基于特征优选和机器学习的第四系空间信息提取研究

【目的】第四系土体是土质滑坡的主要物源,其分布及厚度是开展土质滑坡隐患识别的重要基础。随着机器学习技术的兴起,图像分类技术与人工智能算法结合已成为遥感识别的主流。【方法】以三峡库首秭归向斜盆地为研究区,以Landsat-8影像为基础数据源,以区内现有土质滑坡数据构建样本,采用机器学习软件EnMAP-Box,建立第四系厚度及空间分布信息的随机森林分类模型,筛选出用于识别第四系土体厚度的最优特征子集,得出第四系相对厚度空间分布。【结果】结果表明:Landsat-8遥感影像的光谱特征、主成分、植被指数、湿度、坡度、绿度、均值等与第四系厚度具有强相关性,可作为识别第四系土体厚度的重要特征因子;随机森林模型能有效识别第四系土体厚度信息,且对岩质区提取精度较高;经实地调查验证,模型性能均衡,预测结果合理,可用于多植被中低山区环境的第四系识别。【结论】研究成果可为土质滑坡隐患识别和风险防控提供重要数据支撑。

三峡库首区蓄放水重力效应模型的构建与观测

通过高分遥感影像精确提取三峡库首区水体边界,对水体部分构建精密的离散化数值模型,模拟计算三峡库首区在不同蓄放水位产生的重力效应,并对秭归站2017年gPhone 101重力仪与茅坪站2019~2021年gPhone 113重力仪的连续观测数据进行精细预处理。结果表明,在145~175 m蓄水过程中,模拟得到不同蓄水高度(间隔5 m)对岸边的重力变化值分别为0~28μGal、0~47μGal、0~60μGal、0~97μGal、0~170μGal、0~210μGal。当蓄水位升高5 m时,离岸2 km范围内存在10~20μGal的影响;当蓄水位升高30 m时,离岸5 km范围内存在30~40μGal的影响。重力残差主要反映水文重力效应信息,秭归站重力残差记录到约40μGal的重力变化,茅坪站重力残差记录到约50μGal的重力变化,重力变化趋势和水位变化呈现非常好的一致性,验证了模型模拟结果的准确性,可为三峡库首区及其岸边稳定性监测提供参考。

统计预测模型对三峡库区诱发地震预测的应用

通过实地考察并结合前人的研究成果,在地震地质背景研究的基础上,将长江三峡工程坝址至巫山库段划分为5个预测区共12个预测单元,选用8个诱震因素,运用统计预测模型预测了水库诱发地震的可能性及诱发地震震级。结果表明,库水蓄至最高水位,三峡工程坝址至巫山库段中多数预测单元诱发微震和不发生地震的概率值高,无震可能性较大。但九湾溪断层沿线、仙女山断层库段具备诱发3.0～4.5级或4.5～6.0级地震的可能;考虑到龙会观5.1级地震与高桥断裂的关系,预测结果显示高桥断裂沿线具有诱发强烈水库地震(≥6.0级)的可能性,其预测概率值为0.23。

三峡库首区蓄水前后构造应力场三维数值模拟研究

迄今为止,长江三峡库首区蓄水对上地壳构造应力场影响的数值模拟研究中存在的最大问题是未考虑地形“峡谷效应”和库水下渗导致“岩石弱化”的影响。利用高精度DEM图和135 m水位蓄水同期重力异常观测资料,首次建立包含地形单元、库水下渗因素等复杂条件下的三峡库首区上地壳三维数值模型。在Marc软件平台上,以优选加载方案进行数值模拟,揭示135 m水位、175 m水位蓄水条件下库首区上地壳构造应力场的动态变化,发现九湾溪、马鹿池、官渡口、牛口等断裂带挟持区出现最大3.5～5.0 MPa的最大主应力降等有利于高角度正断层失稳的应力场变化,预测175 m水位蓄水影响将呈“继承性”发展。首次提出“二次诱发地震”、“水库诱发地震潜在震源”、“叠加潜在震源”的思想,探讨了蓄水对秭归、巴东2个重点区域断裂稳定性、孕震环境及地震危险性的影响。

