一种基于GMDH神经网络的双层复合衬垫击穿时间计算方法

一种基于gmdh神经网络的双层复合衬垫击穿时间计算方法
技术领域
1.本发明主要涉及环境岩土和深度学习领域，特别是一种基于gmdh神经网络的双层复合衬垫击穿时间计算方法。


背景技术：

2.衬垫系统是防污屏障系统中重要的组成部分，其是阻止渗滤液扩散的重要屏障，是保障填埋场安全服役的关键。在当代垃圾填埋场中，通常需要在填埋场底部设置衬垫系统，而复合衬垫系统则是目前填埋场使用的最为普遍的底部衬垫系统。复合衬垫系统主要包括以下两种类型：一是由一层土工膜(gmb)和一层压实黏土衬垫(ccl)组成的复合衬垫层；另一种则是由一层gmb、一层土工合成膨润土衬垫层(gcl)和一层土壤层(al)组成的复合衬垫。而我国填埋场相关标准规范规定的最为典型的复合衬垫类型为由一层gmb和一层0.75m厚的ccl组成的复合衬垫层。其中，复合衬垫中的gmb层对于非有机物类污染物(如重金属离子)而言是一种非常有效的防污屏障，而ccl层对于渗滤液中的有机和无机污染物而言都是很好的扩散屏障。然而国内垃圾填埋场的很大部分对周边水体或土体造成了明显的污染，这主要是由于我国填埋场厨余垃圾含量高，渗滤液产量大，污染物浓度高，导排层易淤堵，渗滤液水位往往可达填埋高度的1/3以上。此时，单层的衬垫系统已经无法满足填埋场的防渗要求，因此现行国家标准《生活垃圾卫生填埋处理技术规范》gb50869规定针对以下四种情况，需要使用双层复合衬垫：(1)国土开发密度较高、环境承载力较弱，或环境容量较小，生态环境脆弱等需要采取特别保护的地区；(2)填埋容量超过1000万m3或使用年限超过30年的填埋场；(3)基础天然土层渗透系数大于10-5
cm/s，且厚度较小、地下水位较高的场址；(4)混合型填埋场的专用独立库区。
3.而选用的衬垫结构是否能够满足使用要求最重要的评价条件就是其击穿时间，目前我国已有学者提出了单层复合衬垫结构击穿时间的解析解。而在工程应用时，由于解析解计算较为复杂，且表现形式为隐函数，需要进行数据反演，使用不便，且目前没有一种计算双层复合衬垫击穿时间的方法，在实际工程运用中很难界定衬垫结构的防渗效果。因此，非常有必要提出一种适合工程设计的双层复合衬垫击穿时间计算的方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于gmdh神经网络的双层复合衬垫击穿时间计算方法，对于国内填埋场内设计双层复合衬垫并评价其防污能力具有重要意义。
5.本发明通过以下技术方案实现：
6.一种基于gmdh神经网络的双层复合衬垫击穿时间计算方法，具体包括以下步骤：
7.s1：基于污染物在单层复合衬垫中的运移情况，构建污染物运移数学模型；
8.s2：基于所述的污染物运移数学模型，得到单层复合衬垫污染物击穿时间计算的解析解；
9.s3：基于单层复合衬垫污染物击穿时间计算的解析解，使用gmdh神经网络进行建
模，对解析解进行简化，得到简化后的拟合式；
10.s4：使用数值模拟方法对双层复合衬垫进行分层化处理，确定各层分配系数；
11.s5：基于步骤s4得到的各层分配系数和步骤s3得到的简化后的拟合式，计算双层复合衬垫击穿时间。
12.进一步地，步骤1所述的污染物运移数学模型为：
[0013][0014][0015]
式中：dg表示土工膜中污染物的扩散系数；cg表示土工膜内污染物浓度；ds表示压实粘土衬垫中污染物的有效扩散系数；cs(z,t)表示压实粘土衬垫中污染物的浓度；va表示复合衬垫中的达西流速；vs表示压实粘土衬垫中的渗流速度；rd表示压实粘土衬垫的阻滞因子；z表示污染物沿竖向运移的距离。
[0016]
进一步地，步骤s2中，根据复合衬垫中运移的污染物类型确定污染物运移数学模型中的参数，根据现场条件确定污染物运移数学模型的边界条件，根据边界条件求解单层复合衬垫污染物击穿时间计算的解析解。
[0017]
进一步地，所述的步骤s3包括：
[0018]
(3-1)构建训练数据集：根据单层复合衬垫污染物击穿时间计算的解析解，计算不同的垃圾填埋场水头、复合衬垫各层厚度、渗透系数和扩散系数下对应的单层复合衬垫击穿时间，得到单层复合衬垫常见工况的击穿时间及其对应的参数组合；
[0019]
(3-2)构建gmdh神经网络模型，以部分训练数据集中的渗滤液污染物的初始浓度、污染物运移的达西流速、土工膜的peclet数、压实粘土衬垫的peclet数、水动力弥散系数、污染物在土工膜中的扩散系数中的一种或多种作为gmdh神经网络模型的输入参数，以击穿时间或击穿时间因子为输出量，对gmdh神经网络模型进行训练，得到关于输入-输出的拟合式；
