DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 3. 西南河流水库泥沙淤积的成因与危害 水库的修建，主要用于防洪、灌溉、供水，兼顾发电、通航、旅游之用 [ 7 ]。但不可避免的是，水库在修建后将面临泥沙淤积的问题，区别于泥沙淤积量的多少 [ 8 ]。在研究西南河流水库泥沙问题前，需要指出西南地区河流中泥沙除上游来沙外，还有相当部分是来自当地河流对两岸的冲刷侵蚀以及降雨时雨水对地表土壤和岩石的冲刷搬运 [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]。为了更好地研究如何对西南河流水库中的泥沙进行有效管理，有必要先来了解一下近些年来西南地区云南、贵州、四川三省的降雨量情况以及水土流失状况(见表1)。 Table 1 Rainfall in three provinces (data comes from the 2010~2018 Water Resources Bulletin of the Water Resources Departments of Yunnan， Guizhou， and Sichuan Provinces) [ 12 ] [ 13 ] [14 2010~2018年云南、贵州、四川三省降水量情况 省份 年份(年) 年平均降水量(毫米) 折合总降水量(亿立方米) 云南省 2010 1185 4541 2011 985 3775 2012 1090.1 4177 2013 1190.1 4561 2014 1143.4 4382 2015 1239.8 4751 2016 1295.9 4966 2017 1351.5 5179 2018 1337.5 5125 平均降水量 1202.033333 4606.333333 贵州省 2011 820.6 1445.6 2012 1171.1 1967.9 2013 981.9 1729.9 2014 1273.3 2243.05 2015 1256.2 2212.92 2016 1213.3 2120.12 2017 1175.3 2070.42 2018 1162.9 2048.7 平均降水量 1131.825 1979.82625 四川省 2010 943.4 4568.25 2011 890.9 4314.06 2012 1033.2 5003.09 2013 1041.6 5044.09 2014 926.1 4484.46 2015 894.6 4332.25 2016 921.31 4461.45 2017 941.35 4558.49 2018 1051.92 5093.93 平均降水量 960.4866667 4651.118889 表1. 三省降雨量(数据来源于云南、贵州、四川三省水利厅2010~2018年水资源公报) [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] 由上面数据可知，在2010~2018年云南、贵州、四川三省降水量如果按照降水量800毫米以上的则定义为湿润地区来看，三省近十年的降水量均在800毫米以上，属于降水量丰沛地区。尤其在雨季，降水量更是集中，丰沛的降水量使得雨水对地表土壤岩石的冲刷力度加强，加之洪水频发，使得在雨季水流将携带更多的泥沙进入河流中 [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]。根据中华人民共和国水利部发布的2018~2019年全国水土保持公报显示(见表2)，在2018~2019年云南、贵州、四川三省水土流失量相比较对应各省的土地总面积来说依旧严重。 Table 2 Soil erosion in the three provinces (data from the 2018~2019 Soil and Water Conservation Bulletin of the Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China) [ 15 ] [16 云南、贵州、四川三省2018~2019年水土流失情况 年份(年) 省份 水土流失面积(平方千米) 占土地总面积比例(%) 各级强度水土流失面积比例 轻度 中度 重度 面积 (平方千米) 比例(%) 面积 (平方千米) 比例(%) 面积 (平方千米) 比例(%) 2018 云南 103，390 26.24 63，299 61.22 15，619 15.11 24，472 23.67 贵州 48，268 27.4 29，115 60.32 8442 17.49 10，711 22.19 四川 112，946 22.97 78，820 69.78 15，583 13.8 18，543 16.42 2019 云南 102，136 25.92 68，797 67.36 13，608 13.32 19，731 19.32 贵州 47，705 27.08 30，809 64.58 7731 16.21 9165 19.21 四川 111，040 22.58 79，446 71.55 15，612 14.06 15，982 14.39 表2. 三省水土流失情况(数据来源于中华人民共和国水利部2018~2019年水土保持公报) [ 15 ] [ 16 ] 文献资料显示云南省境内澜沧江流域在1997年土壤侵蚀面积为25，746.59 km 2 ，土壤侵蚀为28.60%，年输沙量为8460万t [ 17 ]；根据2006年文献资料显示，云南省境内金沙江流域水土流失面积达到4万多km 2 ，每年输沙量高达26亿t [ 18 ]。虽然近些年来当地政府加大了水土流失整治力度，但水土流失依然是导致河流含沙量高的主要原因。根据我国水利部2019年水土保持公报数据显示来看，在2019年西南诸河流域水土流失面积高达124，677平方千米，占西南地区诸河流域总面积的14.61%，从中不难看出西南地区因水土流失进入河流中的泥沙含量是多么的惊人。 泥沙在水库中大量淤积(见图1)，当淤积量超过水库的死水位所能容纳的极限后，势必会减少水库的有效库容 [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]，将直接导致水库蓄水量减少，无论水库是用来发电、灌溉、还是饮用水源，都将受到不同程度的影响，水库的经济效益和社会效益也随之受到不同程度的影响。由于水中含有大量泥沙，高含沙水流对库内的水工建筑和电站设备的磨损是不可忽视的，长此以往必会使得水库寿命减少，严重的甚至会导致水库功能丧失，面临拆除或大改建的风险，如我国三门峡水库在上世纪60年代就因泥沙淤积严重而被迫进行改建 [ 7 ]。高含沙水流对电站水轮机的运作也是一个棘手问题，因为高含沙水流会严重腐蚀水轮机表面，加速水轮机的破坏，减少其使用寿命，而更换和维修都会给水库经济效益带来极大损失 [ 10 ] [ 14 ]。其次，由于泥沙淤积在水库库底，使得水库蓄水量减少，在旱季的时候，水库的供水不足，人们的日常生产生活和两岸工农业用水将会受到不同程度的影响，情况严重时两岸工农业生产还将可能受到灾难性的打击；若泥沙的淤积持续到水库库尾，势必导致库尾河床抬升，加大了水库上游沿岸土地被淹没的风险；泥沙淤积还将导致水深降低，对航运来说也存在着一定的影响 [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]。 图1. 泥沙在水库中的淤积过程
