长江科学院院报

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1. 基于GEE云平台的三江源湖泊面积提取及动态变化

祁昌贤, 任燕, 彭海月, 魏加华, 王永强, 李琼

长江科学院院报 2023, 40 (7): 179-185. DOI: 10.11988/ckyyb.20220806

摘要（303）

PDF（pc）（8885KB）（419）

基于GEE(Google Earth Engine)遥感云计算平台和Landsat TM、ETM+和OLI卫星影像数据,采用修正归一化水体指数(MNDWI)、归一化植被指数(NDVI)和增强植被指数(EVI)等多个指数的综合水体识别算法,提取三江源区1990—2020年大于1 km²的湖泊面积,结合气象、冰川编目、冻土分布等数据分析了湖泊面积变化及其影响因素。结果表明:1990年以来,三江源区湖泊增加了46个,湖泊面积从10 811.8 km²增加到12 449.53 km²,增长了15%;其中,黄河源区湖泊面积增长了10%,长江源区湖泊面积增长了29%,长江源区较黄河源湖泊面积增幅更明显。平均气温升高和降水量增加是湖泊面积增加的主要因素;气温升高导致冰川退缩和冻土退化,使得冰川补给型湖泊和冻土区湖泊面积增加更快,这就是长江源区湖泊增长更为明显的主因,而黄河源湖泊面积增长与降水变化联系更为紧密。

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2. 暴雨型山洪灾害链监测预警研究与展望

唐文坚, 范仲杰, 董林垚, 刘纪根, 张平仓, 李同录, 童官军, 杜俊, 王林

长江科学院院报 2023, 40 (7): 73-79. DOI: 10.11988/ckyyb.20220469

摘要（260）

PDF（pc）（7790KB）（343）

暴雨型山洪及其链生过程是山区常见的致灾隐患,因其点多面广、成因复杂,加之相关过程常表现显著的突发性、局地性与隐蔽性等特点,增加了灾害早期识别与监测预警的难度。目前,山洪灾害链转化机理与监测预警研究是防灾减灾领域具有综合交叉特色的国际前沿与热点问题。为此,通过梳理暴雨型山洪灾害链国内外研究现状与趋势,分析了相关研究中亟需突破的关键科学与技术问题,并针对性提出了研究方向和研究展望。其中亟待突破的关键科学与技术问题有:如何揭示暴雨-洪水-滑坡(崩塌)-泥石流的同源链生转化机理,如何建立灾害链精准监测与稳定传输技术,如何构建灾害链预警指标体系与动态预警平台。建议研究方向为:暴雨型山洪灾害链致灾因子辨识研究,暴雨型山洪灾害链关键要素监测预警技术研发,山区小流域山洪灾害链监测预警平台研发,暴雨型山洪灾害链监测预警技术集成与示范。研究展望包括:突出多科学交叉、多手段融合,以“致灾因子辨识-关键技术研发-软件平台构建-集成应用示范”为研究主线,最终在灾害链驱动演化机理、精准监测与动态预警技术等方面取得突破和创新,预期成果可为提升山洪灾害链防御能力、推动生态可持续和流域高质量发展提供科技支撑。

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3. 基于PLUS模型的重庆市南川区土地利用多情景模拟

谢向东, 林孝松, 王莹, 涂荣誉, 张吉祥

长江科学院院报 2023, 40 (6): 86-92. DOI: 10.11988/ckyyb.20221227

摘要（188）

PDF（pc）（6194KB）（289）

多情景模拟土地利用变化是未来土地利用规划的基本依据,对实现区域社会—经济—生态和谐稳定具有重要意义。基于南川区2000年、2010年和2020年土地利用数据,借助动态度、转移矩阵分析研究区2000—2020年近20 a土地利用时空特征,从社会经济、地理环境和交通路网3个方面选取15个驱动因子,设置经济发展、生态保护和耕地保护3种情景,利用PLUS模型模拟研究区2030年土地利用分布,对比分析各情景模拟差异。结果表明:①近20 a,研究区耕地减少明显,达63.56 km²;建设用地增幅显著,占比从0.3%增至2.8%,主要集中在研究区中部和西南部。②2020年模拟结果的Kappa系数和总体精度分别为0.938、0.957,均高于标准值,PLUS模型适用于研究区土地利用模拟。③综合比较不同情景模拟结果发现,耕地保护情景下耕地总量得以保障,同时生态用地得到保护、建设用地大幅蔓延受到一定限制,该模拟结果更符合研究区今后可持续发展,可为南川区合理规划土地资源以及打造高品质新城区提供参考。

