及其多孔性，土体的力学性质、贮水性和透水性都将随之变化。地面沉 降是土和水相互作用、内部应力发生变化的外在表现。它与土的变形特性和水的 渗流情况密切相关。因此地面沉降的确定性机理模型应包括渗流模型和土体变形 模型两大部分。 1 2 1 1 渗流模型 渗流流模型大体上可分为以下三类，即： 二维渗流模型； 准三维模型： 三维模型。 目前普遍采用的渗流模型都是准三维模型。例如上海市1 9 9 9 年的地面沉降 预测模型1 1 6 l ： 4 天津大学博t 二学位论文第一章前言 昙( r 争+ 导( r 詈闰百o h , 蛾蛾嘞嘞 t ) 式中：月，各个含水组的水头( m ) 5 蟛堪越流量( m 3 d ) ； 蜴沉土层变形释水量或回弹吸水量( m 3 d ) ； 抽水量( m 3 d ) ； 姊癯灌水量( m 3 d ) ； s 贮( 释) 水系数； r 导水系数( m 3 d ) 。 近年来李勤奋通过研究，为弱透水层建立了垂向一维渗流模型。可以说，这 是迄今我国考虑因素最多的一个地面沉降渗流模型。 1 2 1 2 土体变形模型 土体是松散的多孔介质，其组成特点和结构形式决定了它具有不同于一般固 体材料的特性。其变形具有显著的非线性、非弹性及各向异性特征。同时其变形 量的大小不仅取决于土体最终所处的应力状态，而且取决于土体所经历的应力路 径和应力历史。但目前在土体的变形模型中对士体的变形特性反映不够全面。根 据土体的应力应变关系，地面沉降计算中土体变形模型主要有以下三种： ( 1 ) 线弹性模型，即在考虑土体的三维变形时，不论是含水组还是粘土、 亚粘土层，几乎都作为线弹性体看待，以减小计算工作量； ( 2 ) 非线性线弹性模型，考虑到土体变形的非弹性特性。当地下水压力恢 复时，土体要产生回弹，但不可能完全恢复。同时回弹的程度与土质条件、土体 所处的应力状态有关。另外土体的变形与土体经历的应力历史有关。因此在计算 土体变形时按土体的前期固结应力的大小，进行分段处理1 1 7 1 ； ( 3 ) 流变模型，认为在抽、灌水作用下土层的应力应变应具有线性粘弹性 的本构关系，若视饱和粘性土为理想的粘性材料，其应符合一维的非线性粘性流 动方程。流变模型进一步研究和探讨了计算弹性地面沉降的可行途径。 不同的渗流模型和土体变形模型的结合就形成了不同的地面沉降模型，按照 结合方式的不同又可以分为两步计算模型、部分耦合模型和完全耦合模型。 两步计算模型 即先由渗流模型计算出水位( 水压) ，作为边界条件，带入土体变形模型中， 进行变形量的计算。其中，天津市环境地质研究所与英国地质调查所于1 9 9 3 年 5 天津大学博士学位论文第一章前言 共同开发研制的用以模拟细颗粒粘土夹层缓慢排水的程序包i d p ( i n t e r b e d d r a i n a g ep a c k a g e ) ，是以太沙基一维崮结理论为基础，在m o d f l o w 程序的基础上 增加了考虑粘土层中沉降滞后于抽水的作用，将地下水流作拟三维处理，弱透水 层的释水通过沉降计算后再代入含水组中。这就是一个典型的两步计算模型 | t 8 - 1 9 1 。 部分耦合模型 该模型是在两步计算模型的基础上考虑当相邻含水组水位下降时，弱透水层 中的地下水将产生渗流。由于渗透系数与孔隙率之间存在如下经验公式： 如 舞j ：， 其中：k 是孔隙率为时的垂向渗透系数；m 是与土体有关的常数；疗为 孔隙率。 该式通过渗流模型中的渗透系数与土体变形模型中的孔隙率之间的上述关 系实现了二者的耦合 部分耦合模型的一个典型实例是冉启全，顾小芸1 2 0 l 建立的三维渗流模型和一 维次固结流变模型相结合的地面沉降计算模型，就是利用渗透系数与孔隙率之间 的关系，实现了渗流模型与土体变形模型的部分耦合。 完全耦合模型 其理论基础是b i o t 的固结理论。它考虑土体的变形和地下水运动的相互作 用，即孔隙水压力的变化对土体变形的影响以及土体变形对孔隙水压力的影响， 将土体的变形模型和地下水流动模型统一于相同的物理空间。 1 9 7 8 年r w l e w i s 等在假设土体的应力应变关系满足广义虎克定律的基础 上提出了完全耦合模型，并将其运用于威尼斯的地面沉降计算中，结果表明水头 下降和地面沉降比两步计算较易趋于稳定。 