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user: 4. 河流水库泥沙管理方式 虽然到现在泥沙淤积对于水库正常发挥各种效益来说仍然是一个棘手的问题，但经过国内外历代水利工程师们的不断总结探索，在泥沙管理问题上取得了很多关键性的技术突破和理论进展(见图2)，这些理论和技术上的突破对延长水库的使用寿命和确保水库持续发挥效益起着至关重要的作用。下面本文在简要介绍各种泥沙管理方式的过程中将深入思考能否通过一定的改进使得排沙效果更好、更加经济合理，以及思考泥沙作为一种自然资源如何更好地实现其从收集到利用这一途径，从而降低水库泥沙淤积和排沙过程中对生态环境以及人们正常生产生活的影响，为我国西南地区水库泥沙管理提供一些切实可行的参考方案，在解决西南地区水库泥沙淤积问题的同时加强对当地生态环境的保护。 4.1. 排沙冲沙出库 4.1.1. 滞洪排沙 即当洪水在水库中臃积时，利用洪水带来的巨大水量，此时水库中仍然会保持一定的径流流速，洪水流经水库时将会带动淤积在库底淤积的细颗粒泥沙，在水库开闸泄洪时使之随着洪水径流一同排出水库，以此达到清理库底淤积泥沙的目的 [ 7 ] [ 19 ] - [ 27 ]。这种排沙方式的前提是水库所在的流域一年中会有持续一段时间的洪水，保证有足够的水量来冲刷库底沉积的泥沙。其次采用这种排沙方式将会使得在水量充足的条件下放弃发电，对于以发电为主的水库，其发电效益将受到一定的损失，这时水电站就需要衡量排沙和发电对电站的经济影响，综合考虑下决定是否需要在汛期水量充足的情况下采用这种排沙方式排沙。 图2. 目前国内外常用的水库泥沙治理方式 4.1.2. 蓄清排浑 蓄清排浑又称泄空排沙，这种方式实际上利用了在放空过程中水流的势能转化为动能的原理。具体过程是将水库内蓄积的水放空，利用开闸放水这一过程中水流的冲击作用和携带力不断冲刷淤积在水库底部的泥沙，使得淤积的泥沙跟随水流一起排出库内 [ 7 ] [ 22 ] - [ 30 ]。特别是当水库内蓄积的水量快要放完时，所产生的冲刷力和携带力更是巨大，如果利用好这个机会将尽可能地把水库内淤积的泥沙大量排出，以此达到清理水库泥沙的目的 [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]。采用这种排沙方式同样面临着需要在排沙和发电效益上有所取舍，并且要选取合适的排沙时机，因为这种排沙方式将会使得水库内蓄积的水量短时间内排空，如果后续来水量偏小，水库短期内蓄积的水不够用来发电，这就可能造成水库的发电效益受到更多损失。与此同时，需要注意的是当采用这种方式排出泥沙时，库内淤积的大量泥沙将瞬间被冲出库区集中进入下游河道，这将导致下游水流含沙量剧增，给下游河流中很多生物带来不同程度的影响，且泥沙大量淤积在下游河区也会造成下游水位抬升，沿岸河床及岸边的工农业生产也会有淹没的风险。 4.1.3. 异重流排沙 相比较前两种排沙方式，异重流排沙则是一种比较特殊的水库排沙方式，是利用两种不同密度的流体混合形成流动浊流这一原理来进行排沙 [ 31 ]。大多情况下异重流排沙一般是在含沙量高的浑水中引入清水，形成流动的不下沉浊流；特殊情况下还可能形成冲刷式异重流，即水库水位很低且冲刷力较大时，底部泥沙与清水混合，也有可能形成异重流 [ 7 ]。当异重流克服了清水和水库的阻力，到达坝前时水库要及时开闸，将含有大量泥沙的浑水排出水库，以此达到清理水库淤积泥沙的目的。但采用异重流方式排沙需要注意的是，异重流排沙时出水口不能过高，否则就算异重流能够到达坝前也会因出水口过高而排不出去 [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]。 4.2. 机械清淤 挖沙船、自吸式管道排沙 采用机械清淤这种方式，最早起于北宋时期用于治理黄河泥沙问题，在这之前主要是用人工的方式深掏淤积泥沙，早期都江堰就是采用人工淘沙的方式清理淤积的泥沙 [ 7 ]。发展到今天，机械清淤大多利用挖沙船，自吸式管道排沙等方式挖出水库内淤积的泥沙，挖沙船的工作原理在这里就不做具体介绍，但需要指出，挖沙船清除水库淤积泥沙受限于水位的深度。大多都是在库尾水深较浅的地方挖出泥沙，已知目前我国自主研发且在国际上都处于领先地位的天鲲号最大作业深度仅为35米深，远远无法满足当下水库的排沙深度。由此可见目前挖沙船在我国水库泥沙清理时只能用在库尾等水深较浅的地方，而对于水库深处则需采用自吸式管道排沙方式来清除泥沙。 自吸式管道排沙原理比较简单，利用大坝可用水头的作用，通过巨大的吸力将水库深处的泥沙吸出，从而达到清理水库深处淤积的泥沙 [ 18 ]。由于这种排沙方式不需要放空水库蓄水且排沙过程不会造成太多水资源浪费，因此这种排沙方式多用于水资源比较宝贵、缺水地区的水库泥沙处理问题上 [ 27 ]。相比较排沙冲沙的方式，采用这种方式既能有效清理水库淤积泥沙、避免大量泥沙排入水库下游对下游生态环境造成不利影响外，还能将泥沙作为一种自然资源收集起来。值得一提的是，现阶段对河流泥沙的利用大多分为淤泥造地与土地改良、建筑材料以及用来制作一些工艺品，在最大程度上充分利用了收集到的泥沙 [ 35 ] - [ 42 ]。 4.3. 减少或延缓泥沙入库 拦沙坝与上游沿岸水土保持 减少或延缓泥沙入库通常是在水库上游修建拦沙坝或淤泥坝，提前把河流中的泥沙拦截下来，从而减少进入水库中的泥沙量 [ 29 ]。提前在水库上游修建拦沙坝或淤泥坝，可以有效地减少泥沙进入水库，对水库发挥正常经济效益和社会效益具有很大的帮助。但此处需要注意的是，在上游修建拦沙坝虽然能够很好解决水库泥沙淤积问题，但拦沙坝成功拦沙后同样面临泥沙清理的问题，并且清理拦沙坝内淤积的泥沙方式大多只能选择机械排沙或修建拦沙坝时设计一根管道，直接将拦沙坝中淤积的泥沙通过管道排入水库下游 [ 22 ]。 通过上游沿岸进行水土保持治理来减少或延缓泥沙进入河流水库，这将从根本上解决河流水库泥沙淤积的问题，且能够长期有效地发挥减少泥沙进入河流水库的作用。在我国西南很多地区土地贫瘠，土地荒漠化和石漠化严重，这就意味着实现上游沿岸水土保持治理这一目标将需要巨大的金钱和时间的投入、且治理周期长，但从长远经济效益和生态环境保护角度来看，这种方式无疑是最正确合理的，因为只有从根源上彻底解决泥沙的产生，才能长久地实现河流水库泥沙问题的有效治理 [ 43 ]。 4.4. 绕道排沙 旁路排沙、绕导排沙 采用旁路排沙方式对水库泥沙进行管理，主要是由堰、泄水口、进行口、导水隧道四个部分组成，这种方法曾经在日本Asahi水库管理泥沙过程中取得成功，实现了将浑水持续时间从50天减少到7天 [ 44 ]。这种方式主要是在水库旁修建进水口以及导水隧道，将高含沙水流直接通过隧道引入下游河道，从而实现减少水库泥沙淤积的目的 [ 44 ]。而对于绕导排沙，则是在水库上游修建一个蓄水长弯道，将高含沙水流蓄积在该弯道内，同时在弯道和水库上游末端修建一系列泄洪闸，当发生大洪水时，关闭闸门，则洪水携带的泥沙将绕开水库下泄进入下游河道，以此达到减少入库泥沙含量，确保水库的长期稳定运行 [ 6 ] [ 7 ]。这种方案在南非境内的Nagle水库管理泥沙上取得了很大的成功，使得该水库运行几十年后库内淤积的泥沙含量保持在很低的水平。基于我国西南地区河流的实际情况，这种排沙方式在西南地区的泥沙治理过程中将大有可为，因为西南地区来沙量主要集中在汛期，如果在汛期能够将上游来沙中的大部分排到水库下游，则将在很大程度上节约库区排沙的成本和难度。但需要注意的是，这种排沙方式需要在水库修建的同时修建蓄水长弯道。
