第三讲地质环境系统演化的一般原理

第三讲

地质环境系统演化的一般原理提纲一、系统演化的基本概念二、地质环境系统演化的外部条件三、地质环境系统演化的内在机理四、地质环境系统演化的几个阶段一、系统演化的基本概念演化是针对系统整体而言的，是系统整体结构、功能随时间的推移有别于先前的结构、功能的改变过程，是系统内部质的改变。变化可以指系统内部也可指外部环境，即可针对系统整体也可针对某一局部甚至某一个点，可以指量的改变也可以指质的改变。演化与变化变化是演化的基础，没有变化就没有演化；某些变化可能就是演化，变化也可能是演化的外在变现形式。变化与演化有何联系？宏观与微观并不是绝对尺度，随研究对象而变，大时空尺度的微观变化对于小时空尺度的系统而言可能就是演化。宏观：系统的整体发生了改变（时、空尺度较大）微观：系统内部的某一局部地区发生局部或微小的变化宏观与微观对于特定系统而言：只有宏观的变化才视之为系统的演化一、系统演化的基本概念信息与信号一、系统演化的基本概念信息：用以消除随机不确定性的东西，是现实世界各种现象建立联系的一种特殊形式。信号：是信息的载体，是发送信息的手段，信号的种类越多，变化规律越复杂，能传送的信息越多。信息是认识事物的知识，信号是信息的载体；信号不一定能反应事物真实的信息，存在噪声；信息的多少还取决于对信号分析的能力。如何理解信息和信号？信号时间序列：如果信号是以时间顺序排列的，即为××信号时间序列。从时间信号序列中可以看出变化方式，从而提取信息。一、系统演化的基本概念如何通过信号提取信息？由结构时空性质决定的；描述变化和演化的方法；如：封闭空间内感知四季；微震、滑坡位移信号时间序列等。一、系统演化的基本概念如何从信号时间序列中提取信息？①分析系统结构变化的主要信号。②引起结构变化的主要要素信号。④结构要素的时空变化规律。③信号时间序列分析。⑤系统演化阶段划分。输入来自系统的外部环境，是系统内部状态发生变化的作用。输入、输出、响应地质环境系统输入输出响应一、系统演化的基本概念并不是所有的作用都看作是输入，有些较小的就忽略不计了，看作是随机干扰输入可以是力的施加与撤除、热能的传导、物质的补充或减少描述输入作用大小、强度有对应的物理量和表征符号，称为输入信号。如果将输入按信号排列，就构成输入信号的时间序列。响应在输入的作用下，系统内部所产生的状态变化。输入、输出、响应一、系统演化的基本概念系统的响应可以是整个系统的宏观变化，也可以是系统的某一局部发生变化响应是系统为适应外界作用而产生的结构调整一个输入可能造成多种响应（或响应表现为多个方面）响应可以用相应物、能、力、化学等指标来表示，称为响应信号；响应过程用响应信号的时间序列来表达输出系统内部响应最终会对外界产生反作用，这种来自系统的作用称为系统的输出。输入、输出、响应一、系统演化的基本概念输出是指系统对环境的作用，而响应是系统内部的变化由于地质环境系统是开放的非线性系统，并不是输入什么就输出什么响应可以用相应的指标来描述，称为输出信号；其按时间顺序排列称为响应信号的时间序列输入信号时间序列的意义反映外界（环境）的作用强度、大小、方式的差异反映外界作用过程及规律输入、输出、响应有何意义？一、系统演化的基本概念响应信号时间序列的意义反映系统的动态变化系统演化的判据与输入信号时间序列结合，反映系统的自适应性和稳定性输出信号时间序列的意义可进行预测预警的指导若与输入相结合，可制约人类活动的措施信号时间序列中一些瞬间值偏离其长时间平均值，从而使整个时间序列呈现震荡（波动）的现象。涨落一、系统演化的基本概念如何根据信号时间序列判断系统状态？涨落是普遍存在的包括输入的涨落、响应的涨落和输出的涨落涨落的刻画——涨落值正常涨落在一个信号时间序列中，若不同时间段的信号均值趋于某定值，且均方差也趋于某定值，或者说，不同时段的均值和均方差各在某定值的较小领域内，且没有趋势性的变化，那么，这个信号时间序列的波动称为正常涨落。

