DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
system: [SYSTEM]

user: 3. 一些常见的信号去噪方法及其特点 3.1. 均值滤波 一维均值滤波方法的原理是对信号的k-邻域的平均值来替代每个值来进行滤波处理，其中k为正整数，这是在局部邻域上进行处理的算法。我们不妨假设信号 f ( x ) 是一族包含n个点的时间序列，在每个时间点 x 上都对应着不同的信号值，相应地，通过均值滤波处理过后的信号为 g ( x ) 。那么 g ( x ) 的每个信号值是由包含 ( x ， y ) 邻域的信号值的平均值所决定的。以下给出具体的计算公式： g ( x ， y ) = 1 S ∑ ( x ， y ) ∈ U f ( x ， y ) (1) 式(1)中 x ， y = 0 ， 1 ， ⋯ ， n − 1 ，U是以点 ( x ， y ) 为中心的邻域集合，S是U内时间点个数的总数。同时，在上式中也可以看出均值滤波是一种线性滤波。 虽然均值滤波具有算法简单且计算速度较快的优点，但这是以处理后结果会相对比较模糊为代价，尤其是在信号的细节和边缘处。 3.2. 中值滤波 中值滤波最早是由Turky在1971年提出的一种非线性滤波方法 [ 4 ]，其算法原理也与均值滤波相类似。两者的区别在于均值滤波利用的是邻域的信号值的平均值，而中值滤波则是利用其中位数。在实际运算中只需将式(1)中的求和算子改成求中位数算子，从而信号也不再满足叠加原理，这也是中值滤波是非线性的原因。同时，由于中值滤波不需要用到信号的统计特性等数据(如信号的熵值、期望、方差等等)，在实际应用是使用较为方便。 我们以具体的例子来说明这两种滤波方法的区别：现有一时间序列{2， 2， 3， 3， 4， 4}，分别以2-邻域的均值滤波和中值滤波进行处理，滤波后结果分别为：{7/3， 5/2， 14/5， 16/5， 7/2， 11/3}，{2， 5/2， 3， 3， 7/2， 4}。 3.3. 快速傅里叶变换 快速傅里叶变换FFT (Fast Fourier Transform)是基于计算机对离散傅里叶变换(DCT)的计算方法。考虑如下长度为N的有限长时间序列 x = { x k } k = 1 N ，则其对应的DCT可以表示成 x ^ k = ∑ j = 0 N − 1 x ( j ) exp ( − 2 π i k j n ) 。其中i为虚数单位。而FFT则是利用计算机程序的计算特点对DCT的求解过程进行优化加速处理。
system: [SYSTEM]

user: 4. 小波分析 小波分析源自于Fourier分析，是传统Fourier分析思想方法的新发展和新延拓，能够有效地克服传统Fourier分析在时域和频域中不能同时进行局部化信号处理的劣势 [ 5 ]。小波变换具有时频联合分析的优点，有着良好的自适应性，即能够在不同频段使用不同尺度的函数对信号进行逼近处理达到最优化，非常适用于处理各种带有尖峰、突变等非平稳信号。 由于实际中信号的有用部分主要集中在低频范围，噪声和细节部分主要集中在高频范围的特点，为了去除噪声提高信号质量，我们在对信号进行去噪处理时的关键步骤 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 有以下几步： 1) 先要对含噪信号进行小波分解，我们先选择一个合适的小波基函数和要对它进行分解的层次k，这里k是一个正整数，然后计算出含噪信号到第k层的分解。 2) 然后是对信号的高频系数进行阈值量化处理，在每一层中选择一个合适阈值对该层的高频系数进行量化。 3) 最后是对含噪信号的小波重构，我们根据小波分解过后的第k层的低频系数和经过处理后的从第1层到第k层的高频系数来计算它的小波重构。 其算法流程图如图1所示： 图1. 小波去噪流程图
system: [SYSTEM]

user: 5. 仿真实验与结果对比 5.1. 信号去噪方法的对比 基于以上算法流程，我们应用Matlab软件来对实际信号进行去噪处理。考虑以下实际原始含有突变的矩形波信号，并对其添加高斯噪声，原始信号和含噪信号如下图2所示，并经计算知原始信号和含噪信号的SNR (信噪比)和MSE (均方误差)值分别为13.2342和0.6318。 图2. 原始信号和含噪信号 我们分别利用均值滤波、中值滤波、快速FFT和小波分析进行去噪，并调整不同去噪方法的参数进行对比分析，综合结果如下图3所示： 图3. 各种去噪方法的对比 上述去噪后信号与原始信号的SNR和MSE值如下表1所示： Table 1 Signal quality evaluation index of different denoising method 去噪方法 SNR(dB) MSE 均值滤波 18.7269 0.1784 中值滤波 18.3399 0.1950 小波去噪 20.6052 0.1157 快速FFT 17.3181 0.2467 表1. 不同去噪方法的信号质量评价指标 其中，SNR值代表的是信号里的有效信号的能量与噪音的能量之比值，其值越高说明混在信号里的噪声值最小。MSE值反映着去噪后信号与原始信号的差异程度，其值越低说明去噪后信号与原始信号的接近程度越高 [ 9 ]。 从上述实验结果和信号质量评价指标中可以看到，对于非平稳信号，尤其是对于含有突变、尖峰、方波的信号，小波去噪方法对比其他方法可以取得更好的信号去噪效果。而且从视觉上看，小波去噪方法处理后相比其他几种更加平滑，更接近于原始信号。 不难看出，快速FFT对于非平稳信号的去噪效果不大，其SNR和MSE值指标也和其他方法对比性能较差，不能较好地还原真实的原始信号。这是因为快速FFT的处理是在频率域上对信号分析，但不能分辨出含有突变、尖峰的信号，这是快速FFT在时域上的弊端。而小波能联合时间和频率域进行分析，故能取得较好的去噪效果。 5.2. 不同参数对小波方法去噪的影响 简单来说利用小波方法去噪主要是三个步骤：分解、阈值量化和重构，其中选择合适的阈值函数和对阈值进行估计是关键。 在经过分解后得到信号与噪声对应的小波系数，由于信号系数要比噪声的大，所以我们可以选取一个合适的 λ 作为阈值，若分解系数小于 λ 则舍弃。当大于 λ 时，硬阈值方法是直接保留，而软阈值则是按某一固定量收敛于零 [ 10 ]。通常来说，软阈值具有良好的数学特性，连续性好且较为平滑，但也正因如此，使用软阈值会丢失掉一些信号的细节部分；硬阈值一般对应着简单的处理方法。 不仅如此，选择合适的小波分解层数也是影响去噪的重要因素。 以下通过仿真实验例子予以说明，如图4所示。 我们同时给出上述参数的信号评价指标，如表2所示。 Table 2 Signal evaluation index of different parameters in wavelet metho 去噪参数 SNR(dB) MSE 软阈值3层分解 19.9192 0.1356 软阈值5层分解 20.6052 0.1157 软阈值7层分解 20.6011 0.1159 硬阈值3层分解 19.4493 0.1510 硬阈值5层分解 19.8912 0.1364 硬阈值7层分解 19.8797 0.1368 表2. 小波方法中不同参数的信号评价指标 图4. 各种参数对小波去噪的影响 从表2中可以看出，并不是分解层数越高越好，也会出现SNR值有所降低，同时MSE值也随之增加的情况，这说明和原始信号的差别也在增大，而且去噪效果从直观视觉和数值指标上看效果都不太好，反而影响了其去噪效果。所以选择合理的分解层数也是影响去噪效果的重要因素。其次，软阈值方法的SNR和MSE值性能均由于硬阈值，这样正好反映了软阈值方法较为平滑、具有良好数学特性的特点。
system: [SYSTEM]

