DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 4. 数据安全技术 在云计算中，数据的安全问题贯穿了整个云终端的使用过程，数据流动到的地方都需要建立安全防护机制。在上述的数据生命周期过程中，为保证数据的机密性和完整性，数据加密技术、数据备份技术、数据隔离技术和数据擦除技术是必不可少的。 4.1. 数据加密技术 数据加密是数据生命周期过程中保证数据安全核心内容，在数据的创建、存储、传输、使用和归档过程中云计算的服务商和商户都需要采用数据的加密技术来保证数据的安全保密和完整传输。现在，云计算服务提供商对数据的加密环境进行了改进和提升，但是用户仍然需要对自己的数据进行加密，也可以使用第三方技术对服务过程中的数据进行加密处理 [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] 。 加密技术由算法和密钥两个部分组成，算法指的是如何将数据与密钥相结合产出密文和将密文解密成原始数据的操作过程，密钥则是数据加密和解密所对应的算法。密码机制可分为对称加密技术和非对称加密技术，经典的对称加密技术是DES算法，经典的非对称加密技术为RAS算法。 4.1.1. 对称加密技术DES 对称加密技术是指在数据的加密和解密过程中使用相同的加密密钥和解密密钥，以此来保证数据的安全性，对称技术有着使用简单方便的优点，能够满足基本的数据加密的要求，是使用最普遍的数据加密技术。图2是对称加密算法的流程图。 对称加密算法包括两种类型：分组密码算法和流密码算法。分组密码算法是以数据块为单位对明文进行处理，它将输入的明文分组作为一个整体，输出一个等长的密文分组。分组密码大多数情况下采用Feistel结构，并通过多轮的相同的操作来提高加密算法的安全性。在每一轮中仅仅只对分组的一半进行代换，等交换后，下一轮再对另一半进行代换，每一轮操作使用的密钥都是不同的。流密码算法又可称为序列密码算法，是对明文进行连续不断的处理，通常以比特或字节作为操作对象。典型的流密码结构包括一个伪随机数发生器，在不知道密钥的时候，可以产生一个不能够预知的伟随机流，输入的明文依次与该伪随机流进行异或操作，加密数据。下面介绍典型的对称加密技术DES。 DES [ 12 ] 的设计核心思想是让所有的秘密寓于密钥之中。DES在加密之前先以64比特为分组单位，对整个明文进行分组；然后对每个分组进行加密，生成一组密文，每组密文的信息还是64比特；最后连接每一组密文得出加密后的信息。图3是DES加密的原理图。 DES算法主要分三个阶段对明文进行处理。 阶段一：置换IP，在这个过程中对每个64 bit分组明文按照比特进行重新编排，不需要使用密钥。初始置换只是简单的移位操作，把明文的64 bit中的0和1 bit串按8 × 8矩阵进行排列并编号，然后打乱重排，按照将原来分组明文的第58位和第50位置换成第1位和第2位的规则来打乱顺序。 阶段二：置换和代替，进行16次与密钥相关的循环加密运算。已经进行初始置换的64位将进行16次于密钥相关的循环加密运算。 图2. 加密算法流程图 图3. DES加密原理图 阶段三：IP −1 ，即逆初始置换，这一过程是置换过程的逆运算，所以也不会使用密钥。 在这过程中的初始置换的功能就是把输入的64位数据块进行重新组合，并分别输出L1和R1两部分，每部分长度都为32位，其置换的规则是将输入的第58位换到第1位，第50位换到第2位……以此类推，最后一位是原来的第7位。L1、R1是换位后输出的两部分，L1是左32位，R1是右32位。例如置换前输入的数值是N1N2N3……N64，那么经过初始置换后输出的是：L1 = N58N50……N8；R1 = N57N49……N7。置换规则为： 58，50，42，34，26，18，10，2，60，52，44，36，28，20，12，4， 62，54，46，38，30，22，14，6，64，56，48，40，32，24，16，8， 57，49，41，33，25，17，9，1，59，51，43，35，27，19，11，3， 61，53，45，37，29，21，13，5，63，55，47，39，31，23，15，7。 4.1.2. 非对称加密技术RAS 非对称加密算法也可称为公钥加密算法。非对称加密算法主要包括六个要素：加密算法、解密算法、明文、密文、公钥和私钥，其中公钥和密钥是密钥的两个组成部分。公钥被登记在一个可信的公共数据库中，它是公开形式的，所有人都能够访问的。私钥由用户自己负责保存，是私密的，非对外公开的。数据发送者采用加密算法使用公钥对明文进行加密，形成密文，然后将密文发送给数据接收者，接收者使用自己的密钥对密文进行解密，读取数据。非对称加密算法过程如图4所示。 RAS公钥密码算法作为非对称密码算法的典型代表，主要分为两部分：密钥生成方法和加密(解密)算法。RSA的算法涉及三个参数，n、e1、e2。其中，n是两个大质数p、q的积，n的二进制表示时所占用的位数，就是所谓的密钥长度。e1和e2是一对相关的值，e1可以任意取，但要求e1与(p-1)*(q-1)互质；再选择e2，要求(e2*e1)mod((p-1)*(q-1)) = 1。(n，e1)，(n，e2)就是密钥对。其中(n，e1)为公钥，(n，e2)为私钥。 RSA加解密的算法完全相同，设A为明文，B为密文，则：A = B^e2 mod n；B = A^e1 mod n；(公钥加密体制中，一般用公钥加密，私钥解密)e1和e2可以互换使用，即：A = B^e1 mod n；B = A^e2 mod n。 图4. 非对称加密算法过程 RSA的公钥和私钥一般都是由两个大于100位的十进制素数进行构造，因此破解起来比较困难，具有较高的安全性。但是缺点在于它的计算量非常大，导致其运算速度缓慢，相比DES慢了将近100倍。因为速度的限制，RSA一般只用于少量数据加密 [ 10 ] [ 13 ] [ 14 ] 。 4.2. 数据擦除技术 在数据使用完后，系统中会存在大量的数据操作的痕迹，这些记录包括很多个人隐私信息，极其容易对个人信息安全造成威胁。极大多数的用户都是在使用完之后将数据进行删除，活着清楚使用记录，但是很多数据恢复类软件能够对这些信息进行恢复。所以，在数据被使用完后，要对数据进行擦除，销毁用户使用记录。 在云计算中数据擦除技术主要是按照用户的信息消除需求，定位到这些数据并切对这些数据进行不可逆地消除。数据擦出技术的主要目的在于对抗数据恢复技术，在真正意义上实现数据消除。目前主流的信息消除技术都是利用无意义的数据将有意义的数据存储区域进行覆盖，通过多次反复写入后达到无法恢复的目的。
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user: 5. 总结 本文对云计算数据的生命周期进行了简要的说明，介绍了数据在产生、传输、分享以及使用等过程中遇到的安全问题，并给出了相关的解决方案。文章阐明了保证数据安全性的两种技术，数据加密技术和数据擦除技术，但是这种数据安全技术的使用只局限于企业和有较高安全意识的用户，并没有普及到普通的用户中，普通用户对云计算中的数据还是缺乏安全意识，没有体会到使用数据安全技术的重要性，所以，将云计算数据安全与人们日常生活更加密切地联系起来也变得十分重要。
