DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 2. 相关研究 针对虚拟路由器资源调度的相关研究，研究者提出了多种解决方案。在研究虚拟路由器的资源调度算法中，系统虚拟化工具起到了很重要的作用。主要的系统虚拟化工具VMware ESXi，Xenserver，Hyper-V等。以典型的系统虚拟化工具Xen为例，其主要的资源调度算法有三种，BVT (Borrowed Virtual Time)调度算法 [ 10 ] 、SEDF (Simple Earliest Deadline First)调度算法 [ 11 ] 、以及Credit调度算法 [ 12 ] 。 以上算法都没有很好的解决虚拟路由器资源共享的公平性，也没用对数据量的隔离性进行考虑。为了解决虚拟路由器流量公平性与隔离性，就必须改进现有的资源调度算法或提出新的资源调度算法来满足虚拟路由器的设计需求。我们在前期工作基础上 [ 13 ] ，将基于转发开销的资源调度算法扩展到解决控制链路公平性的问题。
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user: 3. 虚拟控制平面框架 虚拟控制平面主要功能是用于承载若干控制平面实例，并且保证这些控制平面实例的独立性和隔离性。目前，虚拟控制平面通常采用系统虚拟化工具，将控制平面实例部署在对应的虚拟机中。通过配置虚拟机的参数来确保控制平面的独立性，确保CPU和内存资源的独占性。与此同时，控制平面实例通过网络接口与对应的逻辑转发引擎进行通信，这些控制平面实例共享链路带宽。然而，现有的机制却无法保证控制平面实例共享链路带宽的独立性。为此，在Linux系统上设计并实现了虚拟控制平面实例与逻辑转发引擎间的通信中间层——VNETDEV内核模块，如图1所示。 从图中可以看出，控制平面实例与外界(即逻辑转发引擎)间通信都需要经过VNETDEV模块。VNETDEV模块主要功能包括：一、它支持虚拟接口的创建与删除功能，并将指定的虚拟接口分配给控制平面实例；二、它是虚拟控制平面实现控制平面实例流隔离的重要组成部分。 为了确保链路带宽资源的公平性，VNETDEV模块中为每个控制平面实例分配一个队列集，包括一个入队列和一个出队列。入队列中用于存放网络接口接收到的报文；而出队列中用于存放控制平面实例下发的报文。而报文调度器则决定了入队列中报文的调度次序以及从控制平面实例接收报文的时间。它通过报文调度的顺序来保证链路带宽资源的公平性。
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user: 4. 基于历史开销的报文调度算法 为了保障链路带宽资源的公平性，我们在报文调度器中设计基于历史开销的报文调度(Historical Cost Based Packet Scheduling Algorithm， HC-PSA)算法。它通过统计报文最近几次的调度开销来确定队列中报文调度的优先级，从而确保若干控制平面间流量隔离。HC-PSA算法能依据VNETDEV模块的报文调度开销历史数据计算出队列中报文调度优先级，然后根据报文的优先级向控制平面实例推送数据包，从而确保链路带宽资源共享的公平性。 4.1. 优先级的计算 在设计HC-PSA算法时，第一步是确定影响队列中报文调度优先级的因素。在确定因素的过程中，如果仅考虑最主要因素，可能会使最终计算结果存在偏差，而无法正确反映出控制平面实例对链路带宽 图1. 虚拟控制平面框架 资源使用的实际情况。但某些对计算结果影响十分微小的因素如果考虑在内，又会增加计算的复杂性，而且不能清晰的反映出优先级计算的主要因素。 结合控制平面实例的特性，HC-PSA算法考虑的因素有：1) 控制平面实例占用链路带宽资源的权值；2) 入队列中报文等待处理的时间；3) VNETDEV模块中控制平面实例最近a次的报文调度开销；4) 控制平面实例的延迟敏感度；5) 报文是否由于处理时间等问题是否被丢弃。那么，HC-PSA算法中队列中报文调度的优先级的计算公式，如公式(1)所示。 (1) 其中， 表示第i个的入队列中报文调度优先级； 表示第i控制平面实例的带宽权值； 表示第i控制平面实例对应的报文等待处理的时间； 表示第i个控制平面实例容忍的最大处理时延； 表示第i个控制平面实例最近a条报文调度开销的均值； 表示第i个控制平面实例下一报文预测处理时间； 表示报文的长度。 4.2. 历史开销 表示控制平面实例在最近一段时间的报文调度开销的均值。它能够使平均吞吐量较低的控制平面实例增大被调度的机率。报文调度开销的均值对优先级有明显的影响，能够反映出队列中报文调度的优先级，计算公式如公式(2)所示： (2) 其中， 表示第i个控制平面实例最近第n次调度开销。a值表示控制平面实例最近调度报文的次数。由式(2)可以看出a值与报文调度开销的均值成反相关。当最近一段时间数据流波动比较大时，如果a过大， 则不能有效反映控制平面实例的调度报文开销；当控制平面实例在使用前处于空闲状态时，如果a过小，也会致使 报文转发开销的均值失真。这两种情况都不能有效地保证链路带宽资源共享的公平性。因此，为了更好的体现出HC-PSA算法的优越性，必须选择一个比较合理的阈值a。 4.3. 前提条件 如果报文在还未处理前已经被丢弃，那么计算优先级就不存在任何的意义，所以在报文还未处理前决定报文是否被丢弃是优先级计算的前提条件。需要判断报文是否被丢弃，通过比较报文等待时间和报文处理时间之和与控制平面实例预设的处理时延即可得出。当报文等待时间和报文处理时间之和小于控制平面实例预设的处理时延时，则计算控制平面实例的优先级；否则将该报文丢弃，避免造成系统不必要的开销。前提条件用公式可表示为： (3) 在式(3)中，控制平面实例容忍的最大处理时延 与报文的等待处理时间 是已知的。那么， 便是处理报文是否被丢弃的唯一的一个变量参数。其计算公式为： (4) 其中，k为与物理平台有关的系数； 表示最近a个报文的平均长度；L表示当前待处理的报文长度； 表示最近a条报文调度开销的均值。 4.4偏差量计算 在HC-PSA算法中，偏差量是指虚拟路由器中控制平面实例实际占有的共享资源与理论上可以占用的共享资源的均方差。现假设偏差量为 ，控制平面实例i实际的调度报文开销为 ，控制平面实例理论上的调度报文开销为 。那么，偏差量的计算公式为： (5) 偏差量 的大小与实际的调度报文开销与理论上的调度报文开销的差值成正相关。实际值越接近理论值说明偏差量越小，链路带宽也就越公平；而实际值与理论值相差越大说明偏差量就会越大，链路带宽的公平性也就越差。由公式(2)与公式(5)可以看出，通过调节阀值a，可以有效的调节偏差量 。反过来，当偏差量 越大时，a不能真实体现链路带宽使用的真实情况，需要调整a值的大小。 HC-PSA算法主要特点：第一，通过统计VNETDEV模块中最近a次报文调度开销，计算出队列中报文调度的优先级，将高优先级的报文发送到指定的控制平面实例。第二，HC-PSA算法能够预测报文处理时间，通过与控制平面实例中预设的处理延时作对比，预先决定报文的处理或丢弃，这样可以有效降低处理报文时的额外开销。第三，通过计算优先级的公式中的延迟值，以达到控制平面实例对延时敏感强度的要求。
