本发明涉及海床液化评价，具体而言，特别涉及一种极端环境下波致海床液化易发性的评价方法。
背景技术：
1、波致海床液化是由于波浪这一外部载荷周期性地作用在海床上，通过压力波在海底产生差异负荷，导致底层沉积物中产生一系列周期性剪切应力。如果产生的剪切应力超过其强度，导致沉积物的状态由固态变为液态，导致海床失去强度和刚度。易发性评价是对某一地区已经存在或潜在可能发生的地质灾害的分类、体积（或面积）和空间分布的定量或定性评估。为了有效地预测和评估海底液化的发生概率和严重程度，易发性评价得到研究人员的广泛关注。该研究有助于对灾害的空间范围、地质灾害机制和触发因素进行定量分析，为灾前规划、灾害响应和灾后恢复工作提供了建议，有效降低灾害损失。
2、现有学者通过确定性分析计算单一站位波致海床液化易发性。确定性分析是一种用于地质灾害的定量评估方法。它基于对海底地质灾害发生机制及其物理规律的理解。作为确定性分析的一种方法，安全系数被广泛应用于衡量海底滑坡、海床液化发生概率的研究中。安全系数被定义为抵抗灾害发生的力与驱动灾害发生的力的比值，如公式2-1所示。
3、（2-1）
4、对于海床液化，确定性分析在海床液化易发性评估中应用的两种主要方法如下：（1）有效应力判别：当沉积物的超孔隙水压力大于覆盖的有效应力时，它将发生液化，如公式2-2所示。
5、（2-2）
6、其中，是有效应力；是静水条件下沉积物的垂直有效应力；是波浪诱导的超额孔隙水压。当的值越接近1时，沉积物越可能不稳定；（2）剪切应力系数法：当波浪诱导的剪切应力大于沉积物抵抗液化的能力时，沉积物将发生液化，如公式2-3所示。
7、（2-3）
8、其中fs是安全系数（safetyof factor，fs），csr是循环应力比（cyclic stressratio, csr），crr是循环阻力比（cyclic resistance ratio，crr）。安全系数越小于1，沉积物的稳定性越差，越容易发生波致海床液化，相反，安全系数越大于1，沉积物的稳定性越强，越不容易发生波致海床液化。
9、虽然确定性分析中的输入和输出参数易于理解，并且方法的可操作性强，但该方法仅能计算单一站位的易发性，无法实现对连续区域的易发性评价。
10、有学者通过统计学方法实现对波致海床液化的易发性评价。统计学方法利用统计学原理描述地质灾害条件因子之间的相关性，可以对地质灾害进行定性和定量评价。因此，这种方法在波致海床液化的易发性评价中得到了广泛的应用。其中主要包括wi-index 双变量分析，多元统计分析和机器学习（神经网络模型和最大熵模型）。
11、wi-index 双变量分析是一种主要用于波致海床液化风险评估的双变量分析技术，可以通过每个条件因素中不同级别的相对权重来计算，并以易发性图的形式呈现，适用于大规模地质灾害的易发性评价，公式为2-4：
12、（2-4）
13、最终的是由每一个条件因子的值相加获得的，如公式2-5所示。
14、（2-5）
15、尽管双变量统计学方法可以实现对波致海床液化易发性的定量评价，但这种技术是主观的，难以判断选择的条件因素与事件之间是否存在高度相关性。
16、多元统计分析法可以建立一个多因素关系网络，基于充分的地质灾害数据和案例生成一个地区的灾害评估结果。逻辑回归（logistic regression，lr）方法是一种多元统计方法，是一种适用于小到中尺度易发性研究的变量分析模型。地质灾害发生与条件因素之间的相关性如公式2-6所示。
17、（2-6）
18、其中s（从0到1）是给定地形在受不稳定性影响的单元组中的概率，ψ 是logit，它与自变量线性相关，如公式2-7所示。
19、（2-7）
20、该方法不需考虑权重的影响，其条件因素可以是连续的，也可以是离散的，但该方法受历史数据的影响较大。因此，对于历史数据欠缺的地区，逻辑回归方法具有局限性。
