地球科学与环境学报

黄河流域生态保护和高质量发展专刊主持人简介——范文教授

2025年07月15 00:00

强风化千枚岩堆积层水分迁移规律及渗透特性

2025年07月15 00:00

千枚岩堆积层斜坡广泛分布于我国秦巴山区,降雨入渗是诱发其发生滑动变形的重要因素。为探究强风化千枚岩堆积层的入渗规律及其渗透特性,通过开展5组不同岩块定向角和级配条件下的一维垂直渗透试验,基于湿润锋前进法分析了水分迁移规律及相关特性,重点研究了含水率与基质吸力的时程变化、湿润锋前进距离与速度的动态演化以及渗透系数的函数关系曲线。结果表明:①当岩块定向角为0°时,湿润锋前进速度显著低于岩块定向角为30°和60°时; ②湿润锋前进速度受控于基质粒径及级配特征,渗透性随着岩块倾角的增大而增强,与细颗粒含量成显著负相关关系; ③堆积层中细颗粒相对含量越高,其渗透能力越弱,反之则渗透能力越强; ④湿润锋前进速度与时间成对数衰减关系,随着水分的入渗逐渐降低; ⑤渗透系数在高基质吸力范围内表现为基质吸力越大,渗透系数越低,基质吸力减小时渗透系数趋于平稳。最后,采用Gardner渗透模型对实测数据进行拟合,结果显示该模型效果较优。

爆炸作用下黄土介质损伤规律试验

2025年07月15 00:00

为阐明爆炸作用下黄土介质损伤规律,在黄土场地开展现场爆炸试验,结合室内试验研究,分析了爆炸后黄土中残留爆腔形貌、裂隙分布、压密范围、颗粒破碎等损伤特征,确定了爆炸作用下黄土介质的损伤分区和范围。结果表明:爆腔形状近似为两端呈球面的圆柱面,半径为0.27～0.30 m,爆腔表面形成拉张裂隙,顶部裂隙呈放射状,中部裂隙沿药柱轴向平行分布,裂隙平均深度为0.14～0.20 m; 爆腔周围土体干密度随距药柱轴线距离(爆心距)的增加迅速减小,当爆心距大于1.60 m时,土体不再发生压密; 爆腔表面附近黄土在冲击波作用下发生显著的颗粒破碎,颗粒破碎后黄土的粒径级配密度曲线由双峰型转变为三峰型; 颗粒相对破损率在距爆腔表面5～10 cm内迅速减小,爆腔中部附近土体颗粒破碎程度大于爆腔下部土体; 爆心距在0.300 m以内的区域为爆腔范围,爆心距0.300～0.375 m的区域为颗粒破碎区,爆心距0.375～0.500 m的区域为压缩拉裂区,爆心距0.500～1.600 m的区域为压密塑性区,爆心距大于等于1.600 m的区域为弹性区; 在冲击波作用范围内黄土介质损伤消耗的能量占爆炸能量的23%～27%,颗粒破碎区消耗的能量占总消耗能量的89%～91%。

物理状态变化对三趾马红土蠕变特性的影响试验

2025年07月15 00:00

我国西北地区新近系三趾马红土易软化变形演化成大型黄土滑坡的滑带,三趾马红土松密、软硬多变的物理状态影响其长期蠕变行为。为此,开展含水率、干密度对三趾马红土蠕变特性影响试验研究,揭示其在不同物理状态下的差异蠕变行为,并基于五元件广义Kelvin模型探讨了模型参数随物理状态变化的响应规律。结果表明:①物理状态变化显著改变了三趾马红土的蠕变特性,含水率越高、干密度越小,其蠕变行为越强烈,更易演化为滑坡敏感区; ②五元件广义Kelvin模型可精准表征土体蠕变的瞬时变形、衰减变形、稳态变形等3个阶段,并能同步反映黏弹性与黏塑性变形的耦合效应; 相较于传统Merchant模型和Burgers模型,该模型在高荷载应力状态下对试样非线性流塑特性的预测精度显著提升,同时可有效反映试样含水率升高导致的流塑特性及干密度增大引起的压硬特性; ③模型参数随物理状态呈现规律性变化; 当含水率升高时,瞬时剪切模量G₀,黏弹性剪切模量G₁、G₂,黏滞系数η₁线性降低,而黏滞系数η₂呈非线性衰减,表明土体强度劣化与黏塑性流动加剧; 当干密度增大时,剪切模量G₀、G₁、G₂显著提升,黏滞系数η₁、η₂降低,表明土体密实程度的增加抑制了变形。

