环境地质学总论-地质环境系统演化的一般原理.ppt

环境地质学 分论 地质环境系统演化的一般原理 Environmental Geology 2 提 纲 一、系统演化的基本概念 二、地质环境系统演化的外部条件 三、地质环境系统演化的内在机理 四、地质环境系统演化的几个阶段 3 一、系统演化的基本概念 演化 是针对系统整体而言的，是系统整体结构、功能随时间的 推移有别于先前的结构、功能的改变过程，是系统内部质的改变。 （ 系统演化又可定义为：系统原有的宏观稳定状态被破坏，经过失稳阶段， 建立新的宏观稳定态的时间过程。 ） 变化 可以指系统内部也可指外部环境，即可针对系统整体也可 针对某一局部甚至某一个点，可以指量的改变也可以指质的改变。 演化与变化 变化是演化的基础 ， 没有变化就没有演化； 某些变化可能就是演化 ， 变化也可能是演化的外在变现形式 。 变化与演化有何联系 ？ 4 宏观与微观并不是绝对尺度，随研究对象而变，大时 空尺度的微观变化对于小时空尺度的系统而言可能就是演 化。 宏观： 系统的整体发生了改变（时、空尺度较大） 微观： 系统内部的某一局部地区发生局部或微小的变化 宏观与微观 对于特定系统而言： 只有宏观的变化才视之为系统的演化 一、系统演化的基本概念 5 信息与信号 一、系统演化的基本概念 信息： 用以消除随机不确定性的东西，是现实世界各种现象 建立联系的一种特殊形式。 信号： 是信息的载体，是发送信息的手段，信号的种类越多， 变化规律越复杂，能传送的信息越多。 信息是认识事物的知识 ， 信号是信息的载体； 信号不一定能反应事物真实的信息 ， 存在噪声； 信息的多少还取决于对信号分析的能力 。 如何理解信息和信号 ？ 6 信号时间序列： 如果信号是以时间顺序排列的，即为 信号时间序列。从时间信号序列中可以看出变化方式，从而 提取信息。 一、系统演化的基本概念 如何通过信号提取信息 ？ 由结构时空性质决定的； 描述变化和演化的方法； 如：封闭空间内感知四季；微震 、 滑坡位移信号时间序列等 。 7 一、系统演化的基本概念 如何从信号时间序列中提取信息 ？ 分析系统结构变化的主要信号 。 引起结构变化的主要要素信号 。 结构要素的时空变化规律 。 信号时间序列分析 。 系统演化阶段划分 。 8 稳定与平衡 一、系统演化的基本概念 其一， 处于稳定态的系统 ，内部组分比的恒定，是系统与外界环境物能 交换的过程中形成和保持的，是输入与输出的响应函数为定值时的宏观状 态的表述，此时的宏观状态与流入量的大小无关，所以，处于宏观稳定态 的系统具有自调节能力。与之不同的是， 处于平衡态的系统 其组分的恒定 是系统内部物质运动、调节的结果，与系统外界的作用无关； 其二，存在于孤立系统的平衡态不需要外界物能的输入，也无法做功， 据此人们又常形象地 把平衡态称为静态平衡 ；而稳定态只存在于开放系 统中，不同时刻的状态与平衡点总有一定距离，可通过能量的传递做功。 所以，又 把稳定态系统称为动态平衡系统。 9 输入 来自系统的外部环境，是系统内部状态发生变化的作用。 输入、输出、响应 地质环境系统 输入 输出 响应 一、系统演化的基本概念 并不是所有的作用都看作是输入 ， 有些较小的就忽略不计了 ， 看作是随 机干扰 输入可以是力的施加与撤除 、 热能的传导 、 物质的补充或减少 描述输入作用大小 、 强度有对应的物理量和表征符号 ， 称为输入信号 。 如果将输入按信号排列 ， 就构成输入信号的时间序列 。 10 响应 在输入的作用下，系统内部所产生的状态变化。 输入、输出、响应 一、系统演化的基本概念 系统的响应可以是整个系统的宏观变化 ， 也可以是系统的某一局部 发生变化 响应是系统为适应外界作用而产生的结构调整 一个输入可能造成多种响应 （ 或响应表现为多个方面 ） 响应可以用相应物 、 能 、 力 、 化学等指标来表示 ， 称为响应信号； 响应过程用响应信号的时间序列来表达 11 输出 系统内部响应最终会对外界产生反作用，这种来自系统的 作用称为系统的输出。 输入、输出、响应 一、系统演化的基本概念 输出是指系统对环境的作用 ， 而响应是系统内部的变化 由于地质环境系统是开放的非线性系统 ， 并不是输入什么就输出什么 响应可以用相应的指标来描述 ， 称为输出信号；其按时间顺序排列称 为响应信号的时间序列 12 输入信号时间序列的意义 反 映 外界（环境）的作用强度、大小、方式的差异 反 映 外界作用过程及规律 输入、输出、响应有何意义？ 