一种地下水数值模拟的多模型构建方法技术

本发明专利技术公开了一种地下水数值模拟的多模型构建方法，包括如下步骤：(1)根据原始地形资料及现实测地形数据，构建模型1#和模型2#；(2)根据收集及原位水文地质试验获取的渗透系数数据，生成渗透系数对数的初始平均值及初始方差，并按AM‑MCMC算法生成每组样本，每组样本中包含对应网格数的渗透系数对数值，将每组对数值进行转化并输入模型1#进行模拟计算，根据模拟计算的接受条件筛选含一定数据的100组参数并获取相应输出数据；再将筛选好的100组参数输入模型2#获取相应输出数据；(3)依据AICc准则进行分析，基于AICc准则计算模型概率或权重来分析模型的最优取值区间；本发明专利技术提高了地下水模拟模型精度，为地下水环境自净模拟研究提供了一个基础模型。

A multi model construction method for groundwater numerical simulation

The invention discloses a method for constructing multi model of groundwater numerical simulation, which comprises the following steps: (1) according to the original terrain data and real measured topographic data, construction of model 1# and model 2#; (2) according to the data collected in situ and the permeability coefficient of hydrogeological test, formation permeability coefficient of the average and logarithm the initial variance, and according to the AM MCMC algorithm to generate samples, the permeability coefficient of each sample contains the corresponding grid number on each of the numerical value transformation and input model of 1# is simulated based on the calculated parameters group received 100 screened with certain data and obtain the corresponding output data; the 100 group parameters the screening of good input model 2# to obtain the corresponding output data; (3) according to AICc criterion analysis, probability model or weights analysis model calculation based on AICc criterion most The invention improves the accuracy of the groundwater simulation model, and provides a basic model for the simulation study of groundwater environment self purification.

