基于LSTM与Transformer的地面沉降智能预测方法研究——以上海市为例

受地面沉降严重威胁到生命财产安全的人口已达19%,开展地面沉降模拟预测对防灾减灾具有非常重要的现实意义。针对现有地面沉降预测在模型参数难以获取、单一深度学习方法在预测精度低等方面的局限性,本文提出了集成大模型核心技术的地面沉降预测方法。首先,从地面沉降模拟预测的顶层设计,提出了基于深度学习的地面沉降预测包括算力层、数据层、模型层、评估层与应用层的总体架构;其次,基于LSTM与Transformer提出了地面沉降预测的实用方法;最后,利用上海的地面沉降数据进行了实验研究。结果表明：深度学习技术可以在地面沉降模拟预测中取得较好的结果,多模型法对地面沉降变化不大、回弹、变化较大均可进行预测,iTransformer模型对地面沉降变化较小的情况预测效果较好;在微量地面沉降时代,利用大模型的核心技术Transformer可以取得较高的精度。     

广饶县地面沉降成因及预测分析

地面沉降是指由于自然因素或人类工程活动引发的地下松散岩层固结压缩,并导致一定区域范围内地面高程降低的地质现象,是一种缓变性地质灾害。广饶县地处东营市南端,根据2004—2016年地面沉降监测资料,其沉降中心累计沉降量已超过了1 500mm,最大沉降速率超过70mm/a,属地面沉降强发育。通过对地面沉降发生、发展规律和引发地面沉降的成因进行了分析,并在现状条件下对地面沉降趋势进行了预测分析。     

矿区地面沉降预计方法与应用前景分析

 地下矿产资源开采引起的地面沉降是世界上各矿产资源大国共同面临的一种严重环境问题,我国也不例外。随着世界范围内矿产资源消耗量的急剧增长,这种问题将日益突出。为了尽可能减轻由地下矿产开采引起的地面沉降,对地面基础设施的损害与自然环境的破坏,对地面沉降进行精确预计显得尤为重要。本文首先对国内外地下矿产开采引起的地面沉降主要预计方法的特点及适应性,进行了系统地分析与总结。在此基础上,作者依据各自的适应性,将地面沉降预计方法分为两大类:(1)对地面沉降空间分布规律的预计;(2)对地面沉降时间变化规律的预计。进而,提出了未来地面沉降预计中切实可行的研究方法与内容,主要包括:(1)对具体地质采矿条件下地面沉降规律的预计研究;(2)对地面沉降预计的时空统一问题的研究;(3)地面沉降预计与实地监测的一体化的研究。最后,作者分析了地下矿产开采引起的地面沉降预计前景。     

城市化进程下北京平原渗流场与地面沉降发展演化模拟

北京地面沉降已有60多年的历史,其发生发展与半个多世纪城市的快速扩张密不可分.从整个北京平原地下水系统出发,梳理多年时间序列(1950-2015年)的城市发展规模、人口、水资源及开采动态等数据,结合遥感技术解译不同年代北京平原的不透水面变化,分析其对降雨入渗补给量的影响;构建整个北京平原含水层-弱透水层三维结构系统,借助PMWIN软件建立区域尺度的地下水流-地面沉降耦合模型,利用长期水位及沉降观测数据对模型进行识别验证;开展长时间序列的北京平原地下水水头场与地面沉降演化模拟,研究快速城市化进程下北京平原多层含水层系统渗流场演变与地面沉降响应特征.研究表明:长时间尺度区域地下水流场-地面沉降演化模拟基本再现了地面沉降形成和发展演化的过程;北京地下水开采历史与地面沉降发展历史具有一致性,而不同沉降区地面沉降发展受地下水开采和城市发展双重控制,是二者综合作用的结果.     

西安市地面沉降发展趋势的灰色系统预测

西安市地面沉降已经对人们生活造成危害,因而日益受到人们的关注、本文将西安市地面沉降过程看作是一个灰色过程,地面沉降量被看作是一个灰变量,采用灰色系统理论中的GM(2,1)模型,对到本世纪末西安市地面沉降的发展趋势进行了预测。结果表明,到本世纪末,八府庄、长安环1、胡家庙、沙坡和草场坡将继续加速沉降,其中前二者的速率将达到350～360mm/y,胡家庙、沙坡的沉降速率将达到210mm/y,草场坡的沉降速率将达到100mm/y;金花饭店、小寨、西工大、导370的沉降速率将变慢,除金花饭店的沉降速率将降至78.8mm/y外,其余地点的沉降速率都将降下10～20mm/y。此外,还讨论了GM(2,1)模型对预测西安市地面沉降的适合性。     