基于多模型对比的甘肃庆阳地区滑坡易发性评价

2025年07月15 00:00

甘肃庆阳地区董志塬覆盖着数十米厚的层状黄土,水土流失严重,沟壑纵横,滑坡灾害频繁发生,对人民群众生命财产安全和经济社会发展构成严重威胁。通过实际调查和资料收集,获取庆阳地区滑坡的分布数据,构建滑坡的基础数据库; 在此基础上,选取坡向、坡形、坡度、高程、地形起伏度、地表粗糙度、距道路的距离、距河流的距离、归一化植被指数(NDVI)、年均降雨量和地层岩性作为滑坡易发性的影响因子,运用信息量模型、信息量-逻辑回归模型、随机森林对庆阳地区黄土滑坡进行易发性评价与区划,分析各影响因子与滑坡地质灾害分布规律的关联性。结果表明:①滑坡集中分布于高程1 200～1 400 m区域(滑坡数占比为47.08%)及年均降雨量540～590 mm区域(39.71%),滑坡极高易发区集中于董志塬地区,受地形起伏度、道路工程与降雨侵蚀协同驱动; ②信息量-逻辑回归模型(受试者工作特征曲线下面积(AUC)为0.868)与随机森林(AUC值为0.864)预测精度显著优于单一信息量模型(AUC值为0.843),信息量-逻辑回归模型通过非线性校正量化因子权重差异,随机森林依托集成学习优势适应复杂非线性关系; ③坡形、高程及距道路的距离是滑坡发育的核心驱动因子,凹形坡汇水侵蚀、道路工程扰动(距道路的距离近)与塬边高侵蚀带(高程1 200～1 400 m区域)交互作用加剧滑坡风险。

黄河上游地区泥石流冲击刚性防护结构运动过程的移动粒子半隐式流固耦合模拟

2025年07月15 00:00

黄河上游地区泥石流灾害具有高突发性和强破坏性,其细颗粒含量高、黏度大的特性使得传统数值方法难以准确模拟其冲击过程。基于移动粒子半隐式(MPS)方法与宾汉姆流变模型的耦合框架,构建了适用于泥石流-结构流固耦合模拟的高精度数值模型,并通过对比模型模拟结果与前人试验结果验证了该模型的准确性; 针对黄河上游地区典型泥石流灾害场景,系统模拟了不同泥石流体积(10～30 m³)和边坡坡度(5°～15°)下泥石流对刚性防护结构冲击动力过程的影响。结果表明:①在边坡坡度为5°工况下,当泥石流体积为25 m³时,泥石流冲击力峰值为287.80 kN; 当泥石流体积为30 m³时,泥石流冲击力第1个峰值陡增至681.71 kN,且第2个峰值(261.07 kN)仍具显著破坏性; 当泥石流体积为15～30 m³时,泥石流冲击力峰值与泥石流体积之间的关系呈现指数函数关系; 根据这一关系,泥石流体积从20 m³增长到25 m³时,泥石流冲击力峰值增大幅度仅为52.4%,但是泥石流体积从25 m³增长到30 m³时,泥石流冲击力峰值增大幅度高达116.5%; 泥石流冲击力峰值突变对应的泥石流体积阈值为27 m³。②在泥石流体积为15 m³工况下,当边坡坡度增大至15°时,泥石流冲击力时程曲线呈现显著双峰特征,峰值分别为442.54和398.29 kN(两者相差小于10%),导致刚性防护结构反复受力的风险增加。

