三峡水库蓄放水对地壳形变影响的计算分析

利用资源三号(ZY-3)高分辨率多光谱遥感影像提取了三峡库区江河湖库水体数据,结合水位数据,通过负荷格林函数积分模型法模型计算出三峡水库蓄放水导致水位升降的过程中水体对地壳垂直及水平形变的影响。研究发现:(1)以1a为周期,三峡库区库岸及长江近岸地壳垂直及水平形变的趋势与水库的蓄放水时期对应;(2)三峡水库放水期间水位下降,水库库岸及长江近岸地面水平向内形变,方向指向江心,反之向外形变;蓄水期间水位上升,地面下降,反之地壳回弹。     

三峡水库蓄水对地壳形变及大地水准面的影响

利用资源三号(ZY-3)高分辨率遥感影像提取三峡库区水体数据,通过负荷格林函数积分模型法计算出三峡水库蓄水过程中水体对地壳形变及对大地水准面的影响。研究发现:1三峡库区近岸地壳垂直形变与水库水位呈负相关关系,大地水准面与水库水位呈正相关关系;水位上升,长江近岸地面水平向内形变,方向指向江心;2三峡水库蓄水造成的地壳垂直形变最大可达35mm左右,大地水准面形变最大值在8mm左右,而对库区地壳水平形变影响不超过0.5mm;3出现形变最大值的地点是忠县环湾一带,而并非是三峡大坝周边。     

三峡库水位变化过程中的地壳垂直形变与重力变化监测

监测三峡库水位变化过程中的地壳垂直形变和重力变化,对三峡水库的安全运行和区域地质灾害监测防治等具有重要意义。本文从直接计算、实际测量和综合解算3个方面研究了三峡库水位变化过程中地壳垂直形变和重力变化。基于资源三号卫星影像提取的水体数据,结合水位数据,直接计算了三峡水库蓄放水从145~175m每隔5m的影响,地壳垂直形变最大可达30mm,对重力影响超过20μGal(1Gal=10~(-2) m/s~2)的范围距离长江中心线约2km内。库区较近的巴东CORS站(ES13)能够实际测量到库水位变化过程中的地壳垂直形变。由于目前三峡库区的CORS站和重力台站数量较少,分布不均,还不能满足紧密跟踪三峡库水位变化过程中的监测需求。利用三峡地区26座CORS站和部分重力台站数据,基于负荷形变理论和球谐分析方法,综合解算了库水位变化过程中的地壳垂直形变和重力变化,与实际CORS监测结果一致。通过对比分析发现,基于CORS站网的综合解算,能够有效提升对库水位变化过程中的地壳垂直形变和重力变化的监测能力。     

基于SRTM-DEM数据的三峡库区蓄水负荷模型及其地表重力与形变响应模拟

以三峡库区蓄水负荷变化为切入点,研究了库区因蓄水导致的地表重力与形变响应。通过高分辨率SRTM-DEM数据与三峡库区主干道及各支流边界的地形对应关系,构建得到不同蓄水水位下的蓄水负荷模型,并且给出了不同水位与库区整体库容量体积及受淹面积之间的数学拟合关系。在此基础上,结合弹性负荷响应理论及macson拟合方法,计算得到整个库区在蓄水第2阶段与第3阶段地表重力场及形变场的空间分布,以及库区蓄水库容量变化的60阶次球谐系数结果,并与GRACE监测结果进行了对比分析。GRACE去除CLM4.5模型后的陆地水储量可认为与三峡库区蓄水变化直接相关,两者之间的差异可能包含了在巨大水体负荷压力下出现的地下水渗透效应。本文理论模拟结果以期为实际观测资料的对比分析和相关校正提供支撑。有助于挖掘库区滑坡活动及水库地震等与库水负荷变化之间的关系。     

利用交叉小波技术分析三峡水库蓄排水过程对库区降雨量的影响

三峡大坝蓄水过程对邻近区域气候的影响一直是国内外学术界广泛关注的热点问题。三峡大坝从2003年投入使用至今，水位从66 m上升至175 m，经历了3个蓄水阶段，为观测水库水位与库区降雨量相关性提供了极佳的窗口期。为了精准分辨两者在多周期多尺度的相互影响，基于三峡库区的4个国家气象观测站的历史逐日降雨数据和三峡蓄排水过程水位变化数据，进行交叉小波分析，提取能量谱、凝聚谱和相位谱，展现两类数据时频域多尺度的相关细节。结果表明，三峡大坝蓄排水过程对库区降雨有影响，第一期蓄水期最明显，表现为库区降雨年周期性相对减弱，高频模式增强；历史数据表明库区降雨主要表现为1.0 a主周期和2.0 a、4.0 a等多个次长周期；三期蓄水之后，库区降雨量的1.0 a主周期没有改变，而多个次长周期特征变化明显。交叉小波相位谱揭示水库蓄排水过程对库区降雨的人工调节和自然调节影响，前者表现为水位变化与降雨1.0 a主周期的完全反相，明显不同于蓄水之前的同相特征；后者表现为高频分量（1/128~1/32 a）的反相特征，其规模效应随大坝建成而增强。值得关注的现象是巴东站与荆州站的降雨存在3.5 a次长周期的反相特征，可能是大坝蓄水后改变了水循环的范围。     

