基于PINNs算法的一维潜水流方程的渗流参数反演

在地下水领域中,渗流参数反演有助于了解地下水流动的性质,帮助确定地下水资源的分布、移动和质量,这对于地下水资源管理、水文模型开发和地下水补给的可持续性非常重要.近年来,神经网络方法快速发展,然而其针对潜水流渗流参数反演的研究较少.基于此,首次将物理信息神经网络(Physics-Informed Neural Networks,PINNs)方法结合软硬约束设置来解决潜水含水层渗透系数反演问题,以一维稳态非均质潜水流以及非稳态均质潜水流(含溶质运移)的渗透系数反演为例,对比了不同问题中PINNs软约束方法(PINNs-S)和硬约束方法(PINNs-H)反演渗透系数的表现.PINNs算例结果表明,PINNs算法反演渗透系数具有较高的计算精度.此外,PINNs硬约束算法和软约束算法各有优劣,在实际应用中应根据具体问题和实验效果来合理选择.

岩土工程渗流参数反问题

系统介绍了目前国内外岩土工程渗流参数反问题研究的现状和进展,对参数辨识不适定性等问题做了讨论,并结合计算实践着重对几种典型求解方法的优缺点进行了比较和评述。对今后岩土工程渗流反问题研究提出了初浅的看法。

三角洲储层渗流参数动态模型研究—以胜坨油田二区下第三系沙二段8^3小层为例

以注水开发 3 6年的胜坨油田二区下第三系沙二段 83 小层的三角洲储层为例 ,应用岩心分析和渗流物理模拟数据 ,研究了渗流参数随注水开发的变化规律和机理 ,建立了渗流参数的润湿性模型、孔隙结构模型和相对渗透率模型。研究结果表明 ,随着注水开发程度的加深和综合含水率的提高 ,该储层岩石的亲水性逐步增强 ;岩石平均比表面积降低 ,孔隙和喉道半径增大 ,孔隙连通性和孔喉分布变好。平均残余油的水相相对渗透率有降低的趋势 ,标准化油水相对渗透率曲线交点的水饱和度向右偏移 ,即交点水饱和度增大。在相同水饱和度下 ,油相渗透率增大 ,水相渗透率下降 。

考虑渗流参数相关性的边坡可靠度研究

对香港全风化花岗岩土的土水特征曲线和渗透系数实测数据进行统计分析,研究参数的变异性和相关性.以一个全风化花岗岩土坡为算例,采用拉丁超立方抽样法研究常年平均降水和强降雨两种条件下边坡稳定可靠度,并讨论渗流参数的相关性对边坡稳定可靠度的影响.研究结果表明,渗流参数的相关性假定对边坡稳定可靠度有较大影响.渗流参数完全不相关时,边坡稳定可靠度指标计算值偏小;完全相关时,可靠度指标偏大.在非饱和土边坡的可靠度分析中应考虑渗流参数的相关性,并采用合理的相关系数计算.

应用化学动力学求解裂隙-岩溶介质渗流参数

裂隙-岩溶介质渗流参数的确定问题是制约渗流计算精确度的重要因素,目前求解裂隙-岩溶介质渗透参数的方法如几何形态法、现场测试法和反馈分析法等都各有局限。笔者试图将化学动力学理论引入裂隙-岩溶介质渗流参数分析计算中,研究一种有效的适合岩溶地区裂隙岩体渗流运动特点的间接参数求解方法。工程实践证明:用水化学动力学方法求解碳酸盐岩裂隙渗流参数是可行的,它具有一定的实用价值。

基于分形理论的非达西渗流参数研究

目前对于多孔介质孔隙结构与非达西渗流参数的关系研究较少。因此,本文基于分形理论和渗流试验,建立了多孔介质颗粒分形维数与非达西渗流参数的回归方程。研究结果表明,柴油在多孔介质中的渗流表现出了非线性特征,可用Forchheimer方程描述;多孔介质具有明显的分形特征,分形维数值的范围在2.444~2.713之间;分形维数值与砂粒含量呈极显著负相关,与粉粒、粘粒含量呈极显著正相关;分形维数值与非达西渗流参数满足相关性较好的一次函数关系,其中非达西渗透系数随分形维数值的增大而减小,非达西渗流因子随分形维数值的增大而增大。因此,分形维数可以作为刻画非达西渗流参数的有效手段,从而为非达西渗流研究提供一种较好的研究思路。