user: 6. 结束语 本文分析了两种常见的信号滤波方法和快速FFT对信号去噪的算法原理和特点，重点讨论了基于小波方法对含有突变的非平稳信号进行处理，并比较了几种方法的去噪效果。结合主观的视觉感受和客观评价指标，通过仿真实验例子说明小波方法处理非平稳信号的优越性，同时在实际问题的处理中需要注意选择合适的分解层数和阈值函数。 本文仍有许多的不足之处，例如缺少对阈值估计方法和选取小波基函数的讨论、缺少对小波方法的具体算法的展开等等。以上这些都是需要不断改进的方面，希望在接下来的学习和研究中能够有所突破。
system: [SYSTEM]

user: 摘要 目前水库中长期优化调度的研究主要集中在模型的构建和求解方面，对于最优调度结果的研究却很少。通过构建水库中长期发电优化调度数学模型，并采用离散微分动态规划法(DDDP)进行求解最优调度结果。以隔河岩为研究实例，提出4类水电站运行方式和6类水库运行方式，分析隔河岩水电站运行方式特性。结果表明，河岩水电站运行方式以最小出力和加大出力为主，而水库运行方式则是以“V型”和“上限水位型”为主；并且，“V型”和“蓄水型”运行方式中，不出现水电站的破坏出力运行方式，“上限水位型”运行方式中，不出现水电站的最小出力运行方式。
system: [SYSTEM]

user: 1. 引言 水电具有运行成本低廉、调节性能优良和负荷响应迅速等优点，是目前开发技术最成熟、开发规模最庞大的可再生能源，作为可再生能源电力中的中流砥柱，水电在我国能源发展与结构调整中占据重要地位，与水电能源密切相关的水库调度研究一直是热点领域。 Bellman [ 1 ] 针对多阶段最优决策问题的特点，创立了著名的动态规划(DP)方法。DP是一种全局搜索法，可求出状态变量给定离散精度下的全局最优解。然而随着离散精度和水库数的增加，遍历寻优的方式会导致“维数灾”问题 [ 2 ]。针对该问题，国内外学者相继提出了一系列改进措施，其改进思路主要有三种：其一，改进初始轨迹的选取方式，进而加快收敛速度，如冯仲恺等 [ 3 ] 结合均匀试验设计，提出了均匀动态规划。其二，分析各项约束间的关系，从而缩减搜索空间，如明波等 [ 4 ] 基于发电调度模型中水电站最小出力以及下泄流量约束，提出了搜索空间缩减法；其三，通过多核计算技术缓解维数灾难题，如张忠波等 [ 5 ] 将并行计算与动态规划相结合，用OpenMP编程模式实现动态规划的并行计算。同时，随着计算机科学的发展，现代智能算法也逐渐应用于水库优化调度问题中 [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]，但智能算法普遍存在优化机理不明晰、计算结果不稳定、泛化能力差等问题，因而目前还缺乏实用性。另一方面，部分学者基于最优调度结果开展了水库优化调度的研究，丰富了水库调度领域的研究思路和成果：Yoo等 [ 11 ] 采用线性规划计算水库优化调度结果，并基于最优调度结果分析了弃水和库容之间的影响和敏感性；周研来等 [ 12 ] 以大渡河梯级为研究对象，基于模拟调度结果采用非线性规划法修正调度函数。 综上所述，国内外学者在水库调度领域开展了大量研究，取得了丰硕的成果，为水电站安全稳定、高效运行和水资源充分利用提供了重要的技术保障，但目前针对水库中长期发电优化调度的研究，主要集中在优化调度模型的构建、模型求解的计算方法、调度规则的研制方式等方面，有关最优调度结果的研究较少。本文通过构建水库中长期优化调度数学模型，分析模型主要约束的影响，研究水库及水电站运行方式的特点，并以隔河岩为研究实例，采用DDDP法进行求解得到模型的最优调度结果，在此基础上分析隔河岩水库、水电站运行方式，揭示隔河岩最优调度结果所蕴含的规律和相关特性。
system: [SYSTEM]

user: 2. 水库中长期发电优化调度数学模型 水库中长期发电优化调度的主要内容包括数学模型的构建和调度方法的选择，构建数学模型的主要工作是确定目标函数和约束，并选择合理的目标函数和约束的处理方法。 2.1. 模型构建 水库优化调度问题可通过数学建模的方法抽象为一个数值型函数的优化问题，根据有无约束条件又分为无约束优化问题和有约束优化问题。不失一般性，优化问题的数学模型如式(2-1)所定义： { max F ( X ) s .t . | h i ( X ) = 0 ( i = 1 ， 2 ， ⋯ ， s ) g j ( X ) ≤ 0 ( j = 1 ， 2 ， ⋯ ， m ) X = ( x 1 ， x 2 ， ⋯ ， x n ) ∈ E n (2-1) 式中： X = ( x 1 ， x 2 ， ⋯ ， x n ) 是n维欧几里得空间 E n 中的点(向量)，称为决策变量；目标函数 F ( X ) 和约束函数 h i ( X ) 、 g j ( X ) 为X的实函数，其中 h i ( X ) = 0 称为等式约束， g j ( X ) ≤ 0 称为不等式约束。 基于上述优化问题数学模型构建隔河岩中长期发电优化调度模型。 1) 选取发电量最大为目标函数 E T * = max { ∑ t = 1 T [ N t Δ t ] } = max { ∑ t = 1 T [ K Q t f d H t Δ t ] } (2-2) 式中：T为调度期总时段数； Δ t 为计算时段长，s。 2) 等式约束包括：水库水量平衡约束；库容曲线约束；下游水位流量关系约束；发电水头约束；水电站预想出力约束；初、末水位约束等。 { V t + 1 = V t + δ t ( Q t i n − Q t o u t ) Z t = f Z V ( V t ) Z t x y = f Z Q ( Q t o u t ) H t = ( Z t + Z t + 1 ) / 2 − Z t x y − h s s ， t N t y x = f y x ( H t ) Z 0 = Z b e g ， Z T = Z e n d (2-3) 式中： V t 、 V t + 1 分别为时段初、末库容，10 8 m 3 ； Q t i n 、 Q t o u t 分别为t时段的入库、出库流量，其中 Q t o u t = Q t f d + q t ， q t 为t时段的弃水流量，m 3 /s； δ t 为流量库容转换系数， δ t = Δ t ∗ 10 − 8 。 Z t 、 Z t x y 、 H t 、 h s s ， t 分别为t时段的库水位、下游水位、发电水头和水头损失，m，其中水头损失一般取为定值或根据水头损失函数计算。 N t y x 为水电站t时段的预想出力，kW； f y x ( ∗ ) 为水电站的预想出力函数， f Z V ( ∗ ) 为库容曲线函数， f Z Q ( ∗ ) 为下游水位流量关系函数。 3) 不等式约束包括：水位约束；出力约束；非负约束等。 { Q t f d ≥ 0 Z t min ≤ Z t ≤ Z t max N t min ≤ N t ≤ N t max (2-4) 式中：非负约束是指模型中有实际物理意义的变量均不能为负数，此处只需考虑发电流量( Q t f d )非负。 Z t min 、 Z t max 分别为t时段的最低、最高库水位，m； Z t min 一般为死水位， Z t max 在汛期为汛限水位，枯水期则为正常蓄水位。 N t min 、 N t max 分别为t时段水电站的最小、最大出力，kW；一般情况下， N t min 取水电站保证出力， N t max 取水电站预想出力。 在水库中长期发电调度中，由于径流的不确定性，往往存在不可避免的破坏时段(即 N t < N min )，故对于最小出力约束一般采用“惩罚函数法”，当时段出力不满足最小出力要求时对其进行惩罚： N t = { N t + γ ( N t − N min )     ( N t < N min ) N t                                                 ( N t ≥ N min ) (2-5) 式中： γ 为罚系数。因此，实际上 N t ≥ N min 并非严格约束，极端枯水情况下，允许出现破坏。 2.2. 求解方法 离散微分动态规划(DDDP)是为了解决常规动态规划(DP)的“维数灾”问题而提出的改进算法，其原理是用迭代程序求解贝尔曼递推方程，即由一个满足给定约束条件和边界条件的初始轨迹开始，利用DP法在给定的初始轨迹的邻域内搜索出一条改善轨迹，待轨迹收敛之后进一步缩减廊道宽度，如此反复直至收敛到最优轨迹 [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]。该方法能够迅速计算出较为优质的调度结果，在水库中长期优化调度中得到广泛的运用，是目前最常用的求解方法之一。
system: [SYSTEM]

