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《吉林大学》 2012年
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基于支持向量机—可拓学的三峡库区丰都县水库塌岸预测研究

张文春  
【摘要】:长江三峡水库自2003年6月开始分三阶段蓄水,历经135m、156m和175m的蓄水过程,坝前水位运行在145m~175m之间。长江三峡水利工程已经在发电、航运、供水、抗旱、防洪、生态等方面显现良好的效益。三峡库区地处鄂西渝东,库区地质条件复杂,并易受暴雨等因素影响,一直是滑坡、崩塌及泥石流等地质灾害多发地区。自2003年开始蓄水以来,库区滑坡等地质灾害活动趋于频繁,灾害加剧。长江三峡水库为山区河道型水库,库岸的总长度约5300km,其中441km库岸段稳定性较差。三峡水库蓄水后,库区145m~175m范围内库岸自然条件发生显著变化,造成侵蚀基准面和地下水位的抬高,库水浸泡时间变长、涨落幅度增大、地下水动力作用加强,加快库岸塌岸进程,对库岸人民生命财产和生产生活、生态环境、水库运营等造成严重影响,塌岸是影响三峡库区的重大地质灾害问题。 国内外水库塌岸研究成果更多地集中于土质岸坡为主的平原地区冲磨蚀型水库塌岸问题,对三峡库区这类山区河道型水库塌岸研究相对不足,急需建立起适合于三峡库区的水库塌岸预测模型和方法体系。工程技术人员和学者已经广泛开展针对三峡河道型水库特点的库岸稳定性评价研究,从不同角度提出了塌岸预测方法,但研究普遍处于探索阶段,还需要不断深入研究和实践验证。 论文以承担的三峡库区坡岸地质条件调查项目为基础,经过对三峡水库重庆段库区现场地质条件调查研究,概述了丰都县自然地理和水文地质情况,对丰都县长江干流及主要支流库岸的工程地质条件进行详细的调查研究,对影响岸坡稳定性的主要因素进行归纳研究,结合既有研究成果与现场地质调查资料,研究了影响丰都县水库塌岸破坏模式,对塌岸评价预测参数量化和取值进行研究,基于非线性理论方法建立水库塌岸非线性评价预测模型和方法体系,为三峡水库地质灾害防治工程提供依据。 论文首次建立了基于核主成分—最小二乘支持向量机—可拓学的非线性水库塌岸评价预测模型,以丰都县岩质岸坡为研究对象,对156m和175m蓄水位的水库塌岸进行了预测研究。论文在核函数理论研究的基础上,利用核函数强大的非线性数据的处理和挖掘能力,对水库塌岸的影响因素进行了降维处理。在Matlab软件平台上,利用基于核函数的主成分分析算法对丰都县塌岸的主要影响因素进行提取,并取得了良好的效果。为基于最小二乘支持向量机和可拓学塌岸预测研究奠定基础。论文对最小二乘支持向量机的基本理论,多类分类问题,及核函数的选取及优化行了研究。在Matlab平台上构建了最小二乘支持向量机水库塌岸预测模型,采取“一对多方法”方法分别对156m和175m蓄水位的水库塌岸范围进行预测,并对库岸稳定性进行评价,将预测评价结果与经验公式计算结果对比表明,预测取得了良好的结果。以可拓学理论为基础,论文研究了可拓评判建模过程及方法,进行了权重系数的修正,运用水库塌岸可拓评判方法软件完成了论文中的相关成果运算,经过反算测试证明,程序计算得出的预测结果成果正确,程序算法合理,实现了良好的预测评价效果。 以丰都县库岸岩质岸坡为例,应用论文中建立的水库塌岸非线性预测模型对156m和175m蓄水位库岸可能发生塌岸的影响范围进行了预测,并对库岸稳定性等级进行了评价。利于地理信息系统及可视化技术,对库岸进行三维可视化,做为定性的辅助分析。经过对比、分析、研究可知,基于非线性评价的结果比传统方法所得结果更符合水库库岸实际,更客观合理。研究成果可为丰都县及三峡库区其它水库塌岸预测及库岸防治工程提供研究参考。 通过对三峡库区丰都水库塌岸预测研究,取得了以下主要成果和结论: 1.采用非线性的理论方法,首次建立了基于核主成分—最小二乘支持向量机—可拓学的非线性水库塌岸预测模型。该模型可以针对不同结构类型、不同塌岸模式、不同蓄水位的坡岸进行塌岸预测与库岸稳定性评价,模型可普遍用于山区河道型水库塌岸预测,可移植性好。 2.主成分理论对丰都县岩质岸坡的库岸稳定性影响因素进行降维,Matlab软件平台上,利用基于核函数的主成分分析算法对丰都县水库塌岸主要影响因素进行了提取,在影响高程及宽度的11个影响因素和库岸稳定性的影响13个因素中,分别提取出7个和9个主成分最强相关的因素,计算结果核主成分可以代替原始影响因素进行评价预测。 3.首次引入基于最小二乘支持向量机方法进行水库塌岸及影响高程、宽度预测,就丰都县14个调查区段的各塌岸风险坡段,分别对156m和175m蓄水位条件,分别采用最小二乘支持向量机和可拓学两种非线性方法进行水库塌岸影响范围预测和稳定性评价计算。 4.通过对最小二乘支持向量机和可拓学两种方法的塌岸预测结果对比分析可知,二种非线性水库塌岸预测结果基本相似,并与野外实际调查结论相符。验证了非线性理论处理水库塌岸问题的能力,说明采用非线性理论构建山区河道型水库塌岸预测模型是科学可行的,研究方法具有创新性,具有应用和推广的价值,体现了论文选题与研究具有科学意义和实用价值。 5.基于ARCGIS地理信息平台,引入地理信息可视化技术,对库岸滑坡体进行三维可视化,进行辅助分析。应用三维可视化分析得出与预测结果基本吻合的分析结论,增加了塌岸预测与稳定性评价的直观性,为塌岸预测范围的定量化预测提供能力提升空间。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:P642.22

【参考文献】
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