DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 3. 高应力破碎围岩巷道支护对策 3.1. 巷道围岩控制理念 针对−980 m水平主副暗一联巷服务年限长，围岩稳定性差，变形量大，难以支护等特点，在采用一 图1. −980m水平主副暗一联巷顶板岩层钻孔柱状图 图2. 巷道破坏情况 次支护让压后，使围岩变形能得以释放，形成承载结构，充分发挥围岩自稳能力。为了避免在高应力状态下，巷道围岩再次发生应变软化，造成围岩破碎和承载力降低，需要在提高围岩自身承载能力的基础上，对煤岩体进行适时补强，大幅度提高二次支护强度，从而实现应力释放并提高巷道围岩自身承载能力，使巷道变形在较长时间内保持稳定。因此，通过超高强支架提供高强二次支护工作阻力，控制巷道的持续变形，提高岩体的长期稳定性。 3.2. 高阻力全封闭多边形工钢支架设计 结合该矿现场条件，对支护体能力提出更高要求，要求巷道支护体强度要大、封闭性能高。文中从支架材质选型、结构和参数等方面进行合理的设计，来提高封闭支架的支护阻力 [ 5 ] - [ 11 ] 。 综合考虑支护材料的抗弯强度，抗扭能力，稳定性及断面利用率等指标，对支架参数进行优化设计。部分矿用支护材料主要参数指标统计对比分析统计见表1。 由表可以看出，普通热轧型钢抗弯截面模量和断面利用率显著高于矿用工字钢和U型棚；在抗扭和稳定性方面，普通热轧型钢较差，但可以通过采用壁后充填技术来提高。普通热轧型钢抗压能力强，抗弯强度高，断面利用率高，完整性好，而U型钢可缩性在比较破碎地段，支护效果不是特别明显，发生弯曲破断现象，矿用工钢支架实际承载能力低的特点，故选用普通热轧型钢作为该巷道的支护材料。 由于矩形巷道顶底角点处易产生应力集中，会不同程度影响支架的稳定性，故选用全封闭多边形结构来保证支架的整体性。同时，在设计时采用力法原理建立了支架的结构力学模型，结合现场复杂条件，计算得出支架设计宽高为4 × 3.6米，且斜梁角度为45˚时更为合理。 考虑到巷道顶底板破坏造成的危害损失大于两帮片帮，在型钢选择上，对顶底板和两帮采用不同的材质进行加强支护，来提高支架的整体稳定性。顶梁和底梁采用28b型普通热轧型钢，长度为2.4米，两帮采用22b型普通热轧型钢，长度为2米。设计的高阻力全封闭多边形工钢支架由四部分组成，即顶梁、底梁和两侧梁，四部分采用螺纹对接。支架整体结构图见图3。 通过对该矿−980水平主副暗一联巷围岩变形破坏特征分析，在原有锚喷支护的基础上，待巷道围岩变形稳定后适时对巷道进行扩帮至设计断面，并采用高阻力全封闭多边形工钢支架进行二次支护，两架之间空帮、空顶应密实，同时对支架进行壁后充填、喷浆。 Table 1 Parameter index tables of different steel section 类别 型号 抗弯截面模量W x (cm 3 ) 抗扭截面模量W y (cm 3 ) 稳定性 断面利用率η U型可缩性棚 25u 82.1 75.7 922.0 6.4 29u 92.3 102.3 1108.3 6.7 矿用工字钢 9 62.5 16.5 264.0 4.5 12 144.5 37.5 259.5 5.8 普通热轧型钢 22b 325 42.7 131.4 10.1 28b 534 61.2 114.6 12.4 表1. 不同钢材断面参数指标统计表 图3. 高阻力全封闭多边形工钢支架整体结构示意图
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user: 4. FLAC3D数值模拟 依据该矿典型的地质条件，为了简化计算模型，把层厚较小或岩性相近的岩层归为一层，同时，将研究对象巷道周围的网格划分较密些，其他地方较疏些。建立计算模型尺寸为：宽 × 高 × 厚 = 40 m × 36 m × 40 m，共建立了315，000块，328，050节点。巷道断面为4 m × 3.6 m的矩形巷道，模型网格如图4所示。通过实验室力学试验，得到煤层顶底板岩层力学参数见表2。该模型边界条件为：四周铰支，底部固支，上部为自由边界。初始应力条件为：上边界施加垂直应力约为25 MPa，侧压系数按实测取0.4，四周施加水平应力为10 Mpa。模型采用摩尔–库伦本构模型进行计算。 通过建立数值模拟，对巷道使用新型工钢支架支护前后围岩塑性区大小情况进行分析。图5(a) 为使用新型工钢支架支护前巷道围岩塑性破坏模拟结果，图5(b)为使用新型工钢支架支护后巷道围岩塑性破坏模拟结果，表3为巷道使用新型工钢支架支护前后围岩塑性破坏范围汇总结果。 从模拟结果可以看出，①使用新型工钢支架支护前，顶板塑性破坏范围为1.2 m~2 m，底板塑性破坏范围为1.5 m~2.5 m，两帮塑性破坏范围为2 m~3.5 m；②使用新型工钢支架支护后，顶板塑性破坏范围为0.8 m~1.5 m，底板塑性破坏范围为1~1.8 m，两帮塑性破坏范围为1.2 m~2 m。 由此可以总结出，使用新型工钢支架支护后，巷道顶底板及两帮破坏范围比未使用工钢支架支护时有所减小。
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user: 5. 现场工业性试验 通过对支护形式对比优化，在−980 m水平主副暗一联巷进行试验，采用深基点位移计监测巷道顶板岩层位移变化趋势。在巷道中部相距30米布置两个观测站，监测结果如下图6所示。 从观测结果可以看出，a监测站总巷道位移量为37 mm，集中在0~1 m与2.5~4 m范围内，0~1 m内变形量达到18 mm，4~8 m内变形量仅为5 mm，则4米深的顶板相对比较稳定。b监测站总巷道位移量达到47 mm，变形主要发生在中浅部，且主要集中在2.5~4 m范围内，深部位移发生比较小。从围岩位移变化趋势来看，a，b测站顶板位移在前28天内增长速率较快，之后位移变化趋于平缓，围岩相对稳定。 Table 2 Mechanics parameters of the seam roof and floor rock 岩性 厚度/m 密度/(kg∙m −3 ) 体积模量/GPa 剪切模量/GPa 内聚力/MPa 内摩擦角/(˚) 细砂岩 13 2520 15.3 12.0 2.8 38 粉砂岩 12 2600 12.8 8.2 3.7 33 灰岩 1 2700 7.5 4.3 2.2 35 2#煤 4 1400 6.0 4.0 1.9 30 砂质泥岩 5 2200 8.2 5.1 2.4 35 粉砂岩 15 2600 12.8 8.2 3.7 33 表2. 煤层顶底板岩层力学参数 Table 3 The summary of plastic zone size of the surrounding rocks for before and after using the new steel brackets in roadwa 支护方式 顶板破坏范围/m 底板破坏范围/m 两帮破坏范围/m 使用新型工钢支架支护前 1.2 m~2 m 1.5 m~2.5 m 2 m~3.5 m 使用新型工钢支架支护后 0.8 m~1.4 m 1~1.6 m 1.2 m~2 m 表3. 巷道使用新型工钢支架支护前后围岩塑性破坏范围汇总表 图4. 数值计算模型 图5. 巷道使用新型工钢支架支护前后围岩塑性破坏图 图6. 深基点位移监测曲线 监测数据分析可知，采用高阻力全封闭多边形工钢支架支护能有效减小巷道围岩变形，起到良好支护效果，提高了成巷速度，减少了巷道返修次数，达到了设计要求与矿井正常生产需求。
