基于机器学习的西南岩溶泉流量模拟研究

岩溶泉对西南岩溶区生态系统稳定和经济社会发展具有重要意义。受岩溶区独特水文地质结构与多重水流过程控制,岩溶泉流量具有复杂的动态变化特征,机器学习模型为其模拟和预测提供了有效手段。然而,岩溶泉域降雨−泉流量过程及其时空变异特征对机器学习模型结构与模拟精度的影响仍不明晰。本文选取西南典型岩溶泉,基于长短期记忆网络(LSTM)建立岩溶泉流量模拟模型,利用泉域实测逐小时降雨与泉流量序列进行模型训练与验证。在此基础上,分析了不同降雨−泉流量过程对岩溶泉流量模拟精度的影响,以及岩溶水文地质结构对降雨−泉流量响应滞时的控制作用。研究结果显示,山坡岩溶泉与流域出口岩溶泉训练期纳什效率系数(NSE)分别为0.942与0.951,验证期分别为0.831与0.834。对于山坡岩溶泉与流域出口岩溶泉,利用全年实测序列训练的模型预测雨季泉流量存在较大偏差,NSE分别为0.793与0.798,而利用雨季实测序列训练的模型预测雨季泉流量,精度显著提升,NSE分别为0.956与0.962,且此差异在暴雨频繁的5、6、7月尤为显著。受浅薄土壤与表层岩溶带分布影响,山坡岩溶泉LSTM模型时序步长显著小于流域出口岩溶泉。

基于三维离散-连续耦合的岩溶隧道突水破坏模式研究

岩溶隧道在修建的过程中难以避免接近溶腔甚至高承压水溶腔,而突水破坏极易引发安全事故甚至对隧道产生不可逆的影响,因此对岩溶隧道突水破坏模式的研究有利于解决相关安全问题,并对选线安全具有一定参照意义。通过三维离散-连续耦合数值技术,对微观离散颗粒物理、力学参数进行标定并验证,模拟水压作用下下伏溶腔与隧道仰拱之间的防突岩体垮塌过程。根据试验结果将防突岩体的破坏模式分为3类:剪切破坏模式、弯折破坏模式和复合破坏模式。弯折破坏模式表现为防突岩体中部和两端拉伸裂缝呈贯通状;剪切破坏模式表现为防突岩体两端裂缝呈剪切态;复合破坏模式则同时具有二者的共同特性。3种破坏模式所引起的裂缝发育规律相似,均可分为初始发育、快速发育和平缓发育3个阶段。初始发育阶段时防突岩体所存在的裂缝数量较少;维持水压力防突岩体的裂缝数量突增并进入快速发育阶段;而后防突岩体中的裂缝产生贯通效果进入平缓发育阶段,最终防突岩体整体垮塌。由此得出结论:突水破坏在岩溶隧道中是一个渐变的过程,但对岩溶隧道总体安全性有不可逆的影响。

运用示踪试验分析隧道和岩溶泉的水力联系及介质特征——以关山隧道为例

文章以关山隧道入口周围的岩溶泉及落水洞为研究对象,以钼酸铵为示踪剂进行落水洞与下降泉之间的示踪试验。结果表明:投放点与两处接收点均存在水力联系,示踪试验浓度曲线显示1#取样点的通道比较单一且与投放点的水力联系较好,2#取样点的通道比较复杂,与投放点之间的渗流途径较长、水力梯度较大,可能存在小型水池或溶潭;分别利用经验公式和Qtracer2软件计算回收率,两处接收点的回收率结果均较低,投放点与接收点之间可能存在更大的支流或者示踪区存在双层岩溶含水系统,地下水流向了更深层的岩溶含水层;结合隧道高程,判断处于低位的隧道存在涌水风险并有可能对岩溶泉产生不良影响。对比两种回收率计算方法,经验公式简便易算,但在示踪剂浓度低、地下水流量小的情况下误差较大,而Qtracer2软件通过对浓度和体积进行积分,克服经验公式缺点,计算结果更精确可靠。

