基于融合注意力机制LSTM网络的地下水位自适应鲁棒预测

地下水水位是旱天污水管网地下水入渗量的重要影响因素,快速精准地预测地下水水位能有效提升旱天污水管网地下水入渗量估算准确度,辅助优化管网病害治理与维护策略。针对目前城市复杂水文预测存在的准确度低、灵敏度低、泛化能力弱等问题,本文提出了一种新的鲁棒自适应水位预测算法。首先,对水文数据进行预处理,解决了数据时间跨度大、噪声多、缺失及异常、非平稳等问题。其次,针对不同输入特征对预测指标的影响,在模型训练阶段提出一种新的空间变量注意机制,可快速识别与水位关联的关键变量,并对输入特征赋予不同的影响权重。然后,针对不同序列长度对预测效果的影响,还设计了自适应时间注意力机制,帮助网络自适应地找出与不同时间序列长度预测指标相关的编码器隐藏状态,以更好地捕捉时间上的依赖关系。在此基础上,以上下文向量作为输入,提出一种融合注意力机制的长短时记忆网络水文预测算法。最后,通过意大利Petrignano水文数据验证了所提算法的有效性,并与GRU、Elman、LSTM、VA–LSTM和S–LSTM等方法进行预测性能比较。结果表明,基于融合注意力机制的LSTM网络在面临大规模、噪点多的复杂数据时有优于其它几种算法的预测效果,表明该算法具有强自适应性和鲁棒性。本文研究结果可以为市政排水策略合理调整、及时控制提供参考。

地下水位变化对砂土地层地铁隧道沉降影响试验研究

为考察地铁运营后列车载荷和地下水对隧道造成的影响,对某砂性土地层城市中某一地铁盾构隧道区段运营6年间的沉降变形进行实测观察;根据实测所得沉降规律,设计并开展缩尺模型试验,研究车致振动条件下因地下水位变化产生的隧道沉降规律。结果表明:随着时间推移,隧道各测点所得数据呈现一定的周期性上升与下降变化趋势,前2年隧道总体上浮,之后略有沉降,第3年后虽有波动但基本未发生进一步沉降,第6年后隧道最大沉降不超过3 mm;砂性土地层中,地下水位变化会造成重塑土层内部应力变化,且振动荷载会导致土体颗粒结构重新调整至密实,易导致隧道发生沉降,因此不能忽视地铁周围施工降水给隧道带来的不利影响;土体振密及因地下水产生的浮力共同作用,导致隧道的上浮及沉降。相比于软土地层,砂性土地层中盾构隧道的沉降速率明显更低且沉降基本稳定时间更短,2种地层下的沉降规律、影响因素完全不同,各地层下的沉降分析理论亦无法相互适用。

考虑地下水位影响的碱渣土地基半埋混凝土内氯离子传输试验研究

关于碱渣土地基环境下钢筋混凝土结构耐久性问题,尚未见相关研究成果,是有待研究的课题。为探究碱渣土地基混凝土内氯离子传输规律,本工作模拟真实碱渣土地基及地下水侵蚀环境,设计了三种地下水位-0.2 m、-0.5 m、-0.8 m,开展半埋于碱渣土地基的混凝土氯离子自然扩散试验,探究不同地下水位环境下混凝土地表吸附区及地下区域的氯离子分布规律。结果表明,地表吸附区由于其蒸发浓缩及毛细作用,氯离子浓度高于地下区域。氯离子浓度随地下水位的变化呈现较大差异,地表吸附区氯离子浓度随地下水位的升高呈下降趋势,地下区域地下水位的影响主要体现在试件与水位的相对位置,地下水位以下区域氯离子浓度高于地下水位以上区域。在此基础上,探究碱渣土地基半埋混凝土内氯离子传输机理,基于Fick第二定律定量研究了地下水位对表面氯离子浓度及扩散系数的影响,建立考虑地下水位影响的氯离子传输时变模型,通过与实测结果对比印证了模型的正确性,本模型可为实际工程中定量评估不同碱渣土侵蚀环境下混凝土内氯离子浓度以及服役寿命预测提供技术支持。

