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2015年 第21卷 第03期    刊出日期：2015-06-22

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环境地球化学

河流水-气界面碳交换研究进展及趋势

丁虎, 刘丛强, 郎赟超, 李思亮, 李晓东, 汪福顺

2015, 21(03):  275-285.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.008

摘要 ( 1139 )   PDF (730KB) ( 885 )  

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河流水-气界面碳交换是区域和全球碳循环的重要环节, 对陆地碳平衡核算和碳循环模型优化具有重要意义. 介绍了全球河流水-气界面碳交换研究的相关进展, 以及现有研究存在的问题, 并在此基础上提出今后相关的研究应关注不同地质-生态和人类活动干扰背景下河流及中小河流水-气界面碳交换, 要综合利用双碳同位素示踪、化学计量学、生物标志物等方法辨识河流系统中CO₂, CH₄ 及其他形态碳的来源和迁移转化过程, 同时还要利用野外原位观测、传统采样分析和室内培养的方法开展“水-土/沉积物-气”多界面碳交换的系统综合研究,揭示控制河流系统水-气界面碳交换的关键因子, 为相关预测模型的建立以及流域的科学管理提供依据.

嘉陵江梯级水库群溶解无机碳同位素的时空变化特征

李晓东, 刘小龙, 杨周, 李亲凯, 黄俊

2015, 21(03):  286-293.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.009

摘要 ( 1143 )   PDF (2542KB) ( 793 )  

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以嘉陵江流域及其梯级开发河段为研究对象, 通过在2008 年8 月(雨季) 及2009 年2 月(旱季) 进行密集采样, 分析测定了河水中溶解无机碳(dissolved inorganic carbon, DIC)含量及其同位素组成, 探讨了河水中DIC的来源及其季节与空间变化特征. 结果表明: 嘉陵江河水DIC 及其同位素^13C_DIC 组成的平均值, 雨季时为2 018 μmol/L 和−8.6‰, 旱季时为3 150 μmol/L 和−6.0‰, 二者均存在显著的季节变化; 嘉陵江水体¹³C_DIC 的值旱季(枯水期) 高于雨季(丰水期), 与自然河流的季节变化特征相似, 而与水库、湖泊不同, 表明嘉陵江梯级水库群水体“湖沼学反应”并不明显.

乌江梯级水库碳氮耦合的生物地球化学循环

王宝利, 刘丛强, 汪福顺, 刘小龙, 彭希, 赵颜创

2015, 21(03):  294-300.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.013

摘要 ( 1282 )   PDF (7861KB) ( 318 )  

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以乌江梯级水库及相关河段为研究对象, 对溶解CO₂和NO₃⁻ 含量的时空变化特征进行了研究. 溶解CO₂平均值为(113.6±105.7) μmol·L⁻¹, 变化为1.6934.6 μmol·L⁻¹; NO₃⁻ 平均值为(163.0±104.9) μmol·L⁻¹, 变化为0.4632.0 μmol·L⁻¹. 水库采样点溶解CO₂和 NO₃⁻ 的含量以及振幅均小于相应河流采样点. 由于来源及影响因素不同, 河流采样点CO₂和 NO₃⁻不存在显著性相关. 筑坝建库后, 水库浮游植物生物作用增强, 成为影响物质循环的重要因素. 光合作用和呼吸作用将C和N的生物地球化学循环耦合在一起, 致使水库CO₂和 NO₃⁻ 表现出显著性相关. 研究结果表明, 梯级水电开发显著改变了原始河流C和N的生物地球化学循环特征.

河流梯级开发对乌江中上游水体溶存N₂O 释放的影响

刘小龙, 汪福顺, 白莉, 李思亮, 王宝利, 刘丛强, 王中良

2015, 21(03):  301-310.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.012

摘要 ( 1175 )   PDF (2475KB) ( 430 )  