岩溶泉水温度对降雨—流量响应的指示作用

岩溶区土-岩交错、裂隙和管道发育,加大了降雨入渗补给方式和多重水流辨识难度。文章利用贵州陈旗小流域场次降雨、泉流量以及大气、土壤和泉水温度观测数据,识别降雨入渗补给方式、泉流量来源以及热传导机制。结果表明:强度小、历时长的降雨,泉水温度缓慢上升且持续时间长,以“分散入渗补给”和热传导作用为主;随着降雨强度增大、持续时间缩短,泉水温度上升时段缩短、下降快速,以“径流集中入渗补给”和“直接集中入渗补给”为主,热传导减弱、平流作用增强。退水初期泉水温度比泉流量下降快速,后期则相反。指示退水初期泉流量来源于大量细小裂隙水向岩溶管道中释放,后期释放量减小并趋于稳定。

基于优化DRASTIC模型的地下水污染风险评价研究-以山东省辖南水北调区域为例

基于南水北调工程对沿线区域提出的水质保障要求及生态可持续发展的需要,对地下水的污染防范和治理已成为研究重点。为查明山东省辖南水北调沿线地区的地下水污染风险,通过对地下水污染源荷载、生态脆弱性以及功能价值三个方面的评价构建地下水污染风险评价体系。通过污染物毒性、排放量及排放可能性对污染荷载进行定量、定性的分析;引入土地利用、土壤氧气含量等数据优化DRASTIC体系,构建DRASTOL模型;利用InVEST模拟的生境质量、夜间灯光系数以及研究区敏感的地下水F-、SO42-等评价因子评估地下水功能价值。发现研究区地下水污染荷载结果整体较低,脆弱性中等偏高,功能价值中等偏低。叠加处理3个结果得到地下水污染风险数据分布状态,整体中等偏下。其中较高、高等级污染风险区域总面积约为7444.88 km^(2),占比约为20.17%,主要分布在菏泽市中部,济宁市中部、西南部,枣庄市西北部,泰安市中部、东部,钢城区南部,该区域地下水位埋深较浅,自然环境下较大的降水易携带地表污染物渗入地下;富水性强、工业及采矿用地密集且排放的污染物毒性较强;高强度的社会经济活动易产生较多污染物,多因素综合影响导致该区域地下水的污染风险指数较高。

北京市岩溶地下水质量评价及其生态环境效应

【研究目的】岩溶地下水是北京市重要的供水水源,在城市供水安全保障中发挥着难以替代的作用,同时又具有重要的生态功能。【研究方法】本文以2021年6月在北京市系统采集的278件岩溶地下水样化验数据为基础,以岩溶水系统为单元,开展了岩溶水单因子质量评价和综合质量评价,并首次对有机指标进行了统计和分析。【研究结果】(1)北京市岩溶水的pH、TDS和TH平均值分别为7.69、334.77 mg/L和262.01 mg/L,具有弱碱性、低盐度和低硬度的特点,地下水质量总体良好。(2)非常规指标的检出率从大到小为:苯并[a]芘(4.32%)、三溴甲烷(3.60%)和二甲苯(总量)(2.52%),应当引起足够重视。(3)北京市岩溶水水质Ⅰ~Ⅲ类总占比为82.01%,Ⅳ和Ⅴ类总占比为17.99%,超标点主要集中在山区与平原分界线处,超标指标主要有Fe、TH、NH_(3)-N、Mn、SO_(4)^(2-)、F^(-)、NO_(3)-N等。【结论】北京市生态涵养区是重要的水源补给区和生态保护区,区内岩溶水对于保障首都供水安全和保护生态环境具有重要意义,今后应通过提高植被覆盖率加强水源涵养以增加补给量,应严格控制点源和面源污染减少污染物输入,持续优化监测网络进行预警,广泛宣传增强公众生态环保意识,共同保护岩溶水的生态环境。

