DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
system: [SYSTEM]

user: 3. 研究方法 3.1. 样地设置及调查 于2017年8月至2018年1月，根据保护区最新的森林资源二类清查数据成果，在保护区不同地段按照相关标准 [ 12 ] 设立14个森林生物多样性长期监测固定样地，其中2个面积为1 hm 2 的样地各分为25个400 m 2 的样方；12个面积为1600 m 2 的样地各分为4个400 m 2 的样方。植物调查起测胸径为≥1.0 cm。对14个固定样地调查及计算样地平均胸径、个体密度、胸高断面积和Shannon-Wiener物种多样性指数的结果显示，保护区的森林植被大多基本上为南亚热带常绿阔叶林，以樟科、壳斗科、金缕梅科(Hamamelidaceae)等的优势树种为主，只有1705号一个样地为针阔混交林，根据其主要物种组成特点，该林分为马尾松(Pinus massoniana)纯林向常绿阔叶林演替的过渡阶段。 3.2. 土壤取样与分析方法 在2017年12月至2018年1月的少雨季节，用土钻在各样地的每个样方的中心位置(样方面积400 m 2 )，按照相关标准分0~10 cm、10~30 cm、30~60 cm和60~100 cm等四个不同层次 [ 13 ] 钻取环刀土样；在固定样地面积为1 hm 2 大样地的四周，还按照相同层次标准挖取四个位置的环刀土样。按照林业行业标准(LY/T 1215-1999)的环刀方法进行采样、制样和水分-物理性质的分析测定 [ 14 ]，共采集了424份土壤样品，测定的指标包括土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度、土壤质量含水量、土壤最大持水量、田间持水量等指标。 3.3. 数据处理 所有数据采用EXCEL 2016和SPSS 19.0统计分析软件进行处理。
system: [SYSTEM]

user: 5. 结论与讨论 广东从化陈禾洞省级自然保护区的设立主要有两大功能作用，一是保护广州市的母亲河——流溪河的水量水质，二是保护广州抽水蓄能电站上下水库的安全运行，延长水库使用寿命。因此，保护区的森林植被具有重要的涵养水源和控制水土流失等生态功能作用。本研究结论如下。 1) 自上世纪80年代末广东吕田抽水蓄能电站建立以及陈禾洞省级自然保护区正式成立以来，森林植被得到了有效保护，形成了以地带性常绿阔叶林为主的天然植被生态系统，少量马尾松纯林已演替成为有较多阔叶树成分的针阔混交林，森林涵养水源和保持水土的基础条件良好。 2) 保护区森林土壤具有良好的水分物理性质。土壤容重平均值为1.28 g∙cm −3 (0~100cm土壤层加权均值)，各样地变化在0.94~1.38 g∙cm −3 之间；土壤表层容重最小(0.92 g∙cm −3 )，随土层加深其容重值逐渐增大，但30~60 cm土层和60~100 cm土层相差不大。反映了保护区森林土壤较为松疏。森林土壤各层次的毛管孔隙度变化在34%~42%之间，非毛管孔隙变化在8%~15%之间，总孔隙度则变化在45%~56%之间，与其他研究案例相比，总孔隙度值处在较高水平，表明土壤涵蓄水分能力较好。 3) 保护区森林土壤(100 cm厚土层)的饱和持水量较高，平均静态持水量可达4895 t∙hm −2 ；田间持水量平均值为3580 t∙hm −2 ；非毛管持水量变动在600~2100 t∙hm −2 之间，平均值为1105 t∙hm −2 ；森林土壤涵蓄降水量指标平均值为2259 t∙hm −2 ，是非毛管持水量平均值的2.04倍，而土壤有效涵蓄量平均值为1153.66 t∙hm −2 ，与非毛管持水量平均值相当。 4) 逐步回归分析表明，反映保护区森林土壤涵蓄水分能力大小的因子有土壤总孔隙度、非毛管/毛管孔隙度比例、土壤容重加权均值和森林植被(群落)的物种Shannon-Weiner多样性指数。 5) 保护区的森林植被，现已大多恢复为次生常绿阔叶林，从样地调查数据来看(另文发表)，群落演替进程良好，径级结构合理，呈倒“J”型，具有与云南亚热带中山湿性常绿阔叶林 [ 21 ] 和海南热带山地雨林 [ 22 ] 等原始森林类型相同的径级结构，但因其树木的最大胸径仅有62.3 cm，³50 cm的大径级树木株数仅占总株数的0.036%，³60 cm的仅占0.012%；与亚热带中山湿性常绿阔叶林(胸径 ³ 50 cm)的2.2% [ 21 ] 和热带山地雨林(胸径 ³ 60 cm)的0.323% [ 22 ] 相比，保护区森林大径级树木要少得多，分别只有这两类原始森林大径级树木的1.64%和3.72%。从群落的胸高断面积(Basal Area， BA)来看，保护区的森林群落BA为25.0 m 2 ∙hm −2 ，而亚热带中山湿性常绿阔叶林达61.0 m 2 ∙hm −2 ，热带山地雨林则为55.0 m 2 ∙hm −2 ，分别是陈禾洞保护区森林的2.44倍和2.20倍。由此可以看出，陈禾洞的常绿阔叶林虽然具有良好的径级结构，但群落中大径级树木数量极少，森林群落仍处于演替的早期至中期阶段，群落的生态功能仍在提升之中。因此，应继续加大对陈禾洞保护区森林生态系统的保护力度，这不仅对生物多样性的维持和保育有重要意义，而且对森林土壤涵蓄水分能力的提升也具有重要的促进作用。
system: [SYSTEM]

user: 摘 要 船舶饮用水主要有二种：市政自来水和海水淡化水。船舶淡水舱内的水储存超过一定时间，水中的消毒剂衰减完，细菌重新繁殖，导致水质难以达到GB5749-2006《生活饮用水卫生标准》，因此必须对其进行持续消毒处理。本研究采用次氯酸钙、次氯酸钠、紫外线消毒等几种最常用方式对船舶淡水进行消毒，分析它们的适用性。使用次氯酸钙法进行消毒试验时，发现密闭环境下，其余氯自然衰减比较缓慢，当余氯初始浓度为0.64 mg/L时，保存半月后余氯含量仍在0.3 mg/L以上；对含有10 5 CFU/100 mL大肠杆菌的贮水箱进行消毒，初始余氯为3.82 mg/L时，有良好的消毒效果；进行14 d的贮水箱循环消毒试验时，其副产物浓度远低于GB5749-2006要求，表明消毒处理的饮用水长期存储饮用是安全的。使用次氯酸钠进行消毒试验，结果表明其同样具有良好的消毒效果。采用紫外线消毒，发现其在一定流速内具有较好的杀菌效果，但没有持续消毒功能。根据试验研究结果，船舶上不同位置饮用水应采用不同的消毒方式，对船舶给水、反渗透淡化水及水舱淡水消毒推荐使用次氯酸钙(钠)法，对终端用水推荐使用紫外线消毒法。 关键词 :二级反渗透产水，淡水消毒，船舶，饮用水 Copyright © 2019 by author and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
system: [SYSTEM]

