基于GIS技术的赤水市生态环境敏感度评估

本研究通过采用AHP+GIS相结合及改进分析方法,共选取土壤侵蚀度、植被覆盖度、水体不同距离缓冲区、植被类型、地形起伏度、海拔高度、坡度、坡向、道路不同距离缓冲区及土地利用类型10项指标,综合评估赤水市生态环境敏感情况,以期为赤水市生态修复提供依据,主要结论如下:1)通过层次分析法(AHP),确定了三个大类及10个小类评估指标权重,其中土壤侵蚀度权重最高,为0.1904。2)赤水市综合生态环境敏感等级以不敏感和低敏感等级为主,面积占比为54.85%。从空间分布上看,不敏感与低敏感区主要分布在林地、草地区域,中敏感区主要为耕地与草地相交区域,高敏感区和极高敏感区主要分布在道路、河流及完全开发为建筑用地及耕地沿线附近,占总面积的19.09%,以赤水市城区、官渡镇、石堡乡和长期镇生态环境敏感度高。

岩溶洞穴地下水水化学特征及其地球化学敏感性比较——以贵州双河洞和织金洞为例

不同岩性发育下的洞穴,其洞穴地下水的地球化学敏感性具有明显的差异。对织金洞、双河洞系统的大风洞和皮硝洞等不同岩性的洞穴地下水进行地球化学敏感性研究,对比不同岩性的洞穴水化学特征差异及影响因素。结果表明:(1)3个洞穴地下水水化学阳离子以Ca^(2+)、Mg^(2+)为主,阴离子以HCO_3^-和SO_4^(2-)为主;织金洞水化学类型为Ca-HCO_3型,皮硝洞为Ca·Mg-SO_4·HCO_3型,大风洞为Ca·Mg-HCO_3型。(2)白云岩洞穴(双河洞)地下水Mg^(2+)/Ca^(2+)明显高于灰岩洞穴(织金洞),但在含膏白云岩洞穴(皮硝洞)中,地下水Mg^(2+)/Ca^(2+)比值由于受白云岩和石膏的风化溶解的影响,Mg^(2+)/Ca^(2+)变化幅度较大。(3)3个岩溶洞穴地下水地球化学敏感性中,阳离子以Ca^(2+)最强;阴离子在织金洞和大风洞地下水中以HCO_3^-较强,而在皮硝洞地下水中SO_4^(2-)则表现出较强的敏感性,各主量离子的地球化学敏感性总体上表现为皮硝洞>织金洞>大风洞。因此通过对不同岩性的洞穴地下水进行地球化学敏感性研究,以期为岩溶区地下水环境和保护岩溶水文生态提供科学的依据。

土壤CO_2与喀斯特洞穴CO_2季节变化响应分析

为了揭示土壤CO_2对洞穴内环境的意义,对大风洞和响水洞2016年洞内环境指标和上覆土壤的相关数据进行统计与回归分析。结果表明,洞内CO_2浓度、土壤CO_2浓度具有显著的季节性特征,土壤2#对应的洞内空气CO_2在夏冬两季差值达793~884mg/kg。土壤水PCO_2和滴水PCO_2在夏冬两季的差值最高可分别达1.12和0.41,因此洞内滴水PCO_2、土壤水PCO_2也表现出明显的季节性特征。土壤CO_2、洞内空气CO_2、洞内滴水PCO_2和土壤水PCO_2间均表现出一定的滞后现象,如4#土壤水PCO_2与滴水PCO_2的相关系数,由非滞后条件下的0.123上升至滞后条件下的0.596。同时在滞后条件下,土壤CO_2对洞内CO_2的贡献率的总和最高可达84.6%,高于非滞后条件下的值。

