基于照明度的广域电磁观测系统优化分析

从电磁正演模拟结果出发,引入了地震勘探中“照明度”的概念,提出了电磁勘探的照明度定义及特征函数等。对照明度的地表平面特征、随深度变化特征和随频率与大地电阻率的变化特征进行了模拟分析,总结了其规律。通过分析,对广域电磁法的观测系统提出了优化建议,对野外测量的偏移角度和范围提供了借鉴。     

耦合有限单元法扩边的直流电阻率勘探无单元Galerkin法正演

本文分析了目前直流电阻率正演模拟中的无单元Galerkin法（EFGM）和有限单元法（FEM）的优缺点,针对采用第一类边界条件需要足够大的计算域时EFGM计算成本高的问题,在计算域外围区域采用FEM扩边,提出了直流电阻率的无单元Galerkin-有限单元耦合法（EFG-FE）.采用具有Kronecker delta函数性质的径向基点插值法（RPIM）构造EFGM形函数,在外围区域将EFGM与FEM直接耦合,无需其他处理手段,消除了传统EFGM与FEM耦合中存在的界面耦合困难.EFG-FE将模型计算域分割为EFGM区域和FEM区域,模型核心区域采用EFGM计算,发挥EFGM灵活性、适应性强和高精度的优点,使得模型建立简单方便,对任意复杂地电模型适应性强,同时获得高精度模拟结果.在模型计算域外围采用快速扩展的FEM单元网格进行剖分,利用其数值稳定性和高效性,使用少量FEM节点和单元网格将计算域大范围扩大满足第一类边界条件,同时不大幅增加计算成本,进而提高计算效率.最后,通过不同正演方法的模型算例的模拟结果对比,验证了本文提出的EFG-FE有效可行,其模拟结果具有很高的模拟精度,且相比于采用第三类边界条件的EFGM提高了计算效率,具有更好的模拟性能.

     

基于正则化约束项的球坐标系大地电磁快速正演

随着跨大陆尺度的大地电磁（Magnetotellurics,简称MT）勘探的广泛开展,为了克服地球曲率带来的误差,有必要开展基于球坐标系下的3D MT正反演研究.该类正、反演问题的一个重要特点是所采用的频率往往比较低,在电磁场满足的偏微分方程中跟电导率有关的项几乎可以忽略.当采用数值方法进行该类电磁正演时,由于数值离散误差,正演算法无法模拟电性变化带来的电荷积累.因此在采用迭代求解器求解该类正演问题时,即使采用了传统的迭代电流散度校正技术,迭代求解器的收敛依然很慢.针对以上问题,本文显式地将散度校正项添加到原始控制方程中来对控制方程进行约束（为方便称之为正则化约束项）,以保证每次迭代电流的散度为零.此方法避免了额外求解散度方程,以期显著提高球坐标系下3D MT正演效率.在正演中,采用球谐函数高阶项P₁⁰来近似MT的场源,在球坐标系下对加入了正则化约束项的正演方程进行有限差分离散.本文首先设计了一个一维层状结构模型,对本文所提算法的数值解与解析解进行了对比.然后设计了一个简单低阻模型和一个基于实测数据反演结果的Cascadia模型,测试了本文算法的数值表现.通过结果对比,验证了本文算法的正确性.数值表现测试结果显示相比于传统算法,本文算法在计算时间和迭代次数上都显著减少,而且不会随周期变化而发生显著变化.

     

基于几何多重网格预条件技术的三维大地电磁高效正演模拟

几何多重网格法(GMG)将细网格上的大型稀疏矩阵的求解转化为较粗网格上的更容易求解的问题, 从而快速求解大型稀疏方程组.但是由于大地电磁法(MT)正演模拟中涉及双旋度算子, 传统GMG无法有效平滑高频误差导致其收敛慢甚至发散.为此, 我们引入了四色分块高斯赛德尔法(GS)作为平滑算法, 该算法局部满足电流散度为零的条件, 无需额外的散度校正且具有高度并行性, 可以显著提高GMG的收敛效率.但是随着系数矩阵各向异性(比如电导率的强烈变化等)增加, GMG收敛速度会变慢.Krylov子空间求解法如稳定双共轭梯度法(BiCGstab)可以改善这种收敛变慢的问题.因此, 在本文中针对交错网格有限差分法(FDM)提出了一种结合四色分块GS平滑算法GMG和BiCGstab的MT高效正演模拟方法.在该方法中, 将四色分块GS平滑算法GMG作为BiCGstab求解器的预条件技术, 从而显著提高正演效率.我们设计了一个层状电阻率模型, 通过与其解析解对比验证本文所提算法的正确性.然后设计了一个双异常体电阻率模型和一个Dublin模型1(DTM1), 基于BiCGstab, 对比了GMG预条件技术与其他传统预条件技术的数值表现, 如超松弛预条件技术(SSOR)、分块不完全LU分解预条件技术(block ILU)和高斯赛德尔预条件技术(GS).结果显示本文提出的算法在迭代次数, 计算时间和稳定性方面都远远优于传统预条件技术.对于所有例子, GMG预条件技术均能在10次以内达到收敛, 计算时间比传统预条件技术减少70%以上, 显示了本方法的稳定性和高效性.