一种基于MIDBO-BP的地下水位预测系统

地下水位预测是合理开发利用地下水资源的重要手段,有助于减少消耗,节约地下水资源。针对地下水位与降水量、温度及地下水开采量等因素之间的复杂关系,文章提出了一种基于多策略改进蜣螂算法(MIDBO)优化BP神经网络(MIDBO-BP)的地下水位预测模型。首先,对蜣螂算法(DBO)加入融合策略和混沌策略,利用鱼鹰算法(OOA)的全局勘探阶段代替蜣螂算法的滚球阶段,再引入Sine混沌映射和自适应t分布策略增强算法的全局搜索能力,并利用6个基准测试函数检测MIDBO的性能,得出MIDBO性能更佳的结论。其次,建立MIDBO优化BP神经网络的地下水位预测模型,将MIDBO寻优得到的最佳权值和阈值赋予BP神经网络。最后,以2018—2021年益阳市气象数据和地下水开采量数据为依据,利用BP神经网络模型、DBO-BP模型及MIDBO-BP模型进行地下水位预测。结果表明,多策略改进蜣螂算法优化BP神经网络的地下水位预测模型具有最佳的预测精度和收敛速度。

金州台水准与地下水位响应性对比分析

以地下水作为加卸载动力,对每年地下水位上升与下降期间,金州台水准高差的响应情况进行对比分析研究。结果表明:当地下水位在覆盖层内变化时,水准与水位相关性较高;当地下水位在基岩层与覆盖层间交替变化或在强风化岩层内变化时,水准与水位相关性一般;但当地下水位在基岩层内变化时,水准与水位相关性则相对较差。

浅析高地下水位区域渠道衬砌形式

高地下水位渠道衬砌的施工难度大、周期长,通过优化衬砌形式可大大降低施工难度和施工周期。现阶段的高地下水位渠道多采用刚性和柔性衬砌两种形式,通过对格宾石笼衬砌、现浇混凝土板衬砌两种形式的水利条件、施工条件、投资情况等进行综合比选,最终确定渠道全断面采用格宾石笼衬砌。在新疆地区,许多渠道目前仍为土渠,在改建过程中,适当降低格宾石笼的厚度,可为类似的改建和新建项目提供借鉴和参考。

高密度电法在黄土台塬地下水位探测中的应用

泾阳南塬属于黄土台塬,该地区由于农业灌溉导致地下水位逐年上升,从而诱发大范围的黄土滑坡灾害。为了查明台塬内地下水的波动情况,采用高密度电法,基于反演数据得到的电阻率随深度变化规律和钻孔得到的含水率随深度变化规律,初步推测了台塬地下水水位线的大致位置;为进一步精确推测水位线的埋深,利用DDC-6电子自动补偿仪进行室内黄土电阻率测量试验,建立了不同含水率与黄土电阻率之间的定量关系,确定了研究区黄土台塬地下水位线处黄土的电阻率为28.35Ω·m(即黄土液限处电阻率值),对应的含水率为30%。将室内试验结果和高密度电法反演数据相结合,并与钻孔实测的地下水位进行验证分析,不仅得到了研究区黄土台塬的地层结构、不同土层厚度、地下水位埋深等信息,还证实了室内黄土电阻率试验结果的可靠性,也验证了高密度电法在黄土地下水位探测中的有效性。结果可为泾阳南塬地下水位波动规律研究以及滑坡预测预警工作提供技术指导。

华北山前平原典型站点地下水位与硝酸盐变化特征

华北平原是我国重要的集约化农业生产区,该区域农业生产长期以来依赖于过度开采地下水以及过量施肥,造成地下水位持续下降和地下水水质恶化,严重威胁区域生态环境安全、粮食安全和人民健康。本文利用长期观测资料分析了华北山前平原井灌区典型站点(中国科学院栾城农业生态系统试验站)的浅层地下水水位埋深和水质长期变化特征。研究发现:1)在1974—2019年,地下水位呈下降趋势,46年内下降了32.6 m,年均下降速率0.7 m·a^(−1);随着地下水超采综合治理的持续开展,2020—2022年地下水位有回升的趋势,平均回升速率为0.2 m·a^(−1)。2)浅层地下水的电导率在年内存在较大波动(425~776μS·cm^(−1)),表明农业灌溉地下水开采导致了深层地下水(电导率较低、水质相对较好)与浅层地下水(电导率较高、水质相对较差)在年内发生了多次且剧烈的混合。3)近20年的定位观测数据表明,浅层地下水水质呈现变差的趋势,其中氯离子和硝酸根离子的浓度升高。本研究对于该地区合理利用地下水资源,促进地下水水质保护具有重要的科学价值。