1 2 1 3 存在不足 上述模型虽然在以前的地面沉降预测预报中起了很大的作用，但毕竟仍存在 许多的不足，主要是： ( 1 ) 由于环境地质问题自身的复杂性和理论的不完善，确定性模型对土体 变形和地下水动态的描述往往基于种种理想假设或经验结论，而与实际情况存在 很大差距。例如：土体变形计算中的线弹性假设。 ( 2 ) 确定性模型的研究和开发都是建立在详细的水文地质、工程地质勘察 基础之上的，模型所需参数量巨大，而且一些参数无法试验测定或测定方法并不 成熟，这使得参数获得存在很大困难。同时为了提高模型拟合精度，在模型的试 6 天津大学博j ：学位论文第一章静言 算校正过程中需对一些参数不断做出调整，导致主观因素的混入。 ( 3 ) 当对空问网格的剖分密度受到模型计算容量限制时，一些微观现象可 能被忽略。例如，以节点水位代表计算单元的平均水位必将影响最终的模拟效果。 含水层的不规则边界以及土体的明显非均值和各向异性也往往被大尺度的离散 剖分所湮没。 此外，存在于岩( 土) 层孔隙中的地下水渗流与岩( 土) 层变形是密切相关的， 地下水压力的变化与岩( 土) 层变形同时发生、相互影响，地下水压力的变化引起 岩( 土) 层变形，岩( 土) 层变形又影响到地下水的渗流，从而影响地下水压力的大 小和分布。因此开采地下水引起地面沉降的效应是三维的。根据地下水运动和地 层变化的空间特征，应该合理地建立三维渗流与三维变形的耦合模型，这也是地 面沉降模型的发展方向之一1 2 ”。然而，三维完全耦合模型的计算工作量大、需要 的参数多，许多参数很难准确获得。同时为了提高模型拟合精度，在模型的试算 校正过程中，需对一些参数不断做出调整，这也有失科学的严谨性。正是以上原 因限制了确定性机理模型的发展。 1 2 2 随机统计模型 地面沉降受到一系列复杂的自然和人为因素影响，这就决定了地面沉降的动 态过程具有周期性、趋势性和随机性的特点。随机统计模型主要包括：回归模型、 时间序列模型和灰色模型。 1 2 2 1 回归模型 回归分析法也被称为解释性预测，它假设一个系统的输入变量和输出变量之 间存在着某种因果关系，认为输入变量的变化会引起系统输出的变化。通过研究 输入变量与输出变量的关系，用拟合数学关系式表示模型。通常，回归模型预测 的准确度与样本的含量有关。多元回归和逐步回归方法常见于开采条件下的长期 和中短期地下水系统预测，能反映实际的地下水水位变化规律 2 2 - 2 3 1 。 1 2 2 2 时间序列模型 时间序列分析法是概率统计学的一个重要分支，将某一现象所发生的数量变 化依时问的先后顺序排列，以揭示这一现象随时间变化的发展规律，从而用以预 测现象发展的方向和数量。它简便易行，不必考虑影响因素对预测对象的影响， 单纯从被预测量的历史数据来推求其变化趋势，基本上是一种历史数据引申的方 法 2 4 - 2 s l 。 1 2 2 3 灰色模型 灰色理论建模根据各类系统的行为特征数据，找出因素之间或因素本身的数 7 天津大学博士学位论文第。章前言 学关系。相对于其他数理统计方法，灰色模型只需要较少样本量，从一个时间序 列自身出发，采用依次累加的方法实现由非线性到线性的转化，从而弱化序列的 随机性，揭示原始数据内在规律，适合进行趋势预测1 2 吼。 1 2 2 4 存在不足 随机统计模型主要的不足之处是： ( 1 ) 建模方式无法反映地面沉降及地下水系统的动力学机制，导致其在进 行沉降短期或中期预测时精度相对偏低； ( 2 ) 随机预测方法都是多个自变量( 甚至单个自变量) 对应单个因变量的 函数关系，并且不考虑因变量相互之间的关系，不能进行多影响因素的多因子并 行预测。 所以，随机统计模型主要应用于维持现状开采条件下的警告性预测或趋势模 拟，其结果具有警示性，但随机统计模型具有计算过程简单，快捷的优点。 1 2 3 人工智能模型 “人工智能”( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，简称a i ) 这一术语，是在1 9 5 6 年的达特茅斯( d a r t m o u t h ) 会议上，由麦卡锡( m cc a r t h y ) 首先使用的( 麦卡 锡因开发出了函数型语言l i s p 而闻名) 概括来说，运用计算机，以人类智慧的 机理和实现作为研究目标的工作，称为“人工智能” 2 9 1 。 