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4. 洪湖水质问题核心及水质综合提升途径思考

林莉, 潘雄

长江科学院院报 2023, 40 (6): 1-6. DOI: 10.11988/ckyyb.20221630

摘要（177）

PDF（pc）（1743KB）（306）

作为长江中游重要的生态敏感区域和节点区,洪湖多年来一直承接江汉平原的调蓄与灌溉功能,剧烈的人类活动导致洪湖水体污染和生态系统退化加剧,洪湖水质的提升现已成为实施长江保护修复攻坚战行动的重点。通过系统剖析发现洪湖水质提升的关键问题在于入湖水质不达标、内源污染较重以及水生态受损严重3个方面。要解决洪湖的水污染问题,应坚持系统思维和流域视角,做好洪湖外源控污截污、底泥清淤、湖区和湖滨带生态修复以及水资源科学调度利用等工作,并推行包括洪湖及其支流流域河湖长制联防联控联治机制、生态补偿机制等在内的综合水质提升管理措施。

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5. 基于近20年《中国水土保持公报》的水土流失治理分析

王一峰, 屈丽琴, 李建明, 李力

长江科学院院报 2023, 40 (7): 59-65. DOI: 10.11988/ckyyb.20220681

摘要（149）

PDF（pc）（5777KB）（307）

水土保持是生态文明建设的重要组成部分,也是反映经济社会发展与生态环境质量动态平衡的重要综合指标。基于近20 a的《中国水土保持公报》,分析了水土流失现状,总结了水土保持工作进展,深入探究了水土流失动态变化成因及水土保持阶段性成效,研究成果对评价水土保持工作成效具有重要理论意义。研究结果表明:①与20世纪80年代末相比,2020年全国水土流失面积下降了26.6%,相较于20世纪初下降了24.4%;②2011年以前水土流失以中度及以上强度为主,2018年以后轻度流失面积占比超过60%;③水土流失综合治理是水土流失面积降低的主要原因;近20 a来,11条主要江河年总输沙量下降了72.4%,年输沙量与累计水土流失治理面积呈显著的负相关关系(R²=0.90)。现阶段我国水土流失治理由“面”向“点”纵深推进,水土保持工作迈入高质量发展。研究成果可为我国水土保持工作评价及水土保持高质量发展提供定量数据和理论基础。

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6. 量质结合的举水新洲段生态流量

章运超, 柴朝晖, 王家生, 朱孔贤, 闵凤阳

长江科学院院报 2023, 40 (7): 1-7. DOI: 10.11988/ckyyb.20220483

摘要（141）

PDF（pc）（6159KB）（313）

研究满足水质和水量需求的生态流量对于河湖水环境治理保护很有必要。以水质性缺水的河流举水新洲段为例,基于实测河道断面数据和污染源调查结果,运用MIKE11软件建立了河道水量水质模型,并根据实测资料对模型进行了率定。利用率定后的模型,以COD、NH₃-N、TN、TP作为主要污染物指标,通过试算法计算了现状排污条件下,各月份中控制断面水质达标的生态流量,同时运用Tennant法和流量频率曲线法计算了满足河流生态系统基本水量需求的生态流量。对3类方法计算结果综合比较讨论,得出了统筹水质水量的举水新洲段各月份生态流量。