基于系统动力学的三峡库区流域水污染控制模拟

为协调水环境保护与经济发展的关系,在充分考虑经济发展与水环境污染治理现状的基础上,构建了三峡库区流域水污染控制系统动力学模型,通过对决策变量的不同取值,设置了4种发展方案进行仿真模拟和分析。结果表明:方案1和2都保持了较高的经济发展速度,但都以牺牲环境为代价;方案3保护了环境,却减缓了经济发展速度;只有方案4在经济发展的同时兼顾环境保护,是实现三峡库区流域社会、经济和环境可持续发展的最佳模式。

三峡库区消落带芦苇(Phragmites communis(reed))的光合生理响应和叶绿素荧光特性

模拟三峡库区消落带土壤含水量变化特征,设置了T1(淹水超过土壤表面2cm)、T2(土壤含水量为田间持水量的70%～100%)、T3(土壤含水量为田间持水量的40%～60%)3个不同处理组,用嘉陵江江水灌溉芦苇(Phragmites communis(reed)),研究了三峡库区不同消落带带位土壤不同含水量条件下芦苇穗期的光合生理生态响应机理和适应对策。结果表明,土壤不同含水量对芦苇植株光合色素、叶片气体交换参数、资源利用效率以及叶绿素荧光参数有不同影响。其中,T1的光合色素含量最低,T3的类胡萝卜素含量最高。在T1条件下,芦苇表现出较低的光能利用率(LUE)、CO2利用率(CUE)、净光合速率(Pn)、电子传递速率(ETR)和光化学荧光猝灭系数(qP),但与其它耐水淹植物相比,T1条件下的穗期芦苇仍具有较高的光合速率(17.067μmol.m-.2s-1),说明芦苇具有较强的耐水淹能力。在T2和T3条件下,芦苇具有较高的光能利用率(LUE)、CO2利用率(CUE)、净光合速率(Pn)、电子传递速率(ETR)和光化学荧光猝灭系数(qP)。水分利用效率(WUE)大小顺序为T3>T1>T2。虽然T1的PSII有效光化学量子产量(F′v/F′m)最高,T2的光化学荧光猝灭系数(qP)最大,而T3的电子传递效率(ETR)和非光化学淬灭系数(NPQ)最高,表明在高光强和高温条件下,T3具有较强的热耗散能力,能有效保护光合机构,因而光合速率最高(20.47μmol.m-.2s-1)。研究证实芦苇不仅具有耐水湿的特点,还具有耐旱性,芦苇适合作为三峡库区消落带植被恢复建设禾本科先锋物种。

基于移民调查的三峡库首地区人口、耕地资源及生态环境状况分析

对三峡库首地区秭归、兴山、巴东等县人口、耕地资源和农业生产力状况进行了统计,并选择库区典型乡镇移民户作为调查对象,点面结合地分析了移民安置对三峡库首地区人口、耕地资源和生态环境状况的影响。结果表明,移民搬迁过程中,库首地区各县乡镇总人口降低,蓄水影响到的移民户基本都得到了妥善安置,农村劳动力资源未明显下降;三峡工程蓄水后,库首地区低海拔区域的耕地被淹没,农村可用耕地总量减少,人地资源矛盾比较突出;在耕地总量和人均耕地面积降低情况下,秭归县粮食、柑橘和蔬菜种植面积和产量仍稳步提高,库区农业生产保持稳步发展;移民搬迁以后,库首地区农村的居住环境、住宅条件、生活条件和交通条件均较移民前有明显改善,农户普遍评价较好,淹水对农村生态环境状况有一定影响,存在自然灾害和病虫害增多、农村废弃物处理设施不足等问题,库区生态环境问题应引起政府的足够重视。