多光谱遥感影像在长江水位监测中的应用

人类社会生活、生产活动与江河水位变化密切相关。河道水位监测系统可以实时掌握河道水位的变化情况,是科学预警水情隐患、保障港口及航运安全、提升防汛抗旱能力的重要手段。本文对长江局部水域面积与水位观测值之间的相关性进行了研究,并建立了回归方程;最终利用多光谱遥感影像提取出长江水域面积,并应用该回归方程进行长江水位的推算。结果表明,该方法能够为江河、湖泊、水库等水体的水位监测提供一种简便可行的估算方法。     

三峡库区垂直形变有限元模拟分析

基于SRTM3-DEM数据,利用ANSYS软件自底向上地建立了三峡库区有限元模型。模拟了三峡水库蓄水至135,156和175 m时的垂直形变场,主要形交区域为香溪口、坝址处和巴东段。通过分析可知,垂直形变主要由水体荷载引起,影响范围为距库岸20 km,地层深度为17 km。结合地质资料发现:坝址两端地质构造相对稳定,香溪口附近较复杂。     

基于激光测高数据的丹江口水库水位变化监测

针对多源星载激光测高数据监测湖泊水位变化问题,该文选取2003—2009年ICESat/GLAH14全球地表高程数据、2018年10月—2019年8月的ICESat-2/ATL13全球内陆水体高程数据,提取丹江口水库多期水位变化数据,最后利用水位站实测水位对其准确度进行了验证,并分析了丹江口水库年度水位变化规律。结果表明,丹江口水库水位呈现明显的季节性变化,每年11月达到较高水位,3月降至较低水位;由ICESat/GLAH14数据估算水库水位的精度为16 cm,ICESat-2/ATL13数据集估算水库水位的精度达到10 cm。因此,ICESat-2/ATL13数据用于内陆水体水位变化监测具有很高的可行性。     

黄土高原重要水库水位变化的ICESat/GLA14监测

为了基于ICESat/GLA14测高数据对黄土高原重要水库水位变化进行动态监测,该文首先利用Landsat 8遥感影像提取黄土高原的水体边界,并参考ICESat/GLA14数据的分布状况在黄土高原东部选取了册田水库,中部选取了文峪河和王窑水库,西部选取了刘家峡、寺口子和沈家河水库;然后以10cm为阈值对ICESat/GLA14数据进行筛选,从而获得了所选水库水位长时间序列的动态变化;最后将册田和文峪河水库的ICESat/GLA14测量水位与实测水位进行比较,验证ICESat/GLA14监测水库水位变化的准确性。研究结果表明:东部水库水位呈明显下降趋势;中部水库水位在2005年5月明显下降,其后逐渐恢复,整体呈下降趋势;西部水库水位变化不大;ICESat/GLA14测量的水库水位变化与实测水位变化基本一致。     

2009-07-22湖北地区日全食期间的重力观测

利用武汉市九峰站CWR C032型超导重力仪和沙洋地区的Lacost G型、ET型弹簧重力仪,对2009-07-22发生在长江沿线的日全食进行了重力观测。首先,对超导重力仪在日全食期间的观测数据扣除重力固体潮汐及气压影响后,分析其幅度变化,没有发现日全食期间及前后出现幅度异常的＂重力谷＂。同时,对G型和ET型重力仪观测数据采用数字滤波器法及多项式拟合重力潮汐法扣除固体潮汐影响后,同样也没有发现日全食期间及前后出现幅度较大的异常。重力实测数据处理和分析表明,2009年日全食期间并未发现＂重力谷＂现象。     

长江三峡水库蓄水对断层活动的影响

分析了位于仙女山断裂带的湖北省秭归县周坪站倾斜仪2002~2009年的观测数据,并与三峡库区水位资料进行了对比分析,结果发现,蓄水前后倾斜仪观测曲线的走向发生了趋势性变化,表明三峡蓄水对附近的断层活动有影响,蓄水期间的短期荷载变化引起的响应更为显著,但蓄水效应没有从根本上改变断层的活动性质;还发现3次大的蓄水期间,水位上升量与观测曲线的上升量成相同比例的对应关系,进一步说明,周围断层对三峡蓄水引起的荷载变化响应明显,不同的荷载变化引起断层活动变化的程度不同。     

