河南省滑坡灾害易发性制图研究:多种机器学习模型的对比

河南省具有复杂的地貌类型,面临着频繁发生滑坡灾害的挑战,因此进行高效准确的滑坡易发性制图对于地方政府和居民具有重要意义。但是,在滑坡易发性制图研究中,如何选取适合河南省滑坡灾害数据集的机器学习模型、提高评价精度的对比研究仍需进一步开展。以河南省为研究区,收集滑坡数据并编录成滑坡灾害数据库。通过递归特征消除法筛选出对滑坡相对影响最高的11个因子(坡度、高程、平面曲率、剖面曲率、土地覆盖、岩性、土壤类型、降水量、道路密度、河流密度、断裂带密度)整合成空间数据集,训练多层感知机(MLP)神经网络、随机森林(RF)、极端梯度提升(XGBoost)和支持向量机(SVM)模型并使用接收者受试特征曲线下面积(AUC)评估各个模型性能,制作高精度滑坡易发性分区图。研究结果表明,多层感知机模型对河南省滑坡灾害数据集适配性最强,AUC达到0.95。相较于支持向量机、极端梯度提升和随机森林模型,MLP模型预测的滑坡灾害高易发区的面积占比最小,能更精确地识别潜在滑坡灾害高风险区域。预测的极高和高易发区主要分布在豫西山地、丘陵地区,地形因素对河南省滑坡灾害发育具有主导作用。研究成果可为大尺度区域开展高精度滑坡灾害易发性评价提供参考。

含微塑料地下水的污染现状、环境风险及其发展趋势

【研究目的 】微塑料(microplastics,MPs)已成为一类遍布全球的新型污染物,由此产生的环境问题日趋严峻。目前大多数研究集中在海洋、河流等地表水体,地下水系统中MPs的相关研究相对薄弱。【研究方法 】基于大量的文献调研和分析,本文从地下水中MPs的来源、检测、分布特征、环境风险和发展趋势几方面分析了地下水中MPs的研究进展,为含MPs地下水的后续研究和风险防控提供参考。【研究结果 】MPs主要通过地表水-地下水相互作用、土壤入渗和直接注入三种方式进入地下水,目前地下水中MPs的研究主要集中在沿海地区,特别是在中国、欧洲和北美,南美、非洲和大洋洲需要更多的数据和研究。地下水中MPs最常见的聚合物类型是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚乙烯(PE),纤维和碎片为最常见的形状。含MPs的地下水在土壤和作物健康、污染物质迁移、人体健康、地下生态系统、地下水污染修复效果等方面均存在一定的环境风险,未来研究应集中于地下水中MPs的取样和检测标准化程序的建立、空间分布特征的确定以及探索影响MPs在地下水中迁移转化机理等关键科学问题上。【结论 】地下水中MPs的研究在来源、分布特征、环境风险和发展趋势方面均取得了大量成果,但目前研究仍处于初级阶段,考虑到地下水在维持人类活动和自然生态系统中的关键作用,相关研究将不断增加。地下水微塑料污染的管理策略应该从控制源头(塑料废物最小化)、切断传播途径(针对MPs污染风险高的地下水,采取预防措施)和末端去除(开发适当的修复技术)三方面考虑。

京津冀平原浅层地下水漏斗演变规律与影响因素

为研究华北地区河湖生态补水对地下水漏斗演变的影响,以京津冀平原浅层地下水漏斗2003年至2022年的相对变化作为识别目标,从气象因素、地形因素、人为因素和含水层水力学特性4个方面进行考虑,选取8个具体指标构建特征变量数据集,使用逻辑回归(logistic regression, LR)、支持向量机(support vector machine, SVM)和随机森林(random forest, RF)方法建立漏斗演变识别模型,并利用敏感度、特异度和决定系数R^(2)对拟合效果进行对比评价,结果显示随机森林为最优模型。进而利用模型分析研究区地下水漏斗演变规律,阐明具体因素对漏斗演变的影响作用。研究表明:京津冀平原区浅层地下水漏斗在2010年之前整体呈扩张趋势,之后在部分地区呈现缩减和消失的态势。河湖补水前,地下水漏斗发展主要受开采影响,其重要度约50%;2018年后河湖补水对抑制漏斗扩张发挥了较为明显的作用,重要度达16%。从发展过程来看,地下水开采依然是控制京津冀平原浅层地下水漏斗变化最重要的因素。对比宁柏隆和高蠡清两个典型浅层地下水漏斗的发展变化可知,河道生态补水对宁柏隆漏斗变化的贡献率接近10%,而对高蠡清漏斗变化影响的重要度仅为1%,因此持续的河流生态补水对宁柏隆漏斗水位恢复会产生积极影响,而对于高蠡清漏斗则需要以水源置换压减农业灌溉地下水量为关键手段实现水位恢复。

