人工降雨的特征范文
时间：2023-12-28 17:50:08
导语：如何才能写好一篇人工降雨的特征，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
效果。
关键词 人工液态水含量；人工影响天气；应用
中图分类号P4 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2015）145-0057-01
人工降水是一项先进的科学技术，它主要是对需要进行降水地区的云层实施降水技术。在人工影响天气作业中，云中液态水含量的相关数值很重要，它是决定是否能够进行人工降雨的重要因素。近几年，云中液态水含量在人工影响天气中的应用是气象研究者的研究热点，在研究过程中，运用有效的探测方法来研究云中液态水含量，并对该技术在人工降雨中的推广做出前景展望。下面我们就来具体分析一下。
1 云中液态水在人工影响天气中的意义
云中液态水可以保持大气中的水分收支平衡，它的分布特征与演变规律是气象研究者的研究重点。云中液态水的意义很深远，它并不是独立的个体，与其他水分子之间是相互作用的，并对全球气候的变化产生有重要的影响。在气象学与物理学研究过程中，云中液态水含量是比较重要的云物理参数，它是气象研究者研究云物理过程的主要参考，也是气象局进行人工降雨作业的重要指标。另外，云中液态水含量的高低可以直接影响人工降雨的效果，可见云中液态水在人工影响天气中的重要作用。
人工影响天气作业过程中，云中液态水含量包含过冷水含量，实际上过冷水含量在人工降雨过程中是很重要的参照指标，以我国北方进行人工降雨目标云系来说，主要将该云系分为三个层次，并且需要从上到下进行分层，主要有冰晶层、冰晶与冷水滴共存层、水滴层。其中，冰晶层主要在-25℃到-30℃之间的区域。另外，冰晶的浓度相对较高，经过凝华后增长到最高点会自由下落，自由下落的过程中会播种目标云系中间层的冰晶，从而形成冰晶与冷水滴共存层，这一层次的温度一般在零摄氏度以下，它是根据冰水的转化进而形成的，也可以说它有“饲养”冰晶的作用。在目标云系的最底层，由于过冷水滴比较繁多，相对成熟的冰晶通过对过冷水滴的获取逐渐开始变大，从而形成了雪花。目标云系中的水滴层，温度一般在零摄氏度以上，中间层的冰晶落入水滴层后由于温度的升高会融化成雨滴，雨滴在掉落过程中就会因相互摩擦而逐渐增大。通过以上的分析我们可以了解到，在目标云系中的中间层与最下层中，过冷水滴与云中液态水含量都与降水有着很密切的联系。
2 云中液态水的探测方法
为了更好的观测气候变化与灾害天气的发生，气象部门要有计划地测量云中液态水，这对更好的掌握人工降雨的指标也具有重要意义。云和雨在气象部门研究中变化指数都很大，并且具有一定的复杂性和多变性。所以，科研人员在进行云中液态水含量的探测过程中，难度也比较大。目前，我国气象部门的探究重点就是要及时、准确的探测出云中液态水含量，这将是一个巨大挑战。对于云中液态水含量的探测方法有很多种，运用比较多的探测方法为微波辐射计探测、卫星遥感探测、飞机探测与雷达探测。这四种探测方法各有利弊，在探测过程中要根据实际状况选择合适的探测方法才能够取得理想效果。
近几年，微波辐射计探测技术应用比较广泛，相对其他探测技术也比较成熟，在云中液态水含量的探测过程中，由于所需的探测时间比较长，所以需要探测技术具有很好的连续性。但是微波辐射计探测技术的缺点是获取的信息具有局限性，并不能全面、系统的探测出想要得到的相关数据。如果运用微型遥感探测技术来探测云中液态水含量，可以获取比较广泛的探测信息，而它的缺点则是会因为时间与空间影响分辨率，人工发出的作业要求不能及时回应，从而会延误工作进度。目前，只有飞机探测才可以直接探测到云中液态水含量，由于条件有限，我国的增雨飞机只有增雨一个用途，并不能做云中飞行探测工作。同时，在降雨过程中飞机并不能探测到整个降雨过程，针对云中水含量中的数据也无法进行探测，因此，如果气象局在人工降雨中有实时探测的需求，飞机探测是做不到的。
在对云中液态水含量进行探测过程中，只有雷达最能满足探测的需求，它不仅可以保证空间探测的连续性，还可以在所有空间范围内进行探测，在人工影响天气作业中雷达探测技术可以发挥出它的全部优势。近几年，雷达产品与探测技术相继被提出，在人工影响天气中被广泛应用，它可以准确的获取云中液态水含量，还可以实时的了解水含量在云中的分布状况，对人工降雨来说是一项重要的指标。根据研究表明，雷达技术可以从不同高度、不同角度探测出云中液态水含量，可以给人工降雨的区域实时的提供有效的数据，从而推动我国人工影响天气技术的不断发展。
1998年，我国新一代天气雷达网出现，它对于人工影响天气的作业有至关重要的作用。在垂直积分液态水含量被提出后，它可以直接的反映空中水资源的分布状态，因此为人工降雨工作带来重要的参考数据，从而也在人工影响天气作业中被广泛应用。经过反复的研究试验，可以了解到，虽然垂直积分液态水含量在目前被广泛的运用，但是它也有不足之处，它不能准确的分辨清楚云中降水粒子的性质，在整个云层中，垂直积分液态水含量主要是根据不同雨滴建立的雷法反射率因子和液态水含量获得的，根据云层的变化和降水粒子的不同，雷达所反射出来的因子和云中液态水含量中有不一样的关系，因此，垂直积分液态水含量在计算过程中就会存在一定误差。
3 云中液态水含量探测技术在人工影响天气中的应用前景
随着我国经济的发展，科学技术的水平也在不断进步，在气象研究中，雷达技术以及其他探测气象技术设备在不断的更新与完善，此后将利用高新技术精准的探测云中液态水含量。随着探测技术的不断完善，探测技术的准确度与连续性也相继提高，给人工影响天气的作业带来一定的参考价值。在目前来看，云中液态水含量的探测技术还存在许多问题，需要将不同的探测设备相互结合，弥补技术中的不足，这个问题也是未来气象研究员需要研究的重点。
4 结论
本文通过对云中水含量在人工影响天气中应用的分析可以了解到，气象部门要想更好的掌握人工影响天气的重要指标，就必须准确的探测出云中液态的水含量。除此之外，气象研究人员还需要利用相应的云中液态水探测技术，来准确的获取云中液态水含量。云中液态水含量的数据在人工影响天气作业中及其重要，因此要具有准确性。在未来的人工影响天气工作中，气象研究员要完善并运用云中探测高新技术，精确的探测出云中液态水含量，从而会在一定程度上提升气象部门人工降雨的效果，也可以大大满足人们对降雨的需求。
参考文献
[1]袁健，赵姝，张维全，等.云中液态水含量在人工影响天气中的应用[J].安徽农业科学，2011（1）：508.
篇2
关键词：斜拉桥；拉索；风雨激振
Abstract: from the field observation, wind tunnel test, the theoretical analysis and the CFD simulation four aspects to cable-stayed Bridges of vibration problems and the present study status of generalization and summarized, analyzed the existing research results, the research direction in the future was prospected for relevant researchers reference.
Keywords: cable-stayed bridge; The lasso; Rain excitation
中图分类号：U448.27文献标识码：A 文章编号：
1.引言
斜拉桥是一种由三种基本承载构件，即梁（桥面）、塔和两端分别锚固在塔和梁上的拉索共同承载的结构体系，以其结构受力性能好、跨越能力强、结构造型多姿多彩、抗震能力强及施工方法成熟等特点，而成为现代桥梁工程中发展最快、最具有竞争力的桥型之一，在桥梁工程中得到了越来越多的应用。进入二十世纪90年代以来，随着计算机性能的提高、正交异性桥面板制造工艺的成熟以及施工技术的进步，斜拉桥在世界范围内得到广泛应用，其跨径已经进入以前悬索桥适用的特大跨径范围。目前，世界约建成300多座斜拉桥，作为斜拉桥建设史上里程碑的日本的多多罗大桥（主跨890米）和法国的诺曼底大桥（主跨856米）首次使斜拉桥进入特大跨度桥梁领域。我国斜拉桥建设起步较晚，但发展迅速，自1977年建成重庆云阳桥（主跨76米）以来，目前已建成各类斜拉桥200余座，包括上海杨浦大桥（主跨602米）、南京长江二桥（主跨628米）、南京长江三桥（主跨648米）、香港昂船洲大桥（主跨1018米）等一批大跨度桥梁；2008年6月30日，苏通长江大桥（主跨1088米）正式通车，成为当今世界跨径最大斜拉桥，使斜拉桥跨度突破千米大关。
由于斜拉索质量、刚度和阻尼都很小，随着斜拉桥跨度的增大，拉索振动问题的影响日益显著。在各种振动情况中，风雨激振是拉索风致振动中最强烈的一种，且风雨激振的起振条件容易满足，振幅极大，对桥梁的危害最为严重，因而关于斜拉桥拉索风雨激振的研究得到了国内外学者的广泛重视。
风雨激振是指干燥气候下气动稳定的圆形截面的拉索，在风雨共同作用下，由于水线的出现，改变了拉索的截面形状，使其在气流中失去稳定性，由此发生的一种大幅振动。1984年日本学者Hikami和Shiraishi首次在Meikonishi桥上详细观察到了拉索的风雨激振现象，直径140mm的斜拉索在14m/s风速下振幅值达到275mm。1995年，美国的Fred Hartman桥由于斜拉索的风雨振动导致斜拉索的根部索套开裂。中国的杨浦大桥尾索在风雨共同作用下曾发生强烈振动其最大振幅超过1米，在1994年和1995年曾三次因拉索的振动而导致减振器脱落。洞庭湖大桥在2000年建成以来，发生多次较强烈的风雨激振现象。斜拉索发生大幅振动的危害是显而易见的，会引起拉索的疲劳，在索锚接合处产生疲劳裂纹，破坏索的防腐系统。严重的甚至会引起拉索的失效，而任何一根拉索一旦丧失承载能力，都会引起斜拉桥整体内力的重新分布，导致斜拉桥的整体失稳和破坏，造成严重的安全事故和巨大的经济损失。
2.研究现状
2.1.现场实测
现场观测是最早用于研究风雨激振的手段。它可以获得拉索风雨激振最准确的特征，为验证风洞试验和理论分析研究结果的真实性、可靠性提供宝贵的资料。
日本学者Hikami等对日本名港西(MeikoNishi)大桥的实测。20世纪80年代，在日本建造名港西大桥的过程中，发现了比较严重的风雨激振现象，Hikami等选取了其中24根索进行实测，对该桥进行了为期5个月的现场实测，并总结出了拉索风雨激振的如下特征：拉索仅在下雨情况下才出现大的振幅；只有倾斜方向与风向同向的拉索才会发生风雨激振；拉索风雨激振发生在一定风速范围内；拉索风雨激振的振动频率远小于涡激振动频率，而振幅则远大于拉索涡振的振幅；随着拉索长度的增加，发生风雨激振的拉索振型从低阶到高阶变化。风雨激振发生时拉索振型一般为1-4阶；拉索表面会形成水线，水线会随着拉索的振动而振荡。
Main和Jone对美国Fred Hartman桥的斜拉索风雨激振情况进行了现场监测。监测结果表明：大部分情况是处于无降雨状态，斜拉索振动幅值较小；少部分是在中等降雨情况下，斜拉索可能发生风雨激振，风速范围在4-14.5m/s之间；同时也得出一些与其他学者不一样的特征，在大雨情况下，极少数风速样本点（小于5m/s）伴随较大的加速度响应，不仅风向与中等降雨情况发生很大改变，而且其风向离散性非常大，最大差异将近180°。
Zuo等进一步对Fred Hartman桥的其中一根斜拉索的风雨激振进行了现场监测。这根拉索直径0.194m，长度197.9m，通过现场观测得到斜拉索在2-6阶模态都发生了风雨激振，其中2-4阶模态的振动幅值最大，发生风雨激振的风速段主要集中在5-10m/s，同时也观测到少量10-15m/s发生风雨激振的情况。将风速换成折算风速之后，认为风雨激振是发生在高折算风速的一种涡激振动。