利用ArcGIS研究密怀顺回补区地下水位时空变化

密怀顺地区是北京市重要的水源涵养区,直接影响着主城区的供水安全。2014年南水北调盈余水量通过潮白河河道回补地下水,地下水位持续抬升,地下水升幅带不断变厚,包气带厚度变薄。基于ArcGIS软件,通过对区域地下水位2014—2022年进行研究,结果表明:研究区地下水位持续快速升高,升幅为26.38 m,其中密云区升幅19.01 m,怀柔区升幅28.26 m,顺义区升幅31.67 m;地下水位低升幅带面积为144.47 km^(2),占研究区面积的29.67%,地下水位中升幅带面积约为128.85 km^(2),占研究区面积的26.47%,地下水位高升幅带面积约为213.52 km^(2),占研究区面积的43.86%;研究区包气带厚度由43.07 m减小至16.69 m,减少了26.38 m,其中密云区由43.42 m减小至24.41 m,减少了19.01 m,怀柔区由39.38 m减小至11.13 m,减少了28.26 m,顺义区由45.83 m减小至14.11 m,减少了31.72 m。结果基本反映了该地区地下水时空变化特征,分区结果可进一步支撑地下水管理、地下水政策制定及地下水型水源地的精细化管理。

基于InSAR的北京平原区地面沉降与地下水位演化关联特征迭代奇异谱分析

北京平原区是地面沉降发展严重的区域之一,分析其地面沉降的时空演化规律可为城市地面沉降有效防控提供数据支撑。该文利用PS-InSAR方法获取地面沉降信息,并用水准监测数据验证其精度,然后基于奇异谱分析和频谱检验提出迭代奇异谱分析(Iterative Singular Spectral Analysis,ISSA)方法,并基于该方法将地面沉降的长时序数据分解为主趋势、周期特征,得到研究区地面沉降和地下水位的时序演化特征:①研究区地面沉降的主趋势特征表现为2011—2016年沉降持续、沉降减缓和再度发展3个阶段,2017—2020年沉降持续发展,但总体趋势较稳定。②研究区地面沉降季节性差异明显,且2011—2020年夏季地面沉降比冬季严重。③地下水超采是北京平原区地面沉降的主因,在严重沉降区和较严重沉降区,第二、三承压含水层的水位变化与地面沉降呈强正相关性。

不同回灌条件下通辽市科尔沁区的地下水位响应研究

随着社会经济的发展,为满足农业生产需求,科尔沁区内的开采井规模及数量不断扩大增加,造成区内地下水超采严重,地下水位持续下降,严重制约着当地的发展。为此,参考地下水位下降较严重区域位置、水系分布、引水工程的引水量及单井的回灌能力等条件,选取河道、回灌井、河道回灌井结合的回灌方式,设计不同降水条件下的9种回灌方案(s1~s9),利用FEFLOW软件建立相应的地下水流数值模型,并模拟不同的回灌方案,分析各方案下地下水位的响应情况。结果表明,丰水年条件下,方案s3的地下水位平均抬升值最大,地下水位的恢复效果最好,而方案s2的单位回灌量最小,回灌效率最高,其次为方案s3,平水年与枯水年条件下结果类似。研究结果可为当地的地下水位恢复和地下水资源的合理开发利用提供重要参考。