【技术实现步骤摘要】
一种地下水数值模拟的多模型构建方法
本专利技术涉及地下水数值模拟多模型研究领域，具体涉及一种地下水数值模拟的多模型构建方法。
技术介绍
地下水模拟技术已成为研究地下水环境各类问题的主要方法。地下水模拟过程首先是对研究对象的地质和水文地质条件高度概化并得到一个理想的物理模型，再用简洁的数学语言去刻画它的数量关系和空间形式，使它能够反映研究对象的地质、水文地质和地下水动力特征，从而达到数值再现实际水流系统基本情况的目的。水文地质参数的空间变化是水流及溶质运移模拟不确定性的主要原因。非均质性是介质渗透性参数的普遍特征，研究渗透性参数的非均质特征以及由此引起的空间变异性是研究地下水渗流和溶质运移的基础。水文地质模拟过程中第一步并是地下水系统的概化，也是在模拟中最为关键的一步。如美国科学院院士Anderson就强调“模型预报未来的失败不是由于模型中数值或理论上的缺陷，或者确切地说，预报中的错误是由于概念模型有错。王浩院士在总结地下水数值模拟的方法论时指出，地下水数值模型仅是定量刻画地下水系统的工具，模拟结果的合理性和可靠性最主要取决于水文地质概念模型的合理概化，如含水层结构，边界条件等，而非仅仅依靠模型方法本身。对地下水系统的概化从系统论的观点相当于构建一种系统结构，输入经过系统的变换而产生输出，这种变化就取决与系统的结构。研究表明，在同等降水条件下，不同的地下水系统，由于其岩层、构造、地貌及边界条件不同，地下水渗流场中的流向及水力梯度的变化各不相同。所以地下水模型的建立，应该充分考虑模型概化的不确定性。传统多模型分析遵循下面的主要步骤：①考虑构建模拟区多个可能的模型；②在相同观测数据条件下校正这些模型；③使用某种准则对模型进行排序；④去掉可能性小的模型；⑤对余下模型得到的预测值与统计量进行权重分析。这种多模型分析存在数据处理量大、处理步骤多的问题；且这种多模型分析对地下水模拟的高度概化与水文地质条件及问题本身复杂性的不协调，导致地下水模拟不确定性问题的出现，引起模拟预测结果与实际情况的偏差，致使地下水环境问题的评估及治理决策存在风险。
技术实现思路
本专利技术的目的是：针对现有技术的不足，提供一种地下水数值模拟的多模型构建方法，以期提高地下水模拟模型精度，为地下水环境自净模拟研究提供基础模型。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案概述如下：一种地下水数值模拟的多模型构建方法，包括如下步骤：(1)根据原始地形资料及现实测地形数据，构建模型1#和模型2#，模型1#为考虑堆填体对原始地形的改变，模型2#为原始地形；(2)根据收集及原位水文地质试验获取的渗透系数数据，生成渗透系数对数的初始平均值及初始方差，并按AM-MCMC算法生成每组样本，每组样本中包含对应网格数的渗透系数对数值，将每组对数值进行转化并输入模型1#进行模拟计算，根据模拟计算的接受条件筛选含一定数据的100组参数并获取相应输出数据；再将筛选好的100组参数输入模型2#获取相应输出数据；(3)依据AICc准则进行分析，基于AICc准则的参数识别是利用步骤(2)得到的模型1#和模型2#的输出数据来计算平均模型预测值及模型残差，并通过排列模型，计算模型概率或权重来分析模型的最优取值区间。进一步地，所述AM-MCMC算法是将参数组看成多维的向量抽取新的参数向量样本时，第i步参数的分布为均值θi、协方差为Ci的多元正态分布，其中,协方差公式为式1，在i0初始迭代中，协方差矩阵Ci取固定值C0，之后自适应更新：式中：i0—初始化阶段的样本数；C0—初始协方差；Ci—第i步参数分布的协方差；其中，ε—较小的数，确保Ci不成为奇异矩阵；sd—比例因子，依赖于参数空间维度d，以确保接受率在一个合适的范围内；Id—d维的单位矩阵，本次研究中ε＝10-5，sd＝2.42/d，d为参数个数；第i+1次迭代，由公式1推出协方差公式2：式中：Ci+1—i+1步参数分布的协方差；—前i-1和i次参数的均值；A-M算法采样具体过程如下：①按先验分布随机产生初始样本θ0；②利用公式计算Ci；③产生参数值θ*～N(θi，Ci)；④计算接受样本条件如式3：式中：n—观测数据个数；F(θi+1)—模型参数取值为θi+1得到的模拟值；Y为观测值向量；K—样本输出数据残差平方均值接受范围，取水位年纪动态变化值；⑤重复步骤②～④，直到取得足够多的样本为止。进一步地，所述AICc信息量的计算式如式4-6：式中：Si及—残差平方和及最优目标函数值的残差平方和；σi2及—残差平方均值及最优目标函数值的残差平方均值；k—待估参数个数；得到AICc之后，用模型的AICc值减去所有备选模型中的AICcmin，计算每个模型的Delta值△i，如式7：Δi＝AICci-AICcmin(式7)最后根据Delta值计算模型的后验概率ωi，R是参加多模型分析得备选模型总数，如式8：相对于现有技术，本专利技术所产生的有益效果：1、本专利技术将AM-MCMC算法及AICc信息量准则结合构建的多模型分析方法可综合分析模型不确定性及参数不确定对模型精度的影响，充分考虑了模型概化的不确定性，提高了地下水模拟模型精度，为地下水环境自净模拟研究提供了一个基础模型，同时可分析各因子对模型影响的敏感程度；2、本专利技术中的A-M算法的接受条件由似然函数求解的后验概率，修正为更直接的残差平方是否在预设的值域范围，将传统多模型分析的5个步骤缩减至3个步骤，减少了数据量，提高了模型校验效率。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步说明。图1是实施例中参数在采样过程中均值的迭代迹线图；图2是实施例中参数在采样过程中方差的迭代迹线图；图3是实施例中45000个参数样本的采样过程中随机样本的参数对数值分布图；图4是实施例中45000个参数样本的采样过程中相应渗透系数对数值的相对频率分布图；图5是实施例中模型1#计算模型地下水位众数、95％置信区间(阴影区域)与观测值分布图；图6是实施例中不同精度模型比例图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术的实施方式包括但不限于下列实施例。实施例对位于成都平原区金马河的一级阶地进行地下水数值模拟的多模型构建，包括如下步骤：(1)模型概化及边界条件设置研究区位于成都平原区金马河的一级阶地，下伏含水层为第四系全新统冲洪积层砂卵砾石孔隙潜水(Q4al+pl)，根据钻探成果及模拟区原位水文地质试验，研究区含水层厚度约为20m，东侧为当地最低侵蚀基准面金马河，地下水由北西向南东径流。区内1995年运营生活垃圾填埋场，2010年停止堆填，2013年采取封场措施，至今原始地形地貌已发生改变，根据收集的原始地形资料及现堆填区实测地形数据对比，堆填区经过削坡、整形等封场措施后高于原始地形约9m。地表高程及坡降等因素的改变将对地下水补给条件产生影响，文中将以地形地貌的差异构建模型1#和模型2#，模型基本参数取值如表1，构建模型范围X×Y：1000×900(X为南北向，Y为东西向)，网格为10×10m，根据水文地质条件及钻探成果，含水层厚度平均厚度为20m，研究区多年平均降雨量为1243mm，研究区位于岷江片区第四系冲洪积扇顶，根据水文地质特征及多年水文资料统计，平均降雨入渗系数为0.186，模型设置rech本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种地下水数值模拟的多模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据原始地形资料及现实测地形数据，构建模型1#和模型2#，模型1#为考虑堆填体对原始地形的改变，模型2#为原始地形；(2)根据收集及原位水文地质试验获取的渗透系数数据，生成渗透系数对数的初始平均值及初始方差，并按AM‑MCMC算法生成每组样本，每组样本中包含对应网格数的渗透系数对数值，将每组对数值进行转化并输入模型1#进行模拟计算，根据模拟计算的接受条件筛选含一定数据的100组参数并获取相应输出数据；再将筛选好的100组参数输入模型2#获取相应输出数据；(3)依据AICc准则进行分析，基于AICc准则的参数识别是利用步骤(2)得到的模型1#和模型2#的输出数据来计算平均模型预测值及模型残差，并通过排列模型，计算模型概率或权重来分析模型的最优取值区间。