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7. 三峡建库后长江中游非均匀悬移质挟沙力变化

陈栋, 李凌云, 郭小虎

长江科学院院报 2023, 40 (8): 1-9. DOI: 10.11988/ckyyb.20220680

摘要（136）

PDF（pc）（7089KB）（338）

水流挟沙力变化是研究水库下游悬沙输移及河道演变的核心问题之一。以长江中游沙市—汉口沙质河段为研究对象,引入韩其为非均匀悬移质不平衡输沙中水量百分数、挟沙能力级配等概念,阐释了三峡建库前后非均匀悬移质挟沙力变化及其影响因素。建库后,沙市、监利站各流量级下床沙转为挟沙力的水量百分数均明显增加,螺山、汉口站分别超过临界流量30 000 m³/s和35 000 m³/s时,床沙转为挟沙力的水量百分数有所增加;沙市—城陵矶河段水流挟沙力减小程度大于城陵矶—汉口河段,其中沙市—城陵矶河段＜0.125 mm粒径组挟沙力大幅减小,城陵矶—汉口河段＜0.25 mm粒径组挟沙力减小。沙市—城陵矶河段水流挟沙力减小主要受挟沙力平均沉速ω^*变化影响,城陵矶—汉口河段水流挟沙力减小受挟沙力平均沉速ω^*和挟沙力判数U³/h的共同影响,其中螺山、汉口站分别不超过临界流量30 000 m³/s和35 000 m³/s时,挟沙力判数U³/h的贡献率较大。

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8. 时序分解和CNN-LSTM相融合的月径流预报模型

雷庆文, 高培强, 李建林

长江科学院院报 2023, 40 (6): 49-54. DOI: 10.11988/ckyyb.20220004

摘要（126）

PDF（pc）（1406KB）（380）

针对常规模型无法充分提取径流序列复杂非线性特征信息的不足,提出一种基于局部加权回归周期趋势分解算法(STL)与卷积神经网络(CNN)和长短时记忆神经网络(LSTM)相融合的月径流预报模型。该模型首先利用STL将径流序列分解为趋势项、季节项和随机波动的余项,分解后的各分量序列输入CNN进行卷积运算和子采样层重采样,CNN输出的特征序列通过LSTM拟合时序关系后由全连接层输出径流预测值。以黑河流域讨赖河基准站的月径流数据为例,对比分析LSTM、STL-CNN、STL-CNN-LSTM三种模型的预测效果,验证结果表明:STL和CNN-LSTM相融合的模型预报误差最小、精度等级最高。该模型相较于直接对原始径流序列进行分析的常规模型,可以较为显著地提高月径流预测的能力。

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9. 基于长短期记忆网络的西丽水库水质预测

王渤权, 金传鑫, 周论, 沈笛, 蒋志强

长江科学院院报 2023, 40 (6): 64-70. DOI: 10.11988/ckyyb.20220925

摘要（126）

PDF（pc）（1533KB）（316）

西丽水库是深圳重要饮水源之一,水库的水质影响着全市人民的供水安全。为及时准确预测西丽水库水质结果,以指导水库水厂供水计划的制定,在利用自适应噪声的完备集合经验模态分解方法进行数据分解的基础上,利用长短期记忆网络(LSTM)模型,建立了基于LSTM的西丽水库水质预测模型。通过模拟计算发现,模型模拟效果较好,其中水质预测模型中总氮、氨氮及总磷的预测结果与实测结果吻合度均较高,能够很好地模拟水库水质浓度变化过程;且对于总氮和氨氮,模型的相对预报误差能控制在10%以下,说明了所建模型的合理性。研究成果可为西丽水库的水质预测及供水计划的制定提供重要模型与技术支撑。

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10. 城门洞型输水隧洞明满流计算与试验

张婧镁, 向升, 汤荣才, 王群, 鞠小明

长江科学院院报 2023, 40 (6): 107-113. DOI: 10.11988/ckyyb.20220154

摘要（125）

PDF（pc）（1896KB）（347）

无压输水隧洞中受到闸门启闭而引起的明满交替流水力瞬变现象,通常会造成洞内的压力剧增,对工程安全运行造成威胁。为了探究城门洞型隧洞的明满交替流和明流过渡过程,实测了模型隧洞沿线断面水深或压力变化曲线,基于窄缝法原理,使用扩散法对实测工况进行数值模拟计算,将实测数据与计算结果进行了对比分析。研究表明:在下游初始水深逼近城门洞直墙高时,下游闸门突然关闭后,在大来流量下管路中出现压力瞬间陡增的完全明满流现象,水流向上游传播并伴随剧烈的掺气,在小来流量下表现为不掺气压力突升的临界明满交替流,回波造成二次压力剧增,断面压力达到峰值。窄缝扩散法对于从明流完全转化成满流的明满流过渡过程模拟效果较好,而对于临界明满流的模拟有较大的误差。无压流水力过渡过程数值模拟计算结果与实测值基本一致,反映了明渠水力过渡过程数学模型的合理性。研究成果可为深入研究这一复杂水力现象提供借鉴和参考。