察汗淖尔干涸湖区土壤盐渍化对地下水位响应

土壤盐渍化是产生坝上高原盐尘暴的主要物质来源,干涸湖区土壤盐渍化防控对于京津冀地区空气质量安全具有重要意义。本次研究以坝上高原察汗淖尔干涸湖区为例,探究地下水位埋深和溶解性总固体(total dissolved solids, TDS)与土壤盐渍化的影响,确定土壤盐渍化的地下水位防控阈值,为地表土壤盐渍化治理提供依据。室内实验获取研究区土壤含盐量、沙粒、黏粒百分含量,地下水TDS值,野外调查地下水位埋深,收集研究区蒸发量、降雨量资料,利用皮尔逊相关系数法及协方差矩阵分析选取线性关系较小的影响因素,绘制回归曲线探究土壤含盐量与地下水位埋深之间的关系。研究结果表明,TDS为0~1 000 mg/L、1 000~3 000 mg/L、3 000~6 000 mg/L、6 000~23 000 mg/L及0~23 000 mg/L时,土壤发生盐渍化的阈值分别为4.08、5.47、6.84、7.94、7.37 m;TDS为0~3 000 mg/L时土壤基本不发生盐化。TDS值为3 000~6 000 mg/L、6 000~23 000 mg/L及0~23 000 mg/L时土壤盐化阈值分别为2.05、2.44、1.97 m。本文研究利用回归分析,确定察汗淖尔流域平原区各TDS分区不同盐渍化程度对应的地下水位埋深,可针对性进行地下水位调控。

拉萨市河谷平原区地下水位动态特征及影响因素

为加强拉萨市河谷平原区地下水资源的合理开发和可持续利用,以拉萨市城关区为例,对拉萨市河谷平原区地下水位动态特征及影响因素进行分析。对1996—2015年拉萨城关区地下水位进行了年内与年际变化特征分析,运用反距离加权法(IDW)进行空间插值,得出地下水位空间分布及变幅。利用Pearson相关分析法及灰色关联分析法对城关区地下水位动态的影响因素及各因素影响程度进行了分析。分析结果显示,城关区地下水位具有东高西低,中间高南北低的空间分布特征。1996—2015年间地下水位逐年下降,下降范围为0.2~3.7 m,年均降幅为0.01~0.19 m。地下水位动态受降水量、气温、开采量、建设用地面积的共同影响,影响程度为:气温>降水量>建设用地面积>开采量。

地下水位对核电结构地震反应的影响分析

核电结构大多沿海或沿江、河而建,在地下水位以下,土体孔隙中的流体对土层的地震响应有较大影响,进而影响核电结构的响应。本文采用饱和多孔介质模型,考虑土-结相互作用效应,分析地下水位对核电结构地震反应的影响。通过传递矩阵方法,得到干土-饱和土水平成层场地的自由场,并结合透射人工边界,实现土-结相互作用分析的波动输入;采用土-结相互作用的分区并行计算方法,实现饱和土和结构相互作用分析。其中,含地下水位的场地土体采用广义饱和多孔介质模型描述,通过自编FORTRAN程序用集中质量显式有限元结合透射人工边界进行模拟,结构通过ANSYS中的隐式有限元进行分析。以某一核电结构为例,分析了0,−10,−20,−30,−40 m不同地下水位的五种场地上,土-基础-核电结构体系的动力响应。结果表明,地下水位对基础和结构的位移影响不大,对加速度的影响较大。

不同地下水位对邻近基坑施工变形的影响

本文依托衢州市鹿鸣半岛时尚文化创业园建设项目,采用有限元软件PLAXIS 2D研究了不同地下水位对邻近基坑施工变形的影响。研究结果表明,不论地下水位如何变化,施工工况推进时的基坑变形规律相近,但是地下水位变化对基坑变形的大小有一定影响。当地下水位降至约为基坑开挖深度的一半时,可以大大减少围护墙的变形及土体的竖向变形。根据沉降变形大小可将坑外土体分为3个影响区,分别为主要影响区,次要影响区及无影响区。本文研究结果可为邻近基坑施工提供参考。

地下水位对地基承载力修正的影响及案例分析

相关规范关于地基承载力深度修正时地下水位如何选取未作出明确规定,故文章重点分析了地下水位对不同类型的岩土地层地基承载力深度修正的影响,并对承载力修正时采用的地下水位选取提出了建议,同时通过河北省某住宅工程案例对此问题作了进一步阐述,以便提供参考。