【技术特征摘要】
1.一种地下水数值模拟的多模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据原始地形资料及现实测地形数据，构建模型1#和模型2#，模型1#为考虑堆填体对原始地形的改变，模型2#为原始地形；(2)根据收集及原位水文地质试验获取的渗透系数数据，生成渗透系数对数的初始平均值及初始方差，并按AM-MCMC算法生成每组样本，每组样本中包含对应网格数的渗透系数对数值，将每组对数值进行转化并输入模型1#进行模拟计算，根据模拟计算的接受条件筛选含一定数据的100组参数并获取相应输出数据；再将筛选好的100组参数输入模型2#获取相应输出数据；(3)依据AICc准则进行分析，基于AICc准则的参数识别是利用步骤(2)得到的模型1#和模型2#的输出数据来计算平均模型预测值及模型残差，并通过排列模型，计算模型概率或权重来分析模型的最优取值区间。2.如权利要求1所述的一种地下水数值模拟的多模型构建方法，其特征在于，所述AM-MCMC算法是将参数组看成多维的向量抽取新的参数向量样本时，第i步参数的分布为均值θi、协方差为Ci的多元正态分布，其中,协方差公式为式1，在i0初始迭代中，协方差矩阵Ci取固定值C0，之后自适应更新：式中：i0—初始化阶段的样本数；C0—初始协方差；Ci—第i步参数分布的协方差；其中，ε—较小...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋凯，刘丹，刘建，任旭，王飞，白雪，
申请(专利权)人：宋凯，刘丹，刘建，任旭，王飞，白雪，
类型：发明
国别省市：四川,51