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11. 黄河内蒙古段造床流量变化及其影响因素

王克志, 刘晓民, 张红武, 张晓华

长江科学院院报 2023, 40 (7): 8-15. DOI: 10.11988/ckyyb.20220317

摘要（122）

PDF（pc）（7502KB）（320）

造床流量是反映河床冲淤的表征指标,也是河道整治的主要参数。基于1960—2019年实测数据,运用改进马卡维耶夫法、平滩水位法、地貌功法,计算并分析了石嘴山、巴彦高勒、三湖河口、头道拐水文站造床流量。结果表明:时间上,1960—1989年、2010—2019年造床流量为2 100～3 540 m³/s,中水河槽冲刷,1990—2009年造床流量为740～1 300 m³/s,河槽淤积萎缩严重;空间上,造床流量呈现上站大于下站的特点;造床流量受来水量影响较大,在汛期水量低于105亿m³的情况下,可以通过刘家峡、龙羊峡、海勃湾水库三库联调适当增大汛期来水量,强化黄河内蒙古段造床作用。研究结果显示改进马卡维耶夫法物理意义明确,计算结果相对合理,可为冲积性河流造床流量确定及黄河内蒙古段河道治理提供参考。

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12. 济南长清岩溶地下水位与降水量、黄河水位的相关性

齐欢

长江科学院院报 2023, 40 (7): 27-31. DOI: 10.11988/ckyyb.20220176

摘要（118）

PDF（pc）（6426KB）（279）

为查明济南长清岩溶地下水位与降水量、黄河水位的相关性,选取2007—2019年长清—孝里铺水文地质单元4个岩溶地下水位监测井动态长期监测数据、同期降水量和黄河水位资料,采用小波相干和多元小波相干的方法对数据进行分析。结果表明:①岩溶地下水位动态存在显著的连续或间断的1 a、0.5 a高频主振荡周期。②岩溶地下水位与降水量的平均小波相干值(AWC)平均值为0.47,显著相干性百分比面积(PASC)平均值为20.64%;地下水位与黄河水位的AWC平均值为0.42,PASC平均值为13.00%,降水量对地下水位的影响程度大于黄河水位。③孝里镇广里村、归德镇—文昌街道一带岩溶地下水位与降水量、黄河水位的多元小波相干值(MWC)均较AWC至少增加了5%,说明该地区岩溶地下水位受到降水量和黄河水位的共同影响。该研究成果对于进一步认识济南沿黄地区“大气降水-地表水-地下水”转化关系和保泉供水具有重要意义。

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13. 耦合改进输出系数法-SWAT模型的丹江口水库流域非点源污染模拟