王庆坨水库周边地下水位反演与浸没评价

根据地下水位监测资料,对王庆坨水库蓄水前围坝及库区地下水位的基本情况进行详细梳理,分析水库库区内地下水动态变化特征,获得了蓄水前后地下水位分布规律。在此基础上,依据王庆坨水库建设中使用的渗流控制方案,构建王庆坨水库围坝及库区三维渗流有限元模型,进行了大量的反演分析,对王庆坨水库蓄水后的浸没情况进行客观分析与评价,以确定水库蓄水后对周边的影响。

丽江黑龙潭泉群修复中地下水位作为补水控制信号的研究与应用

文章以丽江黑龙潭为例,研究岩溶地区泉水修复补水控制过程。基于九子海洼地为黑龙潭泉群主要补给来源这一基本判断,从宏观的地形地貌、地层岩性、地质构造、岩溶现象和地下水位动态变化规律入手,首先明确拟采用作为补水控制信号的水文观测井与目标泉群属于同一地下水系统,而后分析观测井地下水位变化规律与目标泉群流量变化规律具有良好的相关性,可作为补水控制井。通过泉群目标状态的拟定−对应补水控制井水位−考虑补水过程提前量时间−修正补水控制井水位这一过程,确定考虑补水时间过程的补水控制井信号水位为2409.41 m,最终实现对观测井水位数据为控制信号的补水过程的实时精准控制。

克里金方法与深度学习方法用于浅层地下水位估计的对比研究:以深汕特别合作区为例

掌握区域地下水位分布是地下水资源评价与环境保护的重要基础。由于区域尺度观测的地下水位数据有限,克里金插值与深度学习方法逐渐被用于区域地下水位预测,但两者的适用性及鲁棒性缺乏对比分析。针对这个问题,基于239口监测井水位,采用普通克里金方法、融合地表高程的协同克里金方法、深度学习方法估计深汕特别合作区地下水位空间分布,调查3种方法在区域地下水位预测中的应用潜力。为了研究训练集样本量对3种方法预测效果的影响,将239口监测井分为2组(76口和163口)用于3种模型的训练。结果显示,使用76眼井的训练数据拟合验证集样本时RMSE分别为6.09,4.04,7.11,考虑了地表高程信息的协同克里金法明显优于普通克里金法与深度学习法。而当训练样本量增加到163口水位数据时,普通克里金、协同克里金及深度学习法的预测精度都明显提升,3种方法拟合验证数据集的RMSE相差很小,分别为1.33,1.36,1.54。另外,使用较大数据样本量进行全区域的地下水位预测时不同方法得到的预测水位分布均有所提高,但空间分布特征依旧存在明显差异。结果表明,当观测数据稀疏时,融合高程信息的协同克里金方法的预测效果显著高于普通克里金方法和深度学习方法,而当观测数据量增加到达一定数量时,3种方法预测得到的RMSE较接近。

地下水位升降过程中的黏土地基孔压变化试验研究

季节性丰枯水期和暴雨导致的地下水位升降是否会导致黏土地基中的地下结构上浮失效是目前备受关注的问题。采用研制的装置开展试验,参照3个深度处土体的应力状态,先对黏土试样施加初始固结压力和水压使其达到对应深度处的自重应力,后增减水压模拟水位上升、回落和下降。结果表明:当水位上升时,孔压随着时间的延长而增大,15 h后进入稳定状态,并在达到理论孔压的92%以上后缓慢增长,最后接近理论值,最终与理论值最大相差5%;当水位回落和下降时,孔压随着时间的延长而减小,15 h后进入稳定状态,在达到理论孔压的97%以上后缓慢降低,最终与理论值最大相差4%。测试结果的进一步分析发现,当水力梯度为0.07~4.40时,孔压处于稳定状态,土体越密实,孔压稳定时的水力梯度越大,而实际工程中20%幅度的升降水位形成的水力梯度约为0.067,未达到引起孔压变化的下限值,故其短期内对基底水压基本没有影响,地下结构不会上浮。