陈政清等于2001年1月至2004年4月对岳阳洞庭湖大桥上进行了连续4年的风雨激振观测研究。监测结果表明：拉索进入稳定的大幅振动后，其波形犹如甩鞭状，可以认为至少在拉索中部一个相当大的范围内每个拉索截面都有几乎相等的振幅，拉索的这种振动形态很接近驰振的特征；降雨是拉索发生大幅风雨激振的必要条件，在无雨的条件下，即使是风速达到20m/s，洞庭湖大桥的拉索也几乎不发生振动，但是风雨激振与降雨强度却无明显的相关性，当降雨几乎停止时，由于拉索上源源不断有雨水流下，拉索仍在大幅振动，即只要有上水线存在，风雨激振就不会停止；在有雨条件下，起振风速约在6m/s―8m/s之间，当风速超过14m/s时，就有较强烈的风雨激振现象，在14m/s―20m/s范围内，振幅随风速增加而增加；靠近桥塔的4#、5#索，其倾角已达70度，也会发生明显的风雨激振。
通过研究国内外专家对风雨激振现场观测的结果，得出了一些结论：(1) 与拉索振动形态的关系。进入稳定的大幅振动后，其波形犹如甩鞭状，拉索表面会形成振荡的水线，表现为低阶振型。(2) 与环境参数的关系。风雨激振存在起振振动，只在一定风速范围内发生；在无雨情况下，很少观测到风雨激振，而且雨量为小到中雨情况观测到风雨激振次数最多。(3) 与拉索本身参数的关系。风雨激振的振幅大小与拉索的表面材料、长度、风偏角和倾斜方向等参数有关。
2.2.风洞试验
按照水线的模拟方法，研究风雨激振的风洞试验可分为两种类型：人工降雨试验和人工水线试验。
1. 人工降雨试验
人工降雨试验是在风洞内通过人工模拟降雨，提供与实际拉索发生风雨激振相类似的风雨条件，对通过弹簧悬挂在固定支架上的拉索节段模型进行的一种试验形式。
Hikami与Shiraish在日本名港西大桥发现风雨激振现象后，随即在风洞试验中重现了该现象，并在试验的基础上初步分析了拉索风雨激振的发生机理，认为拉索风雨激振有两种可能机理：一种是邓哈托驰振机理；另一种是类似裹冰输电线的弯扭两自由度驰振机理。
Matsumoto等也进行了一系列的人工降雨试验，研究了具有一定风向角和倾角的圆柱体在有雨和无雨情况下的气动特性，试图解释拉索风雨激振的机理。
M.Gu等在同济大学TJ-1风洞实验室成功地重现了拉索的风雨激振现象，这在国内尚属首次。通过试验研究了来流风速、拉索倾角和风向角、拉索振动频率、结构阻尼等对风雨激振的影响及拉索空间姿态对上水线位置的影响，测量了拉索风雨激振时的气动阻尼；另外对螺旋线控制拉索风雨激振的有效性进行了试验研究。
2. 人工水线试验
人工水线试验是在风洞内对带有人工水线的拉索节段模型进行的一种试验形式。根据人工水线与拉索的连接形式和试验的测量内容的不同，人工水线试验可分为：固定人工水线测振试验、固定人工水线测力试验、固定人工水线测压试验和运动人工水线测振试验。
固定人工水线试验可研究水线在拉索表面的位置、水线形状和水线大小等参数对拉索风雨激振的影响。可通过测力或表面测压得到带人工水线拉索的气动力与水线位置的相互关系，为进一步的理论分析提供试验依据。运动人工水线测振试验可模拟水线在拉索表面的运动，更真实地模拟实际拉索发生风雨激振时的运动现象，用于研究拉索振动和水线运动之间的耦合关系。
Yamaguchi对带有小圆柱体的大八面体柱体节段进行了一系列测力试验，试验得到了在不同d/D比值(这里d为小圆柱的直径，D为八面体圆柱体的平均直径)时圆柱体的三分力系数随风的攻角的变化规律。虽然Yamaguchi的试验模型与拉索发生风雨激振时的实际情况相差甚远，但得到的结果却使得进一步的理论分析成为了可能。
Matsumot对带人工上水线的圆柱体进行了测振和测压试验。研究了紊流度、上水线位置、风速、风攻角等参数对带人工上水线圆柱体的气动性能的影响，并测得了强迫振动时带人工水线拉索表面的压力分布。Matsumoto认为紊流度的增加可减小发生拉索风雨激振的可能性；人工上水线在某些位置可剧烈地改变拉索的气动性能。
同济大学是国内外较早进行拉索人工水线试验研究的科研机构之一。刘慈军等通过一系列固定人工水线测振风洞试验，研究了水线在拉索风雨激振中的作用，分析了风向角、拉索质量、拉索振动频率、拉索结构阻尼及St数等参数对拉索风雨激振的影响。彭天波在风洞中采用测力天平测得了带固定人工水线拉索节段模型在不同风攻角时的气动力，进而得到了模型的升力阻力系数随攻角变化的曲线，并对气动力进行了谱分析。吕强设计了大小不同的两种形状的人工水线，通过测力天平得到固定人工水线拉索模型的气动力随上水线位置的变化曲线。黄麟在固定人工水线试验的基础上设计了运动人工水线的试验装置，研究了水线振动与拉索运动之间的耦合关系，分析了风速、水线平衡角和阻尼比等参数对拉索振动的影响，并在频域上比较了固定水线模型与运动水线模型振动的区别。杜晓庆通过拉索表面测压试验，研究了水线位置、风向角、下水线、水线尺寸和风速等参数的影响，并且得到各种参数下上水线表面的风压分布规律，通过表面压力的积分得到了带固定人工水线三维拉索的气动力和水线上的气动力。
哈尔滨工业大学的李惠，陈文礼研究了一套实时监测斜拉索风雨激振时其表面水线特征的超声波测厚系统，进行斜拉索风雨激振风洞试验，分析不同风速下斜拉索的上水线状态，研究了上水线几何特征与斜拉索风雨激振之间的关系，揭示斜拉索风雨激振与上水线振荡频率、振动幅值、平衡位置和相位之间的相关性。
通过分析不同研究者人工模拟降雨风洞试验的成果，可以得到一些共同点：风雨激振风速一般为6-18m/s，雨量一般为小到中雨，通常发生风雨激振的斜拉索是沿风向向下的方向，拉索直径一般为100-200mm，下水线对风雨激振的影响较小；斜拉索风雨激振主要发生在面内，也存在一个面外分量，风雨振动的频率一般为0.6-3.4Hz，在斜拉索表面形成上下两条水线，沿索表面向下流动，上水线沿斜拉索模型环向振荡，振荡频率等于模型的自振频率。
拉索风雨激振现象机理非常复杂，受各种因素影响，例如：拉索倾角、来流风速、来流方向、来流紊流度、拉索的振动频率、拉索阻尼、降雨量、拉索线质量等。现场实测虽然能获得拉索风雨激振最真实的特征，但无法对各种影响因素进行参数分析。为系统研究风雨激振的机理，风洞试验可以重现风雨激振的一些基本特征，还可研究振动控制措施的有效性。
2.3.理论分析
目前关于斜拉索的风雨激振问题形成机理大致可分为如下几类观点：
1. 驰振机理
日本的Hikami与Shiraishi1985年在Meiko.Nishi桥最先观测到风雨激振现象。随后他们通过一系列的人工降雨风洞实验再现了这一现象。他们在实验的基础上初步分析了风雨振的发生机理，认为风雨激振可能有两种机理：一种是Den Hartog驰振机理；另一种是弯扭两个自由度驰振机理。
2. 上水线振荡诱发机理
H.Yamaguchi在进行带固定人工水线拉索三分力实验基础上，最早进行了理论分析，对于Hikami提出的两个可能的机理，Yamaguchi采用准定常驰振方法进行分析，建立拉索和水线两自由度运动方程。分析认为单自由度Den Hartog驰振理论不能解释风雨振的形成机理水线是风雨激振不可缺少的条件，当水线的振荡频率接近于拉索的自振频率时，水线与拉索之间的相互作用导致斜拉索产生负阻尼，引发斜拉索发生大幅振动，应该把风雨激振作为一个两自由度驰振问题来研究，通过分析发现水线的形状和位置的变化会改变拉索的气动稳定性。
Xu&Wang,Wang&Xu在Yamaguchi的基础上提出单自由度分析模型，将气动力升力表示成拉索竖向运动速度、水线角度和角速度的函数，将拉索速度项移至方程左边（气动阻尼项），右边则剩下水线的运动项，风雨激振变为在水线运动荷载下的受迫振动，但没有考虑拉索运动对水线的振幅和频率的影响。对于移动水线情况，由于水线与拉索以及来流之间的相互作用导致气动阻尼发生交替的变化，从而引发风雨激振。Wilde&Witkowski在Xu&Wang单自由度模型中考虑了水线振荡幅值随风速的变化关系。
Peil, U.& Nahrath, N在Yamaguchi两方程驰振模型的基础上，建立一个三自由度模型，增加了斜拉索顺风向振动进行分析，假设斜拉索受到的气动力矩全部作用到水线上，并且通过实验研究了索结构风雨激振，认为上水线的运动是导致风雨振的主要原因。
Seidel等将水线看作是移动干扰，考虑斜拉索表面存在两条水线，建立了六个耦合方程组，分别表示斜拉索和两条水线横风向和顺风向运动。由于水线的存在，圆柱表面被分成不同压强区域（亚临界和超临界），通过积分得到气动升阻力系数，气动升阻力表示成水线角度的函数。Seidel等指出当风速大于某个限制，流动不存在转变，这时不会发生风雨激振；发生风雨激振的速度下限是由风偏角和拉索倾斜角决定的。
3. 上水线特定位置致振机理
Masumoto对带人工上水线的圆柱进行了测振和测压实验。研究了紊流度、上水线位置、风速、风攻角等参数对该模型的气动性能的影响，并测得强迫振动时带人工水线拉索表面压力分布，提出了上水线在某些位置可剧烈改变拉索的气动性能。
Xu&Wang,Wang&Xu认为对于静止水线情况，拉索大幅值振动的发生是由于水线处于某些特定位置使得拉索产生负的气动阻尼造成的。
国内，顾明和杜晓庆建立了三维拉索风雨激振的准二自由度运动方程，气动力系数根据带人工水线三维拉索模型试验得到，分析了水线平衡位置和水线振幅的取值，采用数值求解方法计算了拉索风雨激振振幅。顾明、黄麟、刘慈军等通过人工水线风洞测振试验研究，得出了水线特定位置是引起索结构大幅振动的主要因素的结论。
4. 涡激振动机理
Delong Zuo揭示了风雨激振与高风速下干索涡激振动之间的联系，认为风雨激振的内在机理与涡激振动的相同，与降水无关。由于风偏角和拉索倾角的存在使得这种涡激振动不同于经典卡门涡脱，是一种三维涡激振动。
5. 轴向流与水线间的气液耦合现象引发振动机理
Masumot提出了轴向流理论，认为拉索上部形成的水线和拉索背风面的轴向流是拉索结构发生振动不稳定的重要因素，轴向涡流与上水线的气液耦合现象是拉索风雨激振的关键所在。
2.4.CFD数值模拟
风工程的研究方法主要有风洞试验、现场测试、理论分析和数值模拟四种，其中数值模拟是最近30年在前三种方法的基础上逐步发展起来的，下面的介绍为CFD技术在拉索风雨激振方面的相关研究。
高仕宁选取雷诺应力(RSM)模型，应用CFX软件分别对位于拉管不同位置的水线和不同尺寸的水线的情况做数值模拟，得出拉管表面压力分布、升力系数、阻力系数的变化规律，并与前人的试验数据进行了对比。李寿英和顾明采用CFX软件对带固定人工水线斜拉索的绕流进行数值模拟，选取两种人工水线，计算了倾角为30°、风攻角为35°时带固定人工水线拉索的阻力系数、升力系数、表面平均压力系数、固定人工水线上的气动力等，并与试验结果进行比较。Rocchi D和Zasso A 选取大涡模拟（LES）模型，使用FLUENT软件，对固定水线位置的拉索进行了模拟，并得出一些有益的结论。陈文礼和李惠提出物理试验与CFD数值模拟的混合子结构方法，通过与圆柱涡激振动的流固耦合方法结果进行比较，分析了上水线对绕流场特性的影响，然后采用有限元程序ANSYS和计算流体动力学程序CFX对考虑风速剖面的CFRP斜拉索涡激振动进行流固耦合方法的CFD数值模拟。
3.结语与展望
本文参考各类文献，对斜拉桥拉索风雨激振问题进行了系统总结, 并对今后的设计研究提出展望。总结如下:
在现场观测和风洞试验方面，未来的研究应更加关注水线的形成及其在风雨激振中的作用，精确测量不同拉索运动状态下的水线形状和位置，为理论分析和数值模拟提供基础。
在理论分析方面，虽然国内外很多学者和专家提出了各种理论模型和数值解析方法分析风雨激振发生机理，但是迄今为止还是没有一种大家公认的对斜拉索风雨激振的发生机理能够完全解释清楚的模型，对设计工作也无决定性的指导意义，今后的研究应侧重于风雨激振的轴向流、风场与水线间的气液两相耦合现象以及风场、水线与拉索间的气液固三相耦合现象的研究，结合桥梁设计、监测对风雨激振机理进行更加深入和精细化的研究。
目前的CFD数值模拟中主要集中于绕流现象和涡激振动的研究，风雨激振的数值模拟主要针对固定水线位置的分析，以下问题有待进一步解决：(1) CFD中风雨（气液）两相流对水线形成过程的研究需要进一步探讨；(2) CFD中风雨条件下与斜拉索的耦合振动（气液固三相）问题需要进一步阐述；(3) 风雨激振的轴向流的数值模拟需要进一步实现；(4) CFD中考虑超长跨斜拉索下垂影响，在风速剖面作用下的风雨激振的现象需要进一步解释。
参考文献：
[1] 刘慈军. 斜拉桥拉索风致振动研究[D]. 上海：同济大学，1999.