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user: 5. HC-PSA算法的描述 HC-PSA算法中报文调度开销的均值反映了当前控制平面实例的调度报文的平均开销，并尽可能保证每一个控制平面实例所占用的链路带宽资源是公平的。它根据控制平面实例历史数据流来调整队列中报文调度的优先级，确保了低吞吐量的逻辑控制引擎获得报文的机会，从而保证了链路带宽的公平性。HC-PSA算法的具体描述如图2所示。 图2. 算法的具体描述 通过HC-PSA算法描述可知：当入队列存在报文时才能触发HC-PSA算法。它首先利用前提条件预测待处理报文是否被丢弃，如果预判报文被丢弃，则读取入队列中下一条报文；否则计算出控制平面实例的报文调度开销的均值和调度优先级。最后，通过比较得出优先级最高的队列中报文，并将报文推送到对应控制平面实例中。HC-PSA算法与其他调度算法最大差别在于前者通过计算控制平面实例的报文调度开销的均值来更加精确地确定队列中报文调度次序，从而保证了链路带宽资源共享的公平性。
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user: 6. 实验结果与分析 6.1. 实验环境 虚拟控制平面采用的系统虚拟化工具为LXC，构建不同的容器，并将对应的控制平面实例部署在对应的容器中。VNETDEV模块采用多线程、多队列的编程方式。虚拟控制平面运行在一台IBM服务器上 为了验证基于历史开销的控制平面实例的流量隔离机制的有效性，在原型平台上创建了3个控制平面实例A、B、C，它们占用的链路带宽额定值为50 Mbps、40 Mbps和30 Mbps。在实验过程中，分别向三个控制平面实例发送测试数据流如图3所示。 在0时刻引入的数据流均略高于它们的链路带宽额定值。在第5 s~10 s，控制平面实例A的数据流保持不变，控制平面实例B的数据流下降到其链路带宽额定值40 Mbps，控制平面实例C的数据流下降到20 Mbps。在10 s以后，控制平面实例A和C保持不变，控制平面实例B的数据流略有提高。 根据上文所述算法，在以上所述数据流的变化情况下，控制平面实例A、B、C所对应的数据流占用带宽应该更趋于公平合理，经过数据采集，控制平面实例A、B、C占用带宽的实际量确实更加的公平合理。 6.2. 链路带宽的公平性 如图4所示，为控制平面实例A、B、C实际数据流量图。在0 s~5 s，控制平面实例A、B、C的实 图3. 测试流 图4. 实际数据量 际数据量为其链路带宽的额定值。在5 s~10 s，控制平面实例A的实际数据量明显高于其数据链路带宽的额定值，控制平面实例B的实际数据量略高于其数据链路带宽的额定值，控制平面实例C的实际数据量则为其引入数据量的值。在10 s以后，控制平面实例A的实际数据量略有下降，但仍然高于其链路带宽的额定值；控制平面实例B的实际数据量比5 s~10 s内的数据量略有提高；控制平面实例C的实际数据量则仍然保持不变。 从以上数据可以得出，在控制平面实例B、C引入的数据量减小时，控制平面实例A的实际数据量有明显增加。在控制平面实例B引入的数据量有所提升时，控制平面实例A引入数据所占用的带宽有所下降，以供给控制平面实例B引入数据量的需求。实验结果反映出HC-PSA算法能够满足数据流占用带宽的公平性要求。在整个过程中，并没有因为控制平面实例A、B的数据流占用了更多的带宽而使得控制平面实例C引入的数据流发生异样的变化，没有发生丢包、接收或发送报文时延过大等情况，说明HC-PSA算法能够满足控制平面实例间流量隔离。 6.3. 偏差量与a值关系 如图5所示，a值在0~20之间时，随着a值的增加，偏差量逐渐在减小。a值在20~50之间时，偏差量趋于平稳。说明了调节a值可以达到调节偏差量的目的。 图5. 偏差量与a值关系
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user: 7. 总结与展望 由于虚拟路由器支持多个控制平面实例并行运行在同一物理平台，这使得多个控制平面实例在接收数据时，会产生抢占接口带宽的问题。如何保证占用带宽的公平性是当前迫切需要解决的问题。本文针对现有的资源调度算法存在的不足，提出了一种基于历史开销的控制平面实例的流量隔离机制(HC-PSA)。它为每个控制平面实例分配单独的队列，基于每个控制平面实例最近占用物理接口的开销来确定调度队列中报文的顺序。通过队列中报文调度顺序来保证控制平面实例占用接口的带宽资源，从而实现控制平面实例间流量隔离。实验结果表明：基于历史开销的控制平面实例的流量隔离机制能严格地保证各个控制平面实例占用接口的带宽的独立性。
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user: 摘 要 为了研究哈密北部巴里坤哈萨克自治县一带的水分循环变化特征，利用巴里坤国家气象站1961~2015年降水量和蒸发量观测资料，采用线性回归、距平百分率、Mann-Kendall突变检验方法以及干燥度指数，对巴里坤降水量、蒸发量和干燥度进行了分析。结果表明：巴里坤年、季降水量和蒸发量年际变化明显；近55 a年、季降水量呈增加趋势，其中年、春、夏、秋季的降水量增加趋势明显，冬季增加不明显，受此影响，近55 a巴里坤气候总体趋于干旱向半干旱发展的趋势，其中2009~2015年降水量明显增加，蒸发量明显减少，气候处于相对湿润期。 关键词 :哈密北部，降水量，蒸发量，干燥度指数
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user: 1. 引言 在气候变化系统中降水与蒸发是水分循环的重要组成因子，也是能量交换的重要因素。而气候的干湿变化，是由水分盈亏不平衡造成的，当水分的收入量大于蒸发量时，气候相对湿润，反之气候则相对干燥 [ 1 ] 。近年来众多学者对全国以及不同区域的降水量与蒸发量特征及干湿变化进行了大量的研究 [ 2 ] - [ 7 ] 。杨修平等 [ 8 ] 对中国北方近40 a降水量和蒸发量进行研究，指出我国气候干湿变化主要取决于降水量的变化，近40 a我国干旱半干旱区降水量和蒸发量均在减小，但降水量减小速率大于蒸发量，气候在变干。王菱等 [ 9 ] 也证实，近40 a中国100˚E以东的北方地区气候逐渐趋向干旱化，而100˚E以西的西北地区气候总体趋向湿润。普宗朝等 [ 10 ] 利用降水量、潜在蒸散量和干燥度指数研究近48 a新疆干湿气候时空变化，指出新疆年降水量是增加的，年潜在蒸散量总体是减少的，气候总体呈“增湿”趋势。 在全球气候变暖的大背景下，极端天气气候事件，尤其是干旱事件频发，频率和影响范围具有增加趋势，恶化的生态环境给农牧业生产、环境、人类生活等带来不同程度的危害。受气候变化、地形特点和人类活动等因素影响，以及人类过度开发和扰动，生态环境变得十分脆弱 [ 11 ] 。近年来，有关哈密地区降水量和蒸发量变化已从不同方面进行了分析 [ 12 ] - [ 14 ] ，但对北部巴里坤降水量和蒸发量的研究工作很少。巴里坤地处迎风坡，降水较多，全年降水量占到哈密全地区的47.44% (1981~2010年)，几乎达到全地区的一半。因此，研究巴里坤降水与蒸发的变化规律，了解生态环境的干湿变化，对搞好农牧业结构调整，合理利用开发水资源具有十分重要意义，同时对全面了解当地气候变化有一定的先导作用。
