协同学分析

作者&投稿:倚度 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
什么是协同分析?~

  协同一词来自古希腊语, 或曰协和、同步、和谐、协调、协作、合作, 是协同学(Synergetics)的基本范畴。协同的定义, 《说文》提到“协, 众之同和也。同, 合会也”。
  分析就是将研究对象的整体分为各个部分、方面、因素和层次,并分别地加以考察的认识活动。分析的意义在于细致地寻找能够解决问题的主线,并以此解决问题。

在地下水多元多相复杂开放水化学体系中,用以往的线性、孤立系统化学平衡的方法将各种化学反应逐一辨识出来,在客观上无法完成;另外,宏观微观缺乏层次性分析的研究方法难以对目前氟研究形成指导。因此,本次研究运用系统科学协同学的原理,探索新的研究方法,对高氟地下水的形成机理做出解释。
地下水系统内部组成物质之间在相互作用相互联系的同时,还与外界环境发生物质能量的输入输出。大气降水的入渗,使地下水系统获得水量补给的同时也获得了能量。地下水位的抬升导致水动力条件发生变化。此外,入渗还能带来一些可溶盐、热能、溶解氧等,它们会与地下水进行化学反应、热能传导,进而影响地下水的微化学环境。外界环境的任何一种输入能导致地下水系统的内状态变化,反过来影响地下水系统对外界的输出等其他状态,构成互为因果、连锁式的动力学过程。
根据系统理论,当外界环境对系统的输入和系统对外界环境的输出保持相对稳定,或者输入和输出具有正常涨落的特征时,系统可通过内部的自组织将各组分之间错综复杂的关系协调起来,形成统一(同一)的结构模式,这种结果又称为协同效应。
外界环境的输入是地下水系统不断进行物质运动的主要原因,它不仅源源不断地弥补系统物质输出造成的亏损,也为物质的运移提供了所需的能量。如果输入过程以正常涨落的方式进行,系统可以维持正常的物质运动过程,即使输入过程中出现某些瞬间的强度增大或减小,只要不超过一定的阈值,系统都会通过内部物质的再分配和能量的调整,即涨落予以化解,以保持一种和谐、有序的宏观状态。这种在地下水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。显然,协同作用是系统具有自组织能力的原因,而地下水系统的自组织又是其能够消除外界干扰,保持稳定时空结构的根本原因。
前已述及,系统虽然仍受输入输出波动的干扰,但在协同作用下,通过自组织会将干扰化解,使系统保持宏观的稳定状态。对于一个具宏观稳定态的系统来说,稳定态意味着其内部的水动力场、水化学场的基本不变,各种化学组分的种类和组分比也不随时间发生较大的波动。这种观点既适用于空间尺度较大的区域地下水系统,也适用于空间尺度很小的水文地球化学微环境。
协同学理论还进一步指出,由系统层次所决定,宏观稳定态的系统内部必然是多态的,就是说其内部存在着多种低一层级的组织形式,而低一层级的组织形式也会包含众多不同的“类型”(从水文地球化学角度来理解,所谓“类型”是指水文地球化学微环境中,各种化学组分按相对恒定的比例组合在一起,形成的多状态组合),这种观点又被称为多态理论。
基于协同学的理论指导,本次研究采用了两种分析方法:一种是类型分析法,即按水化学类型划分类型,分析它们与高氟地下水之间的关系;另一种是水化学相图分析法,对于高氟地下水的形成机理得出了一些较新的认识。

把万年矿底板系统分为突水子系统和阻水子系统。阻水子系统包括:底板隔水层子系统是突水的唯一制约因素。突水子系统包括:底板裂隙网络系统、含水层系统、采动系统。

目前仅用隔水层系统和含水层子系统来描述突水和阻水两子系统之间的相互作用,因此用x,y分别表示t时刻隔水层子系统和含水层子系统的状态变量[73]。而两个子系统的建立需要考虑子系统内的发展规律和子系统间的相互作用的影响两个方面,故采用动力学方程可描述为

煤矿底板突水

右端的函数f1(x)、g2(y)分别表示突水与阻水两子系统各自的发展规律;g1(y)、f2(x)分别表示另一子系统对该子系统影响。为便于分析,本文采用伏特拉模型,即假定函数f1(x)、f2(x)、g1(y)、g2(y)都是线性的,故突水子系统和阻水子系统相互作用的协同学数学模型是

煤矿底板突水

模型中,a1、a2分别是子系统x、y的内在变化率,其正负由它们各自内部体系确定。b1x2和c2y2反映的是各子系统内部的制约因素,故b1≤0、c2≤0。c1xy、b2xy这两项反映的是各子系统间的相互作用。c1和b2的正负号要根据这两个子系统间的相互作用的形式而定,有以下几种情况:

(1)两个子系统都对对方有利,既不互相破坏,互相协同,这时c1≥0,b2≥0。

(2)两个子系统都对对方不利,互相排斥,互不协同,对对方起阻碍和破坏作用,这时c1≤0,b2≤0。

(3)y子系统的存在对x子系统的存在不利,x子系统的对y子系统有利,这时c1≥0,b2≤0。

目前,突水子系统对阻水系统极为不利;由于煤量加大,使得应力、应变重新分布,底板裂隙网络不断扩大,此时,c1≥0,b2≤0。c1和b2是随时间t变化而变化的量,c1和b2变化的方向将关系到该煤矿底板是否突水问题。若不准备采取任何措施,继续保持突水系统对阻水系统极为不利的局面,c1和b2变化的方向将向c1≤0,b2≤0,两系统都对对方不利,互相拆台,互相排斥,对对方起阻碍和破坏作用,若采取合理有效的措施,积极改善突水系统对阻水系统极为不利的局面,c1和b2变化的方向将向c1≥0,b2≥0方向发展,两个子系统都对对方有利,突水能力有所降低,阻水能力增强。

结合万年矿2煤含水层与隔水层系统的实际情况分析,二叠系隔水层厚度较厚,完整性良好,是属于较好的隔水层;二叠系含水层单位涌水量0.112~0.542L/s·m,渗透系数为1.5~5.3m/d。富水性不均一,渗透性一般,各向异性。此时,c1≥0,b2≥0,两个子系统均对对方有利,突水能力较低,阻水能力较强。因此发生突水的可能性较小。但如果遇断层或不安全开采,很可能使得隔水层系统的阻水能力降低,而为突水系统提供了突水通道使得突水系统的突水能力有所增强,则此时,c1≤0,b2≤0,这种情形对底板系统很不利,增加了底板发生突水的可能性。因此,在安全开采的原则下,在遇断层时需要采取相应的措施进行防治水。




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