基于蜣螂优化算法-双向长短时记忆网络的隧道软弱围岩变形预测

2025年07月15 00:00

隧道软弱围岩变形预测是确保隧道建设及施工运营安全等诸多环节中的核心要素。目前隧道软弱围岩变形预测主要依托围岩变形监测数据,而监测数据统计分析结果的可靠性、鲁棒性及泛化性依然不能满足工程建设的要求。针对该问题,对比LSTM、BiLSTM、CNN-LSTM、GRU、CNN-RNN 模型的准确性、可靠性和稳定性,优选出BiLSTM 模型为初步预测模型; 考虑双向长短时记忆(BiLSTM)网络的灵活交互性和蜣螂优化(DBO)算法的数据驱动优势,构建基于深度学习的隧道软弱围岩变形预测模型——DBO-BiLSTM模型; 最后,以西十高速铁路云岭一号隧道断面软弱围岩为案例,运用DBO-BiLSTM模型和BiLSTM模型对该隧道软弱围岩变形进行预测,并与监测数据进行对比。结果表明:DBO-BiLSTM模型较BiLSTM模型预测结果更优,其均方误差(MSE)、均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)、平均百分比误差(MAPE)、判定系数(R²)分别为0.001 6、0.040 6、0.031 8、1.43%、0.998 5; 云岭一号隧道软弱围岩变形情况均经历了先陡增后缓增、最终趋于稳定的过程,拱顶沉降最大累计变形量为14.79 mm,水平收敛最大累计变形量为16.80 mm。

宁夏水泥黄土电阻率响应规律和模型

2025年07月15 00:00

研究水泥黄土挤密桩的电阻率响应规律,对提高湿陷性黄土地基质量检测效率、降低检测成本具有重要意义。以宁夏海原—甘肃平川高速公路宁夏段的水泥黄土挤密桩为研究对象,通过控制电流频率、干密度、含水率和养护龄期等变量,测定水泥黄土的电阻率变化规律,并建立多因素耦合电阻率模型,以期为宁夏水泥黄土挤密桩的无损检测提供理论依据。结果表明:①在干密度为1.62～1.81 g·cm^-3、含水率为8%～14%和养护龄期为1～28 d的试验条件下,水泥黄土内部颗粒的排列方式及胶结作用使其呈现明显的频率依赖性; 在电流频率低于50 kHz时,土体表现出显著的电容器效应,导致电阻率随电流频率变化明显; 而当电流频率超过50 kHz后,电容器效应减弱,电阻率趋于稳定; ②含水率与干密度的增加会增强土体的导电性,使电阻率逐渐降低; 但当含水率超过最优含水率(11.0%)后,自由水膜连通性趋于饱和,电阻率降幅减缓; 养护龄期的延长促使水泥水化产物填充孔隙,降低离子迁移效率,导致电阻率逐渐升高。基于试验数据建立了宁夏水泥黄土电阻率与含水率、干密度、养护龄期的多因素表征模型——多因素耦合电阻率模型,其相关性良好。敏感性分析表明,各因素对电阻率的影响程度从大到小依次为含水率、干密度、养护龄期。

黄河流域交通可达性对经济发展水平的影响及其空间异质性

2025年07月15 00:00

在国家区域协调发展及黄河流域生态保护和高质量发展战略实施背景下,交通可达性与经济发展相辅相成、密不可分,是区域一体化发展的重要环节。为探究黄河流域交通可达性对经济发展的影响及其空间异质性,运用加权平均旅行时间模型测度2000～2020年黄河流域县域交通可达性,揭示其演化特征,并通过普通最小二乘(OLS)法和地理加权回归(GWR)模型刻画交通可达性对经济发展影响的全局和局部特征。结果表明:2000～2020年黄河流域交通可达性显著提升,时空压缩效应增强,呈现以省会城市为核心向四周扩展的多核心空间结构特征; 交通可达性对县域经济发展水平的影响效应随着时间的推移由负向逐渐转为正向,对经济的促进作用不断增强,并呈现“东高西低”的空间分布格局; 从低、中、高可达性分类来看,交通可达性经济效益的空间异质性呈现低可达性区域均衡化与核心区域极化并存的现状。为推动黄河流域高质量发展,需根据上游、中游、下游实际情况,实行差异化的发展策略,缩小区域差异,实现协同发展。