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user: 6. 结论 1、通过对不同材质抗弯强度，稳定性等指标对比分析，选取了热轧型钢作为支架的最佳材质。考虑到巷道顶底帮破坏程度不同，对顶底板和两帮分别采用28b和22b型钢进行加强支护，来提高支架的整体稳定性。 2、以−980 m主副暗一联巷为计算模型，通过对巷道使用新型工钢支架支护前后围岩塑性区大小进行数值模拟对比，得出了新型工钢支架支护能改善巷道围岩塑性区大小，该新型支护方式较为合理。 3、将研究成果应用于现场工程实践，监测结果表明，巷道变形量基本控制在50 mm左右，符合生产要求，巷道翻修时间加长，新型工钢支架支护技术能够满足千米埋深巷道围岩的要求。
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user: 摘 要 本文分析了印尼地热资源的特点及其开发现状，对集中式地热电站和分布式井口地热电站的技术特性进行了分析对比，研究表明分布式井口地热电站在印尼地热开发中具有较好的应用前景，为地热电站建站模式的优选提供了依据。 关键词 :地热资源，集中式地热电站，分布式井口地热电站
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user: 1. 前言 随着地热资源开发技术的不断成熟，地热发电作为地热资源开发利用的主要方式正在加速发展，目前全球性的地热带主要有4个 [ 1 ] [ 2 ] (图1)： 1) 环太平洋地热带——它是世界最大的太平洋板块与美洲、欧亚、印度板块的碰撞边界； 2) 地中海–喜马拉雅地热带——它是欧亚板块与非洲板块和印度板块的碰撞边界； 3) 大西洋中脊地热带——这是大西洋海洋板块开裂部位； 4) 红海–亚丁湾–东非裂谷地热带。 图1. 世界主要国家地热电站装机容量 印尼正处于亚欧板块、印度洋板块、太平洋板块三大板块交接的地理位置，是地震火山多发的活跃地带，具有丰富的地热资源，占到全球地热资源40%左右，发电潜力达29，000 MW。 地热发电技术有以下主要优点： 1) 地热属于清洁能源且可再生，不产生温室气体； 2) 电站安全可靠，可以向电网不断输送电力，不存在间歇性和不确定性，几乎完全不受气候的影响，这使得地热发电厂可以成为提供基本负荷的电力能源系统，因此地热发电已经成为一种可快速商业化并能够并网发电的可再生能源的选择。
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user: 2. 印尼地热开发现状 [ 3 ] [ 4 ] 印尼地热能源利用率为5%，总发电量为1333 MW (2014年数据)，排在美国和菲律宾之后，是世界第三大利用地热能源的国家。印尼正在努力发展地热能源，印尼矿能部共规划了58个地热开发区，全国共确认了265处潜在的地热电厂选址。根据印尼矿物与能源部制定的地热能源开发利用规划中的明确规定，到2025年，地热发电可达9500 MW，将地热发电量在全国电力中的比例提高到12%，成为全球最大的地热利用国。 印尼的地热电站以集中式地热电站为主，第一座地热电厂在1983年建成，并于1987年得到扩建，目前该电厂装机容量为140 MW。80年代中期，世界最大的地热电力公司Chevron开发了位于西爪哇Salak和Darajat的两处地热带，综合装机容量达到了365 MW左右。印尼的万隆地热电站拥有40眼地热井，于1999和2009年建成两套地热发电机组，总装机容量为227 MW，第3号机组于2013年建成，装机容量为127 MW，该电站的自动化管理水平很高，仅有几十名技术管理人员，是世界上最先进的地热电站之一。 目前，印尼的电力需求以每年10%的速度增加，由于大规模集中式地热电站的建站周期长、投资大，远远不能满足用电需求，而分布式井口地热发电模式(即在地热井口直接发电)以其建站周期短、投资小等特点正在逐步被推广应用。
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user: 3. 分布式井口地热电站与集中式地热电站的对比分析 [ 5 ] - [ 9 ] 集中式地热电站和分布式井口地热电站的对比分析可从资源的综合利用效率、系统及设备的复杂性、适用性与可靠性，投资开发成本和建站周期等方面进行系统考虑。 ■ 地热资源的综合利用效率对比 对于同一地热田，不同位置的地热井开采出的地热流体温度仍可能差异较大，集中式地热电站由于无法兼顾所有地热井，使得较低参数的地热井无法被利用，而较高参数的地热井不得不降低参数从而造成资源浪费。分布式井口地热电站可根据不同地热井的参数分别进行设计建站，使得每口热井的能源都能得到最大化的利用，因此单从地热资源利用效率来看，分布式井口地热电站具有明显优势。 ■ 地热资源损失对比 集中式地热电站与地热井之间需要远距离的输送管线，在输送过程中会产生将近20%的能量损失，此外在地形地貌相对复杂的区域铺设管线难度较大，如果采用分布式井口地热电站，可以大大降低地热蒸汽的热量损失。 ■ 热力系统及电站设备的复杂性 集中式地热电站由于汇集了来自不同热井的流体，可以采用大功率的汽轮机组，大型汽轮机组的热效率与分布式发电系统中采用的小型汽轮机相比，热效率较高，因此对于具有热流体参数相似并且距离相对较近的地热井具有比较优势。 分布式井口地热电站需要根据每口地热井的参数进行个性化的优化设计以实现热能利用最大化，这使得不同地热所需的汽轮机组及其辅助设备都要进行个性化定制或选型，相比较集中式地热电站而言，虽然不需要热流体管线，但增加了设备的种类和系统的复杂性。 ■ 电站的移动性 井口式地热电站井口电站单机功率小，主要设备均可实现橇装化，便于运输和拆卸。当地热井产能衰减过大时可方便地进行电站迁移。当需要进行集中建站的时候，也可以将模块化的单元发电机组进行组合，适应性较强，提高了设备的重复利用性，避免了集中式电站由于地热资源参数降低影响发电效率等问题。 ■ 电网运行安全性 由于井口地热电站的装机容量不是很大，并网时对现有电网不会带来很大的冲击，既可以承担电网的基本负荷，又可以承担调峰负荷，机组能够适应频繁启停的工况，给整个电网的运行调度带来方便。同时单个电站故障并不影响其他井口电站的正常运行，因此故障影响区域相对较小，整个电力系统的稳定性较好。 ■ 投资开发成本 相比于集中式地热电站，井口地热电站的投资相对较小，边开发边发电的建站模式将缩短整个开发周期并显著提高资金的利用效率和投资回报率，因此分布式井口地热电站在印尼具有较为广阔的应用前景。 ■ 建站周期 通常集中式地热电站需等待所有热井钻探完成并取得测井数据后进行设计，热力管线的建设也需要相对较长周期，导致整个电站的投资开发周期较长。而分布式井口地热电站不需要热力输送管线，建站周期较快，对于较大的地热田，可以边打井边建电站，极大地缩短了地热资源的利用周期。