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user: 摘 要 生物炭(Biochar)是动植物材料经厌氧限温裂解制备而成的一种碳含量丰富的稳定性多孔炭。由于其丰富的孔隙结构和独特的表面化学性质而具有良好的吸附性，且廉价易加工，被广泛应用于废水重金属处理中。本文对生物炭的概念、基本特性、生物炭吸附废水中重金属的机理与影响吸附的因素等进行了综述，并探讨了生物炭在重金属废水处理中未来的研究方向。 关键词 :生物炭，水污染，重金属 Copyright © 2017 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/
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user: 1. 引言 重金属通常以不同形态存在于大气、水体、土壤等自然环境中，有些重金属(或其化合物)即使在痕量水平也能对生物产生毒害作用。重金属在环境中不能被生物降解，而且能在生物体内富集并随着食物链逐级放大，被生物体摄入后，可能引发急性中毒，也对生物体具有慢性致畸、致癌、致突变作用 [ 1 ] 。随着工农业生产的发展，重金属通过矿山开采、金属冶炼加工、化工废水的排放、农药和化肥的滥用以及各类垃圾的弃置等人为污染及地质侵蚀、风化等天然源形式进入环境中 [ 2 ] ，使得环境中重金属积累逐年加剧，重金属污染引发的人类健康危机频频发生，更为严重的是重金属污染具有隐蔽性、长期性、不可逆性及后果严重性等特点，因此重金属废水的治理已受到国内外科研工作者的高度重视，如何消除重金属的危害并有效地回收重金属是当今环境保护工作面临的突出问题。目前去除污染水体中重金属的方法主要有 [ 3 ] ：化学法，包括沉淀法、还原法和高分子重金属捕集法等；物理法，包括吸附、溶剂萃取、蒸发和凝固法、离子交换法和膜分离等；生物方法，包括植物净化和微生物处理技术。 吸附法作为去除污染水体中重金属的一种有效环保的方法，受到了广泛关注。生物炭作为一种新型高效廉价的吸附剂，近年来逐渐成为环境、能源等诸多领域的关注焦点。生物炭(Biochar)是废弃生物材料通过高温热裂解的方法在缺氧或少氧的条件下形成的一类高度难溶的、稳定的、高度芳香化的、富含碳素的黑色蓬松状固态物质，是属于黑炭范畴的一种，组成元素主要是碳、氢、氧、氮等，含碳量在70%以上 [ 4 ] 。根据原料不同，还含有钾、钙、铁、镁、钠、锌、铜等元素 [ 5 ] 。生物炭作为一种新型吸附剂，由于具有孔隙度好、比表面积大、吸附能力强且来源广泛的特点，这些特性使得生物炭在吸附废水中的重金属等污染物方面具有巨大的潜力，现已广泛应用于吸附菲 [ 6 ] 、西维因 [ 7 ] 、多环芳烃 [ 8 ] 、重金属 [ 9 ] [ 10 ] 等多种污染物。本文对生物炭作为重金属吸附剂在重金属废水处理中应用的国内外研究现状进行总结，希望为生物炭在我国的研究与推广应用提供参考。
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user: 2. 生物炭去除废水中重金属 废水中重金属的处理方法很多，传统的方法主要包括化学沉淀法、例子交换法、电化学法、膜过滤法等。近年来，吸附法由于操作简单、吸附能力强、尤其适用于对低浓度污染的废水等特点，已经引起了人们的广泛关注。制备生物炭的原料一般为工农业废弃物，这为现今废弃物变废为宝、资源化利用提供了新的方向，符合可持续发展战略，并已经有了大量的研究。目前对生物炭去除废水中重金属的研究主要集中在生物炭制备的原料和制备反应条件。 生物炭的原料一般为植物及其废弃物，通过过热裂解的方式制备而成，常见的生物炭包括木炭、竹炭、秸秆碳、稻壳炭等。生物炭主要由碳组分和矿质成分组成，通常研究认为碳组分决定着生物炭的吸附能力，近期研究表明其中的矿质成分也对生物炭的吸附作用有着显著的贡献 [ 11 ] 。不同生物质材料的碳组分和矿质成分不同，从而制备的生物炭的吸附能力也不同，如：不同生物炭类型对Pb 2+ 的吸附能力有显著的差异(表1)。 生物炭的制备的反应条件不仅影响生物炭的产量，也影响其结构和元素组成。其中温度是影响生物炭结构和性质的重要因素，温度对生物炭孔隙结构、比表面积及吸附特性。例如，猪粪在600℃下产生的生物炭表面积大于400℃下产生的生物炭 [ 23 ] 。不同温度下制备的生物炭由于结构的不同对废水中同种金属的吸附能力有所不同，如：不同温度下同种材料制备的生物炭对Pb 2+ 的吸附能力有显著的差异(表2)。 Table 1 Adsorption capacity of different types of biochar for Pb2 生物炭类型 最大吸附量(mg/g) 数据来源 牛粪生物炭 140.9 [ 12 ] 亚麻纤维生物炭 147.0 [ 13 ] 玉米生物炭 270.0 [ 14 ] 水稻秸秆生物炭 104.2 [ 15 ] 松木生物炭 279.7 [ 16 ] 小麦秸秆生物炭 50.0 [ 17 ] 玉米秸秆生物炭 76.9 [ 17 ] 花生壳生物炭 45.5 [ 17 ] 核桃青皮生物炭 476.2 [ 18 ] 大米皮生物炭 2.4 [ 19 ] 消解甘蔗渣生物炭 135.4 [ 20 ] 未处理甘蔗渣生物炭 81.9 [ 20 ] 污泥生物炭 30.9 [ 21 ] 巴西阔叶硬木生物炭 47.7 [ 22 ] 猪粪生物炭 230.7 [ 23 ] 表1. 不同类型生物炭对Pb 2+ 的吸附能力 Table 2 Adsorption capacity of biochar for Pb2+ at different temperature 生物炭类型 制备温度(˚C) 最大吸附量(mg/g) 数据来源 水稻秸秆生物炭 100 12.8 [ 24 ] 350 65.3 500 85.7 700 76.3 玉米秸秆生物炭 250 23.6 [ 25 ] 350 17.7 400 16.9 450 15.0 700 52.9 杨树枝生物炭 250 25.4 [ 25 ] 350 35.7 400 24.1 450 15.5 污泥生物炭 300 189.5 [ 26 ] 400 194.2 500 211.8 表2. 不同制备温度下生物炭对Pb 2+ 的吸附能力