user: 3. 中长期发电优化最优运行方式研究 3.1. 水电站运行方式 水电站出力大小反映了水电站运行方式的特点，而水电站出力主要受最小出力和最大出力约束，根据t时段出力 N t 与水电站最小、最大出力( N t min 、 N t max )的相对大小，定义以下4类水电站运行方式： 1) 破坏运行方式：时段出力小于最小出力，称为破坏运行方式(图1(a))，记为 N d 。 N d :     N t < N t min (3-1) 2) 最小出力运行方式：时段出力等于最小出力，称为最小出力运行方式(图1(b))，记为 N min 。 N min :     N t = N t min (3-2) 3) 加大出力运行方式：时段出力介于最小、最大出力间，称为加大出力运行方式(图1(c))，记为 N c 。 N c :   N t min < N t < N t max (3-3) 4) 最大出力运行方式：时段出力等于最大出力，称为最大出力运行方式(图1(d))，记为 N max 。 N max :   N t = N t max (3-4) 以上所述4类水电站运行方式的示意图见图1。 图1. 水电站运行方式示意图 3.2. 水库运行方式 水位上、下限约束均属于强制约束，一般的优化调度问题中常将上、下限水位作为调度的起始和终止水位，本文依据水位上、下限的组合，定义以下6类水库运行方式(水位过程统一用 { Z b ， Z b + 1 ， ⋯ ， Z e } 描述，其中 Z b 、 Z e 分别为相应的初、末水位)。 1) “V型”运行方式：水库由上限水位开始，经若干时段，最终回到上限水位，称为“V型”运行方式(如图2(a))，其水位过程满足式(3-5)。 { Z b = Z b max Z b + j min < Z b + j < Z b + j max ， 0 < j < e − b Z e = Z e max (3-5) 2) “倒V型”运行方式：水库由下限水位开始，经若干时段，最终回到下限水位，称为“倒V型”运行方式(如图2(b))，其水位过程满足式(3-6)。 { Z b = Z b min Z b + j min < Z b + j < Z b + j max ， 0 < j < e − b Z e = Z e min (3-6) 3) “消落型”运行方式：水库从上限水位开始，经若干时段，最终消落到下限水位，称为“消落型”运行方式(如图2(c))，其水位过程满足式(3-7)。 { Z b = Z b max Z b + j min < Z b + j < Z b + j max ， 0 < j < e − b Z e = Z e min (3-7) 4) “蓄水型”运行方式：水库从下限水位开始，经若干时段，最终蓄水到上限水位，称为“蓄水型”运行方式(如图2(d))，其水位过程满足式(3-8)。 { Z b = Z b min Z b + j min < Z b + j < Z b + j max ， 0 < j < e − b Z e = Z e max (3-8) 5) “上限水位型”运行方式：水库水位始终保持在上限水位，称为“上限水位型”运行方式(如图2(e))，其水位过程满足式(3-9)。 Z b + j = Z b + j max ， 0 ≤ j ≤ e − b (3-9) 6) “下限水位型”运行方式：水库水位始终保持在下限水位，称为“下限水位型”运行方式(如图2(f))，其水位过程满足式(3-10)。 Z b + j = Z b + j min ， 0 ≤ j ≤ e − b (3-10) 以上所述6类水库运行方式的示意图见图2。 图2. 水库运行方式示意图
system: [SYSTEM]