user: 1. 前言 对船员的健康而言，船舶饮用水保障十分重要。船舶饮用水主要由岸基补给保障，水源为含有余氯的市政自来水，在短时间内水质有保证；此外，还有由船舶自备海水淡化装置提供的自保障。一般情况下，合格的海水淡化装置生产的淡化水经水质调节处理，能满足饮用要求 [ 1 ] 。伴随航行时间变长，水舱水中的消毒剂不断消耗，使水舱内的余氯含量下降，导致水中的微生物再度繁殖，如：致病菌的繁衍等 [ 2 ] 。供水水质问题一般由微生物，水中颗粒物质等致病菌、有机污染物引起的。肠道致病菌可引起很多致死的疾病例如霍乱、伤寒和其他腹泻类疾病 [ 3 ] [ 4 ] 。对于由岸上补给的水源来说，由于存在一定的余氯，水质保鲜的时间稍长；对于海水淡化装置生产的淡水，其保鲜期则更短。当水舱内的水保存2天甚至更长的时间，由于细菌的大量繁殖，水质难以达到GB5749-2006《生活饮用水卫生标准》，必须对其进行消毒处理。一般情况下，水舱的储存容积可满足5~15天的供水要求，大大超过2天的供水容量。 福建检验检疫局曾对某口岸入出境船舶实施饮用水卫生监测44批次，现场调查发现，80%船舶至多每年清洗一次饮用水舱，20%船舶清洗时间超过一年，甚至只在修船时才清洗水舱，100%船舶在清洗时未进行有效消毒 [ 5 ] 。对目前舰船的调研，总体而言，舰船饮用水消毒措施处于落后状态。2005年以前建造的舰船，主要通过人工添加消毒剂方式进行消毒，由于未配备专门的添加装置，消毒剂的添加时机、数量没有严格规定，同时还存在消毒剂溶解不良现象，使得消毒效果无法保证，导致造成饮用水的污染。对某常规潜艇淡水供应卫生状况调查结果表明细菌学指标超标严重，细菌总数和大肠菌群均合格的只占45.7%，有69%未检出游离余氯。对水面舰艇水舱饮用水水质进行调查，结果发现某舰艇水舱饮用水的大肠菌群为63个/L。秦思昌等 [ 6 ] 对某舰艇的饮用水水质进行检测，发现细菌总数和大肠菌群分别为20个/ml和12个/L，均未达到GB5749-2006的要求，影响了舰员的身体健康。为满足舰船人员对饮水的需求，确保饮用水安全可靠，采取标准规范的净化消毒技术措施和方法对舰船饮用水进行必要的处理具有重要的现实意义 [ 7 ] 。 饮用水消毒的方法很多，船舶上常用的消毒方法包括：氯法消毒、高温消毒、紫外消毒、电化学消毒法等 [ 8 ] 。由于船舶长时远离陆地，所使用的消毒方式应具有操作便捷和消毒剂安全稳定、易储存的特点。本文中介绍了使用次氯酸钙、次氯酸钠和紫外线照射的消毒技术对水舱进行消毒，研究其消毒效果，并针对不同的淡水场合提出针对性的消毒工艺。
system: [SYSTEM]

user: 2. 材料与方法 2.1. 试验条件 试验以反渗透产水为研究对象，采用的消毒剂有次氯酸钙和次氯酸钠，以预先配制的不同浓度的大肠杆菌的杀灭程度及淡水中的余氯含量作为消毒效果考核指标。试验采用的仪器有自动加药消毒装置，主要用于次氯酸钙或次氯酸钠消毒剂的自动投加；紫外消毒装置，产生紫外线对饮用水进行消毒。 2.2. 试验药品与仪器 2.2.1. 试验试剂 试验所用到试剂如表1所示。 Table 1 Experimental reagent 试剂 规格 生产厂家 次氯酸钙 食品级 杭州市宏源实业有限公司 次氯酸钠 食品级 杭州市宏源实业有限公司 大肠埃希氏菌大肠杆菌 优级纯 广东环凯微生物科技有限公司 表1. 试验试剂 2.2.2. 试验仪器及设备 试验仪器及设备如表2所示。 2.3. 次氯酸钙消毒试验 2.3.1. 贮水箱中初始余氯衰减规律 于密封的贮水箱内配制不同浓度梯度的余氯，考察不同初始余氯含量下的自然衰减规律。 2.3.2. 贮水箱消毒效果研究 向贮水箱中投加大肠杆菌，使贮水箱内大肠杆菌含量约为10 5 CFU/100 mL，再向贮水箱中投加一定浓度的次氯酸钙，30 min后检测水中总大肠杆菌数，检验其杀菌效果。 2.3.3. 贮水箱循环消毒试验 水箱中初始余氯为0.7 mg/L时，投加约10 5 CFU/100 mL的大肠杆菌，水箱中余氯衰减至0.3 mg/L时继续投加消毒剂至余氯为0.7 mg/L，并循环投加若干次，2周后取水样检测消毒副产物。 Table 2 Information of experimental apparatu 仪器名称 规格 产地 电子天平 AL204 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司 余氯测定仪 PCII 美国哈希公司 气相色谱仪-ECD Agilent 7820 安捷伦科技有限公司 HP-5毛细管柱 30 m × 0.320 mm × 0.25 μm 安捷伦科技有限公司 微量注射器 10 μL、50 μL 安捷伦科技有限公司 紫外线消毒器 LCW-II-U 山东良成环保科技股份有限公司 便携式微生物实验室分析仪 MEL 美国哈希公司 医用超净台 SW-CJ-1FD 苏净集团苏浙安泰空气技术有限公司 超纯水仪器 UPWS 杭州亿捷有限责任公司 表2. 试验仪器及设备 2.4. 次氯酸钠消毒试验研究 向贮水箱中投加大肠杆菌，使贮水箱内大肠杆菌含量约为10 5 CFU/100 mL，再向贮水箱中投加一定浓度的次氯酸钠，30 min后检测水中总大肠杆菌数，检验其杀菌效果。 2.5. 紫外消毒试验研究 试验用紫外消毒装置额定功率40 W、流量0.5 m 3 /h，通过调解阀开度改变流量。在水箱内配制约含有10 5 CFU/100 mL的大肠杆菌的淡化水，启动紫外消毒装置，水经水泵打入紫外消毒管道，检测在不同流量下紫外消毒装置出水中的菌落数及大肠杆菌数目，以测试紫外消毒效果。
system: [SYSTEM]