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user: 3. 生物炭去除废水中重金属的机制 与活性炭不同，不经过活化处理生物炭对于铅、铜、锌等众多重金属就具有良好的吸附效果。研究表明，不同的生物炭废水中同种重金属的吸附去除机理不同，同种生物炭对废水中不同重金属的吸附去除机理也不尽相同，其去除机理主要包括以下几种：物理吸附；金属阳离子与生物炭表面负电荷之间的静电作用；金属阳离子与酸性炭表面的电离质子的离子交换作用；金属离子与生物炭上的矿物质或官能团(羧基、醇、羟基、内酯、羰基等)作用生成沉淀或络合物等 [ 27 ] 。 3.1. 物理吸附 有研究认为，物理吸附在生物炭去除废水中重金属离子起着重要作用 [ 28 ] 。生物炭的物理结构与活性炭类似，都是由许多无序的小单元构成的 [ 29 ] 。从而，生物炭具有较大的比表面积，这些无序的结构具有较高表面能，能很好的吸附废水中的金属离子，因此能够较好地去除废水中的重金属。吴成等 [ 14 ] 研究玉米秸秆生物炭对Hg 2+ 、As 3+ 、Pb 2+ 和Cd 2+ 的吸附表明其吸附过程是可逆的，认为生物炭对重金属离子的吸附为亲合力极弱的非静电物理吸附；Inyang和Gao [ 20 ] 等人用甘蔗渣吸附Pb 2+ 时发现，生物炭吸附重金属离子的作用机理除了沉淀反应外还有物理吸附的作用；Kołodyńska等人用猪粪生物炭吸附Cu 2+ 和Pb 2+ 时发现，生物炭对重金属离子的吸附是一个复杂的离子内扩散的物理吸附过程 [ 23 ] ；Cao等 [ 12 ] 研究奶牛粪生物炭去除Pb 2+ 时，Dinesh Mohan等 [ 4 ] 研究木材和树皮生物炭去除Pb 2+ 、Cd 2+ 和As 3+ 时，也发现物理吸附对生物炭吸附重金属离子有一定的作用。 3.2. 离子交换 重金属离子在生物炭表面的离子交换吸附被认为生物炭对重金属离子的吸附另一主要方式 [ 30 ] 。离子交换的本质是生物炭表面带负电荷基团与溶液中正电荷的金属离子的静电作用，属于非专性吸附，吸附能较低。金属离子与表面酸性官能团交换的反应通式可表达为 [ 30 ] ： (式中M为重金属) 碱基金属或碱土金属与表面盐基离子交换的反应通式可表达为 [ 20 ] ： (式中M为重金属) Liu和Zhang [ 19 ] 研究发现，松木生物炭和稻壳生物炭含有大量的含氧官能团，这些官能团对于吸附去除Pb 2+ 起着至关重要的作用。在适宜的pH值下，官能团上失去质子与金属阳离子发生作用使吸附量增大。Dinesh Mohan等 [ 4 ] 用木材或树皮快速热解制得的生物炭吸附Pb 2+ 、Cd 2+ 和As 3+ ，实验表明生物炭对金属离子的吸附主要是离子交换作用。亚麻纤维束生物炭对重金属离子的吸附机理主要是在生物炭表面发生离子交换作用，随着金属离子被吸附的过程水中质子数有所增加 [ 13 ] 。 3.3. 络合或化学沉淀 某些金属离子能与生物炭表面官能团形成了特定的金属配合物，从而被生物炭吸附。甘蔗渣生物炭对Cr3 + 的吸附主要是Cr3+与生物炭上官能团发生络合反应 [ 31 ] 。Gilbert等 [ 32 ] 研究脱脂番木瓜种子去除重金属离子时发现，生物炭吸附重金属离子主要是因为生物炭表面的官能团的作用，从而重金属离子与生物炭结合在一起形成络合物。徐楠楠等 [ 10 ] 认为玉米秸秆生物炭对Cd 2+ 的化学吸附机制主要为表面羟基和羰基与Cd 2+ 发生络合化学反应作用。Cao等 [ 12 ] 比较了动物粪肥在200℃和350℃下烧制的生物炭与商品活性炭对Pb 2+ 的吸附效果，认为牛粪制成的生物炭对铅具有很强的吸附能力，主要是因为Pb 2+ 和生物炭中的P和碳酸根发生沉淀作用，84%~87%的Pb 2+ 通过与生物炭中富含的磷酸盐和碳酸盐发生沉淀作用而被吸附，仅13%~16%的Pb 2+ 通过表面配合吸附作用被吸附。Inyang等 [ 20 ] 对Ph 2+ 、Cu 2+ 、Ni 2+ 和Cd 2+ 的吸附研究也证明生物炭吸附重金属离子主要是基于表面沉淀机理。Hg 2+ 在碱性生物炭表面可以形成好Hg(OH) 2 或HgCl 2 沉淀 [ 33 ] 。
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user: 4. 生物炭去除废水中重金属的影响因素 生物炭对废水中重金属离子的吸附会受到诸多因素的影响．其中生物炭性状(如比表面积、表面活性基团的数目、表面电荷等)以及重金属离子的理化性质是两个较为重要的影响因素，此外，吸附过程中的外界环境条件(pH、温度、污染物初始浓度、离子强度等)也会在一定程度上影响生物炭对重金属离子的吸附行为。 4.1. 吸附剂的性质 生物炭吸附剂的性质是影响其吸附重金属的重要因素之一。生物炭的制备方式和材料极大的影响着生物炭的比表面积、孔隙结构、表面官能团和元素组成等性状，这些都与其对重金属的吸附能力息息相关。 制备材料生物炭的制备材料来源广泛，如城市污泥、木本植物、草本植物、作物秸秆、甘蔗渣、猪粪等，许多原料制备的生物炭都已经用于重金属吸附研究中。不同来源制备材料和不同制备条件获得的生物炭的理化性质迥然不同，化学组成也有所差异，吸附能力也不尽相同。这主要是因为原料的不同，影响了生物炭的元素组成和生物炭表面官能团种类和丰度。如，在小麦秸秆、玉米秸秆和花生壳制成的生物炭对水溶液中Cd 2+ 和Pb 2+ 的吸附研究显示玉米秸秆炭的最大吸附量远大于小麦秸秆炭和花生壳炭 [ 17 ] 。 生物炭的制备方式生物炭的结构、元素组成和表面官能团都有极大影响。其中温度是影响生物炭结构和性质的重要因素，温度对生物炭孔隙结构、比表面积及吸附特性。不同制备方式得到的生物炭对废水中重金属离子的吸附能力也不相同，如在200℃、300℃、400℃、500℃下制备的小麦秸秆生物炭对污水中铜离子的吸附性能研究表明，随着炭化温度升高，秸秆的微孔变形程度加剧，表面粗糙程度增加，孔道效应更易发挥，增加了生物炭对铜离子的吸附量 [ 34 ] 。 4.2. 废水的pH值 溶液pH不仅会影响重金属离子的存在形态，而且决定了生物炭表面的电荷密度，改变生物炭表面物理化学性质，从而影响溶液中重金属离子和生物炭的结合，进而改变生物炭对废水中重金属的去除效果。例如，在0.01 mol/L的NaNO 3 溶液中，pH > 7.01时，溶液中的二价铅主要以Pb 2 ＋ 、PbNO 3 ＋ 、Pb(NO 3 ) 2 、PbOH ＋ 的形式存在 [ 35 ] 。pH值在2.50~6.50范围内，随着溶液pH 升高，生物炭对铅的吸附量迅速增加 [ 10 ] 。在不同pH值下，生物炭的表面物理化学性质也影响着生物炭对废水中重金属的去除效果。Liu和Zhang [ 19 ] 研究表明，当pH值较低时，生物炭表面的官能团都和Ｈ ＋ 结合在一起，无法与金属阳离子发生络合；随pH值的升高，官能团失去质子与金属离子络合，金属去除率升高；然而当pH值大于５时，去除率又开始下降，这主要是由于金属离子生成水溶性羟基络合物的缘故。安增莉等 [ 9 ] 用酸碱位点和零电荷点解释溶液酸度对金属离子吸附的影响，当溶液pH < pHpzc (pHpzc为表面电荷为零时溶液对应的pH值)时，生物炭表面带正电荷，生物炭表面的金属离子与溶液中的金属离子发生交换，从而吸附废水中的金属离子减少溶液中重金属含量；当溶液pH > pHpzc时，生物炭表面带负电荷，生物炭依靠静电作用吸附溶液中的重金属。pH值较低时，H + 与金属离子的竞争，降低了生物炭对金属离子的吸附；pH值过高时，氢氧化物阴离子络合物的形成，减小了金属离子的自由度，故而，过高或过低的pH值都不利于废水中金属离子的吸附去除。 4.3. 温度 吸附过程通常会受温度的调控，因此环境温度对生物炭吸附行为也起着重要作用。吸附温度能够生物炭表面基团吸附热动力和吸附热容等因素，进而影响吸附效果对于不同的生物炭吸附剂，温度对金属吸附量的影响有所不同，如果生物炭吸附是一个放热反应的过程，则生物炭对重金属的吸附能力一般随温度的下降而增大，若生物炭吸附是一个吸热反应的过程，则生物炭对重金属的吸附能力可能随温度的升高而增大 [ 36 ] 。研究表明污泥吸附剂对Pb 2+ 的去除率随温度的升高而增大，温度超过30℃，去除率提高不显著 [ 37 ] 。