检索结果-内蒙古大学图书馆

长江科学院院报 2023年第7期40卷 88-95页

作者：陈文龙杨云丽张煜胡祖康江苏省规划设计集团有限公司南京210036 长江科学院农业水利研究所武汉430010 河海大学计算机与信息学院南京210024

为了探究天地协同与深度学习的联合效果,利用灌区地面和遥感的天地协同序列观测数据,以降水、土壤湿度、地下水位历史观测量、哨兵-2遥感观测值作为地下水位的模拟因子,采用基于多层GRU网络的深度学习模型建立地面和遥感观测因子与地下... 详细信息

为了探究天地协同与深度学习的联合效果,利用灌区地面和遥感的天地协同序列观测数据,以降水、土壤湿度、地下水位历史观测量、哨兵-2遥感观测值作为地下水位的模拟因子,采用基于多层GRU网络的深度学习模型建立地面和遥感观测因子与地下水位的内在联系,进行灌区地下水位模拟的研究,并在南北方两处灌区研究区进行地下水位模拟试验和结果分析。试验结果表明,基于天地协同与深度学习的灌区地下水位模拟模型具有自行建立外界环境因素和灌区地下水位内在关系的能力,明显优于仅有地下水位观测值作为模拟因子的对比模型,具有较好的地下水位模拟效果,以及在不同地理环境下的模型适用性。该模型具有一定的应用潜力,能够为灌区的农作物种植和水资源管理提供决策信息支持。

关键词：地下水位模拟深度学习天地协同灌区遥感

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间歇性输水河流河岸带地下水位模拟与生态响应过程研究

间歇性输水河流河岸带地下水位模拟与生态响应过程研究

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作者：刘迁迁中国科学院大学

学位级别：博士

地下水人工补给是干旱区水资源管理的重要组成部分，在不影响区域水平衡情况下，定量分析“河流-含水层”系统中“地表水-地下水”的相互作用，对于实现含水层的可持续管理目标和获得预期的生态环境效益具有重要意义。近年来，解析模型... 详细信息