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user: 5. 不同排沙方式对我国西南库区治沙的思考 总的来说，不同的排沙方式对于泥沙治理都能起到一定的作用，但是从节约成本和环境保护以及治理效果角度出发，针对不同库区的实际情况采用合适的排沙方式是非常必要的。 1) 首先，从排沙经济成本角度考虑。在上面的排沙方式中，采用排沙冲沙出库和绕道排沙方式清除水库淤积泥沙无疑是相当经济方便的，而且我国西南地区水流湍急、水量充沛，特别在降雨集中季节常常产生洪水，这就为排沙提供了有利的先天条件 [ 3 ] [ 4 ]。而采用机械清淤和减缓泥沙入库排沙方式成本高、耗时长，短期难以见效，且由于我国西南地区很多水库都修建在地势陡峭、远离人群居住的地方，这就导致收集的泥沙可能没有足够的地点堆积，并且运输出去比较困难，甚至可能会出现运沙的成本高于泥沙作为资源的经济效益 [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]。因此，对于汛期来水来沙较集中的库区从排沙经济成本角度出发是可以考虑采用排沙冲沙出库和绕道排沙两种方式。但如果对于泥沙资源化利用需求较大，需要将泥沙暂时淤积在库内留待后期开发利用时，在综合考虑后期采用机械清淤的排沙成本、泥沙资源化利用效益，以及水库发电效益的情况下将泥沙暂时留存在库内。 2) 其次，从环境保护角度出发。采用机械清淤治理泥沙时由于大量泥沙被人为开采利用，使得进入下游水流中含沙量较低，这就可能导致下泄水流对下游沿岸土地植被的冲刷力度加大，使得下游河道出现坍塌，从而影响到下游生态环境以及人们的正常生产生活 [ 21 ] [ 34 ]。当泥沙在库内大量淤积时将会抬升水库水位，使得水库上游沿岸土地植被面临被淹没的风险。而如果是采用排沙冲沙或绕道排沙方式时，由于排入下游的水流中含有大量泥沙，高含沙水流进入下游河道后更容易在沿岸起伏不平的区域流速降低，水流中的部分泥沙则随机在沿线两岸沉降或堆积起来，最终的结果是下游水位不断抬升，沿岸两边的部分土地植被将直接被淹没；并且上涨的水位也将给岸边的工农业生产、交通枢纽等带来灾难；水中的细颗粒泥沙还会覆盖在鱼类的表面，给鱼类正常生活带来不利影响，严重的甚至会导致鱼类死亡 [ 35 ] [ 36 ]。相比较于其他的排沙方式，从流域环境保护的角度来看，采用减少或延缓泥沙入库方式治沙将是非常明智的，因为这种方式通过对流域水土流失问题进行治理从而在源头减少了泥沙的产生量，对水库上、下游生态环境的调控将发挥极大的作用，且能长久稳定地发挥治沙效益。 3) 最后，从治沙效果来看。每种排沙方式都能实现一定的排沙效果，但从泥沙产生来源与成因来看，采用减少或延缓泥沙入库将是从源头对泥沙的产生进行控制，治沙效果最为显著。而相比较从源头治理泥沙来说，机械清淤、排沙冲沙出库以及绕道排沙在针对不同类型的水库实际情况来说都能发挥出不错的治沙效果，唯一不足的在于一直都是被动排沙、被动治理，对泥沙治理问题都只是治标不治本，难以完全从根源上消除泥沙淤积对河流水库的影响。 综合治沙成本、环境保护以及治沙效果来看，上述几种排沙方式各有利弊，针对不同水库在选择合适的治沙方式时，可以通过权衡上述三个观点选择出适合水库的排沙方式，但也不要局限于某一种排沙方式，也可以结合库区实际情况考虑多方式联合排沙。总的来看，我国西南地区降水量充沛，在雨季多发洪水，强降雨频发，因此洪水和强降雨对我国西南地表土壤和岩石的冲刷搬运是造成当地河流含沙量高的主要原因之一 [ 8 ] [ 43 ]。加之人们在流域两岸的经济活动过于频繁，使得两岸土壤植被破坏严重，从而导致流域两岸的水土流失严重，加大了河流水库中的泥沙含量。因此，西南地区水库在进行泥沙治理问题时，不管是采用何种治沙方式，都应该积极结合减少泥沙入库这种泥沙治本的方式，重点围绕水库上游水土流失严重的区域进行水土保持治理。积极做到合理放牧、减少对土地资源的过度开垦，并加大退耕还林还草、加强河流沿岸植被土壤保护等措施的力度，来减少土壤岩石的流失，从而降低河流水库中泥沙的含量。虽然实现这个过程需要投入更多成本、花费更多时间、且短期难以见效，还需多方配合，综合实现难度较大，但从长远效益来看，这种方式无疑是对泥沙进行管理控制最正确合理的。采用其他方式治理水库淤积泥沙都只是暂时的措施，治标不治本，并不能从根本上解决水库泥沙淤积的问题，最多不过是重复进行同一个排沙过程而已，长此以往下去必将导致排沙难度越来越大，成本越来越高，对水库上下游生态环境影响越来越严重。
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user: 6. 关于水库泥沙管理的新思考 以上分别列举了当下国内外水库泥沙治理中应用比较多的几种处理方式，也分别讨论了几种排沙方式的优缺点和所需注意之处。但通过对几种常用排沙方式的对比，本文认为上面这些排沙方式或许还有一些地方可以进行改进。比如采用排沙冲沙出库方式排出泥沙时，上文提到泥沙大量进入水库下游将会对下游河中动植物及两岸工农业生产以及人们的正常生活造成影响；但如果下游河道缺少泥沙，也会导致河流对两岸的冲刷力度加大，引起河道坍塌，同样对沿岸工农业生产带来不利影响，并且还将加大流域两岸的险情 [ 21 ] [ 43 ]。基于以上两方面的影响，本文认为是否可以考虑在排沙过程中通过一些技术上的创新将这些泥沙一部分收集起来，一方面可以减少过量泥沙对水库下游人们生产生活以及对生态环境的影响，同时适量的泥沙排入下游也有利于下游河道的稳定，并且收集到的泥沙还可作为一种自然资源，充分发挥其各种效益。 而对于机械清淤，除了继续研发挖沙船的工作水位深度外，在采用自吸式管道排沙时，因为淤积在库底的泥沙颗粒有大有小，而且泥沙本身具有粘性，大量泥沙粘结沉积在库底，使得采用自吸式管道清除泥沙时难以将其完全清除，而且大颗粒的泥沙还可能堵住吸口，影响排沙效率。因此，为了避免上面的情况，是否可以尝试在水库修建的时候提前在泥沙沉积的区域安装一些振动器，在采用自吸式管道排沙时启动振动器，使得粘结的泥沙松散并分离粗细泥沙颗粒，这样既能充分排出水库内淤积的泥沙又能加快排沙效率。除此之外，在水库库底提前安装振动器除了对机械清淤有帮助外，在采用排沙冲沙出库方式清理泥沙时，启动振动器还能提前将淤积粘结在一起的泥沙分散开来，加速了排沙的过程和排沙的效率，如果振动效果好的话甚至都不需要将水库中蓄积的水量放空，实现既排沙又节约水资源的目的。 最后，收集到的泥沙则可以用来淤地或土地改良、建筑材料、制作工艺品等，例如可用为水库维修的原材料或支持当地基础设施建设，还可用来制作陶瓷、建筑用砖等 [ 37 ] - [ 42 ]。此外，粗颗粒泥沙优良的渗水性还可用来构建海绵城市，节约其他材料的同时也对城市建设做出相应贡献，在最大程度上发挥水库淤积泥沙的自然资源价值。