黄河流域基本公共服务、数字经济与人口发展时空耦合协调关系

2025年07月15 00:00

构建公共服务资源整合、数字赋能与人口发展的三维协同治理机制,对于推动黄河流域高质量发展具有重要意义。为推动三维协同治理机制的形成,以黄河流域78个地级市和副省级城市为研究对象,综合运用熵值法、耦合协调模型及地理探测器,探究黄河流域2012～2023年基本公共服务-数字经济-人口发展(BDP)三维系统的耦合协调发展水平及其驱动因素。结果表明:①黄河流域基本公共服务、数字经济、人口发展水平整体呈上升趋势,基本公共服务发展水平起点最低但提升幅度最大,数字经济发展水平始终高于基本公共服务与人口发展水平; ②黄河流域基本公共服务-数字经济-人口发展三维系统耦合协调发展水平存在大范围失调现象,但随着流域高质量发展进程不断推进,耦合协调类型由轻度失调类型占绝对优势,向以濒临失调、初级协调为主导的交错分布格局演变; ③不同因素对黄河流域基本公共服务-数字经济-人口发展三维系统耦合协调度的驱动力存在显著异质性,实际利用外资额与人均社会消费品零售额的驱动力最强。为提升耦合协调发展水平,需充分发挥政府调控力和开放促进力的双重效应,促进产业结构优化升级和加大资金投入,以地区联动提升耦合协调发展水平。

基于主体功能区规划的河南省生态效率测评及影响因素

2025年07月15 00:00

主体功能区规划促进了社会经济与资源环境的协同发展,实施过程中采取的土地、产业、人口、财政等政策对生态效率产生显著影响。基于多源数据和超效率SBM模型,计算了2005～2018年河南省区县生态效率; 采用变异系数、标准差椭圆系统刻画了县域尺度和主体功能区尺度生态效率演变规律; 利用时空地理加权回归(GTWR)模型分析了主体功能区规划实施策略对生态效率空间异质性的影响。结果表明:①河南省生态效率整体处于较低水平,存在明显的空间集聚特征,区县差异随时间的推移有所减少; ②国家级重点生态功能区平均生态效率最高,其次为国家级重点开发区与省级重点生态功能区,省级重点开发区与农产品主产区平均生态效率最低; ③土地利用多样化指数、城镇化水平、产业结构、人口密度、地方财政一般支出额等因素对生态效率的影响具有显著的空间异质性,呈现出带状或片状空间分布规律。

渭河流域土地利用转型对生态系统健康的影响

2025年07月15 00:00

渭河流域作为我国重要的生态屏障区,研究土地利用转型对生态系统健康的影响具有重要意义。以子流域为研究单元,构建了包含土地利用结构、功能及动态3个维度的转型分析框架,并结合活力-组织力-恢复力-生态系统服务(VORE)框架构建生态系统健康评价体系; 通过局部二元空间自相关和斯皮尔曼(Spearman)相关性分析方法,系统探究了2002～2022年渭河流域土地利用转型特征与生态系统健康的时空关联。结果表明:①2002～2022年,渭河流域生态系统健康指数(EHI)呈现先减少后增加的演变趋势; ②2002～2012年,土地利用结构信息熵(IELUS)对流域北部生态系统健康指数具有显著负向影响,而土地利用强度(LUI)在流域西部和东南部分别呈现显著的正向和负向影响; 2012～2022年,土地利用转型特征对流域西部生态系统健康指数的影响更为显著,其中土地利用结构信息熵和土地利用动态度(LUDD)为正向影响,土地利用强度则表现为负向影响; ③土地利用强度对各生态系统健康指数均产生显著的负向作用。

