城市生态学长期监测的几个关键问题

伴随城市人口快速聚集及人类活动加剧,城市生态环境质量及其对人类社会经济发展的支撑能力正在受到严重挑战,城市生态系统及其变化的研究越来越受到重视,国内外涌现出大量城市生态学长期监测工作,但相关监测方法的讨论还很少。在分析城市生态学长期监测类型和实践经验基础上,从城市面临的环境胁迫和建设管理需求出发,构建了城市生态学长期监测的“胁迫+需求-生态系统响应”总体思路框架;从科学上最基本和社会上最关心的城市生态系统要素、格局和过程着眼,提出城市生态学长期监测的7项内容(土地覆盖与利用、人居环境质量、生物多样性、生物质生产、水文过程、生物地球化学循环和物质代谢);并分析了城市生态学长期监测的4种方法(遥感监测、仪器监测、调查监测、公众科学监测),分析了城市生态学长期监测单元及其空间布局及监测频率。这将为我国城市生态学长期监测工作开展提供方法论基础和实践参考。

光纤长期监测技术在煤层气开发中的应用

煤层气储层动态监测受井筒条件限制,煤层动态监测效率低,监测资料少,无法准确分析各层段的开发情况,制约了煤层气开发动态矛盾分析和调整方案的制定。分布式光纤测井在华北某煤层气田开展了实际应用,在正常生产条件下实时反映了各层段的产气动态、环空液面变化,并反映了管柱在生产中发生的异常,起到了异常预警作用。本文从煤层气开发特点角度分析了煤层气开发监测需求和光纤监测的适用性,并通过实际案例展示了分布式光纤在煤层气井动态监测中能发挥的作用和效果,在一定程度上解决了煤层气多层开采监测难题。

高速铁路高架车站轨道系统长期监测技术研究

随着科技的不断进步和经济全球化的深入发展,高速铁路以其高速、安全、舒适的特点在全球范围内实现了迅猛的发展,成为现代交通体系中不可或缺的重要组成部分。高速铁路的发展不仅极大地提升了交通效率,也为经济社会的发展注入了强大的动力。随着高速铁路网络的日益扩大和运营速度的不断提升,对高速铁路高架车站轨道系统的安全性和稳定性也提出了更高的要求。而高架车站轨道系统作为高速铁路的核心组成部分,其结构复杂、技术性强,对设计、施工、运营和维护等各个环节都有着极高的要求。在日常运营中,高架车站轨道系统需要承受列车高速运行带来的巨大冲击和振动,同时还要应对各种复杂多变的环境条件。对高架车站轨道系统进行长期监测与性能评估是确保高速铁路安全稳定运营的关键环节。

黄土高塬沟壑区农田土壤养分与作物产量变化的长期监测

【目的】土壤养分含量是反映土壤肥力状况的重要指标,对农田肥料投入和土壤养分进行长期定位监测,有利于准确反映土壤养分变化趋势。利用黄土高塬沟壑区不同施肥监测区10年的长期监测资料,分析对比不同监测区土壤养分含量和作物产量的变化,分析土壤养分、产量与施肥的关系,为当地农田生产的施肥管理提供理论依据。【方法】本研究试验监测区的农田管理完全参照大田管理模式,共设置四大试验监测区,包括无肥监测区（CK）、化肥监测区（HF）、化肥有机肥监测区（HM）和农民地块监测区（NM）,肥料均于作物播种前作为基肥撒施。在每年冬小麦收获期6月中下旬,或玉米收获期9月中下旬,采集表层（0—20 cm）土壤样品,处理后进行土壤养分的分析,并且在作物收获期测算作物产量以及植株地上部分的氮、磷、钾含量。【结果】与试验前相比,CK监测区土壤有机质降低1.73 g/kg,HF监测区增加1.97 g/kg,HM监测区增加2.20 g/kg,NM监测区增加1.44 g/kg;CK监测区土壤全氮减少0.08 g/kg,其他施肥监测区增加0.05~0.13 g/kg;HF监测区土壤碱解氮增加7.8 mg/kg,而其他监测区均不同程度地降低;HM监测区土壤有效磷增加最为显著,增幅达到11.86mg/kg,HF监测区增加8.42 mg/kg,NM监测区增加3.06 mg/kg,CK监测区增加2.44 mg/kg;CK监测区土壤速效钾明显下降,降低38 mg/kg左右,NM监测区增加最为显著,增加量为27.5 mg/kg。对冬小麦而言,相比于CK不施肥区,HF、HM和NM监测区都能够显著提高产量,但各施肥监测区之间产量差异不显著。农田养分平衡分析表明,化肥和有机肥配施,可使土壤中N、P、K素均有盈余;只施化肥时会导致土壤K素亏缺严重;当土壤长期不施用任何肥料时,土壤各养分元素均出现亏缺。【结论】在黄土高塬沟壑区,作物生育期降水量及其分配、积温条件和肥力水平对小麦产量影响显著。施肥10年后,各施肥区土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量都有不同程度的提高,土壤碱解氮只有单施化肥的增加。无肥监测区由初始含量的最高水平最终降至最低,证明了长期施肥对于土壤肥力的维持具有重要意义。另外,该地区农民地块存在过量施肥现象。

