地面沉降預(yù)測模型及應(yīng)用研究.pdf

1、地面沉降是城市主要的地質(zhì)災(zāi)害,引起的環(huán)境地質(zhì)問題嚴(yán)重影響著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),制約經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展.目前已普遍證實過量開采地下水造成水文地質(zhì)力學(xué)平衡的破壞是導(dǎo)致地面沉降最主要的原因.本文以天津市塘沽區(qū)為研究區(qū)域,建立準(zhǔn)確實用的沉降預(yù)測模型,這對于防治環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害,實現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)利用和有效控制地面沉降具有十分重要意義. 本文在收集、整理和分析塘沽區(qū)歷史數(shù)據(jù),利用空間聚類方法優(yōu)化沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,借鑒國內(nèi)外研究成果,分別以

2、研究區(qū)內(nèi)地下水分層年開采量和年均水位作為模型的輸入變量,以優(yōu)化后各監(jiān)測點的年沉降量作為輸出變量,創(chuàng)新性地建立了多輸入、多輸出BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,實現(xiàn)了地面沉降過程并行預(yù)測. 同時為進(jìn)行比較和快速趨勢預(yù)測,還建立了多元回歸模型.二種模型的預(yù)測能力都通過了回歸顯著性檢驗,預(yù)測結(jié)果對觀測值有充分的解釋能力.其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測年等值線圖能準(zhǔn)確地反映區(qū)內(nèi)地面沉降的空間分布模式. 經(jīng)模型應(yīng)用分析,塘沽區(qū)平均背景沉降速率為9.47mml/

3、a,并指出各個監(jiān)測點對同一含水組開采量的變化以及地面沉降強(qiáng)弱與地下水位均具有較一致的響應(yīng)趨勢.同時各含水組地下水水位對地面沉降的影響強(qiáng)度依Ⅳ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅱ等順序逐漸減弱,這與基于開采量的地下水層次與強(qiáng)度分析的成果基本一致.因此,在調(diào)整地下水開發(fā)利用層次時應(yīng)依照Ⅳ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅱ的順序加以考慮.在目前情況下,整體開采量為845.63萬m<'3>/a、1691.26萬m<'3>/a和2697.75萬m<'3>/a時,預(yù)測塘沽區(qū)年地面沉降均值分別為

4、16.8mm、30.9mm和45.7mm. 為克服BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型容易陷入局部最優(yōu)且收斂速度慢的缺陷,本研究利用遺傳算法強(qiáng)大的全局搜索尋優(yōu)能力,優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)重,實現(xiàn)了遺傳算法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的耦合.經(jīng)實用,證明該算法是可行且有效的. 最后,本文基于GIS建立了天津市地面沉降地理信息與預(yù)測系統(tǒng),設(shè)計了操作性強(qiáng)的人機(jī)交互工作界面.相關(guān)程序僅在后臺執(zhí)行,不僅可對區(qū)內(nèi)各監(jiān)測點的水位、開采量、地面沉降等信息進(jìn)行高效管理,而且