渭河流域“三生”空间格局演变特征及其驱动因素

2025年07月15 00:00

渭河流域作为黄河流域生态屏障与西北经济发展核心区,其生产-生活-生态空间(简称为“三生”空间)格局优化对区域可持续发展和黄河流域高质量发展具有关键作用。选取1990年、2000年、2010年和2020年土地利用数据,运用转移矩阵、强度图谱、标准差椭圆与地理探测器等方法,揭示渭河流域“三生”空间格局时空演变特征及驱动机制。结果表明:①渭河流域“三生”空间以生态空间(面积占比55.6%)和生产空间(40.8%)为主导,生活空间(3.6%)以西安市为中心呈散射状向外扩张; 生态空间面积增长2 473.45 km²,生产空间缩减2 861.21 km²,体现退耕还林政策与城镇化的双重效应。②空间转型以草地生态空间和农业生产空间之间的相互转型为主,城镇生活空间侵占耕地现象集中于关中平原城市群。③标准差椭圆显示生产空间向东北迁移,生态空间呈现东北方向与西北方向的摆动,生活空间向西北扩展趋势显著。④地理探测器分析表明,渭河流域“三生”空间格局演变由生境质量(q值为0.493)与年平均气温(q值为0.436)等自然因子主导,社会经济因子通过距城镇建设用地的距离与地区生产总值(GDP)等交互路径强化空间重构,自然与社会经济因子对“三生空间”格局的影响具有显著的协同效应。

黄河下游滩区“三生”空间冲突测度及其影响因素

2025年07月15 00:00

促进生产、生活和生态空间均衡是推动黄河下游滩区由“黄河滩”向“幸福滩”转变的关键,也是推动黄河流域生态保护与高质量发展的内在要求。基于2000～2020年土地利用遥感数据,应用土地利用转移矩阵和空间冲突指数模型,检验黄河下游滩区“三生”空间(生产-生活-生态空间)类型的互动演变、空间冲突的演化特征,并运用多尺度地理加权回归(MGWR)模型和地理探测器识别“三生”空间冲突驱动因素。结果表明:①移民迁建工作全面启动之前,生产、生活空间面积分别下降0.26%、1.09%,生态空间面积上升1.35%,空间类型转换主要表现为生产空间与生活空间之间相互转换,且主要集中在黄河河南段流域; 移民迁建工作全面启动之后,生产空间面积下降1.60%,生态空间面积上升1.47%,生活空间面积变化幅度有限,空间类型主要由生产空间向生态空间转换; ②随着移民迁建工作的进程变化,“三生”空间冲突发生了先增加后下降的阶段性波动,冲突强度指数由0.32增至0.35后,再降至0.34; 在冲突类型演变上,弱、较弱、中等空间冲突的单元数量占比较高,弱、较弱空间冲突的单元数量下降,中等空间冲突的单元数量显著增加; ③自然条件、经济社会状况是诱发“三生”空间冲突演变的主要因素,各影响因子作用强度由高到低依次为高程、土地利用强度、距地级市中心的距离、河网密度、年平均降雨量、人口密度、年平均气温,且各因子两两交互后的作用效果均大于单因子。2000～2020年,黄河下游滩区“三生”空间冲突程度趋于缓和,未来应该通过科学的空间规划和差异化管理策略,实现生态保护、社会发展和经济增长三者之间的平衡。