山间盆地中白云岩含水介质溶质弥散特征研究——以黔东北某试验区为例

为了解污染物在寒武系白云岩中的弥散特征,本文以黔东北某场地为研究区,通过对试验场小尺度模型刻画,进行实地的弥散实验,解析弥散曲线求解弥散参数,总结山间盆地白云岩弥散特征。研究成果可为同类型环境水文地质条件场区工程建设及地下水污染防治提供借鉴,也为山间盆地区开展野外弥散试验提供示范。

黄河流域长孝岩溶水系统水文地质特征及蓄水模式分析

基于在黄河流域长孝岩溶水系统开展的1∶5万水文地质调查工作,系统总结了该水文地质单元的边界条件、含水岩组分布及富水性空间分布特征,分析了区内地下水补给、径流、排泄条件与地下水动态变化特征,探讨了黄河长孝单元与周边地下水的相互作用。黄河向北侧补给孔隙水,向南侧补给孔隙水及岩溶水,其中对孔隙水侧渗补给带范围至王营村—庞道口—太平庄—姚河门村一带,对岩溶水补给主要发生在望口山村至柳河圈村一带、孝里镇胜利村附近。圈定了以朱砂洞组为含水岩组的双泉镇段店村裂隙岩溶水富水地段、以三山子组马家沟群为含水岩组的归德孝里马集裂隙岩溶水富水地段,分析其富水机理,总结了层间岩溶断层阻水型及单斜断裂型两种基岩蓄水构造模式,可为该区域找水定井提供参考。

等值反磁通瞬变电磁法在浅部岩溶探测中的应用研究——以惠州市龙门县某地区为例

传统瞬变电磁法受关断时间和互感的过渡过程影响,存在较大浅部盲区;新近发展迅速的等值反磁通瞬变电磁法从理论和仪器上实现了纯二次场的观测,大大提高了浅部区域的探测精度。为研究等值反磁通瞬变电磁法在100 m以浅岩溶探测的应用效果,以惠州市龙门县某岩溶发育区为靶区,开展了方法有效性研究,取得主要成果与结论:(1)界定的土石界面和圈定的岩溶发育区与已知钻孔揭露情况吻合较好,验证了基于等磁反磁通瞬变电磁法在100 m以浅岩溶探测的有效性;(2)反映区内岩溶具有一定连通性,岩溶大小约1~20 m,岩溶主要发育于20~40 m及60 m以下埋深。研究结果一方面有效圈定了研究区100 m以浅岩溶发育区,对后续桥梁工程的安全建设具有重要意义;另一方面等值反磁通瞬变电磁法具有施工便捷、采集高效、抗干扰强等优势,未来有望在城市浅部空间探测领域实现更大作为。

基于PLEIK模型的岩溶地下水防污性能评价——以贵阳市汪家大井泉域为例

岩溶地下水资源是中国西南地区经济发展的重要基础。对岩溶地下水进行防污性能评价是合理开发及保护当地地下水资源的有效方法。汪家大井现为贵阳市东郊水厂取水地,是区域内重要的供水水源,对其进行地下水防污性能评价有助于保障居民饮用水水源安全。通过构建研究区PLEIK模型,在考虑保护性盖层(P)、土地利用类型(L)、表层岩溶带发育程度(E)、补给类型(I)及岩溶网络发育程度(K)5个评价因子的基础上,对汪家大井泉域岩溶地下水防污性能进行定量评价。结果表明,研究区内地下水防污性能以较好和中等的区域为主,分别占总面积的23.69%和42.11%;防污性能较差和好的区域次之,分别占总面积的18.54%和15.53%;防污性能差的区域最少,约占总面积的0.13%;表层岩溶带、含水层岩溶网络及土地利用类型是影响该区域岩溶地下水防污性能的主要因素。其研究结果可为该地区地下水环境保护及污染防治提供一定的参考。