基于长期监测数据的苏通大桥桥址区风特性研究

苏通长江大桥地处我国东部沿海地区,自2008年5月建成通车至今,其结构健康监测系统(SHMS)已采集到一年多的风特性数据。为建立桥址区风特性数据库,通过对现场实测数据的分析,得到10min平均风速年最大值的风玫瑰图、紊流强度、紊流积分尺度以及紊流功率谱函数等风特性。结合与桥梁抗风规范建议值的比较,总结了桥址区的风特性及其规律。研究结论为苏通大桥的抗风安全性评价提供了实测依据,同时可为该地区其他工程结构的抗风研究提供参考。

公路运营隧道衬砌裂缝长期监测及分析

裂缝在公路运营隧道衬砌结构中普遍存在,其稳定与否直接关乎隧道的运营安全,而通过监测手段分析预测裂缝的发展态势是一种最为直观和有效的手段。文章针对目前衬砌裂缝监测成果偏少这一现状,依托某二级公路隧道工程,主要对以下内容进行研究:从裂缝类型、所处位置及围岩级别、裂缝的几何特征3个方面分析了衬砌裂缝的分布规律;采用光栅光线传感器对选取的12条典型衬砌裂缝进行了为期2年的监测工作,监测成果表明衬砌裂缝发展规律可大致分为平稳型、周期性变化型、增长型及闭合型4种,且从裂缝几何特征参数的监测数据可以看出,多数裂缝处于一种相对稳定的可控状态,对隧道结构稳定性影响较小;从勘查设计、施工以及运营管理3个环节对隧道衬砌裂缝成因进行了系统分析,并据此提出了隧道衬砌裂缝预防措施;对衬砌裂缝的治理,建议采用"先监测、后分类、再选择治理措施"的治理理念。研究成果可为国内外类似隧道工程衬砌裂缝评估及防治提供参考与借鉴。

青藏铁路多年冻土区工程长期监测系统

青藏铁路穿越了大片连续多年冻土地区,建设中采取了冷却路基的设计思路,采用了大量特殊的工程技术措施.为了解工程和气候作用下冻土变化过程以及路基稳定性与冻土变化关系,在青藏铁路沿线布设了44个路基监测断面进行地温监测和路基表面的变形监测,同时开发了青藏铁路长期监测系统软件,负责数据的存储、分析工作,其中地温监测数据通过青藏铁路专用网络GSM-R实现了远程传输.该系统的建立为进一步开展冻土相关研究工作提供了基础数据,也为路基稳定性预警提供了科学依据.

超长预应力混凝土框架结构的长期监测与分析研究

对某超长预应力混凝土环形框架结构进行为期1年的混凝土应变与温度监测,分析混凝土温度的季节性变化和昼夜变化,得到温度分布规律。不受日照的结构构件昼夜温差小,与当天气温相关性不明显;受日照的构件昼夜温度变化的幅值大,其相位滞后于气温,可见结构分析与设计时需合理考虑日照作用。与监测前进行的整体结构弹性温度应力分析相比,实测结构应变变化较小,绝大部分测点的应变增值小于混凝土极限拉应变,53.7%的测点在监测期内一直呈现负应变差。数据显示,该结构在监测期内的多种荷载作用下未出现应力状态异常的现象。