三峡库区消落带芦苇穗期光合生理特性研究

三峡水库运行时,在库区两岸将形成周期性变化的水陆交错地带即消落区,它是陆地和水生生态系统的交错地带,具有生态脆弱性、生物多样性、水分变化周期性和人类活动的频繁性等特点,它对水、陆生态系统具有重要影响。同时,它也面临着严峻的生态与环境问题。以嘉陵江岸边的常见芦苇Phragmites communis(reed)为研究对象,模拟三峡库区消落带土壤含水量变化特征,设置了T1(淹水超过土壤表面2 cm)、T2(土壤含水量为田间持水量的70%—100%)、T3(土壤含水量为田间持水量的40%—60%)3个不同处理组,用嘉陵江江水灌溉芦苇,研究三峡库区不同消落带带位土壤不同含水量条件下芦苇穗期的光合生理生态响应机理,为消落带植被恢复重建和生态环境保护提供理论依据。实验结果表明:土壤不同含水量显著影响了芦苇穗期的叶片水分含量、表观光量子效率(AQY)、暗呼吸速率(Rd)和光补偿点(LCP),而最大净光合速率(Amax)和光饱和点(LSP)没有受到显著影响。T1、T2和T3的最大净光合速率Amax值分别为17.63、19.13和20.97μmol CO2/m2.s。T3的表观光量子效率AQY值为0.055μmol CO2/μmol hotons,且明显(P<0.05)高于T1(0.042μmol CO2/μmol Photons)和T2(0.046μmol CO2/μmol Photons)。这表明T3条件下芦苇的光能转化率高,光合能力强,并且T3的水分利用效率(WUE)和光量子利用效率(QUE)最高,自由水/束缚水比值最小,说明芦苇具有较强的抗干旱的能力。光补偿点LCP中T2的值为35.43μmol/m2.s,该值明显地(P<0.05)高于T1(14.55μmol/m2.s)和T3(12.79μmol/m2.s)。T1、T2和T3的光饱和点LSP分别为912.5、803.89和897.22μmol/m2.s,表明T1条件下芦苇对光的利用范围较宽,并且T1的Ci值最大,光合作用的源物质多,Rd值最小,暗呼吸所消耗的底物少。与其他耐水淹植物相比,T1条件下芦苇具有较高的Amax(17.63μmol/m2.s),说明芦苇具有较强的耐水淹能力。因此,研究表明芦苇不仅具有耐水湿的特点,还具有耐旱性,芦苇可以作为三峡库区消落带植被恢复重建和生态环境保护的禾本科先锋物种。

三峡水库不同运行期库首水温分层特性及生态效应

为了解三峡水库库首2003—2018年的水温变化特征及其对生态环境的影响,基于庙河断面实测资料,采用LSTM-Logistic模型模拟分析了库首多年水温结构特性,并探讨了其变化对库区支流库湾水华的影响和对坝下鱼类产卵水温的影响。结果表明:LSTM-Logistic模型能较好地适用于三峡水库,准确地模拟水温的逐日变化过程;2006—2013年,三峡水库库首每年4—6月均出现了水温分层现象,从2014年开始,水温垂向差异变小,水温不分层,且春季、秋季和冬季水温升高,下泄水温进一步平坦化;三峡水库库首水温长期变暖的趋势,会使支流库湾倒灌异重流潜入深度上移,从而改变异重流倒灌形式,降低库湾水华风险;梯级水库蓄水缓解了春季下泄低温水的不利影响,但秋冬季水温的升高对中华鲟繁殖造成了进一步威胁。

三峡库首区重点断裂围限区蓄水的加卸载效应

通过对蓄水前后三峡库首区构造应力场进行三维数值模拟发现,相对于蓄水前,蓄水至135 m水位时,官渡口断裂-马鹿池断裂-牛口断裂围限区、秭归地理中心和九湾溪断裂带,出现了4个主应力下降区和共轭的主应力增长区,形成了差应力场;175 m水位与135 m水位相比,局部差应力场呈现逆向变化,即形成了加载效应与卸载效应的交替过程。这一过程,可能是水库诱发地震的诱震(或触震)因素。