[0020]
(3-3)选择剩余部分的训练数据集对拟合式的精度进行验证，直至拟合式误差满足要求，结束训练。
[0021]
进一步地，所述的步骤s4包括：
[0022]
建立现场所使用的双层复合衬垫的数值模型，使用数值模拟方法计算不同水头值下双层复合衬垫整体击穿时间和分层后各层的击穿时间，总击穿时间计算公式如下：
[0023][0024]
式中：t表示双层复合衬垫的总击穿时间；ti表示第i层的单层复合衬垫的击穿时间；αi表示第i层单层复合衬垫击穿时间分配系数；
[0025]
使用线性回归方法计算各层的分配系数，直至误差在可接受范围内。
[0026]
进一步地，所述的步骤s5具体为：获取待计算的双层复合衬垫中各层的参数作为简化后的拟合式的输入，分别计算各层的击穿时间，将各层的击穿时间与各层分配系数的乘积之和作为双层复合衬垫的总击穿时间。
[0027]
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
[0028]
本发明通过使用神经网络方法，简化了复合衬垫击穿时间的计算，其能够在保证计算可靠性的前提下得到了便于工程计算的简化公式，可以较好地简化填埋场设计时的计算；本发明提出了分层化处理和计算双层复合衬垫击穿时间的方法，为实际工程应用时界定衬垫结构的防渗效果提供了思路。
附图说明
[0029]
图1是本发明实施例示出的计算双层复合衬垫击穿时间方法的流程图。
[0030]
图2是本发明案例的计算模型。
具体实施方式
[0031]
下面将以存在褶皱状态下双层复合衬垫击穿时间计算为例，结合附图、表对本发明作进一步阐述和说明，本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
[0032]
步骤1)：构建污染物在复合衬垫中的运移数学模型：
[0033][0034][0035]
式中：dg——土工膜中污染物的扩散系数；cg——土工膜内污染物浓度；ds——压实粘土衬垫中污染物的有效扩散系数；cs(z,t)——压实粘土衬垫中污染物的浓度；va——复合衬垫中的达西流速；vs——压实粘土衬垫中的渗流速度；rd——压实粘土衬垫的阻滞因子；z——污染物沿竖向运移的距离。
[0036]
单层复合衬垫的边界条件如下：
[0037]cs
(z,0)＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0038]cg
(0)＝c0s
gf
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0039][0040][0041][0042]
式中：c0——渗滤液污染物初始浓度(mg/l)；s
gf
——土工膜和相连介质孔隙流体之间的分配系数；lg——土工膜厚度(m)；ns——压实粘土衬垫孔隙率。
[0043]
步骤2)：求解单层复合衬垫污染物击穿时间计算的解析解
[0044]
根据边界条件，可得单层复合衬垫的污染物击穿时间解析解公式，如下：
[0045][0046][0047][0048][0049]
式中：cb——防污屏障底部污染物击穿浓度(mg/l)；c0——渗滤液污染物初始浓度(mg/l)；va——复合衬垫中的达西流速(m/s)；s
gf
——土工膜和相连介质孔隙流体之间的分配系数；p
lg
——土工膜peclet数；p
ls
——压实粘土衬垫peclet数；d——水动力弥散系数(m2/s)；dg——污染物在土工膜中的扩散系数(m2/s)；lg——土工膜厚度(m)；ls——压实粘土衬垫厚度(m)；vs——渗流速度(m/s)；tb——指示性污染物击穿时间(年)；tr——时间因子；erfc(.)——互补误差函数。
[0050]
步骤3)：简化单层复合衬垫击穿时间公式
[0051]
根据常见工况使用2096组数据对gmdh神经网络进行训练，本实施例中，在训练过程中，以β1＝log
10
(p
lg
)、β2＝log
10
(p
ls
)、作为输入参数，以时间因子tr作为输出量。得到了以下简化公式：
[0052][0053][0054][0055][0056]
β1＝log
10
(p
lg
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0057]
β2＝log
10
(p
ls
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0058][0059]
式中：α1、α2、α3、β1、β2、β3——简化公式的计算系数，无量纲；其余参数含义及单位