user: 3. 结果 3.1. 次氯酸钙消毒试验 3.1.1. 贮水箱中初始余氯衰减规律 图1是不同初始余氯下余氯的自然衰减规律。如图1所示，实际初始余氯浓度分别为0.64 mg/L、1.14 mg/L、2.03 mg/L和4.1 mg/L，随着反应的进行，发现在密闭环境下，反应时间为15 d时，初始余氯浓度为4.10 mg/L要比其他余氯浓度衰减的幅度大，初始余氯浓度为0.64 mg/L、1.14 mg/L、2.03 mg/L的余氯自然衰减比较缓慢，保存时间在半月以上余氯的浓度仍在0.3 mg/L以上。 3.1.2. 贮水箱消毒效果研究 设置水箱中投加次氯酸钙后，余氯的浓度为2.03、0.78和0.27 mg/L，研究消毒30 min后余氯的衰减及微生物变化情况，得表3。由表3可知使用次氯酸钙消毒时，当初始余氯为2.03 mg/L、0.78 mg/L时，30 min后可以将10 5 CFU/100 mL的大肠杆菌杀灭完全，且初始余氯为2.03 mg/L时，30 min后仍然含有1.46 mg/L的余氯含量，而大肠杆菌和菌落总数均未检出，说明有良好的持续消毒作用；当初始余氯为0.78 mg/L时，30 min后仍然含有0.26 mg/L的余氯含量，而大肠杆菌和菌落总数也未检出，说明较低浓度的初始余氯也具有一定的消毒作用；而当初始余氯在0.27 mg/L时，消毒30 min后水中余氯基本耗尽，大肠杆菌及菌落总数都还有残余，杀毒效果并不理想。故用次氯酸钙消毒时，初始投加量不可过少。 3.1.3. 贮水箱循环消毒试验 表4是贮水箱在进行14 d次氯酸钙循环消毒试验后，取水样检测所得的7种消毒副产物含量。由表4可以看出，1，2-二氯乙烷、二氯甲烷和1，1，1-三氯乙烷均未检出，二氯乙酸、三氯甲烷、三氯乙酸和硝酸盐4种消毒副产物检测出的浓度分别为0.011，0.0227，0.0127，0.12 mg/L，均符合生活饮用水卫生标准。对长期存储的饮用水，采用次氯酸钙进行循环消毒，其副产物浓度远低于GB5749-2006要求，说明次氯酸钙消毒处理的饮用水长期存储饮用时安全的。 图1. 不同初始浓度下余氯的衰减规律 Table 3 Disinfection effect and variation law in water storage tank with initial residual chlorine concentrations of 2.03， 0.78 and 0.27 mg/ 序号 指标 接触时间(min) 0 30 1 余氯(mg/L) 2.03 1.46 总大肠菌群(CFU/100 mL) 10 5 未检出 2 余氯(mg/L) 0.78 0.26 总大肠菌群(CFU/100 mL) 10 5 未检出 3 余氯(mg/L) 0.27 <0.02 总大肠菌群(CFU/100 mL) 10 5 2 表3. 贮水箱不同初始余氯下消毒效果 Table 4 DBPs of calcium hypochlorit 序号 指标(mg/L) 检测结果(mg/L) GB5749-2006限值(mg/L) 结论 1 二氯乙酸 0.0110 0.05 符合 2 1，2-二氯乙烷 未检出(<0.00006) 0.03 符合 3 二氯甲烷 未检出(<0.00003) 0.02 符合 4 三氯甲烷 0.0227 0.06 符合 5 1，1，1-三氯乙烷 未检出(<0.00008) 2 符合 6 三氯乙酸(mg/L) 0.0127 0.1 符合 7 硝酸盐(以N计) 0.12 10 符合 表4. 次氯酸钙消毒副产物 3.2. 次氯酸钠消毒试验研究 投加次氯酸钠后淡水余氯衰减规律及循环消毒试验结果基本与投加次氯酸钙时一致，因此仅对次氯酸钠的消毒效果进行讨论。 水箱中投加次氯酸钠后，余氯的浓度为4、0.68和0.29 mg/L，研究消毒30 min后余氯的衰减及微生物变化情况，得表5。由表5可知使用次氯酸钠消毒时，当初始余氯为4 mg/L、0.68 mg/L时，30 min后可以将10 5 CFU/100 mL的大肠杆菌杀灭完全，且初始余氯为4 mg/L时，30 min后仍然含有3.32 mg/L的余氯含量，说明有良好的持续消毒作用；而当初始余氯在0.29 mg/L时，消毒30 min后水中余氯基本耗尽，大肠杆菌及菌落总数都还有残余，杀毒效果并不理想。故用次氯酸钠消毒时，初始投加量不可过少。 Table 5 Disinfection effect and variation law in water storage tank with initial residual chlorine concentrations of 0.68 and 0.29 mg/ 序号 指标 接触时间(min) 0 30 1 余氯(mg/L) 4 3.32 总大肠菌群(CFU/100 mL) 10 5 未检出 2 余氯(mg/L) 0.68 0.26 总大肠菌群(CFU/100 mL) 10 5 未检出 3 余氯(mg/L) 0.29 <0.02 总大肠菌群(CFU/100 mL) 10 5 9 表5. 贮水箱不同初始余氯下消毒效果 相较于次氯酸钙消毒剂，次氯酸钠的溶解效果更好，但氯酸钙中的钙离子可以增加淡化水的硬度，提高淡化水矿物含量。 3.3. 紫外消毒试验研究 贮水箱内配有含大肠杆菌10 5 CFU/100 mL的反渗透产水，检测不同流量下紫外消毒装置出水中的菌落数及大肠杆菌数目，发现在流量不超过3.15 L/min (0.19 m 3 /h)时均未在出水中检出总大肠菌群，如表6；当流量达到4.31 L/min (0.26 m 3 /h)时，出水中检出了总大肠菌群，这是由于流量增加，紫外线对反渗透产水的接触时间过短，导致消毒不彻底。试验表明当贮水箱中初始大肠杆菌浓度为10 5 CFU/100 mL时，紫外消毒装置的最大适宜流量为0.19 m 3 /h，而非紫外消毒装置厂商推荐的0.5 m 3 /h。实际应用中应根据淡水中微生物的含量通过试验确定紫外消毒装置的最佳处理流量。 Table 6 Effect of ultraviolet disinfection tes 序号 流速(L/min) 菌落总数(CFU/mL) 总大肠菌群(CFU/100 mL) 1 0.62 未检出 未检出 2 1.65 未检出 未检出 3 1.98 未检出 未检出 4 3.15 未检出 未检出 5 4.31 1 2 表6. 紫外消毒试验效果 试验中也发现，对消毒后的淡水贮存一段时间后，又出现了微生物的滋生现象，J. Wist等 [ 9 ] 在研究中也发现，使用紫外对原水光照1.5 h，菌落数下降显著，但光照停止后菌落重新生长且在24 h内恢复到处理前的水平。这主要是因为紫外消毒无持续消毒效果，一旦离开紫外线照射，水中将重新滋生微生物。
system: [SYSTEM]

user: 4. 船舶饮用水消毒系统方案 船舶饮用水来自补给水或反渗透产水，其中需要对饮用水进行消毒(或余氯补充)的点有3处，见图2。第1处位于补给水或反渗透淡化水进入船舶淡水舱前，用于消毒及确保饮用水中含有一定量的余氯；第2处位于船舶淡水舱附近，用于补充淡水舱内消耗的余氯；第3处位于饮用水终端，用于快速消毒，确保饮用安全。 图2. 船舶饮用水主要消毒位置图 4.1. 补给水/淡化水在线消毒 补给水一般为码头自来水，GB5749-2006规定自来水末端余氯 ≥ 0.05 mg/L即可，自来水末端余氯含量一般很低；而反渗透淡化水由海水淡化得到，不存在余氯。因此在进入水舱前应投加一定量的消毒剂，对淡水进行消毒的同时保证淡水进水淡水舱内依然含有一定的余氯，一般要求在1 mg/L左右。采用次氯酸钙(钠)可以满足这一需求，其中次氯酸钙在消毒的同时能适当增加饮用水中的钙含量，提高饮用水的矿化度，这在淡化水中尤其适用。 4.2. 淡水舱余氯补充 船舶水舱淡水在贮存过程中，余氯会随着时间消耗掉，若不及时补充余氯，水舱中可能滋生细菌等微生物，影响饮用安全。通过定期对水舱投加消毒剂可有效抑制水舱中微生物的滋生。采用次氯酸钙(钠)作为余氯补充剂，结合水舱在线余氯监测仪，可以实现淡水舱余氯自动补充功能。 4.3. 饮用水终端消毒 当水舱淡水作为饮用水最终使用时，为防止饮用水在管路输送过程中引入细菌等微生物，需在用水终端进行消毒，由于终端处饮用水直接使用，不需要持续消毒效果，同时消毒速度要快，因此采用紫外消毒比较合适。紫外消毒具有消毒速度快、无消毒副产物等优点，同时可有效杀灭的“两虫”—隐孢子虫和贾第鞭毛虫。
system: [SYSTEM]