渗流参数的反分析及其工程应用

分析了神经网络方法的优缺点 ,然后利用 BP网络的最大误差学习算法对岩土体渗透参数进行反演求解 ,渗流参数决定了流网的形状。根据边坡渗流场的水头观测数据及现场注水试验资料 ,用神经网络方法进行了渗透参数的反分析。以一大型露天采场边坡为例 ,应用该方法确定了边坡岩体的渗透系数 ,并进行了有限元计算 ,编制了相应的计算程序。工程应用表明 ,水头预测值与观测值吻合 ,为边坡的稳定性分析提供了依据。

贝叶斯框架下大坝渗流参数反演组合代理模型研究

渗流参数贝叶斯反演的关键在于解决对渗流正演模型大量调用而导致的计算耗时问题。现有提高贝叶斯反演计算效率的研究大多采用基于单一机器学习算法的代理模型,计算精度较低。针对上述问题,本文提出一种贝叶斯框架下大坝渗流参数反演组合代理模型。该方法在贝叶斯框架下集成支持向量回归(SVR)、Kriging和多元自适应回归样条(MARS)三种机器学习算法。其中,利用差分进化自适应Metropolis(DREAMZS)算法并行采样的优势计算权重系数的随机分布函数,在考虑不确定性的条件下获得模型权重系数。案例分析表明,相比于运行一次至少需要耗费4 h的渗流数值模型,本文所提组合代理模型运行一次仅需几秒钟,显著提高了贝叶斯反演的计算效率;此外,本文所提反演方法相比于基于SVR、Kriging和MARS的贝叶斯反演方法能够获得更准确的反演结果,其平均精度分别提高了13.78%、19.34%和12.27%,为大坝渗流参数反演提供了一种新思路。

改进的遗传算法及其在渗流参数反演中的应用

利用水头实测资料,以裂隙组的渗透系数比例因子为待反演的参数向量,在采用基本遗传算法进行参数反演研究的基础上,针对裂隙岩体无压渗流参数反问题计算量过大,目标参数众多以及参数可能变化范围大等特点,提出了一种混合遗传算法求解此类问题,力求克服简单遗传算法在解决此类问题时存在的局部搜索能力弱、易出现早熟收敛及计算量大等缺陷,并通过典型岩坡渗流算例进行验证,同时给出了基本遗传算法、传统单纯形算法的反演成果。计算结果表明,该方法保持了基本遗传算法优点,并有效地提高了算法的运行效率,从而为求解裂隙岩体无压渗流参数反问题等计算量大的系列问题提供了新的途径。

采用加速遗传算法反演裂隙岩体渗流参数

利用水头实测资料,以裂隙组的渗透系数比例因子为待反演的参数向量,基于浮点编码的加速遗传算法,提出裂隙渗流参数的进化反演模型,并通过典型坝基渗流算例进行验证。文中同时给出了传统单纯形算法在不同初始值条件下的反演成果。计算结果表明,本文方法可以在仅给出各参数取值范围的条件下,有效地求得非均质各向异性裂隙岩体渗流参数,且克服了传统优化搜索算法严重依赖于初值,且当待反演参数数目较多时,寻优过程极易陷入局部最优值,甚至搜索不收敛等缺陷。

非饱和土体渗流参数研究

土石坝渗流分析的重要任务之一为防止发生渗透破坏。以往的研究由于对非饱和土体渗流参数的理论研究不足,主要集中在对坝体饱和渗流的分析,不能真实反映土石坝渗流动态情况。采用土壤特性计算软件初步确定非饱和渗流参数。结合前人研究可靠的Fredlund数学模型和VG数学模型,运用1stOpt数据分析处理软件分别对土-水特征曲线及非饱和渗透系数曲线进行数据拟合及修正,结果表明:拟合相关系数满足精度要求,运用相应拟合结果进行非饱和土体渗流计算是合理可行的,其拟合结果可用于非饱和土的渗流计算。

土石坝非饱和渗流参数分析

研究土石坝非饱和区的渗流作用,首先必须要准确地确定非饱和渗流参数。非饱和渗流参数包括体积含水量函数和非饱和渗透系数函数。文中利用SPAW软件,根据土料中各种颗粒的含量,初步确定非饱和渗流参数;然后利用Fredlund模型和VG模型,运用Origin数据处理软件分别对体积含水量函数和渗透系数函数进行修正。

储油层渗流参数的测井解释技术

声波时差、自然电位和感应电阻率对储油层的渗流性能有较好的相关性。本文介绍将上述三项测井信息进行有机拟合,组成渗流参数,在富民油田用以确定渗透率、含油饱和度及孔隙结构参数,取得了良好效果。