21、随着人工智能的发展，机器学习方法，如人工神经网络模型已被应用于波致海床液化的易发性评价。最大熵模型（maxent）是一种统计机器学习方法，该方法将具有最高熵值的模型视为中期评估结果，遵循对已知信息建模并不对未知信息做任何假设的原则。满足所有约束条件的模型集合c 如下所示，其表达式为公式2-8。
22、（2-8）
23、由条件概率分布的定义的条件熵如下所示，其表达式为公式2-9。
24、（2-9）
25、最大熵模型允许对研究区域的易发性进行更全面的研究，但该方法在波致海床液化易发性评价中很少被应用。这是因为该方法建立在大量数据的基础上才能实现准确评估，这对海底地质灾害领域比较困难。
26、总体而言，现有的评价方法中部分方法仅能完成对单一站位易发性的计算，难以实现从单一站位向连续区域的波致海床液化易发性评价；部分方法对数据量有较高的要求，因此需要开发新的方法完善波致海床液化的易发性评价。
技术实现思路
1、为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种极端环境下波致海床液化易发性的评价方法。确定性分析紧密围绕灾害成灾机理，分别对波致海床液化的波浪荷载条件和沉积物抵抗液化的能力进行评价，最终实现对单一站位波致海床液化易发性的定量计算。针对数据数量的问题，本文采用经验贝叶斯克里金对波致海床液化易发性评价，该方法可实现从具体站位波致海床液化易发性评价到整个区域的波致海床液化易发性评价，形成波致海床液化易发性分区图。
2、该方法可以实现对小数据量研究区从单一站位到连续区域的波致海床液化易发性定量评价。有效解决波致海床液化易发性评价在模型评价精度和灾害清单不全面的问题。
3、本发明是通过如下技术方案实现的：一种极端环境下波致海床液化易发性的评价方法，具体包括以下步骤：
4、步骤s1、选择研究区和建立数据库：确定研究区的具体边界，并对该区域内的波浪特征数据和沉积物特征数据进行了汇总；波浪特征数据分别为平静海况下和多种极端风浪条件下的基本波浪要素数据，包括波高、波周期、水深、时间；沉积物特征数据是通过沉积物钻孔和沉积物样品取得的，完成对沉积物样品基本物理性质测试分析和室内试验。基本物理性质包括的天然含水量、孔隙比、孔隙率、液限、塑限、塑性，室内试验主要是通过动三轴试验得到受控应力或应变条件下土体的力学行为。
5、步骤s2、基于确定性分析的具体站位波致海床液化易发性评价：得到单一站位的波致海床液化易发性；采用了确定性分析，对研究区波致海床液化的安全系数进行计算；
6、步骤s3、基于经验贝叶斯克里金的连续区域波致海床液化易发性评价：形成连续区域的波致海床液化易发性分区图，基于arcgis中的经验贝叶斯克里金方法，对安全系数进行空间插值；
7、步骤s4、得到详细的研究区波致海床液化易发性分区图。
8、作为优选方案，步骤s3中基于arcgis中的经验贝叶斯克里金方法，对安全系数进行空间插值，具体包括以下步骤：
9、步骤s3-1、确定数据点空间分布，构建数据缓冲区；
10、步骤s3-2、对数据进行分析，arcgis可自动执行以下步骤估计半变异函数：
11、步骤s3-2-1、将数据转换成高斯分布，并估计半变异函数模型，确定半变异函数；
12、步骤s3-2-2、基于此半变异函数，可以无条件模拟新数据，然后在每个输入数据位置进行转换；
13、步骤s3-2-3、对新数据进行转换，同时根据模拟数据估计新的半变异函数并将其用作先验分布的近似值；
14、步骤s3-2-4、根据指定次数重复步骤s3-2-2和s3-2-3，每次重复都会产生新的变换和半变异函数；
15、步骤s3-2-5、根据贝叶斯规则计算权重；
16、步骤s3-2-6、使用权重和无偏估计/变换算法进行预测和预测标准误差；