喀斯特地区土壤CO_2扩散通量变化特征及其影响因素分析

土壤CO_2通量是全球碳循环的重要组成部分,研究土壤垂直剖面CO_2通量的分布是了解生态系统碳循环的重要途径。因此,对喀斯特地区土壤剖面CO_2扩散通量(F值)进行研究,有助于了解喀斯特地区碳循环过程。自2016年1月—2016年12月,对大风洞上覆土壤CO_2浓度、土壤温度等指标进行长期监测并采集土壤样品,利用环刀法对土壤孔隙度和自然含水率等指标进行测定。结合土壤CO_2浓度、土壤温度、土壤孔隙度和土壤含水率等指标,运用Fick定律对不同土层深度F值进行计算,并利用多元回归模型将各因子对F值的影响程度进行量化,从而探讨各个深度土壤CO_2扩散通量大小和各因子对F值的贡献率。结果表明:土壤CO_2浓度具有显著的季节变化特征,冬夏两季的差值范围可达0.245~0.817μmol·mol^(-1)。各土壤监测点的土壤孔隙度(包括总孔隙度和充气孔隙度)具有显著的浅层大于深层的垂直分布规律,浅层土壤总孔隙度和充气孔隙度可分别达61.85%和55.47%,而深层最高仅为49.07%和40.96%。土壤体积含水率和土壤容重在表层土壤的波动性较大,随着深度增加,波动性不断减弱。表层土壤的F值高于深层土壤,20 cm深度F均值可达0.39μmol·m^2·s^(-1),而80 cm深度F均值仅为0.23μmol·m^2·s^(-1)。对F值影响最大的因素包括运移距离、土壤充气孔隙度、土壤CO_2浓度,其贡献率均值分别可达32.49%,26.69%,18.74%;而土壤总孔隙度和土壤体积含水率,贡献率均值分别为6.76%和6.31%;土壤温度和土壤容重的贡献率较弱。

递归神经网络方法解决非光滑伪凸优化问题

针对目标函数为非光滑伪凸函数且带有等式约束和不等式约束的优化问题,基于罚函数以及微分包含的思想,构建一个层次仅为一层且不包含惩罚算子的新型递归神经网络模型.该模型不用提前计算惩罚参数,能够很好地收敛.理论证明全局解存在,模型的状态解能够在有限的时间内进到原目标函数的可行域并不再离开,其状态解最终收敛到目标函数的一个最优解.仿真实验证实了理论结果的可行性.

一种新型解决非光滑伪凸优化问题的神经网络方法

优化问题的研究一直以来深受科研工作者的关注,凸优化问题作为优化问题的一个重要部分更是成为研究重点,许多应用神经网络思想提出的模型已经被应用到实际问题中。然而,在机器学习、信号处理、生物信息学等领域中涉及的优化问题往往不是凸优化问题,而是伪凸优化及非凸优化的问题,因此解决后一类问题变得刻不容缓。针对目标函数是非光滑伪凸函数、约束函数由等式和不等式函数构成的优化问题,基于罚函数以及微分包含的思想,构建了一个新型的不含惩罚参数的单层神经网络模型。该模型的主要设计思路是根据已经提出的神经网络模型思想,为目标函数的梯度设计一个制约的函数,使其值始终保持在一个范围之内,再结合一个关于时间的函数,确保其值随时间变小。同时,考虑到不等式约束对状态解进入等式约束之前的收敛方向有影响,加入一个条件函数来限制它。与已提出的神经网络模型相比,所提模型具有结构简单、无须提前进行惩罚参数的计算、对初始点的位置无特殊要求等优势。而且,对于任意初始点,理论证明了状态解的有界性、状态解能够在有限时间内收敛到等式约束内并永驻其中、状态解能够在有限时间内收敛到可行域并永驻其中以及状态解最终收敛到优化问题的最优解。在MATLAB环境下,通过数学仿真实验,状态解都能快速地收敛到一个最优解。同时,用已经提出的类似神经网络模型解决同样的优化问题时,若罚参数或初始点选择不恰当则会导致状态解不能很好地收敛。这不仅验证了所提出的理论结果的正确性,同时也说明了所提网络具有更广泛的应用范围。

一种解决受约束的非光滑伪凸优化问题的新型神经网络方法

非光滑伪凸优化问题涉及科学与工程应用的诸多领域,是非光滑凸优化问题的扩展,同时也是一种特殊的非凸优化问题,具有十分重要的研究价值.针对这类问题,提出了一种基于微分包含的新型神经网络模型,用来解决带有等式与不等式约束的非光滑伪凸优化问题.通过严谨的理论分析证明新型神经网络的轨迹可以在有限时间内进入到可行域,且最终会收敛于原始优化问题的最优解,最后通过仿真实验的方式验证新型神经网络的有效性与准确性.与现有神经网络相比,新型神经网络具有以下优势:避免预先计算任何的精确惩罚因子,降低计算复杂度;初始点可以取实数空间任意有效值,不受限制;模型结构相对简单.