user: 4. 实例研究 4.1. 研究对象概况 本文选取清江流域隔河岩水电站作为研究对象。隔河岩水电站大坝全长653.5 m，坝顶高程206 m，最大坝高151 m。正常蓄水位200 m，总库容31.2亿m 3 ，死水位180 m，死库容16.42亿m 3 ，调节库容19.75亿m 3 ，水库库容系数0.18，具有年调节能力，是一座以发电为主，兼有防洪及航运等综合利用效益的大型水利枢纽工程。隔河岩水电站各项特性值如表1。 Table 1 Characteristics table of Geheyan Hydropower Statio 项目 数值 项目 数值 控制流域面积(km 2 ) 14，430 校核洪水位(m) 204.57 多年平均径流量(亿m 3 ) 127 总库容(亿m 3 ) 31.2 多年平均流量(m 3 /s) 403 死库容(亿m 3 ) 16.42 正常蓄水位(m) 200 调节库容(亿m 3 ) 19.75 死水位(m) 180 防洪库容(亿m 3 ) 5 防洪限制水位(m) 193.6 水库调节性能 年调节 设计洪水位(m) 203.29 装机容量(万kW) 121.2 表1. 隔河岩水电站特性表 采用隔河岩1951~2016年共66年的历史径流资料，以旬为计算时段，综合出力系数按照经验取为8.5，水头损失按0.6 m考虑，最大出力按照隔河岩水电站的预想出力取值。最小出力和罚系数分别取为14万kW和500，对应的发电保证率为90.90%，符合大型水电站的可靠性要求。根据以上数据资料和相关参数构建隔河岩水库中长期优化调度数学模型。 4.2. 隔河岩中长期发电优化调度方式 采用离散微分动态规划(DDDP)求解隔河岩水库中长期优化调度数学模型，根据优化调度结果，基于上文中对于水电站运行方式及水库运行方式的分类，对隔河岩水电站、水库运行方式及其组合进行分析。 1) 隔河岩水电站运行方式分析 按照上文中水电站运行方式的分类，对隔河岩中长期优化调度结果的出力过程进行分析，统计得到各类水电站运行方式出现的时段数(旬)如图3。 图3. 隔河岩水电站运行方式统计 根据图3可知，隔河岩水电站调度方式以最小出力( N min )和加大出力运行方式( N c )为主，时段数占比分别为50.93%和41.62%；然后是最大出力运行方式( N max )，时段数占比为6.90%，破坏出力运行方式( N d )出现的时段数最少，占比仅为0.55%。 2) 隔河岩水库运行方式分析 按照上文中水库运行方式的分类，对隔河岩中长期优化调度结果的水位调度过程进行分析，可得隔河岩存在“V型”、“消落型”、“蓄水型”和“上限水位型”4种水库运行方式，各类水库运行方式出现的次数及持续的时段数如表2。 Table 2 Statistics of operation mode of Geheyan Reservoi 水库运行方式类型 次数 次数占比 最短时段数 最长时段数 总时段数 时段数占比 “V型” 196 45.06% 2 30 1404 59.09% “消落型” 23 5.29% 1 24 150 6.31% “蓄水型” 23 5.29% 1 10 57 2.40% “上限水位型” 193 44.37% 1 19 765 32.20% 合计 435 — — — 2376 — 表2. 隔河岩水库运行方式统计 根据表2，隔河岩“V型”和“上限水位型”运行方式的次数占比最大，分别为45.06%、44.37%，相应的时段数占比则分别为59.09%、32.20%，说明隔河岩水库运行方式是以“V型”和“上限水位型”为主。“消落型”和“蓄水型”运行方式的次数占比最小，均为5.29%，相应的时段数占比分别为6.31%、2.40%，这是因为“消落型”运行方式后一定紧接“蓄水型”运行方式，因此两者的次数是相等的。另外，“蓄水型”运行方式持续的时段数一般较短，最长不超过10旬。 3) 隔河岩水库运行方式的出力特性 分别对隔河岩“V型”、“消落型”、“蓄水型”和“上限水位型”等4类水库运行方式的出力特性进行统计，得到隔河岩4类水库运行方式的出力特性情况如下： 图4. 隔河岩水库不同运行方式的出力特性 根据图4，隔河岩的“V型”和“蓄水型”运行方式中，不存在破坏出力运行方式( N d )的时段；而“上限水位型”运行方式中，不存在最小出力运行方式( N min )的时段。最小出力运行方式( N min )在“V型”、“消落型”和“蓄水型”运行方式中出现时段数均是最多的，占比分别为77.21%，66.0%和47.37%；加大出力运行方式( N c )在“上限水位型”运行方式出现时段数最多，占比达到98.17%。
system: [SYSTEM]

user: 5. 结论 本文构建了水库中长期发电优化调度数学模型，对模型的主要约束条件进行分析，在此基础上研究水库及水电站运行方式的特点，分别提出4类水电站运行方式(破坏出力、最小出力、加大出力和最大出力)和6类水库运行方式(V型、倒V型、消落型、蓄水型、上限水位型和下限水位型)。然后以隔河岩为实例，采用DDDP进行求解得到隔河岩的最优调度结果，通过对隔河岩水库及水电站运行方式的研究分析，得到以下结论： 1) 隔河岩水电站运行方式以最小出力( N min )和加大出力运行方式( N c )为主，两者总占比达到92.55%。 2) 隔河岩水库存在“V型”、“消落型”、“蓄水型”和“上限水位型”4种运行方式，其中以“V型”和“上限水位型”运行方式为主，两者出现次数总占比为89.43%。并且，“消落型”运行方式后一定接“蓄水型”运行方式，两者出现次数相等，而后者持续的时段数一般较短，最长不超过10旬。 3) 隔河岩的“V型”和“蓄水型”运行方式中，不存在水电站的破坏出力运行方式( N d )的时段；而“上限水位型”运行方式中，不存在最小出力运行方式( N min )的时段。
system: [SYSTEM]

user: 摘要 步进频率调制连续波(Stepped-frequency Continuous Wave， SFCW)体制探地雷达作为频域探地雷达的一种，与冲激脉冲体制探地雷达相比，具有可控的发射信号频率，更高的平均发射功率，更大的探测深度及更高的分辨率。目前步进频率探地雷达采用多种不同频率的发射信号，在数值模拟方面运算量成倍增加，信号融合方法尚不成熟。本文针对步进频率探地雷达进行正演模拟研究，采用开源程序gprMax，结合线性时不变系统(LTI)的冲激响应，提升正演效率，避免重复进行正演计算。将正演得到的反射信号与发射信号进行混频，对结果进行低通滤波提取与目标体距离有关的相位信息，然后通过逆傅里叶变换到时域内进行信号融合。通过在正演模拟中加入噪声对比研究了冲体制雷达和步进频率体制雷达的抗噪性能，结果表明SFCW探地雷达在噪声条件下对目标检测结果具有更高的信噪比。
system: [SYSTEM]

user: 1. 引言 探地雷达作为一种常用的地球物理检测方法，具有无损、快速、连续成像的特点，广泛应用于各种工程检测 [ 1 ]。目前广泛使用的探地雷达都属于冲激脉冲体制，即雷达发射一个高频宽带的时域脉冲，通过接收到反射信号的时间、幅度、相位等信息推断地下介质结构。这种体制探地雷达为了提高距离分辨率一般采用短的发射脉冲，但由于受到发射功率的限制导致作用距离不远 [ 2 ]，分辨率也受限于脉冲宽度，实际应用中探测深度和分辨率方面很难进一步提升。 步进频率调制连续波(Stepped-frequency Continuous. SFCW)体制探地雷达作为频域探地雷达的一种，近些年逐渐成为该领域研究热点.。不少学者或机构相继研发出了SFCW体制探地雷达系统，其相比于冲激脉冲体制探地雷达在探测性能上的优越性也在实际使用中得到体现。陶春康等 [ 3 ] 设计了一种步进扫频的宽带探地雷达前端，用该系统分别发射151个及51个步进频率脉冲，对接收到的地下物体反射的回波信号进行混频和滤波，经实验测试分辨率分别能达到5 cm和15 cm，证明SFCW探地雷达可以通过选取不同的步进频点数来达到不同的分辨率。许泽善等 [ 4 ] 将三维SFCW探地雷达应用于道路沥青厚度检测，达到超高的浅层分辨率。Tronca等 [ 5 ] 运用带宽范围在0.2~4 GHz的SFCW探地雷达和GSSI公司的中心频率为2.7 Hz的脉冲探地雷达在三种实验条件下进行了实测效果对比，结果表明SFCW探地雷达在达到较大探测深度的同时能保证较高的分辨率。Hamran等 [ 6 ] 对比研究了其机构研发的SFCW探地雷达和商用脉冲探地雷达的动态范围，证明其研发的SFCW系统动态范围比脉冲系统高40 dB，实际动态范围超过200 dB，而动态范围则影响到GPR的最大作用距离。Pieraccini等 [ 7 ] 在Hamran等的基础上，将其在对比系统动态范围时的假设条件设置的更具适用性，在15种实验条件下对两种体制探地雷达进行实测效果对比，SFCW探地雷达的结果比脉冲雷达能提供更多深部反射信号，受噪声影响更小。 对SFCW探地雷达进行数值模拟研究，对其在实际使用中采集数据的解释具有指导意义。目前针对SFCW探地雷达数值模拟效率提升的研究工作进行较少。Kafedziski等 [ 8 ] 对频带范围在1.01~2 GHz的含100个频点的SFCW探地雷达进行正演模拟，实现对均匀半空间下单一异常体的检测，但其是在每个频点逐次进行正演，虽然模型设置较小，但耗时仍然较长。SFCW探地雷达数值模拟计算量按频点数成倍增加，是进行其正演模拟时首先要解决的问题。探地雷达数值模拟方法中，时域有限差分法(FDTD)具有直接时域计算、思路清晰、编程简单等特点，是计算电磁学中最流行的方法 [ 9 ]。FDTD以电、磁场分量在时间空间上交错采样计算方法来模拟电磁波场 [ 10 ]，广大学者对应用FDTD方法进行电磁波场的正演计算问题进行了研究并将其运用到探地雷达的正演模拟中 [ 11 ]。基于FDTD理论，相关学者对求解探地雷达正演问题也进行了程序编写 [ 12 ]，并给出了所有源代码。其中开源程序gprMax能够实行并行计算及利用CUDA对FDTD算法进行加速，效率较高 [ 13 ]，是进行探地雷达FDTD数值模拟时的优选程序。相关学者用gprMax针对实际问题进行探地雷达正演模拟，并取得了较好的效果 [ 14 ]。 综上，目前对于SFCW探底雷达的研究主要在硬件及应用方面，在数值模拟方面尚欠缺成熟高效的方法。本文给出了SFCW探地雷达正演模拟及数据处理的详细方法，在gprMax程序的基础上，结合模型的冲激响应，来解决SFCW正演模拟时计算量过大的问题，并在数值模拟基础上进行与脉冲探地雷达抗噪性能的对比研究。
system: [SYSTEM]

