地面沉降預測模型及應用研究.pdf

1、地面沉降是城市主要的地質災害,引起的環(huán)境地質問題嚴重影響著城市基礎設施建設,制約經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展.目前已普遍證實過量開采地下水造成水文地質力學平衡的破壞是導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,建立準確實用的沉降預測模型,這對于防治環(huán)境地質災害,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)絡的基礎上,借鑒國內外研究成果,分別以

2、研究區(qū)內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)絡模型,實現(xiàn)了地面沉降過程并行預測. 同時為進行比較和快速趨勢預測,還建立了多元回歸模型.二種模型的預測能力都通過了回歸顯著性檢驗,預測結果對觀測值有充分的解釋能力.其中神經(jīng)網(wǎng)絡預測年等值線圖能準確地反映區(qū)內地面沉降的空間分布模式. 經(jīng)模型應用分析,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弱與地下水位均具有較一致的響應趨勢.同時各含水組地下水水位對地面沉降的影響強度依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度分析的成果基本一致.因此,在調整地下水開發(fā)利用層次時應依照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大的全局搜索尋優(yōu)能力,優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡的初始權重,實現(xiàn)了遺傳算法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡的耦合.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測系統(tǒng),設計了操作性強的人機交互工作界面.相關程序僅在后臺執(zhí)行,不僅可對區(qū)內各監(jiān)測點的水位、開采量、地面沉降等信息進行高效管理,而且