大型双三轴气浮定位多道三维地震物理模拟系统及其应用

三维地震物理模拟技术作为一种重要的地震波传播特征的研究手段,与数值模拟相比具有结果更逼真、不受计算方法和边界条件限制等优点,是认识复杂构造地震波传播规律及其响应特征的有效方法之一,并在地震波传播基本规律研究、野外地震勘探方法验证、观测系统设计优化等方面具有重要的应用价值。为此研发一套大型双三轴气浮定位多通道三维地震物理模拟实验系统。该系统包括导轨和传动系统、运动控制系统、定位测量系统、物理模拟数据采集系统及安全系统等5部分,可实现大尺度物理模型高精度定位,多通道、高效率、高信噪比、高分辨率模型超声波信号采集等功能。利用该系统对模拟含断层、陷落柱、煤层变薄带多种构造的含煤地层三维地震物理模型进行数据采集试验,获得的整体成像效果与地震物理模型吻合,验证了该系统的可靠性和准确性。该系统的研制成功为煤炭地震勘探方法理论研究及实际生产应用提供了新的实验技术手段。      

三维地震物理模拟采集技术及其应用

地震物理模拟建立了地震理论方法研究和实际地震勘探相互联系的桥梁,是弹性波场传播规律研究和处理解释方法验证的重要手段,在油气地震勘探领域发挥了重要的理论支撑作用。由于煤田与油气在地震勘探属性上存有较大差异,且国内外在煤田地震勘探领域尚没有建设成专业的自动化地震物理模拟系统。为此,设计研制了适用于煤田地震勘探的大型专业化三维地震物理模拟系统,主要由运动和控制系统、导轨和传动系统、测量系统、采集系统构成。针对该系统的物理模拟采集问题,研发了单坐标系统高定位精度技术和双坐标系统精度统一技术,实现了测量系统的空间定位精度误差不大于7 μm、双坐标系统具备统一的绝对零点坐标的超于预期的研究目标,并且通过含典型构造的煤田地震物理模拟实验,验证了系统的各项功能。      

华南休闲海滩沙坝触发的裂流风险及特征研究

为应对频发的致命性海滩溺水事故,自然资源部开展了我国首次滨海旅游区裂流灾害技术调查,在华南地区发现大量滨海休闲海滩存在浅滩沙坝和裂流现象。作为全国调查的部分成果,本文应用多种方法研究了广东省3个热门海滩沙坝触发的裂流机理、特征和演变规律。地形动力计算和卫星影像显示了沙坝形态、岸线形状以及裂流的高度动态性,尤其在青澳湾裂流呈现非常规的反季节变化,冬季风险较高而夏季风险较低。在相位解析水动力数值模拟中,裂流表现出对沙坝形态、浪高、浪向的高度敏感性。沙坝间较宽间隙会产生尺寸较大的裂流区,但比起窄沟槽不一定伴随更强的流速。当大部分水流集中从邻近的较宽通道回流入海时,部分窄沟槽几乎没有裂流产生。裂流流速与浪高成正比与入射角成反比。数值模拟结果表明,当入射角达到10°～30°时,沿岸流会取代离岸流占主导地位。现场调查也验证了在低潮时,较浅的水深会放大水流和波浪的地形效应,导致裂流风险加剧。本文研究结果可为滨海旅游区裂流灾害的工程减缓措施和公共警示提供有益参考。未来将会持续开展针对特定岸线的长期观测,以为裂流预警报和风险管控积累足够的统计数据。     

低盐度海水中重金属标准物质研制

本文介绍了低盐度海水中5种重金属元素混合溶液标准物质的研究和制备过程。以稀释的大洋海水为基体,用容量法以加标方式制备了低盐度海水中重金属标准物质。各元素统计结果表明样品的均匀性和稳定性良好。经9家具有中国计量认定(CMA)资质的实验室分别采用原子吸收分光光度法、电感耦合等离子体质谱法和阳极溶出伏安法对标准溶液进行分析定值,并用国家标准物质作量值溯源,以分析结果的总平均值作为标准值,标准值及不确定度的结果分别为铜15.2±0.7 μg/L、铅15.3±0.7 μg/L、锌98.9±4.7 μg/L、镉2.02±0.10 μg/L以及铬15.3±0.6 μg/L。该标准物质可用于近岸、河口区低盐度海水重金属分析过程的量值传递和质量控制。     