重金属在土壤中的分布、危害与治理技术研究进展

[研究目的]镉、铬、铅、铜和锌等重金属是土壤中的典型有害元素。过量摄入会抑制生物体的生长发育。其在土壤中的分布受到原生地质背景成因和矿山开采、大气沉降、农药化肥施用等人类活动的共同影响。然而不同土地利用类型下的土壤重金属分布特征需要进一步识别,对于典型重金属的危害作用需要进行全面的梳理揭示。[研究方法]通过查阅国内外的相关研究内容,整理典型重金属在土壤中的空间分布特征,总结土壤重金属对生物的影响作用,综述人体暴露在高重金属的土壤与地下水环境下的毒性作用及针对性修复方式。[研究结果]受到原生地质背景和人类活动下土地利用类型的共同影响,造成土壤中重金属含量具有显著的空间变异性。重金属在土壤中的含量不同,会对土壤微生物与植物的生长发育产生不同效应的影响,并通过食物链进入人体累积。当重金属在人体中累积含量过高,会对人体的不同器官和系统产生破坏,威胁人体健康。[结论]应该综合考虑污染方式、污染水平和暴露途径等因素进行针对性的重金属治理。

含氟地下水的危害、治理技术现状与进展

【研究目的】地下水氟污染在世界范围内都被认为是一项重大公共卫生危害。据统计,全球有约2亿多人正面临氟中毒风险,至少有28个国家出现过饮用高氟水造成的氟中毒事件。高氟地下水主要分布于干旱缺水的欠发达地区,普遍缺乏可替代的饮用水源,使地方性氟中毒问题长期得不到有效解决。因此,研发经济可行的氟化物去除技术成为解决高氟地下水问题的关键。【研究方法】基于文献调研结果,以现阶段全球含氟地下水的污染现状为基础,综合考虑研究深度、理论和应用可行性、去除效率、可再生性等多种因素,对国内外含氟地下水研究和应用案例进行总结分析。【研究结果】介绍了世界范围内含氟地下水的成因和分布,系统总结了现有主流含氟地下水处理技术的优劣、除氟机理和应用进展,并对存在问题和未来发展趋势进行了分析和展望。【结论】每种技术都有各自的处理优势和一定的局限性,在选择和应用时需要综合考虑含氟地下水的水质情况和目标需求。同时,当前的地下水除氟技术在研发过程中也存在服务目标针对性不强、综合处理效率不佳以及吸附容量应用与理论值偏差较大等问题。多种处理工艺的耦合应用可以更好地发挥不同处理技术的优势,取得取长补短的效果,正受到人们日益关注。此外,多污染物的联合去除以及结构可人工调控的新型吸附材料的设计研发也是未来重要发展方向。

深层地下水人工回补的国际经验及对我国的启示

地下水人工回补是一种主动向含水层进行补给,以便后续进行开采或获取环境效益的水处理综合方法。介绍了地下水人工回补的关键要素、主要回补方式,以及地下水人工回补可持续性评价体系。结合澳大利亚、英国、美国等发达国家深层地下水人工回补典型案例,介绍了国外地下水人工回补的先进经验和特色做法,从项目实施、科学研究、标准管理等方面为我国开展深层地下水人工回补提供建议。

基于集成学习优化的河套盆地地下水砷风险评估

河套盆地浅层地下水砷污染严重超标,其潜在的高砷风险对当地居民健康造成严重威胁。当前宏观尺度的高砷地下水风险分布认识仍显不足。本研究以605个浅层地下水样数据以及沉积环境、气候、人类活动、土壤理化特征、水文地质条件等环境因子为数据源,构建了以随机森林(RF)、极端梯度提升(XGBoost)、支持向量机(SVM)为基学习器,线性判别分析(LDA)为元学习器的高砷地下水Stacking集成学习模型,预测了研究区地下水砷风险分布,并对影响该地区地下水砷风险分布的关键环境因子进行识别。研究表明:研究区地下水砷浓度超标(>10μg/L)率为49.59%,多集中在改道形成的古河道影响带和黄河决口扇;构建的Stacking集成模型比单一模型中性能最优的RF模型具有更高的可靠性,ROC曲线下的面积(AUC)和准确率分别提高了1.1%和3.2%;高风险区面积达到5257 km^(2),占研究区总面积的38.44%;沉积环境是影响高砷地下水风险分布的关键环境因素,对模型准确性贡献度高达25.06%。研究结果能够为地下水砷风险分布制图提供方法及参考,对地区饮水安全和人类健康具有重要意义。