user: 5. 结论 综合以上不同消毒措施的实验结果可以得出： 1) 次氯酸钙(钠)作为传统消毒剂对淡化饮用水消毒效果明显，使用其进行循环消毒时，其副产物浓度远低于GB5749-2006要求，经过了数十年的应用实践，其安全性有保证。 2) 紫外线消毒在保证照射强度条件下消毒效果良好的同时，具有无消毒副产物的优点。可有效杀灭隐孢子虫和贾第鞭毛虫。但紫外消毒无持续消毒能力，适用于消毒后直接使用的场合。 3) 通过对船舶饮用水系统特点分析，总结了针对性的消毒工艺：对船舶给水、反渗透淡化水及水舱进行消毒时，宜采用具有持续消毒作用的次氯酸钙(钠)法；在终端供水时，可考虑使用紫外线消毒法对饮用水进行消毒。
system: [SYSTEM]

user: 摘 要 以安徽省耕地、水体环境保护以及人体健康为出发点，依据2001~2016年安徽省化肥、畜禽养殖以及人口数据，估算安徽省农业面源排放污染物的产生量，在此基础上计算耕地氮、磷和COD污染负荷、水体等标污染指数以及对地下水硝态氮的贡献程度。结果表明，安徽省整体耕地氮素、磷素污染负荷严重，预警级别均在Ⅲ级及以上；污染物对地表水污染呈现由南至北依次增加的趋势，北部最高，中东部次之；氮素会通过淋溶作用进入地下水导致硝态氮浓度升高，根据估算，超过80%的城市地下水硝态氮浓度存在超过20 mg∙L −1 的国家限定标准；地下水健康风险指数超过“1”的城市总共13座城市，占城市总数的76.5%，其中合肥风险指数最高，已经达到3.996，应注意饮用水质量。 关键词 :氮和磷，污染负荷，预警级别，硝态氮，健康风险评价 Copyright © 2019 by author(s) and Wuhan University. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
system: [SYSTEM]

user: 1. 引言 氮素(N)和磷素(P)是地球上生命的必需元素，它作为最主要的限制因子之一控制着很多生态系统的动态平衡。而过多的N和P的排放则会对环境产生不良影响，国内外的许多研究证实，N和P的大量使用，对农田容易造成N和P大量盈余而增加耕地氮素负荷 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] ；对地表水的影响容易造成水体富营养化，导致我国各大湖波河流水质下降 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] ；甚至影响地下水的质量，造成地下水硝态氮的污染 [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] ，严重威胁着环境和人们的身体健康。 进入21世纪以来，高面源污染风险的蔬菜、果园、花卉等农田和畜禽养殖业在各大流域发展迅速。有研究结果表明，在中国水体污染严重的区域，农用化肥、农村畜禽养殖和城乡结合部的生活排污是造成耕地、水体及地下水N、P和COD污染的主要原因，其贡献率大大超过来自城市生活污水的点源污染和工业的点源污染 [ 11 ] [ 12 ] 。在国内外以往的研究中可以看出，对于农业面源污染，针对化肥、畜禽粪便和生活污水单方面污染环境的研究很多，同时针对耕地N和P污染负荷、地表水富营养化以及地下水硝态氮污染等不同的环境载体的研究也很多，而在农业面源污染中某一污染物对整个环境不同环境载体的研究相对较少，从而缺少了对整个环境的综合评价。本研究的主要目的在于，针对农业面源污染中占主要成分的化肥、畜禽粪便和生活污染物中的氮素和磷素，以地级市为评价单元，通过对不同环境载体耕地、地表水以及地下水的污染程度来综合评价安徽省农业面源污染中N、P和COD对环境的污染情况，为今后便于环境管理以及保护人们的身体健康提供理论依据。
system: [SYSTEM]

user: 2. 资料与方法 2.1. 数据获取 本研究采用的化肥、畜禽养殖以及人口数据、耕地面积数据以及水资源(地表水和地下水)数据来源于2002~2011年《安徽省统计年鉴》。2000年5月，安徽省对某些地级市的管辖范围重新进行了划定，并正式划分出亳州作为独立的地级市。故将安徽省2001~2016年各地级市农业面源污染作为重点进行研究，提高数据的可靠性和可比性。 2.2. 数据分析 2.2.1. 污染物的计算 本次研究中针对农业面源污染中常见的总氮(TN)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)进行分析研究，化肥中的TN和TP根据年鉴中提供的数据直接得出，COD则参考《全国水环境容量核定技术指南》 [ 13 ] 计算；畜禽粪便中污染物的计算，参考国内相关研究 [ 14 ] [ 15 ] 分别计算得出；对于生活污染物中TN、TP、COD的计算则参考张大第等研究 [ 16 ] ，详见表1。 Table 1 Pollutant discharge coefficient of contaminan 种类 TN TP COD 牛粪 31.91 8.614 226.3 牛尿 29.21 1.462 21.90 猪粪 2.352 1.364 20.80 猪尿 2.178 0.343 5.940 羊粪 7.118 2.467 4.394 禽粪 0.143 0.080 0.628 粪便 人 0.584 0.146 5.840 污水 农村 3.060 0.524 19.80 污水 城镇 0.730 0.183 7.300 表1. 单位个体污染物年排污系数/kg·unit -1 2.2.2. 污染物流失系数 根据已有的研究 [ 17 ] [ 18 ] ，各类型污染物的流失量百分数如表2所示。其中生活污染物中耕地一栏“/”左侧代表农村粪尿的流失量，“/”右侧代表生活污水的流失量；地表水一栏，农村粪尿、污水的流失率为10%、85%，城镇粪尿、污水的流失率为90%、15%，地下水中的氮素为农村粪尿施入农田的20%；“-”代表本研究中不作考虑。 Table 2 Losing rate of pollutant 流失途径 污染物 耕地 地表水 地下水 化肥 N 化肥 100 11 30 P 化肥 100 2 - COD 化肥 - 20 - 畜禽粪便 N 畜禽 90 30 20 P 畜禽 90 30 - COD 畜禽 - 30 - 居民废弃物 N 生活 90/0 粪尿(10 农村 + 90 城镇 ) 污水(85 农村 + 15 城镇 ) 20 P 生活粪尿污水 90/0 - COD 生活 - - 表2. 各污染物流失率% 2.2.3. 水质健康风险评价模型 进行水质健康风险评价通常将污染物分为致癌和非致癌两类分别进行评价，其评价模式包括：危害识别、剂量—效应分析、暴露评价及风险表征。在本研究中没有实际检测地下水中氮污染物的浓度，而是通过估算农业面源污染中氮素进入地下水硝态氮浓度范围，宏观角度评价安徽省地下水的健康风险指数。美国环境保护署(US EPA)官方网站提供的健康风险评价属性数据表明，硝酸盐为非致癌物质，故采用US EPA提供的非致癌风险评价模型 [ 19 ] [ 20 ] 进行饮用水的评价研究。 非致癌风险评价模型：一般认为，非致癌慢性危害以参考剂量为衡量标准，当目标物质暴露剂量超过参考剂量时，有可能产生毒害效应，通常用风险指数(HI)表示，它指目标物质暴露剂量率与参考剂量的比值，数学表达式为： H I = E R f D (1) H I = C × I R × E F × E D B W × A T (2) 式中：HI为健康风险指数；E为暴露剂量，mg·(kg∙d) −1 ；R f D为地下水中目标物质的参考剂量，采用1.6 mg∙(kg∙d) −1 ；C为硝态氮的浓度，mg∙L −1 ；IR为每日饮水量，建议成人为2 L∙d −1 ；EF为暴露频率，采用365 d∙a −1 ；ED为饮水持续时间，表示人体终生摄入该物质的年数，平均寿命70 a；BW为人体的平均体重，平均体重采用70 kg；AT为暴露发生的平均时间，非致癌物为30 a × 365 d∙a −1 。 评价标准：本研究中非致癌风险以“1”为评价标准，风险指数大于1，表明人体所承受的非致癌风险度较高，在不可接受范围内；反之，人体所承受的总非致癌风险较低，可以接受。
system: [SYSTEM]