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user: 4. 分布式井口地热电站在印尼的应用 [ 7 ] 众所周知，印尼是一个由众多岛屿组成的国家，因此离岛的电力需求很大，分布式地热电站恰恰满足了这个条件，不用特别大的装机容量就能够满足岛屿上的用电需求，且安装简单，设备撬装化后运输方便。目前井口电站已经在印尼取得了初步成功应用，如在武隆布建立的装机容量为5.4 MW的离岛地热电站(图2)，其基本情况如下。 该地热电站采用转速为3000 r/min的汽轮机，气液分离器采用立式分离器，分离后蒸汽干度99.5%。凝汽器采用混合式凝汽器，抽真空系统采用了两级射汽抽气器，虽然省掉了真空泵，节约了整个电站的自耗电率，同时也浪费了将近20%的地热蒸汽。 该电站的不凝结气体含量为3%左右，考虑到腐蚀性气体含量高，同时电站基本都修建在山坳里，所以地热蒸汽中分离出来的不凝结气体易在生活区聚集，因此电站的建筑设计采用的是封闭式钢结构，防止设备受腐蚀性气体影响。 整个电站的冷却塔处不凝结气浓度相对较高，硫化氢气体经冷却塔顶部电扇吹除冲稀后，其浓度仅为3~5 ppm，远远低于世行规定的最低浓度指标10 ppm，因此无需进行不凝性气体收集和额外的后续处理。 整个井口电站自动化程度较高，运行平稳，满足了整个地区的供电需求，值得进一步推广应用。表1为武隆布井口地热电站主要技术参数。
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user: 5. 结论及建议 综上所述，由于印尼国家的地域特点，离岛分布式井口地热电站的建设有很大的推广前景，又由于 图2. 武隆布井口地热电站 Table 1 Main technical parameters of wellhead geothermal power station in Wulon 序号 指标名称 单位 数值 备注 1 总装机容量 MW 6 2 机组台数 台 2 3 单台机组额定发电功率 MW 3 4 单台汽轮机额定耗汽量 t/h 27.67 6 bar(a)饱和蒸汽 5 汽轮机汽耗率 kg/kWh 8.35 含汽封用汽 6 经济寿命 年 20 表1. 武隆布井口地热电站主要技术参数 各地热井的参数差异，采用分布式地热电站可以根据每口地热井的资源特性，确定最佳机组参数，极大的发挥单井的潜能，避免资源的浪费。 同时分布式井口地热电站具有建站周期短、配套设施投资低、建设和运行方式灵活的特点，适合资金短缺地方的地热资源快速滚动开发。
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user: 摘 要 设计洪水是水利水电工程设计和流域规划中的关键问题。本文介绍了国内外基于流量资料推求设计洪水的计算方法及几种常用的洪水频率分析模型。构建了P-III/CF、P-III/LM、Gumbel/LM和Log P-III/MM等四种洪水频率分析模型，比较了不同模型估计的设计洪水值。研究表明，中国规范推荐的P-III/CF模型比其他模型的估计结果偏大10%~15%；在开展设计洪水计算时，样本资料系列的代表性非常重要，同时也要认识到历史洪水资料具有可能提高或损害系列的代表性；不同洪水频率分析模型的成果差异，跟模型构建中的频率分布线型、参数估计方法和适线准则均有关；基于设计洪水计算中存在的各种客观现实条件，在开展设计洪水研究和计算时，应充分重视基础资料的“三性”审查及分析过程和成果的合理性分析。 关键词 :设计洪水，洪水频率分析，参数估计，适线准则，合理性分析
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user: 1. 引言 设计洪水是水利水电工程及流域规划工作防洪安全设计所依据的各种标准洪水的总称。合理确定设计洪水是江河流域规划和水利水电工程设计中的首要任务，它直接关系到江河开发治理的战略布局，关系着工程的规模、安全与经济社会效益，关系着人民生命财产的安全和社会的安定，因此，该问题历来都受到世界各国的重视。 无论在哪个国家，设计洪水的准确估算至关重要。在特定流域水文基础资料既定的条件下，设计洪水计算方法直接决定了设计洪水成果。世界各国流域水系结构、地形地貌、下垫面组成、气象条件、经济发展水平、水文水资源学科基础研究水平等各有不同，因而各国的设计洪水分析与计算不是统一的标准体系，而是最适合各国国情或水文特性的设计洪水体系。部分国家，如中国、英国、美国等，在长期的基础科研和工程设计实践基础上，形成了设计洪水计算的行业标准；部分国家没有制定统一的规范或标准，主要是基于实践应用经验或统计检验比较，例如，同一国家的不同区域可能会根据实际情况选择最适合的分布线型；也有一部分非洲国家，曾属英法等殖民地，直接采用殖民国的设计洪水计算方法。 为了使设计洪水成果符合区域要求，客观反映区域洪水特性，开展不同区域或国家设计洪水计算方法的比较研究，具有重要的理论意义和实际价值，可以有效指导国际水利水电工程项目的设计洪水计算。
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user: 2. 国内外设计洪水计算方法概述 2.1. 国内设计洪水计算方法概述 自1949年中华人民共和国成立至今的60多年内，我国已逐渐形成了一套比较完整的分析计算设计洪水的方法。1979年，原水利电力部颁发了《水利水电工程等级划分及洪水标准规范》(试行)，这是中国第一次对水利水电工程设计所采用的洪水标准做出统一、明确的规定。1993年，对原试行规范修订后，水利部和能源部颁布了《水利水电工程设计洪水计算规范Sl44-93》。2006年，经再次修订后，水利部颁布了《水利水电工程设计洪水计算规范Sl44-2006》(下文简称《规范》) [ 1 ] ，该规范是我国目前水利水电工程洪水设计的重要依据。 中国水利水电工程设计洪水计算规范规定，洪水选样采用年最大值法，经验频率采用数学期望公式计算，洪水频率曲线的线型应采用P-III型(对特殊情况，经分析论证后也可采用其他线型)，通过矩法(MM)或其他参数估计方法初步估算统计参数，采用适线法(CF)调整初步估算的统计参数。对用适线法确定的统计参数，还应该与本站洪峰、不同时段洪量统计参数，以及上游、下游、干支流和邻近流域各站统计参数进行合理性检查分析，必要时可作适当调整 [ 2 ] 。 2.2. 国外设计洪水计算方法概述 为了研究不同国家的设计洪计算方法，本文综述了各国标准协会、行业协会或相关水资源委员会发布的相关报告 [ 3 ] - [ 19 ] ： 印度采用年最大值选样方法，选用Gumbel分布进行频率分析计算，通过矩法开展参数估计。 日本采用年最大值选样方法，根据拟合度来选择确定频率曲线，常用的频率曲线主要有三种：正态型分布，极值型分布和指数型分布。 马来西亚采用年最大值选样方法，经验频率公式建议采用数学期望公式，洪水频率曲线线型采用Gumbel分布，通过矩法估计Gumbel分布的参数。 澳大利亚洪水频率分析可以按照年最大值选样和超定量(POT)选样，经验频率公式采用Cunnane公式 [ 8 ] 。对年最大值选样系列，洪水频率曲线线型通常采用广义极值(GEV)分布和对数P-III (Log P-III)分布。对POT系列，洪水频率曲线线型通常采用指数分布、Generalized Pareto (GP)分布和Log P-III分布。采用线性矩法(LM)估计分布参数。 