模拟最大熵法及其在水库泄洪风险计算中的应用

基于随机模拟(Monte-Corlo)和最大熵方法的优点,提出了风险计算的模拟最大熵法,并建立了相应的数学模型.将该方法应用于水库工程的泄洪风险计算,并对其计算结果进行了验证、分析和比较.结果表明,在信息相同的条件下,此方法不但可以充分利用已知条件,得到待求的概率分布及风险值,而且在计算速度上也比随机模拟方法快20多倍...     

基于堰前最高水位最大熵分布的施工导流风险模拟方法

为直观描述围堰运行期导流风险率函数,准确进行施工导流风险评估,利用洪峰和洪量联合分布,以熵最大为原则推求最高水位分布密度函数,结合导流建筑物泄流不确定性,随机模拟堰前最高水位序列,提出了基于堰前最高水位最大熵分布的施工导流风险模拟方法,并计算导流风险率。实例分析表明,该方法模拟的施工洪水能较好地反映实测洪水系列,所推求的堰前最高水位分布密度函数合理,能弥补传统施工导流风险模拟难以反映围堰使用近期实测洪水过程真实情况的不足,在保证准确性的前提下提高了风险计算效率与普适性,可为施工导流风险分析与方案决策提供依据。     

基于MEP和DEA的水资源短缺风险损失模型及其应用

本文基于最大熵原理(MEP)和数据包络分析(DEA)建立了水资源短缺风险损失模型,可模拟水资源的随机性和经济效益。首先利用最大熵原理模拟缺水量的概率分布函数;其次建立数据包络分析模型计算用水效益系数;最后建立水资源短缺风险损失函数。以北京市为例,研究多种不同来水条件下的风险损失。结果表明:2020年北京市水资源短缺风险损失在2006年的来水条件下将达到最大,约为740亿元;在2008年的来水条件下将达到最小,约为683亿元。2020年北京市水资源短缺风险期望损失约为268亿元,远低于2020年在1956—2012年来水条件下的水资源短缺风险损失的平均值。利用南水北调水和再生水后,2020年北京市在不同来水条件下的水资源短缺风险损失值和期望损失值均有大幅度的降低。     

最大熵分布扰动最近邻抽样随机模型在年径流随机模拟中的应用

年径流随机模拟是水资源系统规划设计和运行管理的依据。基于最近邻抽样随机原理,应用最大熵分布模型建立了最大熵分布扰动最近邻抽样随机模型。以陕西省神木站年径流量为例,进行了该站年径流的随机模拟。结果表明：文中方法可以保持序列的统计参数;最大熵分布扰动最近邻抽样随机模型是年径流随机模拟的一种新途径。     

最大熵分布扰动最近邻抽样随机模型在年径流随机模拟中的应用

年径流随机模拟是水利工程体系规划设计和运行管理的依据。基于最近邻抽样随机原理,应用最大熵分布模型,建立了最大熵分布扰动最近邻抽样随机模型。以陕西省神木站年径流量为例,进行了该站年径流的随机模拟。结果表明,应用文中方法可以保持序列统计参数的特性;最大熵分布扰动最近邻抽样随机模型是年径流随机模拟的一种新途径。     

基于最大熵原理的地下水开采降深风险分析

地下水开采风险研究是地下水资源管理中的一个重要课题。采用牛顿迭代法推导了最大熵密度函数,验证了最大熵原理的有效性及精度。根据地下水系统不确定性的特点和影响因素,建立了基于最大熵原理的地下水开采降深风险分析模型。采用该模型对某水源地进行地下水开采风险分析,同时用JC（验算点）法验证该模型的可靠性。计算结果表明,二者结果相差甚小,从而说明在地下水的开采降深风险分析中,最大熵模型具有较好的可行性和较高的可靠性。     

基于Markov状态切换理论的水环境系统随机模拟与风险评估

水质时序随机模拟是水环境系统风险分析与评价的有效途径，针对水质时间序列一般具有结构复杂性和演变过程非平稳性的特征，提出将马尔可夫状态切换-自回归模型（Markov Switching-Auto Regressive Model）用于水质时序的随机模拟和水环境系统的风险分析，并探讨了运用MS-AR模型进行水质时序随机模拟与分析的关键步骤。最后运用该模型和蒙特卡罗（Monte Carlo）方法，对天津果河桥断面的总磷浓度时序（1999年11月～2007年12月）进行了随机模拟和污染风险评价。结果表明，MS-AR模型有效识别出了该水质时序在演变过程中的不同结构模式，模拟出的总磷浓度序列能从总体上反映实测总磷时序的演变特征和动态变化趋势，克服了利用单纯统计理论进行水环境风险分析无外延性的不足。     