尽管人工智能的发展经历了曲折的过程，但就研究解释和模拟人类智能、智 能行为及其规律这总目标来说，它在自动推理、认知建模、机器学习、神经元 网络、自然语言处理、专家系统、智能机器人等方面的理论和应用上取得了相当 的进展和成果，对其它学科的发展产生了积极的影响。 人工智能正从多层次、多方面对人类及其它动物的自然智能进行模拟、延伸 和扩展，不断开拓人工智能的研究领域和开发应用，例如模拟逻辑思维的符号主 义，模拟形象思维的连接主义，模拟智能行为的行为主义，模拟生物进化的演化 算法，模拟人类社会行为的分布式人工智能等等。正是这些新技术、新观念被集 成在这个领域，使得人工智能又进入一个新时期。 现在的人工智能研究工作，区分为两大方向。首先，是以计算机的元件数量 接近于人脑的细胞数量为背景的研究，它与生命科学的进展相互呼应，在神经网 络、人工生命等领域进行着热烈的讨论；另一个研究方向，是伴随着计算机网络 的进步而形成的。信息网络急剧地扩大了人类社会与计算机的接触面，促进了大 规模知识库的综合和再利用。在机器学习成果的基础上，对大量数据进行处理的 数据开发工作，也随之活跃起来。通过对人类基因和组合存储器信息的分析，人 们试图寻找出隐藏在庞大的数据中的法则。 8 天津大学博：i ：学位论文第。章前言 近年来，处理人类的含糊性和灵活性的模糊理论、模拟人类脑神经系统学习 机能的神经网络、对生物的生命进化进行模拟的遗传算法等作为人工智能的新方 法受到了人们的重视。这些方法相辅相成，利用同时融合的方法，可以达到易使 用、鲁棒性和低成本，同时在精确度和可靠性方面达到一定要求。 1 2 3 1 人工神经网络 随着系统论和计算方法的不断发展，在2 0 世纪8 0 年代，统计动力建模技 术应运而生。统计一动力模型较传统随机模型的最大改进是使模型具备了动力学 特征，即记忆和反演能力。由于发展历史很短，统计一动力建模仍处于发展阶段， 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，a n n s ) 是其中较为成熟的技术。 人工神经网络模型由网络拓扑、节点关系和学习规则来表示。相对于传统的 数学模型，神经网络具有高度的并行结构和并行实现能力，具有近似任意非线性 映射和通过研究系统过去的数据记录进行训练和学习的能力。 输入多输入神经元 n 厂弋 p l j f ，2 p 3 ： 琢 ! a = f ( w p + b ) 图1 - 1 人工神经元模型 图l - 1 为一个多输入人工神经元模型，只( f = 1 , 2 ，r ) 为输入端( 突触) 上的 输入信号；m ，( f = l ，2 ，r ) 为相应的突触连接权系数，它是模拟突触传递强度的 一个比例系数，可以是正，也可以是负；表示突触后信号的空间累加；b 为偏 置值( b i a s ) ；f 表示神经元的激励函数；口为该神经元的输出。该模型的数学 表达式为： r 口= ( w p + ( 1 3 ) i f f i l 简写成： a = f ( w p + b 、 ( 1 4 ) o 天律大学博十学位论文第。章前言 常见的激励函数有以下几种： ( 1 ) 线性函数： f ( x 1 = x ( 1 5 ) ( 2 ) s i g m o i d 函数： ，( 功= 专 ( 1 - 6 ) ( 3 ) 阶跃函数： y ( x ) = ( 芸： ( 1 - 7 ) 作为一个广义函数逼近器，人工神经网络具有强大的非线性逼近能力。同时 其良好的自适应性、自组织性以及较强的学习、联想、容错和抗干扰能力使它在 电力、自动化、机械、交通、金融等各个领域得到广泛使用，能适应那些涉及到 多变量、强耦合、非线性等的数值拟合预测问题。人工神经网络模型应用于地下 水系统及地面沉降的模拟和预测，至今已经有许多较为成功的实例【3 1 - 3 9 1 。 人工神经网络主要有前向型( f e e d f o r w a r d ) 、反馈型( f e e d b a c k ) 和自组织竞 争型( s e i f - o r g a n i z i n g ) 三种类型。不同的模型形式从不同的角度对神经系统进行不 同层次的描述和模拟。目前常用的人工神经网络模型有十余种，比较典型的有反 向传播神经网络( b a c k p r o p a g a t i o n n n s ) 、h o p f i e l d 网络、反馈神经网络( c o u n t e r p r o p a g a t i o nn n s ) 和径向基函数网络( r a d i a lb a s i sf u n c t i o nn n s ) 等。 