陇中黄土丘陵沟壑区人工草地土壤水蚀预测模型

针对陇中黄土丘陵沟壑区土壤水蚀过程复杂且难以有效预测的问题,以定西市安家沟水土保持试验站2005—2016年1~12月人工草地径流场试验数据为主要来源,将流域月降雨量、月侵蚀性降雨量、月径流量、月降雨强度、径流场面积、径流场坡度、土壤砂粒含量、土壤粘粒含量8个因子作为输入因子,月土壤水蚀量作为输出,运用偏最小二乘法(Partial Least-Squares Regression,PLSR)和长短期记忆(Long Short-Term Memory,LSTM)循环神经网络建立人工草地土壤水蚀预测模型,并利用BP(Back Propagation)、RNN(Recurrent Neural Network)、LSTM常见神经网络模型,对模型的有效性进行评估。结果表明：PLSR将模型8个输入因子减少为4个,从而有效解决LSTM神经网络模型对样本数量要求过高的问题; PLSR和LSTM神经网络模型的结合可以有效提高模型对人工草地土壤水蚀过程的预测精度和收敛速度,预测结果的平均相对误差小于4%,相关系数高于其他3种神经网络模型,而迭代次数、均方根误差和平均绝对误差均低于其他3种模型;研究发现坡度对人工草地土壤水蚀过程影响较为明显,降雨量小于25 mm时,人工草地土壤水蚀量不会随坡度增加而明显增长,但当降雨量超过25 mm时,人工草地土壤水蚀量会随坡度明显增加。 PLSR LSTM神经网络土壤水蚀预测模型可以准确预测陇中黄土丘陵沟壑区人工草地土壤水蚀量,为该地区水土流失的准确预报提供新的思路和方法。     

如东阳光岛建设对周边海域地形地貌的影响分析

基于近年来阳光岛区域的水下地形数据和定点全潮水文观测资料,从典型断面、等深线、区域等不同角度综合分析了阳光岛建设前后冲淤变化特征,建立了阳光岛建设对周边海域影响的11种响应关系,研究了阳光岛建设对周围地形地貌变化引起的影响,并对其成因进行了初步探讨。研究表明:阳光岛建设前5年（2004-2009年）与建设后5年（2009-2014年）潮流沙脊和潮流通道局部区域的侵蚀淤积状态发生一定的转变,可能与阳光岛建设引起的局部水动力条件发生微变有关,同时发现研究区潮流沙脊有一定的南移趋势,尽管整体上没有改变阳光岛区域的"水道-沙洲"系统,仍需加强对阳光岛周围潮流沙脊及水道进行长期监测和分析研究。     

无人机水禽监测模式的设立原则探讨

无人机水禽监测具有高时空分辨率、高机动性等特性,较传统方法在监测范围、观察视角及数量统计精度等方面均有不同程度质量提升。但因其飞行方式灵活,且在监测水禽过程中与对象物种或集群距离较近,会对其行为等方面造成直接影响。因此,亟需构建合理有序的无人机水禽监测模式。文章使用微型多旋翼无人机（大疆御2 Pro）针对国际重要湿地纳帕海3种集群水鸟：①体长在80~120 cm之间的大型鸟：黑颈鹤（Grus nigricollis）集群;②体长在40~80 cm之间的中型鸟：绿头鸭（Anas platyrhynchos）集群;③体长＜40 cm的小型鸟：骨顶鸡（Fulica atra）集群,通过不同飞行高度、拍摄角度等航拍方式对其进行无人机监测,并对比不同监测方式下,各水禽集群特征识别的差异及特点。文章列举了目前无人机水禽监测中对监测结果产生影响的部分问题,同时也提出了无人机水禽监测的一些原则供参考：1）无人机应尽量轻、小,以避免水禽将其误认为捕食者;2）在不惊飞水禽的前提下,尽量选择较低的飞行高度及合适速度;3）抵近水禽集群时,保持操作平顺与平稳,减少无人机状态突变;4）尽量减少无人机抵近水禽的时长,长时间监测应使无人机保持在水禽集群警戒距离之外,使用长焦镜头;5）因不同物种在不同时段、不同生境条件下对干扰的响应不同,因此无人机水禽监测时段和监测区的选择,应建立在对监测对象充分了解的基础上。     