一种解决非光滑伪凸优化问题的新型神经网络

针对带有不等式约束条件的非光滑伪凸优化问题,提出了一种基于微分包含理论的新型递归神经网络模型,根据目标函数与约束条件设计出随着状态向量变化而变化的罚函数,使得神经网络的状态向量始终朝着可行域方向运动,确保神经网络状态向量可在有限时间内进入可行域,最终收敛到原始优化问题的最优解。最后,用两个仿真实验用来验证神经网络的有效性与准确性。与现有神经网络相比,它是一种新型的神经网络模型,模型结构简单,无需计算精确的罚因子,最重要的是无需可行域有界。

一种解决非光滑非凸优化问题的暂态混沌神经网络

提出了一个新的递归神经网络模型,目标是解决一类带等式与不等式约束的非光滑非凸优化问题.证明了当可行域有界时,递归神经网络能在有限时间内收敛到可行域,并且能最终收敛到优化问题的一个关键点.并针对一般的递归神经网络在解决非凸优化问题过程中容易陷入局部最优解的情况,本文的递归神经网络扩展为暂态混沌神经网络,能通过混沌遍历收敛到优化问题的全局最优点.最终通过实验验证了提出模型的有效性和全局寻优能力.

池武溪流域岩溶水SO_4^(2-)的空间变化特征及其来源分析

SO_4^(2-)作为岩溶地区水化学环境变化的重要指标之一,对研究流域水文地球化学过程的演化以及水资源的保护具有重要的意义.为探究白云岩地区池武溪流域SO_4^(2-)的分布特征及主要来源,通过运用Piper图、Gibbs图、主成分和灰色关联度方法,对该区域内地下水和地表水共44个水样的水化学相关阴阳离子(Sr^(2+)、Ca^(2+)、Mg^(2+)、Fe^(2+)、SO_4^(2-)和HCO_3^-等离子)进行系统性分析,结果表明,池武溪流域水化学类型主要分为两类:HCO_3-Ca型、HCO_3-Ca·Mg型,部分地下水水点是以SO_4-Ca型和SO_4-Ca·Mg型为主.在空间分布方面,地表水SO_4^(2-)浓度空间变化较平缓,SO_4^(2-)含量较高的区域主要集中在洞穴密集分布的水样点及其邻近区域,在河流交汇处SO_4^(2-)含量少,最低处仅有9.727 mg·L^(-1),地下水呈现以石膏晶洞、皮硝洞为中心,向两级逐渐递减的规律,最高值出现在石膏晶洞、皮硝洞附近,高达634.579 mg·L^(-1).Gibbs图表明,流域内岩溶水中的离子主要来源于岩石风化作用.主成分分析(PCA)结果说明,地表水与地下水存在明显的水力联系且流域内的离子来源于碳酸盐岩与硫酸盐岩的风化作用.灰色关联度排序结果表明,在天青石中SrSO_4的溶解和还原过程为主要作用,FeS_2、CaMg(CO_3)_2与石膏的综合作用,对流域内岩溶水的SO_4^(2-)有着重要的贡献,在地表水中的贡献率分别为0.772、0.701、0.681和0.663;地下水中分别为0.893、0.791、0.799和0.772.

岩溶洞穴负离子空间分布特征与环境关系分析:以天缘洞与水帘洞为例

空气负离子被誉为"空气维生素",其浓度被列为衡量空气质量好坏的一个重要指标,对于空气污染物降解与人类健康有巨大的促进作用。文章使用DLY-3G232型空气离子测量仪对红果树景区的天缘洞与水帘洞的负离子浓度及洞穴环境进行监测,并通过GIS工具及统计分析方法,对监测数据进行分析。结果表明:天缘洞与水帘洞内负离子均高度富集在水体以及部分低洼处,其中,水帘洞瀑布处负离子浓度最高,最高值达到34 000个/cm^3;洞外负离子浓度较低,最低值只有630个/cm^3;负离子的产生与富集,与水环境及气流交换共同作用形成的不同洞穴环境有关系,但不同的洞道系统,其相关性也有差异;CO2与负离子的形成与赋存可能没有直接关系,两者可能是易受气流交换、洞穴封闭程度等影响的个体。