     

大地电磁法的1D无偏差贝叶斯反演

应用贝叶斯理论对一维(1D)大地电磁反演问题进行无偏差不确定度分析。在贝叶斯理论中,测量数据和先验信息包含在后验概率密度函数(PPD)中,它可以解释成模型的单点估计和不确定度等贝叶斯推断,这些信息的获取需要对反演问题进行优化求最优模型和在高维模型空间中对PPD进行采样积分。采样的完全、彻底和效率,对反演结果有着重要的影响。为了使采样更有效、更完全,数值积分采用主分量参数空间的Metropolis Hastings采样,并采用了不同的采样温度。在反演中,同时采用了欠参数化和超参数化方法,数据误差和正则化因子被当成随机变量。反演结果得到各参数的不确定度、参数间的相关关系和不同深度模型的不确定度分布。COPROD1数据的反演结果表明模型空间中存在双峰结构。非地电参数在反演中得到了约束,说明数据本身不仅包含地球物理模型信息(电导率等),还包含了这些非地电参数的信息。     

起伏地形三维激电连续介质模型快速反演

为提高起伏地形三维激电数据的反演解释精度和处理效率,笔者开展了连续介质模型快速反演方法研究。针对起伏地形连续电性介质模型,提出了四面体单元电性参数分块线性连续变化的参数化方法。在反演中对模型参数施加光滑和背景约束信息,以提高反演的稳定性和分辨率。通过采用降低反问题的维数、压缩存储线性反演方程各矩阵的元素以及将互换原理和拟牛顿法相结合的方式计算偏导数矩阵等手段,可有效地加快反演的计算速度。最后,为验证反演方法的有效性,对2例地电模型进行反演试算,计算结果表明：反演耗费时间较少,仅迭代6次拟合差便趋于稳定,反演结果能较好地刻画异常体形态,编制的反演解释软件可用于实际生产。     

五极纵轴激电测深三维有限元正演模拟

本文研究了五极纵轴激电测深三维有限元正演模拟方法。首先,从三个点电流源总电位的边值问题出发,导出了异常电位的边值问题,证明了与异常电位的边值问题对应的变分问题。然后,基于三维连续电性介质模型,推导了有限元法求解变分问题的计算过程,编制了五极纵轴激电测深的三维模拟程序。最后,通过模拟水平层状介质模型的五极纵轴激电测深曲线,发现最大相对误差小于0.25%,耗费时间为18 s;从精度和效率的角度验证了算法和程序是正确的,为后续模拟复杂地电模型五极纵轴激电测深曲线、分析曲线异常特征规律以及开展反演工作奠定了基础。     

关于分期设计洪水分析计算及分期防洪发电控制运行的研究

本文对四川龙溪河梯级和大洪河电站水库的分期设计洪水及分期防洪，发电，进行了较为全面的综合研究，研究成果可显著增中发电的经济效益和社会效益。     

基于BTTB矩阵的快速高精度三维磁场正演

本文改进了一种快速、高精度空间域三维正演算法,用来计算地下场源在水平观测面产生的磁异常ΔT场及其梯度场,以解决传统空间域正演计算效率低的问题.算法采用长方体对场源区域进行剖分,观测点与场源剖分单元体中心点在水平面上的投影重合.改进的算法具有以下三个特点：（1）采用无解析奇点的解析解公式计算磁异常,保证计算精度.（2）通过构造特殊的分块托普利兹（BTTB,Block-Toeplitz Toeplitz-Block）矩阵,利用其结构特性压缩核矩阵,并且用预先计算并存储中间变量,优化计算核矩阵的过程以提高计算效率.（3）基于BTTB矩阵的特殊性质,将核矩阵与磁化率向量的乘积转化为二维离散卷积的形式,因此能利用快速傅里叶变换进一步提高计算效率.模型实验显示,当剖分个数较多时,改进的快速正演算法比传统解析解方法快约5个数量级,比现有的8点高斯-快速傅立叶变换（Gauss-FFT）正演算法快约两个数量级,而且绝对误差极小（最大约为10^-6 nT）,同时将反演时核矩阵的内存占用降低约5个数量级,证明了该正演算法具有高精度、高效率、低存储量的优点.最后设计了一个合成模型实验,将改进后的快速正演算法运用到磁异常ΔT反演中,反演所得三维磁化率与真实模型特征一致,且大幅降低反演计算时间和内存占用,验证了快速正演算法的实用性.