三峡库首地区移民安置区不同利用方式土壤肥力和土地生产力调查

三峡工程蓄水、移民搬迁及土地利用方式改变将对库首地区土壤肥力、土地生产力和当地农业生产活动产生长期潜在影响。本研究对移民安置期间三峡库首地区秭归、兴山、巴东和夷陵等县区农田、果园和茶园3种利用方式的85个样点土壤的肥力状况进行了采样调查,并对当地土地生产力和移民经济收入状况等进行了统计分析。结果表明:三峡工程蓄水后,库首地区农田土壤肥力水平较高,果园土壤其次,而茶园土壤肥力水平偏低;在蓄水和移民搬迁同时,当地加大农业投入,尤其是加大果园和茶园的肥料投入,以保证农业生产发展需求;受蓄水和移民搬迁影响,库首地区3县粮食总产和单产均有所降低,其中秭归县受到影响较大,但库首各县的粮食生产在三峡蓄水后总体保持稳定;库首地区各县,尤其是秭归县的柑橘和蔬菜种植面积和产量保持逐年提高趋势,该地区的优势产业保持稳步发展,土地生产力未受到明显影响;柑橘经济效益显著高于茶园和农作物,移民安置期间,秭归、兴山县人均纯收入保持逐年上升态势,库首地区农村的经济水平保持稳步增长。

三峡库首区河长坡降指标及其地质构造意义

利用数字高程数据和空间分析方法,提取三峡库首区长江支流的河长坡降指标(SL)以及标准化坡降指标(SL/K),对该区构造活动进行分析。结果显示,研究区水系发育主要受断裂构造、地层岩性和新构造运动的影响,在空间上存在一定差异性,说明研究区构造活动存在区域性差异。在不同岩性地区,特别是三叠系地层区,水系响应较为明显,这与地层的抗水流侵蚀强度有关。该区水系发育受断裂构造控制作用较小,但受新构造抬升影响较大。

三峡库区架空墩式散货码头结构承载性能研究

结合重钢环保搬迁大型散货出口码头建设和重庆寸滩架空直立式集装箱码头的成功尝试,提出一种适用于三峡库区大型散货码头的结构形式,即架空直立墩式散货码头。采用有限元方法建立码头结构的三维有限元模型,通过计算得出码头结构在不同工况下的位移和内力分布特点。研究表明,架空直立墩式码头是三峡库区大水位差、大流速、船舶大型化等条件下散货码头的合理结构形式。

农业发展与环境政策对农业面源污染的实证分析——以三峡库区重庆段为例

农业自身、农业发展趋势、农业经济发展与环境政策都会不同程度的影响农业面源污染。利用三峡库区重庆段的面板数据,采用计量分析方法,定量分析农业发展和环境政策对农业面源污染的影响。研究结果表明:农业产业化经营政策、国家财政对化肥和粮食的直接补贴政策对农业面源污染存在正向影响,即会增加面源污染;农业技术推广补贴、农业生态工程建设、种植业结构调整和测土配方施肥政策存在负向影响,会减缓农业面源污染;农业科技投入、农田水利基本建设投入和农业环保投入对农业面源污染不存在显著的相关。

基于随机过程的大水位差高桩码头桩身时变可靠度分析

近年来,随着三峡库区建成运行,为适应大水位差的作业环境,高桩码头在三峡库区大量出现。在设计基准期内,高桩码头的桩身结构要承受船舶桩基、水流、堆载等各种外力作用,作用力与桩身结构抗力均随时间推移不断变化,是依赖于时间参数的随即过程。本研究基于随即过程理论,考虑水位变化,船舶桩基及桩身结构抗力的随机性,应用时变可靠度理论对桩身承载力进行分析研究,可为类似问题的研究提供参考。

三峡库首区现今构造应力场的形成体制分析

本文从地质、地震、形变、地应力测量等方面对三峡库首区现今构造应力场进行了系统的分析和论证,并用数值模拟进行了验证,认为三峡库首区现今构造应力场属于纯剪切变形体制,即:在来自西部NE—SW方向主压应力挤压的基础上,同时叠加有因江汉—洞庭盆地拉张而引起的NWW—SEE向主张应力的作用,这两种力源近于直交,可以分别作为研究区现今构造应力场的主压应力(1σ)和主张应力(σ3)。