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user: 2. 资料和方法 2.1. 研究区概括 哈密北部巴里坤哈萨克自治县位于天山山脉东段与东准噶尔断块山系之间的草原上，地理坐标为东经91˚19'30''~94˚48'30''、北纬43˚21'~45˚5'19''，东邻伊吾县，南接哈密市，西毗木垒哈萨克自治县，北界蒙古人民共和国，全县总面积38445.3 km 2 ，平均海拔1650 m。该县地处亚欧大陆腹地，距离海洋遥远，属于大陆性冷凉干旱气候区，冬季严寒干冷，夏季凉爽多雨，光照充足，四季不分明。 2.2. 资料 为了全面细致地研究巴里坤降水量与蒸发量变化特点和相互之间的关系，采用资料为巴里坤国家气象站1961~2015年逐月降水量和蒸发量。针对观测仪器和采集时间具体如表1。根据20 cm蒸发皿和 Table 1 The instrument and acquisition time of evaporation and rainfall in Baliku 观测项目 观测时间 观测仪器 年 月 蒸发 1961~2001 1~12 20 cm蒸发皿 2002~2015 1~4，10~12 20 cm蒸发皿 2002~2015 5~9 E-601B型蒸发器 降水 1961~2015 1961~2015 1~4，10~12 5~9 称雪器 雨量器 表1. 巴里坤蒸发量和降水量观测仪器和采集时间 E-601B型蒸发器对比观测结果，得到二者折合系数K = 1.55 (20 cm蒸发皿蒸发量/E-601B型蒸发器蒸发量(保留二位小数))，将2002~2015年的5~9月蒸发量换算成20 cm型蒸发皿蒸发量。根据时间序列划分为春季(3~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月)、冬季(12月一次年2月)。 2.3. 研究方法 1、气候变化趋势分析 利用一元线性回归方程来描述气候要素的变化趋势，即 (1) 方程中：t为年序，a为线性方程的斜率，也就是气候要素的线性变化趋势和速率，a为正(负)表示要素增加(减小)趋势，a为0时表示要素无变化，并将a × 10 a定义为气候倾向率，单位为mm/10 a，b为常数，可通过最小二乘法求取。 2、变差系数 某要素年代际变化趋势采用变差系数法。变差系数能描述气象要素在不同年代的相对变化。通过对比不同年代的变差系数可以知道要素变化的大小及其变化的稳定性。变差系数为标准差(S)与平均值( )之比，即 (2) 3、距平百分率 利用距平百分率分析某一时段某要素与同期平均状态的偏离程度。即距平百分率表示为 (实测值-同期历史均值)/同期历史均值。 4、气候突变分析 气候突变是指在较短时期内由一种相对较稳定的气候状态过渡到另一种气候状态的变化，它是气候系统非线性性质的一种表现。Mann-Kendall法作为一种非参数统计检验方法。由于不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值干扰，近年来得到众多学者的应用。其公式为： (3) UF k 组成一条UF曲线，通过信度检验可得出其是否有明显的变化趋势。把此方法引用到反序列中，计算得到另一条曲线UB，则两条曲线在置信区间内的交点确定为突变点。给定显著性水平a = 0.05，则统计量UF和UB的临界值为±1.96。UF > 0，表示序列呈上升趋势；反之，表明呈下降趋势，大于或小于±1.96，表示上升或下降趋势明显。并且这个交点对应的时刻就是突变开始的时间。反之，则认为没有突变。 5、干燥度分析 干燥指数是反映某个地区的气候干燥程度的指标，通常定义为年降水量和年蒸发量的比值。具体采用标准是1977年联合国有关组织(FAO，ESCO，WMO和UNEP)采用的干燥度指数，公式为： (4) 其中D为干燥度，r为年降水量，EPT为年蒸发量，D < 0.03为很干旱区；0.03~0.20为干旱区，0.20~0.50为半干旱区 [ 15 ] 。
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user: 3. 结果与分析 3.1. 降水量气候变化特征 从图1可以看出，巴里坤近55 a降水量的年际变化较为显著，呈现明显的“峰谷”变化，旱涝交替出现，总体呈上升趋势，以12.58 mm/10 a速率增加，通过0.01显著性检验，这与新疆降水变化是增加的结论相一致 [ 15 ] [ 16 ] ，说明巴里坤年降水量与新疆年降水量变化趋势同步。近55 a平均降水量为224.0 mm，年最多降水量为364.0 mm，出现在2015年，最少年是1962年，为121.4 mm，最多与最少年相差242.6 mm。年降水量距平百分率为−45%~64%，表明降水量的年际变化较大，容易形成干旱或夏季内涝。年降水量距平百分率在30%以上的年份有1984、1988、2007和2015年，在−30%以下的年份有1962、1968、1974、1975、1982、1985和1997年。近55 a正距平有28 a，负距平有27 a，其中从20世纪60年代到80年代中期负距平较多，有18 a，处于降水相对偏少期；从80年代中期以后正距平较多，共有21a，特别是从2003年开始处于降水相对偏多期，正距平达到10 a，降水增加相对明显。 从年代际变化(图1)可以看出气候变化较明显，巴里坤近55 a降水量的年代际变化呈逐年上升趋势。从表2中可知巴里坤在20世纪60和70年代降水量低于历年平均值，为相对少雨期，80年代与历年平均值相当，从90年代开始降水开始增加，为相对多雨期，且近15 a降水增加较为明显。各年代(统计1961~2010年)年降水量变差系数较小，80年代变差系数最大，其余4个年代较小，90年代最小，表明巴里坤年降水量在80年代变化频繁、波动较大，其他年代变化不太明显。 在分别对各季节降水量年际变化进行了统计分析(图略)，我们发现，各季节降水量呈上升趋势，其中夏季增加的趋势最明显(表3)，冬季变化不太明显，春、秋季通过0.05显著性检验，夏、冬季没有通过显著性检验。年内降水量集中出现在夏季，为119.4 mm，占年降水量53.3%，冬季少雨，仅为12.0 mm，春季和秋季降水相当，占年降水量21%左右，因此夏季降水量对年降水量的贡献最大，冬季贡献最小，造成巴里坤雨季和干季也十分明显。 