南水北调中线受水区保定平原地下水质量演变预测研究

由于多年大规模过度开采地下水,南水北调受水区保定平原地下水严重超采,部分含水层疏干,进而引发地下水降落漏斗、地面沉降及地裂缝等环境地质问题。随着南水北调工程通水,地下水压采工作持续推进,河湖生态补水工作的全面展开,华北平原局部地区地下水位已呈现回升趋势。本文针对华北平原典型区域——南水北调受水区保定平原开展地下水位回升条件下的水质演化预测研究,采用电位分布-多点位络合模型(CD-MUSIC)预测2030年浅层地下水位上升后,水岩相互作用过程中的表面络合作用、铁锰氧化物及氢氧化物的吸附作用、离子的竞争与协同吸附效应,以及不同矿物的溶解平衡反应。结果表明:至2030年保定平原浅层地下水位整体上升后,水质逐渐向盐化方向发展,HCO3-SO4型水代替HCO3型水成为保定平原主要的阴离子水化学类型,平原东部高阳-蠡县地区出现了Cl型水,Na-Ca型水成为保定平原中东部地区主要的阳离子水化学类型;地层中岩盐及石膏的矿物溶解造成平原西部的山前冲洪积扇地区TDS含量显著上升,平原东部浅层地下水漏斗区域受到强烈的阳离子交替吸附作用影响,Ca、Mg含量显著下降,TDS及硬度下降明显,水位恢复对地下水漏斗区域水质改善具有一定的积极作用。

含砷地下水的治理技术现状与进展

【研究目的】全世界有70多个国家的上亿人口面临高砷地下水的威胁,长期饮用高砷地下水会导致慢性砷中毒,诱发癌症,严重危害身体健康。地下水中砷的浓度分布和变化是受到沉积环境、气象水文、矿物环境、人类活动影响等多种因素共同作用的结果,因此需要从砷的不同理化性质特征进行着手,选择适当且有针对性的治理技术。【研究方法】基于现阶段含砷地下水的污染现状,综合考虑去除量、处理成本、修复速率、可逆性等多种因素,分析含砷地下水的治理现状与进展。【研究结果】本文全面地介绍含砷地下水治理技术,涵盖了化学氧化、混凝沉淀、吸附、离子交换、膜技术和生物修复等修复方式的研究成果,展现了不同类型处理方式对地下水中砷的去除效果,总结各技术发挥除砷效果的内在机理及最新优化措施,并对含砷地下水治理技术的发展趋势进行了展望,以期为含砷地下水的综合整治提供有意义的参考。【结论】目前的砷污染水处理技术存在诸多缺陷,产生的废物或污泥可能成为二次污染的潜在来源。因此,为了更好地保护环境免受As的影响,需要新的混合技术以及对As负载废物/污泥的安全处置方法。缺乏饮用水安全意识和偏远地区的适用性也给砷的治理带来了挑战,因此需要一种价格合理、易于构建、在社区或家庭层面运行的技术来解决这个问题。

呼和浩特市大青山山前倾斜平原地质环境问题形成机理研究

长期地下水超采,导致呼和浩特市大青山山前倾斜平原浅层地下水疏干,深层承压水水位持续下降,局部地区承压水转为无压水等地质环境问题。利用呼和浩特市城区地下水开采量资料、地下水位动态监测资料以及呼和浩特市水文气象数据,结合该市城市社会经济发展状况,通过自然因素和人为影响两个方面对其地质环境问题产生机理进行总结分析。山前倾斜平原含水层结构的特殊性及自然条件的改变为呼和浩特市地质环境问题的发生提供了可能;承压水开采量的增大及山前侧向径流补给的减少是地质环境问题的发生的决定性因素;双层结构承压水对浅层水的山前侧向径流补给的袭夺,加速了大青山山前地质环境问题的形成和发展。