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user: 7. 结论 总的来看，上述几种泥沙治理方式各有长处，针对我国西南地区河流水库泥沙淤积的治理都能发挥相应的作用，区别于泥沙清理的效果、治沙的成本、对人们生产生活的影响以及对社会经济和生态环境可持续发展的影响。因此，基于现有排沙方式、排沙成本以及排沙过程中对水库上下游工农业生产和生态环境的影响，要实现对西南地区河流水库泥沙的有效管理，应重点做到以下几点。 1) 采用多方式联合治沙。从目前全球水库大坝治沙现状来看，单独采用某一种治沙方式难以真正实现对河流水库泥沙进行有效管理，往往需要从多方面进行协调才能更好地管理河流水库泥沙。在我国西南地区河流水库泥沙管理过程中，从长远经济效益和社会效益来看，保护上游土壤植被必然是泥沙管理的根本之策，同时也是流域两岸生态环境及水库可持续发展的必然之路，这个过程虽然综合实现难度较大，但却是功在当代利在千秋之举，这也是本文极为推崇的水库泥沙治理措施。而其它几种治沙方式对于河流水库泥沙管理来说虽然是治标不治本的措施，但如果能够将泥沙收集起来充分发挥其作为自然资源的价值，也能在很大程度上挽回上游水土流失的部分损失，降低因修建水库给生态环境带来的不利影响。因此，针对目前我国水库泥沙的现状，当被迫采用排沙冲沙出库、机械清淤、绕道排沙方式治理水库淤积泥沙时，应该加强流域两岸土壤植被的保护力度，采用多方法协同治理和多部门协调配合的方式，制定综合有效的治沙策略，并把水库泥沙淤积治理主动化。 2) 泥沙变废为宝的收集利用。当下不同以往，资源短缺是整个社会面临的一大问题，泥沙对于水库发挥效益来说确实是一个巨大的危害，但泥沙本身也是一种自然资源，基于这点，泥沙治理也应从原先的被动排沙到主动收集。随着我国多年对泥沙用途的研究探索，现阶段对收集到的泥沙有了很多利用渠道：① 最直接的是把泥沙用来淤地或土地改良，修复水土流失严重的裸露地表；② 收集到的泥沙还可用作水库自身维修改建的原材料，或经过简单筛分后将粗颗粒泥沙直接用于建筑工程材料，细颗粒泥沙则可以用于制作环保材料、陶瓷等工艺品；③ 还有就是如上文提到的方式，利用粗颗粒泥沙优良的渗水性将其利用到海绵城市的建设中来。 3) 治理泥沙过程中注重加强对当地生态环境的保护。在河流水库泥沙治理过程中，应当做到既要金山银山、又要绿水青山，毫无疑问生态环境将是我们今后可持续发展的基石，因此在泥沙治理过程中应当加强对当地生态环境的保护。前面提到的一些治沙方式，有些不可避免地会对当地生态环境带来一些不利的影响，区别于对生态环境影响的程度大小。因此，不管是从源头治理还是被迫治理水库淤积的泥沙，西南地区河流水库泥沙治理中都要积极思考如何实现泥沙治理利用主动化、拓宽对泥沙资源的利用渠道，并在这个过程中时刻注重加强对当地生态环境的保护，因为这将在很大程度上挽回泥沙对河流水库和生态环境所带来的各种损失、节约其他自然资源，并且还能降低因修建水库给河流两岸生态环境造成破坏的影响。
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user: 摘要 为使用户获得更好的感知体验，探索了一种融入用户体验的产品造型设计的方法，提升用户对耳温枪外观造型的感性需求认可。本文以感性需求分析和眼动追踪实验相结合的方法挖掘用户对耳温枪产品形象的感性认知，通过用户感性需求评价分析、眼动追踪试验进行量化对比分析。获取代表性感性意象词汇与耳温枪造型特征之间的映射关系，以用户需求导向进行耳温枪产品形态实例设计。结合眼动实验获取的用户眼动指标进行分析并运用计算机辅助设计实践，验证基于眼动测试耳温枪造型设计方法具有较高可行性，为相关企业与设计师提供产品开发方向。
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user: 1. 引言 产品感性设计是一种以消费者的意象优先考虑的产品开发技术，一种将消费者对于产品所产生的感性或意象转化为新产品设计要素的产品设计技术，并持续发展与优化 [ 1 ]。感性设计研究一直在不断推进，涉及从产品造型、建筑设计、服装设计到人机交互、网页制作、包装设计等方面。相关研究方法也一直不断跟进，如学者Djatna [ 2 ] 等人将模糊数量化理论I进行了感性空间的构建，进行产品开发。赵艳华 [ 3 ] 等人通过语义区分法与语义变量来获取目标产品的感性相关数据，用数据统计归纳用户需求，进行感性设计。还有通过相关设备以更好的获取用户感知情况，如眼动仪相关研究中，孙元 [ 4 ] 等人提出了一种基于眼动仪生理测量数据和FAHP的产品美学风格评价方法。将造型元素对审美偏好的优先权重计算与模糊算法进一步结合，以基于生理测量结果建立对商品审美偏好的更准确评估。陈友庆 [ 5 ] 等人认为眼动追踪技术是目前研究平面广告心理影响的有效方法之一，它可以有效地揭示各种元素和平面广告组合对受众注意力的影响，通过结合眼动实验和用户的心理感受来修复平面广告进行了总结并应用。在脑电波仪相关研究中，陈洋 [ 6 ] 等将眼动与脑电结合，从苗银耳饰样本中提炼出符合用户认知偏好的苗银耳饰样本，以辅助苗银耳饰产品创新设计。冯毅雄 [ 7 ] 等对以性能为导向的定制产品进行了深入研究，将感知图像评估方法结合脑电运用到产品研究中，并使用EEG收集用户的感知图像信号，将其用作验证产品性能的主要依据。 众多学者在用户感知设计研究中提出了许多的研究方法，有些研究通过研究设计过程进行改进，有的从设计方法出发，对整个设计进行了评价，这些对于用户感知设计研究都具有一定的意义。 当下，由于技术不断发展、保健意识的不断提高、水俣公约对含汞类产品的限制及新型冠状病毒肺炎的传播等，各类新型电子体温计迅速进入用户生活，相关产品所带给用户的感知体验提升需要得到重视。本文运用感性认知理论与眼动追踪实验相结合，以耳温枪为研究对象，将用户感性认知需求作为研究线索，借助眼动追踪技术进行用户体验测试，进行定性定量分析，建立耳温枪造型特征的映射关系，获取影响用户感性意象造型特征，指导耳温枪造型创新设计，以此提供一种新的设计思路。
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user: 2. 研究流程 本文研究流程图如图1所示： 图1. 流程图
