地下水位的混沌和多重分形特征演化及其中短期预报意义

采用苏20井记录到的1995年7月1日至1997年6月30日地下水位观测数据作为研究的原始资料,计算并研究了1996年11月9日南黄海 M_S 6.1地震前后地下水位系统混沌吸引子的关联维数D₂、二阶熵K₂和最大Lyapunov指数λ₁,并用推广GP法研究了地震前后系统多重分形的广义维数谱D_q。研究结果表明:地下水位系统为混沌系统,系统的自由度在3~16之间;地震过程中系统有降维减熵现象,震前广义维数谱D_q左半边曲线变陡,因而可被看作为强震前的前兆信息。此结果对今后在预报工作中认识地震前兆观测的非线性动力学特征和利用这些特征进行地震预报具有重要的实用意义。     

宁强MS5.3地震前的LURR综合分析

2018年9月12日在陕西省汉中市宁强县发生了M_S5.3地震,震源深度11 km。基于陕西区域2014—2018年地球物理观测资料,选取地下水位、洞体应变、体应变以及地电场等观测手段的20个观测站点,采用库仑应力触发模型的加卸载响应比计算方法,计算各个站点的加卸载响应比(LURR),对此次地震前的异常信息进行分析讨论。初步获知：(1)LURR异常出现时间集中在2017年底至2018年5月,其中地下水位LURR出现异常变化时间最早,出现极大值的时间也最早,而洞体应变、体应变、地电场LURR异常开始时间较晚,集中在2018年2—5月,极大值出现时间集中在2018年3—7月。(2)从各观测手段的异常变化幅度来看,地下水位的变化幅度最小,洞体应变和体应变的变化幅度最大,地电场的变化幅度居中;从空间分布看,不同测项的异常站点有分布较为集中的现象。(3)周至地电场LURR与优势方位角异常变化在时域上较为同步。(4)总体上,地下水位、洞体应变、体应变以及地电场这几种地球物理观测资料反映的LURR异常演化具有准同步性。这为尝试多种观测资料计算LURR,进行多重物理量相互验证,提高...     

地下水位固体潮加卸载响应比分析及预测意义

应用加卸载响应比的理论原理,对广东地下水位网的观测数据进行加卸载响应比计算,以广东及周边地区数次MS4．0级以上地震作为震例,提取可能的中期至短期的响应比异常变化,研究其异常特征以及与地震的对应关系。结果表明,在中强地震前响应比存在增大变化,大多数井的水位固体潮响应比在发震前1～4个月出现升高异常变化。     

鄱阳湖典型洲滩湿地土壤含水量和地下水位年内变化特征

湿地植被空间分布受多个水分因子共同影响,为了探求鄱阳湖典型洲滩湿地不同植被类型下地下水、土壤水的变化特征,本文选择鄱阳湖吴城湿地保护区内一个长约1.2 km的典型洲滩湿地为实验区,建立了气象-土壤-水文联合观测系统.对观测的气象、水文要素进行分析发现:(1)洲滩湿地地下水位年内呈单峰变化,季节性差异显著,最大埋深可达10 m,出现在1月份,丰水期8月份地下水位最高时可出露地表,且地下水位与湖泊水位变化具有高度一致性;(2)由远湖区高地至近湖区低地,不同植被带中地下水平均埋深变化为藜蒿带(4.76 m)芦苇带(2.87 m)灰化薹草带(1.61 m).地下水埋深小于50 cm的持续时间分别为:藜蒿带27 d、芦苇带112 d、灰化薹草带170 d;(3)土壤平均含水量沿不同植被带梯度变化为:藜蒿带最小(15.9%),芦苇样带(40.7%)和灰化薹草样带(43.7%)较大.土壤含水量年内变幅为:藜蒿带最大(2.5%~55.2%),芦苇带和灰化薹草带相对较小,分别为22.1%~48.1%和28.4%~54.1%;(4)不同植被带土壤含水量季节变化规律不同,藜蒿带土壤含水量年内呈单峰型,仅夏季土壤含水量较高,其余季节均在10%左右,而芦苇带和灰化薹草样带春、夏、秋季均维持较高含水量(42%以上),仅冬季水分含量较低.     

基于水位波动关联度的济南西部与济南泉群地下水关系研究

济南市以"泉城"闻名,近年来城市化进程的加快及地下水开采量的增大,对济南市区泉群喷涌产生了一定程度的影响。对2014～2017年济南西部玉符河下游的杜家庙、南八里、朱家庄等地及市区泉群的趵突泉、黑虎泉的岩溶水位波动规律进行分析,在地下水位波动幅度计算的基础上,利用灰色关联分析方法,从一个新的评价指标"水位波动关联度"的角度探寻济西与济南市区泉群地下水间的联系,为济南市保泉供水提供探索依据。以15d为地下水位均值计算周期,先计算全年的水位波动关联度,再将关联度的计算结果划分为:4～7月、8～11月和12月至次年3月三个时段,分别分析济西各岩溶井水位与泉水位的波动关联度。结果表明,12月至次年3月关联度的计算结果受外界干扰最小,这一时段济西与市区泉群水位波动关联度的均值为0.854,属高关联度,两者地下水位变化规律极其相似,两个地下水系统在统计学上存在着极强的联系。     