高速冲头有界入水初始阶段的数值模拟

冲头以高速撞入比它最大外径稍微大一点的盛水容器，在特殊工程中由撞水阻力起到制动作用。本文采用实用的方法处理自由面条件及狭缝两侧的物面条件计算了高速冲头有界入水初始阶段的运动过程。分别对不同质量、不同初始速度、以及不同外形的冲头入水过程进行了计算，得到了冲头阻力系数、以及速度和加速度的变化规律，分析了各因素对高速冲头有界入水效果的影响。数值模拟结果表明：这样处理边界条件对解决高速冲头有界入水问题是有效的     

在随机生产模拟过程中处理发电机组计划停运

提出一个改进的随机生产模拟算法，可在随机生产模拟过程中处理发电机组计划停运，并在原理上保证了计算结果的最优性,为随机生产模拟在发电计划中更广泛和有效的应用提供了条件。通过计算实例及与其他方法的比较进一步说明了所提改进算法及计算过程的有效性。     

基于Monte Carlo模拟方法的土方开挖回填计算研究

为更精确地进行施工场地土方开挖（回填）的计算与管理,基于Monte Carlo模拟方法模拟土方开挖（回填）断面面积的随机分布状况,计算出不同变异系数情况下的土方开挖（回填）量,并对照实际土方开挖（回填）量,分别与均值法和分段计算法进行比较分析。结果表明：土方计算采用均值计算误差最大,而分段计算法与Monte Carlo计算法的误差最小,最接近实际用量,并且随着变异系数的增大,土方计算量的计量相对误差受影响程度均增大。提出更为合理有效的土方计算方法,解决了分段法土方计量过程中收集、计算大量数据困难的难题。     

随机波浪力连续场的降维模拟

根据水质点的水平速度和加速度过程的功率谱密度,利用线性化的Morison方程,从平稳随机过程自相关函数的角度推导了随机波浪力的功率谱密度函数。在平稳随机过程的源谱表达基础上,通过将标准正交随机变量集定义为仅含1个基本随机变量的正交函数形式,实现了随机波浪力连续场的降维模拟。同时,结合快速傅里叶变换（FFT）技术,给出了随机波浪力连续场降维模拟的快速算法。应用该方法对某一单个小尺度直立圆柱桩所受的随机波浪力进行模拟,给出了随机波浪力过程的均值、标准差、自相关函数及互相关函数等数值特征,并与Monte Carlo方法的结果进行对比分析。研究表明,降维模拟方法具有较高的模拟精度与效率。     

Stochastic simulation of fluid flow in porous media by the complex variable expression method

A stochastic simulation of fluid flow in porous media using a complex variable expression method (SFCM) is presented in this paper. Hydraulic conductivity is considered as a random variable and is then expressed in complex variable form, the real part of which is a deterministic value and the imaginary part is a variable value. The stochastic seepage flow is simulated with the SFCM and is compared with the results calculated with the Monte Carlo stochastic finite element method. In using the Monte Carlo method to simulate the stochastic seepage flow field, the hydraulic conductivity is assumed in three different probability distributions using random sampling method. The obtained seepage flow field is examined through skewness analysis, and the skewed distribution probability density function is given. The head mode value and the head comprehensive standard deviation are used to represent the statistics of calculation results obtained by the Monte Carlo method. The stochastic seepage flow field simulated by the SFCM is confirmed to be similar to that given by the Monte Carlo method from numerical aspects. The range of coefficient of variation of hydraulic conductivity in SFCM is larger than used previously in stochastic seepage flow field simulations, and the computation time is short. The results proved that the SFCM is a convenient calculating method for solving the complex problems.     

均值一次二阶矩法在水质非突发性风险分析中的应用

正确认识、确定水质风险是进行环境管理的重要依据。本文将均值一次二阶矩法应用于水质非突发性风险计算 ,根据水质非突发性风险的性质和特点 ,给出了功能函数以描述水质的随机变化 ,确定水质非突发性风险概率。通过对新疆某水库水质风险的实例计算 ,结果表明均值一次二阶矩法在水质非突发性风险概率计算的应用具有一定的实用性     

三维随机渗流场下英德北堤防护工程渗透破坏风险分析

基于随机有限元法对英德市北堤防护工程进行了渗透破坏风险分析,并对新堤的安全性进行了评价。在分析中选取了旧堤以及新堤的典型堤段并建立相应计算模型,考虑了背水坡和临水坡两种破坏模式,然后利用可靠度理论对旧堤及新堤的渗透破坏概率进行求解,通过对比得出新建堤防发生渗透破坏的风险概率明显降低,最后求得旧堤和新堤的综合风险概率,结果表明新堤能满足安全性要求。更多还原     