[2] 陈文礼. 斜拉索风雨激振的试验研究与数值模拟[D]. 黑龙江：哈尔滨工业大学，2009.
[3] 高仕宁. 拉管结构绕流的数值模拟及理论分析[D].大连：大连理工大学，2009.
[4] 陈文礼. 斜拉索风雨激振的试验研究与数值模拟[D]. 黑龙江：哈尔滨工业大学，2009.
篇3
从学生的知识储备上来看，学生已经了解了很多有关CO2的现象和知识。从学生心理特征上来看，初三的学生正处于青春期，对外界事物及现象充满了好奇心。他们对化学的兴趣逐步由直觉兴趣——操作兴趣——具有因果关系的兴趣向具有概括性的认知兴趣迁移。往往通过自主探究来了解一类物质的规律知识，甚至为此要求进行一些创造性的实验和观察活动。从学生获得知识与技能方面看，什么叫实验探究、如何实施实验探究是学生不熟悉的。因而，在教学中教师要有意识地培养学生的探究能力，使学生初步认识科学探究的过程、方法和意义。
教学目标
知识与技能：能说出二氧化碳的主要物理性质和化学性质；能用二氧化碳的性质解释生活中常见的现象；再次练习固体、液体药品取用等基本操作。
过程与方法：通过对二氧化碳的性质、用途等有关知识的探究学习，使学生体会获得知识的过程，使学生学会科学探究的方法，从而培养学生的科学素养。通过相互交流、探究式的学习方式，使学生产生科学探究的兴趣，从而产生学习化学的强烈愿望。
情感、态度与价值观：培养学生从生活视角观察二氧化碳的存在及用途，再从社会视角分析其使用，体会化学与社会的关系；在探究活动中，感受合作学习、研讨、理论联系实际的重要性，创设学术氛围、渗透科研方法，养成严谨求实的科学方法观。通过对温室气体之一的二氧化碳的介绍，增强环境保护意识，并且有意识辩证地看待问题。
教学重点与难点
探究二氧化碳与水反应，使学生认识二氧化碳的化学性质和掌握相关反应方程式。
教具学具
实验用品：烧杯、集气瓶、铁架台、试管、矿泉水瓶、喷壶、纸花、蜡烛、阶梯、毛玻璃片、火柴；盐酸、石灰石、水、石蕊试液
教学媒体的准备及使用环境
媒体的准备：幻灯片的制作，上网查找干冰升华、人工降雨视频
媒体使用环境：多媒体教室
本节课提供了大量实验平台，让学生在实验的基础上进行化学知识的学习，但有的实验在现有条件下无法完成，例如，干冰极不易保存，所以干冰升华、人工降雨实验在课上完成起来有困难。本节课我利用网络资源，找到干冰升华、人工降雨的视频，在课上播放，不但节省时间，而且效果非常好。多媒体展示自然、生动，使学习者易于接受，有利于激发和维持学生学习兴趣，帮助学生实现由感性到理性认识的飞跃。学生通过对多媒体提供的大量信息进行认真观察、思考，感知教材，既提高了课堂教学效率，又实现了化学教学的整体优化。因此，通过多媒体资源与课堂教学的整合，可以提高学生的学习动力，减轻学生的学习负担，使化学教学充满生机和活力。
教学过程
导入新课
猜谜语：农民伯伯说我是庄稼的粮食；消防队员说我是灭火先锋；环境学家说我是温室效应的罪魁祸首。谜底：二氧化碳。
设计意图：创设情境，激发兴趣。
设问：你还知道其他有关二氧化碳的事情吗？
教师首先通过图片展示二氧化碳循环图，介绍固态二氧化碳——干冰，然后通过视频播放干冰升华、人工降雨的过程，讲解人工降雨的原理。
设计意图：渗透生活中处处有化学，激发学生探求新知的兴趣。
环节一：二氧化碳的物理性质
学生通过肉眼无法观察到密度和溶解性，于是教师演示纸天平实验，并指导学生亲手做二氧化碳溶于水实验，学生分析实验现象，得出结论：二氧化碳密度比空气大，能溶于水。
设计意图：培养学生观察实验、分析问题能力。
环节二：二氧化碳的化学性质
在二氧化碳溶于水的过程中，有没有发生化学变化呢？教师通过实验总结化学变化的判断标准；是否有新物质生成；反应物是否减少。
设计意图：总结判断化学变化的依据，使学生形成阶段性总结的意识，拓展思维。
引导学生探究实验：取少量瓶中液体于试管中，滴加石蕊试剂，石蕊变红。是什么使石蕊变红的？分析瓶中液体的成分：水、二氧化碳、新物质。
结论1：二氧化碳与水反应生成了一种酸——碳酸：
H2O+CO2==H2CO3 。
演示实验：加热变红的小花又变回紫色。
结论2：碳酸不稳定，受热立刻分解，变成了二氧化碳和水：H2CO3== H2O+CO2。
设计意图：学生在探究二氧化碳的过程中，体验了一次完整的实验探究过程，学生在明确了化学实验探究过程的同时，也提升了实验探究的能力。
演示实验：检验碳酸饮料中的二氧化碳，现象：石灰水变浑浊了。
结论3 ： 二氧化碳能与石灰水反应：
Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O。
教师在此时提醒学生碳酸饮料会腐蚀牙齿；饮料中的磷酸影响钙和铁的吸收，造成缺钙和贫血。
设计意图：渗透生活中处处有化学，激发学生探求新知的兴趣。
讲述和设疑：在实验室制取二氧化碳时，这个反应可以用来检验二氧化碳气体。那么如何验满呢？
学生回答：用燃着的小木条，小木条熄灭。
结论4：一般情况下，二氧化碳不能燃烧，不支持燃烧，不供给呼吸。
设计意图：用学生已经熟悉的知识引出本节课新知识，过渡自然，学生易于接受。
教师播放视频：检验久未开启的菜窖是否能下去；进山洞用火把照明更安全。在久未开启的菜窖，干涸的深井等处一定要防止二氧化碳含量过高而危及生命。怎样测试菜窖里二氧化碳的含量过高？
演示实验：倾倒二氧化碳灭蜡烛实验
设计意图：应用所学知识解释生活现象，拓展视野，将课本上的知识应用于实际生活，渗透生活中处处有化学。
环节三：二氧化碳的用途
根据二氧化碳的性质，总结二氧化碳的用途。
设计意图：传递化学理念：物质的性质决定用途，用途反映物质的性质。
环节四：了解温室效应
CO2具有很多用途，那么在空气中是否越多越好呢？展示温室效应图片，让学生感受温室效应的危害。
设计意图：培养学生辩证地看待问题的思维，辩证地看待二氧化碳气体的利与弊，增强环保意识。
环节五：小结
教学反思
1.纵观本节课，信息技术与化学教学的有效结合，提高学习的效果和效率，促进学生对课程知识的深度理解和灵活运用，促进学生解决问题以及创造能力的发展。同时培养了学生应用信息技术的能力、对信息内容的理解与批判能力以及处理并运用信息的能力。
2.以实验为载体，以问题为导向，巧设化学情境，设疑启思，激发学生的好奇心，培养学生创造力。教学实践充分证明学起于思、思起于疑、疑能生惑。因此，本节课，从猜谜语引入开始，我的每个环节都从问题开始，利用设计的演示实验或学生实验，以解决问题结束，使学生始终处于主动学习和不断探究思考的过程中，培养其创造力。同时，让学生体验解决问题后带来的快乐与成就感，为创新性学习提供源源不断的动力。
篇4
关键词：前期土壤含水率；坡度；降雨产流；土壤入渗率；裸地
中图分类号：P334.2文献标志码：A文章编号：16721683（2016）06000606
Rainfall runoff test on bare soil with different slope gradient and soil moisture content
MU Wenbin1，2，LI Yihao1，3，LI Chuanzhe1，LIU Jia1，CHENG Shuanghu4，ZHAO Nana5
（1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources
and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.The Yellow River Institute of Science，North China University
of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045，China；3.School of Environmental Science and Engineering
Donghua University，Shanghai 200051，China；4.Hebei Survey Bureau of Hydrology and Water Resources，
Shijiazhuang 050031，China；5.Institute of Wetland Research，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China）
Abstract：Antecedent soil moisture content and slope gradient are significant influential factors for rainfallrunoff （RR） process.In order to study the RR mechanism of semiarid region in the North China，artificial RR simulation test was carried out in the condition of different slope gradient and antecedent soil moisture content.According to the results：（1） In the whole RR process，the overland flow increased with the increase of antecedent soil moisture and slope，and the relationship between cumulative runoff and rainfall duration complied with a linear function.（2） Soil infiltration rate and runoff lag time decreased with the increase of antecedent soil moisture content and slope，and the influence of antecedent soil moisture on soil infiltration rate and runoff lag time was more obvious than that of slope.（3）Horton model was better than Kostiakov and Philip model in fitting the relationship between rainfall and infiltration.