温度的上升能使吸附物在吸附剂孔内更快的扩散，升温还可能使得一些活性点位附近的内在化学键断裂，从而增加吸附点位，温度升高加快吸附剂的吸附速率；同时吸附过程还也包括化学吸附的吸热反应，温度升高，吸附反应相应加快。 4.4. 吸附时间 生物炭对废水中重金属离子的吸附过程是一个复杂的过程，既包括物理吸附作用又包括化学吸附作用，还受到金属离子扩散速度和生物炭附近微环境金属离子浓度的影响。随时间的变化，生物炭对废水中金属离子的吸附状态发生变化，一般而言最初以物理吸附为主，金属离子在生物炭中的扩散速度影响着其最初吸附速度，继而以化学吸附为主；随时间变化附近微生境中金属离子的浓度也逐渐下降，从而最初吸附速度较快，随后减慢直至饱和。吸附能力和吸附速度是衡量吸附过程的主要指标，吸附速度是指单位重量的吸附剂在单位时间内所吸附的物质量。在污水处理中，吸附速度决定了污水与吸附剂接触所需的时间。丁文川等 [ 38 ] 在研究城市污水污泥生物炭对水中Pb 2+ 的去除效果时发现，最初90分钟内，去除率随时间几乎呈直线上升，最高达到94％；反应至180分钟，去除率达到96%，再延长反应时间，去除率变化很小。李斌 [ 31 ] 也发现，吸附时间对活性生物炭吸附Pb 2+ 有很大的影响，随着吸附的进行，含Pb 2+ 溶液的浓度逐渐减小，生物炭的吸附容量逐渐增加，吸附过程经历了快速的吸附阶段，慢速的吸附阶段和平衡吸附阶段。
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user: 5. 展望 生物炭作为一种新型的吸附剂，对废水中大多数重金属如铅、铬、镉、锌等都具有良好的吸附效果，近年来，成为环境领域关注的热点。通过科研人员大量研究，在其对水体中重金属污染物的吸附机理的研究中取得了一定的进展。但是，目前已有的研究多为对一种重金属吸附的实验室研究工作，而水体中重金属污染情况复杂，通常存在多种重金属复合污染。近期少数生物炭对复合重金属废水吸附研究表明，多种重金属对生物炭的吸附存在竞争作用 [ 39 ] ，水体中其它污染物对生物炭对重金属的吸附作用也可能存在竞争或抑制作用。因此，生物炭对重金属复合污染的机制研究是未来的一个研究重点。目前生物炭去除废水中重金属的研究仅停留在实验室的模拟与分析上，在重金属污染废水上的工程应用未见报道，实际重金属污染废水要比目前实验室所用的模拟废水复杂，生物炭大面积应用于重金属污染水体治理与修复的技术参数的探究已然成为今后研究的一个重要方向。虽然生物炭来源丰富、造价低廉，但在工程应用中生物炭的成本仍是一个不可忽视的因素，寻找更廉价高效去除重金属的生物炭、改性提高去除效率以及生物炭的再生利用也是未来研究的一个重要方向。
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user: 摘 要 在某自行高炮作战试验鉴定过程中，针对需要实时记录车辆内部两路总线数据的问题，设计了一种基于双CAN总线的自动测试系统。该系统采用飞思卡尔MC9S12XEP100MAL单片机作为处理芯片，通过外接GPS授时芯片提高了数据测量精度，提出了主核与辅核XGATE数据共享方法以及双缓冲区周期交换策略，实现了双CAN口数据的不间断采集。应用表明，该系统能够适用于该自行高炮武器系统总线数据的实时采集、存储及传输任务，解决了作战试验鉴定过程中数据采集的问题。 关键词 :车辆状态监测，CAN总线，数据采集，作战试验 Copyright © 2017 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/
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user: 1. 引言 随着装备作战试验任务在我军陆续开展，针对作战单元信息采集相关技术研究日益紧迫。目前，车载类武器平台作为最小作战本体，需要在真实的作战环境下对其使用过程中的车电、火控等参数进行精确测量并实时传输。基于此，本文以某自行高炮武器系统作为研究对象，重点分析了其总线结构和协议，设计并开发了双CAN总线状态参数采集系统，为装备的作战效能、作战适应性和生存性，以及体系贡献率评估提供精确的测试数据支撑。
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user: 2. 系统总体及硬件设计 2.1. 系统总体设计 系统主要由车载采集终端和数据处理服务器组成。所有的采集终端由统一的时统进行控制。各终端通过专用的试验通讯网络将数据汇总到上位机的数据处理服务器中。为确保采集终端能够满足耐低温、三防等军用标准，设计采用飞思卡尔MC9S12XEP100MAL单片机作为核心处理器。该芯片内部集成PLL电路同时具有倍频功能，通过外部加装4 M晶振，能够倍频到48 M，满足电磁兼容要求 [ 1 ] 。电路外围搭配W5100芯片实现数据的透明传输，其功能是接收两路CAN总线数据并将数据封装到一个数据包中，在采集卡上以TXT文件的形式存储在板载SD卡中，同时将该数据包以UDP协议的方式通过网口发送给数据采集服务器。同时系统还应具备总线数据接收状态指示、电源状态指示、断电数据保护、关键通信参数在线编程、数据筛选等功能，如图1所示。 在系统工作的时候，先对总线差分信号进行处理，将双端输入的差分信号通过总线驱动器或差分接收器转换成单端口的高低电平信号，然后送到单片机的CAN总线接口，由协处理器XGATE以中断方式进行接收，一个通信周期(80 ms)相关数据采集完毕后进行封装，在周期定时器中断控制下，由主控制器HC12X通过SPI总线接口存储到板载SD卡中，同时通过并行总线利用W5100芯片转换成UDP数据，发往数据处理服务器 [ 2 ] 。利用4个LED灯指示采集卡工作状态，使用4个拨码开关选择系统的工作方式等。 2.2. 单片机外围电路设计 该部分电路主要包括程序下载电路、时钟电路、单片机输入电源滤波、工作状态指示电路以及最小系统所需的外围电路。时钟电路采用4 MHz晶振，电源滤波电路，外部输入电源采用100 UH电感、10 UF 图1. 系统原理框图 钽电容、103陶瓷电容、104陶瓷电容共同构成LC滤波电路，内部电源采用102陶瓷电容和220 NF陶瓷电容滤波 [ 3 ] 。工作状态指示电路共有四个LED指示灯。PORTE5、PORTE6以及PORTE7通过3.3 K电阻下拉到地。单片机核心电路如图2所示。 2.3. 电源电路设计 目前通用轮式车辆底盘都提供DC12V接口用于车载设备供电，因此本系统电源采用直接从车内取电的方式工作。为确保设备在密闭空间内能够稳定工作，系统选择开关电源代替传统的LDO电源芯片，将终端电源转换效率提高到95%以上 [ 4 ] [ 5 ] 。终端内部设计两个供电电路，首先采用N7805模块将DC12V转换为DC5V，用于给单片机及CAN收发芯片等核心电路供电；之后采用N7803模块将DC12V转换为DC3V，给网络芯片和SD卡供电。由于开关电源芯片存在纹波大的缺点，本系统在芯片后端增加多级滤波电容，能够将纹波控制到20 mV以内。同时DC12V电路处设计电源开关，DC5V、DC3V输出分别放置500 MA和300 MA可恢复保险做过流保护，放置两个LED灯指示电源状态。如图3所示。 2.4. CAN总线接口电路设计 CAN总线节点采用MC9S12XEP100单片机做控制器，其集成有6个CAN总线接口，CAN总线收发器采用AD公司的ADM3053芯片，其内部集成了隔离DC/DC电源，是一种自隔离的CAN总线收发器 [ 6 ] 。节点电路设计有EMI滤波电路以及ESD静电保护电路，其节点硬件电路如图4所示。