英国洪水频率分析通常可以按照年最大值选样和超定量选样，经验频率公式采用Gringorten公式。在英国规范中，频率分析首先由流量资料或流域特征值计算年最大洪水中值，然后采用Generalized Logistic (GL)分布进行洪水频率分析。统计模型参数估算采用线性矩法。当观测系列较短时，推荐采用洪水频率区域综合分析。 挪威洪水频率分析通常可以按照年最大值选样和超定量选样。经验频率公式采用Gringorten公式。Gumbel分布和GEV分布被发现与挪威的流域洪水资料吻合最好，但挪威的洪水频率估计指南建议最好选取多个分布，比较哪个最适合来选取最佳。现有的参数估计方法有矩法、线性矩法和最大似然估计法，其中线性矩法是最常用的方法之一。 法国可以采用年最大值选样和超定量选样，推荐采用年最大值选样方法。经验频率公式建议采用中值公式。洪水频率曲线线型通常采用GEV分布。采用线性矩法估计分布参数。 西班牙一般采用年最大值选样方法。经验频率公式建议采用Gringorten公式。洪水频率曲线线型绝大多数采用GEV分布，只有极少数为Gumbel分布。采用线性矩法估计GEV分布的参数。均值和线性矩变差系数L-C V 采用该站点自身的计算值，线性矩偏态系数L-C S 则采用区域值。 瑞典采用年最大值选样方法，频率分布有Gumbel分布、Log P-III分布和对数正态分布等。采用矩法估计参数，采用 分布来选择最适合的线型。 俄罗斯一般采用年最大值选样方法，经验频率公式采用中值公式或数学期望公式。频率曲线采用克里茨基-闵开里(K-M)分布。分布参数求解非常复杂，一般只能得到数值解。 德国一般采用年最大值选样方法，洪水频率曲线线型通常采用GEV分布，采用线性矩法估计GEV分布的三个参数。 美国采用年最大值选样方法，频率分析选用Log P-Ⅲ型分布，采用矩法估计统计模型参数。当站点洪水样本系列小于100年时，偏态系数C s 由站点估计值和C s 区域值加权计算。 加拿大可采用年最大值和超定量两种取样方法。水文频率线型可以采用正态分布、对数正态分布、三参数对数正态分布、极值I型分布、极值II型分布、极值III型分布、P-III分布和Log P-III分布。参数估计的主要方法有矩法和极大似然法。 2.3. 方法比较与评价 通过对各国设计洪水计算方法进行分析，可以得出以下结论： 1) 世界各国基于频率分析推求设计洪水，技术思路基本一致，主要在数据选样、经验频率公式、频率曲线分布线型、参数估计方法等方面存在差异。 2) 在基于流量资料推求设计洪水时，通过构建洪水频率分析模型来进行计算，该模型由洪水频率分布函数和参数估计方法构成。一般根据各国的规范或者实际情况选择水文变量最适合的分布函数后，采用合理的参数估计方法求解该分布函数的各项参数，从而得到水文变量的理论分布函数，并通过它进行设计洪水计算。 3) 对于设计洪水计算方法是推荐方式，部分国家，如中国、美国、英国等，基于专业基础研究和大量工程应用实践，以行业规范、推荐指南、计算手册的形式推荐，权威性和强制性较高；部分国家以协会、水资源委员会或理事会发布的报告形式予以推荐；还有些国家没有明确的洪水计算规范或指南性文件，常用的设计洪水计算方法均可接受。 4) 据现有参考文献分析，各国洪水系列选样方法以年最大值选样居多，有一部分国家年最大值与超定量选样均可，如加拿大、英国、挪威、澳大利亚等。中国《规范》推荐采用年最大值选样，并规定洪水系列长度一般要有30年。 5) 各国采用的洪水频率曲线线型，均为水文领域常见的几种分布函数，如P-III分布，Log P-III分布，GEV分布，Gumbel分布，正态分布，对数正态分布，GL、K-M分布等。各国在做频率线型推荐时，部分选择与本国洪水资料拟合最好的某一种线型，部分允许采用多种线型，以统计拟合优度检验来确定最终的线型。中国以规范的形式，推荐采用与我国南北地区洪水资料系列拟合均较好的P-Ⅲ分布，特殊情况，经充分论证，也可采用其它线型。 6) 对于参数估计方法，采用线性矩法或矩法的居多。大多数国家，在设计洪水计算过程中，依据洪水样本系列和一定的参数估计方法计算分布函数的参数值，计算的参数值即为最终的参数值，不再做调整。中国《规范》推荐采用矩法等方法计算的参数值作为初估值，经验适线法确定最终的参数值。该方法主要是考虑在确定稀遇洪水频率时，在理论分布曲线与经验点距拟合过程中，根据工程设计专业人员的经验，给予洪水系列样本中的历史调查大洪水或实测系列中的大洪水予以更多的关注和权重。
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user: 3. 洪水频率分析模型 3.1. P-III/CF洪水频率分析模型 如前文所述，中国《规范》推荐采用P-III型分布和目估适线(Curve Fitting)法确定参数，简记为P-III/CF洪水频率分析模型。P-III分布函数的概率密度函数为： (1) 式中： 、 和 分别为分布的形状、尺度和位置参数。 在做频率分析前，应先做系列代表性分析，以了解洪水频率计算所依据的样本系列是比较合适、还是可能偏大或偏小，以便帮助我们在推求设计洪水的各个步骤中及设计洪水数值的最终选用时做出正确的判断，减少对工程防洪设计带来的不安全的因素。 连序系列一般指由 年实测(包括插补延长)资料组成的系列，其各年洪水的经验频率可采用数学期望公式计算，即 (2) 式中： 是 年连序系列中按由大到小顺序排列，其序位为 的洪水经验频率。 不连序系列指由历史调查洪水、实测系列中洪水的特大值以及其余的实测洪水系列混合组成的系列。对于不连序系列，如在历史洪水的调查考证期 年中已调查到前 个洪水，其中有 个是发生在 年实测系列中，则这类不连序系列的经验频率可以采用统一样本法和独立样本法计算，其中统一样本法的计算公式如下： 年中前 个洪水的经验频率为 (3) 实测系列中除特大值外的 个洪水的经验频率为 (4) 3.2. P-III/LM洪水频率分析模型 该模型采用P-III线型作为频率分布函数，通过线性矩法估计参数。P-III分布函数的各项参数和常规矩统计参数的关系为： ， ， (5) 式中： 、 和 分别为均值、均方差和偏态系数。 线性矩法 [ 20 ] 起源于概率权重矩，是概率权重矩的线性组合。样本线性矩：假定观测到变量 的 个样本值，将其按从小到大的顺序进行排列。用 表示样本序列中排序为 的值，前三阶样本线性矩计算如下 ， ， (6) 其中： ， ， (7) P-III型分布的一阶线性矩 、二阶线性矩 、三阶线性矩 和线性变差系数 、线性偏态系数 分别可用以下公式表示： ， (8) 根据线性矩估计P-III型分布三个统计参数的计算方法如下： 当 时，令 ， (9) 当 时，令 ， (10) 则三个统计参数计算公式如下： ； ； (11) 对于具有历史洪水信息的非连续样本，考虑到线性矩是概率权重矩的线性组合，则其线性矩公式不变，只需要将此时的概率权重矩公式改为具有历史洪水时的样本概率权重矩公式。 3.3. Gumbel/LM洪水频率分析模型 该模型采用Gumbel分布作为频率线型，通过线性矩法估计参数。GEV分布的概率密度函数式为： (12) 其中： (13) 式中： 、 和 分别为形状、位置和尺度参数。当 时，GEV分布即为Gumbel分布。 Gumbel分布与线性矩之间的关系式如下： ， (14) 其中， 为欧拉常数，等于0.5772，则参数 、 的计算公式如下 ， (15) 3.4. Log P-III/MM洪水频率分析模型 该模型采用的分布函数为Log P-Ⅲ线型，该分布是将对应超过概率 的年峰值流量 取以10为底的对数，则有公式： (16) 式中： 是频率因子，均值 、标准差 和对数偏态系数G定义如下： (17) (18) (19) (20) 式中： 为年峰值流量取对数； 为连序序列长度； 为流量取对数后的均值； 为流量取对数后的标准差； 为取对数后的偏态系数； 为超过概率 和对数偏态系数 的函数，可根据查表得到。