贵州岩溶地下水水文地球化学特征

贵州碳酸盐岩广布,岩溶地下水资源丰富,是本地区生产生活用水的主要来源。本文以贵州岩溶地下水为研究对象,选取2012-2021 a期间具有代表性的2170件岩溶水点水质分析成果作为统计分析基础,分析总结区内岩溶地下水水文地球化学特征。研究结果表明,区内岩溶地下水水化学类型以HCO_(3)-Ca·Mg、HCO_(3)-Ca及HCO_(3)·SO_(4)-Ca型水为主,地下水离子组分主要受岩石风化作用控制,主要阴离子HCO_(3)-、SO_(4)^(2-)和阳离子Ca^(2+)、Mg^(2+)及其含量均表现出与含水岩组地球化学性质相对应的关系,地下水径流过程中以方解石和白云石的共同溶解为主,同时部分地下水化学性质受自然地理及人为因素影响较大。

滇东富源地区岩溶地下水水化学特征及控制因素

岩溶地下水是滇东富源地区工农业生产及居民生活饮用水的重要供水水源,为支撑区内岩溶地下水资源的合理开发利用及保护,系统采集了区内68组岩溶地下水样品,综合运用水化学分析、氢氧同位素分析以及多元统计分析等方法,对岩溶地下水水化学特征、氢氧同位素特征及影响因素进行了研究。结果表明:研究区岩溶地下水pH平均值为7.69,总体上呈弱碱性。水化学类型主要为HCO_(3)-Ca和HCO_(3)-Ca·Mg型,少部分为HCO_(3)·SO_(4)-Ca·Mg型。主要离子中除Ca^(2+)和HCO_(3)^(-)以外,其余各离子均表现出很强的空间变异性。区内岩溶地下水微量组分Sr质量浓度为30.00~3150.00μg/L,平均值为522.38μg/L,其中有40件岩溶地下水样品中Sr质量浓度达到了锶矿泉水的界限标准。此外,部分样品中Fe、Mn和Al含量较高,超过了Ⅲ类水质标准。区内岩溶地下水主要为当地大气降水补给,溶质组分主要受到碳酸盐岩溶解、人类活动以及阳离子交换作用的影响,但是阳离子交换作用总体上较弱。水化学组分中Ca^(2+)、Mg^(2+)、HCO_(3)^(-)以及Sr主要来源于碳酸盐岩矿物的溶解,Cl^(-),K^(+), Na^(+)主要来源于生活污水,而Fe、Mn、Al以及SO_(4)^(2-)主要来源于采煤活动产生的酸性废水,NO_(3)^(-)主要来源于农业施肥活动。因子分析表明,碳酸盐岩溶解、生活污水排放、采煤活动和农业施肥这4个因素对岩溶地下水水化学的贡献率分别为45.85%、22.24%、21.51%和10.40%,说明了人类活动对岩溶地下水水质有着不容忽视的影响,需要有针对性地采取防治措施。

喀斯特地下河涌出后CO_(2)逸散通量的时空格局——基于广西巴马盘阳河

喀斯特流域是岩石风化碳汇的关键区域,同时也是CO_(2)逸散研究的热点区域。为探究喀斯特地下河涌出后CO_(2)分压(pCO_(2))及其逸散通量的时空变化格局,选择喀斯特流域巴马盘阳河为对象,分析水体的pH、碱度、总溶解性固体(TDS)、溶解无机碳(DIC)、溶解有机碳(DOC)、pCO_(2)的时空变化特征,探讨pCO_(2)的调控因素并估算了CO_(2)逸散通量。结果表明,流域内地下水碱度、TDS、DIC和pCO_(2)显著高于地表水,表明喀斯特碳酸盐风化释放大量DIC进入地下水,地下水涌出后产生CO_(2)逸散降低了地表水DIC含量和pCO_(2)。在时间尺度上,旱季常规地表、地下水的碱度、TDS、DIC、pCO_(2)、CO_(2)逸散通量均显著高于雨季,主要归结于雨季雨水的稀释效应。然而次降雨事件下地表、地下水的pH、碱度、TDS、DIC、DOC、pCO_(2)无显著性差异,可能由于降雨量不足或降雨持续时间短。研究期间,巴马盘阳河流域地表水、地下水CO_(2)逸散通量范围分别为-0.10~9.20 kg C m^(-2)year^(-1),-0.12~17.28kg C m^(-2)year^(-1),平均CO_(2)逸散通量分别为1.06±1.46 kg C m^(-2)year^(-1)和2.40±3.14 kg C m^(-2)year^(-1),远高于全球主要大型流域的平均CO_(2)逸散通量(0.64 kg Cm^(-2)year^(-1))。阐明喀斯特流域的CO_(2)逸散通量及其时空变化特征对准确评估河流碳收支状况与评估岩石风化碳汇具有重要意义。