3.2. 蒸发量气候特征变化 从蒸发量逐年变化曲线(图2)可以看出年际变化明显，呈明显的“双峰双谷”型，从1965~1984年、2009~2015年年蒸发量基本低于平均值，以负距平为主，为蒸发量相对偏少期，1961~1964、1985~2008年年蒸发量基本高于平均值，以正距平为主，为蒸发量相对偏多期；而与降水量逐年变化曲线略有不同，但是总的变化趋势是相同的，是以上升趋势为主，以23.95 mm/10 a速率增加，没有通过0.05显著性检验，这与乌昌地区中山带蒸发量呈增加趋势的结论相一致 [ 17 ] 。近55 a平均蒸发量为1656.6 mm，年最大蒸发量出现在1962年为1922.3 mm，最小出现在1984年为1294.1 mm，最大与最小蒸发量相差628.2 mm。 从图2可以看出巴里坤蒸发量年代际气候变化显著，跟历年平均值相比20世纪60~80年代为蒸发量相对偏少期，70年代最少；90年代与21世纪初十年为相对偏多年期，21世纪初十年最多(表2)。各年 图1. 巴里坤年降水量变化趋势线和距平百分率 图2. 巴里坤年蒸发量量变化趋势线和距平百分率 Table 2 Data and characteristic parameters of precipitation and evaporation in Baliku 参数 1961~1970 1971~1980 1981~1990 1991~2000 2001~2010 1961~2015 降水量 变化速率 8.21 1.32 3.85 5.45 9.27 12.58 平均值/mm 202.5 206.0 224.2 230.7 237.0 224.0 变差系数 0.2238 0.2049 0.2254 0.1816 0.2062 0.0299 蒸发量 变化速率 −40.92 −6.85 53.18 0.13 −15.21 23.95 平均值/mm 1647.3 1533 1628.8 1746.1 1767.4 1656.6 变差系数 0.0893 0.0718 0.1357 0.0510 0.0545 0.0954 表2. 巴里坤降水和蒸发量资料及特征参数 代蒸发量的变差系数差别较小，80年代变差系数最大，与年降水变化相同，其余4个年代变差系数较小，90年代最小，表明巴里坤蒸发量在80年代变化剧烈、波动较大，其他年代变化较为平稳，年代际差异较小。 季蒸发量逐年变化趋势(表3)与相应季降水量逐年变化趋势明显不同，年际变化不明显，春、冬季逐年蒸发量以下降趋势为主，夏、秋季以上升趋势为主，其中夏季以17.64 mm/10 a速率增加，夏季通过0.05显著性检验，其他三季没有通过显著性检验。夏季蒸发量的增加是造成年蒸发量增加的主要原因，其次是秋季。巴里坤年蒸发量存在明显的季节变化，夏季蒸发量为780.7 mm，占年蒸发量47.13%，其次是春季，为504.3 mm，占30.44%，冬季最小，仅占3.51%。综上所述，夏季蒸发量的变化对年蒸发量变化贡献最大，其次是春季，冬季贡献最小。
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user: 4. 降水量和蒸发量突变分析 利用Mann-Kendall方法检测巴里坤降水量和蒸发量的气候突变时间。由图3(a)可知UF与UB曲线在±1.96范围内出现多个交点，但只有2002年降水发生由低到高的突变，且上升趋势较明显，通过0.05的置信度检验，可以确定2002年是巴里坤降水量的突变年。对四季的降水量进行突变分析发现，各季均不存在气候突变(图略)。由图3(b)可知UF与UB曲线在1988年出现交点，上升趋势明显，通过0.05的置 Table 3 The annual and seasonal data and years appeared of precipitation and evaporation in Baliku 时间 参数 降水量(mm) 出现年份 蒸发量(mm) 出现年份 年 平均 224 1656.6 最小 121.4 1962 1294.1 1984 最大 364 2015 1922.3 1962 变化速率(mm/10a) 12.58 23.95 春季 平均 45.3 502 最小 11.6 1986 407 1979 最大 96.5 1998 610.3 1962 变化速率(mm/10a) 3.17 0.37 夏季 平均 120.7 778.5 最小 56.5 1982 555.4 1984 最大 198.7 2007 960 1985 变化速率(mm/10a) 4.83 17.64 秋季 平均 49.2 312.3 最小 8.1 1997 221.5 2015 最大 103 2015 413 1997 变化速率 4.03 5.78 冬季 平均 12.2 57.3 最小 2 1992 42.3 1984 最大 33.8 2010 84.4 1963 变化速率(mm/10a) 0.54 0.71 表3. 巴里坤降水和蒸发量年、季资料及出现年份 图3. 巴里坤降水量(a)与蒸发量(b)气候突变曲线 信度检验，表明蒸发量呈显著的增加趋势，因此1987年是巴里坤蒸发量是从一个相对偏少期转为一个相对偏多期的突变年。同时也对四季蒸发量进行突变分析(图略)，其中春、冬季不存在气候突变，夏季UF与UB曲线在1986年出现交点，秋季在1989年出现气候突变，夏、秋季均通过0.001的置信度检验(±2.56)，说明突变显著。
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user: 5. 降水量和蒸发量变化对干燥度的影响 受年降水量和蒸发量空间分布的共同影响，巴里坤近55 a平均干燥度指数D = 0.14，气候干燥，只有1984、2007、2015年三年D > 0.20，为半干旱年，其他年份均为干旱年。近55 a巴里坤年降水量呈增加趋势，受其影响干燥度指数近55 a呈增加趋势，并且二者年际变化具有很好的相关关系，相关系数达到0.933，通过置信度a = 0.01的显著检验。干燥度指数最大出现在2015年，最小在1962年，与年降水量最多、最少出现年份相同。近55 a年蒸发量与干燥度指数呈负相关，相关系数−0.353 (通过置信度a = 0.01的显著检验)。 从图1可知，2003~2015年巴里坤降水量增加，蒸发量减少，是造成干燥度指数上升的主要原因。尤其是2009~2015年降水量增加明显，与55 a平均值相比，偏多17.05%，蒸发量明显减少，比历年平均值偏少3.30%，导致干燥度指数增大。 对巴里坤近55 a春、夏、秋、冬四季的干燥度指数进行分析(图略)，春季的干燥度指数最小，仅为D = 0.09，气候极为干燥；冬季最大，D = 0.22，为半干旱气候；夏、秋季干燥度指数相当为D = 0.16。通过对四季降水量和蒸发量的气候倾向率比较可知，冬季蒸发量减小速率明显大于降水量增加速率，这是造成冬季干燥度指数较其他三季偏大的原因之一。