三峡蓄水进程中库首区地震活动与库水位的关联性研究

利用三峡数字遥测地震台网产出的地震观测资料,基于互相关-重排实验技术系统分析三峡工程在蓄水进程中地震活动与库水位的相关性及不确定度,探讨三峡水库地震的成因机制。结果表明:1)蓄水进程中库首区地壳经历了“持续加载-渗透饱水-回弹与再平衡”的复杂过程,库区地震活动的时空分布特征与库水位的时序变化关系密切;2)从开始蓄水到175 m实验性蓄水阶段,巨量的直接库水荷载导致沿江近库岸10 km范围内的矿洞、溶洞、浅表性岩层、断层等失稳而诱发地震,震源深度5 km范围内的浅震活动明显与库水位快速上升产生的弹性加载有关,对库水位上涨呈“瞬时”响应;3)随着175 m实验性蓄水阶段稳定运行,渗透作用逐渐成为库区地震活动的主要影响因素,断层软化等作用可能是接连触发2014-03秭归M4.5、M4.9等构造型水库地震的原因,震源深度大于5 km的深震活动开始呈现对库水位的“滞后”响应特征。长江香溪库段作为仙女山、九畹溪断裂与长江交会的三角形构造部位,其周缘或存在发生中等强度地震的危险性。

三峡库首典型区2001—2010年局地气象因子变化趋势分析

三峡工程对库区气候变化的影响一直是备受关注的科学问题，通过对库首秭归典型区2001-2010年10年期间地气象因子的连续观测，分析各气象要素的动态变化趋势。根据现有观测资料，三峡库首典型区蓄水前后的温度、降水、气压日照等主要气象因子虽有一定程度年际波动，但未见较大显著变化。与蓄水前棚比，秭归典型区在蓄水后年平均气温降低了0．3℃，年均最高气温降低了约0．7℃，年均最低气温升高了约013℃；蓄水后的4月、5月和12月平均气温升幅约为0．8℃～1．0℃，其余月份降幅约为0．4℃～2．0℃；蓄水后，多年平均≥10℃有效积温降低幅度约为116．6℃。10年期间，除极端最高地断温度有一定降低外，平均地面温度、平均最高最低地面温度和极端最低地温均无明显变化：每年4—8月份为雨日最集中时期，10年期间平均降雨量为939．7mm，其中以2008年的降雨量最高为1148．7mm，而2009年降雨量最低为742．8mm；10年平均年蒸发量为937．0mm，各年份中5—9月份平均蒸发量为668．5mm，占年度蒸发量的71．3％；10年期间平均气压有升高趋势，其中2010年平均气压为101．0kPa，比2001年平均气压升高了约1．2％；10年期间，日照时数存在波动，但总体有降低趋势，其中2004年日照时数最长达1384．9h，2005年日照时数最短为981．8h。

基于流固耦合理论的三峡库首区蓄水后附加应力场研究

首先在Rhino软件中导出三峡库首区的DEM地形图,再将地形面数据文件导入FLAC 3D软件中并建立实体模型,设置好模型相关的力学参数和计算模式,得到在145 m和175 m蓄水位时三峡库首区的流固耦合计算结果。根据结果讨论三峡库首区孔隙水压场和等效应力场的特点发现,孔隙水压从地表至地下3 km范围内产生的影响不容忽视。

三峡库首区诱发地质灾害的强降水特征分析

利用三峡库首区1971—2019年国家站和区域站逐日雨量和地质灾害个例数据,对三峡库首区诱发地质灾害的强降水特征进行分析,发现:(1)三峡库首区暴雨日数近50年来呈现增长趋势;暴雨主要集中在4—10月,暴雨日数发生最多的月份为7月和8月;地质灾害主要集中在5—10月发生,呈现出夏半年多、冬半年少的特征。(2)秭归降水量年变化最大,更容易出现干旱或洪涝,兴山降水量年变化最小。(3)三峡库首区汛期平均雨量呈现14a周期性波动,其次是9a周期性波动。主汛期平均雨量呈现9a周期性波动,其次是14a周期性波动。(4)三峡库首区主汛期雨量和地质灾害出现次数的相关性达0.468,说明主汛期降水偏多时,更容易出现较多的地质灾害。