1 2 3 2 遗传算法 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简称g a ) 起源于对生物系统所进行的计算 机模拟研究。美国m i c h i g a n 大学的h o l l a n d 教授及其学生受到生物模拟技术的启 发，创造出了一种基于生物遗传和进化的自适应概率优化技术遗传算法。 1 9 6 7 年，h o l l a n d 的学生b a g l e y 在其博士论文中首次提出了“遗传算法”一词， 他发展了复制、交叉、变异、显性、倒位等遗传算子，在个体编码上使用双倍体 的编码方法。h o l l a n d 教授用遗传算法的思想对自然和人工自适应系统进行了研 究，提出了遗传算法的基本定理模式定理( s c h e m at h e o r e m ) ，并于1 9 7 5 年出版了第本系统论述遗传算法和人工自适应系统的专著 a d a p t a t i o ni n n a t u r a la n da r t i f i c i a ls y g e m s 。2 0 世纪8 0 年代，h o l l a n d 教授实现了第一个基 于遗传算法的机器学习系统，开创了遗传算法机器学习的新概念。1 9 7 5 年，d e j o n g 基于遗传算法的思想在计算机上进行了大量的纯数值函数优化计算试验， 建立了遗传算法的工作框架，得到了一些重要且具有指导意义的结论。1 9 8 9 年， g o l d b e r g 出版了 ( g e n e t i ca l g o r i t h mi ns e a r c h ，0 p t i m i z a t i o na n dm a c h i n el e a m i n g 1 0 天津大学博士学位论文第章前言 一书，系统地总结了遗传算法的主要研究成果，全面完整地论述了遗传算法的基 本原理及其应用。1 9 9 1 年，d a v i s 出版了( h a n d b o o ko fg e n e t i ca l g o r i t h m s 一 书，介绍了遗传算法在科学计算、工程技术和社会经济中的大量实例。1 9 9 2 年， k o z a 将遗传算法应用于计算机程序的优化设计及自动生成，提出了遗传编程 ( g e n e t i cp r o g r a m m i n g ，简称g p ) 的概念。在控制系统的离线设计方面遗传算 法被众多的使用者证明是有效的策略。例如，k r i s h n a k u m a r 和g o l d b e r g 以及 b r a m l e t t e 和c u s i n 已证明使用遗传优化方法在太空应用中导出优异控制器结构， 比传统方法，如l q r 和p o w e l l ( 鲍威尔) 的增音机设计所用的时间要少( 功能 评估) 。p o r t e r 和m o h a m e d 展示了使用本质结构分派任务的多变量飞行控制系 统的遗传设计方案。与此同时，另一些人证明了遗传算法如何在控制器结构的选 择中使用。 从遗传算法的整个发展过程来看，2 0 世纪7 0 年代是兴起阶段，2 0 世纪8 0 年代是发展阶段，2 0 世纪9 0 年代是高潮阶段。遗传算法作为一种实用、高效、 鲁棒性强的优化技术，发展极为迅速，已引起国内j l - 学者的高度重视 4 0 - 4 2 1 。 1 3 主要研究内容 根据课题天津市地面沉降预警系统研究的立项合同，本研究以天津市塘 沽区为研究区域，参考国内外相关研究，筛选并建立基于地下水开采及地下水水 位条件下的地面沉降数学模型，验证方法的可行性与可靠性。结合地理信息系统 的空间数据处理与分析功能实现模拟、预测结果的可视化，应用模型对研究区内 地下水开采可能引发的地面沉降进行预测，为制定地下水开采规划提供参考。研 究内容主要包括： ( 1 ) 选择研究区域，搜集、整理研究区域的数据资料，主要包括： 区域自然地理、水文地质和气象资料( 气温、降水量以及蒸发量) ； 地下水监测资料，如观测井位分布、地下水水位历史观测数据、地下水 开采量、回灌量等； 地面沉降监测资料，包括水准点、g p s 点分布、水准、沉降历史观测数 据等。 ( 2 ) 地面沉降数学模型研究，包括：模