西安市地面沉降探讨

本文在讨论西安市地面沉降特征的基础上,论述了西安市地下水开采量、承压水位变化与地面沉降三者之间在时间和空间上的对应关系,初步认定大量开采地下水是地面沉降主要原因。典型水准点沉降量与邻近自备井承压水位变化相关分析表明,两者间相关性极强。经综合分析市区地貌、第四系地质、工程地质和水文地质特征并进行工程地质分层后,可确定出市区地面沉降的第一和第二主要压缩层。据地面沉降与承压水位下降值回归方程所预测的地面沉降发展趋势表明,西安地面沉降今后还会继续发展,将对西安城市建设产生严重影响,故应采取相应治理措施。     

略论抽取地下水而导致地面沉降的研究现状及其发展

本文在综合近年来国内外地面沉降研究资料的基础上,分析了由于抽汲地下水而导致的地面沉降的机理、成因研究、地面沉降的各种计算和预测方法以及防治措施,认为由于地下水位下降引起的变形土体,其微结构、流变性、模型实验以及数学方法的应用等研究是地面沉降研究的进一步发展方向。     

西安地面沉降与地裂缝的关系

地面沉降与地裂缝是西安市的环境工程地质的严重问题之一。本文在大量的实际资料的基础上,分析了西安市基础地质环境,确定了不同微地貌单元的地质结构差异,进行了工程地质分层。在地下水大量开采情况下,对地下水位、地面沉降、地裂缝在时间、空间和运动方式上变化特征的分析表明:巨厚松散第四系是西安市地面沉降、地裂缝发展的物质基础,大量开采地下水是地面沉降的主要外因,地质构造作用是地裂缝发生的基础,抽水引起的土层变形对地裂缝的发展起着加剧作用     

青岛市黄岛区潮河水源地地下水数值模拟

在分析研究青岛市黄岛区潮河流域水文地质条件基础上,建立了水文地质概念模型和地下水流数值模拟模型,利用地下水水位动态监测资料对模型进行了识别,并预测了三枯一丰一平条件下地下水最大开采量以及水位、降深分布情况。结果表明,模型验证拟合结果较好,地下水最大开采量为2.4万m3/d,地下水开采不会引起地面沉降、海水入侵等问题。     

地下水开采诱发地面沉降研究及其工程应用:以山东德州地区为例

地下水开采诱发的不良环境及地质问题日益凸显,其中地面沉降致灾问题已广受关注。华北平原山东区是若干地面沉降显著区之一,地下水开采是其主要诱发因素。针对地面沉降问题,以华北平原德州区为典型工程背景,采用水文地质工程地质与岩土力学相结合的方法,通过现场及室内试验,在获得研究区岩土力学参数的基础上,建立流固耦合数值模型,对研究区地面沉降的历史进行重演,对地面沉降的发展趋势进行预测。在获得研究区流场及地面沉降基本规律的基础上,提出减少地下水开采量、定期回灌地下水、调整开采井开采层位及开采井平面布局等工程措施进行地面沉降控制,并采用建立的数值模型从定量分析角度评价这些措施的效果。     

东营市地面沉降模型的构建与应用

东营市是山东省内重要的沿海经济开发区,近年来地面沉降灾害制约了东营市的经济社会发展。构建三维地面沉降模型可以实现东营市地面沉降监测资料的信息化、可视化。根据东营市地质条件及矿产资源赋存层位,将三维地质结构模型的标准分层分为13层;而后收集了东营地区深钻540个,深度均在2 000 m及以上,其中有82个能够达到4 000~5 000 m甚至更大深度,按照标准分层,对所有钻孔进行标准化处理,并进一步利用Mapgis K9软件建立了三维地质结构模型,首次实现了以矿产资源层位划分为依据的大深度的东营市三维可视化地质结构模型模拟分析。同时,结合东营市19座地面沉降监测站数据,构建了地面沉降模型,首次实现了地面沉降的动态预演及监测,为东营市地面沉降评估与防治提供了科学依据。     

近场动力学理论在区域地面沉降建模中的应用研究

地面沉降是由自然和人类活动共同作用导致的缓变性地质灾害,是区域可持续发展的重要影响因素。以往地面沉降在建模时需要地裂缝等不连续结构的位置、走向、深度等信息,在构建微分方程模拟时需假设模型连续,这对开展地面沉降-地裂缝-地面塌陷一体化模拟带来一定的局限性。于2000年出现的近场动力学理论提出以积分形式描述材料受力过程,方法具有无需先验知识与连续性假设的优点,在材料的疲劳、损伤、断裂等模拟研究中展现出良好的应用前景。本文综述了其在岩石水力压裂、滑坡、饱水岩土材料等领域的研究进展;提出了应用近场动力学进行区域地面沉降建模求解的一般方法;结合InSAR技术获取的沉降信息、三维地震频谱谐振勘探技术获取的地下结构与密度信息等,提出了模型的反演调参与优化方法。以北京东部梨园-台湖镇-张家湾镇区域为实验区,建立了其4 km×6 km范围、0.2 km深度的近场动力学地面沉降模型,以实验区地下水位月均下降速率为边界条件,对2007—2010年地面沉降过程进行模拟。模拟结果与实测值的平均绝对误差为18 mm,表明近场动力学在地面沉降建模中有较好的适用性。     