user: 2. 原理 2.1. SFCW探地雷达基本原理 常规脉冲探地雷达发射和接收的为高频宽带的脉冲信号，而SFCW探地雷达每次发射和接收的信号为单频的连续波信号，其频率变化可表示为： f n = f 0 + ( n − 1 ) Δ f (1) 其中，f 0 为起始频率，f n 为第n个频率，Δf为频率步长，带宽 B = ( N − 1 ) Δ f 。 发射信号形式(连续正弦波)可表示为： T x ( n ) = sin 2 π ( f 0 + ( n − 1 ) Δ f ) t (2) 其中n为第n个频点。 假设信号在均匀介质中传播的速度为v，一个距离为d的目标反射回波信号可表示为： R x ( n ) = A n sin 2 π ( f 0 + ( n − 1 ) Δ f ) ( t − 2 d v ) [ 15 ] (3) 其中，A n 为回波幅度值， 2 d v 为电磁波双程走时。 其中，第n个频率的相位变化为： ϕ n = 2 π ( f 0 + ( n − 1 ) Δ f ) 2 d v (4) 则接收到的反射回波信号可表示为： R x ( n ) = A n sin ( 2 π f n t − ϕ n ) (5) 这样目标体距离就转化为不同频点连续波对应的相移，对于频率 f 0 ， f 1 ， ⋯ ， f n ，对应有 ϕ 0 ， ϕ 1 ， ⋯ ， ϕ n ，幅度 A 0 ， A 1 ， ⋯ ， A n 。对于序列 A n e i ϕ n ， n = 0 ， 1 ， ⋯ ， n ，可通过逆傅里叶变换转换到时域内进行信号融合。 2.2. gprMax正演及LTI系统的冲激响应 gprMax是用python语言编写的探地雷达FDTD正演软件，可用来进行多种电磁问题的数值模拟。其操作采用命令行窗口的形式，需要编写规定格式的模型文件(.in文件)，在模型文件中定义介质的空间分布和电性参数(相对介电常数ε r ，电导率σ，相对磁导率μ r ，磁损耗σ r )，给出激励源的类型和位置等参数，将模型文件路径输入到gprMax命令行窗口中，即可调用程序进行计算，输出文件为若干道雷达反射数据(.out文件)。利用gprMax进行正演模拟时，首先要对正演模型进行空间离散和时间离散。 网格步长需要小于模型介质中最小波长的十分之一，即： d x / d y / d z ≤ c f max ε max × 1 10 (6) 其中，dx、dy、dz分别为模型x、y、z三个方向上的网格步长，f max 为源信号最高频率，ε max 为模型中介质的最大相对介电常数。 对于脉冲信号(如Ricker子波)，信号的最高频率f max 约为信号中心频率的2到3倍。 对于步进频率信号，f max = f n ，f n 为步进终止频率。 控制了网格步长后，为了满足有限差分收敛条件，时间步长由以下条件控制： d t ≤ 1 c 1 ( d x ) 2 + 1 ( d y ) 2 + 1 ( d z ) 2 (7) 模型边界采用PML (完全匹配层)吸收边界，完成模型创建后，即可读入模型文件后进行正演，正演结果得到若干道Ascan，可合成Bscan读入Matlab进行相关处理。 由于为了满足公式(6)和公式(7)控制条件，网格步长需要剖分得很小，时间步长也很小，意味着每道Ascan要进行更多次迭代计算，也这样就导致模型正演模拟占用时间较长。尤其是对于步进频率信号而言，含有n个频率的信号，意味着需要进行n次正演计算，这将导致正演计算的时间成倍增加。尽管gprMax可利用CUDA进行加速，但计算量成倍的增加，需要从算法方面研究提升正演效率的方法。 由于正演采用的时域有限差分法满足线性时不变系统(LTI)的特性，而线性时不变系统对任意一个输入信号的响应均可以用系统对单位脉冲的响应来表示，即线性时不变系统的单位脉冲响应完全刻画了系统的特征 [ 16 ]。其原理见图1： 图1. LTI系统冲激响应原理图 根据图1，LTI系统对任意输入信号x[n]的输出y[n]可以用输入信号与单位脉冲响应h[n]的卷积来表示： y [ n ] = x [ n ] ∗ h [ n ] = ∑ k = − ∞ + ∞ x [ k ] h [ n − k ] [ 16 ] (8) 基于以上原理，可以创建单位脉冲信号进行一次正演计算获得模型的单位脉冲响应，然后用各个频率的发射信号和单位脉冲响应做卷积，便可得到各个频率信号对应的输出信号。由此相当于只进行了一次正演计算，正演效率得到成倍提升。
system: [SYSTEM]