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当前河流筑坝导致水库释放温室气体N₂O 的问题已经引起了世界范围内的广泛关注,梯级开发河流N₂O  释放过程和机理的研究有助于准确评估河流N₂O  释放水平. 本研究选取了乌江中上游梯级开发河段, 采集了河水、库区表层水和水库下泄水样进行了相关地球化学分析. 结果显示, 乌江干流的梯级开发对水化学条件、氮化物以及N₂O  的释放产生了显著影响, 氮化物受到显著的拦截效应, N₂O 在库区附近的释放明显强于河流. N₂O  饱和度平均为347%, 均表现为大气N₂O 的释放源, 并受各水库自身库龄、营养状态和有机质等条件的影响.春夏季受水库内部氮的生物地球化学影响,具有较高的N2O释放水平. 温度、酸碱度(pH)和溶解氧(dissolved oxygen, DO)是影响N₂O 释放的关键因子, 对于库龄较老的乌江渡和东风湖来说, 有机碳埋藏和水库营养条件显著促进着N₂O  的释放, 而氮负荷水平并未表现出显著促进N₂O 的释放. 硝化作用是河流N₂O 产生的主要过程, 但是下泄水较高的NN₂O 含量说明库区底部反硝化作用具有重要的贡献. 全年河流水-气界面释放通量平均为0.33 μmol·m⁻²·h⁻¹, 下泄水的释放通量为0.64 μmol·m⁻²·h⁻¹, 水库表层水释放通量为0.43 μmol·m⁻²·h⁻¹. 与世界其他河流相比, 乌江中上游干流N₂O 的释放水平属中等水平, 主要控制因素可能是氮负荷水平和水体水化学条件. 然而, 下泄水体具有高于河流和库区表层水的释放通量, 需要引起重视.

三峡水库夏季干流、支流(草堂河)水体的二氧化碳分压及扩散通量

吴学谦, 操满, 傅家楠, 魏浩斌, 贾晓斌, 邓兵, 汪福顺

2015, 21(03):  311-318.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.010

摘要 ( 1168 )   PDF (3674KB) ( 533 )  

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2013年5—7月对三峡水库库区干流及支流草堂河水体CO₂分压(pCO₂ )进行走航观测. 结果表明: 夏季草堂河表层pCO₂ 为15.8226.4 Pa, 三峡水库库区干流表层pCO₂为198.8261.1 Pa. 对支流草堂河剖面监测发现, 表层pCO₂ 最低为15.8 Pa, 随着深度增加, pCO₂快速增加, 在水深5 m后逐渐稳定, 最大值为294.2 Pa. 通过计算, 支流草堂河在5, 6, 7月的CO₂通量分别为16.46, −4.91和30.85 mmol·m⁻²·d⁻¹, 库区干流CO₂通量为45.83 mmol·m⁻²·d⁻¹. 因此, 三峡库区干流表现为CO₂的“源”, 支流草堂河CO₂释放远小于库区干流, 6月份表现为“汇”.

数理化科学

Heisenberg 群上一类半线性方程的Liouville 型定理

张书陶, 赵琼, 韩亚洲

2015, 21(03):  319-330.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2013.07.052

摘要 ( 999 )   PDF (532KB) ( 706 )  

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结合向量场法的思想, 研究了Heisenberg 群上的一类半线性方程, 并给出不存在非平凡正解的Liouville 型定理. 首先, 利用Heisenberg 群上左不变向量场的对称性构造一类实泛函, 并通过恒等变形获得一些恒等式; 然后, 利用试验函数的性质, 结合Heisenberg 群上的极坐标公式、Young 不等式等技巧以精确估计, 进而证明任一非负解均恒为零.

二阶精度混合Legendre-球面调和拟谱方法求解Fisher 型方程

邓红梅, 黄伟

2015, 21(03):  331-335.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.01.038

摘要 ( 1095 )   PDF (2934KB) ( 623 )  

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提出了求解两同心球所介区域上Fisher 型方程的时间方向二阶精度的混合Legendre-球面调和拟谱格式. 该格式在半径方向选择Gauss 型的Legendre 插值逼近, 球面方向选择球面调和插值逼近, 而时间方向的导数采用二阶中心差商离散. 数值结果显示, 该算法具有较好的稳定性和较高精度.

一类具有年龄结构的SIRS 模型的全局稳定性

张仲华, 锁要红

2015, 21(03):  336-343.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.05.010

摘要 ( 1506 )   PDF (470KB) ( 546 )  

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建立了一类具有隔离措施及年龄结构的SIRS传染病(免疫期有限的传染病)模型, 定义了疾病的基本再生数, 并通过构造Lyapunov函数讨论了模型的平衡点的全局渐近稳定性.

椭球粒子的本征应变边界积分方程与局部Eshelby 矩阵

马杭1, 方静波2

2015, 21(03):  344-355.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.01.039

摘要 ( 1163 )   PDF (13792KB) ( 501 )  

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针对粒子增强材料的大规模数值模拟问题, 将局部Eshelby 矩阵的概念引入到本征应变边界积分方程计算模型中, 以解决粒子间的相互作用问题. 局部Eshelby 矩阵可以看作Eshelby 张量和等效夹杂物的概念在数值方面的一种拓广. 以全空间边界元子域法为参照, 利用计算模型对无限域中的若干椭球粒子进行了三维应力分析. 数值算例不仅验证了模型的正确性和方法的可行性, 也表现出较高的计算效率, 说明该计算模型和方法具有对粒子增强材料进行大规模数值分析的能力.