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user: 3. 样本及感性词汇挑选 3.1. 图片样本筛选 在国内外网站上广泛搜集耳温枪样本图片，搜集时以适应研究、产品造型多样化和图片角度适宜为原则，共搜集到图片样本200个，并使用图片处理软件进行商标等干扰因素去除。再根据产品给人的第一印象进行了大概造型分类，最终保留了50个样本图片。为进一步精选样本，组织研究小组(工业设计工程与设计学专业学生，男女各10名)对剩余50个样本图片进行分类，共10类，根据分类结果由公式1-1描述相似情况，其中Y代表两图片相似情况，N代表两样本出现在同一类中的次数，W代表同一样本出现在同一类中的次数。根据相似情况，最终选出10个样本见图2。 图2. 代表性样本图片 3.2. 感知词汇的筛选 从相关研究文献与研究资料中大量搜集感性词汇，搜集到适合词汇160个，为方便筛选，将消极词汇去除，然后经过研究小组分类、归纳后得到了50个感性词汇，为将50对感性词汇对进一步精确，采用KJ (KJ-Technique)法进行词汇的萃取，经过萃取最终获得5个感性词汇分别安全稳定、创新美观、大气现代、科技精密、整体紧凑，为了更有利于后期研究，对其进行反义词汇配对，配对情况如表1所示。 Table 1 Target vocabular 目标词汇 安全稳定——危险冲突 创新美观——平淡丑陋 大气现代——拘谨传统 科技精密——落后粗劣 整体紧凑——分离松散 表1. 目标词汇配对 3.3. 造型感性意象评价 将上述筛选出的10个代表性图片样本与6组感性意象词汇作为评价实验素材，共挑选了50名测试者(工业设计本科生与研究生)，测试者通过自己主观感受进行评价。实验以问卷形式展开，采用语义区分法(Semantic Differential， SD)中7阶量表对感性词汇进行程度分级，一共7阶，−3~3，0为中性，代表无特别感受，−3和3分别对应量表两端，代表感受程度为最弱和最强。将问卷结果整理后得到意象评价平均值，见表2。 Table 2 Image evaluation averag 样本编号 安全稳定—危险冲突 创新美观—平淡丑陋 大气现代—拘谨传统 科技精密—落后粗劣 整体紧凑—分离松散 Sample 1 0.75 1.21 0.12 0.39 1.28 Sample 2 1.91 2.26 0.21 1.51 1.1 Sample 3 −1.8 −1.81 −1.21 −1.51 −1.41 Sample 4 −1.78 −2.61 −2.11 −2.47 −2.5 Sample 5 1.05 0.51 2.48 0.21 0.29 Sample 6 −1.32 −1.03 −1.19 −1.5 −0.84 Sample 7 0.81 1.31 2.29 −1.26 0.81 Sample 8 2.13 2.04 1.17 2.49 2.05 Sample 9 −1.11 −0.6 1.15 −1.81 −1.1 Sample 10 −0.27 −0.82 −0.6 0.79 0.86 表2. 意象评价平均值 感性数值为各形容词的偏好，数据为正值代表样本在感性上是偏向于正面的形容词；数据为负代表样本在感性方向上偏向于负面的形容词；通过上述感性意象评价实验所得数据可知，样本8在安全的、科技的、舒缓的、精致的方面表现突出，样本2在柔软的方面表现突出，样本5在轻便的方面更具代表性，样本1在各个方面表现均衡。总体表现为样本8 > 样本2 > 样本5 > 其他样本。
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user: 4. 眼动追踪实验 4.1. 实验设计 心理学上研究表明，视觉能帮助人类获取外界80%信息，并且会对注视事物进行偏好判断，所以通过眼动追踪技术可以有效获取用户心理活动 [ 8 ]。本次眼动追踪实验设备采用德国SMI公司的RED桌面型眼动仪及相关Experiment Center等实验相关数据记录与分析软件。将筛选后得到的10个代表性样本图片使用Photoshop进行去色、背景统一、大小统一等影响因数处理，将样本进行编号，编号为1~10，如图1所示。本次眼动追踪试验共召集到了身体健康且视力正常试验人员20名，并对被试者进行了相关操作指导，以确保实验的顺利进行。 实验共分两个阶段： 第一阶段将10个样本图片导入眼动设备进行单个样本单独观察，共需要观察10个单独样本的实验素材，为的是获取用户关注耳温枪的造型特征区域，被试者在进行眼动校准后对单个样本图片实验素材进行自由观察。 第二阶段是将10样本图片置于同一张图片上作为实验素材进行观察，被试者对10个样本进行自由观察时，以最感兴趣的样本为目标，对样本进行注视。被试者观察结束后实验组织人员跟被试者确认注视原因是否为积极情绪，记录后该被试者眼动实验结束，图为被试者正在进行第二阶段眼动测试。 本次实验观察前每一位被试者均需在测试前进行眼动校准，确保本次实验的合理性与准确性。 4.2. 眼动实验结果分析 根据上述眼动追踪实验，获得了众多眼动指标。包括眼动兴趣区(AOI)、热点图(Heat Map)、凝视时间(Dwell Time [ms])、注视点的数目(Fixation Count)等相关注视指标，首先实验第一阶段，得到了单个耳温枪样本热点图，根据实验目的，对眼动指标进行筛选，在众多眼动指标中，注视点的数目是反应被试者注意分配情况的最佳指标，根据热点图(图3)所示，对耳温枪单个样本兴趣区划分，分别为Z区域、X区域、Y区域，进行运用眼动设备的工作笔记本上BeGaze软件Event Statistics模块将相关眼动指标数据导出后导入SPSS数据分析软件，最后得到表为第一阶段受试者对各样本各区域注视点的数目情况，见表3，绘制堆积图如图4所示。 图3. 单个样本热点图 Table 3 Regional note point statistic 受试者编号 样本1 样本1 样本1 样本1 样本1 Z X Y Z X Y Z X Y Z X Y Z X Y 1 7 5 7 8 9 4 1 5 7 3 2 7 5 7 0 2 1 6 5 5 4 5 5 7 5 6 6 4 10 6 2 3 2 4 6 6 1 6 6 4 4 2 1 2 9 1 5 4 5 4 1 1 4 6 8 1 8 4 4 3 5 5 4 5 4 2 3 2 5 4 4 1 3 1 6 4 5 1 8 6 7 3 2 4 8 7 1 2 2 8 8 5 7 3 9 7 8 7 1 5 9 5 6 4 9 5 2 2 6 4 2 8 9 7 5 7 7 2 7 9 1 2 7 8 9 4 4 9 0 8 4 7 3 8 4 6 7 2 9 9 4 8 7 10 7 5 7 5 2 5 5 7 8 8 3 9 5 8 10 11 4 5 1 1 5 2 10 6 6 6 1 5 3 4 9 12 5 4 5 3 4 10 5 4 6 3 4 5 3 6 5 13 8 6 8 4 8 7 6 3 0 8 5 6 2 3 2 14 1 1 9 2 7 8 8 7 8 5 9 4 7 7 4 15 0 1 11 7 0 2 2 7 4 1 8 3 1 2 7 16 8 2 5 5 2 9 1 5 5 4 3 7 8 7 5 17 5 5 1 4 4 4 8 6 7 6 7 7 5 9 3 18 5 7 3 4 8 9 7 3 7 9 2 5 6 1 9 19 6 9 10 7 6 3 3 1 0 0 2 5 2 5 12 20 2 4 8 9 9 8 4 8 9 6 9 8 1 0 2 Sum 94 95 102 96 105 114 101 96 106 89 98 108 103 91 109 表3. 