第一作者：冯亮（Liang Feng），江西理工大学赣南实验室
论文全文：https://doi.org/10.1007/s11269-026-04605-3
01 背景介绍
洪涝灾害作为对人类影响最广泛的自然灾害，在夏秋两季频发，给人民的生产生活带来极大危害。但是传统水文测量与监测需要建立水文站并布置测量仪器，过程较为繁琐，耗费人力物力，并且在洪水期间面临仪器损坏和缺失数据的风险。因此需要探索出一种成本低廉、可远程操控、在洪水发生时仪器不易损毁，并且能够24小时无间断监测的水文监测方法。目前已有学者研究证明微震监测技术在河流水文监测方面的潜力，但缺乏在实际低流量河流反演监测中的应用。
02 文章亮点
近日，赣南实验室何桂春教授团队，联合江西省地震局赣州中心站、华东交通大学、意大利佛罗伦萨大学，在《Water Resources Management》发表研究论文，通过野外试验研究，分析了河流微震信号的物理特征，进而评估了利用微震技术监测低流量河流的潜力，并构建了一种利用微震信号反演低流量河流流量的经验模型。
图1.野外微震监测试验
基于仪器响应将微震信号电压时间序列转换为地面速度记录，采用Welch的重叠方法计算功率谱密度，以量化微震能量随频率的分布。将时间序列划分为若干重叠的片段，为了避免信号被截断时产生误差，利用Hanming窗对片段进行加窗，其中1s（200个样本）窗有50%的重叠，从而得到离散的1Hz频段，对每个台站的三个分量（E、N、Z）分别计算PSD，根据前人研究结果假设2–10 Hz频带的微震功率主要反映低流量条件下河流湍流过程，选取该频带用于后续分析与模型构建，采用线性最小二乘回归框架量化微震能量与河流湍流之间的关系。实验3的数据验证了2–10 Hz频带微震信号与流量的同步变化，支持微震功率与河流流量之间的线性关系。对于实验1、2、4，采用前10 min微震记录校准回归模型，后10 min用于独立验证。假定准稳态流量条件且无泥沙输运，给定频率f下预测流量Qpred(t)可表达为Qpred(t)= [Pf(t) − Pvf(t) − Nf] /af.。
图2.微震信号反演频率选择
基于2–10 Hz频带微震能量与流量的相关性，团队采用线性最小二乘回归模型从PSD反演流量。回归系数af表征各频带微震功率与流量的比例关系，采用前10 min微震数据校准，后10 min用于独立验证。实验1、2的反演流量（0.454 m³/s、0.548 m³/s）与实测值（0.444 m³/s、0.611 m³/s）吻合良好，平均绝对误差分别为0.030 m³/s与0.080 m³/s。实验3分钟尺度连续流量监测数据进一步验证了线性模型在稳定流动条件下的适用性。尽管在宽流量范围内微震功率与流量关系可能呈非线性，但针对本研究中低流量、小变幅（≈0.1 m³/s）、准稳态条件下，线性模型因参数少、物理意义明确、计算简便，可以提供有效、准确的流量反演。实验4中，因泥沙-河床相互作用引入较大微震能量，线性模型性能显著下降，平均绝对误差达0.237 m³/s，且分钟尺度波动增大。这表明，当泥沙-河床相互作用或外部噪声显著贡献微震信号时，简单线性关系可能失效。
图3.河流流量反演模型及误差分析
03 总结与展望
团队研究证明，在满足特定布设条件并认识方法局限的前提下，河岸微震监测可为低流量河流提供一种实用、非接触的流量估算方案。为在传统水文监测难以开展的小型、数据稀缺流域布设微震监测提供了基本过程的框架。通过区分湍流主导与泥沙影响的微震响应模式，为更合理的站点选择与方法应用提供了依据，推动了河流微震学在水资源管理中的应用实用性。
04 作者信息
冯亮 副教授
冯亮，2016年获得国家留学基金委资助公派留学攻读博士学位，2020年4月获意大利佛罗伦萨大学、德国不伦瑞克大学、意大利比萨大学及意大利佩鲁贾大学联合哲学博士学位，专业课程为环境、资源与安全，毕业后受聘于意大利佛罗伦萨大学地球科学学院，担任助理研究员，2022年起任江西理工大学副教授。主要从事矿山安全防控、地质灾害监测预警和微震人工智能大数据研究。主持和参与国家自然科学基金3项，在Engineering Geology、Landslides、Geophys. J. Int.、J Mt. Sci-Engl.等国际知名期刊发表学术论文18篇。