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user: 6. 结论 1) 巴里坤年、季降水量具有明显的年际变化，呈线性增加趋势的特点。巴里坤年、春、夏、秋季降水量增加明显，其中夏季增加的趋势最明显，以4.83 mm/10 a速率增加，冬季变化不太明显。巴里坤降水量在20世纪60和70年代偏少，为相对少雨期，从90年代以后降水开始增加，为相对多雨期，特别是近15 a降水增加明显。巴里坤降水量在2002年存在突变，通过0.05的置信度检验，说明从2002年开始巴里坤降水量进入明显增加趋势。 2) 巴里坤蒸发量年、季年际变化具有明显的“双峰双谷”型，线性趋势变化明显，但季节变化不明显，春、冬季蒸发量呈下降趋势，夏、秋季呈增加趋势，夏季增加趋势最明显，以17.64 mm/10 a速率增加，夏季蒸发量的增加是造成年蒸发量增加的主要原因。巴里坤蒸发量在20世纪60~80年代为偏少期，特别是70年代为明显偏少期，从90年代到21世纪初十年为偏多期，近5 a为偏少期。巴里坤蒸发量突变年出现在1987年，说明蒸发量从相对偏少期转为相对偏多期。 3) 近55 a巴里坤干燥指数受降水增加的影响，呈增加趋势，气候总体趋于干旱向半干旱发展的趋势。干燥度指数与降水量呈明显的正相关，相关系数达到0.933，与蒸发量呈负相关，相关系数为−0.353。
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user: 摘 要 永定河北京段是人工重建河道，人工重建河道的生态需水量估算是河道修复研究中的重要课题。永定河北京段生态需水主要包括生态基流，人工重建河道的河湖蒸散发和渗漏量以及河滨带植被的生态补水量等。根据研究河段的不同要求，本文概化了天然河道，设计了人工河道断面形状和河床特征，较为清晰地划分了消耗性生态需水和非消耗性生态需水的范畴。在确定各种生态需水目标前提下，计算不同河段的消耗性生态需水和非消耗性生态需水量。结果显示， 北京市最低到最优生态的目标下，永定河山峡段和平原河段的生态基流需水量为0.79 - 4.75 × 10 8 m 3 ；平原城市段和平原郊野段的河湖和河滨带植被用水0.28 - 0.92 × 10 8 m 3 ，其中河湖蒸发渗漏用水0.34 - 0.59 × 10 8 m 3 ，河滨带植被用水0.33 × 10 8 m 3 。研究显示，人工河道的生态基流与河道断面、河道粗糙度、纵坡比及河道防渗关系密切。为满足生态修复目标，在水量受到限制的情况下，可以通过调整人工河道的断面、粗糙度、水力坡度和河道渗透性来达到相应的生态需水量。 关键词 :永定河，人工重建河道，生态需水，消耗性需水，非消耗性需水
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user: 1. 引言 在气候变化和人类活动背景下，我国华北地区出现了大量的河道断流、生态退化现象。由于经济社会用水量不断加大，很多流域水资源过度开发现象严重，挤占了必要的生态需水量，“有河皆干、有水皆污”是这一地区河流的主要特征。近年来，部分地区开始了河道的生态治理与修复，河流湖泊化、人工化的特征逐渐显现。人工重建河道的生态需水量估算是河道修复研究中的重要课题，由于人工重建河道兼有河道内和河道外生态需水的需求，其生态需水量既包括非消耗性的生态基流，也有河湖湿地的蒸发渗漏等一系列消耗性的河道外需水。 河道生态需水是指河流在一定的生态目标下，为了维持某一特定生态系统的基本生态功能应保持的最小需水量 [ 1 ] - [ 3 ] 。河道生态需水量既是生态需水量的起源，也是生态需水研究的核心。多年来国内外学者对河道内的生态需水量做出大量研究，已形成了一些相对成熟的方法 [ 4 ] - [ 7 ] ，包括水文学法 [ 8 ] 、水力学法 [ 9 ] 、生境法、综合法等 [ 10 ] [ 11 ] 。不同的计算方法各有其适用条件和适用范围 [ 12 ] - [ 14 ] ，例如对于普通只有河道水量要求的一般采用水文法，对于人工重建河道、来水量波动较大的自然河道可采用水力学法，对于有特殊生物群落生存栖息的河流采用生境法。生态需水评估方法的选择应综合考虑生态目标、河流类型、计算结果的精度要求以及资料占有量等 [ 15 ] - [ 17 ] 。 随着生态修复研究的逐渐兴起 [ 18 ] - [ 20 ] ，与人工重建河道相关的政策、规划和技术问题引发众多学者及机构的关注 [ 21 ] - [ 23 ] 。联合国教科文组织(UNESCO)国际水文计划第八阶段战略计划(IHP-VIII: 2014-2021)的主题之一就是生态水文学，包括“提升水与生态系统恢复力和生态系统服务的生态水文学系统解决方案和生态工程”和“生态水文调控，以维持和恢复陆地到海岸的连通性及生态系统功能”在内的多个重点领域与人工重建河道的生态需水研究直接相关。因此，人工重建河道生态需水量问题也是当前水文学研究的一个重大需求。事实上，目前对生态需水量的研究中还存在诸多问题：首先对于生态目标的讨论和应用还不是十分完备，其次对于消耗性生态用水与非消耗性生态用水的研究存在不足，传统方法一般按照河道内生态需水和河道外生态需水进行划分，但是对其中的重复量的研究较为模糊，再其次，对于人工重建河道的生态需水量中各种人工渠道的概化、明渠渗漏水量的控制等都有待进一步探索。鉴于区域生态治理的逐渐扩大化和系统化，这一问题的研究和解决将为抑制生态系统恶化趋势，恢复生态系统的服务功能提供技术支撑。同时，因为人工重建河道生态系统的复杂性，其生态需水量问题的探索也具有重要的研究意义。
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user: 2. 研究方法 生态目标的确定是河流生态需水研究的出发点。研究人工重建河道生态需水，需要以目标河流的自然状态、社会经济状况等要素为基础，确定生态目标后，进行生态需水量的研究。河道生态需水量的研究方法主要包括水文学方法和水力学方法等，植被耗水则需要根据相应的蒸散发模型进行模拟 [ 24 ] [ 25 ] 。 2.1. 生态目标确定方法 河道生态目标的确定依据是保证河道生态系统健康，实现河道物质输运、生物栖息和迁徙通道的生态功能。永定河北京段生态目标主要包括：1) 保持自然河段生态系统基本形态，实现河道泥沙平衡及水生生物繁殖的水流目标；2) 保证人工重建河段湖泊水深及水面面积；3) 保证人工重建河段河滨带植被面积目标等。河道生态系统对径流、湖泊、河滨带植被需水的要求一方面体现生态系统自身健康对水位、水面、水质等参数的要求，更重要的是体现在流域生态系统对河道物质输运和生物迁徙通道功能的要求。生态环境需水量生态目标具有功能、空间及时间差异性。其中功能和空间差异性体现在不同结构的河道内不同类型生物种群对物理环境的要求不同，需要针对不同类型河道提出不同功能的需水量计算目标。