Key words：antecedent soil moisture content；slope gradient；rainfallrunoff；soil infiltration rate；bare soil
随着人类活动和气候变化影响的加剧，各种气象灾害频繁发生。作为我国粮食主产区的华北地区，面临着降水变率大、区域洪涝灾害频发等严重问题。因此，正确理解华北半干旱地区的降雨产流特性对准确选择或建立有效的水文模型至关重要 [12]。目前，国内相关学者对降雨产流机理的研究主要集中在黄土高原地区，如王占礼等[3]采用人工模拟降雨试验法对黄土裸坡降雨产流过程进行了研究；孔刚等[4]利用室内人工降雨试验，研究了黄土坡耕地土壤初始含水率对坡面降雨入渗、产流、溶质迁移规律的影响；陈洪松等[5]通过对黄土高原区坡面降雨入渗、产流的研究，表明产流时间主要取决于土壤初始含水量；王辉等[6]研究了黄土区前期土壤含水量对不同土壤坡面降雨入渗、产流和产沙特性的影响。然而针对华北半干旱区大田土壤的降水产流机理研究还相对较少，因此，本文基于华北半干旱区的土壤特性，以比重较大的砂壤土为研究对象，采用人工模拟降雨的方法，研究了降雨产流过程中坡度和前期土壤含水率对产流的响应机理，从而为华北半干旱区降雨产流过程研究提供数据支撑和理论依据。
1材料与方法
1.1试验材料
试验采用自行设计的土槽，长×宽×高=200 cm×50 cm×60 cm，土槽坡度可在0～25°之间自由调整。土槽上端以及底部均布设有导流装置，分别用以观测地表径流和壤中流。土槽顶端四周内侧安装10 cm高的铁片，防止雨滴溅蚀及表层水土的侧向冲刷流失。同时，土槽前端出口的纵剖面用铁质的百叶窗封装，并在百叶窗内侧铺设一层纱网，防止降雨过程中土壤侧漏（见图1）。
降雨产流试验所用的土壤取自北京市大兴区中国水利水电科学研究院试验基地，土壤质地为砂壤土，并于2012年3月对试验土槽进行填装。装土前筛去土壤中的杂物，经10 mm的滤网过滤后风干，每隔5 cm进行分层装土，土壤填充高度为50 cm，基本为同性、均质的土壤[7]。本试验于2015年8月进行，所用土槽中的土壤已经沉积3年多的时间，其性状与大田土壤特性相似，基本参数见表1。
试验中采用的美国Decagon公司生产的电容式土壤水分传感器EC5，通过测量土壤中的介电常数来计算土壤体积含水率，测量精度可达到±1%～2%[1，7]。土壤水分数据采用EM50数据采集器（采集时间间隔的可调整范围为1～1 440 min）进行采集。
1.2 试验方法
降雨产流试验于中国科学院水利部水土保持研究所的人工模拟降雨大厅进行。试验设定三种不同坡度（5°、10°和15°），每种坡度分别在前期土壤含水率为020、025和030时进行试验，且每组均进行一组重复试验，降雨历时均为120 min。相关研究指出[812]，雨强较大时，前期土壤含水率对产流的影响不明显，故本试验采用较小的雨强进行试验，标定雨强为25 mm/h。各场次降雨的具体雨强和前期土壤含水率见表2。
试验采用人工计量的方式对降雨过程中的地表径流进行观测，在产流过程中每隔3 min采集一次径流样，降雨停止后的退水过程每隔1 min采集一次。降雨过程中土壤含水率的变化使用EM50数据采集器实时采集，采集时间间隔为1 min。
2 结果分析
2.1 前期土壤含水率和坡度对产流量的影响
前期土壤含水率相同、不同坡度条件下的降雨产流过程见图2。由该图可知：当前期土壤含水率相同时，产流量随坡度的增加而增大，这与王占礼等[3]的研究结果相一致。当前期土壤含水率θ=020时，三种坡度的产流量均未达到稳定，且坡度从5°增加到15°时，产流量增加了144%；在θ=025和θ=030的条件下，则均在产流后30 min内达到稳定产流，且坡度每增加5°，稳定产流量约增加10%。然而，在前期土壤含水率为025时，坡度为15°的产流量却小于坡度为10°和5°的产流量，原因是坡度为15°的土槽由于人为因素造成土壤表面出现裂缝，使得坡度为15°的土槽降雨产流过程受到了影响。
坡度相同、不同前期土壤含水率条件下的降雨产流过程见图3。由该图可知：坡度相同时，前期土壤含水率越高，产流量越大。这是由于随着土壤含水率的增高，土壤入渗能力不断降低，进而使产流量不断增大；在相同坡度下，不同前期土壤含水率下产流量的增加速率差异较大，前期土壤含水率θ=020时，产流后径流量增加缓慢且降雨过程中未达到稳定产流。而θ=025和θ=030时，产流后径流量迅速增加至稳定状态；相同坡度下，前期土壤含水率从025增加至030，稳定产流量约增加10%。
不同坡度和前期土壤含水率的降雨产流试验，在起始产流至产流刚达到稳定的时段内，单位时间产流量与产流历时呈现对数函数y=aln（x）+b关系（见表3）。
2.2 不同坡度/前期土壤含水率对累积径流
量的影响分析 对不同坡度和前期土壤含水率的累积径流量进行回归分析发现：在产流过程中累积径流量几乎均呈线性变化趋势，其确定性系数均在09以上（见表4），且均通过显著水平α=001的方差分析和检验。表4中参数a和b分别表示拟合曲线的斜率和截距。通过对比不同条件下斜率a可发现：累积径流量的变化速率整体上随前期土壤含水率和坡度的增加而增大。然而，在前期土壤含水率为025时，坡度为15°的斜率值明显小于5°和10°，其原因是由于土壤表面出现裂缝，使得在降雨过程中土壤入渗总量变大，导致累积径流量增加缓慢。
2.3 不同坡度/前期土壤含水率对产流滞时
的影响分析
坡度和前期土壤含水率是影响产流滞时的两个重要因素[1316]。不同坡度和前期土壤含水率对产流滞时的影响见图4。试验结果表明：相同坡度下，前期土壤含水率越高，产流滞时越短。在前期土壤含水率θ=020时，三种坡度的产流滞时均在70 min以上，而在θ=025和θ=030时，均在35 min以内产流。对比不同坡度与前期土壤含水率下的产流滞时可以发现：前期土壤含水率对产流滞时的影响较坡度更加明显，这与陈洪松等[5]的研究结果相一致。
2.4 不同坡度和前期土壤含水率对土壤入
渗率的影响
土壤入渗率是描述降雨条件下坡地水文过程的一个重要指标，其变化可影响径流的形成过程[1721]。为研究降雨过程中土壤入渗率的变化特征，本文采用水量平衡的方法，对不同坡度和前期土壤含水率下的土壤入渗率进行计算。不同坡度和前期土壤含水率条件下土壤入渗率曲线见图5。从图5可以看出，降雨开始后，土壤含水率随着降雨历时的增加而增大，然而，由于降雨强度小于土壤入渗率，致使降雨全部入渗，无地表径流产生，因此入渗曲线在地表径流产生前是一条直线；当土壤入渗率小于降雨强度时，开始产生地表径流；当土壤含水率达到田间持水量时，此时土壤入渗率趋于稳定。同时，在相同坡度下，前期土壤含水率越大，土壤入渗率曲线越陡、下降速率越快。
采用传统的降雨入渗模型Kostiakov模型[22]、Horton 模型[23]以及Philip 模型[24]对不同坡度和前期土壤含水率下的降雨入渗关系进行回归分析（见表5）。结果发现，不同降雨条件下，Horton 入渗模型拟合结果较好，而Kostiakov 模型和Philip 模型的计算结果精度相对较低。从而说明，对于试验区域的砂壤土而言，Horton入渗模型用以估算土壤入渗率以及入渗量具有较好的适应性，该结论与相关学者[1，2，7]的研究结果一致。
3 结论
本文采用人工模拟降雨的方法对华北半干旱区裸地不同坡度和前期土壤含水率条件下的降雨产流过程进行了试验研究，结果如下。
（1）径流量随坡度/前期土壤含水率的增加而增大，在起始产流至产流刚达到稳定的时段内，产流量与产流历时呈现对数关系；产流过程中，累积径流量与降雨历时呈现线性关系。
（2）在降雨产流过程中，坡度和前期土壤含水率越大，产流滞时越短，且前期土壤含水率对产流滞时的影响较坡度更加明显。
（3）土壤入渗率随产流历时的增加而不断减小。在相同坡度下，土壤入渗率的变化趋势受前期土壤含水率的影响较大，其变化速率随前期土壤含水率的增加而增大；同时，与前期土壤含水率相比，坡度对土壤入渗率的影响程度则相对较低。
（4）采用Kostiakov模型、Horton 模型以及Philip 模型对不同坡度和前期土壤含水率下的降雨入渗关系进行回归分析发现，Horton 模型的模拟结果优于其它两种模型。
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篇5
关键词：坡耕地；养分流失；优先流；壤中流；地下径流
作者简介：刘 海（1984―），女,山西榆社人,西南林业大学环境与工程学院硕士研究生。
通讯作者：陈奇伯(1965―)，男,甘肃通渭人,博士,教授,主要从事土壤侵蚀与流域管理方向的科研与教学工作研究。
中图分类号：S152.7
文献标识码：A
文章编号：16749944(2011)10009904
お
1 引言
坡耕地作为山区落后生产条件下人口与资源矛盾冲突中出现的产物,是重要的农业生产资源,其养分随水土流失进入河流及湖泊,使得水体富营养化。到20 世纪70 年代初坡耕地养分流失问题才引起人们的重视。湖泊的严重污染和肥料投入的增加都是养分迁移造成的,据统计,农业非点源污染已占中国全部污染的1/3,并有继续恶化的趋势[1],研究发现造成水体污染的真正根源是土壤养分的流失[2]。前人对养分随地表径流流失做了大量的研究工作,而对土壤养分随地下径流流失研究则较少,对优先流、壤中流等水分运动过程影响养分流失的研究还处于探索阶段。因此全面认识水分运动对养分流失的影响,能够有效减少土壤养分流失,防止面源污染。オ
2 坡耕地养分流失特征、途径及影响因素研究
降雨作用于表土,从而引起坡耕地养分流失,其与区域降雨过程密切相关而具有随机性，养分流失随径流进入水体且遍及广大地区而具有广泛性，养分流失在某个固定点无法监测到而具不确定性,随时间空间变化幅度大而具时空性,因养分流失达到一定数量,才反映土壤的贫瘠和退化而具滞后性与潜在威胁性,养分伴随径流产生分布于径流和泥沙中,使得监测、控制和处理的难度增加而具复杂性[3~4]。
土壤养分流失是受降雨特征及下垫面因素综合影响的物理化学过程,土壤养分淋失,土壤养分流失及通过气态挥发或粉尘进入大气是其3个主要途径。李俊波认为土壤养分流失途径为径流泥沙携带和径流水携带[5]。前人从不同角度认识养分流失途径,得到大量研究成果。近年来氮素淋失的研究受到众研究者广泛关注,国外采用同位素示踪等技术研究氮素淋失很多,氮素流失较少,二者相结合的研究更少。我国北方主要集中在降水条件和灌溉水对土壤氮磷淋失影响的研究，南方地区主要集中在红壤养分淋失规律及水稻土氮素流失的研究。
养分流失的特征及途径决定了其影响因素的多面性。降水是产流和产沙的原动力,径流又是携带养分的介质,所以降雨强度是坡耕地养分流失的主要影响因素之一[3,6],而降雨时间、地面坡度、坡长、土壤的理化性质、作物覆盖度、土地利用方式、整地方式等下垫面因素直接影响到坡面径流,故也是影响养分流失的主要因素。前人在人工降雨法或自然降雨条件下就不同影响因素展开地表径流造成的养分淋失、流失规律的研究[7-27],但通常把淋失与流失分开研究,使全面评估农田养分流失对面源污染的影响受到局限。オ
3 土壤水分运动对坡耕地养分流失影响研究
3.1 优先流对坡耕地养分流失的影响研究
优先流是近年来针对土壤水运动所提出的术语,是一种较为常见的快速非平衡的土壤水分运动形式[28,29],作为快速到达深层土壤甚至地下的非均匀流,极大地影响了地表径流、地下径流的形成和运动过程与养分流失过程,诱发泥石流、滑坡及崩塌等灾害事件形成,其所运移的溶质会造成严重的地下水质恶化[29]。优先流现象作为土壤水分一种特殊运动形式成为当今世界水文学研究的重点和难点问题之一[30]。