宝浪油田储层渗流参数特征及油层伤害机理研究

宝浪油田自1996年开始试注开采以来,到目前已初步形成规模,但由于其特殊的储集条件,开采难度非常大,油层伤害严重。通过开展对开发初期宝浪油田储层渗流参数特征的研究,更好地认识了现阶段储层的物性、微观孔隙结构、润湿性、相对渗透率、水驱油效率、储层敏感性、油气水性质等特征,并对油层潜在损害的地质因素进行综合分析。建议新井投注开发前进行近井地带的粘土稳定剂预处理,预防粘土矿物膨胀及微粒运移,注水速度小于4.5m/d;入井流体矿化度应控制在13250～40410mg/L;钻井时应利用屏蔽暂堵技术;在开发中后期宜进行调剖不宜进行聚合物驱。

基于免疫进化规划的岩体渗流参数反演

岩体渗流参数反演是一个复杂的非线性函数优化的问题,采用传统优化技术及目前采用的全局优化算法--遗传算法都存在计算效率低等本质问题.本文采用更加合理的算法一免疫进化规划进行岩体渗流参数反演,并用一个算例证明了算法的有效法.

采空区三态防灭火材料渗流参数测定实验研究

研究高效的防灭火材料进而有效预防矿井火灾并及时扑灭已发生的火灾,是如今煤矿工作的一个重要的课题。防灭火三态材料包含了三态物质,属于非牛顿流体。在进行模拟之前测定其密度和黏度等基本物理性质是进行模拟的准备工作。文章采用密度计法测定三态材料的密度,利用旋转式黏度计测量三态材料的表观黏度,根据测量得出了表观黏度的变化规律。文章为模拟研究防灭火气、固、液合成的三态材料在采空区的渗流特性奠定了基础。

萨彦舒申斯克水电站坝基应力应变状态对渗流参数的影响

为评价萨彦舒申斯克水电站复杂的应力应变状态对坝基渗流参数的影响 ,对坝基进行原型观测 ,并根据原型观测的结果 ,对几个坝段行了相似模拟分析计算。

采空区煤岩渗流参数分布特征研究

采空区岩石破碎冒落形成煤岩堆积体,破碎岩石在外载荷作用下会重新被压实。碎胀和压实是破碎岩石的特有属性,并直接影响破碎岩石构成的多孔介质的孔隙率。孔隙率是影响采空区渗流的重要参数,进而影响其渗流特性。本文从岩石的碎胀和压实特性出发,分析了采空区矿压分布和岩石冒落情况,得出采空区破碎岩石中孔隙率的分布情况及渗流参数随孔隙率的变化情况,进而分析得出采空区渗流参数的分布图。研究结果可为采空区气体运移、漏风及自然发火模拟计算提供支撑。

基于PINNs算法的地下水渗流模型求解及参数反演

地下水渗流模型的渗流流速计算(正向求解)和渗流参数反演(反向求解)工程意义重要,但目前能同时解决两类问题的算法较少。针对该问题,引入了物理信息神经网络(PINNs)算法,并加入硬约束进行改进,在正向求解方面,分别建立了渗流方程与达西定律耦合的水头、流速同时求解方法(PINNs-H-I),以及先计算水头再通过自动微分求解流速的计算方法(PINNs-H-II)。对于反向求解,分别采用单(多)物理场神经网络模型的PINNs算法反演均质(非均质)渗流参数。通过算例分析表明,相比软约束PINNs算法,通过施加硬约束可同时改善正向求解和反向求解的性能,另外在正向渗流速度计算中PINNs-H-II方法具有更高的计算精度,同时单(多)物理场神经网络模型PINNs算法反演的均质(非均质)渗流参数与实际值符合较好。

岩体渗流参数统计模型及其应用

合理确定岩体的渗流参数是水利水电工程渗流分析和控制的基础,但受岩体非均质性和渗流状态的影响,岩体的渗流参数不仅类型多样,而且变异性强,部分渗流参数甚至难以通过现场试验确定。通过收集数万组室内和现场渗流试验数据,开发了岩体渗流参数数据库系统,研究了各类岩体渗流参数的统计特征,建立了岩体渗流参数的统计模型,并简要对比了岩体渗透系数取值的分区法和分布法对工程渗流场的影响。结果表明:河谷区岩体的渗透系数在数值上服从对数正态分布,其均值和对数标准差随埋深的变化规律可分别采用幂函数和Logistic函数描述;在非达西流态下,岩体的惯性渗透系数与渗透系数在统计上服从3/2幂次关系;在非饱和状态下,岩体van Genuchten模型参数的置信上限可通过渗透系数估计,进而可通过反演分析确定其代表性取值。研究成果对于水利水电工程岩体渗流参数的类比、分析和确定具有重要意义。