生态目标时间差异性体现在河道水生生物随年内季节变化对物理环境的要求存在差异 [ 26 ] 。 2.2. 用水文学方法计算生态基流 水文学方法一般是首先对系统进行描述，包括水量、持续时间、淹没频率等。主要关注最小流量和水位的保持，该法又称为标准设定法或快速评价法。即根据简单的水文指标对河流流量进行设定，例如平均流量的百分率或者天然流量频率曲线上的保证率。国外代表方法有Tennant法 [ 8 ] 、Texas法、NGPRP法、BF法 [ 11 ] 。国内代表方法有月(年)保证率法，基本生态需水量法 [ 10 ] 。 Tennant法侧重统计规律，基于历史流量记录的基础上将平均每年自然流量的简单百分比作为基流，更适宜于季节性为基础的需求。该方法以预先确定的年平均流量百分数作为河流推荐基流量，不需要现场观测。在美国，该法通常应用于优先度不高的河段进行流量研究，或者作为其他方法的一种检验。在不同生态目标下通常将年平均流量的10%~30%作为最小的河流生态需水量。 2.3. 水力学方法计算生态基流 人工重建河道一般为较规则的明渠水流，明渠水流需要根据渠道的类型运用水力学方法计算生态流量 [ 9 ] 。 水力学方法是根据河道水力参数，包括河宽、水深、断面面积、流速和湿周等，确定河流所需流量，代表方法为水力半径法。水力半径法以谢才公式为基础，该水力半径对应的流量就为生态需水量。 (1) 式中：A为过水断面面积，单位m 2 ；V为过水断面的平均流速，单位m/s。 假设河流为明渠恒定均匀流，由谢才公式： (2) 式中：R为水力半径，单位m；S为水面坡降；C为谢才系数。由曼宁公式： (3) 式中：n为粗糙系数，将(2)、(3)式代入(1)式得到： (4) 式中：Q为流量，单位为m 3 /s；n为粗糙系数；A为过水断面面积，单位是m 2 ；R为水力半径，单位m；S为水面坡降。 2.4. 水面蒸发和植被耗水的研究方法 生态需水量还包括人工湖泊水面蒸发和植被的蒸散发，根据中国科学院地理科学与资源研究所有关水面蒸发的研究成果 [ 24 ] ，我国华北地区水面蒸发量的计算方法为： (5) 其中，u 1.5 为1.5 m高度风速，以m/s计；D为饱和水汽压差，以毫巴计；d(T 1.5 )为饱和水汽压斜率，毫巴/℃；α − 1为温度层结调节系数；T 1.5 为1.5 m处气温，℃。 植被蒸散发计算首先根据FAO推荐的Penman-Monteith模型计算潜在蒸发能力 [ 25 ] ，潜在蒸发是在充分供水条件下植被的蒸散发量。1998年联合国粮农组织推荐公式： (6) 式中：ET 0 为参考蒸散量，单位mm∙day −1 ；R n 为净辐射量，单位为MJ∙m −2 ∙day −1 ；G为土壤热通量，单位MJ∙m −2 ；T为日平均气温(℃)；u 2 为2 m高处的风速，单位m∙s −1 ；e s 为饱和水汽压，单位kPa；e a 为实际水汽压，单位kPa；e s − e a 为饱和水汽压差(kPa)；Δ为饱和水汽压斜率(kPa∙℃ −1 )， 为湿度计常数，单位kPa∙℃ −1 。
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user: 3. 研究区概况与生态目标的确定 3.1. 永定河北京段概况 永定河水系是海河流域的一级支流，流域总面积4.7 × 10 4 km 2 ，其中北京境内流域面积约3168 km 2 。永定河北京段，为官厅水库以下的幽州站到梁各庄区间，区间长度为169.4 km，其中三家店以上的官厅山峡段91.2 km，为自然河流段，三家店以下为平原河段，长度78.2 km。三家店以上的山峡区间来水量少，导致三家店以下常年断流，示意图如图1所示。目前生态修复和治理的主要对象是永定河北京段的平原河段，是典型的人工重建河道。永定河北京段主要河段基本特征值见表1。 永定河北京段的重点生态维护地区为城市段三家店到卢沟桥区间，分布有五大湖区，从上到下分别是门城湖、莲石湖、园博湖、晓月湖和宛平湖，河段总长度为18.4 km，平原城市段由五大湖泊和贯行溪流连接而成。其主要特征值见表2。 图1. 永定河北京段示意图 Table 1 The major characteristic value of the river cours 长度(km) 坡度(‰) 河宽(m) 落差(m) 山峡段 91.2 3.1 70~300 283 平原城市段 18.4 2.5 500~1500 46 平原郊野段 59.8 0.38~1 200~1900 30 北京段 169.4 2.1 70~2000 359 表1. 主要河段特征值 Table 2 The key characteristic values of the urban plain river and lake sectio 门城湖 莲石湖 园博湖 晓月湖 宛平湖 合计 河段长/m 5240 5800 4200 1850 1310 18，400 河段宽/m 294 376 580 430 420 河底高程/m 86.39~102 69.3~86.39 61.47~69.3 57~61.47 54.5~57.0 坡度/‰ 2.98 2.98 1.88 2.42 1.91 2.25 湖长/m 3300 3400 2700 1850 1310 12，560 平均湖宽/m 170 300 240 300 400 285 平均水深/m 1.5 1.8 1.8 1.5 1.0 水面面积/ha 61.9 109.2 96.3 55.5 52.4 375.3 其中：湖泊/m 56.1 102 91.8 55.5 52.4 357.8 溪流长/m 1940 2400 1500 0 0 5840 溪流面积/ha 5.8 7.2 4.5 0 0 17.5 表2. 平原城市段重要河湖特征值 3.2. 永定河生态目标的确定 3.2.1. 永定河北京段生态需水类型 永定河北京段的生态需水包括四个部分，第一是天然河流的生态基流量，第二是人工贯行溪流的生态基流量，第三是人工重建河段重点湖泊的生态需水量，包括蒸发和渗漏，第四是河滨带植被耗水量。其中天然河道的生态基流是过境性质的，有一定的消耗量，但是其主体并不完全损耗于基流的维持；人工河道的河湖湿地需水中一部分用于蒸散发和渗漏，另外一部分也要根据水质要求及时补水和替换，保障河湖的环境质量；对于河滨带植被的灌溉用水，则完全是消耗性的。 永定河山峡段是自然河段，生态需水的主要类型是生态基流和部分河湖的蒸发与渗漏。永定河人工河段从山前三家店开始到出口梁各庄结束，长度共78.2 km，可以划分为两个部分，其中三家店到卢沟桥段长18.4 km，为城市平原段，是生态治理的核心；从卢沟桥到梁各庄为平原郊野段，长59.8 km。永定河三家店到梁各庄段的生态需水类型包括水面湿地的蒸发渗漏补水、河滨带绿化补水、特种绿地用水、贯行溪流用水和湖泊水质更换补水。其中湖泊蒸发渗漏补水量是用于补充景观湖泊、溪流、湿地等蒸发渗漏损失的水量。