单向和双向行人流经过通道瓶颈的实验

杨雪, 陈立, 田欢欢, 董力耘

2015, 21(03):  356-363.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.04.008

摘要 ( 1279 )   PDF (10497KB) ( 562 )  

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通过实验研究了人群经过通道瓶颈时的自组织现象. 采用不同的瓶颈宽度和初始分布,分别进行了单向和双向行人流通过瓶颈的实验, 发现了瓶颈前人群呈类扇形的聚集形态、行人侧身通过狭窄瓶颈和振荡流等现象. 产生该现象的原因是由于行人具有同向跟随、异向避让的行为特征. 另外, 探讨了单向和双向实验在协同性、流量、单位宽度流量等方面的异同. 研究发现: 随着瓶颈宽度的增加, 流量随之增加; 单向实验的单位宽度流量先下降后增大, 而双向实验的单位宽度流量持续下降; 当瓶颈宽度小于肩宽时, 单向流的效率最高, 而当瓶颈宽度略大于肩宽时, 双向流的效率高于单向流.

翼型前缘微小平板的流动控制方法和数值模拟

董晓华1, 孙晓晶2

2015, 21(03):  364-369.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.01.015

摘要 ( 1112 )   PDF (6863KB) ( 494 )  

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提出了一种在翼型前缘前设置微小平板来抑制翼型上流动分离的新方法, 并通过自主研发的计算软件UCFD 对微小平板的流动控制进行了数值模拟. 首先研究了在攻角一定的情况下微小平板的长度、安装角、相对翼型的安装位置等对抑制翼型上流动分离效果的影响; 然后, 采用正交优化方法, 以翼型最大升阻比为优化目标, 得到了该小平板最佳的长度、安装角和安装位置等. 研究结果表明, 微小平板的设置对抑制叶片上的流动分离具有显著效果.

环境与化学工程

新型Gemini表面活性剂的合成及表面性能

董彬, 周陈秋, 刘亚飞, 张彰

2015, 21(03):  370-375.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.03.010

摘要 ( 1296 )   PDF (4064KB) ( 771 )  

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合成制备了4 种含有不同疏水基及联接基团的阳离子型Gemini 表面活性剂. 红外谱图分析和质谱表征显示, 产物与设计的目标分子结构基本一致; 表面张力的测试结果表明,产物的临界胶束浓度(critical micelle concentration, CMC)同传统的表面活性剂相比降低了12 个数量级, 且随着疏水基C 原子和联接基团的单元数的增加而下降; 乳化性能测试结果表明, 产物在高盐浓度下的乳化能力明显优于传统单链型表面活性剂.

含磷含氮酚醛树脂的合成与性能

胡林1, 余若冰1, 段家真1, 焦正2

2015, 21(03):  376-383.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.01.029

摘要 ( 1335 )   PDF (1584KB) ( 554 )  

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以含磷单体、三聚氰胺、苯酚和甲醛为原料, 合成了一种含磷含氮酚醛树脂(NP-PF).将NP-PF与F51环氧树脂复配并固化, 并对其固化特征进行了研究, 同时考察了固化物的耐热性能和阻燃性能. 研究结果表明: 高含量的NP-PF能够提高NP-PF/F51体系的固化速率;NP-PF/F51固化物具有良好的耐热性能; 在NP-PF/F51固化体系中加入少量Al(OH)₃, 能够达到UL94V-0级阻燃的效果.

温度对氯化胆碱/多元醇型低共熔溶剂物性的影响

何志强, 鄢浩, 王骑虎, 余兴露, 吴凯, 徐毅

2015, 21(03):  384-392.  doi:10.3969/j.issn.1007-2861.2014.03.005

摘要 ( 1686 )   PDF (1806KB) ( 1225 )  

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合成了4 种氯化胆碱多元醇型低共熔溶剂, 并在303～343 K 时分别测定了4 种低共熔溶剂的密度、黏度、电导率等物性随温度变化的规律. 结果表明: 4 种低共熔溶剂的密度随温度的变化均符合简单的线性关系, 黏度随温度的升高而下降, 电导率随温度的升高而快速增加; 无论是黏度还是电导率, 它们与温度的关系均较好地符合阿伦尼乌斯指数关系. 另外, 根据阿伦尼乌斯公式计算了4 种低共熔溶剂的黏度活化能和电导率活化能, 并采用循环伏安法测定了333 K 时4 种低共熔溶剂的电化学窗口.