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user: 3. 系统软件设计 3.1. 程序流程设计 整个程序主要分为两种模式，一种参数设置模式，一种正常工作模式，两种模式通过拨码开关进行选择。参数设置模式主要用于板卡的网络参数以及数据采集服务器网络参数设置。正常工作模式主要用于正常CAN总线数据采集。程序主程序流程如图5所示。 图2. 单片机核心电路原理图 3.2. 中断分配 为确保系统能够及时响应接收到的数据，整个程序设计了4个中断。同时为确保中断通道不会互相干扰，对不同中断分配相应的优先级。一个80 MS的周期定时中断，分配给主核处理；两个CAN接口中断、一个SCI串口中断，分配给XGATE处理。中断流程如图6所示。
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user: 4. 双缓冲区周期交换法 4.1. 主核与辅核XGATE数据共享 系统辅核XGATE负责处理接收数据中断，采集CAN总线数据、时间信息且完成数据装帧。主核负 图3. 电源电路原理图 图4. CAN接口电路原理图 图5. 系统主程序流程图 责将采集到的数据按80 ms的周期保存数据以及将数据发送给上位机服务器。因此，必须保证数据和各种标志要在主核与辅核XGATE之间实时可靠共享。本系统通过设计双缓冲区标志位的方法，通过周期判断缓冲区使用状态，以保证主辅核直接操作两个缓冲区数据，算法流程如图7所示。 4.2. 数据采集策略 本系统包括两个CAN总线接口，能够同时接收数据，通过双缓冲区周期交换法实现双CAN口的不间断采集，当单片机的辅核XGATE通过CAN口接收到有效数据帧，经解码处理后，依照数据帧的先后顺序存入BUFF1中，此时主核HC12X对存储在BUFF2中的数据进行处理，80 ms后，再收到CAN数据依次存入BUFF2中，此时主核HC12X对存储在BUFF1中的数据进行处理，再过80 ms再存到BUFF1中，如此循环，这样使得使用的缓冲区以80 ms为周期，进行交换使用，如图8所示，图中深色的表示CAN口2接收到的数据，浅色的表示CAN口1接收到的数据。在每个缓冲区的第8个字节到第44个字节用于存放时间，每个通信周期填充一次。 为便于存储，需将接收到的数据转换成ASCII码，因此，为保证CAN口中断处理函数的响应速度，减少中断服务程序消耗的总线时钟数，系统采用转换查表的方式进行，即先计算好十六进制数对应的ASCII码，制作一个二维数组，其数组索引号即为16进制数，数组的元素就是其对应的ASCII码，这样就将一个16进制数变为两个字符。之后采用位左移操作代替乘法操作，用位右移操作代替除法操作，减少时钟周期消耗，提高效率。比如计算CAN扩展帧ID，如图9所示。 图6. SCI3中断服务程序流程图
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user: 5. 实验结果及分析 将系统两路CAN接收端接入被试装备预留监测接口，通过调整装备火控计算机总线数据，对系统性能进行测试。验证结果表明，当边采集边存储时，极限速度为每秒3000帧左右，如不需存储，采集速度可达每秒5000帧。将SD卡中保存的数据与总线发送数据进行比对，结果完全一致。终端板卡如图10所示。 在数据记录的同时，采集到的数据通过网口发送给中心上位机数据，数据处理服务器通过IP抓包工具进行抓包，将数据进行解码处理，解码结果与CAN总线数据一致。且源IP地址、源端口号、目的IP地址、目的端口号、网关IP地址均正确无误。采集卡的采集、转发、存储功能均正常，且长时间工作稳定。 图7. 主辅核数据共享算法 图8. BUFF1， BUFF2轮流存储 图9. 计算CAN扩展帧ID 图10. 实物图
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user: 6. 结束语 本文以某自行高炮武器系统装备作战试验鉴定过程中总线数据采集作为研究对象，针对该武器系统双CAN总线的特点以及对采集设备高机动、高实时性的测试需求，开发了基于双总线的武器状态参数采集系统，利用装备自带总线及各分部件预留监测接口，设计了主核与辅核XGATE数据共享方法以及双缓冲区周期交换策略，完成了双CAN口数据的不间断采集。实际试验表明，该系统能够实现了火控系统工作时各类控制信息、工作状态信息及装药参数等数据的快速实时采集和传输，为装备作战试验鉴定提供了可靠的试验数据。
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user: 摘 要 针对架空输电线路日常运维需求，本文从线路走廊地势地形、空域管理以及现有无人机技术等多因素进行分析，并在北京主网架空输电线路中的人工巡视无法到位、故障点核实、超期未登检线路开展小型旋翼无人机巡检。无人机巡检能够及时发现各类缺陷及隐患，有效地弥补了人工巡检不足，提高了线路运维效率。 关键词 :架空输电线路，线路巡检，无人机技术 Copyright © 2017 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/
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user: 1. 引言 输电线路长期在户外、野外环境运行，常常跨越山川、道路、河流、湖泊、建筑物等，线路走廊环境复杂，容易受到雷害、风害、冰害、鸟害、外力等因素破坏，及时获取各类状态信息对线路运维工作极为重要 [ 1 ] 。随着电网建设的快速发展，架空输电线路长度大规模地增加，导致传统的人工巡检工作量大大增加，而无人机作为一种新兴运维辅助手段，逐渐在电力线路巡检行业开始兴起。 近年来，国家电网公司鼓励各网省公司开展输电线路无人机巡检，并对无人机运用方面也提出了相关的标准和要求 [ 1 ] [ 2 ] 。目前，各网省电力公司普遍在部分线路上开展人工巡检与无人机巡检相结合的模式，包括线路日常巡视、故障点巡视等工作，发挥了明显的效果，但限于各方面存在的问题，无人机巡检输电线路仍处于起步、探索阶段。如何针对现有无人机发展的技术程度、各地空域管理特点、线路特点等现存矛盾问题，如何将各类因素综合分析，制定出合理可行、效果切实的无人机巡检模式，真正发挥无人机辅助人工巡检的作用，仍需要在输电线路运维工作应用中不断地思考与探索。