user: 4. 结论 1) 安徽省2001~2016年的16年间农业面源污染中氮、磷污染物的排放基本稳定在一个比较高的水平，虽然畜禽粪便的量有降低的趋势，但由于化肥和生活污染物的持续增加，总体上农业面源污染物排放量在未来的一段时间内仍然将呈现小幅度不断增加的趋势。 2) 农业面源污染中主要的氮素和磷素对安徽省耕地的负荷程度总体偏高，尤其是安徽省中部的合肥、淮南、蚌埠3个城市，氮素、磷素耕地负荷均达到最高的V级预警水平，其余城市的预警级别也均在III级水平以上，很容易导致污染物的流失，对周边地表水和地下水产生污染。该地区应该控制化肥和有机肥的使用量，同时应加强对畜禽粪便的管理。 3) 农业面源污染物对安徽省地表水的污染，在空间上呈现由南至北的污染程度依次升高的趋势。综合来看，中东部以及北部城市污染严重，其中合肥、阜阳、蚌埠等3个城市等标指数达到IV级水平，宿州、淮北、亳州、淮南等4个城市污染水平最高，很容易造成水体富营养化。 4) 农业面源污染中氮素会通过淋溶的作用进入地下水，使地下水中的硝态氮浓度存在升高的风险，根据估算，只有南部的黄山、池州和宣城3个城市硝态氮浓度没有高于我国规定的20 mg·L −1 标准，超标的城市占总数的82.4%。地下水健康风险指数超过“1”的城市总共13座城市之多，占城市总数的76.5%，其中合肥风险指数最高，已经达到3.996，应注意饮用水质量。
system: [SYSTEM]

user: 摘 要 为应对线下超高树木引发的树闪故障，通过分析树闪故障隐患，确立树线距离预测的要素，在此基础上，根据树种类型及立地条件，建立树木生长模型，并依据输电线路应力变化以及温度等条件，建立导线弧垂变化模型。利用上述两个模型预测树线间距，提高电网运行的安全性。 关键词 :树闪故障，树线间距，树木生长模型，弧垂变化模型 Copyright © 2019 by author and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
system: [SYSTEM]

user: 1. 引言 随着电网建设规模的不断扩大，输电走廊穿越的地形愈加复杂，使得线路受树闪故障威胁的情况越来越多 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 。输电线路树闪故障发生的根本原因是输电线路与线下树木安全间距不足，电力线路两侧及下方的树木或者树木的一部分过度生长，使线路和树木之间的净空距离减小，当树枝与线路之间的距离小于必须的安全距离时，树闪故障就很有可能发生 [ 4 ] [ 5 ] 。同时，由于输电走廊穿越的地形复杂，线路运维人员很难及时准确地掌握走廊内树木生长情况。过去对树闪故障的预防往往集中在输电走廊树木的后期管理或者树木生长模型上，而实际情况中，导线弧垂变化对树线距离的影响同样不可忽视。因此，如果能够准确地预判树线间距，不仅可以提升输电线路的运行安全性，也能够有效节省线路运维人员的工作量。本文在分析输电线路树闪故障的基础上，建立树木生长模型以及导线弧垂变化模型，从而达到预测树线间距的目标，对输电线路运维工作具有指导意义。
system: [SYSTEM]

user: 2. 树闪故障分析 从故障发生的条件来看，树闪故障大致可分为3种情况 [ 1 ] ： 1) 在雨雪雷电等灾害天气情况下，输电走廊下方及周边的树木或断枝触碰电力线路，可能引发树闪故障甚至断线。对于灾害天气，电网有专门的应急机制，运维人员可以随时对故障情况做出反应并处理。 2) 在大风情况下，电力线路和树木都发生晃动，在晃动幅度较大使得树线安全间距不足时，线路就可能与电力走廊外的树木之间发生树闪故障。这种情况的树闪故障可能较多，但一般为瞬时性故障，自动重合闸一般能保证线路继续运行，不会造成重大的系统故障。 3) 在线路负荷较大的情况下，使得导线温度升高，从而使输电线路弧垂增加，尤其在夏季，不仅用电负荷会增大，也使导线散热减慢，线路弧垂增加幅度更大。这种情况下由树线安全间距不足引发树闪故障跳闸时，即使线路通过自动重合闸短时恢复运行也会由于导线过热下垂树闪而再度跳闸退出运行。当一条线路由于退出运行使得负荷转移到其它线路上时，容易使得其它线路过热而弧垂增加，造成连锁故障的发生。 基于以上分析，输电线路由于负荷增加引起的弧垂变化是引发大规模树闪故障的主要原因。因此，在进行树线距离预测时，除考虑树木生长因素外，还需计及线路负荷、应力变化等导致的弧垂变化。
system: [SYSTEM]

user: 3. 树线间距预测模型 3.1. 树木生长模型 树木生长模型构建 树木生长高度预测模型是在不同树种类型的基础上，考虑气象、土壤等立地条件，描述树高生长量随时间变化的规律，进而预测树木生长高度。 从模型构建原理的角度，可以将树木生长模型分为两大类，即理论模型和经验模型 [ 6 ] 。理论模型是借助数学方法演绎与推导所得，如Gompextz模型、指数回归模型、Smith模型等，经验模型则依赖于长期积累的经验数据，如Modified Weibull模型、二次抛物线模型等，不同模型适用条件与适用对象存在一定的差异。本文在Von Bertalanffy生长模型，即Richards生长方程的基础上进行优化，原Von Bertalanffy生长模型如下所示： d H / d t = K ( 1 − e − A m ) A 1 (1) 其中 d H / d t 代表树高生长量；K代表考虑了本地树木生长规律的树木生长速率的转化系数；m代表竞争因子，该值越大，则树木竞争力越强，越具有生命力；A、A 1 表征不同种类树木的取值差异。 对上式进行积分，可以更加直观地得出树木生长高度Von Bertalanffy生长模型，如下所示： H = K [ 1 − e − m ( t − t 0 ) ] n (2) 其中H代表在t时树木的高度；t 0 为初始时间；m、n为常数，根据树种的不同其取值存在差异。其中K、m、n的参数求取见4.1。 3.2. 导线弧垂变化模型 输电线路弧垂增大是造成输电线路树闪故障的原因之一，弧垂的变化与导线温度及应力的变化有密切的关系。在悬挂点等高的情况下，应用架空线路状态方程 [ 7 ] ，得到： σ t 3 + A σ t 2 + B = 0 (3-1) A = − [ σ 0 − E γ 0 2 l 2 24 σ 0 2 − α E ( ∫ T 0 T R I 2 m C p d t ) ] (3-2) B = E γ t 2 L 2 24 (3-3) 其中 σ t 、 σ 0 分别为所求以及初始状态下架空线弧垂点处的应力，MPa； γ t 、 γ 0 分别为两种状态下架空的比载，MPa/m；T、T 0 分别为导线的温度，℃；L为该档的档距，m；l为导线长度；α、E分别为架空线的温度膨胀系数和弹性模量；m为单位长度导线的质量，kg/m；C p 为导线综合热容系数，J/kg·℃；R分别为该段导线的电阻，Ω；I为流过导线的电流，A。 导线弧垂随应力变化情况如下： f = L 2 γ t 8 σ t cos β (4) 联立(3)、(4)即可求得t时刻导线弧垂f。 3.3. 树线间距 在计及架空线路弧垂变化以及树木生长的条件下，树线垂直间距计算原理如图1所示。 结合前文计算得到的导线弧垂以及树木生长高度，即可求得在t时的树线间距： Δ l = h − H − f (5)
system: [SYSTEM]