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user: 4. 设计洪水计算方法的比较研究 4.1. 计算方案及成果 以国外某水库为实例，坝址处没有设立水文站，坝址上游水文站具有1956~2009年共54年实测洪水系列，并调查有两场历史洪水，坝址下游水文站具有1971~2009年(缺测1年)共38年实测洪水系列，无历史洪水。结合流域暴雨洪水特性分析，宜采用上下游水文站为设计依据站，按照面积比内插推求坝址设计洪水。 分别构建P-III/CF、P-III/LM、Gumbel/LM和Log P-III/MM四种洪水频率分析模型，分别对坝址的设计依据站(上游和下游水文站)进行设计洪水计算，然后通过面积比内插推求坝址设计洪水成果，如表1所示。 4.2. 成果分析与讨论 对比前期设计洪水成果和本次四种洪水频率分析模型得到的坝址洪水设计值，可以得出以下结论： 1) 前期设计洪水成果明显偏小，主要原因是采用的设计依据站的代表性不足，且实测资料序列太短。前期设计时，仅采用下游水文站作为坝址设计依据站，本次还采用了上游水文站作为设计依据站，上游水文站的资料精度明显高于下游水文站。前期设计时，仅采用了下游水文站共20年的洪水实测资料，本次采用了38年的洪水资料；通过分析洪水系列，发现该水文站的最大五场洪水均发生在本次系列延长之后。本次研究依据上下游站的设计洪水成果内插计算坝址设计洪水，比较符合区域洪水特性的实际情况。 2) 采用P-III/LM模型得到的稀遇洪峰设计值比采用P-III/CF的计算结果偏小。P-III/LM比P-III/CF洪水频率模型估计的万年一遇、五千年一遇洪峰设计值分别偏小14.1%、13.5%；万年一遇3 d洪量，7 d洪量和15 d Table 1 Results of design flood estimated by different flood frequency analysis model 前期成果 (洪峰) 线型 设计频率P (%) 0.01 0.1 1 2 5 20 Gumbel 22，041 18，438 14，829 13，737 12，279 9979 Log P-III 14，660 13，300 11，816 11，327 10，631 9738 P-III 15，363 14，095 12，601 12，080 11，312 9843 项目 设计频率P (%) 0.01 0.02 0.1 1 5 20 P-III/CF 洪峰 29，300 27，800 24，200 17，700 14，500 11，400 W 3d 68.5 65.0 57.0 42.2 34.8 27.8 W 7d 145 138 122 90.6 75.3 60.7 W 15d 283 270 238 177 148 119 P-III/LM 洪峰 25，181 24，036 21，342 16，147 15，087 13，625 W 3d 58.5 56.0 50.2 38.5 36.2 32.9 W 7d 123.0 118.4 107.2 82.9 78.3 71.8 W 15d 246.9 236.9 212.8 164.1 154.8 141.8 Gumbel/LM 洪峰 27，451 25，965 22，550 16，460 15，259 13，656 W 3d 66.3 62.7 54.6 39.9 37.1 33.3 W 7d 145.8 138.3 120.6 87.9 81.5 73.1 W 15d 288.4 272.9 236.8 173.0 160.6 144.0 Log P-III/MM 洪峰 27，892 26，694 22，326 16，213 13，699 11，849 W 3d 62.6 60.5 51.8 38.6 33.2 29.1 W 7d 126.9 123.5 108.7 82.8 72.5 64.3 W 15d 250.3 243.1 212.7 162.6 142.9 127.1 表1. 不同洪水频率分析模型的坝址设计洪水成果(单位：洪峰，m 3 /s；洪量，10 8 m 3 ) 洪量设计值分别偏小14.6%，15.2%和12.8%。 3) Gumbel/LM、Log P-III/MM两种模型的稀遇洪峰设计值均比P-III/CF的设计值小。其中，Gumbel/LM、Log P-III/MM模型估计的万年一遇设计洪水分别比P-III/CF的设计值偏小6.3%和4.8%。对于洪量设计值，Gumbel/LM模型估计的万年一遇、五千年一遇3 d洪量设计值比P-III/CF的设计值稍有偏小，7 d洪量和15 d洪量设计值比P-III/CF的设计值略大；Log P-III/MM模型估计的万年一遇、五千年一遇不同时段洪量设计值比P-III/CF偏小6.9%~12.5%。 4) 不同频率分析模型得到的坝址设计洪水成果基本在同一个量级，各种模型的成果差异，跟模型构建中的频率分布线型选择、参数估计方法有关，也跟适线准则有关。在P-III/CF模型中，面向稀遇设计洪水的推求目的，重点考虑洪水样本系列中的历史调查大洪水和实测大洪水拟合情况，调整参数初值，确定了最终参数值。 5) 历史洪水资料具有两面性。一方面，在现有资料系列样本较短的现实情形下，希望尽量利用历史洪水资料，提高短期洪水样本系列的代表性，得到较为正确的总体分布。如果历史洪水的量值及其重现期能有较为可靠的考证和推求，则频率曲线的外延指导会较为可靠，历史洪水资料的利用就是一种有效的提高代表性的措施。另一方面，种种因素综合作用下，历史调查洪水峰值易于高估，重现期易于低估，若估计误差太大，则有可能损害系列的代表性。 6) 设计洪水是个科学难题。在很多情况下，设计洪水是一种高度困难的推求极值问题，无论中外，在水利水电工程领域，多需要根据有限的几十年洪水样本资料推求可能发生的几百年、甚至千年、万年一遇的洪水情况。因为洪水事件带有随机性，是一种概率问题，因此应用概率论和数理统计来进行洪水频率计算是常见的研究手段。数理统计的前提要求是大样本，而洪水问题往往只有小样本，即使偶有系列达百余年，性质上也还是小样本，因而设计洪水注定是高难度的科学问题。 7) 洪水的总体分布是未知的。洪水现象是高度复杂的多因素复合自然现象，其必然性规律无法确切得知，其统计规律也难于从目前的较短实测水文系列肯定地推求。因此，人们只能基于假定分布函数与实测洪水系列的拟合情况，来选出能够较好的拟合大多数水文站点较长实测洪水系列的线型作为最优线型。在具体设计问题中，应结合项目所属地区的行业领域研究情况，辩证的分析，合理地选择洪水分布函数。