3DGIS支持下的洪水淹没模拟与快速损失评估研究

洪水过程模拟和淹没损失计算是防洪会商中的重要环节,快速呈现洪水风险并估算淹没损失是保障决策会商时效性的基础。针对现阶段研究中洪水模拟效果单一且淹没计算耗时较长的问题,基于OpenSceneGraph图形框架搭建3DGIS环境,实现了三维环境下水体的四类淹没表达,提出了三维地形瓦片支持下的3D射线淹没损失计算方法,并以三峡库区洪水为例开展淹没模拟和损失评估。结果表明:在3DGIS环境下利用四类水体表达方法可从多角度反映洪水淹没风险,并可基于三维场景利用GPU性能加速淹没损失计算,在可接受的精度偏差范围内将计算耗时控制在1.5s左右,较传统方法大幅减少了计算耗时。该研究可提高防洪会商中风险识别与损失计算的效率,为防洪风险评估和应急转移提供支撑。     

基于EIT摩阻模型与随机摩阻模型的水击随机分析

在以往水击随机分析中,摩阻按确定量考虑,其影响往往被忽略;而实际的水击过程中,摩阻为非恒定值,为一不确定量,文中研究非恒定摩阻对随机水击波动过程的影响.从水击的基本方程出发,分别建立了基于广义不可逆热力学理论的水击随机模型(EIT摩阻模型)与含有随机摩阻项的水击随机模型(随机摩阻模型),采用矩特征线法对水击过程进行数值模拟.算例表明,与采用恒定摩阻的水击随机分析比较,本文提出的两种随机模型在计算最大水击压力值的同时,可以模拟水击压力的波动过程,而且随机摩阻模型的数值计算更为简便.     

三维裂隙网络渗流计算的边界元法及程序

岩体力学性质受结构面控制，表现出强烈的各向异性。同时工程地质师多年的实践认为岩石结构面是具有统计性的，因此岩体结构面网络模拟成为研究岩石力性质的新方向。其中裂隙网络渗流模拟，特别是三维裂隙网络的渗流计算是结构面网络模拟研究工作的重点和难点。又由于对于具有随机性裂隙网络渗流的计算，需要多次形成裂隙网络样本，并对每个样本进行多次计算，因此对渗流计算比确定性渗流提出更高的要求。本文基于将单个裂隙看作为一个不可压缩的二维各向同性多孔介质的假定，运用加权剩余法，推导了单裂隙渗流的边界单元法公式。通过将裂隙之间的交线看作为内部边界，推导了多裂隙相交时的边界单元法公式。利用FORTRAN 90语言编制了相应的计算程序BIEMNF。为验证程序的正确性，利用计算实例进行了考核。     

大流域洪水预报与洪水调度管理方法研究

采用水文学与水力学、确定与随机相结合的方法，研究大流域洪水预报与洪水调度管理。确定性模型采用降雨～径流模型的新安江模型和经验预报方案进行流域流量过程预报，一维非恒定流水力学方法进行河道流量与水位以及蓄滞洪预报。随机模型采用线性动态模型进行下断面水位实时预报，最小二乘递推模型进行误差实时校正。以长江支流修水流域为例，采用新安江模型、经验方案进行万家埠与柘林水库入库洪水预报作为水力学计算的上边界条件，采用一维非恒定流水力学方法进行河道洪水流量、水位计算以及分洪计算。该方法为流域的防洪减灾提供了科学的途径。     

基于EEMD-AR模型的丹江口水库年径流随机模拟与预报

基于水库历史年入库径流序列组分分析和识别,采用线性趋势回归检验法、有序聚类法、方差线谱法等方法,推求出序列趋势项、跳跃项及周期项等确定性成分,提出基于集合经验模态分解法(EEMD方法)的水库年径流自回归随机模拟模型(EEMD-AR),并应用于丹江口水库的年径流随机模拟和预报中。通过EEMD分解,解决了当丹江口水库历史年径流序列为非平稳序列时不能直接应用自回归模型(AR)进行随机模拟和预报的问题。模拟结果表明,EEMD-AR模型能较好地模拟丹江口水库年径流序列并保持原历史序列的统计特性,且模型预报精度符合要求。     

非线性随机水环境风险模型

本文在Shastry非线性水质模型的基础上，引入随机力的概念，建立水环境系统的随机微分方程。通过数值方法求解多维随机的偏微分方程得到概率密度分布函数，从而实现对水环境风险的初步研究，获得污染物超标风险率与超标时间长短的关系。通过实例计算表明：(1)不同的扰动强度对超标风险值影响不同，当扰动强度为0．5时，即使河段经过了18d的净化分解后，该河段的超标风险率仍高达65％；(2)BOD5削减50％或者DO初始浓度增加50％，将大大降低河段的超标风险值，对应不同的扰动强度，超标风险值将分别下降16％左右或23％左右；(3)对非线性条件下的多维随机微分方程分别采用显式差分和隐式差分进行求解，结果表明两种方法均能反映风险变化曲线的趋势，对超标风险值影响不大。