严寒地区高速铁路路基稳定性长期监测研究

研究目的:为保证严寒地区高速铁路的安全运营,通过分析严寒地区高速铁路路基的特点确定监测指标,并结合哈大高铁路基开展相应的监测技术研究,建立路基稳定性长期监测系统,实现路基状态多参量一体化的自动采集、信号自动传输、数据自动分析处理。基于获取的三年监测数据,进行路基稳定性指标的初步分析。研究结论:(1)路基地温呈周期性波动,地温振幅随深度增加而减少。浅层存在季节冻结层,冷季时自地表向下单向冻结,暖季来临时双向融化;(2)不同深度处的水分出现了迁移和重分布;(3)在列车动荷载和冻融循环作用下,填土性质可能发生了变化,导致了冻胀和融沉压缩变形;(4)监测系统运行稳定,监测数据可充分反映路基的地温等指标的分布规律,从而为哈大高铁路基的病害整治和行车安全提供重要支撑。

航行船舶在波浪中响应长期监测技术

船舶在运营中遭遇恶劣海况时结构可能会发生破坏,从而对船舶在海上航行的安全性产生严重影响。对航行船舶结构安全性的实时监测与评估是船舶设计研究人员非常关注的问题,它对船体结构的研究、设计和标准制定以及航行操作都有重要的意义。对研发成功的一套航行船舶在波浪中响应的长期监测系统(LOTEMS)及其在实船航行中的长期应用情况进行介绍和分析。该系统能对船体结构的总纵强度和局部强度、船舶6个自由度的运动模态以及船舶的加速度进行实时的跟踪测量和分析,可为船舶结构安全状态提供必要的警示信息,以便为船舶操作人员航行决策提供辅助依据。

长期监测水体可溶性有机碳变化趋势与影响因子研究进展

美国、欧洲等长期监测表明,地表水体可溶性有机碳(DOC)有逐渐增高的趋势,水体DOC增高将导致地表水有机酸增加、pH变化缓冲能力增加、水体颜色增加、水体可见光和紫外光穿透能力降低等,也会对淡水养殖业、饮用水质量、河口和沿海生态系统、碳循环带来广泛的影响。大多数河流有机碳的浓度对水文过程响应非常敏感,流域的地质和岩石特征影响着河流水体的DOC含量。在空间分布上,DOC同温度呈反相关,但在时间变化和特定监测点位,水中DOC同温度呈正相关。酸沉降、CO2浓度增高和氮富集等变化也可能影响地表水体DOC的变化。中国生态系统研究网络(CERN)唯有三江湿地站从2004年开始监测地表水中DOC含量,其他关于水体DOC变化的长期监测和影响因子研究很少,在我国典型生态系统开展地表水、土壤水DOC长期监测与影响因子研究具有重要的意义。

基于长期监测的北方跨海斜拉桥钢箱梁截面温差特性分析

钢箱梁斜拉桥受其结构特征影响受力状态非常复杂,钢箱梁结构温度受环境条件影响变化难以预测,截面内温度差异对钢箱梁应力分布具有显著影响,确定钢箱梁截面内温差基准值是确保桥梁结构安全耐久的必要条件。目前国内外设计规范对截面温差基准值的确定尚没有统一的方案。通过坐落于我国北方冰冻海域的大跨度钢箱梁斜拉桥长期监测系统,获取跨中主梁截面温度测点监测数据。对2012年跨中大气温度数据进行整理,年温度变化具有显著的季节性特征。钢箱梁跨中截面的6个主要温度测点的温差分析显示,顶板横向温差与顶底板纵向温差显著,底板横向温差非常小,顶底板温度横向分布呈明显不对称性。采用加权威布尔分布分别建立主要测点间正负温差概率分布模型,分布函数拟合效果良好。在此基础上结合国内外相关规范提出了基于极值分析的截面内温差基准值计算方法。以2012年至2015年的监测数据为样本,在年样本抽样数取12的前提下,对钢箱梁截面上最为显著的两组测点温差的基准值进行了计算。计算结果表明,指定50年重现期下钢箱梁跨中截面顶板横向温差为21.42℃,顶底板竖向温差为28.53℃,超过《公路桥涵设计通用规范》规定的20℃,设计与监测钢箱梁斜拉桥时必须对主梁温度应力给予足够的重视。