user: 3. 模型正演算例 3.1. 二维地质模型构建 设置的模型为二维层状模型见图2，模型大小为10 m × 4.2 m，网格步长为0.005 m。上面一层为介质1，层厚2 m，下面一层为介质2，层厚2 m，在模型中间位置有一半径为0.3 m的圆形空洞，各介质的物性参数见表1。发射点位置在x = 0.1 m，y = 4 m处，接收点位置在x = 0.2 m，y = 4 m处，发射点和接收点移动步长为0.05 m。共采集194道数据，每道数据采样点数为8192个(时窗96 ns)。 图2. 二维地质模型 Table 1 Electrical parameters of media in mode 介质 相对介电常数 电导率S/m 相对磁导率 介质1 7 5e−3 1 介质2 12 2e−3 1 空洞 1 0 1 表1. 模型介质电性参数表 3.2. 发射信号生成及反射信号获取 选取的步进频率范围为100 MHz~300 MHz，步长1 MHz，一共有201个频率。 发射信号在Matlab中生成，每个频点上发射的信号形式见图3 (以100 MHz频率为例)： 如图3所示，为了避免在正演结果中引入高频噪声，需要控制信号幅度从零缓慢增大，即发射信号形式表示为： T x ( t ) = { k f n t sin ( 2 π f n t ) if   k f n t < 1 sin ( 2 π f n t ) if   k f n t ≥ 1 (9) 其中k取小于1的常数，k越小，信号幅度增大得越慢。 图3. 频率为100 MHz的发射信号 为了获得模型的单位脉冲响应，创建以下单位脉冲信号： δ ( t ) = { 1 if   t < d t 0 if   t ≥ d t (10) 其中，dt为公式(7)控制的时间步长。 将以上单位脉冲信号作为发射信号进行正演，得到194个位置的单位脉冲响应，然后用生成的每个频率的发射信号与单位脉冲响应做卷积，即得到每个频率对应的反射信号。 为了验证该方法的准确性，用图3的连续波信号作为发射信号在第一道的位置进行正演，得到一道反射信号(见图4)，将该反射信号和由图3的信号与单位脉冲响应做卷积得到的信号(见图5)做对比，分贝误差见图6。由误差对比可以看出，由冲激响应得到的反射信号和正演得到的反射信号的误差在−200 dB以下，这个误差范围是可以接受的。因此可以用这种方法得到每个频率的反射信号，正演效率得到提升，尤其是模型设置越大，频点数越多，效率提升越明显。 图4. 由图3信号正演得到的第1道反射信号 图5. 由图3信号和第1道冲激响应卷积得到的信号 图6. 图4和图5的分贝误差图 3.3. 信号处理与融合 SFCW探地雷达正演的流程见图7，通过正演得到反射信号后，需要将得到的反射信号进行正交分解。其中同相分量I和正交分量Q分别由以下公式得到： 图7. SFCW探地雷达正演流程 I n = A n sin ( 2 π f n t − ϕ n ) ∗ sin ( 2 π f n t ) = A n 2 ( cos ( 4 π f n t − ϕ n ) − cos ( ϕ n ) ) (11) Q n = A n sin ( 2 π f n t − ϕ n ) ∗ cos ( 2 π f n t ) = A n 2 ( sin ( 4 π f n t − ϕ n ) − sin ( ϕ n ) ) (12) 对I路信号和Q路信号分别用截至频率为f的低通滤波器进行处理，得到两路有用的基带信号： I n = − A n 2 cos ( ϕ n ) (13) Q n = − A n 2 sin ( ϕ n ) (14) 则接收信号在频域内可表示为： R x ( n ) = I n + j Q n (15) 对于n个频点产生的频域序列Rx(n)，通过逆傅里叶变换转到时域内合成单道时域信号。 第1道位置合成的数据见图8，转换到时域内后，层位界面反射信号出现在约36 ns的位置，对应的深度为2.0394 m，这与模型设置的界面在2 m深度处是符合的。 图8. 合成的第一道信号
system: [SYSTEM]

user: 4. SFCW和脉冲体制雷达抗噪性能对比 将SFCW和脉冲信号分别用于正演，通过加入噪声对比其抗噪性能。选用的脉冲信号为中心频率为200 MHz的Ricker子波。 噪声按以下方法进行添加：对于Ricker子波信号，在其每道反射信号中添加噪声，然后合成Bscan图像；对于SFCW信号，在其每个频点的连续波反射信号中加入同等程度噪声，然后根据图7进行处理转换到时域内合成单道数据，再合成Bscan图像。正演结果需要进行增益处理以凸显深部弱反射信号，所以还需要控制相同的增益处理，以保证结果具有对比性。得到的结果分别见图9和图10。 图9. Ricker子波信号正演结果。(a) 无噪声结果；(b) 有噪声结果 图10. SFCW信号正演结果。(a) 无噪声结果；(b) 有噪声结果 从Bscan结果(见图9(a)及图10(a))可以看出，在无噪声干扰时，两种信号正演结果都较好地反映了模型中的分层信息和异常体位置，空洞异常在两个Bscan图像上都表现为双曲线形状。成较大影响，由此说明SFCW信号用于探地雷达相比于脉冲信号具有更强的抗噪性能。在加入噪声条件下，Ricker子波信号正演结果信噪比明显下降(见图9(b))，层位界面和空洞的反射信号几乎被噪声掩盖，异常信息难以辨认；而对于SFCW信号正演结果来说，加入噪声后层位界面和空洞的反射信号仍保持高信噪比，异常特征清晰(见图10(b))。即加在每个频点连续波上的噪声对合成的时域信号并无造成较大影响，由此说明SFCW信号用于探地雷达相比于脉冲信号具有更强的抗噪性能。
system: [SYSTEM]

user: 5. 结论 本文通过对SFCW探地雷达进行数值模拟研究，得到结论如下： 1) SFCW信号用于探地雷达探测时，主要是将目标距离信息转化为不同频点连续波的相移，再通过逆傅里叶变换转换到时域内进行信号融合，以实现对目标体的检测； 2) 将SFCW信号进行正演计算时，结合LTI系统的冲激响应，在保证精度的条件下，可以避免重复进行正演计算，提高正演效率； 3) 根据对SFCW信号和Ricker子波脉冲信号的抗噪性能对比研究表明，在同样的噪声条件下，SFCW探地雷达结果具有更高的信噪比，抗噪性能更好。
system: [SYSTEM]

user: 摘要 以德江隧道出口段岩溶蓄水构造为研究对象，在岩溶水文地质调查的基础上，我们论述了岩溶地貌类型、岩溶及岩溶蓄水构造特征，分析了隧道区内岩溶蓄水构造与隧道的水力关系。对德江隧道出口段进行了分区段水文地质评价。同时，采用大气降水入渗系数法和地下水疏干法，对地下河及管道型蓄水构造的影响段(隧道ZK9+650~ZK10+500段)进行涌水量预测，涌水量达18.25 × 10 4 m 3 /d。该研究成果为隧道防治水设计提供了依据。
system: [SYSTEM]