地下水人工补给是干旱区水资源管理的重要组成部分，在不影响区域水平衡情况下，定量分析“河流-含水层”系统中“地表水-地下水”的相互作用，对于实现含水层的可持续管理目标和获得预期的生态环境效益具有重要意义。近年来，解析模型在地下水人工补给研究中得到了广泛应用。然而，现有的解析模型主要集中在使用单一事件的数据来模拟短期补给期内的瞬态水位波动上，而对间歇性补给条件下集水区地下水动态的多年模拟研究非常罕见。本文以塔里木河下游间歇性生态输水过程为研究，通过对河岸带“地表水-地下水-生态系统”连续体进行野外定点试验、模型构建及遥感提取，系统的研究间歇性补给条件下地下水位波动过程及生态响应规律。主要研究结论如下:　　(1)塔里木河下游地下水位变化依赖于间歇性生态输水过程，且不同河岸距离响应规律存在一定的差异。通过定性与定量分析，对多年地下水位变化进行了研究，结果表明:2010-2017年地下水补给过程引起的地下水响应范围超过1000m，基本在1000-1500m左右，随着河岸距离的增加，地下水位呈现梯度递减的趋势。另外，由于地下水渗流速度的限制，地下水位变化存在一定的滞后效应，且随着河岸距离的增加，滞后期逐渐增加。其中，在河岸50-300m范围内，地下水位变化滞后期一般持续到地下水补给后的1-2个月内;而对于500-1050m范围内，滞后期较长，一般在3个月以上。　　(2)线性化的Boussinesq方程的解析解对瞬态补给阶段地下水位变化具有较好的模拟结果。通过瞬态补给阶段解析模型与数值模型及实测值对比分析，结果表明:在不同时间尺度上，基于解析模型得到的地下水位变化拟合结果与数值模型模拟结果和实测值均有较好的一致性，没有明显的偏差。通过参数敏感性分析表明，解析模型具有较好的稳定性和收敛性，能较好地估计瞬态补给阶段地下水位的变化。　　(3)综合考虑多阶段地下水补给过程中地下水扩展补给效应及地下水位波动响应滞后效应的改进的解析模型，在多年地下水位波动变化研究中得到了较好的拟合结果。将改进的解析模型应用于塔里木河下游多阶段地下水补给研究，结果表明:在不同监测断面，与改进前解析模型模拟结果相比，改进后的解析模型得到的地下水位多年变化模拟结果与观测结果吻合得更好。在多阶段补给条件下，NSE和R2值均显著增加，模拟值与实测值具有较好的拟合优度和一致性，改进后的解析模型得到了较高精度的结果。　　(4)随着多年间歇性生态输水的持续，河岸带地下水位抬升的同时，生态也逐渐恢复，然而不同河岸距离生态响应特征存在一定差异。通过塔里木河下游多年植被变化趋势分析，结果表明:由于干旱区植被在不同水分环境条件下自我调节策略，在河道断流阶段，短期内地下水位下降对植被变化影响较小，随着水分胁迫的持续，植被将出现衰败现象。在河道输水阶段，随着地下水位的抬升，河岸带逐渐达到植被生长所需地下水埋深条件，以输水河道为中心，河岸植被覆盖度逐渐增加。其中，随着河岸距离的增加，植被覆盖度由中、低水平向无植被变化，近河岸位置形成了以稀树林、草地或沙生灌丛向裸地、沙地或戈壁过渡的空间分布格局。　　(5)由于多阶段地下水补给过程的变化，自2009至2017年，河岸地下水蒸发量呈现“增-减-增”变化。研究结果表明:随着多阶段输水过程的持续，近河岸位置地下水埋深逐渐减小并且植被覆盖度逐渐增加，导致地下水蒸发量也逐渐增加。在现有地下水埋深条件下，多年平均地下水蒸发量为乔木类植物＞灌木类植物＞草本植物＞裸地。

关键词：间歇性输水数学模型地下水位模拟生态响应地下水蒸发

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基于CNN-GAN耦合网络的地下水位模拟

基于CNN-GAN耦合网络的地下水位模拟

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作者：陈威西北农林科技大学

学位级别：硕士

地下水是一种重要的淡水资源,其开采量占全球用水量的33%以上,全球灌溉用水50%以上为地下水。随着气候变化和人类活动等影响的加剧,区域地下水动态影响因素日益复杂,地下水位动态模拟预测难度不断增加。模拟预测区域地下水位时空变化是... 详细信息