贵州绥阳响水洞洞穴壶穴形态的形成与发育

为探究响水洞壶穴的形成和演化的机理,对白云岩地区洞穴壶穴形态特征(长轴长、短轴长、深度、长轴所对应的走向及洞道走向等)进行了详细测量,并运用统计学分析方法从定量的角度描述了洞穴壶穴的形成和发育过程。结果表明,壶穴的形成和发育过程不仅与流速有关,还与洞道走向、洞道宽窄、弯曲程度和流水特征有关;壶穴的空间分布与洞道走向有着密切的关系,因其形态受节理构造、流水形式等作用控制,其长轴走向具有一定的选择性;对壶穴长、短轴作对数变换后之间具有很好的线性关系,其回归曲线是幂<1的函数曲线;而对长轴和短轴与深度作对数变换后之间相关性较差,回归曲线分别是幂<1和幂>1的曲线,故而在壶穴发育的过程中,其形态和流水作用的形式也是随机的;喀斯特洞穴壶穴是地下河下切的侵蚀形式之一,在下切强烈的洞段,其形成时间相对较短,且发育不充分,难以长久保存,因此现代地下河的壶穴即是现代壶穴。对喀斯特地区地下河道中壶穴的分析和研究,丰富了岩石坑穴的研究,对岩石地貌学的研究具有一定的意义。

喀斯特洞穴CO_2时空变化特征及其控制因素分析

岩溶洞穴空气CO_2变化影响次生沉积物沉积和溶蚀,它关系到洞穴旅游景观的稳定性及洞穴环境的舒适性,是岩溶作用发生的关键因素。本文以一个水文年监测数据为主,结合洞穴上、中、下垂直监测结果,分析了大风洞洞穴空气CO_2时空变化特征及其影响因素。结果表明:(1)在空间尺度上,越靠近洞口通风效应越强,洞穴空气CO_2浓度越低,越接近大气的CO_2浓度,当上升到一定阀值时,CO_2浓度基本保持稳定状态;(2)在长时间尺度,大风洞洞穴CO_2浓度表现为夏季>秋季>春季>冬季的一个变化趋势,夏季波动幅度较大,而冬季较为平缓;(3)在垂直尺度上,春、夏、秋季洞穴CO_2浓度、相对湿度差异大,且洞底部CO_2浓度和相对湿度大多高于洞顶部。越往洞穴深入,3个环境参数的垂直差异均减小;(4)影响因素上,大风洞CO_2主要受洞道结构及通风效应、洞穴上覆土壤环境、岩溶作用、旅游活动的影响,其中以岩溶作用最为突出。

双河洞洞穴系统岩溶地表水-地下水主要离子化学特征及其来源分析

为揭示喀斯特洞穴区域地表水、地下水水化学特征及其水化学变化的影响因素,采用数理统计、Piper三线图、Gibbs图、氢氧同位素关系图、离子相关性及离子比值关系等方法对研究区2015年4月~2017年3月的40组地表水水样和253组地下水水样数据进行分析。研究结果表明:双河洞区域地表水、地下水pH均呈碱性,TDS值总体上属淡水和微咸水,TH值属软水和微硬水。地表水中阳离子主要以Ca^(2+)、Mg^(2+)离子为主,阴离子主要以HCO_3^-离子为主;水化学类型主要为HCO_3-Ca和HCO^(2+)_3-Ca·Mg。地下水中阳离子主要以Ca^(2+)、Mg离子为主;阴离子主要以HCO_3^-和SO_4^(2-)离子为主,水化学类型主要为HCO_3·SO_4-Ca·Mg、SO_4·HCO_3-Ca·Mg和HCO_3-Ca·Mg。通过Gibbs图、离子相关性、主要离子比值关系可以看出,主要离子组分均来自碳酸盐岩和硫酸岩盐的风化溶解,同时可能存在人为活动的影响。研究区水化学组分是区域地质地貌条件、水-土-岩相互作用、农业活动等因素综合导致的。研究结果对岩溶区地表水和地下水的开发利用、管理和保护具有重要的科学意义。

