汾河水库土石坝渗流特性多模型预警研究

发布时间：2017-05-04 02:08

  本文关键词：汾河水库土石坝渗流特性多模型预警研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：全球性水资源开发力度和利用程度的加大，使大坝及其他类型水工建筑物的规模、数量扩大成为必然，但随之也带来了大坝频频失事的后果。法国马尔巴塞双曲拱坝、意大利瓦依昂拱坝及我国河南板桥、青海沟后水库等的失事，给国家经济发展和人民生命安全造成了不可估量的损失。根据国内外对大坝安全事故的统计分析，在世界所有坝型中土石坝发生溃坝最多，这与土石坝数量最多有关。土石坝失事的主要原因是洪水漫顶、渗透破坏、管道渗漏，表现为坝体、坝基渗漏、管涌、流土、塌坑等现象。因此，对土石坝进行渗流监测，通过分析渗流监测资料构建恰当模型来了解土石坝的渗流演变规律，并对土石坝异常情况的发生及未来运行性状做出预测意义重大。 本论文以山西省汾河水库土石坝渗流特性多模型预警研究为主线，主要研究内容包括：（1）渗流具有周期波动、随机波动、趋势性等特征，结合时间序列模型具有预测精度较高、先进统计性的优势，建立渗流一元非平稳时间序列模型；（2）经验模态分解法（Empirical Mode Decomposition，EMD）具有秉留原数据属性的特点，利用经验模态分解法对土石坝渗流监测数据进行分解，得到周期项与趋势项，结合时间序列分析方法建立基于EMD分解的渗流时间序列混合模型；（3）集合经验模态分解法（EnsembleEmpirical Mode Decomposition，EEMD）具有消除混频、平稳化数据的特点，利用集合经验模态分解法对土石坝渗流监测数据进行分解，建立基于EEMD分解的渗流时间序列混合模型；（4）以山西省汾河水库为工程实例，将以上三种模型应用于汾河水库左坝岸渗流量的预报中，比较各模型的拟合结果与预报精度，为土石坝渗流模型的构建及安全运行提供技术支持。 经研究分析，本论文(1)提出了时间序列模型（ARI）、基于EMD分解的渗流时间序列混合模型（EMD-ARI）和基于EEMD分解的渗流时间序列混合模型（EEMD-ARI），并将三种模型应用于对汾河水库左坝岸渗流量的拟合与预报中；（2）采用相对误差（RE）、残差平方和（SSE）、拟合优度（R2）、平均绝对百分比误差（MAPE）四个指标对三种模型进行检验，结果表明EEMD-ARI模型的拟合效果与预报精度最优，EMD-ARI模型次之，ARI模型为三者中最差；（3）结合模型残差图进一步验证了EEMD-ARI模型的拟合效果优于EMD-ARI模型，EMD-ARI模型优于ARI模型的结论；（4）EEMD-ARI模型可用于汾河水库左坝岸渗流量的预报中，可为大坝渗流混合模型的构建及大坝安全运行决策支持系统的开发提供技术支持。 本论文结合工程实际的渗流预警模型研究成果对土石坝安全运行状态监控及模型构建具有一定的借鉴意义，具备一定的推广应用价值。
【关键词】：汾河水库 时间序列分析 EMD分解 EEMDf分解 渗流预报
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV641
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 研究目的及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-13
• 1.3 研究内容13-14
• 1.4 研究技术路线14-16
• 1.5 本章小结16-17
• 第二章 经验模态分解理论研究17-26
• 2.1 瞬时频率17-19
• 2.2 固有模态函数19-20
• 2.3 经验模态分解20-25
• 2.3.1 EMD 基本理论20-22
• 2.3.2 EMD 方法存在的问题22-23
• 2.3.3 EMD 算法流程图23-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第三章 集合经验模态分解方法26-32
• 3.1 EEMD 基本理论26-27
• 3.2 EEMD 参数讨论27-28
• 3.3 工程应用28-31
• 3.3.1 EMD 分解28-29
• 3.3.2 EEMD 分解29-30
• 3.3.3 渗流量监测数据30-31
• 3.4 本章小结31-32
• 第四章 时间序列分析基本理论32-46
• 4.1 时序分析统计特征32-36
• 4.2 时间序列检验36-38
• 4.2.1 数据图检验法36
• 4.2.2 自相关函数检验法36
• 4.2.3 ADF 单位根检验法36-38
• 4.2.4 纯随机性检验38
• 4.3 ARMA 模型38-45
• 4.3.1 ARMA 模型结构39-40
• 4.3.2 ARMA 模型识别40-42
• 4.3.3 ARMA 模型定阶42
• 4.3.4 ARMA 模型参数估计42-43
• 4.3.5 ARMA 模型检验43-44
• 4.3.6 ARMA 模型预测44-45
• 4.4 本章小结45-46
• 第五章 汾河水库土石坝渗流预警模型研究46-77
• 5.1 工程概况46-48
• 5.1.1 汾河水库工程概况46-47
• 5.1.2 汾河水库渗流监测现状47-48
• 5.2 汾河水库渗流 ARI 模型48-53
• 5.2.1 ARI 模型建立48-52
• 5.2.2 ARI 模型预报52-53
• 5.3 汾河水库渗流 EMD-ARI 模型53-59
• 5.4 汾河水库渗流 EEMD-ARI 模型59-64
• 5.4.1 AR/ARI 模型建立59-62
• 5.4.2 EEMD-ARI 模型建立62-64
• 5.5 汾河水库渗流模型成果对比分析64-68
• 5.5.1 三模型检验结果对比分析64-66
• 5.5.2 三模型残差对比分析66-68
• 5.6 模拟软件的功能界面及程序开发68-76
• 5.6.1 SAS 软件操作界面68-69
• 5.6.2 ARI 模型程序开发69-71
• 5.6.3 ARI 模型输出窗口71-72
• 5.6.4 EMD-ARI 模型程序开发72-73
• 5.6.5 EMD-ARI 模型输出窗口73-74
• 5.6.6 EEMD-ARI 模型程序开发74-75
• 5.6.7 EEMD-ARI 模型输出窗口75-76
• 5.7 本章小结76-77
• 第六章 结论与展望77-80
• 6.1 结论77-79
• 6.2 展望79-80
• 参考文献80-84
• 致谢84-85
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的主要科研项目85-86

【参考文献】

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