严重不良地质段隧道结构长期监测与安全评价

在役公路隧道开展长期监测的重要性已得到普遍性认识,但目前养护作业仍以结构检查为主,运营期监测实施案例不多,仅通过检查较难及时跟踪病害发展、准确评价结构安全状况,也不利于长期监测技术的发展。文章以穿越严重不良地质段的隧道工程为例,综合考虑施工揭露不良地质条件及运营期病害特征,研究制定了针对性的长期监测方案,并开展实际应用,进而基于监测数据评价结构技术状况,指导维修养护。通过研究,制定了涵盖建设期、运营期的长期监测方案,包括建设期严重不良地质段的预埋监测及运营期的病害部位监测,明确了不同阶段及部位的监测内容、断面、测点位置、仪器选型、自动化监测方法等。长期监测数据有效反映了自断面开挖起结构外部荷载、内力受围岩劣化影响的变化过程及分布特征。位于断层及围岩过渡段处的监测断面,围岩压力相对较大;在施工初期,围岩压力逐渐增大并趋于稳定;隧道投入运营后,围岩压力出现较大波动,隧道运营半年后,围岩压力逐渐减小并趋于稳定;衬砌裂缝、沉降变形与围岩压力变化基本一致;截止目前预埋监测断面围岩压力、结构内力、病害段裂缝及变形已基本稳定。衬砌裂损技术状况值为2,左拱腰结构安全系数由2.8降至1.8,降幅35. 7%,与技术状况值基本吻合。依据评价结果,对不同类型病害提出了处治建议,指导了隧道结构养护维修。

传感器在长期监测公路下连拱隧道受力的应用

为了保证隧道施工和后期运营安全,以及保证隧道上方公路的安全运营,有必要监测隧道支护结构的受力状态。对公路中间下方的隧道断面支护结构的受力进行了3年多的长期监测,介绍了对支护结构受力的监测方案和所使用的传感器与测试仪。监测结果表明:对该断面支护结构的受力进行长期监测是有必要的,所使用的传感器适合于隧道支护结构受力的长期监测。

深海甲烷电化学原位长期监测技术及其在海洋环境调查和天然气水合物勘探中的意义

深海溶解甲烷浓度数据连续获取的方法技术,对于海洋环境和天然气水合物开发过程中甲烷扩散作用及通量的动态监测,具有重要的科学意义和实际应用价值。本文较详细地介绍了依据"海水脱气、气体样品定量输入、电化学高精度检测"技术思路,采用"增压排液整机系统控制的海水循环、减压稳流、气液分离、烃类组分高精度检测技术改进"方法,研发"深海甲烷电化学原位长期监测技术"的关键环节和技术方法。结合原位传感器在胶州湾港口为期94天底水长期监测实验获取的数据成果,对原位传感器的技术性能、数据质量、地质效果进行了研究评价。结果表明:(1)原位传感器量程甲烷指标达到0.01～10 000 nmol/L,灵敏度达到0.01 nmol/L,对烃类组分检测具有较好的稳定性和选择性;(2)监测水域溶解甲烷数值范围19.01～106.87 nmol/L,正常甲烷背景32.41 nmol/L,局部异常甲烷背景80.60 nmol/L,资料显示异常与污水排放过程对海水环境污染有关;(3)实测甲烷数据成果地球化学特征与胶州湾海域海水环境以往调查研究成果符合,证明了实测数据的客观性和科学性;(4)海试监测试验成果证明,原位传感器测试性能可靠、结构设计合理、设计思路科学,基本具备了海洋科学调查中对海水甲烷浓度数据获取的能力,在未来海洋天然气水合物开发过程中对甲烷扩散作用的动态监测及深海甲烷浓度通量的长期监测中,具有实际应用价值和科学意义。