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user: 5. 结论 本文介绍了国内外基于流量资料推求设计洪水的计算方法及频率洪水分析中常用的几种洪水频率分析模型。以国外某水库为实例，分别建立了P-III/CF、P-III/LM、Gumbel/LM和Log P-III/MM四种洪水频率分析模型，开展了设计洪水计算方法的比较研究。研究表明： 1) 在开展洪水设计时，样本资料系列的代表性非常重要，同时也要认识到历史洪水具有可能提高样本资料代表性和可能损害系列代表性的两面性。 2) 不同洪水频率分析模型的成果差异，跟模型构建中的频率分布线型选择、参数估计方法有关，也与适线准则有关。经验适线法在根据一定的参数估计方法确定初值的基础上，会较为重视高水点据特别是可靠的历史洪水点据来调整参数，外延频率曲线来推求极值，是P-III/CF模型稀遇设计洪水成果较其它模型成果偏大的原因之一。 3) 基于设计洪水科技问题中存在的各种客观现实条件，在开展洪水研究和设计中，应客观审慎，充分重视基础资料的“三性”分析及过程和成果的合理性分析。
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user: 摘 要 按照“十三五”的最新精神，中国需要完善自然资源资产负债表的价值化技术，以及优化环境容量、承载力的核算方法。本文对当前负债表编制的难点提出了解决思路。其中环境容量、承载力的分析是编制区域负债表、制定环境规划的关键。以武汉市大气系统为例，梳理与评价了环境容量、环境承载力的概念、计算方法中存在的问题，优选统计数据，合理地预测出一批大气环境容量、环境承载力指标的动态阈值。这不仅为政府调控环境-经济，也为测算环境系统价值提供了重要依据。 关键词 :自然资源资产负债表，环境容量，环境承载力，阈值，系统动力学
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user: 1. 引言 党的十八届三中全会提出，“探索编制自然资源资产负债表，对领导干部实行自然资源资产离任审计，建立生态环境损害责任终身追究制”。 定期核算自然资源资产的变动情况，有助于全面反映政府对各项自然资源占有、使用、维护以及管理绩效，自然资源资产负债表重点反映某一时点自然资源资产的存量概念，与重点反映一定时期流量概念的绿色国民经济核算存在勾稽关系。同时，自然资源资产负债表是国家资产负债表的主要组成部分，是推进国家治理体系和治理能力现代化的重要工具。这是深化生态文明体制改革的重要举措，是对干部政绩观的一次根本性的颠覆。
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user: 2. 自然资源资产负债表编制的困难与破解 2.1. 困难分析 无论是环境审计还是负债表，都是理论研究多、实际案例少，指导性、可操作性不强。当前，开展自然资源资产负债表编制还有许多难题需要解决。自然资源包括土地资源，水资源，煤炭、石油等矿产资源，森林、海洋、野生动物等生物资源，以及空气、生态系统等生态环境资源。这就决定了自然资源资产负债表的构建对应的层次是“自然环境 + 社会经济”，处于生态学、环境学、资源学、经济学、社会学等众学科研究的范围，同时也是一项涉及环保、国土、林业、水利、农业、海洋、能源等多部门的工作 [ 1 ] [ 2 ] 。编制和研究的复杂性不言而喻。 第一，人们对其战略地位的认识还不到位，自然资源资产核算相关制度安排，如相关统计法规以及自然资源资产核算与负债表编制相关技术规范、标准等基本属于空白。 第二，自然资源资产核算的相关技术方法还存在一定难度。例如，环境资产产权的界定、环境容量资产的核算方法、环境资产价值量和环境资产“存量、流量”的核算技术方法，生态产品核算的技术方法等，尚未形成标准化程度高、应用成熟规范、各方普遍认可的方法体系。 第三，支撑自然资源资产负债表编制的统计数据体系存在较大问题。我国现行的自然资源与生态环境统计数据体系尚不完备，数据质量和覆盖面都存在较大问题，这对于编制准确可行、有效可用、在时间上连续的自然资源资产负债表无疑是很大挑战 [ 3 ] [ 5 ] 。 2.2. 破解之道 第一，是搭建跨学科、跨部门的统一工作平台 [ 6 ] 。各试点区在组织形式上搭建由该地的环保、统计部门牵头，财政、水利、国土、林业等有关部门参加的统一工作平台，根据不同资源环境要素，下设若干编制专题小组，按“指南”或“导则”，统一协调部署，共同制订工作方案及目标，按指标体系与方法体系，负责组织试点及实施工作。这是自然资源资产负债表编制成功的保证。 第二，通过研究和借鉴国际经验，建立一个与国际接轨、比较理想的、与国家统计核算制度衔接的、分步实施的自然资源资产负债核算体系框架；其次提出自然资源的实物量核算方案；再次，提出自然资源的价值量核算方案 [ 7 ] 。这是自然资源资产核算体系的一个重点，也是难点，需要区分不同情况逐步开展研究和突破。确定自然资源资产负债表的内容、功能和实施过程。如各类资源核算指标、生态环境核算指标、价值量核算及方法，核算的时间跨度、实施程序与优先顺序安排等等。 第三，构建科学完整的自然资源统计指标体系。这一指标体系的基本框架可分为反映自然资源、生态环境和环境污染三个方面的统计指标(图1)。以反映生态环境的统计指标为例，生态环境可分为土地、森林及水环境、大气环境等，其核算应包括生态环境效益与退化两方面。其中，环境效益是客观存在的，例如森林生态环境可以防止水土流失、土地沙化；PM 2.5 年均浓度值高低、水体数量、水质等级、土壤洁净程度对人体健康意义重大。把这些效益折合为价值即为生态环境的效益价值。退化是指破坏生态环境造成的损失价值。 对“环境退化”的测算可借助环境容量的是否减少来实现。这里环境容量指纳污能力或净化能力。例如某水体在某时间点的环境容量是100单位，当排污有限时，水体的净化作用可使环境容量100单位长期维系；当大量排污导致水体环境恶化，其净化能力退化，在一段时间后某时刻测得的环境容量为60单位，即该水体的环境容量减少了40单位，说明水体自净能力变差了。当区域内某一污染物的环境容量下降值确定了，就可根据从下降水平恢复到原容量值的经济代价来确定损失价值。 第四，借鉴与学习已通过开展试点地区的经验，具体试点区要具体对待，先易后难，因地制宜，抓住重点。对林区为主的区域编制要突出森林面积、种类、质量在不同时间节点上有无变化；对湖区要突出湖泊面积、水量、水质在不同时间节点上有无变化；对生态保育区要突出生态系统、生态资源在不同时间节点上有无变化；对经济发展区要突出环境质量水平在不同时间节点上有无变化。 每一个试点区都面临三个方面的内容： 1) 生态产品生产总值核算与资产负债表编制。全面获取森林、草地、水体、土地包括土壤等生态资源信息，编制该区生态资产负债表，将生态资源使用、消耗和破坏活动造成生态资产损耗和生态效益下降记录为“负效益”，将生态资源恢复和增值活动带来生态资产增值和生态效益上升记录为“正效益”。 2) 大气和水环境容量资产负债表编制。对于大气，收集该区大气污染源数据、环境质量数据、气象数据等基础数据，核定大气污染物的环境容量，编制大气环境容量资产负债表(实物型和价值型)。对于水， 图1. 自然资源资产负债表统计指标分类树状图 收集流域的污染源、水文、水质、排污口等数据，核定计算其不同河段和不同水环境功能区的水环境容量(COD、氨氮)，编制该区水环境容量资产负债表(实物型和价值型)。 3) 水、大气和土壤环境质量产品与效益核算。以大气、水、土壤环境质量达标带来的环境污染损失减少作为其达标的效益，对该区环境效益进行核算，基于环境污染损失和环境质量改善效益核算的绿色GDP核算 [ 6 ] 。 最终，可得到某地自然资源资产负债表。