涨落一、系统演化的基本概念在外界作用不断变化的情况下，系统响应的正常涨落是其保持自身稳定所必需的，也是系统自我修复、自我调节能力的体现如果某一地质环境系统宏观响应的时间序列具有上述特征时，可以判定该地质环境系统是宏观稳定的异常涨落当一个信号时间序列不同时段的均值不趋于某定值，均方差也不趋于某定值时，那么，这个信号时间序列的波动称为异常涨落。涨落一、系统演化的基本概念地质环境系统失稳的主要判据：地质环境系统由宏观的正常涨落变为异常涨落这一判据不仅适用于以渐变形式演化的地质环境系统，也适用与以突变形式失稳的地质环境系统。涨落一、系统演化的基本概念正常涨落和异常涨落的划分要注意时空尺度，在较小时空尺度上属异常涨落，放到较大时空尺度上就属于正常涨落，具体要以研究目的和研究对象而定。一、系统演化的基本概念二、地质环境系统演化的外部条件来自外部环境和人工子系统的输入是地质环境系统演化的动力；地质体的响应是地质环境系统演化的过程。地质环境系统由人和地质体共同组成——如何看待这个复杂系统？将地质环境背景视为地质环境系统；将人为活动和地表以上的大气、生物等作用处理为是地质环境系统的输入；地质体内部的岩（土）、水、气和地下生物的状态则视为输入产生的响应。二、地质环境系统演化的外部条件输入（复杂的外部环境）响应（多要素的系统）怎样作用？了解输入和响应信号变换的关系……综合考虑输入和系统响应的时间序列；明确主要输入变量和系统要素状态。滞后当某一信号输入时刻与其响应的初始时刻存在时间差的现象称为滞后现象。如：降雨——地下水位、滑坡；抽水——地面沉降信号变换的滞后、延迟与叠加效应二、地质环境演化的外部条件延迟某一输入信号所产生响应历时是长期的，将会持续一定的时间，这种现象称为延迟现象。如：地下水污染二、地质环境演化的外部条件信号变换的滞后、延迟与叠加效应叠加效应不同时刻的输入所形成的多个延迟过程会在时间和空间上叠加，这称为叠加效应。如：降雨——滑坡，有效降雨量二、地质环境演化的外部条件地质环境系统演化的外部条件①影响因素种类、个数的变化单输入—多输入；多输入—单输入。二、地质环境演化的外部条件②影响因素作用强度的改变微小变化—通过涨落化解—稳定；强度变大或变小。③影响因素作用速率的改变④影响因素排列次序的变化主导因素和次要因素的排序三、地质环境系统演化的内在机理地质环境系统演化的内在条件——系统的结构协同作用任何一种输入表面上可能被视为物理作用，其实是物理的、化学的乃至生物方面的全方位冲击。而且其中任一状态的变化结果，又会反过来影响其它状态，构成互为因果、连锁式的动力学过程，这种现象称为协同作用。

自组织在地质环境系统内部自发形成的，能够使物质运动的各种动力学过程通过协同作用，形成统一指向的行为称为自组织。协同作用是系统具有自组织能力的主要原因，而自组织又是系统保持稳定时空结构的根本原因。地质环境系统演化的表现形式渐变其状态的时间序列是连续的，没有间断点，整个时间序列往往具有明显的上升或下降的趋势。渐变的过程中，系统的结构、功能呈现缓慢的变化。伴随着这些变化，出现对人不利的地质环境问题。地质环境的渐变演化符合传统规律，可沿用系统稳定状态的数学方法进行预测。四、地质环境系统演化的几个阶段突变与渐变不同的是，突变前后的整个时间序列在某一处中断，或者说出现断点。突变强调的是变化的瞬间性、骤然性，指的是在可以忽略的时间间隔内完成的系统性质（结构、功能）的突然改变。突变往往引发突发性地质环境问题即地质灾害。