半干旱煤矿区采动地裂缝发育对植物群落结构及物种分布格局的影响

2025年07月15 00:00

探究采煤塌陷区地裂缝发育对植物群落的影响程度和范围,可为矿区植被恢复策略的制定提供科学依据。以位于半干旱黄土沟壑区的榆神府矿区井工开采塌陷区拉伸型地裂缝为研究对象,分析比较距地裂缝0～1、1～2、2～3、3～5和5～10 m区域的植物群落组成、稳定性和物种分布格局,利用冗余分析探究影响地裂缝发育区植物群落的关键土壤因子。结果表明:①榆神府矿区采煤塌陷区距地裂缝0～2 m区域的植物群落组成由地裂缝发育前以多年生草本为主转变为以一年生或二年生草本和多年生禾草共存,其中灌木层中的优势植物种群为黑沙蒿(Artemisia ordosica)和达乌里胡枝子(Lespedeza davurica),草本层中的优势植物种群为长芒草(Stipa bungeana)和百里香(Thymus mongolicus)等; ②与对照区相比,距地裂缝0～1 和1～2 m区域的植物群落Margalef丰富度指数分别降低60%和50%,Shannon-Wiener多样性指数分别降低36%和34%,Pielou均匀度指数分别降低27%和22%,稳定性分别降低82%和66%,而距地裂缝2～10 m区域的植物群落指标无显著性差异; ③距地裂缝0～2 m区域的优势植物种群分布格局由地裂缝发育前的高度聚集转变为中等聚集,随着距地裂缝水平距离的增加,优势植物种群分布格局又逐渐转变为高度聚集; ④距地裂缝0～2 m区域,影响植物群落特征的关键土壤因子包括土壤含水量、土壤容重、土壤pH值、土壤有效氮含量和土壤有效磷含量。总之,塌陷区地裂缝发育对植物群落特征的影响主要集中在距地裂缝0～2 m区域,这一区域是矿区塌陷区生态修复治理的重点区; 距地裂缝2～10 m区域则通过植被自然更新即可确保植物群落稳定。

黄河中游渭北旱腰带地表基质物性结构与林草植被覆盖特征

2025年07月15 00:00

地表基质与植被覆盖空间错位是人工林地退化的重要原因,探究地表基质与植被覆盖的耦合关系,掌握不同地表基质物性结构异质性特征及其对植被生长的约束作用,对生态修复精准施策和植被恢复成效提升具有重要意义。渭北旱腰带位于黄河中游黄土丘陵沟壑与关中平原的过渡区,是关中平原城市群北部的重要生态屏障。然而,受频繁的矿产资源开采活动影响,该区自然植被破坏严重。同时,在干旱气候、复杂地质和破碎地形的交织作用下,地表基质物性结构空间差异显著,不同地表基质类型水土保持功能参差不齐,导致植被恢复成效不均,生态系统脆弱性突出,严重制约了渭北旱腰带生态屏障功能的发挥。以黄河中游渭北旱腰带典型区域——陕西韩城地区为研究对象,基于地表基质剖面和植被生态样方综合调查,分析了不同地表基质物性结构异质性特征及其与上覆植被群落结构和根系构型的关系; 结合植被生态指数时间序列,探讨了地表基质物性结构异质性对植被生态的影响。结果表明:泥质岩、碎屑岩夹泥质岩、冲洪积沙和碎屑岩地表基质的土壤发生层结构完整且厚度大,植被覆盖度均大于80%,2000～2023年植被净初级生产力(NPP)多年平均值相对较高,为378.01～430.77 kg C·m^-2·年^-1,但受孔隙裂隙发育程度和深度的影响,植被群落结构存在差异; 碳酸盐岩、冲洪积砾和花岗片麻岩地表基质植被覆盖度均小于50%,净初级生产力多年平均值也相对较低(156.21～320.04 kg C·m^-2·年^-1),其中花岗片麻岩地表基质裂隙过于发育(平均裂隙密度为4.73 m·m^-2),净初级生产力主要由稀疏的深根性乔木贡献,因此具有研究区最低的净初级生产力多年平均值(156.21 kg C·m^-2·年^-1); 风积物地表基质虽然土层深厚,但是因垂直节理发育,保水保肥能力弱,地表多生长灌木和草本,零星生长深根系耐旱乔木,净初级生产力多年平均值处于中等水平(378.29 kg C·m^-2·年^-1)。植被覆盖度与地表基质表层土壤厚度间具有极显著的正相关关系(p<0.01),与宽度大于1 mm的裂隙密度之间也呈现显著的正相关关系(p<0.05),反映了地表基质物性结构(物质组成、空间结构、孔隙裂隙等)通过影响植被根系生长和水分吸收,决定了渭北旱腰带地表林草植被生长和净初级生产力水平。