海洋磁力测量垂直空间归算中曲面延拓迭代方法的改进

海洋磁力测量中,由于受到海流等因素的影响导致磁力仪传感器（拖鱼）的入水深度起伏变化,测得的海洋磁场数据并不在固定的平面上。为了满足不同用户对海洋磁场数据的应用需求,必须采取合理的“曲化平”,实现整个测区磁场数据垂直空间上的统一。针对位场曲面延拓积分方程的迭代解中高阶垂向导数对高频噪声的放大问题,尝试引入Tikhonov正则化方法对其进行改进,以抑制高频噪声的影响。仿真分析表明,在选择合适的正则化参数后,改进的延拓方法可将延拓精度提高1.6 nT。实测数据分析表明,采用改进曲面延拓迭代方法,将磁测成果数据归算到曲面最低平面时,归算后交叉点磁异常不符值精度可提高2 nT,进一步验证了海洋磁力测量数据垂直空间归算的必要性。     

中国亚热带-热带3个海区微型鞭毛虫群落优势种和稀有种的分布特征和建群机制

海洋微型鞭毛虫是海洋微型真核浮游生物中非常重要的一大类群,在构成和维持海洋生态系统的结构和功能中扮演着重要角色。微生物群落通常由少数优势种和大量稀有种组成,这种分布模式在海洋微型鞭毛虫群落中也极为常见,并且二者的内在特征可能对群落生物地理分布格局以及生态系统功能产生不同影响。然而在多数研究中并未将两种不同亚群落进行区分,对二者的分布特征、对环境和空间因子的响应以及在总体群落中的生态地位等的认识十分有限。本研究利用高通量测序技术,调查了中国近海亚热带 热带3个自然海区微型鞭毛虫群落中优势种和稀有种的分布特征,并探讨了环境因子和空间因子与不同亚群落之间的关系,利用中性模型揭示了中性过程在群落构建中的作用,最后通过共现网络分析解析了两种不同亚群落在总体群落中的生态地位。结果表明：3个海区微型鞭毛虫群落中的优势类群和稀有类群在多样性和物种组成上具有不同的特征,表现出一定的生物地理分布格局;这与它们受到不同程度环境因子和空间因子的驱动作用有关;中性模型的结果体现了随机过程在两种亚群落中的重要作用;最后,共现网络关系反映出不同丰富程度的生态类群具有重叠但又相异的生态位,从而在同一环境中形成物种的共存,维持了群落结构的稳定,而稀有类群以较高的连接度和更高比例的关键种数目,在网络关系中起到重要的连接作用。本研究初步揭示了中国近海微型鞭毛虫优势种和稀有种的分布特征和建群机制,为深入认识海洋微型鞭毛虫的群落结构、分布格局以及影响其群落构建的生态过程提供理论依据。     

非饱和土拟二维平面应变固结问题的解析计算方法

基于Fredlund非饱和土一维固结理论,建立了二维平面应变条件下的固结方程组,并得到了单层非饱和土平面应变条件下的解析解。基于相关理论,假设体变系数和渗透系数都为常量,同时考虑到瞬时加载条件下,沿着土体深度方向上产生均匀或者线性分布的初始超孔隙压力,建立了二阶二元偏微分方程组。求解时,引入函数方法来降低方程的阶数,然后通过分离变量法获得方程的通解。在此基础上,结合一个针对单面排水条件下二维平面应变问题案例,通过与数值解对比,验证了所提方法的正确性。并采用所提方法计算获得了二维平面下超孔隙水压力、气压力沿垂直和水平方向消散的等时线,通过计算对比,分析了不同线性分布情况下,初始超孔隙压力对固结消散过程的影响。研究结果表明：初始超孔隙压力的不同分布对超孔隙气压力消散的影响几乎可以忽略,而对超孔隙水压力消散的影响更大。