目前优先流对坡耕地养分流失的影响的研究在国内报道较少,众学者从优先流的特征及影响因素进行研究[29~32],认为由于入渗水没有充分时间与土壤基质缓慢运移的其他部分保持平衡,使优先流在流动路径具有非平衡性。影响优先流的静态因素主要是土壤理化性质、生物因素和土壤初始含水量,动态因素为降雨强度、灌溉方法、耕作方式及干湿和冻融交替4个方面。一般呈聚集状分布的土壤大孔隙作为土壤中优先路径,一定区域内其数量、联通状况及分布特征影响优先流现象的发生[30];土壤初始含水量反映层状土壤上层物理特征,对优先流产生具有重要作用;Edwards和Essington研究表明土壤初始含水量较高时,施加农药,短时间的降雨使得农药的迁移路径很深[33~34]。降雨强度和灌溉方法影响优先流运动过程,耕作方式、冻融和干湿交替过程改变土壤的结构和孔隙度,从而导致优先流的形成。Gish认为免耕方式在增加土壤渗透性的同时,使得流向地下水中的污染物增加[35],牛健植也认为免耕地中的大型脊髓动物能够极大地驱动优先流产生[31]。区自清采用环割PVC土柱研究表明冻融和干湿交替过程造成土壤大孔隙及由此形成优先流[36]。秦耀东对关于土壤中大孔隙流方面的研究现状与进展做了详细论述[37]。何凡认为优先流流量主要决定于产流次雨量及前期影响雨量,当优先流与地表径流流量过程线为单峰时,二者线性关系随着产流次雨量及前期影响雨量的不同而有所差异[38]。牛健植研究表明土壤松散、多孔、孔隙度较大,低强度、低雨量级和长历时降雨,并具有较厚的地被物层和丰富的根系层这些诱发因素的存在,是优先流形成的条件[39]。王伟使用亮蓝染色法划分林地优先流发生区域,结果表明随土壤深度增加,大孔隙呈现出聚集态的分布且数量逐渐减少,“漏斗”状的孔隙有利于水分优先运移[40]。掌握优先流产生的影响因素,结合养分流失的特征,从而研究优先流对养分流失的影响对全面认识坡耕地养分流失有重要意义。
3.2 壤中流对坡耕地养分流失的影响研究
壤中流的形成源于土壤水在土壤内的流动,其与地表径流、地下径流一起构成流域的径流过程[41],也坡地径流的重要组成部分,对径流产生与养分流失等都有重要影响[42]。对壤中流的研究,国外集中于壤中流模型的研究,国内侧重于紫壤、红壤这两类土质坡耕地壤中流的形成、影响因素、产流特征及养分输出特征。
3.2.1 紫壤区坡耕地壤中流养分流失特征
壤中流的存在使得地表侵蚀状况发生变化,对养分输出特征产生影响。徐佩利用模拟降雨对紫色土坡耕地壤中产流特征进行研究,表明壤中流增大的主导因素在于土层较浅,耕作改善了土壤结构,增加水分入渗,以及缓坡条件,同时壤中流峰值流量随雨强增大而显著增加[43]。丁文峰,贾海燕采用人工降雨法研究三峡库区紫壤坡耕地壤中流形成,表明壤中流活跃,且土质越松散壤中流越大。在重力侵蚀中活跃的壤中流起到相当重要的促发作用,甚至由此促发的侵蚀量要远远高于片蚀、沟蚀等坡面侵蚀形式[44~45],这与以往研究的长江流域坡面侵蚀以面蚀为主的结论有所不同。郑侃应用坡面流-壤中流的耦合产流模型表明坡度对壤中流流量的影响也不明显[46],这与丁文峰等的研究有所不同。丁文峰采用4个不同坡度与5个不同雨强的组合实验来研究,表明虽总径流量中壤中流总量比例不高,但其携带养分含量却为地表径流养分含量的4.32~63倍[47],这与贾海燕研究结果不一致。壤中流携带而流失的养分还不成熟,仍需进一步的研究。
3.2.2 红壤区坡耕地壤中流养分流失特征
尹忠东在红壤缓坡面以地表植被覆盖、死地被物敷盖、裸地三类坡面和雨强的交互作用为研究对象,表明裸地壤中流量远小于采取保水措施后的地块,敷盖地各层壤中流量及总量均大于覆盖;覆盖小区底层壤中流量小于表层,而其它两小区则相反[48,49]。王峰以不同土地利用类型为基点,结合不同的降雨类型表明红壤区壤中流的形成因降雨类型不同而异[50]。褚利平研究表明烤烟坡耕地不同坡位各层壤中流总氮和总磷浓度变化趋势基本一致,但不同坡位壤中流中总磷浓度随深度的变化呈波动递减规律,随深度的增加变异系数变小[51]。
前人对壤中流的形成对养分流失研究的范围较小,且涉及到具体的养分流失量时,大多都与地表径流相结合研究,对氮、磷养分的研究较多,但欠缺对钾的研究。因此,在实践生产中,不仅要控制地表径流,更重要的是要提高土壤的持水能力,减少壤中流,从而能够控制养分流失。
3.3 地下径流对坡耕地养分流失的影响研究
地下径流是指渗入地下成为地下水,并以泉水或渗透水的形式泄入河道的那部分降水。国内对地下径流的研究集中在数字模拟法预报地下径流过程[52],其与地表径流的关系[53],地表-地下径流耦合模型在流域中的应用[54],以及对地下径流退水过程规律[55]等方面,而对地下径流影响土壤养分流失的研究则很少。李新虎采用大型土壤渗漏装置对百喜草覆盖、百喜草敷盖、3种生态措施的地下径流养分流失问题进行了研究[56],表明3种生态措施下敷盖养分流失量最大,其次为覆盖,最小;地下径流的养分主要来自上部土体养分的淋溶,淋溶作用越强则地下径流越大,养分流失也越多。目前对地下径流养分流失问题的研究很少且还处于探索阶段,要掌握地下径流对土壤养分流失影响需对养分随地下径流流失进行进一步的研究。
4 结语
从目前的研究来看,对坡耕地养分流失的体系研究不够完善,地表径流影响养分流失的研究趋于成熟,而忽视了优先流、壤中流和地下径流对养分流失影响的过程研究。优先流影响土壤养分流失还未定量化;对壤中流影响养分流失的研究较少,通常结合地表径流来研究,而缺乏与地下径流等其他过程的结合;对地下径流影响养分流失的研究甚少,还存在较大研究空间。
研究中注重坡耕地养分流失的机理,开展多重因素影响研究,能使目前定性的研究逐渐定量化,逐一解决尚未研究的方面,能有效掌握坡耕地养分流失的体系,减少水土流失,提高土壤质量,控制面源污染,实现坡耕地可持续发展。
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Review of the Impacts on Nutrient Loss of Sloped Farmland due to Soil water movement
Liu Hai1,Chen Qibo1,Zhou Ling2,Tang Zuoxin1
（1.The Faculty of Environment Science and Engineering,Southwest Forestry University,
Kunming 650224,China;2.Kunming Engineering & Reasearch Instltute of Nonferrous
Metallurgy Co.Ltd,Kunming 650051,China）
篇6
自然界中，泥石流往往由上游沟岸或坡面的固体物质失稳进入沟道，并在沟道水流的动力作用下形成。初始形成的泥石流规模不大，在运动过程中通过侵蚀、裹挟松散物质，规模才逐渐增长［12］。
一般而言，坡面土体要达到一定的含水量(体积比，下同)才能启动形成泥石流。坡面土体的含水量是反映泥石流形成的直接参数。目前常用的前期降雨和当期降雨量预警指标，间接体现了降雨使土体含水量增加，抗剪强度和土体稳定性降低，从而使泥石流发生的可能性增大［36］。国内外许多泥石流预警模型多以“前期有效雨量雨强/雨强历时”为基本模式［710］。但是前期有效雨量与流域下垫面特性、岩土体物理特性等有关，其计算过程中涉及的递减系数、前期降水衰减系数等重要常数的确定需要长时间的土体含水量和降雨量观测，且不同学者使用的计算方法以及得到的结果可能不一样［1114］。不同泥石流沟的有效前期雨量衰减规律也不同。因此，前期降雨量预警模式存在局地性强、预警精度不高、参数不易确定等缺点。
针对“有效前期雨量雨强/雨强历时”预警模型所存在的不足，笔者通过分析国内外大量泥石流形成过程中的土体含水量变化数据，直接以土体含水量为预警指标，提出泥石流启动临界土体含水量的概念和经验计算公式；经过云南东川蒋家沟泥石流观测数据的验证，所得到的方法和公式可应用于泥石流预警工作中。
1泥石流临界土体含水量
1.1泥石流形成过程中土体含水量变化
Cannon等对美国加利福利亚、科罗拉多火灾地区大量野外土体含水量和泥石流暴发时间监测表明，不同深度坡面土体(一般监测最大深度为60 cm)在泥石流暴发时的含水量都未达到饱和［1517］。以加利福尼亚南部桑加布里埃尔山区2009年发生的泥石流为例，167 mm的累积雨量共造成7条流域产生泥石流，而流域中的土体含水量却始终维持在22%，远小于饱和度40%［18］。这些地区的泥石流在较好的地表植被条件下（比如火灾过后植被逐渐恢复后），可由径流触发转变为滑坡激发，1 h激发雨量也逐渐增大［19］；蒋家沟暴雨泥石流的多年监测也表明：降雨过程中，雨水在坡面松散土体最大可以下渗60~80 cm，斜坡坡脚位置的土体含水量最大，但是都未超过孔隙度 ［2021］；一些模型试验结果也表明，在土体启动时大部分土体处于未饱和状态［2224］。这与传统认识的泥石流形成理论并不一致，尤其从非饱和土力学角度来看，泥石流启动的原因应是土体饱和后短历时雨强造成孔隙水压力剧增、有效应力下降或丧失。事实上，降雨过程中土体含水量空间分布不均匀，垂直深度上土体含水量是非线性关系。对孔隙度大、强度低、颗粒间黏结程度差的坡面松散物源体来说，土体失稳不仅仅是由于含水量增加、抗剪强度减小、下滑力增加导致的，土体失稳在泥石流形成过程中只是初步阶段也是必不可少的阶段，降雨下渗在土体中形成壤中流以及表面形成地表径流也是非常重要的原因。在一些地区甚至径流作用在泥石流形成作用中更是起主导作用。例如，根据蒋家沟流域坡面径流和沟道汇流汇集过程的观测，大多是清水变成泥石流体的过程，在很多情况下，在坡面上就初步形成了小泥石流体或浆体［25］。美国加利福尼亚南部、科罗拉多地区火灾后的泥石流多是流域坡面土体含水量达到一定值后，由峰值降雨时段在引发一定水力条件的坡面径流激发形成的［26］。
1.2临界土体含水量定义和经验计算公式
无论是土力类还是水力类的泥石流，暴发时刻大多在峰值降雨时段附近。随着雨水入渗，土体含水量逐渐增加，当含水量达到某个临界值时，源区坡面土体达到极限平衡状态，或者坡面土体入渗和失水达到动态平衡。后续的降雨强度如果能够达到或者超过渗透率，坡面产生地表径流而且土体失稳下滑，形成最初的泥石流。这一临界含水量称为泥石流启动的临界土体含水量。国内外研究中有关临界土体含水量的概念已有所涉及。例如，在Brocca等提出的一些降雨径流模型中，土体水分平衡主要考虑了降雨入渗率、雨强、蒸发率以及因壤中流和深层土体渗透的土体排水率，临界土体含水量与饱和度并不一致［27］。杨大文等将遂川江流域实测土体含水量与不同时间的雨量结合起来，建立流域内不同点土体饱和度和警戒雨量的关系［28］。该结果间接反映了含水量越大，警戒雨量越小。实测的土体饱和度中也反映了临界土体含水量的概念。
通过对国内外大量降雨激发浅表层滑坡、泥石流过程中土体含水量变化与土体物理参数的分析（表1），发现泥石流暴发时的土体含水量与土体渗透系数、孔隙度以及颗粒级配存在正相关关系，用Matlab的Stepwise函数作交互式逐步回归分析，得到多重线性关系式
Wa =-1.12K+0.46n+0.12Cc-0.165(1)
式中：Wa为临界土体含水量；K为土体渗透系数；n为土体孔隙度；Cc为土体颗粒的曲率系数，Cc=d230/(d10d60)，其中d10、d30和d60分别是土体颗粒质量累计含量（质量分数，下同）为10%、30%和60%时的粒径。
式（1）拟合所用数据如表1，判定系数为0.896 5，调整判定系数为0.883，均方根误差为0.055 6。对该方程显著性进行F检验，查表得到F0.05(3,23)值为3028，远小于统计量F值（66.4），因此，回归公式显著。