均与单层复合衬垫的污染物击穿时间解析解公式中相同。
[0060]
表1是本发明简化公式的训练情况，表2是本发明简化公式的测试情况，如表1和表2所示，根据已有的解析解模型结合实际工况共模拟出1260组训练数据和836组验算数据，二者数据拟合度都比较高，分别为0.88和0.92，且相对误差仅有10.87％和10.14％，符合误差在20％以内的工程要求。且相对误差大于20％的数组占比分别为14.69％和10.05％，所占比重较小。gmdh简化公式在如此多的训练和验算数组下仍能够保持比较高的精度，可见其可靠性较高，且简化公式本身并不复杂，所含系数都是通过基础函数计算所得，在工程上应用性良好。
[0061]
表1训练情况
[0062]
训练数组1260拟合度0.88平均相对误差10.87％相对误差大于20％组数及占比185组，14.68％相对误差大于30％组数及占比89组，7.06％相对误差大于50％29组，2.30％
[0063]
表2测试情况
[0064]
验算数组836拟合度0.92平均相对误差10.14％相对误差大于20％组数及占比84组，10.05％相对误差大于30％组数及占比27组，3.23％相对误差大于50％组数及占比8组，0.96％
[0065]
步骤4)：双层复合衬垫的分层化处理
[0066]
为验证分层计算双层复合衬垫击穿时间方法的合理性，因此首先对其进行了模型验证，计算模型图如图2所示。双层复合衬垫击穿时间计算方法为：先计算复合衬垫(上)的击穿时间，一旦复合衬垫(上)被击穿，则使用源浓度(c0)作为复合衬垫(下)的顶部边界条件，计算复合衬垫(下)的击穿时间。使用comsol软件对500组不同参数的双层复合衬垫在无简化情况和简化情况下的击穿时间分别进行了计算，经过线性回归分析后得到上下层击穿时间分配系数都为1，即总击穿时间＝复合衬垫(上)的击穿时间 复合衬垫(下)的击穿时间，简化后计算击穿时间平均相对误差约为6.74％，误差较小，故可认为该分层化处理正确有效。
[0067]
步骤5)：计算双层复合衬垫击穿时间
[0068]
某双层复合衬垫的上层水头hw＝10m，土工膜褶皱为100m，漏洞频率为1个/ha，褶皱宽度的1/2取0.1m，土工膜厚度lg为0.002m，ccl渗透系数k
ccl
＝1.0
×
10-10
m/s，孔隙率n
ccl
为0.4，厚度l
ccl
为0.3m；渗滤液导排层(dl)渗透系数k
dl
＝1
×
10-10
m/s，孔隙率n
dl
为0.5，厚度l
dl
为0.3m，θ取1.0
×
10-8
m2/s。污染物为氯离子，土工膜中污染物扩散系数与分配系数的乘积s
gfdg
为1.0
×
10-15
m2/s，ccl中扩散系数d
ccl
为5.0
×
10-10
m2/s，dl中扩散系数d
dl
为1.0
×
10-9
m2/s。计算模型如图2所示，对其进行计算：
[0069]
计算双层复合衬垫上层渗漏率：
[0070][0071]
ls＝l
ccl
l
dl
＝0.6m
[0072][0073]
计算双层复合衬垫上层击穿时间：
[0074][0075][0076][0077][0078]
根据经验公式其击穿时间因子tr为0.385，则上层衬垫击穿时间为：
[0079][0080]
下层水头hw＝0.3m，土工膜褶皱为100m，漏洞频率为1个/ha，褶皱宽度的1/2取0.1m，土工膜厚度lg为0.0015m，ccl渗透系数k
ccl
＝1.0
×
10-10
m/s，孔隙率n
ccl
为0.4，厚度l
ccl
为0.3m；天然衰减层(al)渗透系数k
al
＝1
×
10-7
m/s，孔隙率n
al
为0.3，厚度l
al
为1.0m，θ取1.0
×
10-8
m2/s。污染物为氯离子，土工膜中污染物扩散系数与分配系数的乘积s
gfdg
为1.0
×
10-15
m2/s，ccl中扩散系数d
ccl
为5.0
×
10-10
m2/s，al中扩散系数d
al
为6.0
×
10-10
m2/s。
[0081]
对其进行计算：
[0082]
计算双层复合衬垫下层渗漏率：
[0083]
[0084][0085]
计算双层复合衬垫上层击穿时间：
[0086][0087][0088][0089][0090]
根据经验公式其击穿时间因子tr为0.369，则下层衬垫击穿时间为：
[0091][0092]
因此，该双层复合衬垫的总击穿时间为93.9年。
[0093]
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。