user: 1. 引言 为适应贵州经济的发展，贵州省正在大力的建设高速公路。然而，贵州省地处我国西南岩溶集中连片典型发育区，洼地、落水洞、地下河广泛分布 [ 1 ] [ 2 ]，对高速公路尤其是隧道建设提出了很高的挑战，岩溶隧道突涌水事故屡有发生。因此，查明隧道岩溶地区水文地质条件，分析岩溶发育规律以及岩溶地下水系统特征 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]，确定岩溶蓄水构造类型，分析岩溶蓄水构造特征及与隧道的空间位置关系，对预防隧道涌水突水灾害、保障隧道施工安全具有重要意义。 1990年钱学溥等系统总结了中国蓄水构造类型，将蓄水构造分为四类二十五型，其中岩溶蓄水构造八型；2000年，张之淦和陈伟海通过研究广西来宾小平阳地区的岩溶蓄水构造类型，有效缩小了找水打井的靶区。2008年魏云杰等研究了贵州某岩溶隧道中的岩溶蓄水构造特征，预测了隧道各部位涌水情况，并采用径流模数法预测了隧道的正常涌水量和最大涌水量，进而提出了隧道的施工建议。2011年朱庆俊等通过物探勘查并结合水文地质资料分析，研究了广西隆安县岩溶石山区断裂带、溶洞、岩溶管道三种储水构造的地质–地球物理模型及其电性响应特征。2014年曹崇本等通过对贵州省岩溶地下水富集条件的分析、归纳，将贵州地区岩溶蓄水构造分为两个大类共七个类型。并利用地质体电阻率的统计结果建立了各类型岩溶蓄水构造的电阻率物理模型，对提高岩溶山区找水打井的成功率具有指导意义。因此，对蓄水构造特征的研究，不论是找水打井、物探解译，还是隧道涌水预测，都具有重要意义。 德江隧道位于贵州省德江至务川段，为德务高速段内一特长隧道，该隧道全长5500.00 m；进出口底板设计标高分别为690.49 m、795.10 m，最大埋深557.11 m。德江隧道工区内岩溶水文地质条件复杂、岩溶强烈发育，特别是隧道出口段处于富水向斜构造区，发育闹水岩地下河，为典型的地下河及管道型蓄水构造 [ 7 ]。施工证实，通过对德江隧道区岩溶蓄水构造特征及与隧道的空间位置关系的调查分析，评价深埋隧道岩溶水文地质条件，并采用适宜的方法预测涌水量，是确保隧道施工安全及全线顺利贯通的有力保障。
system: [SYSTEM]

user: 2. 地质背景 可溶岩分布受地层岩性、地形地貌和构造控制 [ 8 ]。隧道区内出露地层以奥陶系、志留系及二叠系分布最广，三叠系仅涉及下统夜郎组灰岩。第四系仅洼地、谷地底部偶见分布。其中，桐梓–红花园组(O 1 t-h)上部为中厚层灰岩夹白云质灰岩和白云岩，中下部页岩、介壳结晶灰岩，底部含燧石石灰岩；栖霞–茅口组(P 2 q-m)中上部为厚层灰岩，局部夹燧石灰岩，下部为厚层灰岩为主，夹瘤状泥质灰岩；吴家坪–长兴组(P 3 w-c)中至厚层灰岩，夹炭质页岩及煤层。其中，隧道出口段主要穿越志留系及二叠系地层。 德江隧道依次近似以正交横穿文新断层、长丰背斜和石朝向斜。其中，石朝向斜核部位于隧道出口段，桩号ZK10+195附近。该向斜平缓开阔，地貌上呈向斜谷地，形成盆状蓄水构造。向斜轴部走向北东20˚~30˚，核部由三叠系夜郎组、二叠系灰岩组成，南端翘起封闭；两翼不对称，北西翼较平缓，倾角15˚~30˚，南东翼较陡，倾角20˚~50˚，两翼主要发育二叠系和志留系地层。该向斜区的横张裂隙及纵张裂隙分布广泛，沿横张裂隙发育串珠状洼地，沿轴部纵张裂隙发育的落水洞、洼地密集分布，地下河管道即沿向斜核部延展。该向斜构造与地下水关系密切，为岩溶地下水的补给、赋存及运移提供的良好的地质构造条件。见图1。 图1. 隧道区水文地质图
system: [SYSTEM]

user: 3. 岩溶发育特征及蓄水构造类型 3.1. 岩溶地貌及个体形态特征 区内根据地貌形态的不同，可划分为岩溶峡谷、溶丘谷地和溶丘洼地等三大类地貌。 岩溶峡谷，分布于研究区东侧，主要发育于奥陶系碳酸盐岩地层，沟谷深切、山峰耸立，高程范围在700~1300 m间，地形高差普遍较大、坡度较陡，以垂向岩溶作用为主，纵深发育的溶洞、溶缝常见，地表水及地下水的冲刷作用明显。 溶丘谷地，分布于石朝向斜轴部，小反水至沙溪村一带，呈长条状展布，主要发育于二叠系上统碳酸盐岩地层，地势略向南倾斜，整体较平坦，高程范围为980~1100 m，地形高差约100 m；谷内溶丘散布，丘顶多浑圆，丘高在数米到数十米不等；岩溶作用以水平发育为主，地下形成宽大、复杂的地下河管道，地表洼地、落水洞多沿谷地轴向成片分布。 溶丘洼地，主要沿石朝向斜两翼、二叠系中统栖霞–茅口组灰岩地层分布，于南部闹水岩村北侧陡崖处圈闭，呈环形条带状。溶丘多成倒锥状或馒头状，各溶丘间以大小不等、形态各异的洼地相连，洼地多为漏斗状和锅底状，其底部常发育有落水洞，洼地底部与溶丘顶部的相对高差一般在几十米，高程范围为1100~1300 m。 岩溶区，在水流冲刷和溶蚀的作用下形成独特的地表和地下岩溶形态 [ 9 ]，这些多样的岩溶形态成因及发育均有一定相关性，因此它们中的一些可以形成岩溶的组合类型。根据隧道区岩溶形态特征调查，区发育的主要岩溶个体形态划分为溶沟溶槽、岩溶洼地、落水洞、溶洞、溶蚀裂隙、地下河管道六种类型。 3.2. 隧道区蓄水构造类型 通过地面水文地质调查，结合水文地质条件特征分析，从自然地理和空隙性质 [ 7 ] 看，隧道涉及裂隙蓄水构造和岩溶蓄水构造两大类型。若考虑裂隙的成因、火成岩活动和埋藏条件等因素，隧道区裂隙蓄水构造，可分为节理裂隙型、断层裂隙型和层间裂隙型；若碳酸盐岩区考虑裂隙的成因、形态、火成岩活动和埋藏条件等因素，隧道区岩溶蓄水构造，可分为地下河及管道型、层间岩溶型和裂隙岩溶型 [ 10 ] [ 11 ]。如图2和表1。 图2. 隧道纵剖面图 3.3. 典型岩溶蓄水构造特征 区内岩溶地下水系统的空间分布主要受地形地貌、地质构造共同控制 [ 12 ] [ 13 ]，如：闹水岩地下河系 Table 1 List of water storage structure types in tunnel section 隧道分段 蓄水构造类型 地质构造 ZK6+760~ZK7+200 断层裂隙型和层间裂隙型 文新断层 ZK7+200~ZK8+150 地下河及管道型 长丰背斜 ZK8+150~ZK8+550 节理裂隙型和层间裂隙型 单斜 ZK8+550~ZK9+100 层间岩溶型和裂隙岩溶型 单斜 ZK9+100~ZK9+650 节理裂隙型和层间裂隙型 单斜 ZK9+650~ZK10+500 地下河及管道型 石朝门斜 ZK9+500~ZK12+170 节理裂隙型和层间裂隙型 单斜 表1. 隧道区段蓄水构造类型一览表 统，其空间总体展布是受北北东向展布的石朝向斜控制。 闹水岩地下河系统处于溶丘洼地，沿石朝向斜发育。石朝向斜核部为夜郎组(T 1 y)，翼部由吴家坪–长兴组(P 3 w-c)和栖霞–茅口组(P 2 q-m)等灰岩组成，向斜核部洼地、落水洞非常发育，两翼较完整，地下水汇水条件良好，各含水岩组之间具有良好的水力联系。补给方式以消、落水洞及地表溪沟水伏流灌入补给为主。系统东北部地表水系发育，主要接受明溪地表水汇流补给。地下河管道经煤厂DJ04洼地–DJ03 (消水洞)–DJ05 (消水洞)–沙溪岩溶洼地–DJ21 (地下河天窗)径流补给于闹水村出露。汇水面积29.1 km 2 。 地下河总体由北向南方向径流，在向斜南西翘起端，受灰岩与页岩的接触面上形成的水平溶洞出露，层控型地下河系统。因此，该岩溶蓄水构造为典型的地下河及管道型蓄水构造 [ 10 ] [ 11 ]。该类岩溶蓄水构造，对隧道施工安全影响极大。从地下河的剖面图可以看出，隧道位于地下河下方。见图3。因此，地下河管道为隧道涌水最大的风险来源。 图3. 闹水岩地下河剖面图
system: [SYSTEM]