喀斯特洞穴康养适宜性评价——以贵州红果树景区天缘洞为例

被誉为"空气维生素"的空气负离子具有调节神经中枢、促进新陈代谢等生物效应,有益于人体身心健康;同时负离子还具有抑菌、杀菌的作用,在喀斯特洞穴中负离子含量高,也造就了洞内洁净的空气。喀斯特洞穴康养就是依托于洞穴环境与小气候而开展的疗养、康体、休闲等一系列有益身心健康的活动。本文采用指数分析法,从人体感受与环境卫生学角度选取人体气候舒适度指数、空气清洁度指数和空气负离子富含度指数构建喀斯特洞穴康养功能指数(CRFI)并以贵州红果树景区天缘洞为实例,来评价喀斯特洞穴的康养适宜性。通过层次分析法确定三个指标权重分别为0.142、0.286、0.572。根据2017年8月至2018年7月的洞穴环境连续监测数据发现,天缘洞洞内氡浓度年均为610.26 Bq.m^-3,洞内CO2浓度年均521.900×10^-6,符合国际辐射安全要求,满足洞穴康养开展的前提条件;洞内年均温为14℃,相对湿度大,人体气候舒适度相对较低;洞内正负离子含量在时间与空间上都存在较大幅度的变化,负离子浓度空间分布规律存在以TY-4地下湖为中心向洞口方向逐渐递减趋势,天缘洞4-9月全洞段空气负离子含量较高,空气清洁度指数均高于1.00,属于最清洁空气,极有利于人体健康。天缘洞全年的洞穴康养功能指数显示天缘洞最佳洞穴康养时间为5月与9月,最佳康养地点位于TY-4地下湖附近,仅有12月与1月不适宜开展洞穴康养活动。

贵州双河洞空气环境主要因子化特征及影响因素分析

洞穴主要空气环境因子是影响洞穴次生沉积物形成及洞穴气候环境变化的重要因素,为进一步揭示其内涵机理,通过2015-2017年对贵州绥阳双河洞系支洞——大风洞14个洞内监测点、2个上覆土壤点进行了为期2个水文年的监测,并运用数理统计等方法对监测数据进行分析,结果表明:双河洞空气环境主要因子(CO_2浓度、温度、相对湿度)均呈现出夏高冬低的季节性变化规律,并且由洞口向洞内,CO_2浓度年内变化幅度逐渐增大,温度、相对湿度则逐渐趋于恒定;受外部气候环境及上覆土壤的影响,洞内次生沉积物溶解沉积效应存在季节性差异;洞道形态及通风效应的差异增加了洞穴空气环境变化空间上的复杂性;旅游活动和呼吸作用在不同的程度上对洞穴空气环境的瞬时水平产生影响。

岩溶地区主量元素地球化学特征及其迁移规律--以贵州双河洞为例

通过对土壤理化性质的分析以及土壤水和岩石主量元素的测定,同时构建主成分多元回归模型探讨影响岩溶地区主量元素迁移的主要因素,并计算其贡献率。结果表明:Mg和Ca在各土壤点的含量分别可达1 393.98~5 497.42,880.47~3 133.43mg/kg,远高于K和Na的498.58~3 315.42,32.98~186.75mg/kg。土壤CO2浓度和土壤温度具有显著的夏秋高于冬春的季节性特征,土壤孔隙度则随着土层深度的增加不断降低,土壤水中HCO_3^-和Ca^(2+)含量最高。各主量元素迁移能力的强弱为Na>Ca>Mg>K,且各元素迁移系数总体上在夏季最高。对主量元素迁移贡献率最大的因素主要包括降水量、土壤CO_2浓度、土壤温度和土壤水阴离子含量,这些因素在各土壤点的累积贡献率可达52.84%~79.06%;土壤容重、土壤和土壤水中主量元素含量累积贡献率均值达22.98%,显著低于前述因子。而土壤总孔隙度和土壤充气孔隙度的贡献率较低,仅2.19%~8.76%。