山地土壤养分的双向补给特征及演化过程

2025年07月15 00:00

山地土壤具有典型的多层序结构,系基岩风化与大气-地表生物循环的综合产物,其养分来源也反映了基岩与地表过程的双向补给特点。为探索山地土壤养分的内生与外生补给耦合关系,系统梳理了基岩地球化学和地表过程对土壤养分的补给机制,探讨了不同岩性矿物风化差异及不同地表过程对山地土壤养分的调节控制作用,并阐释了物质流动、能量转化和生态服务功能协同关系; 最后,基于山地土壤养分双向补给的时空演化过程,建立了区域尺度下反映基岩风化与大气-地表生物循环双向补给的山地土壤养分通量模型。结果表明:①基岩风化通过控制养分可用性、地下水存储能力、结构发育程度和地形塑造来影响植被生长; ②大气-地表生物循环通过调节土壤环境、养分形态转换和利用频率来影响植被生长; ③基岩风化与地表过程在时间上的差异驱动和在空间上的叠加耦合共同塑造了复杂且独特的山地土壤养分格局; ④在时间尺度上考虑基岩风化的养分通量模型,有助于理解区域山地生态系统养分需求策略和生态地质系统平衡机制。研究以期为山地土壤养分的双向来源提供全新认识,并建议关注基岩地球化学对地表生态系统的影响作用,从而为山地土壤资源科学化管理及实现生态系统可持续发展提供新的视角。

黄土高原森林小流域径流氮磷输出负荷及水源解析

2025年07月15 00:00

黄土高原植被恢复改变了流域的生态-水文过程,对次降雨事件中的氮磷输出负荷有着极大影响。以陕西黄陵地区南峪口森林小流域为研究对象,基于3场降雨事件(中雨、大雨和暴雨)下不同水体的水质和氢稳定同位素监测数据,使用端元混合模型和多元线性回归模型等分析了不同降雨事件下流域氮磷输出负荷,并确定了不同径流来源对氮磷流失的影响。结果表明:中雨、大雨和暴雨事件下,总氮(TN)输出量分别为12.90、110.95和208.01 kg,总磷(TP)输出量分别为0.43、2.15和6.35 kg; 中雨事件下的事件前水(流域前期储水)对河道总流量的贡献率和贡献量分别为90.05%和7 688 m³,大雨事件下分别为64.80%和20 929 m³,暴雨事件下分别为69.48%和49 794 m³; 中雨事件下的事件水(雨水)对河道总流量的贡献率和贡献量分别为9.95%和849 m³,大雨事件下分别为35.20%和11 347 m³,暴雨事件下分别为30.52%和21 871 m³; 构建的多元线性回归模型判定系数均在0.8以上,模拟精度良好; 次降雨事件下,径流来源可以表征淋溶作用和冲刷作用对氮磷流失的影响。

S2OGAN:一种纹理与边缘保真的SAR-光学影像生成式翻译方法

2025年07月15 00:00

光学遥感影像具备丰富的纹理和光谱信息,已成为高价值的数据资源。然而,光学遥感影像的获取过程易受光照条件与气象因素影响,尤其在多云、多雾或强降水等复杂天气情况下,常出现数据缺失或影像质量下降等问题,在一定程度上限制了其在时空连续性监测和应用效果方面的表现。相比之下,合成孔径雷达(SAR)具备全天时、全天候成像能力,能够有效弥补光学遥感影像在恶劣环境下的获取不足,成为光学遥感的重要补充手段。为了增强遥感监测的连续性和完整性,在条件生成对抗网络(cGAN)框架的基础上,针对SAR影像中常见的散斑噪声问题,提出了一种SAR-光学影像翻译方法——S2OGAN方法。该方法引入去噪卷积神经网络(DnCNN)作为去噪模块,以有效滤除噪声并提高纹理保真度; 同时,结合相位一致性直方图(HOPC)作为边缘损失,进一步强化边缘特征的表达,实现纹理和结构特征的高精度重建; 此外,基于GEE平台构建了冰川观测实验数据集,以探讨S2OGAN方法在冰川场景中的应用效果。结果表明:在4个常用数据集上,S2OGAN方法相较于Pix2Pix、CycleGAN、CUT、Semi-I2I等4个经典影像翻译方法展现出更优的综合性能; 在多空间分辨率下,S2OGAN方法在定量评价指标上表现得比其他4个影像翻译方法更为稳定,充分体现了其较高的鲁棒性; 在简单场景中,各方法的综合性能普遍优于在复杂场景中,其中S2OGAN方法不仅整体表现最佳,并且在复杂场景中的性能保持相对稳定,展现出较高的稳健性; 在冰川场景中,S2OGAN方法翻译得到的光学影像结构相似度(SSIM)达到0.668,有效支撑了冰川冰舌轮廓的定量分析,但其纹理信息与真实光学遥感影像仍存在一定差异。最后,基于翻译影像估算出三江源地区格拉丹东冰川两个冰舌消融面积分别约为0.346 3和0.089 0 km²,为多云雾地区的连续遥感监测提供了新的技术方案。