翟文亮, 唐见, 汪成刚, 李晓萌, 赵科锋

长江科学院院报 2023, 40 (7): 50-58. DOI: 10.11988/ckyyb.20220184

摘要（118）

PDF（pc）（10655KB）（255）

为更精准评估南水北调中线工程通水后丹江口水库流域非点源污染特征,改善SWAT模型非点源模拟精度,耦合“产生-流失-入河”三阶段改进输出系数法-SWAT模型,对流域多类型的非点源污染入河过程进行综合模拟研究。结果表明:①应用改进输出系数法从产生、流失到入河,分3个阶段分别估算了畜禽养殖、农村生活和水产养殖污染的TP、TN等污染物指标的负荷量。②耦合SWAT水文模型,全面模拟分析丹江口水库流域2019年非点源污染负荷时空分布特征。将畜禽养殖、农村生活、水产养殖污染以县区为单元进行概化,以点源的形式加入SWAT模型;以汉江上游、丹江、老鹳河流域为参证流域,对模型水文参数率定验证,模拟结果可以满足模型精度要求。丹江口水库流域2019年TN、TP流失量分别为27.56万、1.86万t,TN、TP入河量分别为3.31万、0.24万t,其中种植业的贡献率最大,分别为72.45%、64.97%;从空间上看,汉滨区、旬阳县、郧阳区、洋县、西乡县等5县区的TN、TP入河量较大,商州区、凤县、张湾区、太白县、略阳县、留坝县等6县区的TN入河量较小;从时间上看,5月份贡献率最大,10月份贡献率最小。研究结果可为丹江口水库流域非点源污染综合管控提供一定的科学依据。

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14. 动力荷载下软硬互层岩体力学特征

姚忠劭, 李龙起, 胡忠良, 徐雷, 黄杨, 何川

长江科学院院报 2023, 40 (7): 139-145. DOI: 10.11988/ckyyb.20220287

摘要（118）

PDF（pc）（13332KB）（291）

针对动力荷载下软硬互层岩体破坏问题,以汶川水磨沟滑坡层状岩体为研究对象,依据相似理论,制作软硬互层岩质试块,开展单轴压缩及变上下限等幅值循环荷载试验,研究其动力特性及破坏过程。结果表明:随岩层倾角的增大,其破坏模式为贯通层面的张拉破坏(0°~30°)、沿层面的剪切破坏(45°~75°)及沿层面的劈裂破坏(90°),而试样的强度及应变先增后减。对于相同倾角的试样,强度随加载频率及围压增大而增大。应变随加载频率增大而减小,随围压增大而增大。加载频率的增大会导致竖向拉张裂缝贯通、破裂程度降低。

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15. 长江下游镇扬河段历史变迁与河道演变分析

渠庚, 郝婕妤

长江科学院院报 2023, 40 (9): 1-7. DOI: 10.11988/ckyyb.20230546

摘要（118）

PDF（pc）（6184KB）（475）

镇扬河段位于长江下游感潮段,为典型的分汊河道,长期以来其河道演变复杂多变。基于历史文献、古地图、近现代地形测图及水文资料等资料,分析了镇扬河段长期演变规律。研究表明:西汉之前镇扬河段为长江河口,泥沙在古河口逐渐落淤,北岸边滩发育,河道总体南移、河宽缩窄,江中泥沙落淤并逐渐发育为稳定沙洲,形成世业洲汊道与和畅洲汊道。历史时期,河道水力和输沙特性是河道形成和演变的主要因素,南北两岸节点为控制河势的关键;20世纪50年代后,镇扬河段河道形态相对稳定,近期演变主要表现为汊道段河势格局的调整,河道内各类工程的建设等人类活动成为影响河床演变的重要外因。

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16. 基于DCGAN的水下结构物表面缺陷图像生成

程风雯, 甘进, 李星, 吴卫国

长江科学院院报 2023, 40 (9): 155-161. DOI: 10.11988/ckyyb.20220421

摘要（117）

PDF（pc）（5864KB）（386）

为提升水下结构物表面缺陷图像数据集的质量和规模,促进深度学习相关方法在水下检测领域中的应用,开展数据增强方法研究,提出一种基于深度卷积生成对抗网络(DCGAN)的水下结构物表面缺陷图像生成方法。首先,设计了一种水下结构物表面缺陷图像采集装置,通过改变拍摄距离和补充光照强度,探究出一种保证水下图像质量的采集方式;其次,通过改进损失函数优化DCGAN,建立水下结构物表面裂缝图像生成模型,实现了水下结构物表面缺陷图像的生成;最后,利用YOLOv5检测网络验证生成图像的有效性。结果表明:生成的水下结构物表面裂缝图像平均峰值信噪比为25.142 6 dB,平均结构相似性为0.716 8,将生成图像和真实图像共同输入检测模型可有效提高检测精度。研究成果为大坝和引水隧洞等水工结构物的健康检测提供技术支撑。