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user: 2. 无人机应用因素分析 2.1. 运维需求 在输电线路日常巡视中，常常遇到各类问题导致无法开展巡视工作，对无人机巡检存在迫切需求：一是地处高墙大院、孤岛等存在障碍物的设备，巡视人员无法到位巡视；二是在春夏大量绿化植树、树木生产快速的季节，部分线路保护区及周边存在大片高大茂密树林，巡视人员视线被遮挡；三是度夏期间，因大暴雨导致野外道路冲刷严重，导致巡视人员无法开展防汛点检查工作；四是传统带电登检人员限于承载力不足，部分线路存在超期未登检。五是线路故障点位于档距中央导线上表面时，或是异型结构杆塔，人工故障巡视困难。 2.2. 地势地形 北京地区北部、西部以山区地形为主，东部、南部为平原地形。山区架空输电线路占比较小，线路走廊地形以平原为主，地势海拔较低，适合开展无人机巡检。 2.3. 空域管理 北京地区空域管理严格，空域申请批复存在一定困难，通常情况下六环以内禁止飞行，六环外需要严格执行空域申请批复流程后，方可进行无人机巡检作业。因此，主要以六环外地区架空输电线路开展无人机巡检为主。 2.4. 无人机特性 无人机主要有固定翼、旋翼机，由于固定翼无人机对起降场地的尺寸宽度、地面开阔性有着硬性要求，而北京地区大面积的开发建设，人类活动密集，找到满足合适固定翼起降的场地存在较大困难。大中型旋翼机在携带、操作、以及作业风险方面，都不适用于北京地区线路巡检，而小型旋翼机操作方便、机动灵活，对起降场地要求甚少，因此，开展小型旋翼无人机巡检较为合适。 综合分析各类因素，北京主网架空输电线路以开展小型旋翼无人机巡检为主，以六环路以外的线路巡检为主，巡检对象主要为人工巡视无法到位、树线矛盾、故障点核实、防汛点检查、超期未登检线路为主，巡检计划根据实际制定灵活应用，可以是某一基塔、某一个档距，也可是某一条线。
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user: 3. 无人机巡检系统 目前，国网北京检修公司采用FCZ型小型四旋翼无人机开展各类作业，该巡检系统主要由无人机巡检系统平台、地面控制站、运输包装箱以及地面保障设备组成。空中FCZ型小型旋翼无人机巡检系统上装有CCD摄像机、飞控与导航系统、遥控遥测系统、数字电台等；地面设备主要有遥控发射机、导航地面站、数字电台、接收天线等设备。FCZ型小型四旋翼无人机及其主要组成部分如图1所示，FCZ型小型四旋翼无人机技术参数如表1所示。 在技术参数上，该四旋翼无人机具有自动增温、地面控制变焦、续航时间长、抗风能力强等特点，基本满足现场应用需要。 作业人员通过地面站、遥控器设备操控无人机对架空输电线路开展巡检，无人机可搭载高清相机对架空输电线路本体及通道环境拍摄照片及视频，及时发现线路本体缺陷及通道环境隐患。
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user: 4. 无人机技术应用实践 4.1. 人工到位困难的线路巡检 北京地区经济建设不断地快速发展，架空输电线路通道环境日益复杂，线下及周边大量的圈地建设、工程施工等活动造成部分输电线路设备被围圈在高墙大院内，部分杆塔所处位置形成孤岛。无人机巡检 图1. FCZ型小型四旋翼无人机 Table 1 FCZ small four rotor UAV technical parameter 外形尺寸 对角电机轴距105厘米 电池充放电次数 300次 空载起飞重量 9 KG 正常起降风速 ≤6级 最大任务载荷 8 KG 工作/存储温度 −20˚C - +55˚C/−20˚C - +65˚C 续航时间 60分钟 工作湿度 5%~95%无冷凝 抗风能力 10 m/s (距地面两米高，瞬时风速) 有效控制半径 2 km (可扩展为5 km) 飞行高度 4000米(海拔)以下 最大升限 2000米(相对高度) 表1. FCZ型小型四旋翼无人机技术参数 人工到位困难的杆塔主要有地处高墙大院内、孤岛上的线路设备。通过无人机巡检，可拍摄高墙大院内线路通道环境状况，并可以对设备本体查找缺陷，及时获取线路状态信息，巡检结果如图2所示。 4.2. 线路走廊存在大片高大树木的线路巡检 近年来，北京地区园林绿化工程大量实施，部分线路保护区及周边种植大片高大树木，人工沿线路地面巡视时，往往视线受阻，很难判断线路与树木距离，利用无人机可以从空中角度拍摄线下树木整体状态以及与树线之间距离状态，巡检结果如图3所示。无人机巡检可以为线路巡视及树线矛盾治理工作提供参考依据。 4.3. 线路故障点巡检核实 架空输电线路长期在户外，常常在大风天气下会发生异物搭挂导致线路跳闸，当故障放电点在导线档距中央，尤其是故障点在导线上表面，此外，当故障点在横担结构尺寸紧凑或是异型结构的杆塔时，地面人工巡视及人工登检查找故障点都存在困难和风险，此时可用无人机在空中拍摄架空线路故障点照片，为故障查找及故障分析工作提供参考依据。无人机核实故障点巡检结果如图4所示。 4.4. 超期未登检线路巡检 由于承载力的不足，部分输电线路带电登检工作存在超期问题，利用无人机对此类线路杆塔进行精细化巡检，重点巡检塔头部位各类金具、绝缘子、附属设施部件运行状态，及时发现各类塔头部位的缺陷，来弥补人工登检不足，在一定程度减轻了部分承载力。无人机精细化巡检杆塔发现缺陷如图5所示。 图2. 无人机巡检人工到位困难杆塔 图3. 无人机巡检树线矛盾 图4. 无人机核实故障点 图5. 无人机精细化巡检杆塔发现缺陷 图6. 山区线路工程施工无人机放线应用 4.5. 工程施工放线应用 无人机在输电线路巡检工作应用外，在线路架线施工过程中也逐步开始应用。在输电线路施工放线过程中，通常会遇到跨越山谷、铁路、公路等阻碍，传统人工放线成本高、工作量大。放线施工过程中，采用无人机可携带重量轻、轻度高的一级牵引绳来协助完成放线施工，在节省人工劳动力的同时，提高了施工效率。山区线路工程施工无人机放线应用如图6所示。
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user: 5. 结语与展望 无人机作为人工巡检的一种辅助技术手段，应结合地区架空输电线路运维特点进行针对性地应用。本文结合北京地区主网架空输电线路通道环境情况复杂、空域管理严格等特点，以小型旋翼无人机巡检应用为主，主要开展对人工巡视到位困难的杆塔巡检，对树线状态核实巡检，对线路档距中央故障点巡检核实以及超周期未登检杆塔精细化巡检。在一定程度上有效补充了人工巡检的不足，切实发挥了无人极巡检技术的辅助功能。 然而，无人机技术在输电线路中，尤其是在线路运维工作中如何合理且有针对性地应用，还需要线路运维单位在实践中不断地探索，从而制定适合本单位的应用模式。此外，无人机巡检完成后产生大量的图像等巡检资料，如何对拍摄的图片进行批量快速处理分析，仍需要进一步研究。近年来，随着图形智能识别技术的不断发展，无人机巡检智能识别设备缺陷及隐患势必将成为今后应用发展趋势。
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user: 摘 要 采用标准k-ε湍流模型对竖缝式鱼道内部受加墩影响的流场进行二维数值模拟研究。研究的情况分为三种，即不加墩、加墩、改变墩位置，对这三种情况的流场进行数值模拟计算，并应用物理模型试验成果进行对比验证。结果表明：在竖缝式鱼道的主流路径处加墩，可以在一定程度上降低鱼池的流速。 关键词 :竖缝式鱼道，数值模拟，流场 Copyright © 2017 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/