user: 4. 应用结果分析 4.1. 树木生长模型 由式(2)可知，建立的树木生长模型为非线性回归数学模型，其中K、m、n参数的求取过程如下： 图1. 树线间距计算原理 首先从当地林业部门获取不同树种不同时间的生长高度信息，以东北地区常见的沙松为例，在一定年限内其生长规律如表1所示。 Table 1 Tree growth height changes with tim 时间(year) 8 9 10 11 12 13 14 15 高度(m) 7.9 8.6 9.8 10.9 11.7 12.9 13.7 14.6 表1. 沙松生长高度随时间变化规律 根据立地条件的差异，利用Excel软件绘制树高生长曲线，进一步拟合树高生长的回归方程： H = − a x 2 + b x + c (6) 求得a = 0.1135，b = 4.279，c = −20.754。 选取不同的树龄t 1 = 9、t 2 = 12、t 3 = 15代入式(6)，可得树木生长高度H 1 = 8.65、H 2 = 11.81、H 3 = 14.57，进一步求取观测比： λ = lg H 2 − lg H 1 lg H 3 − lg H 1 (7) 求得λ = 0.679。之后将H 1 、H 2 、H 3 代入式(2)，联立式(4)进行规划求解，即可得到K、m、n各参数的值。 最终得到的沙松树木生长模型如下所示： H = 20.752 ( 1 − e − 0.239 t ) 10.325 (8) 4.2. 导线弧垂计算 以35 kV输电网中某段线路为例，杆塔水平档距L = 130 m，导线悬挂点距地面高度h = 20.75 m，导线型号为钢芯铝绞线，相关参数如表2所示。 线路的负荷情况不同时，导线的温度也有所不同。在不同导线温度下，通过导线弧垂变化模型求得的导线弧垂如表3所示。 Table 2 Wire paramete 导线型号 单位长度质量(kg/m) 弹性模量E (MPa) 温度膨胀系数α (1/℃) 电阻(Ω/km) LGJ-240/40 0.922 76000 18.9 10 -6 0.131 表2. 导线参数 Table 3 Wire paramete 导线温度(℃) 26 38 45 56 65 弧垂(m) 1.83 2.24 2.98 3.46 4.13 表3. 导线参数 4.3. 树线距离预测 在该线路下不同沙松初始高度的基础上，借助树木生长模型，计算未来其几年内生长的高度，并以导线弧垂计算结果中出现的最大值作为依据进行比较，得到树线间距，如表4所示。 Table 4 Tree line spacing prediction result 未来年份(year) 1 2 3 4 5 树木1间距(m) 7.97 6.89 6.24 5.27 4.36 树木2间距(m) 5.79 4.87 4.06 3.20 2.26 表4. 树线间距预测结果 按照相关规定要求 [ 8 ] ，各电压等级输电线路垂直方向上树线间距不应小于如下标准(表5)。 Table 5 Safety spacing of tree and wir 电压等级(kV) 35~110 220 330 500 750 垂直距离(m) 4.0 4.5 5.5 7.0 8.5 表5. 树木与导线安全间距 经比较可知，树木2在未来5年内与线路间距满足安全间距要求，可视为安全，树木2在3年后与树木的间距不足，视为存在树障隐患，应及时排除。
system: [SYSTEM]

user: 5. 结论 本文从树闪故障的分析出发，通过建立树木生长模型得到树木和导线弧垂变化模型，得到树木高度随时间变化的关系以及不同导线温度下导线的弧垂，预测树线间距，当树线安全间距小于标准规定时，则视为存在树障隐患并进行排除。 在输电线路后续的管理工作中，可在保持线路安全间距的前提下，根据树线预测间距的不同，确定树障隐患等级，并按照先后顺序处理树障隐患，在防止树闪故障发生的同时，也能减少线路运维人员的工作量。此外，由于地形和气象条件存在差异，树线距离预测结果会有一定的误差。在后续的工作中，随着更多实测数据的记录与分析，树木生长模型会更加完善，能够得到更加准确的树线距离预测结果，有效提高电力系统运行的安全性。
system: [SYSTEM]

user: 摘 要 乳山市位于山东半岛东南端，总面积1668 km 2 ，是山东省工农业发展水平较高的地区之一。随着工农业的迅速发展，用水需求不断增加，水资源供需矛盾日益突出，亟需开辟新的水源工程以增加供水量。为此，结合乳山地区的水文地质条件，初步研究了在乳山河流域下游兴建地下水库的可行性，确定了地下水库库址，并利用 MODFLOW进行了数值模拟和调蓄分析，得出以下结论：1) 在乳山河流域下游可以兴建地下水库，地下水库总库容约2197万m 3 ；2) 从补给水源条件上看，拦蓄当地地表径流是乳山河地下水库的主要补给水源；3) 乳山河地下水库建成后，丰水年、平水年、枯水年、特枯水年水库的调蓄水量分别为1790万m 3 ，1664万m 3 ，782万m 3 ，404万m 3 ；4) 建设地下水库，不占用过多耕地、无大量移民搬迁问题且水量蒸发损失少，是提高乳山地区水资源利用率的有效手段。研究成果可为乳山市水资源开发和综合利用规划参考使用。 关键词 :乳山河，地下水库，地下水回灌，Visual MODFLOW，数值模拟，调蓄分析 Copyright © 2019 by author(s) and Wuhan University. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
system: [SYSTEM]