地质环境的突变问题具有多解性和难以预测性。目前可行的做法是刻画系统的整体状态、行为、特征的动力学变化，不刻意追究其内部细节的动力学过程。四、地质环境系统演化的几个阶段渐变与突变有何关系？①渐变与突变可以在同一系统中同时发生②渐变与突变的相互影响渐变的过程可能是突变过程的诱因，突变过程反过来又促进渐变过程的发展。③突变现象具有渐变的阶段大量研究表明，突变的的发生都有一定的前兆，即存在渐变发展的酝酿阶段，突变之前有一个加速渐变的过程。四、地质环境系统演化的几个阶段四、地质环境系统演化的几个阶段稳定状态地质环境系统处于稳定阶段时，其宏观的状态具有正常涨落的特点，此时，系统的结构、功能都是稳定、有序的。四、地质环境系统演化的几个阶段失稳状态系统原有的稳定性遭到破坏，宏观状态具有异常涨落的特点，属于非平稳的随机过程。四、地质环境系统演化的几个阶段稳定态重建地质环境系统由异常涨落转变为正常涨落，或者说从无序变为有序的过程称为稳定态重建阶段。地质环境系统的演化是不可逆过程，经过失稳阶段的系统不可能恢复到初始的宏观状态。三、地质环境系统演化的内在机理地质环境系统如何从稳定走向失稳？输入具备正常涨落的特点→地质环境系统响应正常涨落；输入变化很大→地质环境系统响应出现大涨落→巨涨落；自组织维护系统稳定→协同作用丧失→自由度增大→自组织破坏原有稳定；稳定阶段特点：时间序列服从大数定律，均值稳定，均方差小于均值；失稳阶段特点：均方差不断增加，大于均值。三峡库区一个滑坡系统的演化实例系统演化实例分析参考：殷坤龙教授,

ApracticeoflandslideriskmanagementintheThree-GorgesReservoir白水河滑坡位置图位于三峡大坝上游56Km位置系统演化实例分析地质背景纵长：600m横宽：700m滑体最大厚度:30m体积:1260×104m3

平均坡度:30°岩性:侏罗系泥岩和砂岩互层系统演化实例分析地质剖面系统演化实例分析获取信号的监测网络：

GPS

深部测斜

裂缝伸缩计

推力计（压力合）位移——系统演化的主要信号系统演化实例分析050100150200250300加速阶段累计位移降雨量

库水位变化

库水位第一次下降系统响应信号自然输入信号人工输入信号滑坡系统演化分析一般应该考虑以下的问题:哪些信号可用于分析系统的状态?滑坡所处的演化阶段?滑坡失稳时可能是何种模式?失稳后的强度有多大?对哪些区域有所影响?在受影响区域内有哪些对象(人口、经济实体等)，存在多大的风险?应该采取何种规避风险的措施?系统演化实例分析系统演化实例分析哪些信号可用于分析系统的状态?

累计位移

降雨

库水位

地表宏观变形2.滑坡所处的演化阶段?——突发性的地质灾害系统演化实例分析累计位移输入项的相应位移系统自身的趋势位移滑坡演化阶段的划分系统演化实例分析3.滑坡失稳时可能是何种模式?4.失稳后的强度有多大?——根据该滑坡的次级滑坡，可以在三峡库区内找到类似的滑坡例子①新滩滑坡1985.6.12

滑坡前滑坡后系统演化实例分析②千将坪滑坡2003.7.13

三峡水库蓄水后发生的第一个巨型岩质高速滑坡,滑坡体积约1500万m3.

系统演化实例分析——白水河滑坡很有可能是个大型高速滑坡。——发生在三峡水库，最大的危害或风险是什么?DamGuojiabaXietanXietanXinlingXinlingGuojiabaBaishuiheLandslide三峡大坝郭家坝新滩西陵峡关渡口白水河滑坡滑坡后形成的涌浪5.对哪些区域有所影响??

系统演化实例分析人员:375人,6村镇1个县,码头:38个船舶:130只轮船:33艘6.在受影响区域内有哪些对象(人口、经济实体等)，存在多大的风险?

系统演化实例分析2007.7.162007.7.31应该采取何种规避风险的措施?黄色预警橙色预警系统演化实例分析2007.8.1系统演化实例分析具体地措施1.成立灾害应急指挥小组.2.对受影响范围内人和船只等进行预警.3.突发事件的营救组织.涌浪影响区内预警网络通信的测试.5.加强滑坡监测.6.必要时封航.系统演化实例分析Disasterreliefheadquarterconsistsof政府部门:1.交通部门2.移民管理部门3.农业部