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user: 4. 结论 编制自然资源资产负债表可分为三大体系，自然资源、生态环境、环境污染，并逐级展开，建立相应的指标体系。参考Costanza等人和国内学者的资产价值化研究，把自然资源、生态资产和环境损益货币化，建立统一的资产账户。 自然资源、生态资产的货币化思路是比较清晰的。而负债表的研究当中，环境容量和承载力的分析是一个难点。在大数据时代，可以避开使用复杂的理化模型来计算环境容量或承载力，而基于区域的环境、社会、经济等宏观统计数据，以政府宏观发展目标为根据，借助系统动力学这种白箱模型方法(内部结构清晰，且所需数据较少)，建立区域“社会–经济–环境”的综合系统模型来研究环境容量和承载力问题，这样可以事半功倍。
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user: 摘 要 在普通的声学材料中，质量密度通常是一个实数。能量耗散是由材料的形状或体积变化引起的，这与复数模量的虚部有关。这里，我们利用声学超材料也可以实现复数的动态质量密度。在这种情况下，能量损耗是由材料的动量变化引起的。我们分析了这种复数的动态质量密度的物理成因，并提出了计算这种有损耗的声学超材料的复数动态质量密度的理论方法。得到的有效复数质量密度通过有限元模拟进行了验证，包括传输研究和实现相干完美吸收。我们的工作展示了一种实现复数质量密度的方法，这找提高声波的吸收上有重要的应用。 关键词 :声学超材料，动态质量密度，损耗
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user: 1. 引言 在过去的一个世纪中，声波的吸收由于具有重要应用价值被广泛地研究。例如噪声控制，混响设计等。最近，声学超材料的出现给我们控制声波的吸收提供了一个新的机遇 [ 1 ] - [ 11 ] 。通过设计适当的局域共振结构，声学超材料可以呈现几乎任意的有效参数，包括负的质量密度 [ 1 ] [ 4 ] [ 5 ] 、负的体积模量 [ 3 ] 、负的剪切模量 [ 6 ] 、双负 [ 2 ] [ 6 ] - [ 9 ] 和其他不同寻常的密度和模量组成 [ 10 ] [ 11 ] 。拥有如此不同寻常参数的超材料，不仅可以在超透和高透镜 [ 12 ] - [ 15 ] ，隐身斗篷和声学幻像 [ 16 ] - [ 27 ] 上产生新的应用，而且可以极大地提高声波的吸收 [ 28 ] - [ 40 ] 。特别是，薄膜超材料已经在亚波长尺度实现了对声波的宽频吸收和全吸收 [ 28 ] - [ 30 ] 。声学相干完美吸收 [ 32 ] [ 33 ] 的概念和一个声学薄膜实现宽带完美的吸收 [ 31 ] 的理论已经被提出。科研工作者们也已经对声学多孔片状晶体 [ 34 ] [ 35 ] 和其他结构如声学黑洞 [ 36 ] - [ 39 ] 进行了研究。这些令人兴奋的发现导致了新的声学吸收技术的快速发展。 在普通的声学材料中，质量密度通常是一个实数。损耗与复数的模量有关，表明能量耗散是由材料的形状或体积变化引起的。这是由材料中相对的位移(形状或体积变化)引起的直观的摩擦(损耗的起源)产生的。然而，声学超材料为实现一种非直观的吸收提供了新的可能性，即损耗和复数的动态质量密度有关。这种复数的动态质量密度不仅代表了损耗的另外一种机制，而且还可以支持一些有趣的应用，如声学相干完美吸收 [ 32 ] [ 33 ] 。特别是，最近的超薄膜组成的纯虚数的质量密度与特定的分散体被发现在自由边界条件下支持声波的宽带完美吸收 [ 31 ] 。这样的宽带完美的吸收非常依赖质量密度，但对于弹性模量和速度的要求具有很大的自由度。这些研究结果表明了研究复数的质量密度的重要意义。在这项工作中，我们分析了这种复数的动态质量密度的物理成因，并提出了计算声学超材料的复数的动态质量密度的理论方法。通过对传输特性进行数值研究，实现了相干完美吸收。由此我们证明了该方法的有效性。
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user: 2. 计算声学超材料的复数的动态质量密度的理论方法 我们从一个简单的正方晶格弹性超材料出发，它是由铅柱子外包围着一层硅橡胶然后镶嵌在环氧树脂基体中。晶格常数是10 cm；铅柱的半径是3 cm；外围着的硅橡胶的半径是4 cm。环氧树脂的参数分别是 ， ， ；硅橡胶的参数分别是 ， ， ；铅的参数分别是 ， ， ( 是密度， 是杨氏模量， 是泊松比)。对于这样一个声学超材料，我们基于有限元方法用COMSOL多物理场耦合软件计算出了它的能带结构，如图1所示。很显然，在频率大约300 Hz到700 Hz之间存在一个大的完全带隙，这是由晶格的局域偶极共振引起的。这个带隙是由偶极共振产生的负的动态质量密度导致的。 现在，我们在硅橡胶层里加入损耗，而实际情况也经常是这样。为了简单起见，我们把硅橡胶的杨氏模量变成 。在这种情况下，我们照样可以计算给定波矢 对应的本征频率，但是本征频率通常都是复数值。在图2(a)和(b)中，我们展示了在频率高于700 Hz的纵向偶极模态中，在 的虚部为零的情况下本征频率的实部和虚部和 的关系图，显然，本征频率是有虚部的。这样的虚部表示能量随着时间消逝。 在这项工作中，我们想要研究的是传输特性而不是瞬态。为了避免波衰逝在时间上，一个方法就是让它消逝在空间上。在图2(c)和(d)中，我们采用了复数的波矢而不是纯实数的波矢。波矢的实部固定为 。有趣的是，当波矢的虚部逐渐增大的时候，本征频率的虚部会相应地变小。在图2(d)中，红点处对应的是 ，对应的本征频率的虚部为零，这表明在时间里的衰逝完全转移到空间里。这正是传输研究中的情况。在图2(c)中，我们可以看到纯实数本征频率仅仅比之前 有吸收时稍微小一些。图2(e)图(e)展示的是在保证本征频率为纯实数情况下， 的实部和虚部和频率的关系图。 联系到纯实数的本征频率，我们同样得到了相应的衰逝本征场 [ 10 ] 。通过分析晶胞每个边界上的应力，应变和位移，我们可以得到相应的动态有效质量密度 和有效体积模量 。此外，晶格常数为a的二维正方晶格的动态有效质量密度 和有效体积模量 可以通过以下公式得到： (1) 和 (2) 其中有效的力和位移可以通过 和 得到；有效张量 和有效应力 可以通过 ， ， ， ， ， 和 得到。 在图3中，我们展示了得到的有效参数 和 。在图3中，我们可以看到有效体积模量 的实部数量级是 ，而虚部是 ，虚部比实部小几个数量级。因此，尽管我们已经在硅橡胶层里加入了损耗，有效体积模量几乎仍然是纯实数。在另一方面，在图3(b)中，我们可以看到有效质量 的虚部只比实部小一个数量级。特别是在频率700 Hz附近，有效质量 的实部是接近于零的，同时有效质量的虚部不为零。因此，在频率700 Hz左右有效质量是接近于纯虚数的。