黄河三角洲生态区孔隙热储地热开发对地面沉降的影响分析

黄河三角洲地区地热资源丰富,热储类型以孔隙热储为主,开采潜力巨大。同时黄河三角洲地区由于成岩差、土层新,地热开发引发的地面沉降问题逐渐引起人们的重视。研究表明:现状条件下,黄河三角洲地区地面沉降以地层(土体)自然固结与地面建筑物载荷有关,地热开发对地面沉降影响微小,南部的广饶地区过量开采地下水是引起地面沉降的主要原因。     

嘉兴市地下水资源开发区域规划

本文通过区域水文地质条件、地下水动态及环境地质问题的分析研究,针对当前嘉兴市地表水遭受污染,地下水严重超采,造成区域地下水位下降及地面沉降等环境地质问题,利用长期监测资料进行地下水开来资源评价,提出合理开发利用地下水资源的区域规划意见,为政府部门水资源综合规划、确定地下水开采量、实施地下水资源开发利用监督管理提供了科学依据。     

鲁北深部砂岩热储开发地质环境变形效应研究

山东省深部砂岩热储资源丰富,热储开发利用对区域经济社会发展具有重要促进作用。但如果不注重深部热储的适度、有序开发,超出其临界量后可能会引发区域地面沉降等不良地质环境问题,因而,研究深部砂岩热储开发引发的地质环境变形问题意义重大。本文针对山东省鲁北典型深部砂岩热储区热储开采的地质环境影响问题进行深入研究,确定了开采量、开采层位等因素导致的热储层沉降量,分析了热储层沉降对该区地面总沉降的贡献。对深入认识鲁北地区深部砂岩热储的地质环境效应,合理开发深部热储资源提供借鉴与依据。     

应用升降轨SBAS-InSAR技术监测昆明市地面沉降

将SBAS-InSAR技术应用于昆明主城区地面沉降监测,单独处理同一地区2014~2017年的29景升轨和32景降轨Sentinel-1A、1B数据。在升降轨模式下进行数据处理与精度验证,结果表明两种模式下所得到研究区域的平均沉降速率和时序分析基本保持一致。研究发现昆明市沉降漏斗主要位于居民区、地铁、道路、高速公路、以及滇池区域,最大年均沉降速率可达-38.975 mm/a,累积沉降量达到89 mm。研究表明,昆明市地面沉降主要由于近几年城市化建设和轨道交通建设的飞跃发展,导致居民区和交通网络密集,地面载荷增加,地下隧道开挖与地下水开采等问题引起地面软土地层下沉而产生明显的沉降现象。     

北京典型区地面沉降演化特征与成因分析

北京从20世纪50、60年代发现地面沉降以来,其一直呈快速发展的态势。在过去的几十年里,北京市地面沉降的范围和速度逐年增加。本文以北京市典型地面沉降区为研究区,选择永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术所获取的2004-2010年间北京地面沉降信息作为主要数据源,补充水准测量数据（1955-2010年）,从空间分布和时序变化2个角度,分析北京市平原典型区地面沉降演化特征。结合地下水动态监测网数据、土地利用数据,采用GIS空间分析,研究各因素和地面沉降之间的时空响应关系。结果表明,北京地区地面沉降严重区域面积不断扩大,且局部不均匀程度逐渐增加。在研究期内,地下水水位变化在时间和空间上与地面沉降有较高的一致性,地下水超量开采是影响北京地区地面沉降的最主要因素,而城市发展过程中的工程活动也是影响地面沉降时空分布特征的因素之一。研究结果可为北京市地面沉降防控提供一定的科学依据。     

济宁地区采煤塌陷地治理现状及对策分析

济宁市矿产资源丰富，大量的地下矿产资源开采引发了矿区及周边出现了地下采空塌陷、地表沉降、农田损毁等一系列问题，给当地的生态环境造成了严重影响，也限制了当地经济社会的可持续发展。该文主要在归类和分析济宁地区采空塌陷区治理现状和治理模式相关资料的基础上，有针对性地分析探讨了济宁地区塌陷地治理在政策、资金等方面存在的问题，提出了充分发挥规划的统筹作用，进一步加大矿区地质环境立体监测网络的建设，探索推广塌陷地“PPP治理模式”，积极借鉴引黄淤填的经验做法，进一步加大对环保方面的研究，着力发展高效生态治理模式，促进矿产塌陷区多元化发展，为解决当地和类似其他地区塌陷地综合治理提供一定的参考。