各区域注视点统计 图4. 各区域注视点数堆积图 根据第一阶段的眼动数据可知，用户在对耳温枪进行观察时，对X、Y、Z区域较为关注，其中Z部区域受到了最多关注，X与Y部区域关注情况相差不大。所以，在对耳温枪造型进行设计时，对其X部区域应重点关注与设计，X、Y部区域为次重点关注设计区域。 第二阶段导出眼动指标为平均注视次数与平均凝视时间/s，眼动实验数据见表4。通过对样本进行观察，挖掘用户兴趣点，进而将样本作为设计参考。 Table 4 Eyes indicator dat 眼动指标 样本1 样本2 样本3 样本4 样本5 样本6 样本7 样本8 样本9 样本10 平均注视次数 4.6 5.8 2.2 2.1 5.5 2.4 4.1 7.1 2.7 3.4 平均凝视时间/s 0.28 0.36 0.18 0.16 0.33 0.21 0.25 0.42 0.19 0.24 表4. 相关眼动指标数据 根据数据可以得到，在注视次数方面，样本8 > 样本2 > 样本 5 > 其它样本；在平均凝视时间方面，样本8 > 样本2 > 样本5 > 其它样本；两个眼动指标结果一致，与前面进行的造型感性意象评价实验结果相符合。根据眼动跟踪技术和认知心理学所知，被试者在自由观察时，对某区域的兴趣越大，对该区域的观察时间越久。通过以上实验结果可知耳温枪代表性意象词汇与关键造型特征之间的映射关系被有效建立，被试者对样本8、样本2和样本5的兴趣明显大于其它样本，样本8、样本2和样本5的耳温枪造型实例特征需被重点学习和设计，第二阶段热点图如图5所示。 图5. 多样本热点图
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user: 5. 耳温枪造型设计开发 通过上述研究，对耳温枪的用户形态偏好进行了挖掘，选择样本8形态进行产品造型创新设计，根据样本8的感性数值与样本8和其他样本造型特征区别，总结出包括整体线条柔软、形态整体性、手持部分曲面饱满与探头跟手持部分的形态融合协调等特征。其他样本在感性形态上面的突出表现也需要被关注。如样本2整体形态给人以强烈柔软感，作为一款入耳式的人体温度检测仪，柔软能给用户带来良好的感知体验与使用体验。同样，样本7是轻便的代表形态，在进行耳温枪造型创新设计时，也可以适当借鉴与参考。基于以上，采用计算机软件辅助进行产品造型实例创新设计，设计采用CINEMA 4D软件进行模型的构建，CINEMA 4D应用广泛，在广告、电影、工业设计等方面都有出色的表现，图6为通过CINEMA 4D建立的三维模型。 图6. 三维模型图 将构建的三维模型导入Keyshot6软件进行效果图渲染，Keyshot是一个互动性的光线追踪与全域光渲染程序，无需复杂的设定即可产生相片般真实的3D渲染影像，最终渲染图如图7所示。 图7. 产品渲染图 为了验证产品设计方案是否满足用户需求，将最终效果图制作为成果样本进行感性意象评价，问卷发放30份，回收有效问卷27份并进行数据统计，得到意象评价平均值，见表5。 Table 5 Eyes indicator dat 感性词汇 意象评价平均值 安全稳定——危险冲突 2.18 创新美观——平淡丑陋 2.55 大气现代——拘谨传统 2.31 科技精密——落后粗劣 2.17 整体紧凑——分离松散 2.23 表5. 相关眼动指标数据 通过意象平均值可知耳温枪产品的设计方案在六组感性词汇中安全的、科技的、舒缓的与精致的方面评分较高，柔软的、轻便的也得到了提升，满足前期总结的设计要求。
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user: 6. 结语 本文针对用户对耳温枪的感性需求，采用眼动测试的方法，将抽象的感性需求量化并作为设计依据，通过眼动追踪挖掘感性意象词汇与耳温枪关键造型特征之间的映射关系，获取了产品造型的感性特征，分析用户感性意象，并以此为指导进行耳温枪造型的创新设计，验证了基于眼动测试的耳温枪造型设计方法的有效性，希望可以为同类产品的造型设计提供一定的参考。
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user: 摘要 我国是世界上煤炭产量和消耗量最大的国家。酸性矿井水是严重的矿区地质环境灾害类型之一，处理酸性矿井水已成为了如今的迫切需求。本文主要阐述了酸性矿井水的形成机制及危害，并论述了酸性矿井水的几种处理方法：中和法，微生物法，人工湿地法以及其他方法(粉煤灰法、赤泥法)，分析了其优缺点，最后总结并展望了酸性矿井水未来的发展方向。
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user: 1. 引言 煤矿酸性矿井水是煤矿开采中由于硫铁矿与空气、水接触。在微生物作用下经过一系列地球化学反应产生的一种危害矿井生产、破坏生态环境的有害矿井排水。煤炭资源开采过程中，地下水流经煤系地层时，由于硫在氧化环境中被氧化溶解于地下水中，使得水中的 SO 4 2 − 含量增高，成为地下水中的主要阴离子，阳离子主要为H + 和Fe 2+ 、Fe 3+ 、Mn 2+ 等金属离子。 酸性矿井水主要指pH < 6的地下矿坑水，它分布很广泛，世界上的几个主要产煤国几乎都存在着严重的酸性矿井水问题 [ 1 ]。酸性矿井水的直接排放不仅浪费了宝贵的水资源，而且还会对环境中的水体、土壤、植物造成污染。因此，如何选择更为经济合理且简单高效的方法处理酸性矿井水，引起了环保工作者与社会的广泛关注。本文就酸性矿井水的形成过程展开阐述，进而论述了酸性矿井水的主要处理技术 [ 2 ]。
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user: 2. 国内外酸性矿井水研究现状 杨鹏民 [ 3 ] 研究了利用轻烧镁粉作为中和剂，处理煤矿酸性矿井水的方法，该法具有缓冲性能好、成本低、沉淀密实的特点，是一种典型的“以废治废”的处理方法。邵武 [ 4 ] 研究表明，用煤矸石作为填料的人工湿地处理系统的运行周期定为10 d左右，使湿地运行能够达到最佳的处理酸性矿井水的效果。Name等 [ 5 ] 利用碱性氧气转炉钢渣净化酸性矿井水，结果表明，对于pH = 2.5，硫酸盐浓度为5000 mg/L，Fe离子浓度为1000 mg/L的模拟酸性矿井水，钢渣能够在30 min内将pH值提高至12.1，并且去除99.7%的可溶性Fe，同时还原75%的硫酸盐。Falayi等 [ 6 ] 利用天然凹凸棒石去除某金矿酸性矿井水中的金属离子，结果表明，凹凸棒石用量为10% (质量比)的条件下，4 h后Cu (II)和Fe (II)的去除率均为100%，Co (II)、Ni (II)和Mn (II)的去除率分别为93%、95%和66%。Szollosi-Mota等 [ 7 ] 采用天然沸石吸附酸性矿井水中的Zn和Mn，结果表明，在静态吸附时沸石对2种重金属的吸附效率分别为97.04%和96.70%，在吸附柱动态吸附条件下，效率为93%和81%。另外，矿物材料同样能够起到调节酸性矿井水pH值的作用。 本文通过概述酸性矿井水的形成机制及危害，对比酸性矿井水多种处理方法，分析其优缺点给出了各种方法的适用条件及提出了现如今国内外较为先进的方法。