17、步骤s3-3、得到半变异函数后，对数据点进行空间插值；
18、步骤s3-4、对数据插值结果进行交叉验证，交叉验证可由arcgis自动执行，得到插值结果的已预测曲线和正态qq图，以验证插值结果。
19、作为优选方案，步骤s2具体包括以下步骤：
20、步骤s2-1、利用实测的水深数据和不同波浪重现期的基本波浪要素数据，计算了所有实测点的循环应力比csr；csr代表剪切应力振幅与有效围压应力之比，波浪被认为是由无数振幅和波长相同的波组成，波场可以由公式（1）表示：
21、（1）
22、其中，为波数，为波长，为波频，为波周期，为x方向上的空间坐标，为时间；
23、对于线性波，和之间的关系为公式（2）
24、（2）
25、其中是重力加速度，公式（2）可以改写成公式（3）
26、（3）
27、其中是波长，是波周期，是水深；
28、针对波浪所引起的循环应力的特性，假设海床沉积物是由一种延伸至无限深度的均匀弹性材料构成的，使用boussinesq经典解来计算作用在海床表面的应力；通过在水平表面上施加从负无穷到正无穷变化的正弦载荷来分析海床中引起的应力，即公式（4）：
29、（4）；
30、根据小振幅波理论，由波浪作用于海床的静止土压力系数由公式（5）可得：
31、（5）
32、其中是海水密度，是重力加速度，是波高，是水深，是波长；
33、考虑沉积物是均匀分布并且是无限深度的，通过使用boussinesq经典解来分析谐波的水平应力、垂直应力和剪切应力之间的关系，确定最大剪切应力的振幅，即公式（6）：
34、（6）
35、由于可以表示为，带入到csr的计算公式中可得公式（7）：
36、（7）
37、步骤s2-2、利用动三轴试验计算循环阻力比crr：循环阻力比crr表示平均循环剪切应力与沉积物垂直有效应力之间的比值；选择当双振幅偏差应变达到5%时的动应力比作为取样点处沉积物的crr；通过动三轴试验发现沉积物循环次数达到100时的对应的动应力比最接近该准则，即公式（8）表示：
38、（8）
39、其中是是水平剪切应力，是垂直有效应力，是动应力比，是平均固结应力，是轴向固结应力，是横向固结应力；
40、由于在动三轴试验中循环加载次数与循环动态应力之间存在指数关系，即公式（9）表示，可以通过将这种指数关系与通过试验获得的数据进行拟合来计算crr；
41、（9）
42、其中是动应力比，是循环次数，a和b是拟合系数；
43、步骤s2-3、运用循环应力比和循环阻力比计算安全系数fs：当波浪诱导的剪切应力大于沉积物抵抗液化的能力时，沉积物将发生液化，即公式（10）所示：
44、（10）。
45、本发明由于采用了以上技术方案，与现有技术相比使其具有以下有益效果：该方法可以实现了从单一站位波致海床液化易发性到整个区域波致海床液化易发性评价，并且适用于小尺度，小数据量的研究区的定量评价。波致海床液化的易发性评价可以为海洋工程的选址提供空间参考，也可以为海洋工程设施的安全性维护提供参考，该专利会为减小海洋工程失稳带来的经济财产损失。
46、本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
1.一种极端环境下波致海床液化易发性的评价方法，其特征在于,具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种极端环境下波致海床液化易发性的评价方法,其特征在于,所述步骤s3中基于arcgis 中的经验贝叶斯克里金方法，对安全系数进行空间插值，具体包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的一种极端环境下波致海床液化易发性的评价方法,其特征在于,所述步骤s2具体包括以下步骤：