地下水是一种重要的淡水资源,其开采量占全球用水量的33%以上,全球灌溉用水50%以上为地下水。随着气候变化和人类活动等影响的加剧,区域地下水动态影响因素日益复杂,地下水位动态模拟预测难度不断增加。模拟预测区域地下水位时空变化是制定科学合理的地下水开发利用和保护方案的重要前提,可为地下水资源可持续高效安全利用提供重要技术支撑。传统的基于物理过程的地下水模拟方法,需要大量的气象、水文地质资料等,需要建立在对地下水系统及其补、径、排规律有清晰认识的基础上,在缺资料和资料不够丰富的地区应用存在极大挑战,且在应用过程中存在数据搜集和建模周期长、可移植性差、难以利用高时空分辨率的多源遥感数据等问题。基于数据驱动的深度学习模型,可以在一定程度上弥补物理模型的不足,在水文地质资料等缺乏的地区存在具有较大的应用价值,但需要长系列、代表性强的资料来进行网络训练和结构的调整。本研究基于深度学习算法,构建CNN-GAN耦合网络模型开展地下水位模拟研究,可以丰富地下水模拟方法,为地下水可持续开发利用和保护提供技术支撑,具有重要的理论意义和应用价值。本文通过开展渗流槽室内控制性试验生成大量高时空精度的数据,对比了CNN-GAN耦合网络模型和MODFLOW数值模拟模型的模拟效果,进一步评价了不同训练数据长度对CNN-GAN耦合网络模型模拟性能的影响,在此基础上将其应用于广饶县平原区某项目区地下水位模拟,基于Flo Py批量生成地下水位动态数据,评估了耦合网络模型解决实际问题的能力。获得以下主要结论:(1)基于室内控制性试验获得了大量高时空精度的地下水位观测数据,分别利用MODFLOW数值模拟模型和CNN-GAN耦合网络模型进行模拟。结果表明MODFLOW模型和CNN-GAN耦合网络模型的模拟效果良好,其中MODFLOW模型的R和RMSE值分别为0.89和1.57,CNN-GAN耦合网络模型的R和RMSE值分别为0.96和0.62,耦合网络的模拟结果比MODFLOW模型的模拟结果更好。(2)设置固定测试长度为200和固定数据分割比例为3:1:1两套方案,定量评估了数据长度对CNN-GAN耦合网络模型模拟性能的影响。分别构建了数据量为600、800、1000、1200和1395五种情景的模拟模型。五种情景下固定测试长度方案的R均值依次为0.59、0.80、0.90、0.92、0.96,RMSE均值依次为2.13、1.52、1.11、0.97、0.88;固定数据分割比例的R均值依次为0.63、0.82、0.93、0.96、0.97,RMSE均值依次为2.50、1.75、1.03、0.86、0.69,结果表明模拟性能随数据长度的增加而增强,但当数据量超过1000左右后对模型模拟效果的提升明显下降。(3)将本研究构建的CNN-GAN耦合网络模型应用于广饶县平原区某项目区地下水位模拟,评估了耦合网络模型解决实际问题的能力。利用项目区仅有的2019-2020两年的实测地下水位资料,基于GMS构建了MODFLOW数值模型,将其导出后采用Flo Py生成长系列水位模拟数据,增加构建网络模型可用的数据量,并按3:1:1的比例划分训练集、验证集和测试集。结果表明耦合网络模型的水位模拟精度指标R和RMSE均值分别为0.94和0.12,表明CNN-GAN耦合网络模型能有效模拟项目区的地下水位,可以进行水文地质资料缺乏地区的地下水位模拟。

关键词：地下水位模拟 MODFLOW 深度学习 CNN GAN

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基于图神经网络的地下水位动态模拟模型

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水文 2025年第1期45卷 30-36页

作者：许明家孙龙李爽鲁程鹏水利部信息中心北京100053 河海大学水文水资源学院江苏南京210098

地下水位的模拟精度在可持续的地下水资源利用和管理中起着重要的作用。机器学习方法可以捕获输入变量和目标变量之间的非线性关系,在地下水位模拟中得到了广泛的应用。然而,传统的机器学习方法没有考虑站与站之间的空间关系。本文使用... 详细信息

地下水位的模拟精度在可持续的地下水资源利用和管理中起着重要的作用。机器学习方法可以捕获输入变量和目标变量之间的非线性关系,在地下水位模拟中得到了广泛的应用。然而,传统的机器学习方法没有考虑站与站之间的空间关系。本文使用图神经网络(GNN)模拟地下水位动态变化,以地下水水位监测站为节点,通过邻接矩阵连接节点;选择河北省典型漏斗区的监测数据对模型进行应用和评价。与三个对照模型:随机森林(RF)、支持向量机(SVR)和多层感知机(MLP)相比,所提出的模型在所定义的评估指标方面均表现更好。此外,所提出的模型可同时模拟建模系统中所有监测站的地下水位变化,相比单站模型具有更高的数据利用率。

关键词：地下水位模拟图神经网络非平稳时间序列

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多年冻土区冻结层上水动态及模拟——以青藏高原风火山流域为例