一、系统演化的基本概念 响应信号时间序列的意义 反映系统的动态变化 系统演化的判据 与输入信号时间序列结合，反映系统的自适应性和稳定性 输出信号时间序列的意义 可进行预测预警的指导 若与输入相结合，可制约人类活动的措施 13 信号时间序列中一些瞬间值偏离其长时间平均值，从而使 整个时间序列呈现震荡（波动）的现象。 涨落 )1n( )xx( 2i 一、系统演化的基本概念 如何根据信号时间序列判断系统状态 ？ 涨落是普遍存在的 包括输入的涨落 、 响应的涨落和输出的涨落 涨落的刻画 涨落值 表示均方差； xi为信号（状态变量）在 i时刻的取值； x 为 x信号在该时间序列中的平均值；（ n-1）为时间序列 的自由度，其中 n为样本空间大小，即时间序列的长度。 )1n( )xx( 2i 14 正常涨落 在一个信号时间序列中，若不同时间段的信号均值趋于某定值， 且均方差也趋于某定值，或者说，不同时段的均值和均方差各在某 定值的较小领域内，且没有趋势性的变化，那么，这个信号时间序 列的波动称为正常涨落。 涨落 一、系统演化的基本概念 在外界作用不断变化的情况下 ， 系统响应的正常涨落是其保持自身稳 定所必需的 ， 也是系统自我修复 、 自我调节能力的体现 如果某一地质环境系统宏观响应的时间序列具有上述特征时 ， 可以判 定该地质环境系统是宏观稳定的 15 异常涨落 当一个信号时间序列不同时段的均值不趋于某定值，均方 差也不趋于某定值时，那么，这个信号时间序列的波动称为 异常涨落。 涨落 一、系统演化的基本概念 16 地质环境系统失稳的主要判据： 地质环境系统由宏观的正常涨落变为异常涨落 这一判据不仅适用于以渐变形式演化的地质环境系统，也 适用于以突变形式失稳的地质环境系统。 涨落 一、系统演化的基本概念 正常涨落和异常涨落的划分要注意时空尺度，在较小时空 尺度上属异常涨落，放到较大时空尺度上就属于正常涨落， 具体要以研究目的和研究对象而定。 17 一、系统演化的基本概念 18 二、地质环境系统演化的外部条件 来自外部环境和人工子系统的输入是地质环境系统演化的动力； 地质体的响应是地质环境系统演化的过程 。 地质环境系统由人和地质体共同组成 如何看待这个 复杂系统 ？ 将地质环境背景视为地质环境系统； 将人为活动和地表以上的大气 、 生物等作用处理为是地 质环境系统的输入； 地质体内部的岩 （ 土 ） 、 水 、 气和地下生物的状态则视 为输入产生的响应 。 19 二、地质环境系统演化的外部条件 输入 （ 复杂的外部环境 ） 响应 （ 多要素的系统 ） 怎样作用 ？ 了解输入和响应信号变换的关系 1101 xTHH 112202212 xTxTHxTHH 11223303323 xTxTxTHxTHH 111-n1-nnn0nn1-nn xTxTxTHxTHH 20 二、地质环境系统演化的外部条件 111-n1-nnn0nn1-nn xTxTxTHxTHH 一是 n时刻该点的状态 （ 即响应 ） 是该点初始状态与 n个时段外界输 入信号变换的结果之和； 二是 xi的大小不同 ， 变换算子 Ti的取值很可能也不同； 三是 随 n的增大 ， 输入作用的贡献会越来越大 ， 当 n达到一定程度 ， H0对 Hn的影响会变得越来越弱 ， 以至可忽略不计 ， 此时 ， n时刻的状 态可认为是 n时刻以前输入的总贡献 。 由此可以看出 ， 在一个长的时间过程中 ， 输入对响应的决定性作用 。 21 滞后 当某一信号输入时刻与其响应的初始时刻存在时间差的现 象称为滞后现象。 如：降雨 地下水位、滑坡；抽水 地面沉降 信号变换的滞后、延迟与叠加效应 二、地质环境演化的外部条件 延迟 某一输入信号所产生响应历时是长期的，将会持续一定的 时间，这种现象称为延迟现象。 如：地下水污染 22 信号变换的滞后、延迟与叠加效应 叠加效应 不同时刻的输入所形成的 多个延迟过程会在时间和空间 上叠加，这称为叠加效应。 如：降雨 滑坡，有效 降雨量 nnc RRRRR 2210 1210 121 nc RnRn nR n nRR 二、地质环境演化的外部条件 23 地质环境系统演化的外部条件有哪些？ 影响因素种类、个数的变化 单输入 多输入；多输入 单输入。 影响因素作用强度的改变 微小变化 通过涨落化解 稳定；强度变大或变小。 