user: 1. 引言 地下水库是利用天然地下储水空间兴建的有拦蓄、调节和利用地下水流作用的特殊蓄水工程 [ 1 ] 。从20世纪二三十年代起，世界各国就开始了运用地下水含水层来调蓄淡水的工程实践，建立了为数众多的地下水库，并取得了显著的经济、社会和生态效益。瑞典、荷兰和德国的地下储水库分别可提供该国总供水量的20%、15%和10%以上 [ 2 ] 。美国从20世纪50年代就开始在地下咸水层内进行贮存淡水的试验，经过20几年理论和实践的发展，1973年后形成了含水层储存与回采(Aquifer Storage and Recovery， ASR)技术 [ 3 ] 。80年代以来，开始在佛罗里达州等干旱和半干旱地区推广这种利用含水层调蓄水资源的做法。到2002年，美国正在运行的ASR系统共有56个，而在建的系统则在100个以上 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 。近年来我国兴建了八里沙河水库、黄水河水库、山东王河等多个地下水库 [ 8 ] [ 9 ] ，60年代，在上海市开展了地下水人工补给试验研究工作。70年代，采用地下水夏灌冬用和冬灌夏用以节省能源 [ 10 ] 。80年代，多省开展了地下水人工补给的试验工作 [ 11 ] [ 12 ] 。林学钰论述了地下水库的定义、设计论证及运行管理 [ 13 ] 。赵天石探讨了地下水库的概念、结构、勘察要点等 [ 14 ] 。李旺林等 [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] 对反滤回灌井进行室内试验研究和工程应用并推导出单井回灌量的计算公式。康华等 [ 18 ] 对秦岭山前的地下水库进行调蓄功能分析并建议在汛前加大开采强度以腾空库容。刘记来等 [ 19 ] 对北京西郊地下水库进行数值模拟和人工补给能力研究。魏晓燕等 [ 20 ] 对肥城盆地岩溶地下水进行数值模拟，预测出肥城盆地未来六年的地下水流场等。 近些年来，随着电子计算技术的快速发展，地下水数值模拟研究已经发展到空间三维流运动，也从单一的含水层发展到多个含水层，从稳定流发展到非稳定流，从饱和态发展到非饱和态，目前的地下水数值模拟技术的应用领域大大增加，且已经成为了当前研究地下水动态变化的主要手段与技术。目前常用的求解地下水流方程定解问题的方法有有限差分法和有限单元法。其中，美国地质调查局开发的地下水流模拟软件MODFLOW是基于有限差分法编制的一套用于孔隙介质中地下水流动数值模拟的软件。不需要对源程序进行任何修改，MODFLOW就可以直接用来解决大多数地下水模拟问题，已经被世界上许多官方和司法机构所认可。美国Brigham Young大学环境模拟研究实验室(Environmental modeling research-Laboratory)开发的GMS (Groundwater Modeling System)是基于概念模型的地下水模拟软件，具有良好的使用界面、强大的前处理、后处理功能及优良的三维可视效果，目前已成为国际上最受欢迎的地下水模拟软件，该软件中Modflow是地下水流模拟最常用的模块。本次工作即选用GMS中的MODFLOW模块作为建立地下水流模型的模拟软件。 乳山市位于山东半岛东南端，是山东省工农业发展水平较高的地区之一，用水需求不断增加，亟需开辟新的水源工程以增加供水量。本文分析了乳山市的水文地质结构，研究了地下水库建库条件，利用FEFLOW等大型地下水计算软件对乳山河地下水库进行地下水动态分析，建立水文地质概念模型，对地下水库进行数值模拟和调蓄分析。研究成果可为乳山市水资源开发和综合利用规划参考使用，为区域水资源合理配置、促进水资源开发利用与生态环境的和谐发展以及水利工程综合规划提供科学依据。
system: [SYSTEM]

user: 2. 乳山河地下水库建库条件分析 乳山河为乳山市第一大河，发源于马石山南麓的垛鱼顶，属半岛独流入海河流，于乳山口注入黄海，为季风性河流，河流全长65 km，流域面积1043 km 2 ，其中威海乳山市境内流域面积为875.1 km 2 。乳山河流域属典型的暖温带海洋性季风气候，据降水资料统计分析，乳山河流域多年平均降水量为753.2 mm。乳山河流域呈阔叶型，在崔家河处河道缩窄，具备建设地下坝(地下截渗墙)的地形条件。 乳山市第二、第三水厂靠近乳山河附近，地下水库水源利用条件较好。乳山河上游龙角山水库、院里水库等水库，可利用其放水洞、溢洪道放水补源，地下水库有可靠的补给水源。乳山河流域多年平均年径流量为22，145万m 3 ，多年平均径流深为271.3 mm，大部分径流流入大海，因此乳山河下游拦蓄利用地表水的潜力很大。 乳山流域中下游主要含水层为第四系孔隙潜水含水层，含水层岩性主要为砾质粗砂、中细砂、中粗砂，渗透系数为1.35 × 10 −2 ~4.76 × 10 −2 cm/s，具有强透水性。砂层分布面积广，厚度为2.0~13.1 m，透水性和蓄水条件较好。含水层下伏花岗岩，且无穿越地表分水岭的断裂输水构造，基本不存在渗漏的问题，因此具备良好的地下水库建设条件。乳山河地下水库水文地质图详见图1。 图1. 乳山河地下水库水文地质图
system: [SYSTEM]

user: 4. 结语 通过上述分析，得出以下结论： 1) 在乳山河流域中下游可以建设地下水库，地下水库实际总库容约2197万m 3 。 2) 从补给水源条件上看，拦蓄地表径流是主要补给水源，乳山河下游拦蓄潜力很大。 3) 乳山河地下水库建成后，有较大开发潜力。丰水年(25%)时水库的调蓄水量为1790万m 3 ；平水年(50%)时水库的调蓄水量为1664万m 3 ；枯水年(75%)时水库的调蓄水量为782万m 3 ；特枯水年(95%)时水库的调蓄水量为404万m 3 。 4) 建设地下水库，不占用过多耕地、无大量移民搬迁问题且水量蒸发损失少，是提高乳山地区水资源利用率的有效手段，同时可有效防止海水入侵，具有良好的发展前景。
system: [SYSTEM]

user: 摘 要 当前，手机电池的电量不断增加，但依然会出现在路上时手机没电又没地方充电的情况，因此提出了走路发电的构想。走路发电装置基于法拉第原理，通过切割磁感线发电装置将人体走路产生的机械能转化为电能。提出了装置的整体设计方案并设计了关键零部件，利用SolidWorks软件三维建模，通过3D打印技术制作出零件并组装。经过测试，走路2小时可为一部智能手机充满电，满足人们日常所需。该结果表明装置积累的电量较为可观，同时适应了低碳的需求，具有广阔的发展前景。 关键词 :鞋底发电，机械结构，电磁感应 Copyright © 2019 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
system: [SYSTEM]

user: 1. 引言 在当前人们的生产生活当中，手电筒、手机、助听器等低功耗产品正扮演着举足轻重的角色。虽然这些设备外形小巧，使用便捷且功能强大，但是续航能力差一直是它们的弱点，大大地限制了这些产品的适应性、灵活性、便携性等，也给人们带去诸多不便 [ 1 ] 。电池中的污染物，比如重金属等如果进入到环境中，也将会对自然环境造成巨大的危害。科研人员们研发的一种非常规自发电装置可以较好地解决这一问题。该装置通过收集环境中的能量，比如人体运动机械能，将其转换为电能为低功耗产品供电 [ 2 ] 。 目前，对振动能微型非常规发电机的研究主要有三个方面：压电式、静电式和电磁式。美国研究人员充分利用人体动能，开发一种装置，放入鞋内，边走路边发电，他们这种技术的原理是逆向电润湿，让微型液滴流动的能量转化为电能。日本电信电话公司正在研制一种发电鞋，它的原理是在鞋内装上水和小型发电机。人们穿着这种鞋子行走，鞋底产生的压力使水流流动，带动发电机发电。在振动能非常规发电机研究的三个方向上，各国科研人员们研究最多的还是压电式这一类。这一类设计的核心是压电材料，当对压电材料施加压力的时候，在它的两端会产生电压。再通过设计相应的结构，将它的电压转换成可使用的电流。比如就有科研人员将压电发电设备放在人的鞋垫里，利用了走路时对鞋垫踩压的压力使其发电。 在国内对这种鞋子的研究还不是很普遍，有一种方法是利用压电陶瓷来发电，但由于受压电材料发电能力的限制，将这部分电荷收集、储存起来用作驱动微功率电器的电源一直很少，而且压电材料发电能力十分有限 [ 3 ] 。本文采用电磁式振动自发电装置，将机械能转换为电能 [ 4 ] [ 5 ] ，解决了压电材料发电能力的限制问题，并将其应用到鞋子中，令使用者在平常走路时就能给装置内部的微电池充电。
system: [SYSTEM]