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17. 粗颗粒土缩尺方法及缩尺效应研究进展

潘家军, 孙向军

长江科学院院报 2023, 40 (11): 1-8. DOI: 10.11988/ckyyb.20230661

摘要（117）

PDF（pc）（6938KB）（204）

粗颗粒土作为土石坝的主要填筑材料,最大颗粒尺寸达到米级,室内试验试样只能进行缩尺。如何缩尺保证室内试验成果反映大坝实际填料的力学特性,一直是土石坝研究的难题。近年来大量学者就粗粒土的缩尺方法及缩尺效应开展了一系列卓有成效的研究工作,但在某些方面仍存在分歧。对现有粗颗粒土缩尺方法、试样试验边界效应、缩尺效应规律研究进行了系统总结和分析。最后,为解决粗颗粒土缩尺方法难题,介绍了长江科学院提出的一种粗颗粒土缩尺方法“旁压模量当量密度法”,阐明了“旁压模量相等”与“力学性质一致”的关系,诠释了“旁压模量当量密度法”的理论基础,为深入研究粗颗粒土缩尺方法提供了技术支撑。

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18. 三峡工程运行对鄱阳湖区灌溉供水安全的影响

王冬, 谢帅, 许继军, 王永强

长江科学院院报 2023, 40 (8): 30-38. DOI: 10.11988/ckyyb.20221509

摘要（116）

PDF（pc）（7388KB）（304）

三峡工程建设运行后,长江中下游的水文情势发生了显著改变,进而影响了灌溉供水。为分析三峡工程运行对鄱阳湖区灌溉供水安全的影响,从供水水量和水位满足程度的角度,分别分析了三峡工程运行前后的水文水资源以及灌溉供水安全形势变化的情况。三峡工程运行后,鄱阳湖区水量整体减小,其中蓄水期9—10月份的湖区水量减少最为显著,湖区水位整体降幅达1.1~2.5 m;虽然湖区的总水量仍能满足灌溉以及供水的需求,但灌溉及供水水位满足程度显著下降,缺水量增多,灌溉供水水位平均满足程度由83.6%下降至42.7%,缺水量由7 032万m³增大至18 611.25万m³,城乡供水的平均水位满足程度由99.1%下降至87.5%,缺水量由78万m³增大至9 385万m³。通过三峡水库提前或延后蓄水,可提升供水能力约0.2%、0.3%,一定程度上缓解蓄水对9—10月份湖区灌溉供水的影响。

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19. 基于大型底栖动物完整性指数的龙感湖健康评价

章运超, 朱孔贤, 柴朝晖, 葛李灿, 闵凤阳, 彭增辉

长江科学院院报 2023, 40 (6): 21-28. DOI: 10.11988/ckyyb.20220439

摘要（116）

PDF（pc）（1613KB）（269）

龙感湖位于安徽省华阳河湖群自然保护区,生态价值突出,应用底栖动物完整性指数科学评价湖泊水生态健康可为湖泊保护和管理提供依据。根据2021年4月在安徽省龙感湖10个监测点的底栖动物数据,通过对20个候选生物指标进行分布范围、判别能力及相关性分析,筛选出总物种数、优势类群数量百分比、软体动物个体数百分比、敏感类群种类数、粘附者种类数共5个核心参数组成完整性指数评价体系,采用比值法统一生物参数的量纲,累加各生物参数分值得到B-IBI值,利用四等分法确定湖泊健康分级标准。结果表明;湖区10个监测点中的3个为健康、4个为亚健康、2个为一般、1个为较差,整体水生态健康状况不容乐观。龙感湖东南部为健康、鄂皖交界水域为亚健康、东北部为一般,龙感湖东北部健康状况差可能是因为该区域位于支流二郎河入湖口,二郎河水体携带的生活污水和磷矿污染物富集在底泥中,进而影响了底栖生物完整性。

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20. 基于天地协同与深度学习的灌区地下水位模拟

陈文龙, 杨云丽, 张煜, 胡祖康

长江科学院院报 2023, 40 (7): 88-95. DOI: 10.11988/ckyyb.20220061

摘要（115）

PDF（pc）（15527KB）（265）

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。

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