多种变量组合方案下的机器学习模型在PM_2.5浓度估算中的性能对比——以陕西关中地区为例

2025年07月15 00:00

获取高分辨率、高精度连续PM_2.5浓度,有利于揭示空气质量分布规律,对环境治理、大气污染防治及经济的可持续发展具有重要意义。基于2020～2022年陕西关中地区PM_2.5地面监测数据、气溶胶光学厚度(AOD)数据、气象数据、地理数据和协同监测污染物数据等,依据其性质进行分类,设计11种变量组合方案,分别构建随机森林(RF)模型、梯度提升树(GBT)模型和轻量梯度提升机(LightGBM)模型估算关中地区PM_2.5浓度,并对不同方案下的模型估算精度进行对比分析。结果表明:①3种模型在两两变量组合方案下的估算效果优于在单一变量组合方案下,在多变量组合方案下的估算效果则最优; ②在同一方案下,LightGBM模型表现最佳,而且多变量组合方案下的LightGBM模型拟合结果在11种变量组合方案中是最优的,其决定系数(R²)为0.94,均方根误差(RMSE)为9.31 μg·m^-3,平均绝对误差(MAE)为6.27 μg·m^-3; ③与ChinaHighPM_2.5数据集、VANPM_2.5数据集相比,多变量组合方案下的LightGBM模型估算结果不仅在空间分布上与两个数据集中同区域、同时期数据具有较高的一致性,而且在细节刻画和估算精度上更具优势,提升了精度与可靠性。

陕西西安地区2024年一次沙尘暴过程中气溶胶污染及粒径分布演化特征

2025年07月15 00:00

为探究陕西西安地区2024年3月15日至17日一次沙尘暴过程中气溶胶污染及粒径分布演化特征,使用光学粒径谱仪和在线离子监测仪对大气颗粒物粒径及离子组分的动态变化进行观测,并结合大气污染物数据与气象数据分析沙尘暴过程中颗粒物污染与粒径分布演化特征。结果表明:此次沙尘暴过程可划分为清洁背景期、首次颗粒过境期(沙尘期Ⅰ)、二次颗粒过境期(沙尘期Ⅱ)和沙尘消退期4个时期,各时期气溶胶来源、粒径谱结构与化学组分差异显著; 相比于清洁背景期,沙尘期Ⅰ尽管颗粒物质量浓度变化不大,但小粒径段(0.300～0.576 μm)的颗粒物数浓度迅速上升,离子组分以NH⁺₄和二次污染物NO^-₃、SO^2-₄为主; 而沙尘期Ⅱ则以粒径大于2.5 μm粗颗粒为主,颗粒物数浓度下降,Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺等离子质量浓度显著增加; 粒径谱演化表现为沙尘期Ⅰ的颗粒物粒径谱曲线相对于清洁背景期整体上移,沙尘期Ⅱ颗粒物峰值粒径相对于沙尘期Ⅰ向右移,反映出不同时期颗粒物粒径主导特征的转换; 结合气团后向轨迹分析和正定矩阵因子分解(PMF)源解析结果,证实沙尘期Ⅰ污染以西安市周边卫星城和郊区环境的人为污染源贡献为主,沙尘期Ⅱ则呈现出明显的沙尘源特征。

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多种变量组合方案下的机器学习模型在PM_2.5浓度估算中的性能对比——以陕西关中地区为例