从式(1)可以看出，临界土体含水量与渗透系数成负相关关系，与孔隙度和土体颗粒曲率系数成正相关关系。渗透系数越大，说明土体在一定水力梯度下可以很快下渗并在短时间内转化为壤中流。因内部壤中流流动和深层渗漏的土体排水速度与雨强大小接近时，土体含水量才达到临界值，并短时间维持在相对稳定的水平。孔隙度越大，说明水、气两相占据土体内部空间越大。一般而言，在非饱和阶段，土体内部颗粒之间具有一定的黏聚力和咬合力并使土体具备一定的抗剪强度，从而保持稳定。国内外许多研究证明土体启动时是非饱和的，土体内部需要更多的水才能使抗剪强度下降，下滑力增加。因此，临界土体含水量与孔隙度成正相关关系说明水分在松散碎屑坡面体稳定性中具有重要作用。土体颗粒的曲率系数反映了土颗粒粒径分布曲线形态。从表1中曲率系数可以看出，泥石流源区粒径级配累计曲线斜率比较连续，细颗粒在泥石流源区土体仍 占很大部分。尽管级配连续，但是泥石流源区土体是不均匀的，存在不连续粒径，且均匀系数变化较大。由此说明临界土体含水量与曲率系数成正相关关系，曲率系数越大，土体内部存在不连续粒径，土颗粒间的存水空间越多，临界土体含水量越大。
另外，式(1)中的3个变量综合反映了流域内土体的平均最大蓄水量。临界土体含水量实际上与平均最大蓄水量物理涵义一致。超过临界土体含水量或者平均最大蓄水量的降水将从地表流走，形成地表径流，并聚集形成足够水动力条件的沟道水流。坡面汇流而来的初步小规模泥石流浆体与沟道水流
表1泥石流形成时的土体含水量、渗透系数、孔隙度以及曲率系数
Tab.1Soil Moisture, Permeability Coefficient, Porosity and
Coefficient of Curvature when Debris Flow Formed
编号WaK/(mm·s-1)nCc
1
2
30.500 00.023 5100.753.333 333
0.590 00.014 4930.763.333 333
0.660 00.004 6670.693.333 333
0.540 00.007 6190.723.333 333
0.480 00.003 7040.763.333 333
0.540 00.005 0720.763.333 333
0.240 00.005 6260.542.000 000
0.133 00.005 6260.450.408 333
0.120 00.010 2600.580.888 889
0.113 00.087 7600.580.888 889
0.124 00.010 2600.580.888 889
0.103 60.087 7600.580.888 889
0.161 80.010 2600.580.888 889
0.152 60.005 6260.450.408 333
0.117 40.010 2600.580.888 889
0.152 90.005 6260.451.125 000
0.326 00.003 8190.691.481 481
0.310 00.003 8190.691.481 481
0.357 00.003 8190.691.481 481
0.237 00.003 8190.691.481 481
0.340 00.003 8190.691.481 481
0.340 00.003 8190.691.481 481
0.352 00.003 8190.691.481 481
0.378 00.003 8190.691.481 481
0.313 00.003 8190.691.481 481
0.347 00.003 8190.691.481 481
0.347 00.003 8190.691.481 481
注：编号1的数据引自文献［29］；编号2的数据引自文献［30］；编号3的数据引自文献［24］。
汇集增大了其中的含沙量和携带固体物质能力。沟道水流在流经泥石流动床时强烈侵蚀固体物质并形成泥石流。由于式（1）中的3个参数是泥石流源区土体物理特征值，所以该公式主要针对泥石流形成区的土体，尤其是细颗粒含量多的泥石流物源体。
2基于临界土体含水量和实时降雨的预警方法
根据临界土体含水量的定义以及泥石流预警模式中有效前期降雨难以精确计算的问题，笔者提出一种基于临界土体含水量和实时降雨的泥石流预警方法(图1)，该方法的具体流程如下。
图1基于土体含水量和实时降雨的泥石流预警方法实施过程
Fig.1Flow Chart of Debris Flow Forecasting System Based on Critical Soil Moisture and Realtime Rainfall
(1)计算泥石流启动的临界土体含水量。根据泥石流形成区的岩土体特征，利用式（1）计算对应临界土体含水量Wa。
(2)计算当前土体含水量与临界土体含水量的差值。在得到临界土体含水量的情况下，通过土壤含水量传感器，以太阳能板和蓄电池作为电源，运用GPRS无线网络信息传输和室内数据接收终端，得到降雨过程中t时刻的土体含水量Wt。通过室内数据处理系统反复计算差值含水量ΔW，其表达式为
ΔW=Wa-Wt(2)
(3)根据当前雨强计算达到临界土体含水量所需要的时间T。具体计算方法为：通过雨量传感器，以无线网络方式发出和接收雨量值，通过室内系统判定t时刻雨强Rt和土体渗透系数K的大小；并选择大于渗透系数的计算公式和小于渗透系数的计算公式对达到临界土体含水量所需要的时间进行计算。
T＝(Wa-Wt)/KRt>K
(Wa-Wt)/RtRt≤K(4)
(4)根据计算的T值进行预警，并每隔一定时间重复第(3)、(4)步直至达到临界土体含水量或降雨结束。
如果T>0，则多通道数据反复确认降雨过程中土体含水量是否达到临界土体含水量，并每隔一定时间(比如10 s)重复第(2)、(3)步操作内容。如果降雨一直持续且T≤0，那么安排现场查看或发出泥石流即将发生的警报。如果降雨结束，则停止泥石流预警。
3实例分析
笔者利用提出的基于临界土体含水量和实时降雨的泥石流预警方法，对云南东川蒋家沟1999年7月16日泥石流进行演算。
3.1临界土体含水量确定
蒋家沟角砾土密度为1.954 g·cm-3，孔隙度n为0.381 8，渗透系数k为0.008 07 mm·s-1，d10为0.01 mm，d30为0.25 mm，d60为3 mm，角砾土颗粒级配曲线的曲率系数Cc为3.125(图2)。由此得到蒋家沟泥石流暴发的临界土体含水量为401%。陈晓清等在蒋家沟人工降雨激发滑坡失稳形成泥石流的试验中发现，尽管不同深度的土体含水量不同，但每一组试验中土体含水量最大值都介于45%和35%之间，且土体破坏前的土体含水量大致在40%上下剧烈波动［23］。土体在降雨作用下达到破坏前状态，其含水量剧烈变动，但是变动的幅度基本在40%左右。这与通过式(1)计算得到的土体含水量值基本相同。因此，蒋家沟源区土体含水量接近越该值，泥石流暴发的可能性就越大。
图2云南东川蒋家沟角砾土的颗粒级配曲线
Fig.2Particle Grading Curve of Breccia Soil in Jiangjiagou of Dongchuan, Yunnan
3.2演算过程
根据东川泥石流观测站提供的降雨数据，激发蒋家沟1999年7月16日泥石流的降雨过程见图3。
图31999年7月16日泥石流暴发前的降雨过程和前20 d的雨量过程
Fig.3Rainfall Processes Before Occurrence of
Debris Flow on 16 July, 1999 and During the 20 Days Before the Debris Flow
(1)计算差值含水量。初始时土体含水量为4%，未达到临界土体含水量(40.1%)，因此，在此时没有泥石流发生，差值含水量ΔW为36.1%。
(2)比较雨强、渗透系数大小并计算每单位时间的土体含水量。蒋家沟角砾土的渗透系数为0008 07 mm& middot;s-1，相当于每10 min降雨484 mm，与该沟的始发雨强（5 mm）非常接近。渗透系数0008 07 mm·s-1是经过原位渗透试验得到的参数，即土体达到稳定渗透阶段时的渗透系数。渗透系数是随时间和土体含水量变化的，但无论渗透系数在降雨过程中如何变化，稳定渗透阶段的渗透系数在不同测试手段下差异不是很大。比如陈宁生等经人工降雨试验测得降雨开始时的土体初始渗透系数为0009 2 mm·s-1 ［31］，相当于每10 min降雨552 mm的等效雨强。
通过实际10 min雨量(R10)与渗透系数的对比，以单位面积和单位垂直深度的土体作为分析对象得到每单位10 min末的含水量
Wt=WtΔt+ΔtRAHA(5)
式中：WtΔt为tΔt时刻(对应t时刻之初)的土体含水量；t为实际降雨记录时刻；Δt为单位雨量记录持续时间(这里为10 min)；R为雨强；
A为土体面积；ΔtRA为时间Δt内进入土体的降水体积；HA为土体的总体积，H为一般含水量传感器的探针长度（60 mm)。
(3)根据笔者提出的预警方法演算。由于蒋家沟没有实测的泥石流暴发过程土体含水量变化，这里在得到临界土体含水量、确定基本土体含水量和实际雨量过程后，根据提出的方法具体流程进行演算。演算结果见表2。
表2基于临界土体含水量和实时降雨的泥石流预警方法演算过程
Tab.2Calculation Process by the Forcasting
Method for Debris Flow Based on Critical Soil Moisture and Realtime Rainfall
编号时间段R10/mmWtΔtWa-WtΔtT/min
121:50~22:000.50.040 00.361 0433.200 0
222:00~22:101.70.048 30.352 7124.482 4
322:10~22:201.60.076 70.324 3121.612 5
422:20~22:301.10.103 30.297 7162.381 8
522:30~22:400.80.121 70.279 3209.475 0
622:40~22:500.90.135 00.266 0177.333 3
722:50~23:001.30.150 00.251 0115.846 2
823:00~23:102.00.171 70.229 368.790 0
923:10~23:204.40.205 00.196 026.727 3
1023:20~23:301.40.278 30.122 752.585 7
1123:30~23:401.10.301 70.099 354.163 6
1223:40~23:503.00.320 00.081 016.200 0
1323:50~次日00:002.30.370 00.031 08.087 0
14次日00:00~次日00:101.30.408 3<0.000 0<0.000 0
注：次日01:12:34时刻，监测到泥石流；R10值始终小于渗透系数。
3.3精度比较
将本文提出的预警方法与蒋家沟泥石流预报临界线和暴发线判别式进行结果对比，得到以下结果
R10=5.5-0.098(Pa0+h)>0.5 mm(6)
R10=6.9-0.123(Pa0+h)>1.0 mm(7)
式中：Pa0为泥石流暴发前某一天的指数；h为泥石流暴发前的当日降雨量。
临界线式(6)的物理意义是：在10 min雨强大于0.5 mm的降水过程中，某10 min降水量只要等于5.5-0.098(Pa0+h)，则蒋家沟泥石流就可能暴发；暴发线式(7)的物理意义为：在10 min雨强大于1 mm的降水过程中，某10 min降水量只要等于69-0.123(Pa0+h)，则蒋家沟就会暴发泥石流。