河滨带绿化补水是维持河滨带绿化的需水量，是生态治理的重要目标。北京市永定河流域的年降水量仅为513 mm左右，其中山区和平原地区降水量分别为500 mm和559 mm，不足以维持绿化用水需求。一部分河滨绿化带的维持需要人工补水，这是永定河生态构建中生态需水的必要组成部分。 3.2.2. 生态目标 根据永定河生态重建的要求和河道来水情况，可以把生态需水目标定为最低、适宜和最优三个层次目标。人工湖泊蒸发渗漏、贯行溪流等生态需水都要按照不同的目标确定补水阈值。城市河滨带灌溉补水采用相同标准，本研究不做分类。针对人类活动强烈干扰的永定河，设立生态目标如下： 最低生态目标，基流为来水量(包括区域产流和上游来水)的10%，消耗性生态需水仅能保证城市段河湖生态用水和河滨带植被用水。 适宜生态目标，基流为来水量的30%，人工河道保持适宜景观水面。此时可以在城市段增加对地下水的回补。在郊野段利用贯行溪流可以保障一定的生态流量，使永定河全河都成为有水的河。 最优生态目标，基流为来水量的60%，人工河道逐步恢复为自然河流。此时郊野段的河滨带植被用水得到保证，实现多滩多库有水有绿的最佳目标。
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user: 5. 永定河北京段人工重建河道生态需水量讨论 人工重建河道的生态需水量研究涉及生态需水目标的确定和调整、人工重建河道的概化以及不同类型生态需水之间的关联等。 1) 生态目标的确定与调整 生态目标的确定是估算生态需水量的基础。要确定生态目标，则需要对河道的生态目标进行定位。例如永定河人工重建河道的定位为“一河两岸、多滩多库、水草搭配、河湖相连”，在此基础上，提出保持一定的水面景观、维持水量平衡和可操作性等原则。一般而言，生态目标与生态需水量为正比例关系。生态目标愈高，则需水量愈大，人工重建河道生态需水量也是如此。 具体的生态目标根据当地水资源条件可设计为最低、适宜和最优等不同目标级别。在最低目标下基流最小，河湖水面达到基本生态目标，水生物种等遭到一定程度的破坏，河道出现断流现象；适宜生态目标下，生态基流满足河道基本物种的生存需要，但是特殊物种的繁衍需求难以满足，景观水面可以满足一般的旅游观光需要；最优的生态目标下生态基流接近自然状态，河湖水面良好，河道及其相关物种恢复到破坏之前的状态。 根据气候和水资源条件的变化及社会总体需求，一个地区或某一人工河道的生态需水目标可以有所调整。20世纪末期，北京市一些河段因为水资源不足，其生态需水目标可以从高目标降为中低目标，然而，进入21世纪后，因为有了南水北调工程配置的新水源，其生态目标可以从中低目标调整为较高的需水目标。 2) 人工重建河道的概化要素与生态需水量的关系 人工重建河道的生态需水量一般取决于河道断面、粗糙度、纵向坡度和河道渗透性等。首先是河道断面，河道一般按照明渠设计，渠道的形状以梯形为主。根据地质条件和服务目标的不同，概化的形状还有矩形、三角形和圆弧形。根据水力学原理，在相同过水断面面积条件下，圆弧形水渠的水力半径相对较小，流速小，需水量小，在施工条件允许下应尽可能选用。除断面外，渠道的粗糙度是另一个重要因素。渠道根据需要可以采用砂壤土、黏土、碎石、砖砌、混凝土等，其糙度依次从大到少，水流速度则依次加快。最后，河道的纵向坡度是决定河流速度和生态水量的关键因素。人工河道的坡度一般由自然条件决定，但是，为了减少生态基流需水量，可以采用区间跌水的方式进行集中消能减小水流速度。 河道渗透性与生态需水量也密切相关。透水性较好的河流，治理时一般进行防渗处理。防渗设施的渗透性差异很大，常规复合土的渗透系数为5.0 × 10 −7 - 1.0 × 10 −5 cm/s，而膨润土防水毯和土工膜的渗透系数可达5.0 × 10 −11 - 1.0 × 10 −9 cm/s。在使用低渗透性的膨润土防水毯和土工膜时，为了维持水生态系统健康，可以采取人为措施，调整土工膜的搭缝和连接的方法适当提高透水性，达到20 mm/d，即2.0 - 3.0 × 10 −5 cm/s，同时也兼顾了地下水的回补功能。 3) 非消耗性生态需水与消耗性生态需水之间的关系 人工重建河道的生态需水量主要涉及两个方面，第一是河道的基流，即生态流量，是维持河道健康的主要指标，是非消耗性生态需水量；第二是维持一定水体需要的蒸散发、渗漏的补水量，是消耗性生态需水量。这两种生态需水量属性各不相同，在某一河段甚至还有一定的重复和交叉，但是在开展生态需水配置时，因为基流部分在本研究的人工河段的下游还要继续发挥生态功能，因此需要分开计算。 上下游生态基流之间的关系是生态需水研究的另外一个问题。以永定河为例，需考虑人工重建河道和原有的山区天然河道，这两部分生态基流都是非消耗性的。上中下游各河段的生态需水量可以重复利用，在这种情况下，只需要取最大值即可。但是不同生态目标下的基流，应注意上下游关系，一般上游大于下游，天然河段大于人工河道。对于人工河道中的超大生态基流，应该以上游自然河道的基流成果为标准进行校核。由于本文考虑了生态目标的选取、不同生态需水属性和人工河道断面的概化，可是永定河北京段的生态需水量成果较为可靠。
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user: 6. 结论 本文以永定河北京段为案例，开展人工重建河道生态需水量研究，取得以下认识和结论： 1) 生态目标是生态需水研究的基础。人工重建河道的生态需水兼有河道内需水和河道外需水的两种属性。进行生态需水研究首先要确定生态需水的类型和目标。生态需水按照需求可以划分为最低生态需水、适宜生态需水和最优生态需水量等不同的目标。随着水资源条件和社会发展需求的变化，人工重建河道的生态需水目标可以进行调整。 2) 人工重建河道的生态需水分为两个部分，非消耗性生态基流和消耗性河湖绿地用水。北京市永定河人工重建河道的基流按照从最低到最优生态目标需水量为0.79 - 4.75 × 10 8 m 3 ，另外还需要河湖和河滨带植被用水0.28 - 0.92 × 10 8 m 3 ，其中河湖蒸发渗漏用水0.34 - 0.59 × 10 8 m 3 ，河滨带植被用水0.33 × 10 8 m 3 。 3) 人工河道的生态基流与河道断面、河道粗糙度、纵坡比和河道渗透率关系密切。为达到生态修复目标，在水量受到限制的情况下，可以通过调整人工河道的断面、粗糙度、水力坡度和河道渗透性来满足相应的生态需水量。
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user: 摘 要 本文介绍了纤维素基乙醇汽油的理化性质，并委托黑龙江省质量监督检测研究院参照GB18351-2010《车用乙醇汽油(E10)》国家标准进行资质检测，经测定纤维素基乙醇汽油完全符合GB18351-2010《车用乙醇汽油(E10)》国家标准；同时对纤维素基乙醇汽油与市售93#乙醇汽油进行了整车道路对比试验来考察纤维素基乙醇汽油经济动力性，结果表明纤维素基乙醇汽油优越市售93#乙醇汽油。 关键词 :纤维素基乙醇，纤维素基乙醇汽油，理化性质，经济动力性