水文地质条件对岩溶地下暗河污染的影响

通过收集基础资料、岩溶水文地质调查、水体污染指标分析等多种手段,分析了水文地质条件对贵州西南部某岩溶暗河地下水污染的影响。认为:(1)暗河出口所包含的六处泉点、两处溶洞,平面分布位置集中,但其水质污染情况各异,表明其分属于不同的地下岩溶水系统,暗河岩溶地下水系统极为复杂。岩溶暗河出口在空间平面上呈多股、条带状泉眼展布出露,主要受地质相变带附近构造及岩体本身异质性控制。(2)调查区受新构造运动的强烈抬升和河流快速下切的影响,形成了发达的地下岩溶水系统和岩溶洞穴系统,存在多股明流与伏流组成的水文地质单元体,客观上为暗河污染创造了条件。(3)暗河污染物来源为秧家坝岩溶洼地内某养猪场养殖废水,且是集中式、间断性通过落水洞进入地下岩溶管道。建议该岩溶暗河补给区应当控制发展大型养殖业及大中型集镇建设,污废水应当加强回收利用和减少外排,加强区内水源地建设与保护工作。

济南泉域岩溶含水介质发育特征研究

为了表征和刻画岩溶介质空隙结构的复杂性和非均质性,以济南泉域为例,基于岩心的计算机断层扫描图像、压汞实验结果和节理裂隙测量等数据,采用图像二值化处理、分形维数理论和数理统计方法,识别济南泉域岩溶含水介质结构特征,分析含水介质岩溶发育程度及其影响因素。结果表明:研究区内炒米店组、北庵庄组和三山子组a段为岩溶发育程度相对更好的含水层组;炒米店组优势节理集中,岩溶发育优于马家沟群的;炒米店组与三山子组a段的岩溶连通性更优,储水性更好;北庵庄组、三山子组a段的分形维数均明显大于其他层组的,岩溶发育程度分形指数评价均为非常发育;北庵庄组和炒米店组岩石相对溶解度较高,三山子组a段可溶性矿物含量较多,受水流侵蚀更易发育溶蚀裂隙、溶孔或溶洞。

贵阳汪家大井水源地岩溶地下水系统特征

汪家大井水源地是贵阳地区岩溶地下水集中供水水源地,以往开展过不同程度的基础地质、水工环地质等工作,对区内整体水文地质条件有一定的认识,但对岩溶地下水系统特征的研究尚显不足。通过对该水源地进行水文地质核查,结合以往水文地质调查、钻探、物探、抽水试验、连通试验、水质监测等资料,分析研究区地下水系统的边界条件、主要含水层、地下水补径排条件、埋藏条件、地下水动态、水化学等特征。结果表明,汪家大井地下水系统在垂向上具有2层结构,可分为上层地下水系统及下层地下水系统,2个地下水子系统相对独立,水力联系弱。