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user: 3. 酸性矿井水的形成机制及危害 3.1. 形成机制 酸性矿井水的产生主要是由于黄铁矿FeS 2 的氧化而引起的。黄铁矿的氧化分为化学氧化和生物氧化两个过程，其中生物氧化起着决定性的作用 [ 8 ]。 黄铁矿的氧化过程主要是化学连续氧化过程，具体过程如下 [ 9 ]： 1) 2 FeS 2 + 7 O 2 + 2 H 2 O → 4 H + + 2 Fe 2 + + 4 SO 4 2 − (1) 2) 在含氧气的地下水中，黄铁矿被氧化为FeSO 4 和H 2 SO 4 ，但是FeSO 4 很不稳定，在酸性水中还要进—步氧化。 2 Fe 2 + + 1 / 2 O 2 + 2 H + → 2 Fe 3 + + 2 H 2 O (2) 3) 相对FeSO 4 ，生成的Fe 2 (SO 4 ) 3 较为稳定，但还是会被水解。 2 Fe 3 + + 6 H 2 O → 2 Fe ( OH ) 3 + 6 H + (3) 上述反应式中Fe 2 (SO 4 ) 3 水解生成H + ，使矿井水pH值降低。新生成的Fe(OH) 3 使水中含有不溶于水的黄褐色褐铁矿沉淀。加上微生物细菌的作用，也更加快了黄铁矿的氧化速度。 3.2. 危害 1) 酸性矿井水具有极强的腐蚀性，在排放过程中，会腐蚀排水管道及设，不仅加大了工程投资成本还易造成运输安全事故。 2) 酸性矿井水未被处理直接排入地表水中，会造成大量的水生生物死亡，使水质恶化；当酸性矿井水排入土壤中，使得土壤环境得到破坏，植物及农作物死亡，造成粮食减产，影响工农关系；当长期接触酸性矿井水时，人类也会造成手脚破裂，眼睛酸痒，严重影响了人体健康。 3) 当酸性矿井水在矿区渗透时，会破坏钢筋混凝土结构，使其受压受拉强度降低，影响煤矿开采的安全。
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user: 4. 酸性矿井水处理研究 目前酸性矿井水的处理方法可以分为中和法、人工湿地法、微生物法等。 4.1. 中和法 中和法的作用机理，就是向酸性矿井废水中投加碱中和剂，利用酸碱的中和反应 增加废水的pH值，使废水中的金属离子形成溶解度低的氢氧化物或碳酸盐沉淀而净化污水。常用的中和剂有碱石灰(CaO)、消石灰(Ca(OH) 2 )、飞灰(石灰粉，CaO)、碳酸钙、高炉渣、白云石、Na 2 CO 3 ，NaOH等 [ 3 ]。 常见的中和法有石灰石中和法，石灰中和法，石灰石–石灰联合中和法等。 1) 石灰石中和法 采用石灰石作为中和剂与酸性水中H 2 SO 4 发生中和反应，生成微溶的CaSO 4 ， CaCO 3 + H 2 SO 4 → CaSO 4 + H 2 O + CO 2 (4) 2) 石灰中和法 生石灰(CaO)遇到水后生成 熟石灰(Ca(OH) 2 )，熟石灰又与酸性水中的H 2 SO 4 发生反应： Ca ( OH ) 2 + H 2 SO 4 → CaSO 4 + 2 H 2 O (5) 3) 石灰石–石灰联合中和法 先采用石灰石滚筒法中和，消耗酸性矿井水中绝大部分游离H 2 SO 4 ，使处理后出水pH > 5.5；然后再采用石灰中和处理，使水中的pH值控制在8左右，这时Fe 2+ 水解生成沉淀，起到混凝作用，有利于固体悬浮物去除 [ 10 ]。 中和法对设备的要求较为简单，对水质水量的适应能力强，操作方便，在我国大部分煤矿采用此法去处理酸性矿井水。适用于处理酸性较强、涌水量较小的矿井水，但会小号大量的石灰水且对铁的去除率较低 [ 11 ]。 4.2. 微生物法 微生物法处理酸性矿井水是目前国内外研究的最新方法，在一些国家已经得到的实际应用，而我国对于此方法仍处于实验室摸索阶段。其原理是利用微生物——氧化亚铁硫杆菌或硫酸盐还原菌在充分供氧的酸性条件下不断将亚铁氧化，并利用此反应产生的能量进行繁殖，从而达到去除铁的目的。然后再通过中和、沉淀、过滤等方式使废水得以净化 [ 3 ]。 该方法最大的优点是操作简单易行、还原二价铁效果好、成本较低并很好地解决了二次污染问题，达到高效低耗的效果，在我国有广泛的发展前景。但是微生物对生存环境的温度、PH等要求较高，所以这方面的研究还需要继续深入探索 [ 12 ]。 4.3. 人工湿地法 人工湿地(Constructed Wetlands)法是20世纪70年代末在国外发展起来的一种酸性矿井水处理方法。人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类植物的作用。 与传统的酸性矿井水的处理方法相比，人工湿地法作为一种自然生物处理方法，利用闲置盐碱地，具有投资少、运行管理简单、费用低，处理后出水水质稳定的特点。污水直接资源化可利用净水沟进行淡水养殖，水生植物种植，能获得一定的经济效益等优点。在环境领域，人工湿地处理污水的研究与应用越来越广泛，因而在北美、欧洲的许多国家得到了广泛应用 [ 13 ]。 4.4. 其他方法 近年来，对酸性矿井水的处理有了更深入的研究，发现了许多新的处理方法，主要有粉煤灰法、赤泥法处理等等。 1) 粉煤灰法。粉煤灰是燃煤电厂排放的固体废弃物，其比表面积大且具有很好的吸附性。根据资料显示，粉煤灰不仅能吸附有机污染物、悬浮固体(ss)、及其它有毒物质如Cr 3+ 、Hg 2+ 、Pb 2+ 、F、酚类等，还能除臭脱色、去除重金属离子。同时，粉煤灰中还含有一定量的碱性物质例如CaO、MgO、Na 2 O、K 2 O等，这些易于溶解于水的氧化物使得粉煤灰具有中和酸的能力。以上粉煤灰的这些特点，广大研究者认为粉煤灰具备了处理煤矿酸性矿井水的基本理论条件。通过不断地实验研究，证明该方法是可行的。 2) 赤泥法。赤泥是从铝土矿中提取氧化铝时排出的污染性废渣，赤泥为多孔框架结构，比表面积较大，主要化学成分为Al 2 O和Fe 2 O 3 ，所含矿物成分复杂。赤泥是通过物理吸附、表面络合吸附、离子交换和絮凝沉淀等作用去除酸性矿井水中的重金属离子。中国作为世界第4大氧化铝生产国，每年排放的赤泥高达数百万吨。而赤泥作为一种固体废弃物，若此种方法应用于实际，不仅酸性矿井水能够得以处理达到以废治废的效果，还会使得经济效益、社会效益、环境效益得到的有机统一。
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user: 5. 总结 通过上述对酸性矿井水的形成、危害及处理方法的分析比对，人工湿地法和微生物法是目前国际上处理酸性矿井水较为先进的方法，是今后处理酸性矿井水的发展方向。我国作为世界上煤炭产量和消耗量最大的国家，在开采煤矿过程中会产生大量的酸性矿井水毋庸置疑，所以酸性矿井水处理具有良好的发展前景。