利用该次泥石流过程之前的降雨量过程和蒋家沟前期雨量计算公式，得到临界线和暴发线10 min雨量分别为2.26、2.86 mm(图3)。从该次降雨过程来看，23:10~23:20时段4.4 mm的降雨是造成该次泥石流的主要原因。但泥石流暴发时并不与该次降雨过程的峰值雨量时段重合，滞后近1 h。表1演算结果表明，该时段土体含水量并未达到临界土体含水量。而泥石流暴发时段雨强仅0.9 mm，大于临界线而小于暴发线。从达到临界土体含水量和泥石流暴发时间上来看，达到临界土体含水量和泥石流暴发之间相差约1 h，而原方法可提前预警17~200 min［8］。因此，从临界土体含水量结合实时降雨过程来判别泥石流的发生更准确。笔者提出的基于临界土体含水量和实时降雨的预警方法比传统利用临界线和暴发线判别泥石流的物理意义更明确，方法更可靠。
4结语
（1）在泥石流形成过程中，一般理论认为前期降雨使源区土体饱和，短历时雨强造成饱和后的土体产生高孔隙水压力使土体失稳并转化为泥石流。但是国内外大量泥石流形成过程监测表明，源区坡面土体降雨过程和泥石流形成过程中土体都未达到饱和，且土体含水量存在一个临界值。由此，本文提出了临界土体含水量的概念，并通过拟合国内外野外监测数据得到计算临界土体含水量的经验公式。
（2）基于临界土体含水量的概念和经验公式，发展了一种基于临界土体含水量和实时降雨的泥石流预警方法。通过云南东川蒋家沟1999年7月16日暴发的泥石流的实际观测资料，对该方法进行了实例演算。演算结果表明，该场泥石流暴发时刻并未与峰值降雨时段重合，而是在达到临界土体含水量后约1 h。
（3）由于临界土体含水量计算公式是经验性的，在后续研究中有必要从土体降雨入渗以及激发坡面土体失稳的物理过程并结合泥石流形成区监测进行深入研究，提出更具有物理意义的临界土体含水量概念，建立以水文学、水力学、泥沙运动学等为基础的预警模型。
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篇7
关键词：pm2.5；控制；多元化；污染现状
中图分类号：X508.2 文献标识码：A 文章编号：1674-0432（2012）-04-0148-1
0 引言
所谓的pm2.5是指漂浮在空气中直径小于2.5微米的固体悬浮物。由于其可以被直接吸入肺部并且严重的影响了人们身体健康进而引起了人们的广泛关注。由于人类的扰动以及工业生产，pm2.5作为空气的微量组成在最近一段时间所占比重呈上升趋势。因此，在今年2月，国务院出台的环境空气质量标准修订办法中将其作为空气质量标准监测的指标之一。
1 pm2.5的污染现状
1.1 pm2.5的危害
pm2.5的危害主要表现为直接危害与间接危害两个方面。在直接危害方面主要表现为pm2.5由于粒径较小可以直接避免鼻腔以及呼吸道的拦截过滤作用直接进入到人体的呼吸道。进而对人体肺部以及其内的气体交换造成一定的影响。并诱发或加重肺部疾病。严重的可诱发肺癌等恶性疾病。此外，由于肺部，毛细血管的过滤作用强度，会导致部分的pm2.5进入血液循环当中去，长期加剧肾、肝等内脏的负担，降低人的寿命。间接危害主要表现为pm2.5具有一定的表面吸附能力。此外，由于来源的不同进而造成pm2.5的成分复杂，往往含有大量的重金属以及包括病原体与细菌的微生物。在吸入人体后随着血液的流动进行扩散。进而影响体内盐平衡，甚至引起人体重金属中毒以及病原性感染。
此外，pm2.5还是雾霾天气的主要成因，在造成雾霾天气的情况下严重的影响了出行能见度。进而，影响交通运输安全，不利于社会经济的发展。
1.2 pm2.5污染现状
Pm2.5的总量与当地经济发展以及工业化程度有关。有研究表明高度的城市化以及高密度的工业聚集区能够产生大量的pm2.5。此种现象从我国pm2.5的分布可以看出。北、上、广等一线城市pm2.5显著高于其他城市水平。此外，pm2.5还呈现出一种逐年递增的趋势。在1997年美国科学家提出pm2.5的空气质量监测概念之后以平均每年9%的速度递增。到2011年，我国地区最高pm2.5含量达到80微克每立方米。按照人类平均呼吸水平，每人每天吸入pm2.5总量为8mg，严重的影响了人体健康。
Pm2.5的监测不利也是pm2.5污染出现的重要组成部分。我国在2012年2月修订的《空气环境质量标准》首次将pm2.5列入到监测与评价的项目中去。在此之前，对此种指标的监测还处于空白。同时，由于监测与监管的疏忽起步较晚，我国对pm2.5仅存在一个平均水平的监测而对其排放源等监测与治理还属于空白。这对pm2.5的综合管理与控制提出了挑战。
2 pm2.5的多元化控制
Pm2.5的来源是多元化的，主要由工业生产、自然风化、建筑扬尘、尾气排放等途径进入空气当中。其控制与治理可以根据切断污染源、降低固有比重、有效的防范措施等多个方面进行多元化控制。具体的控制方式如下：
2.1 切断污染源控制手段
通过切断污染源的控制手段能够有效的降低污染源向空气中持续排放pm2.5，进而防止空气pm2.5污染的恶化。同时可以利用环境的自净能力逐步降低现有的pm2.5污染。切断污染源的控制手段可以根据其污染来源进行确定。其中自然来源即自然风化来源属于不可控污染源。其他污染源可以看作为点源进行处理。主要的处理手段可以采用静电去除、滤膜去除以及分子筛去除的方法进行。具体的操作模式是确定可能的pm2.5污染物产生与排放点位。比如工业生产的排烟系统、汽车排气装置、建筑工地等、对排放源进行处理装置的安装进而降低其向环境的排放强度。
2.2 降低固有比重控制手段
所谓的降低固有比重控制手段是通过一定的方式对空气中现存的pm2.5进行有效去除的控制方法。其主要通过自然方法以及人工方法两方面进行。所谓的自然方法是利用自然界的降雨对空气的冲刷作用将空气中的pm2.5转变为雨滴再以湿沉降的形式降到地面，进而降低了空气中的pm2.5固有比重。人工方法则是利用pm2.5在空气中的特性利用人工干预的手段进行去除的方法。主要方法有：利用湿沉降去除原理采用人工降雨的方式将空气中pm2.5进行去除；pm2.5具有一定的聚沉效应，有研究表明此种效应能力的大小与空气相对湿度成正比关系。可以通过人工的方式增加地面的相对湿度进而促进pm2.5的自身聚沉作用进行去除；Pm2.5与植物覆盖率呈反比，并且由于pm2.5可以被植物气孔进行吸收进而固定在植物体内，因此对于城市中的绿化减少以及防风、防沙林带的减少同样可以降低空气中的pm2.5固有比重。
2.3 增加有效的防范控制手段
所谓的有效防范控制手段是指在空气中pm2.5总量不变甚至恶化的情况下。通过增加过滤等防范手段来防止空气中的pm2.5进入人体。主要的方式是采用新型的口罩以及室内空气过滤装置来完成的。对于室内空气流通过程中的pm2.5去除相对简单。仅需对传统的空气过滤系统加装水滤系统即可达到较好的去除效果。而对于人们出行过程中pm2.5的防范则需要通过分子滤膜以及高效吸附技术来进行实现。
3 总结
本文从pm2.5的危害谈起，总结了其存在对人体及环境的危害。进而分析了目前pm2.5的污染现状。并从切除污染源头、控制pm2.5总量以及增加防范措施等三个方面讨论了其多元化控制对策。希望为改善我国空气质量提供理论基础。
参考文献
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篇8
1 现今对气象信息的了解和应用现状
1.1 广大群众已经意识到气象的意义所在
最近几年，由于科技不断发展，各种先进的设备被用到农业工作之中，此时农业活动的机械化非常显著，产值也在不断提升。然而还是有着众多的影响要素，干扰到农业活动的开展。通过分析我们可知，由于我们国家的国土面积十分广阔，环境复杂，导致各个区域的农业活动不尽相同。不过不管是何种区域，农业收入依旧是广大农户的主要收入。绝大多数的农民群众都认为气象要素对农业有着非常明显的影响，尤其是降雨较少的区域，气象要素的意义更为明显，它会直接的影响广大农户的收入。
1.2 农户无法获取大量的气象信息
对于绝大多数的农户来讲，要想获取气象信息主要还是依靠气象预报，其渠道较窄，在一些较为落后的区域还有人只能通过听取广播或者是报纸来获取信息。有个别的农户使用自己的方法获取气温情况，比如在自己的温室棚内安放温度计，以此来获知温度情况，便于为大棚通风。上述的这些渠道都相对落后，渠道较窄，无法帮助农户更好的安排农业活动。
1.3 气象探测无法完全满足农民需求
不论是哪个地区的农户，都明白气象信息的重要性，都会参考气象信息安排活动。不过，在农忙的时候，本身的高强度劳动使得他们根本没有心思关注气象信息，更别提去电?咨询了。通过调查我们发现，绝大多数的农户都认可气象探测工作对其生产工作的帮助，普遍认为气象播报在短时间内的精准性在不断提升，不过较长时间的探测和具体情况之间还是有一定的差距的。特别是对干旱气象的预报，它会直接的影响到缺水地区的农业活动，会对广大农户的生活产生极大的影响，因此相关机构就要切实依据气象信息，制定抗旱策略。
1.4 加强灾害预警的重要性
因为受到经济要素的影响，落后区域的群众更加重视灾害预警。由于其获取气象信息的方式不是很先进，无法在第一时间得知信息，就不能够尽快的开展预防活动，最终会造成很严重的损失，有时候还会危及到相关人员的生命安全。因此，为了避免问题出现，就要积极扩宽信息传播途径，确保群众能够在第一时间获取所需的信息。
2 气象探测如何为农业生产服务
第一，要确保信息精准，提升预警力度，辅助广大农户开展好农业活动。第二，积极开展气象研究工作，做好技术服务活动，作为气象工作者还要深入了解广大群众的需求，帮助他们更好的开展农业工作。第三，要提升信息传递速度，确保以最快的速度开展好信息的收取以及处理和播报等工作，将灾害的影响降到最低。同时，还要细致记录和留存有关的气象资料，便于后续出现类似事情的时候加以参考。第四，积极使用高新技术，比如借助遥感科技探测空气中的水汽量，积极分析资源布局特征，划分好气候区域，确保广大群众能够了解所在区域的气候特征。第五，积极预警，在灾害出现之前的时候，要通过多种渠道告知广大农户，此时群众就能够依据信息开展应对工作，最大化的降低灾害带来的负面影响。
3 气象条件对于农业生产影响
（1）大风。通常，我们将风力超过8级，速度大于17m/s的都定义为大风。目前我们国家的大风类型有三类，分别是台风侵袭、雷雨大风、北方冷空气南下大风。在这三种中，以最后一种较为常见。不论是何种类型的大风，一旦出现都会对植被以及房屋等造成严重的影响，尤其是对庄稼的影响最为严重，个别情况下会导致绝收。
（2）连阴雨。所谓的连阴雨，指的是持续降雨超过5天，降雨总数超过30mm的气候现象。在这个过程中，光照非常稀少，湿度大，很显然这对于庄稼的生长是非常不利的，如果在庄稼成熟期出现了这种天气的话有可能会导致绝收。其中像是花生以及棉花等的质量会大打折扣，假如这种气候出现在播种阶段，会导致播种时间推后，导致农业生产受到很明显的干扰。
（3）低温冷冻。低温冻害同样会作用于农业活动。具体来讲，因为冷空气以及寒潮的影响，温度会不断下降，给作物造成严重的影响，导致产量降低。
（4）干旱。在众多的自然灾害中，干旱是最为严重的。如果一段时间之内持续不降雨，就会导致土壤中的水分散失过快，水域之中的水分也随之减少，对广大群众的生活和作物生长都是非常不利的，会使得庄稼产量明显减少。
（5）洪涝。所谓的洪涝指的是因为持续的降雨导致地势较低的区域出现了存水或是淹没之类的问题。对于我们国家来讲，降水一般集中在每年的夏季，而每年的雨量是不一样的，时而发生洪灾。一旦出现的话就会导致作物生长受限，产量降低，干扰农业活动的开展。这类灾害的影响非常严重，会作用于广大群众的生活和社会稳定。
（6）冰雹。除了上述的几种灾害之外，冰雹的影响也非常严重，发生几率较高。通过分析我们发现其成因主要来自对流特别旺盛的积雨云，云中的上升气流相对一般雷雨云强的多，小冰雹是在对流云内由雹胚上下数次和过冷水滴碰撞增长起来的，当云中的上升气流不能支撑时就下降到地面造成灾害。通常它不是单独出现的，一般出现在风雨交加的天气中。它带来的影响非常严重，导致农作物产量明显降低，个别情况下还会绝收。
4 减少气象条件对农业生产影响的措施
4.1 提高农业气象服务的针对性、准确性与及时性