工业废水去除重金属技术的研究现状与进展

【研究目的】随着工业的快速发展,重金属(如砷、铜、铬、镉、镍、锌、铅、汞和锰)废水的排放量逐渐增加。由于其不可生物降解且半衰期较长,废水中的重金属会导致地下水、地表水、土壤和农作物受到严重污染,危害人体和动植物的健康。因此需要从工业废水中去除这些有毒重金属。【研究方法】基于现阶段的污染现状,综合考虑去除效率、处理成本、污泥量、可回收性等因素,分析工业废水中重金属的治理现状与进展。【研究结果】文章全面地介绍了有效去除工业废水中重金属的主要技术,总结了各技术的内在机理、影响因素(pH、温度和重金属浓度等)及各自优缺点,并对重金属去除技术的发展趋势进行了展望,以期为其综合治理提供有意义的参考。【结论】各种去除技术均有广泛的应用空间,但同时也存在着诸多缺陷,常规的物理化学方法存在着污泥量高、去除效率低和能耗高等问题,而生物方法对pH值和温度依赖性强、能量和维护需求高。组合工艺是提高重金属分离效率的一种可行方法。研究和发展新型天然吸附剂、膜技术和生物技术,加强多种技术的综合应用,是治理重金属污染的有效途径。

海河流域典型区地下水回补适宜性评价

大清河流域是海河流域地下水超采最为突出的地区,为了解决地下水超采问题,本研究开展了流域内山区-平原一体化地下水回补适宜性评价。选取地下水位埋深、渗透系数、距离南水北调中线干渠距离、距离水库距离、降水入渗系数、有效储水空间、坡度和地表高程构建GIS-AHP决策模型得到研究区回补适宜性分区图,并使用数值模拟评估回补效果。研究表明:回补适宜区主要分布在拒马河、青龙河、唐河、磁河的近山前河段,占总评价区域的4.5%;同时,根据回补适宜评价结果对河道分段精细化补水,能大大减缓地下水储变量下降速度,回补最佳。因此,基于GIS与数值模拟结合的流域地下水回补适宜评价,有助于大幅提高区内水资源利用效率,提供最优超采治理方案。

河套盆地晚更新世以来黄河改道对高砷地下水分布的控制机制

针对河套盆地开展了历时多年的水文地质环境地质调查,利用采集的298组浅层地下水样品以及收集并甄选的382个水文地质钻孔记录分析发现:河套盆地内95%的高砷地下水(As质量浓度>10μg/L)集中在黄河决口、改道形成的古河道影响带及黄河决口扇裙带。其中,盆地南部首次发现了较为集中的高砷地下水,其分布范围与黄河北岸的晚更新世以来黄河决口、改道形成的4个大型决口扇,在空间上有着良好的对应关系。黄河古河道带及决口扇裙带表现为较强的还原环境及蒸发浓缩作用以及较弱的地表水补给强度。受pH值、含铁氧化物的还原性溶解等因素影响,决口扇裙带浅层地下水中砷的含量略低于平原中部黄河古河道带。结果表明:黄河古河道带及决口扇裙带特定的沉积环境控制着地下水的水文地球化学过程,进而对高砷地下水的分布具有决定性的作用。

杭锦后旗浅层地下水砷赋存形态研究

通过对内蒙古河套平原杭锦后旗西部地区的实际调查、现场取样、测试及数据分析,较系统地研究和分析了河套平原杭锦后旗地区高砷浅层地下水的分布及砷的赋存形态。结果表明,高砷水主要存在于扇前洼地,地下水化学类型主要为HCO3型水,As(Ⅴ)/As(Ⅲ)=0.08,地下水砷的存在形态以H3AsO3和HAsO42-为主。研究区北面的阴山山前和接受黄河水补给的研究区南缘,地下水砷的形态以HAsO42-、H2AsO3-或H3AsO3为主。

机器学习在地下水环境背景值与污染风险评价的应用和展望

地下水资源在世界各国水资源中占有举足轻重的地位,对人类生存发展、维系生态系统健康发挥着重要作用。现阶段地下水污染日益严重,地下水环境背景值研究和污染风险评价对地下水污染防治工作具有重要意义。由于地下水污染影响因素复杂,地下水化学组分空间分布的非均质性、地下水样品采集的小样本问题与大尺度区域的高计算代价,都对传统的污染风险评价方法构成了极大挑战。机器学习作为人工智能的核心,已成为水文地质领域研究的前沿热点,通过智能高效的数据处理和挖掘,在地下水化学组分的分布、变化以及赋存机制等方向已得到探索和尝试。本文全面介绍了近年来在地下水污染研究方面应用的机器学习方法,涵盖了以聚类为主的非监督学习算法,以回归为主的监督学习算法,以提升算法效率为目标的混合算法,以及以神经网络为核心的深度结构算法,展示了不同类型算法在地下水污染研究方面的成果,详细归纳了各种算法的机理,对算法的技术优劣及适用方向进行了探讨;最后对机器学习在地下水污染方面的应用发展趋势进行了展望,建议探索高效集成学习模型,以弥补单一算法的不足,同时发展面向小样本的深度学习建模技术,提高地下水污染评价精度,拓展和丰富新方法新技术在地下水污染研究方面的应用。