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user: 1. 引言 竖缝式鱼道是指水槽大部分被挡板拦截仅留一条竖缝过鱼的鱼道，其消能效果较充分且能适应水位较大幅度变化。目前，竖缝式鱼道应用广泛，如，北京上庄新闸鱼道 [ 1 ] ，老龙口水利枢纽工程鱼道 [ 2 ] ，西藏狮泉河鱼道等。虽然竖缝式鱼道应用广泛，但存在竖缝附近流速相对较大，不适合我国鱼类游泳能力的问题。 目前国内对竖缝式鱼道的研究日益增多，曹庆磊等分别采用标准k-ε湍流模型和RSM湍流模型对同侧竖缝式鱼道池室内的水流进行数值模拟研究 [ 3 ] ，郭维东等人对不同的相对竖缝宽度在同侧竖缝式鱼道水流流态产生的影响进行数值模拟研究 [ 4 ] ，诸韬等人对双侧竖缝式鱼道的水力特性进行三维数值模拟研究 [ 5 ] ，罗小凤等人对竖缝式鱼道导板的长度及导角大小在鱼道内流场产生的影响进行数值模拟研究 [ 6 ] ，毛熹等人通过模型实验提出了一种鱼道优化的新结构 [ 7 ] ，毛熹等人采用标准k-ε湍流模型对竖缝式鱼道的底孔、坡度在鱼道内流速、流态产生的影响进行数值模拟研究 [ 8 ] 。 本文以竖缝式鱼道为研究对象，采用标准k-ε湍流模型进行数值模拟，研究加墩对水流流态的影响，并利用物理模型试验成果对数值模拟的结果进行验证。
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user: 2. 数学模型 数值模拟主要通过ANSYS软件进行，并简化为二维模型计算。 2.1. 控制方程 采用标准k-ε湍流模型进行数值模拟，该模型的主要控制方程由连续方程、动量方程和k-ε方程组成。 连续方程： (1) 动量方程： (2) k-ε方程： (3) (4) 其中： (5) (6) 式(1)~(6)中：ρ为水体密度，视为常数，1000 kg/m 3 ；p为时均压强，Pa；μ和μ t 分别表示水的分子粘性系数和紊动涡粘系数，m 2 /s；k为紊动能，m 2 /s 2 ；ε为紊动耗散率，m 2 /s 3 ；G为紊动能产生项。σ k 、C 1ε 、C 2ε 均为经验常数常数项，该模型中取 ， ， ， 。 2.2. 求解方法、边界条件和划分网格 采用控制体积法对偏微分方程组进行离散，压力和速度的耦合采用SIMPEL法。计算模拟的进口条件采用速度进口，以试验资料的平均流速作为进口流速，出流采用自由出流，其它为固壁边界，初始流场静止。 网格划分采用以四边形为主的结构化网格(见图1)。时间步长取决于网格的尺寸和流速大小，本文中时间步长取0.002 s。
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user: 3. 数值模拟 根据上述方法建立数学模型，对流量为0.263 L/s的相同工况下，三种不同结构型式的竖缝式鱼道进行了数值计算(见表1)。 鱼道共有4级池室，如图2所示，为便于和物理模型试验结果比较，都选取第3级鱼道池室的结果进行比较。 3.1. 结构型式1的数值计算 鱼道池室长2.4 m，宽2.0 m，高3.2 m。鱼道池室的具体结构尺寸，如图3所示，以下结构型式2和结构型式3的尺寸与1相同。 图1. 局部网格示意图 Table 1 Numerical simulation of three different kinds of structur 工况 结构型式 流量0.263 L/s 1 原始竖缝式鱼道，结构型式不做改变 2 在距离竖缝处0.3 m处加一个0.3 m × 0.3 m的墩 3 在距离竖缝处0.6 m处加一个0.3 m × 0.3 m的墩 表1. 数值模拟的三种结构型式 图2. 鱼道模型整体平面图 图3. 结构型式1的鱼道池室图(单位：米) 对Z = 0.072 m高度的流场进行数值模拟，可以从图4中看出，主流流经竖缝后形成射流，并在主流两侧形成两个比较明显的回流区，回流区的流速很小。鱼道池室内的最大流速为V 1 = 1.05 m/s，平均流速为V 1，av = 0.80 m/s，可以看出最大流速在竖缝处。 3.2. 结构型式2的数值计算 结构型式2、3是在结构型式1的基础上添加墩，结构型式2和结构型式3的区别在于墩的位置不同。添加墩后的平面图如图5所示。 在结构型式2中，墩与竖缝处的距离为0.3 m，具体结构如图6所示。 对Z = 0.072 m高度的流场进行数值模拟，可以从图7中看出，在墩的分流消能作用下，竖缝处及鱼池内的流速减小，竖缝处的最大流速为V 2 = 0.90 m/s，平均流速为V 2，av = 0.46 m/s。主流也被墩分为两条，上面一条路径较长，下面一条路径较短。 3.3. 结构型式3的数值计算 结构型式3的平面图如图8所示，墩与竖缝处的距离为0.6 m。 图4. 结构型式1的数值模拟结果 图5. 添加墩后的鱼道模型平面图 图6. 结构型式2的示意图(单位：米) 对Z = 0.072m高度的流场进行数值模拟，可以从图9中看出，主流被墩分为两条，在墩的分流消能作用下，流速得到一定程度的减小，最大流速为V 3 = 0.86 m/s，最大流速同样出现在竖缝处，竖缝处平均流速为V 3，av = 0.48 m/s。 图7. 结构型式2的数值模拟结果 图8. 结构型式3的示意图(单位：米) 3.4. 数值计算结果分析 结构型式1、2、3的最大流速均出现在竖缝处，最大流速值分别为：V 1 = 1.05 m/s、V 2 = 0.90 m/s、V 3 = 0.86 m/s，平均流速值分别为：V 1，av = 0.80 m/s、V 2，av = 0.46 m/s、V 3，av = 0.48 m/s。简单计算后可知：结构型式2比结构型式1竖缝处流速减小0.34 m/s，减小幅度约为42.5%；结构型式3比结构型式1竖缝处流速减小0.32 m/s，减小幅度约为40%。由此可以得出：结构型式2和结构型式3都可以较大幅度降低竖缝处流速值。结构型式2 (即将墩结构安放在距离竖缝0.3 m处)，减小竖缝处流速值的能力比结构型式3 (即将墩结构安放在距离竖缝0.6 m处)的能力较强。
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user: 4. 模型试验 鱼道模型主体为亚克力板，模型尺寸是在结构型式1、2、3的基础上进行相似原理计算得到的，同样将流量为0.263 L/s的工况进行相似原理计算，得到模型试验的工况。在相同工况下，分别进行结构型式1、2、3的试验，利用旋桨流速仪测量流速，将模型试验测得的数据通过相似原理计算还原为原始模型中的数据，与上节的数值计算结果进行对比。 4.1. 模型实验结果与分析 图10分别为结构型式1、2、3在Z = 0.072 m时池室内的流速分布。 结构型式1的竖缝处平均流速为 ，结构型式2的竖缝处平均流速为 ，结构型式3的竖缝处平均流速为 ，模型实验中的最大流速也是出现在竖缝处。 4.2. 数值模拟计算结果与模型试验结果对比分析 将数值模拟结果与模型试验结果对比：在相同结构型式下，前者的竖缝处平均流速与后者比较接近， 图9. 结构型式3的数值模拟结果 图10. 结构型式1、2、3的流速示意图；(a) 结构型式1的流速示意图；(b) 结构型式2的流速示意图；(c) 结构型式3的流速示意图 对于结构型式1，数值模拟结果 ，模型试验结果 ，两者相差不大；对于结构型式2，数值模拟结果 ，模型试验结果 ，两者十分接近；对于结构型式3，数值模拟结果 ，模型试验结果 ，两者十分接近。数值模拟的流场与模型试验测得的流场在相同结构型式下也比较接近。试验结果较好地验证了数值模拟计算的结果。