线状排泄带对地下岩溶发育的控制及富水区形成的作用——以费县岩溶含水系统为例

为了在费县寒武-奥陶纪碳酸盐岩分布区寻找富水区,建设集中供水的水源地,通过河水流量监测、水文地质钻探、动态监测等勘查和试验手段,查明了费县岩溶含水系统的含水层主要为炒米店组至八陡组碳酸盐岩裂隙岩溶含水岩组。含水层具有相对封闭的边界条件和基本统一的水动力场和水化学场。该系统分为补给区、补给径流区和汇集排泄区,岩溶最大发育深度分别为132m、200m、300m,含水介质由溶蚀裂隙、溶孔渐变为溶穴、溶洞。研究认为:线状排泄带的形成与地形南北高沿河低、北部弱透水岩层的阻挡和河床岩溶含水层直接裸露有关。沿浚河、温凉河、祊河岩溶水的线状排泄带对岩溶发育的强度和深度有重要的控制作用。主要线状排泄带附近形成了单井涌水量5000~10000m~3/d和大于10000m~3/d的强富水区,为费县城市生活和工业集中供水的优选地段。

基于时间与规模概率的地质灾害危险性研究

在1∶50000地质灾害风险调查的基础上,采用时间概率和规模概率两种计算方法,对宁都县青塘镇—赖村镇地质灾害危险性进行了研究。结果表明,单日降雨达到50 mm时,面积大于100 m^(2)的滑坡有60%发生滑动;单日降雨量达到84 mm时,面积大于1000 m^(2)的滑坡有64%发生滑动;大于10000 m^(2)的滑坡的降雨阈值定为100 mm;大于100 m^(2)的滑坡概率为0.783,大于1000 m^(2)的滑坡概率为0.134,大于10000 m^(2)的滑坡概率为0.033。在易发性评价的基础上,结合10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇的降雨工况和基本地震、多遇地震、罕遇地震工况进行分析,划分出极高危险区、高危险区、中危险区、低危险区。研究成果可为该区域新型城镇化建设、防灾减灾和防灾规划制定等提供科学依据。

甘肃陇南姚寨沟地区浅循环地下水水文地质特征研究

姚寨沟地区浅循环地下水以碳酸盐岩溶裂隙水和断层脉状水为主,受地形地貌、地层岩性及地质构造与地下水赋存空间严格控制,地质构造对区内水文地质特征的控制比较明显,对地下水的空间分布、形成和运移起着关键性作用,通过典型泉点的调查研究,在断层处形成明显的含水层和隔水层分界,断层上盘多为阻水岩层,下盘中厚层灰岩溶蚀裂隙发育,在构造控制下,为地下水补给、运移、储存提供了较好的条件,有利于地下水富集,同时受到上盘岩层阻水作用,地下水被挡在透水层一侧富集形成断层阻水式储水构造,加之断层构造部位张、剪应力集中,有利于岩溶裂隙水的富集,在区内形成不同类型的泉点。通过不同类型泉点的调查分析研究,区内地下水的补给来源主要为大气降水,径流途径较短,循环深度较浅,地下水水化学类型为HCO_(3)-Ca型水,通过查明区内典型碳酸盐岩溶裂隙水和断层带脉状水水文地质特征,为该地区地下水的合理开发利用和相关研究提供重要理论依据。

湖北省九路寨生态旅游区岩溶水水化学特征及其形成机制研究

岩溶水对于维持生态平衡具有指示意义。以湖北省九路寨生态旅游区为例,在划分岩溶水含水层基础上,系统采集岩溶水样品,采用Piper三线图、Gibbs图、主要离子比值、H-O同位素和Sr同位素方法,分析岩溶水水化学特征及形成机制。结果表明,研究区岩溶水含水层可概化为奥陶系—寒武系含水层、寒武系含水层和震旦系含水层等3层;岩溶水属弱碱性淡水,水化学类型主要为HCO 3-Ca·Mg型,δ^(2)H为-62.63‰~-52.54‰,δ^(18)O为-9.63‰~-7.90‰,^(87)Sr/^(86)Sr比值为0.708772~0.725915。综合分析认为,岩溶水补给来源为大气降水,其水化学组分主要受控于岩石风化作用,在径流过程中与含水层岩石矿物(以灰岩为主,白云岩、硅酸盐岩次之)发生了显著的水岩作用。