影响因素作用速率的改变 岩溶含水层的顶板可能因 “ 真空吸蚀效应 ” 而垮落，导致地面塌陷 影响因素排列次序的变化 主导因素和次要因素的排序 :水土流失 二、地质环境演化的外部条件 24 三、地质环境系统演化的内在机理 地质环境系统演化的内在条件 系统的结构 协同作用 任何一种输入表面上可能被视为物理作用，其实是物理的、 化学的乃至生物方面的全方位冲击。而且其中任一状态的变化结果， 又会反过来影响其它状态，构成互为因果、连锁式的动力学过程， 这种现象称为协同作用。 自组织 在地质环境系统内部自发形成的，能够使物质运动的各种动 力学过程通过协同作用，形成统一指向的行为称为自组织。 协同作用是系统具有自组织能力的主要原因，而自组织又是 系统保持稳定时空结构的根本原因。 25 三、地质环境系统演化的内在机理 地质环境系统如何从稳定走向失稳 ？ 输入具备正常涨落的特点 地质环境系统响应正常涨落； 输入变化很大 地质环境系统响应出现大涨落 巨涨落； 自组织维护系统稳定 协同作用丧失 自由度增大 自组 织破坏原有稳定； 稳定阶段特点： 时间序列服从大数定律 ， 均值稳定 ， 均方 差小于均值； 失稳阶段特点： 均方差不断增加 ， 大于均值 。 26 四、地质环境系统演化的几个阶段 稳定状态 地质环境系统处于稳定阶段时 ， 其宏观的状态具有正常 涨落的特点 ， 此时 ， 系统的结构 、 功能都是稳定 、 有序的 。 曲线具有以下特点： 随 着时间的延续 ， 不同时段的状态 均值都在横轴 （ 也是 A点所在位 臵 ） 附近 ， 各时段均方差数值也 十分接近； 尽管在不同时段波 动的幅度因受随机力大小的影响 ， 但运动周期大体相近 。 这两点恰恰反映了地质环 境系统在稳定阶段的基本特征 。 27 四、地质环境系统演化的几个阶段 失稳状态 系统原有的稳定性遭到破坏 ， 宏观状态具有异常涨落的 特点 ， 属于非平稳的随机过程 。 地质环境系统失稳时 ， 系统 未来的走向则如系统科学所指出的 ， “ 当系统状态处于临界点时 ， 随机 干扰会成为系统状态如何变化的决 定因素 。 ” 换句话说 ， 在对系统未 来变化的信息掌握不充分的情况下 ， 地质环境系统失稳的具体道路和失 稳的形式往往是事前难以预测的 。 28 四、地质环境系统演化的几个阶段 失稳状态 在研究地质环境系统失稳的问 题上 ， 具体时间 、 地点和规模的精确 预测都面临很大的困难 。 目前唯一可行的办法就是提高 野外长期监测的精细度 ， 包括监测点 的密度和时间间隔 ， 以便从中获取地 质背景条件动态变化特征和规律的信 息 。 这些信息是自然和人为对地质 体施加作用的综合响应在时空上的表 现 。 掌握地越及时 ， 就越能提高对后 一时刻系统状态的判断精度 。 信息滞 后越明显 ， 预测效果就越差 。 关于地质环境系统失稳后的未来走向 29 四、地质环境系统演化的几个阶段 稳定态重建 地质环境系统由异常涨落转变为正常涨落 ， 或者说从无 序变为有序的过程称为稳定态重建阶段 。 地质环境系统的演 化是不可逆过程 ， 经过失稳阶段的系统不可能恢复到初始的 宏观状态 。 30 地质环境系统演化的表现形式 渐变 其状态的时间序列是 连续的 ， 没有间断点 ， 整个时间序 列往往具有明显的上升或下降的趋势 。 渐变的过程中 ， 系统的结构 、 功能呈现 缓慢的变化 。 伴随着这些变化 ， 出现对人不 利的地质环境问题 。 地质环境的渐变演化符合传统规律 ， 可 沿用系统稳定状态的数学方法进行预测 。 四、地质环境系统演化的几个阶段 31 突变 与渐变不同的是 ， 突变前后的整个时间序列在某一处中 断 ， 或者说出现断点 。 突变强调的是变化的 瞬间性 、 骤然性 ， 指的是在可以忽略的时间间隔内完成的系统性质 （ 结构 、 功 能 ） 的突然改变 。 突变往往引发突发性地质环境问题即地 质灾害 。 地质环境的突变问题具有 多解性和难以 预测性 。 目前可行的做法是刻画系统的整体状 态 、 行为 、 特征的动力学变化 ， 不刻意追究其 内部细节的动力学过程 。 四、地质环境系统演化的几个阶段 32 渐变与突变有何关系？ 渐变与突变可以在同一系统中同时发生 渐变与突变的相互影响 渐变的过程可能是突变过程的诱因 ， 突变过程反过来 又促进渐变过程的发展 。 突变现象具有渐变的阶段 大量研究表明 ， 突变的的发生都有一定的前兆 ， 即存 在渐变发展的酝酿阶段 ， 突变之前有一个加速渐变的过程 。 四、地质环境系统演化的几个阶段