京津冀平原区地下水水位变化主导因素的定量识别研究

自20世纪60年代以来,京津冀平原区地下水水位持续下降,制约着京津冀一体化的发展。为了识别地下水水位下降的主导因素,定量表征了影响水位动态的气候条件和人类活动的多项指标(包括降水、气温、水面蒸发、工业总产值、粮食产量、人口数量、地表径流量),并采用非参数统计检验方法(M-K法)阐明了近50年来各项指标的演化规律;在掌握研究区自然社会指标及地下水水位的动态规律的基础上,联合运用灰色系统理论和主成分回归分析方法,定量识别了地下水水位变化的主导因素。结果表明,近50年,研究区降水呈现下降趋势,气温呈现显著的上升趋势,水面蒸发呈现增加趋势,工业总产值、粮食产量、人口数量呈现增加趋势,由于山前水库修建引起的地表径流量呈现减小趋势;上述指标变化影响了研究区的地下水水位动态,其中逐渐加剧的人类活动(包括粮食产量、人口数量)构成了研究区地下水水位持续下降的最主要驱动力,对地下水水位下降的贡献度达到60.6%,气候条件对地下水水位下降的影响作用次之,其贡献度为39.4%。     

西北地区地下水水量-水位双控指标确定研究——以民勤盆地为例

地下水是西北内陆河流域干旱半干旱地区重要的供水水源、生态因子和环境因子。当前缺乏针对西北干旱半干旱地区特点的地下水水量和水位双控管理指标确定方法研究,无法为西北地区开展流域水资源管理生态保护提供技术支撑。本研究基于地下水可持续利用和生态保护的原则,提出了一套确定西北地区地下水水量-水位双控指标的技术方案。采用“以位定量”的思路,依据指标监测井代表的不同地下水功能区的地下水管理水位,确定水位指标区间值;将通过天然植被排泄的地下水量作为不可袭夺的排泄项,以数值模拟方法预报求解满足水位指标约束的地下水开采量,计算水量指标区间值。以民勤盆地为研究区开展示例研究,依据技术方案计算得到水位指标的下限阈值为埋深5.00～49.37 m,上限阈值为埋深0.00～5.00 m,水量指标上限为6 000×104 m3/a,下限为10 000×104 m3/a。采用2012—2016年区内实际开采量和监测水位变化趋势进行验证,当开采量在水量指标区间内运行时,水位也基本在水位指标区间内变化。该技术方法可以为西北地区开展双控管理提供一定的技术支撑。     

基于多变量LSTM神经网络的地下水水位预测

为解决以往模型未考虑地下水位相关影响因素的问题,探讨长短期记忆（LSTM）神经网络在地下水位预测中的应用,利用长短期记忆神经网络,采用多变量输入的方式,构建了基于多变量LSTM神经网络的地下水水位预测模型。以泰安市岱岳区J1号监测井为例,采用2001-2014年地下水水位动态监测资料与相关影响因素数据,利用多变量LSTM神经网络对2015-2016年地下水位进行预测,并与单变量LSTM神经网络和反向传播（BP）神经网络进行对比。研究结果表明：以相关影响变量为输入的BP神经网络无法考虑时序变化规律,预测均方根误差最大,为2.399 3;以地下水位为变量输入的单变量LSTM神经网络仅能根据时序变化作出相应预测,无法考虑相关变量影响,预测均方根误差为2.102 2;基于多变量输入的LSTM神经网络的预测精度显著高于单变量LSTM神经网络和BP神经网络,预测均方根误差最小,仅为1.919 1。总体上,多变量LSTM神经网络地下水位预测模型仅在某些峰值处误差较大,但总体预测效果较为理想。     

2019年6月17日长宁MS6.0地震前地震活动和水位的加卸载响应比异常研究

加卸载响应比（LURR）方法是通过固体潮加卸载过程中的某一物理参数的响应差异探查区域应力场演化。本文将这一方法应用于2019年6月17日四川长宁M_S6.0地震,根据LURR时序演化探查震源区介质的应力状态变化,提取可能的震前异常信息。首先采用贝尼奥夫应变作为响应量计算LURR,通过固体潮在地震断层面的最优滑动方向上引起的库仑破坏应力变化来判断加载还是卸载,结果显示LURR值自2018年年初开始快速增加并在2018年年中达到峰值,此后异常持续至地震。在此基础上对该地区的大地形变和地下井水位资料进行了LURR分析,发现水富水平摆倾斜仪的东西和南北分量在LURR出现异常的同期发生明显偏转,而地震周边的地下井水位高值变化过程与长宁地震也有较好的对应关系。研究表明在长宁地震发生前,存在地震活动和地下水位的LURR异常,且异常时间与水富倾斜同步,暗示震源区介质存在明显的应力积累过程。     

地下水位变化对地震地面运动的影响

本文以Biot提出的流体饱和多孔介质波动理论为基础, 建立了成层地基模型, 把地下水位以下的饱和土层用水饱和多孔介质模拟, 地下水位以上土层用气饱和多孔介质模拟. 通过研究入射平面简谐波在成层地基中的传播, 分析了地下水位变化对地震地面运动的影响. 结果表明: P波入射下, 当土体骨架相对刚度较小时, 地下水位变化对地表位移尤其是竖向地表位移幅值影响较大, 随着地下水位的下降, 竖向位移逐渐增加, 相对应的峰值频率逐渐减小; 当土体骨架相对刚度较大时, 地下水位变化对地面运动影响不大.