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1、第46卷第7期人民長(zhǎng)江Vo1．46．No．72015年4月YangtzeRiverApr．，2015文章編號(hào)：1001—4179(2015)O7—0051一O4泥石流固體堆積物粒度分布特征研究徐新川，陳劍平，單博(吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130026)摘要：為客觀準(zhǔn)確研究泥石流固體堆積物粒度分布特征與泥石流影響因素之間的關(guān)系，通過(guò)對(duì)某水庫(kù)庫(kù)區(qū)的23條泥石流溝進(jìn)行深入的調(diào)查研究分析，選取與泥石流流體性質(zhì)有密切關(guān)聯(lián)的16個(gè)泥石流影響因素，利用核主成分分析法(KPCA)對(duì)影響因素進(jìn)行降維，形成線性無(wú)關(guān)的主成分。然
2、后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測(cè)了泥石流固體堆積物的分形維數(shù)。結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)誤差最大僅為2．6％，由此說(shuō)明泥石流各影響因素間存在著復(fù)雜映射關(guān)系，具有良好的非線性相關(guān)性，能決定固體堆積物的粒度分布特征。關(guān)鍵詞：核主成分分析；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；泥石流；粒度分布；分形維數(shù)中圖法分類號(hào)：P642文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10．16232／j．cnki．1001—4179．2015．07．014泥石流是產(chǎn)生于山坡與溝谷中的一種由液體和固間關(guān)系聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行研究的尚不多見(jiàn)。因此以顆粒流體組成的兩相流體，固相物質(zhì)主要是由黏粒、粉粒、砂理論為基礎(chǔ)，利
3、用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展泥石流堆積物粒粒等不同粒徑區(qū)段的土粒組成，液相物質(zhì)主要是水。度分布特征與泥石流溝谷特征及泥石流爆發(fā)特性之間在泥石流運(yùn)動(dòng)中，漿體作為懸浮質(zhì)將大小不等的塊石內(nèi)在規(guī)律的研究具有一定的實(shí)際意義。及黏粒搬運(yùn)到堆積區(qū)，形成具有一定粒度分布的松散1核主成分分析法堆積體。目前，對(duì)泥石流堆積物粒度分析的方法大多都是基于核函數(shù)的主元分析法(KPCA)通過(guò)將影響因基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的規(guī)律和方法。但是運(yùn)用傳統(tǒng)的線性理論素映射到一個(gè)高維空間后，對(duì)高維空間中的映射因素很難直觀地描述泥石流固體堆積物的粒度分布特征。進(jìn)行線性主元分析’
4、]，從而可以得到因素非線性主20世紀(jì)7O年代，美國(guó)數(shù)學(xué)家B．B．Mandelbrot首次提元。該方法抓住了主要關(guān)系對(duì)因素進(jìn)行簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)了出的分形理論?，為研究泥石流堆積物的粒度分布特高維數(shù)據(jù)的降維，降維后的因素又能綜合反映原始因征提供了一種強(qiáng)有力的工具。李泳等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，素的綜合信息。核主成分分析方法概述如下。泥石流堆積物顆粒組成具有很好的分形特征，顆粒(1)將泥石流樣本數(shù)據(jù)映射到高維空間。設(shè)有m的分維值隨密度而變化，密度越大，分維值越大。倪華維的17,個(gè)泥石流樣本數(shù)據(jù)為，，?，ER，首先勇、劉希林等將泥石流堆
5、積物的分形特征與堆積物的用一非線性映射(·)把數(shù)據(jù)從原空間映射到高維空粒度特征相聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)分維值可很好地反映泥石流間，有()=(()，(：)，?，())，然后在此堆積物顆粒組成及其粒度分布特征。易順民分析了泥高維空間進(jìn)行線性主元分析。石流堆積物粒度分形結(jié)構(gòu)特征，指出用分維值可以反(2)計(jì)算泥石流各因素的協(xié)方差。特征空間中映映泥石流活動(dòng)的形成演化特征。射數(shù)據(jù)的協(xié)方差為然而將以粒徑分形特性為主要內(nèi)容的系統(tǒng)組構(gòu)特1一c=>(xj)(，)(1)征與泥石流溝谷特征、泥石流爆發(fā)特性及物源特征之收稿日期：2014—08—10基
6、金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41330636)作者簡(jiǎn)介：徐新川，男，碩士研究生，主要從事巖土工程地質(zhì)方面的研究。E—mail：361977270@qq．corn通訊作者：陳劍平，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖土地質(zhì)方面的研究。E—mail：249531952@qq．corn52人民長(zhǎng)江(3)計(jì)算泥石流因素主成分。一般通過(guò)轉(zhuǎn)化為求求。解特征值問(wèn)題來(lái)計(jì)算主成分，滿足盡管BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到廣泛的應(yīng)用，但在實(shí)際計(jì)AV=CV(2)算中，BP算法收斂速度慢，并且目標(biāo)函數(shù)存在局部極其中，特征值A(chǔ)>0；特征向量為V∈(·)
7、。小值。因此，人們提出了各種改進(jìn)算法。目前常用的由于特征值≠0對(duì)應(yīng)的特征向量是由特征空算法有共軛梯度法、高斯牛頓法、動(dòng)量改進(jìn)BP算法、間的向量組成的，所以存在變速率算法、Levenberg—Marquardt法等。y=∑()(3)3應(yīng)用實(shí)例f=l其中，為系數(shù)。將(2)式兩邊左乘(z)，可得3．1粒度分布影響因子的選取A[()V]=[()CV](4)在泥石流的形成區(qū)或流通區(qū)，巖石由于風(fēng)化作用其中，k=1，2，?，n。形成了由磨圓和分選都很差及棱角分明的大量塊石、定義n×17,矩陣為細(xì)小顆粒及碎屑物質(zhì)組成的松散體，這
8、些松散體構(gòu)成K；f=K(，)=[(。)·(川(5)了泥石流的物質(zhì)來(lái)源。松散體在大量流水的作用下，由式(3)～(5)可得(6)式，并求解核矩陣的特征向量和特征值形成泥石流體，隨流水在泥石流溝內(nèi)運(yùn)動(dòng)遷移，最終在nAa=Ka(6)堆積區(qū)堆積。泥石流體的運(yùn)移過(guò)程實(shí)際上就是其勢(shì)能其中，0=(，，?，)的特征值向動(dòng)能轉(zhuǎn)化的過(guò)程，期間顆粒發(fā)生摩擦、碰撞進(jìn)行能量A≥A：≥?≥A，其對(duì)應(yīng)的