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user: 1. 引言 石油是支撑交通等国民经济基础产业的重要战略资源，但目前全球的石油储量仅供开采40年左右，趋于枯竭，急需新一代液体燃料替代 [ 1 ] 。在石油危机的背景下，为减少对进口原油的依赖，各国政府均制定了“乙醇发展计划”，开始大力推广车用乙醇汽油 [ 2 ] 。 目前国内外燃料乙醇的生产主要以玉米等粮食淀粉为原料，存在生产成本高、原料供应有限等问题，同时中国地少人多的现状也决定了以粮食为原料的乙醇大规模生产必将导致“与人畜争粮，与粮食争地”的不利局面，我国的粮食安全将受到严重威胁 [ 3 ] [ 4 ] 。同玉米等粮食资源相比，林木纤维原料是丰富而且廉价的可再生资源。 林业生产过程中产生的植物固形物为林木纤维素类生物质，通常含有38%~50%的纤维素、20%~35%的半纤维素和15%~25%的木质素，纤维素是葡萄糖高聚物，作为一种化石燃料的替代能源，由于其具有“CO 2 零排放”效应、低硫、资源广泛和可再生性等特点，如果能将这些取之不尽的可再生资源得到充分有效的利用，必然具有重大的社会和经济意义 [ 5 ] [ 6 ] 。因此以纤维素类生物质为原料生产乙醇汽油必将是一个非常具有潜力的发展方向，它既节约有限石化资源，又可降低环境污染，是一项集环境效益、社会效益和经济效益于一体的新型可持续环保产业，其重要意义是毋庸置疑的 [ 7 ] 。林木纤维素生物质转化新型能源和高附加值化工产品是国内外关注研究热点，包括液态烷烃，2，5-二甲基呋喃，生物乙醇等，其转化的关键步骤是纤维素生物质清洁水解成葡萄糖，然而纤维素是由β-1，4-糖苷键组成的长链分子，分子内及分子间由于氢键的存在形成高度的结晶结构，这种超稳态结构不同于直链淀粉的螺旋结构，使得纤维素水解异常困难 [ 8 ] 。浓酸水解是低温下，纤维素在浓酸作用下首先水解成低聚态的葡萄糖，然后再在稀酸溶液中进行二次水解进一步生成单糖–葡萄糖，其原理是结晶纤维素较低温度下完全溶解于72%的硫酸中，导致纤维素的均相水解，典型的工艺是用60%~90%的浓硫酸来进行酸解。浓酸水解反应具有条件温和，能耗低，速率快，水解率高等优点，但酸回收是困绕浓酸水解技术应用的关键所在 [ 9 ] 。如何以经济的方法把酸和水溶性纤维素分离，不但便于水溶性纤维素在后续工艺过程中的处理，同时为酸循环回收使用创造条件，既节约了成本又未造成环境污染，具有重大经济和社会意义 [ 10 ] 。 我国的林木纤维原料资源非常丰富，因此，利用纤维原料生产乙醇具有巨大的潜力，同时可以减轻林业废弃物对环境造成的压力，从而实现经济和社会的可持续发展 [ 11 ] 。研究开发纤维原料的转化技术，将其中的纤维素水解成可发酵性糖，进一步发酵生产乙醇，对开发新能源，保护环境具有非常重要的现实意义。因此，将林木纤维素通过酸解制备成葡萄糖进而通过发酵制备成乙醇汽油，它在资源方面具有可再生、分布广、储量大的优势，在产品方面具有热值高、灰分少、成本低的优势，因而在替代石油能源中发挥十分重要的作用 [ 12 ] 。 本文主要介绍了纤维素基乙醇汽油的理化性质检测，及其纤维素基乙醇汽油与市售93#乙醇汽油进行了整车道路对比试验来考察纤维素基乙醇汽油经济动力性。
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user: 2. 材料与方法 将木粉160℃碱煮2小时提取林木纤维素，再将林木纤维素为原料进行水解、糖化、发酵、精馏、脱水，得到纤维素基乙醇，最后将得到的纤维素基乙醇按照10%的加入量加入到大庆喇化加油站的93#无醇汽油中射流混合，制得纤维素基乙醇汽油。 2.1. 材料 纤维素基乙醇：由生物资源生态利用国家地方联合工程实验室，通过林木纤维素进行水解、发酵、精馏得到的纤维素基乙醇。 汽油：为大庆喇化加油站93#无醇汽油、哈尔滨中国石油加油站市售的93#乙醇汽油。 纤维素基乙醇汽油：为生物资源生态利用国家地方联合工程实验室制得。 2.2. 纤维素基乙醇汽油理化性质检测 委托黑龙江省质量监督检测研究院参照GB18351-2010《车用乙醇汽油(E10)》国家标准进行资质检测。 2.3. 纤维素基乙醇汽油经济动力性检测 2.3.1. 试验方法 委托黑龙江省汽车产品质量监督检验站进行纤维素基乙醇汽油整车道路试验，以哈尔滨中国石油加油站市售93#乙醇汽油作为对照，进行在用车等速油耗、加速性能的道路对比试验及排放污染物的常规检验，试验车辆为上海大众的poto轿车，车辆荷载乘员为4人，车辆牌号为黑AB8768，行驶里程155，708 km。 在试验车辆上安装汽车拖拉机综合测试仪做等速油耗试验，分段行驶速度为60 km/h、90 km/h每个速度行驶距离500 m，折返两次测量油耗，求平均值。燃油分别为对照油和样品油进行等速油耗测试。发动机性能台架对比试验日期为2012年07月02日至2012年07月06日。 2.3.2. 试验日期及气象条件 试验日期：2012年6月30日至2012年7月1日。 试验地点：哈尔滨市松北区世贸大道进行，天气状况见表1。 2.3.3. 试验项目和依据 汽车等速行驶燃料消耗量试验；汽车加速性能试验。 GB/T 12534-1990 《汽车道路试验方法通则》 GB/T 12545.2-2001 《商用车辆燃料消耗量试验方法》 GB/T 12545.1-2008 《乘商用车辆燃料消耗量试验方法》 GB/T 12543-2009 《汽车加速性能试验方法》 GB3847-2005 《车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排放限值及测量方法》 2.3.4. 试验用仪器 试验用仪器见表2。
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user: 3. 结果与分析 3.1. 纤维素基乙醇汽油理化性质检测结果 检测结果从表3可知，纤维素基乙醇汽油符合GB18351-2010《车用乙醇汽油(E10)》国家标准。 3.2. 纤维素基乙醇汽油经济动力性检测结果 3.2.1. 等速油耗试验结果 试验结果见表4；等速油耗试验曲线见图1。 3.2.2. 加速试验结果 试验结果0~90 km/h全油门起步加速试验结果见表5。 试验结果400 m距离全油门加速通过试验见表6。 3.2.3. 排放污染物检验结果 自由加速烟度的检验结果见表7。 3.3. 测试结论 试验结果表明，纤维素基乙醇汽油等速耗油量与市售93#乙醇汽油相当，最多相差3.4%；纤维素基乙醇汽油动力性能优于市售93#乙醇汽油；纤维素基乙醇汽油在HC化合物排放上优于市售93#乙醇汽油，无CO排放，NO排放在高怠速工况下高于市售93#乙醇汽油，但在国家规定的排放范围之内，完全符合环保部发布的《轻型汽车污染物排放标准(中国第五阶段)》。