农业气象服务要建立综合气象的监测站。气象站的监测要遍及农田、环境、交通、林业等多个方面，实行全天候的监测，提高综合监测的能力。根据农民以及农业生产的需求，构建新型的农业气象服务系统，注重气象信息播放的时效，将短时播报与滚动播报相结合。努力开发气象服务的新产品，积极利用网络，构建专业化、可视化以及动态化的气象服务体系，帮助人们随时便捷的了解气象信息。构建长效的服务机制，加强镇、村的合作，保证气象信息准确、及时的传达到农民那里，用来指导农民的农业生产。
4.2 建立完善的灾害防御机制
相关气象部门一定要加大对于灾害防御机制的探索力度，加强灾害防御体系的建设力度，针对冰雹、低温冰冻、洪涝、干旱、台风等常见的农业灾害，加强评估、预警、预报和监测的力度，充分利用先进的科学技术，不断地发展完善灾害防御的信息系统，提高灾害防御能力，根据农作物的生长特点，进行季节性的灾害预报。不断的进行气象灾害的评估风险活动，加强灾情的普查力度，编制灾害风险规划，加强农村地区的雷电预警，对于灾害防御设备要进行定期的检查维修，确保设备能够正常的运转。还要加强人工对于天气的干预力度，完善相关的技术系统，比如，当旱情出现的时候，可人工降雨。
4.3 分析气象规律积极布控农业活动
通过分析可知，气象灾害的出现都是有特定原因的，比如自然条件改变等，因此，作为工作者一定要了解气象规律，要结合气象变化情况积极监测，认真开展灾害测报工作，以此为农业活动提供灾害预警，对于农业生产工作来讲，要经过科学的布局生产活动，切实提升抗灾水平，带动农业朝着高产优质方面发展。
4.4 切实提升群众防灾认知水平
具体来讲要做到如下两点：第一，积极开展宣传活动，确保广大群众能够意识到气象灾害给农业活动造成的影响，提升群众对灾害的认知能力，确保他们能够真正的了解气象灾害的形成原因以及它们造成的影响，掌握自我防御方法等，只有这样才可以确保在灾害出现的时候可以制定正确的策略来应对。第二，要提升气象工作者和防灾减灾人员的工作能力，提升他们的防灾意识和水平，只有这样才能够确保他们更好的开展灾害预测和应对工作，才能够降低因为气象灾害而给农业带来的损失，进而帮助广大农户提升经济效益，更好的增加农业收入。
4.5 完善灾害保险以及补贴体系
积极探索研究，制定适合我国基本情况的农业保险体系。该体系应该是以国家机构为主要领导力量，同时联合社会力量共同维护。作为政府，应该从政策条例方面予以扶助，做好协调工作，不断完善保险模式，合理应对气象灾害给农业活动造成的风险。结合所在区域的具体情况完善补贴模式，尽最大努力降低灾害造成的负面影响，确保农业发展稳定高效。
4.6 提升群众的环保意识
之所以会出现各种气象灾害，深入分析其原因可知环境变化的影响最为严重。因此，在农业活动中必须要按照自然规律开展工作，合理利用水以及土地等资源，并且做好保护活动，强化治理力度，统筹规划农业活动以及防灾工作，防止因为人类无序活动而导致环境恶化的现象出现。
篇9
一、多媒体能激发学生的学习兴趣
兴趣是学生学习的动力，是最好的老师。新课程倡导学生进行各种自主学习活动，假如学生对物理没有兴趣，他们就没有自主学习的动力，甚至连物理教材都不想多看几眼。如果在教学中利用多媒体技术，就很容易激发学生的学习兴趣，调动他们学习的积极性。比如，在学习光的直线传播知识时，可以自制日食、月食的视频；在学习机械能的时候，我们可以利用多媒体向学生展现“黄河之水天上来”“巍巍壮观的火箭带着我们的宇航员升空”等情境；在学习物态变化知识的时候，可以利用多媒体方便地向学生播放风、霜、雪、雨；在讲到人工降雨的时候，更能绘声绘色地展现飞机在云层里如何洒下干冰，云中的水汽最终形成雨点的过程。这些集声音、动画于一体的视频，给学生的视觉、听觉极大的冲击，牢牢地抓住学生的注意力，不仅能极大地激发学生的学习兴趣，还能有效地提高教学效果。
二、多媒体能提高教学的效率
利用多媒体能有效地突破教学上的难点，使学生不易理解的物理原理，变得直观、易懂。比如，学生对运动与力的关系是很难理解的，有一道匀速运动的飞机空投救灾物资的题目，很多学生无法理解离开飞机后的救灾物资，为什么在空中是排列在一条竖直直线上的？假如我们老师利用粉笔与黑板，画上几个分解的图，学生是很难理解的。如果利用多媒体技术，将飞机空投救灾物资的过程制作成动画播放给学生观看，老师再结合动画讲解，学生自然而然地明白了。光学中的有关知识虽然是学生日常生活中常见的现象，但学生对光的传播、光的反射、光的折射中各自所遵循的规律并不好理解，而初中物理中的光学知识仅有一个章节，从光的现象到透镜的应用一环连着一环，这么密集的知识，让小小的初中学生在短时间内牢靠的掌握是很有难度的。如果我们在教学中能重视实验，再自制多媒体课件加以辅助，就能收到很好的教学效果。
三、多媒体可以优化教学信息
物理是以实验为基础的自然科学，实验在教学中的作用是举足轻重的。但很多物理实验的效果并不明显，老师结合演示实验再努力讲解，效果也不一定好。此时，可以用多媒体向学生放大展现，这样不仅能使学生看到细微的变化，而且班级里每个角落的学生都能看清楚实验现象。如果没有多媒体技术，后排的学生常常看不清老师的演示实验。
物理所研究的对象是极其广阔的，小到微观粒子，大到宇宙天体，很多规律是无法用普通的实验手段演示的，学生学习起来很费劲。假如使用多媒体技术，就可以很容易地将这些规律展现给学生。比如，磁场它是看不见摸不着的物质，用多媒体技术可以将其抽象的物质变得具体、直观，便于学生理解掌握。再如，核能的获得途径有两条：一是重核的裂变，二是轻核的聚变。单凭教师的语言与手势不容易达到预期的教学效果，但是如果利用多媒体技术，可以模拟裂变与聚变的过程，这不仅能提高教学效率，还能极大地激发学生的学习兴趣。
四、合理使用多媒体
在物理教学中使用多媒体的目的是让学生掌握重点，搞懂难点。它与其他教学手段是相辅相成的，不是取而代之所有的传统教学手段。在具体的教学中，切不可替代真实的实验。新课程强调对学生创新能力与实践能力的培养，而创新能力与实践能力只能靠学生动手实践获得，靠观看多媒体是无法实现的。假如在教学中不让学生亲自做实验，给学生的感觉可能是老师用动画“蒙”我们，这些现象可能是“假的”。因此，模拟的实验不能淡化老师的演示实验，更不能取代真实的、学生动手的操作实验。
篇10
一、我国农村建设存在的主要问题与障碍
1.二元经济格局迟迟不能改变
根据世界经济发展的一般规律，第一产业、第二产业和第三产业的比重随着经济发展阶段的不同而不同。由于中国经济特有的生产要素禀赋特征、经济体制特征，三次产业的演变不同于世界经济发展的一般规律。首先是中国经济在其发展过程中二元结构特征迟迟不能转变和消失，虽然农业占整个GDP的产值比重不断下降(降到10%以下)，但是农业吸纳的就业人口比重仍然居高不下(近50%)，使得三农问题在中国长期得不到很好的解决。其次，服务业的发展大大落后于工业的发展，尤其是现代服务业发展长期缓慢，无法吸纳农业劳动力的转移和工业中劳动生产率提高后劳动力的转移。
2.农业资本投入不足
根据国家统计局的一份报告显示，2003年用于农业的固定资产投资仅为11.5%，这与我国农村拥有9亿农民相比不成比例。同时，由于农村交通、通讯、电力等基础设施建设滞后，减弱了农村吸引社会投资的能力。从农业信贷规模发展情况来看，农业信贷规模有所扩大，但是农业贷款占银行贷款总额的年均比重不到3%，农业企业和农户贷款相比之下比较难。国务院在1996年便出台了《关于农村金融体制改革的决定》，但实际上农村建设、发展的信贷资金很难到位，而且农村大量资金外流现象严重。
3.农村劳动力质量与边际产出较低
建国后，为优先保证工业建设所需资源，我国建立了严格的户口管理制度，这一方面使我国在较短的时间内建立起了门类齐全的工业体系；另一方面也为劳动力的合理流动制造了制度性的障碍，造成了我国城市化滞后于经济发展，形成了典型的城乡二元经济结构。受城乡分割治理的影响，我国农村人均受教育年限较城市而言要低得多，教育投入更是不足；同时，由于薪资待遇的城乡差异大，农村人才难以回流。于是便形成一种悖论，贫穷的农村越需要人才，却越是难以获得人才。人才短缺造成新农村建设中智力支持的缺位。农村普遍存在的高素质的劳动力和人力资源短缺现象，导致农村劳动力的质量与边际产出较低。
4.农业科技进步贡献率较低
目前我国的农业科技贡献率为48%左右，而发达国家已经达到了70%—80%。从整体来看，我国科技自主创新实力薄弱、核心技术缺乏，农业科学研究多数仍属于“跟踪式”、“模仿式”或“转化式”研究。表现为：一些出口创汇农产品品种和重大技术装备仍主要依赖进口；农业科技推广体系不健全，科技成果转化环节薄弱，很多成果不能变成现实生产力；农民科技素质总体不高，对新技术的吸纳能力不强，农业科技普及不普遍；农业科技投入总量偏低，创新与应用体系建设有待加强，农业科技发展的体制机制性障碍还没有根本消除。
二、对我国建设社会主义新农村的政策建议
1.政府应加大农业发展的资金投入，改善农业基础设施
要实现农业的长期稳定发展，政府必须投入大量资金支持农业基础设施建设。针对目前我国农业生产中水资源严重匮乏的现状，政府应出巨资兴建和维护水利设施，在干旱时期通过蓄水工程或人工降雨等方式为农户提供价格低廉的农业用水，解决干旱地区农业生产的缺水困难。政府还应定期拨款改良土质。虽然我国农村实行土地家庭联产承包经营制度，农户拥有几十年的土地经营权，但对于土质的改良等生产要素的资金投入，政府仍然有责任负担部分投资费用。此外，随着我国市场经济体制的建立与完善，准确、快速的信息对于促进农业经济发展的作用也越来越重要。各级政府可以有线电视网络为基础，尽快建立上下畅通、灵敏快捷的信息网络体系。同时，全面开发利用国内外信息资源，鼓励有条件的农民加入因特网，让农民通过因特网充分利用社会信息资源，推动农业发展。
2.构建多层次的农村金融体系，为新农村建设全力提供资金支持
近年来，财政用于“三农”的支出增加较多，但同财政收入的增长速度和农村发展的客观需要相比，仍然存在较大的差距。因此，要坚持以服务“三农”为宗旨，加快金融业立法，确保农村金融法制化、规范化、程序化运作，努力构建一个良好的金融环境；要以市场化为导向，在充分研究论证的基础上，积极开展并稳步推进包括农村信用社、农业银行、邮政储蓄在内的农村金融机构改革，支持并鼓励农村中小金融机构组织的发展，合理分工，适度引入竞争机制，全面构建多层次、高质量的农村金融体系；要以商业化为要求，努力拓展农村金融业务，探索支农的新方法、新途径，优化信贷结构，提高资金使用效率，增强盈利能力，努力促进资金回流；要借鉴发达国家农村金融的先进经验，逐步建立起适合我国国情的，覆盖全农村的农业保险体系，提高农业抵御风险的能力。
3.大力发展农村教育，促进农村科技进步
21世纪农业的竞争，说到底是农业科技尤其是高科技的竞争。改革目前我国农业科研与推广相脱节的体制和机制，政府应专门拨出经费，形成农业教育、科研、科技推广三位一体的科技服务体系。各地区应设立至少一所农业技术学校(推广站)，承担本地区农民的技术普及工作。技校还应承担起当地农业科研任务，把科研成果及时用于当地的生产中，提高技术转化速度。此外，技校科技人员还应深入田间地头，随时解决农民生产中存在的技术问题。通过三位一体的农业科技服务体系，逐步提高我国农民的素质与技术水平。另外，继续加大农村基础教育的投入与扶持力度，全面推行九年义务教育，着力提高农村劳动者素质与技能。
4.逐步构建城乡统一的劳动力市场
要以新型工业化道路为指引，努力提高工业化的速度与质量，系统带动城市化；要以提高城市化质量为核心，科学规划，大力促进结构升级与产业集聚，拓宽就业渠道，增加就业岗位；要加快城镇住房、就业、医疗及社会保障等多项制度改革，优化生活环境；要进一步改革户籍制度，实行城乡平等的劳动力就业政策，强化法律约束，切实规范劳动力市场，保证劳动者的合法权益；做好失地农民的补偿及社会保障工作，切实维护农民的根本利益。