user: 4. 蓄水构造水文地质分析及涌量预测 4.1. 典型蓄水构造水文地质分析 裂隙蓄水构造均处于碎屑岩中，围岩多处于弱风化状态，破碎地带风化较严重，有裂隙水渗漏，在裂隙发育带可能涌现裂隙水及滴渗水，涌水量不大 [ 14 ]。然而，岩溶蓄水构造是造成岩溶涌水的重要因素。特别是断层影响带、背斜和向斜核部，岩溶往往较发育，极易形成地下河及管道型蓄水构造，往往造成大型、特大型岩溶涌水，对隧道施工安全影响极大。如：隧道ZK9+650~ZK10+500段。 本段(ZK9+650~ZK10+500)隧道横穿石朝向斜，地层为二叠系中下统灰岩夹泥质条带灰岩，属于区域中强岩溶发育地层。隧道区处于闹水岩地下河系统的下游补给——径流区，汇水范围较大，隧道硐身处于枯水期地下水位以下地下河排水口以上的饱水含水带，地下水位高出隧道硐身约210 m，地表有岩溶干谷及大量洼地及落水洞。从钻孔数据分析，隧道硐体上部岩层夹的6.3 m厚钙质泥岩，从一定程度上制约了岩溶向下发育的程度和规模，但在向斜部面附近构造裂隙较发育往往发育裂隙状为主的溶洞、溶隙。因此，具备了岩溶涌水的必要条件，其涌水机率大，可能遇到裂隙状溶洞或岩溶管道并产生有压突水、突泥，其涌水量Q由动储量Q 1 和静储量Q 2 两部份组成。 4.2. 典型岩溶蓄水构造涌水量预测 岩溶隧道突涌水预测方法主要有水文地质比拟法、径流模数法、水文地质数值法等，但采用何种方法、如何确定参数使得隧道的涌水量大小预测更加符合实际涌水量的大小，一直是个难题 [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]。《隧道岩溶涌水专家评判系统》在深入分析隧道岩溶涌水的机理上，构建了评判模型，并提出了参数的选取，在我国铁路、公路隧道建设中得到了广泛应用 [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]。本隧道采用该方法评价，涌水量Q由动储量Q 1 和静储量Q 2 两部份组成。 动储量(Q 1 )为强降雨期引起的最大涌水量，采用大气降水入渗系数法估算： Q 1 = N ⋅ α ⋅ A ⋅ F / T [ 20 ] [ 21 ] (1) 式(1)中：Q 1 为强降雨期引起的最大涌水量，m 3 /d；N为涌入系数；α为入渗系数；A为一个降雨过程的最大降雨量，mm；F为汇水面积，km 2 ；T为降雨周期，d。 本文静储量(Q 2 )采用地下水疏干法进行计算： Q 2 = μ ⋅ L ⋅ H ⋅ R / T [ 20 ] [ 21 ] (2) 式(2)中：L为按多个涌水带，m；H为隧道底板以上水头，m；R为漏斗扩散半径，m；μ为给水度；T为疏干时间，d。 隧道涌水部位的外水压力(P)采用下式估算： P = 0.001 β ⋅ γ ⋅ H [ 20 ] [ 21 ] (3) 式(3)中：P为外水压力，MPa；γ为水容重，KN/m 3 ；H为计算点水头，m；β水头折减系数。 上述有关参数按《隧道岩溶涌水专家评判系统》给出，计算参数见表2，涌水量计算结果见表3。 Table 2 Calculation parameters of tunnel water inflow in typical karst water storage structure are 隧道段 动储量参数 静储量参数 外水压力参数 N α A F T L H R μ T β γ ZK9+650~ZK10+500 0.2 0.3 200 29.1 2 90 210 4200 0.0005 5 0.75 9.8 表2. 典型岩溶蓄水构造区隧道涌水量计算参数表 Table 3 Calculation results of tunnel water inflow in typical karst water storage structure are 隧道段 动储量 m 3 /d 静储量 m 3 /d 最大涌水量 m 3 /d 外水压力 MPa ZK9+650~ZK10+500 17.46 × 10 4 0.79 × 10 4 18.25 × 10 4 1.54 表3. 典型岩溶蓄水构造区隧道涌水计算结果表
system: [SYSTEM]

user: 5. 结论 德江隧道为典型的特长强岩溶隧道，隧道硐身大部分穿越岩溶蓄水构造。地层上以O 1 t-h和P 2 q-m、P 3 w-c的灰岩为主，构造上横穿文新断层、长丰背斜和石朝向斜，且地表、地下岩溶发育，发育大型地下河系统——闹水岩地下河。本文在前人划分岩溶蓄水构造类型的基础上，结合地层地质构造和地下水系统结构，对隧道涉及的不同蓄水构造进行水文地质分析，着重分析了典型岩溶蓄水构造与隧道硐身的空间位置关系及水力联系。指出涉及地下河及管道型岩溶蓄水构造区段，为施工揭露岩溶管道的机率较高地段，特别是大雨过后极易产生突水、突泥等灾害。并采用大气降水入渗系数法、地下水疏干法，参照《隧道岩溶涌水专家评判系统》选取参数，对典型地下河及管道型岩溶蓄水构造区段(ZK9+650~ZK10+500段)涌水量进行综合计算与评价。给出暴雨期，涌水量达18.25 × 10 4 m 3 /d [ 22 ]，涌水部位外水压力约为1.54 MPa，隧道施工过程应予以特别注意的建议。施工证实，依据上述工作方法进行隧道岩溶涌水分析，预测的涌水位置、涌水量及涌水部位外水压力值更接近实际，是确保隧道施工安全及全线顺利贯通的有力保障。
system: [SYSTEM]

user: 摘要 本文一共分为五大部分。第一部分以2020年天津商业大学贫困生的比例为引，阐明此次研究的现实意义和社会背景，并联系目前已有的研究理论，以贫困代际传递理论和心理资本理论为基础展开研究；第二部分表明小组的研究思路，从经济层面和心理层面设计问题，探究其如何影响英语学习；第三部分指出小组选取的研究对象和采取的研究方法；第四部分重点阐明此次的研究结果。第五部分根据小组研究结果，指出对于贫困生而言，仅有经济资助远远不够，现有经济资助体系较为完善，应该更注重心理资本的培育，并给出小组建议。