这里的结果表明，可以通过在偶极共振中加入少量的损耗来获得复数的质量密度。通过偶极共振，在质量密度中的损耗(即虚部)可以 图1. 弹性超材料的能带结构(如插图所示) 图2. (a)和(b)分别表示在纵向偶极模态中 的虚部为零的情况下本征频率的实部和虚部和 的关系图。(c)和(d)分别表示在 的实部为 时，本征频率的实部和虚部与 的虚部的关系图。显然，本征频率的实部和虚部随着 的虚部变大逐渐变小。在点 (如图中红点所示)，本征频率变成一个纯实数值。图(e)是在保证本征频率为纯实数情况下， 的实部和虚部和频率的关系图 被大大提高。特别是，在特定的频率，质量密度是实部为零，从而实现纯虚数的质量密度。这样一个纯虚数的质量密度可以在提高吸收上有重要的应用 [ 31 ] 。 接下来，我们运用数值模拟(通过利用基于有限元方法的多物理场耦合软件COMSOL)来证明的有效参数的有效性。首先，我们研究了传输特性。在图4中，我们研究了透射率和反射率和样品厚度的变化关系图。我们选择了波矢 对应着的频率为693.25 Hz这点，这点对应着的有效参数为有效体积模量 和有效质量密度 。很明显，得到的动态质量密 图3. (a) 通过偶极纵向模态的能带得到的有效体积模量 ；(b) 通过偶极纵向模态的能带得到的有效质量密度 。左边的纵坐标对应着有效参数的实部，右边的纵坐标对应着有效参数的虚部 图4. 反射率和透射率随着样品的厚度变化关系图 图5. 左右两束反相位的波同时入射时，超材料样品和有效介质的图像和振幅分布图。背景是环氧树脂 度为复数，而且虚部比实部大得多。图4的是用有效参数得到的理论上的反射和透射曲线，而图上的点是用超材料样品仿真模拟得到。很明显，理论和仿真模拟的结果吻合的很好，说明了所得到的有效参数的准确性。 最后，我们利用复数动态质量密度的声学超材料来演示相干完美吸收。我们想到从左右两侧同时入射两束反相位的波。我们证明了只要材料具有合适的参数，入射波是会被全部吸收的 [ 33 ] 。这就意味着实现了相干完美吸收 [ 41 ] [ 42 ] 。在图5(a)和5(b)中，我们展示了超材料样品和有效介质的图像和振幅分布图。超材料样品和有效介质的宽和高相同，分别是 和 。在频率 下，波矢 ，对应着的有效质量密度和体积模量分别是 和 。背景里的振幅几乎是一致的，这表明背景里几乎没有反射波，即了实现波的相干完美吸收。此外，在超材料样品中包络的场的形状几乎是和有效介质中的一样。
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user: 3. 结论 总之，我们研究了声学超材料复数的质量密度的物理起源，即偶极共振和耗散，提出了一种计算声学超材料复数的动态质量密度的有效方法。通过对传输特性和一个相干完美吸收的例子的数值模拟，方法的有效性已被成功验证。复数的动态质量密度意味着损耗是由材料的动量变化引起的，并且在实现声波的宽带完美吸收中有着重要的应用 [ 28 ] - [ 33 ] 。
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user: 摘 要 如何估算小流域降雨的可集雨量，是当前雨水集蓄利用中一个亟待解决的技术问题。过去，许多专家学者和工程技术人员在解决这一问题时，大多采用了小面积野外定点观测试验法等，但各有优势和不足。针对这一问题，美国水土保持局提出了解决小面积集水径流计算的新方法——降雨SCS方法。SCS方法的优点在于，计算简便易行，所需计算参数少，对观测数据的要求简单，能够分别计算各种不同前期条件和降水条件下的地表产流量值。应用该方法的实证分析结果表明，模型原理清楚，计算过程简洁，计算结果准确，不失为一种较好的小流域径流估算方法。 关键词 :SCS模型，小流域，降雨径流，估算
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user: 1. 引言 如何估算集水区的可集雨量，是当前雨水集蓄利用中一个亟待解决的技术问题，对于确定合理的蓄水窖池的容积和数量，防止出现过水或无水可集造成的资源浪费或工程建设浪费，有着重要的现实意义。过去，许多专家学者和工程技术人员在解决这一问题时，大多采用了小面积野外定点观测试验法，具体做法是：选择一定的区域，对不同集流材料以及不同地面坡度下的集流面的集流效率进行集流试验 [ 1 ] - [ 3 ] ，取得了一些可靠研究成果。但该方法也存在一些不足，一是试验范围受到限制，所取得成果的代表性和典型性不强，不能广泛地在不同地区推广；二是缺乏对小流域、沟道、坡地等小型集水区可集水量的系统研究，而其他降雨径流计算方法如等时线法、径流系数法等水文学方法又存在着不适宜进行小型集水区径流量计算的诸多缺陷和不足。针对这一问题，美国水土保持局提出了解决小面积集水径流计算的新方法——降雨SCS方法。本文拟就SCS方法及其在小流域径流估算中的应用做一分析。
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user: 2. SCS模型原理简介 SCS方法的优点在于，计算简便易行，所需计算参数少，对观测数据的要求简单，能够分别计算各种不同前期条件和降水条件下的地表产流量值，因而不失为一种计算小面积集流的新方法 [ 4 ] [ 5 ] 。其模型实现的具体步骤如下： 先作以下假设：假设集水区实际入渗量( )与实际径流量( )之比等于集水区该场降雨前最大可能入渗量(或潜在入渗量 )与最大可能径流量(或潜在径流量 )之比，则有下式成立： (1) 式(1)中， 为降雨量(P)与由径流产生前的植物截留、初渗和填洼蓄水构成的集水区初损 的差值， (2) (3) 合并(1)、(2)和(3)式，则有 (4) 由(4)式得： (5) 结合研究区的情况作如下假设： (6) 则(6)式可写成： (7) S是一个空间变量，与土壤类型、土地利用及坡度等因素有关。引入参数CN (土壤最大蓄水能力)，建立CN与 的关系式，即 (8) 则有 (9) 式中CN值的确定和土壤类型、气候湿润类型、土地利用方式等有关。 在一般理论分析中，CN值介于0~100之间，但在实际环境条件下，CN值处于30~100之间，在另外的数值范围很难出现。分析计算时，可按照土壤特征，将土壤进行分类，具体可划为A、B、C、D四类，并根据不同的土壤类别分别确定相应的CN值。A、B、C、D四类土壤的特征描述如下。 A类，该类土壤具有较低潜在径流量。由沙土或砾石土组成，排水性能良好，在水分完全饱和情况下入渗速率和导水率较高。B类则主要由砂壤土构成，该类土壤有较强的渗透性，或者是一些在土壤剖面的一定深度的一层弱不透水层。C类则主要由透水性中等的砂壤土或轻壤土组成，也或者是由在土壤剖面的一定深度拥有一层不透水层的砂性土组成，该类土壤在水分完全饱和的情况下入渗速率和导水率也仍然较高。 D类则主要由透水性很弱的粘土或重粘土一类土壤组成，该类土壤在水分完全饱和的情况下有很低的渗透率和导水率。可查出降雨前集水区土壤在中等湿润状态下的不同土壤类型和土地利用方式下的CN 值。在利用曲线数值方法计算径流量时，要充分考虑前期土壤水分状况对径流的影响。但是量化确定这一数值十分困难，故而在实际模型应用时，需要对CN值按照各种影响要素进行修正，这样使计算更为客观真实和有效。实际计算时可依据CN值表(表1)，结合研究区实际情况确定 [ 6 ] 。