喀斯特旅游洞穴微气候环境要素时空分布特征及影响因素--以贵州织金洞为例

为了解喀斯特旅游洞穴微气候环境要素的时空分布特征,分析其内在原因和规律,以织金洞为对象,对洞穴CO_2、温度及湿度进行为期一年半的监测。从季节变化、昼夜变化及空间变化特征等多尺度对洞穴微气候环境进行系统性研究,结果表明:(1)织金洞微气候要素在不同季节存在明显的空间分布特征,CO_2由洞口向洞内深处逐渐增加,且渐趋稳定,雨季前半洞段浓度高于后半洞段,旱季则相反;夏季温度由洞口向洞内逐渐降低,至洞内深处逐渐稳定,而冬季在洞口附近略有降低后逐渐升高,至深处逐渐稳定。相对湿度由洞外至洞内逐渐增高,至深处稳定在85%;(2)季节变化上,洞穴内CO_2浓度变化具有明显季节性变化;洞口附近温度、湿度由于受洞外环境的影响有较大波动,至洞内深处逐渐稳定。三者均存在明显的年际间周期变化;(3)昼夜变化上,游客数较多时,CO_2浓度白昼明显高于夜间,游客量较小时,白昼比夜间低;温度白昼总体上比夜间高,白昼波动大于夜间;相对湿度白昼较夜间低,三者均以昼夜为周期变化;(4)通过研究影响洞穴微气候要素变化的主要因素有游客数量、洞内外气流交换和洞道结构、洞穴水体和灯光系统等,其变化是多要素相互耦合的结果。

短时间高强度旅游活动下洞穴空气环境变化特征及其影响因素分析——以绥阳大风洞为例

文章通过对大风洞2017年、2018年十一"黄金周"洞内外温度、CO2浓度、相对湿度、游客量等为期7天的连续监测,并运用系统分析方法对各个监测指标进行综合分析。结果表明:(1)监测期间,受洞穴通风效应和游客量等的影响,大风洞空气环境要素(温度、湿度、CO2浓度)呈现明显昼夜变化,表现为白昼>夜晚;(2)洞道结构对洞穴空气环境空间变化具有重要影响,表现为神泉玉露洞道结构较夜明珠更为复杂,在2017年、2018年的温度、湿度、CO2浓度等均要比夜明珠的高;(3)洞外空气环境变化对洞穴通风效应具有重要的影响,表现为降雨导致洞外温度、湿度降低,虚拟温差发生改变,促使气流方向由限制性通风模式向积极性通风模式转变;(4)受气候及游客因素影响,2017年洞内温度、CO2浓度的昼夜变化特征较2018年更明显,且当游客产生的CO2浓度大于洞穴空气环境的自净能力时,CO2会出现累积效应,进而影响洞穴旅游景观及洞穴环境的舒适性,建议景区在进行旅游活动时要充分考虑短时间尺度游客人数高峰期对CO2的影响及岩溶景观的合理保护。

贵州织金洞CO_2浓度不同时间尺度变化及其影响因子分析

作为影响洞穴沉积物沉积的重要因素,洞穴空气CO_2浓度对洞穴次生沉积物景观的稳定性以及旅游环境的舒适性具有重要影响。通过对贵州织金洞2015年1月至2016年6月连续18个月的洞内外环境(CO_2浓度和温湿度)、水文地球化学指标、洞顶上覆土壤CO_2浓度、降水量和游客数量等要素的监测,并结合2015年"十一"期间洞穴空气环境连续5昼夜的系统监测,探讨织金洞洞穴空气CO_2浓度时空变化特征及其控制因素,结果显示:(1)在空间尺度上,织金洞CO_2浓度呈现明显的空间变化,从洞口至洞内深处,CO_2浓度呈非线性上升,至洞内越深CO_2浓度变化越稳定。这主要是洞内外气流交换作用程度、洞道结构、洞内海拔差异等因素综合导致的;(2)季节变化上,织金洞洞内空气CO_2浓度总体上存在明显的雨季高旱季低的特点,这主要受旅游活动和岩溶作用吸收大量上覆土壤CO_2、滴水、池水脱气作用等因素控制;日际和昼夜变化上,"十一"期间随着进入洞内游客数量的增加,CO_2浓度白天较夜间高,随着游客数量不断攀升,CO_2浓度总体呈上升趋势;温湿度对洞内空气CO_2浓度变化有一定的调控作用,但相对较弱。(3)总体上CO_2浓度变化主要是由洞内外气流交换作用(通风效应)、洞道结构、旅游活动以及洞外自然环境的变化和岩溶作用等要素相互耦合的结果。因此在洞穴环境保护方面需要综合考虑各方面要素,通过科学管理促进洞穴旅游的可持续发展。