user: 2. 鞋底发电装置整体设计 2.1. 整体设计方案 鞋底发电装置，包括前气囊、后气囊和传送机构。气囊外形参考李贞 [ 6 ] 对男鞋的设计，前气囊后侧设有前滑块空间，前滑块设在前滑块空间内，后气囊后侧设有后滑块空间，后滑块设在后滑块空间内，前滑块与后滑块之间通过中间齿条连接，中间齿条与第一齿轮相啮合设置，第一齿轮与第一轴相连，第一齿轮与第一棘轮的轮齿互相啮合，整体设计如图1所示。 图1. 整体设计图 2.2. 运行原理 当人静止站立的时候气囊处于平衡状态；当人开始走路或者跑步时，脚后跟先离地，这时全部的压力都在前脚掌，气囊①和⑤产生压力差，气囊⑤处的压力大于气囊①从而促使齿条③向后移动，带动齿轮⑥顺时针旋转，与齿轮⑥一体的棘爪片跟着齿轮⑥同方向转动，由于旋转的离心力甩出棘爪片上的棘爪与棘轮⑦的轮齿啮合，带动棘轮⑦顺时针旋转。 然后棘轮⑦外部的齿与齿轮⑧啮合，带动齿轮⑧逆时针转动。因为齿轮⑧与发条盒以及齿轮⑩同轴，所以发条盒里面的涡卷弹簧卷紧，与此同时齿轮⑩带动齿轮⑨高速转动，跟棘轮⑦一样，与齿轮⑨一体的棘爪片带动棘爪与棘轮⑫啮合顺时针高速转动。 棘轮⑫下面是永磁体，永磁体高速转动，下方的线圈切割磁感线产生电流。当整只脚离开地面时，气囊①和⑤都不受力，但此时气囊①中的压力大于气囊⑤，促使齿条向前移动，使齿条复位，此时涡簧失去了阻碍它释放变形能的力，于是涡簧马上释放变形能带动轴②高速转动，由于棘轮⑫的单向运动作用，它并不会对轴⑭的转动产生阻碍。齿轮⑩同样在轴⑭的带动下旋转带动齿轮⑨持续发电。当脚着地时，前脚掌先落地，与起步时原理一样，带动发电机发电。
system: [SYSTEM]

user: 3. 鞋底发电装置关键零部件设计 3.1. 齿轮齿条设计 齿轮模数取m = 0.8，齿数z = 10，压力角α = 20˚。 分度圆直径： d = m z = 0.8 × 10 = 8   mm (1) 齿顶圆直径： D a = m ( z + 2 ) = 0.8 × 12 = 9.6   mm (2) 齿距： p = π m = 3.14 × 0.8 = 2.512   mm (3) 齿轮中心到齿条中心线距离： H = d 2 + x m = 4.56   mm (4) 式中x为变位系数x = 0.7。 齿条模数取0.8，压力角α = 20˚，厚度h = 8 mm。断面形状选择三角形，选取齿数z = 12，螺旋角β = 8˚。 则端面模数： m t = m cos β = 0.8 cos 8 ∘ ≈ 0.81   mm (5) 法面齿距： P n = π m n = 3.14 × 0.81 = 2.54   mm (6) 齿顶高： (7) 式中 h a n * 为顶高系数， h a n * = 1 。 齿轮齿条结构如图2所示。 图2. 齿轮齿条结构图 3.2. 增速齿轮组设计 涡簧释放变形能转换为转矩和转速，而增速齿轮组的作用就是在相同的变形能释放下，减小转矩，增大转速，带动微型发电机的转子高速转动，切割磁感线产生电流。 本文设计的是一级增速齿轮组，就是利用两个直齿圆柱齿轮组成大传动比的增速机构，使从动轮的角速度远远大于主动轮的角速度。 设计增速齿轮组传动比i 67 = 7，主从动轮模数m = 0.5，主动轮厚度h 6 = 2 mm，从动轮h 7 = 3 mm。 设计主动齿轮⑥分度圆直径d 6 = 67 mm，从动轮d 7 = 10 mm，根据公式计算齿数： d = m z (8) 求得主动轮齿数z 6 = 136，从动轮z 7 = 20。 3.3. 棘轮棘爪设计 棘轮棘爪结构的主要作用是将主动件的运动转化为从动棘轮的单向间歇运动。在本设计中有两处使用了这个结构，棘轮I的作用是为了使涡簧释放变形能时不受棘轮I外齿的干扰。棘轮II的作用是为了使发电机转子，也就是棘轮单向转动，避免逆向转动损失动能。 棘轮I与棘轮II的内部齿型模数等数据都是相同的，区别在于棘轮I的外部设置成齿轮的结构。 3.3.1. 棘轮轮齿模数齿数的确定 在本课题的设计中，取棘轮轮齿的齿数z = 10，m = 2.5。 根据公式： m = d a z (9) 得到棘轮直径d a = 25 mm。 根据公式： h = 0.75 m (10) 得到棘轮齿高h = 1.875 mm。 根据公式： d f = d a − 2 h = d a − 1.5 m (11) 得到棘轮根圆直径d f = 21.35 mm。 取棘轮齿槽夹角：θ = 60˚。 取棘轮齿槽圆角半径取r = 1.5 mm。 棘轮尺寸如图3所示。 图3. 棘轮尺寸图 3.3.2. 棘爪设计 当m < 3，根据公式求棘爪工作长度： l = π m (12) 得到棘爪工作长度l = 7.85 mm。 棘爪高度： h 1 = h + ( 2 − 3 ) m m (13) h 1 = 3.875 mm。 棘爪尖顶圆角半径一般取r 1 = 2 mm。 棘爪底长度： (14) a 1 = 2.5 mm。 棘爪板尺寸如图4所示。 图4. 棘爪板尺寸图
system: [SYSTEM]

user: 4. 测试 实物模型通过3D打印技术将SolidWorks建模的各个零件进行打印然后进行组装，实物如图5所示，电池充电特性曲线如图6所示。 图5. 装置实物图 图6. 电池充电特性曲线 装置组装后进行测试，将装置安装在志愿者的鞋底上，让其以低强度的正常速度走路，并携带手机用于计步。2小时后实验结束，此时发电装置的微电池已充满电，手机显示志愿者在2小时内走了13，102步，即每个发电装置平均每小时运动3275.5次。一只鞋底的储蓄电量为1600 mAh，一双的储蓄电量则为3200 mAh，输入可充电电池的电压为6 V，电流为1 A，可为一部智能手机充满一次电，满足人们日常所需。 同时人体在行走或奔跑时，脚掌和脚后跟之间会产生较大的作用力，而相应地，发电装置在工作过程中会阻力，一定程度上可以防止脚部肌肉损伤，并且增加了人体的运动量，锻炼了人的脚部肌肉。