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山地学报 2025年第1期43卷 28-45页

作者：邹禧王根绪吴碧琼宋春林郭林茂李金龙四川大学水利水电学院成都610065 四川大学山区河流保护与治理全国重点实验室成都610065 中国长江电力股份有限公司湖北宜昌443002

冻结层上水是寒区冻土水文循环的关键层,揭示其动态演变规律,对认知冻土区地下水运移机制及精准预测具有重要科学意义。然而,由于多年冻土区原位监测数据的匮乏,以及非线性适应型水文过程模型构建的缺失,冻结层上水动态时空预测精度难... 详细信息

冻结层上水是寒区冻土水文循环的关键层,揭示其动态演变规律,对认知冻土区地下水运移机制及精准预测具有重要科学意义。然而,由于多年冻土区原位监测数据的匮乏,以及非线性适应型水文过程模型构建的缺失,冻结层上水动态时空预测精度难以满足科学研究和工程实践需求。本研究以青藏高原风火山小流域(海拔4063~5398 m)为典型研究区,基于2021-2023年原位观测气象数据(精度±0.1℃/±0.1 mm)、逐日土壤水热(精度±1℃/±0.03 m^(3)·m^(-3))及冻结层上水位(精度±0.14 cm)原位监测数据,揭示坡面尺度冻结层上水动态的水热时空协同机制;集成气温、降水、土壤温湿度和初始水位等多要素,构建及评估基于长短期记忆神经网络(LSTM)的冻土水文预测模型的适应性。研究发现:(1)冻结层上水动态具有显著季节分异特征,其水位波动(年变幅0~1.53 m)与活动层土壤温湿度呈现一致性,基于Boltzmann函数的平均拟合优度为0.90。(2)所构建的基于LSTM方法的冻结层上水位预测模型(学习率0.002)在坡面多梯度验证中表现出卓越性能,平均纳什效率系数(NSE)为0.83,证实模型具备复杂冻土水文过程的解析能力。(3)模型敏感性分析表明,在仅采用气温、降雨和初始水位作为输入的基准情景下,模型仍能维持0.72的NSE值,土壤温湿度参数的引入使模拟精度平均提升8.9%,这为数据稀缺区提供了可靠的简化预测方案。本研究提出的多要素耦合建模方法,克服了传统水文模型的物理机制限制,可以为多年冻土区水资源管理与生态水文系统稳定性提供可靠的技术支撑。

关键词：多年冻土冻结层上水土壤温湿度地下水位模拟 LSTM

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废弃矿井酸性水成因分析及回填治理研究

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地下水 2024年第6期46卷 29-30,59页

作者：黄琬云李晓西南交通大学希望学院四川成都610400 成都理工大学四川成都610000

废弃矿井、闭坑矿山中持续产生的酸性水,具有低pH、高浓度硫酸盐以及重金属含量的特点,给生态环境和人体健康安全都带来极大危害。尽管目前对于酸性水治理研究成果较多,但长效性和稳定性仍不够成熟。介绍了矿井酸性水成因,结合水文地质... 详细信息

废弃矿井、闭坑矿山中持续产生的酸性水,具有低pH、高浓度硫酸盐以及重金属含量的特点,给生态环境和人体健康安全都带来极大危害。尽管目前对于酸性水治理研究成果较多,但长效性和稳定性仍不够成熟。介绍了矿井酸性水成因,结合水文地质条件划分氧化带、过渡带和还原带,明确矿井酸性水形成的高发区。通过回填技术精准封堵氧化带,以一废弃矿山老窿硐模拟预测回填效果,结果可见,30 d老硐区水位抬升8.32 m, Fe离子迁移浓度从3.75 mg/L降至0.198 mg/L。表明针对性封堵回填是减少废弃矿井酸性水的有效方法之一。

关键词：酸性矿井水地下水回填治理地下水位模拟溶质运移

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