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user: 5. 结论 应用标准k-ε湍流模型对鱼道内部受加墩影响的流场进行数值模拟计算，并利用模型试验的结果对数值模拟计算的结果进行了验证，得出如下结论： 1) 竖缝式鱼道池室内的最大流速一般出现在竖缝处。 2) 加墩对竖缝式鱼道内部流场有较大的影响。 3) 加墩可以减小竖缝式鱼道竖缝处和池室内的流速值。 4) 墩的位置会影响其消能、减小流速值的能力。
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user: 摘 要 水利工程的修建阻断了河流的连续性，影响了鱼类的洄游路径，导致某些洄游鱼类种群的灭绝。现阶段国内修建的竖缝式鱼道，缓解了水利工程对水生物的影响，但同时存在一些弊端。对某水电站的竖缝式鱼道进行模型试验，数据显示其竖缝处流速过大，接近鱼类的临界游泳速度，导致鱼类受到损伤，有必要对竖缝式鱼道竖缝口流速进行调整控制。在原竖缝式鱼道的竖缝处添加一个墩结构，增大水的阻力，达到更好的消能效果，通过控制变量法确定墩最佳的位置，分析竖缝式鱼道内部流场受加墩的影响。加墩后的模型相比原结构，其流速减小，水流平缓。 关键词 :竖缝式鱼道，墩，结构，洄游 Copyright © 2017 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/
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user: 1. 引言 水利工程的修建对上下游水生态环境产生了严重的影响，阻断了洄游鱼类的洄游路径，导致某些鱼类种群的灭绝，而鱼道的出现，缓解了水利工程对水生物的影响。鱼道是供鱼类顺利通过大坝的生态补偿工程，世界上常见的鱼道主要有以下3种：旦尼尔式鱼道、池堰式鱼道、竖缝式鱼道 [ 1 ] 。其中现目前应用最广泛的是竖缝式鱼道 [ 2 ] ，但国内对鱼道的修建往往是借鉴国外的经验，国内鱼类不能很好的适应鱼道内的水流流态，特别是竖缝处的流速过大接近鱼类的游泳极限速度，导致过鱼效果并不太理想 [ 3 ] 。以往针对这一问题进行了相关研究，比如毛熹提出具有3级跌坎结构的新型鱼道 [ 4 ] ；胡涛等人通过模型试验研究了多折回通道型鱼道的水力特性 [ 5 ] ；董志勇研究提出了同侧竖缝式鱼道的不足和改进措施 [ 6 ] ；加拿大的Rajaratnam等人对竖缝式鱼道形式进行了模型试验，研究了无量纲流量与鱼道池室中水深之间的关系 [ 7 ] ；法国的Larinier研究了竖缝式鱼道的消能效果，认为各级水池内的单位体积消能率宜小于200 w/m 3 [ 8 ] 。
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user: 2. 试验设备和试验方案 2.1. 试验设备 本试验采用的设备为便捷式流速仪，它采用了特殊的超微功耗设计方案，全数字信号处理技术，使得仪表测量更加稳定可靠，测量精度高，可广泛用于水文、水利、农灌、给排水等需要经常移动测量而且现场又无电源的场合。 2.2. 试验方案 竖缝式鱼道内部流场受加墩影响的模型试验设计两种方案，两种方案只是墩结构的位置发生了变化，其余变量均保持一致。采用控制变量法，使结果更具说服力，并将两种方案的测量数据，与在未加墩的原始模型中测得的数据进行对比，得到最佳墩结构的位置。 本文以某水电站鱼道为原型，将模型实验和理论分析相结合，采用重力相似准则 [ 9 ] 以1:6的比尺建立鱼道模型，分别依据加墩前和两种改进方案的鱼池中主流路径和回流路径的走向，布设测点。并用小威龙依次对各测点进行测量。最终将所得的数据进行分析整理，对比两个方案和原始鱼道模型流速的变化，得出结论。
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user: 3. 原始鱼道模型试验 实验以某水电站为原型，其具体的尺寸及形状如图1(a)所示(单位：m)，用1:6的比例进行缩放，则模型的尺寸示意图如图1(b)所示(单位：m)。本试验取中间四个水池为研究对象。 图2是原始鱼道的模型第三级水池的流速试图。 图2中各测点的分布如下：测点(1)至(9)布置在主流上，测点(10)到(15)，测点(16)到(18)分别布置在两个旋涡上。 表1为图2中各测点位置的流速(单位：m/s)。由于篇幅原因，只列出第三级水池的实验数据，另外本文所有数据已通过相似原理 [ 9 ] 把模型中的所有实测资料还原成原型。 图1. (a)鱼道尺寸示意图；(b)鱼道模型尺寸示意图 图2. 原始鱼道流速图 Table 1 Velocity of Figure 测点编号 对应流速(单位：m·s −1 ) (1) 0.55 (2) 0.77 (3) 0.51 (4) 0.52 (5) 0.53 (6) 0.46 (7) 0.50 (8) 0.49 (9) 0.31 (10) 0.19 (11) 0.12 (12) 0.21 (13) 0.12 (14) 0.09 (15) 0.10 (16) 0.10 (17) 0.19 (18) 0.14 主流测点(1)~(9)的平均流速 0.52 表1. 图2中测点位置的流速 水流通过竖缝口，根据水流的连续性方程：Q = V·A，速度增大，然后断面扩大，流速减少，由于壁的阻挡作用，主流两侧形成大小不一的旋涡，随后主流流入下一级水流，以同样的形式进行运动。
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user: 4. 优化设计方案 由试验分析可知，原始鱼道的消能主要是通过竖缝处的束窄作用，形成较大的旋涡，达到消能的目的，但消能设施的数量较少，消能效果并不太明显，导致鱼道中的流速过大，从图2来看，原始鱼道中产生的旋涡范围较大，使得水流流态比较紊乱。本文通过在竖缝处附近增加墩结构，使消能更充分。墩结构的不同位置对流速的影响也有较大的不同，所以针对墩结构的位置设计两种不同的方案，分别将主流路径最高点处(方案一)和墩结构放置在竖缝口处(方案二)，测量主流流速的变化。 4.1. 方案一模型试验 方案一将墩结构布置在主流路径最高点处。 图3为方案一鱼道模型第三级水池的流速图。 图3中各测点的分布图如下，测点(1)至(13)布置在主流1上，测点(14)至(20)布置在主流2上，测点(21)至(24)，测点(25)至(28)、测点(29)至(32)分别布置在三个旋涡上。 表2给出了图3中各测点位置的流速(流速单位为m/s)。 4.2. 方案二模型实验 方案二将墩结构布置在竖缝口处。 图4为方案二鱼道模型第三级水池的流速图。 图4中各测点的分布如下：测点(1)至(12)布置在主流1上，测点(13)至(18)布置在主流2上，测点(19)至(20)，测点(21)至(25)分别布置在两个旋涡上。 表3给出了图4中各测点位置的流速(流速单位为m/s)。