三峡库区“阶跃”型滑坡变形机理与预警模型

自2003年蓄水以来,三峡库区已查明的滑坡或潜在滑坡高达5000余处,这些灾害对三峡水库的持续运营、大坝、航道及库区居民的安全造成了严重的威胁。通过研究滑坡的变形特征、诱发因素及失稳机制,有助于开展滑坡的稳定性评价,并构建预警预报模型。以三峡库区八字门滑坡为研究对象,综合分析降雨、库水位、人工和自动GNSS监测等数据,结合勘查资料及野外宏观巡查,研究了滑坡的变形特征及失稳机理,并确定合理的预警判据及阈值。研究表明:①八字门滑坡整体变形明显,处于蠕动变形阶段,滑坡变形主要集中于每年5—9月,滑坡累积曲线呈现典型的“阶跃”状变形特性。②滑坡的变形受斜坡结构、岩性等因素的控制,水库水位下降是滑坡变形的主要驱动因素,并与库水下降速率正相关。另外,特大暴雨和持续降雨在水位下降阶段、水库低水位运行期及水位上升期会促进滑坡变形,是滑坡的次要驱动因素。③通过精细化数据分析以及改进切线角法获取的八字门滑坡出现“阶跃”变形的位移速率阈值为4.6 mm/d,7 d累积降雨量阈值为60 mm,库水位阈值为159 m,库水位下降速率阈值0.4 m/d。     

利用CORS站网监测三峡地区环境负荷引起的地壳形变与重力场时空变化

受地球动力学因素特别是地球表层大气、地表水及地下水动力环境影响,地面站点位置、地球重力场及大地水准面随时间变化。以三峡地区CORS站网为主,少量重力台站为辅,采用负荷形变与地球重力场严密组合方法,综合确定了2011-01-2015-06三峡地区环境负荷驱动的地壳形变与重力场月变化,结果显示:（1）CORS站网具备地壳垂直形变、大地水准面及地面重力变化的监测能力;（2）三峡地区地壳垂直形变年变化幅度36.1 mm,大地水准面年变化幅度28.2 mm,地面重力年变化幅度117.4 μGal;（3）CORS站网地面重力变化监测精度水平不低于流动重力场重复测量;（4）CORS站网地壳垂直形变与地面重力变化监测具有一定的外推预报能力。     

三峡库区蓄水后地壳垂直变形场的模拟与分析

基于三峡库区DEM及现有GPS站点位置坐标数据,建立了三峡库区有限元网格模型,采用弹性有限元分析方法模拟计算水库蓄水至135 m1、56 m和175 m时库区地壳的垂直形变场;随后根据Farrell提出的质量负载原理产生的地壳形变理论计算库区蓄水至135 m时的库区垂直形变场;通过两种模拟方法对比可以看出变形等值线圈都包络河谷线,变形最大处都出现在香溪段,同时区域沉降是一个综合地质作用,水体的重力作用是主要诱因。     

Prediction of surface horizontal displacements, and gravity and tilt changes caused by filling the Three Gorges Reservoir

 Horizontal displacements, and gravity and tilt changes induced by filling the Three Gorges Reservoir are modeled using elastic loading Green functions. When the water surface reaches its highest level, the effects become maximum on the reservoir banks. The longitudinal and latitudinal components of the horizontal displacements reach −8.2 and 7.7 mm respectively, gravity is increased by up to 3.4 mGal, and the prime vertical and meridian components of the tilt changes are −7.8 and −17.5 arcseconds respectively. Accordingly, the filling of the reservoir will influence values observed from global positioning system (GPS), gravimetry and tilt measurements in the area. The results given can be used to provide important corrections for extracting earthquake-related signals from observed data. Received: 19 January 2001 / Accepted: 3 September 2001     

Changing landscape in the Three Gorges Reservoir Area of Yangtze River from 1977 to 2005: Land use/land cover,vegetation cover changes estimated using multi-source satellite data

The eco-environment in the Three Gorges Reservoir Area (TGRA) in China has received much attention due to the construction of the Three Gorges Hydropower Station. Land use/land cover changes (LUCC) are a major cause of ecological environmental changes. In this paper, the spatial landscape dynamics from 1978 to 2005 in this area are monitored and recent changes are analyzed, using the Landsat TM (MSS) images of 1978, 1988, 1995, 2000 and 2005. Vegetation cover fractions for a vegetation cover analysis are retrieved from MODIS/Terra imagery from 2000 to 2006, being the period before and after the rising water level of the reservoir. Several analytical indices have been used to analyze spatial and temporal changes. Results indicate that cropland, woodland, and grassland areas reduced continuously over the past 30 years, while river and built-up area increased by 2.79% and 4.45% from 2000 to 2005, respectively. The built-up area increased at the cost of decreased cropland, woodland and grassland. The vegetation cover fraction increased slightly. We conclude that significant changes in land use/land cover have occurred in the Three Gorges Reservoir Area. The main cause is a continuous economic and urban/rural development, followed by environmental management policies after construction of the Three Gorges Dam.