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user: 6. 展望 相对传统工艺方法，新起的粉煤灰法与赤泥法在未来将有很大的发展空间，在真正意义上实现了变废为宝的原则，在经济效益、社会效益、环境效益上达到有机统一。煤矿酸性矿井水作为国际热点，如何研究酸性矿井水的形成规律及预防酸性矿井水的产生，从而开发新的酸性矿井水处理工艺，将会成为今后矿区矿井治理的迫切需求之一，并对我国可持续发展战略具有重要意义。
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user: 摘要 为解决用户侧能源与环境的双重压力，构建了由分布式天然气、分布式太阳能光伏、分散式风力发电机、储能、冷热电负荷组成的多能互补的微电网及其数学模型，从技术、经济、能效和环保等维度分析了微电网的运行，并结合工程实际案例，设计了低碳、经济、高效、自治和优化等运行模式，结果表明这五种运行模式能满足微电网的不同运行需求，具有推广价值。
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user: 1. 引言 随着国民经济快速发展，能源的需求不断增加，化石能源的过度开发的碳排放严重影响人们的生活环境，为了促进国家“2030年碳达峰、2060年碳中和”的目标达成，在用户侧，分布式可再生能源构成的微电网是解决能源和环境双重压力的最佳选择。由分布式光伏、风电、分布式天然气、生物质、地热能、海洋能等清洁能源和可再生能源通过不同的形式和储能、智能控制装置及负荷等组成的微电网是现在能源技术的发展方向。由不同微电源构成的微电网在用户侧解决了能源的就地生产和利用问题，有效避免了“弃风、弃光”，增强了区域能源供应的安全性和稳定性，同时在峰谷分时电价的情况下，通过“削峰填谷”有效地利用了电能并降低了用户的度电电费 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]。热泵和冷热电联供(Combined Cooling， Heating and Power， CCHP)技术的发展和应用，也更好地推动了用户侧多能互补综合能源的发展 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]，多能互补微电网的能源结构和设备间耦合关系非常复杂，认真研究其多能互补和耦合机理对于微电网的智能控制和优化运行具有十分重要的实用意义 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]。 目前，多能互补微电网的研究已经取得一定的进展 [ 10 ]，但主要集中在系统模型、运行效率和经济性等方面。由分布式天然气、太阳能光伏、微风发电、储能、地源热泵等清洁能源和可再生能源形式构成协同优化的多源互补微能源系统得到了越来越广泛的应用。微电网的规划、设计和低耦合运行已经实现，在规划层面可以给出定容定址规划模型等 [ 11 ] [ 12 ]。现有的研究主要集中在微电网多能互补集成优化的控制策略，包括黑启动、离/并网切换、微电网优化调度和能量管理等方面 [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]，考虑风、光、负荷等的随机特性，通过粒子群算法和差分进化算法求解，建立微电网经济运行的随机优化模型 [ 17 ]，或基于母线结构建立冷热电联供系统的通用模型 [ 18 ]。通过不同的数学模型和经济分析来研究微电网的经济性，分析冷热电联供系统“以电定热”或“以热定电”的能效差异 [ 19 ] [ 20 ]。环境因素的影响也是多能微电网的研究对象之一，在目标函数中加入污染气体排放惩罚函数等可以建立起微电网的经济调度模型 [ 21 ] [ 22 ]。 目前的研究都集中在微电网的单一方面，未能从整个系统的运行进行分析研究。针对以上问题，本文以智能工业园区由分布式天然气、太阳能光伏、风电、地源热泵、储能等清洁能源和可再生能源组成的微电网为基础，从技术、经济、能效和环保等角度进行综合分析，建立了低碳、经济、高效、自治和优化五种不同的运行模式，微能源系统可根据不同利益体的需求进行模式选择。
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user: 2. 多能互补微电网模型 多能互补发电作为未来能源利用的一种趋势，在能源互联网和智能电网建设中得到了越来越多的研究和应用。由分布式光伏、分散式风电、地热能、分布式天然气、储能等清洁能源和可再生能源以及负荷组成，多种一次能源通过特定的能源转换方式转换成电、热、冷、汽、水等二次能源，大大提高了一次能源的综合利用效率，在供电的同时，通过热回收系统、制冷设备实现能量的梯级利用，使能源利用率达到80%以上。微电网中的风力发电和太阳能光伏发电受环境温度、气候和季节的影响，有很大的随机性和波动性，一定容量的储能不但能抑制光伏和风电的随机性和波动性，还能实现“削峰填谷”，有效地稳定电能供应，避免“弃风弃光”。多能互补微电网由燃气轮机、分布式光伏、风电、储能电池和负荷等构成，系统结构如图1所示。 图1. 多能互补微电网系统架构图 分布式光伏和分散式风电等可再生能源为用户提供电能，燃气轮机在微电网中主要作为冷热电联供设备，除了发电外，还可通过溴化锂机组吸收微型燃气轮机所排放烟气后制热或制冷，为用户提供热能和冷能，实现能源的梯级利用。储能在微电网中除了平抑风电、光伏的波动外，在微电网中还起调频调峰的作用，和燃气轮机一起可以实现微电网黑启动，在孤网运行时，作为主电源，为微电网提供电压和频率支撑，保证微电网稳定运行。微电网的能量流动和功率平衡如图2所示。 图2. 微电网结构图 根据图2可以得到系统的能量平衡约束。 1) 电母线平衡方程： P g r i d + P P G U + P W T + P P V + P E S ， D = P E L + P E C i n + P E S ， C (1) 2) 烟气母线平衡方程式： α P G U P P G U = Q A C ， s m o k e i n + Q H R ， s m o k e i n (2) 3) 热母线平衡方程式： Q H R ， h e a t o u t + Q G B ， h e a t + Q H S ， D = Q H L + Q H S ， C (3) 4) 冷母线平衡方程： Q E C ， c o o l i n g o u t + Q A C ， c o o l i n g o u t + Q C S ， D = Q C S ， C + Q C L (4) 其中，PV为光伏，WT为风电，ES为电储能，CS为蓄冷装置，EC为电制冷，AC为吸收式制冷机，GB为燃气锅炉，PGU为燃气机组，HR为余热，HS为蓄热装置，F为燃气热值，P为电功率，Q为冷、热功率，L为负载。