海水入侵——潜行的淡水侵蚀者

淡水是生命之源,滋养着地球上的万物,是人类社会生存和发展的基础。在我国,特别是沿海地区,人口密集、经济发展迅速,如环渤海湾、长三角、珠三角等经济发达区域,这些地区对淡水资源的需求量巨大。然而,在这些繁华之地,地下淡水正面临一个隐蔽而严峻的威肋——海水入侵。

砷——地下水中的幽灵

"我们不生产水,我们只是大自然的搬运工",这句朗朗上口的广告词正是优质天然地下水的写照。那么,清澈透明的地下水一定都是安全的吗?答案是否定的。本次向大家介绍一下地下水中的无形杀手—砷。自然界中的砷砷,俗称砒霜,元素符号为As,是一种非金属元素,有三价砷和四价砷两种价态。砷在自然界中广泛分布,但在地壳中含量却不大,其质量分数为5ppm(即百万分之五)。已被发现的含砷矿物多达数百种,最常见的有砷黄铁矿、雄黄、雌黄、辰砂、白砷矿等。此外,海水中砷的平均含量为1.1微克/升,在土壤、人体中都有微量的砷。

近40年来华北平原地下水位演变研究及其超采治理建议

华北平原是中国三大平原之一,同时也是粮食主产区之一,京津冀协同发展区,雄安新区皆位于区内,地理位置极其重要。地下水是华北平原主要的供水水源,占总供水量70%左右,自20世纪70年代末以来地下水开采强度不断增大,长期处于严重超采状态,形成规模巨大地下水位降落漏斗,进而引发地面沉降、地裂缝、湿地退化、海水入侵等一系列环境地质问题,制约社会经济可持续发展。研究地下水位演变可以为地下水超采治理及降落漏斗修复提供支撑,本文基于华北平原2019—2020年高密度地下水位统测数据及历史水位资料,研究了2020年现状地下水位流场及漏斗分布状况,系统分析了近40年来地下水位变化特征。研究发现:华北平原东西部浅层地下水位呈现差异化发展,20世纪80年代至2014年平原西部浅层地下水位持续快速下降,累计降幅达20~60 m,太行山前冲洪积扇缘一带水位降幅最大,2014年南水北调工程供水后,西部山前主要城市水位止跌回升;中东部地区水位呈现自然波动状态。深层地下水位20世纪80年代至2014年,总体呈下降趋势,中东部地区水位降幅度最大,累计达到40~90 m;2014年后城市区与农业区深层地下水位呈差异化发展,城区水位回升明显,周边农业区仍呈快速下降趋势。此外,在地下水演变分析基础上,以地下水采补平衡及水位恢复为目标,提出了开展超采区防控目标水位阈值研究、制定地下水减采和回补精准治理方案、优化地下水位监测网以及南水北调农业水源置换可行性研究等建议。研究成果对支撑华北平原地下水超采精准治理,地下水位降落漏斗修复和地下水资源合理开发与管理都具有重要意义。

综合电法在太行山区地下水勘查实例解析

介绍了利用大功率激发极化法、超高密度电法和音频大地电磁法等物探方法在太行山区抗旱找水工作的实例;就太行山变质岩、灰岩地区地质条件的特殊性,针对性地提出了地球物理的解决方法和思路。在利用已得到的地球物理勘探结果研究水文地质问题的过程中,介绍了以电法为主的几种地球物理方法技术及地下水勘查工作过程;针对不同水文地质条件应用这些方法技术面临的难题,总结了成功与失败的勘查经验。针对已有地质资料的局限性和变质岩区含水层结构的特殊性,总结出了一套行之有效且推广性较强的交直流电法相结合的综合电法勘探方式。

DRASTIC与同位素方法在内蒙古呼和浩特市地下水防污性评价中的应用

以内蒙古呼和浩特市平原区地下水系统为例,采用传统DRASTIC方法和同位素3H浓度、3H与14C测年的新方法划分了不同的地下水系统防污性能区,开展了地下水系统防污性评价方法研究。研究结果表明,DRASTIC方法评价结果显示了浅层地下水系统对来自垂向上污染物的固有防御能力;同位素方法评价结果反映了浅、深层含水层系统对来自补给区污染物的防御能力。并且文中指出了两种评价方法各自具有优、缺点。最后指出应根据区域水文地质条件、地下水开发利用现状,以及城市发展规划,采取DRSTIC和同位素辅助方法综合区划地下水系统的防污性能,为环境管理和决策者划分地下水源保护区,制定地下水保护措施提供科学依据。