基于数字化CSIRO双温补偿方法的岩体扰动应力长期监测系统的研发与应用

围岩应力扰动是引起工程失稳、破坏的直接因素,目前针对应力扰动的获取尚无有效手段和技术。随着深部岩体力学与开采理论研究的发展,对扰动应力监测成为深地课题需要研究的重要内容。本文利用空心包体地应力测量基本理论,提出双温度补偿技术,研发岩体扰动应力长期监测系统,并在工程现场实现对岩体扰动应力的实时监测。针对长期监测中环境温度影响过大、供电不稳、采集通道调平范围小等不足,研发了断电续采型数字化采集电路。基于空心包体地应力测量基本理论和完全温度补偿技术原理,提出采集电路的双温度补偿方法,并用该方法对采集电路进行室内标定。考虑应力监测环境特点,设计了岩体近开挖面测点应变片布片方案,并基于地应力测量原理推导了测量应变与应力的关系公式。断电续采型数字化采集电路的研发,实现了调平通道大范围量程的原位同步温度监测,克服了常规采集电路供电不稳造成的监测数据无法接续的问题,室内试验测定断电20 d数据连续性满足测量精度要求。根据室内标定数据,双温度补偿方法有效地剔除温度变化对监测系统监测精度的影响,并针对岩体边坡和地下硐室两种不同工程环境设计研发出相应的岩体扰动应力长期监测系统。现场应用显示,岩体扰动应力长期监测系统充分体现了断电续采和双温度补偿方法的优势,通过应变与应力关系式计算得出的结果显示,系统能对岩体扰动应力实现有效的监测。

天然气水合物海底环境效应长期监测低功耗控制系统嵌入式设计

天然气水合物大规模勘探和开采必须首先对水合物的环境效应及环境灾害进行研究和评估,天然气水合物海底环境效应长期监测装置长期驻留海底,实现水合物多参量环境数据监测、采集和传送,使用低功耗嵌入式设计水下控制系统,可以降低功耗,实现更长时间、稳定的水合物海底环境长期监测。以S3C6410A为主处理器,设计了面向天然气水合物海底环境效应长期监测的嵌入式水下控制系统。该控制系统具有通用的硬件接口和良好的可扩展性,运行winCE操作系统,定期启动多参量传感器模块和监测仪器进行数据采集、存储,供电模块根据监测频率进行周期性供电。测试表明,所设计的控制系统运行平稳,在降低功耗方面具有较好的性能。

中国科学院红壤生态实验站长期监测研究进展

针对红壤地区面临的一系列土壤问题,中国科学院红壤生态实验站围绕典型红壤地区水、土、气、生4个方面的各项指标参数进行了长期监测。每年共采集和分析整理各类数据约30 Mb。大量的监测数据信息为红壤生态系统的长期研究以及区域农业可持续发展提供了支撑服务。通过多年的监测研究,发现红壤地区土壤p H呈下降趋势,土壤有机质、全量氮、磷等养分含量不同程度增加,土壤速效养分含量增长速度缓慢。

2004–2015年海伦站不同管理方式下黑土农田土壤含水量长期监测数据集

土壤水是农田生态系统中物质运移的载体,对作物生长和生态系统功能有重要影响。研究表明,水分是我国东北黑土区农业生产的主要限制因素。土壤含水量是中国生态系统研究网络(CERN)陆地生态系统水环境观测的重要指标。中国科学院海伦农业生态实验站(简称海伦站)是我国唯一从事黑土农田生态系统长期定位监测、研究与示范的国家级野外台站。1993年,海伦站将典型作物种植制度和施肥制度相结合建立黑土农田土壤水分观测场,按照CERN的要求进行长期水分数据观测及汇交工作。本数据集收集、整理了2004–2015年典型农田管理方式下土壤剖面含水量长期观测数据,为研究东北黑土区水资源变化和农业可持续发展提供基础数据支撑。

活动断裂带隧道结构变形长期监测系统

针对活动断裂带引起的隧道剪切破坏问题,文章研究了活动断裂带对隧道稳定性和安全性的长期影响,提出了活动断裂带隧道监测的基本原则和监测方法。在穿越活动断裂带的隧道运营监测中,针对活动断裂带中设置的衬砌变形缝的三向位移进行监测,监测结果可直接反映活动断裂带运动对隧道结构的影响程度。由此建立了一套可供运营单位使用的长期监测活动断裂带对隧道影响的系统,可对运营期间发生的地震尤其是活动断裂缓慢错动引发的安全问题进行分析和评估,以供运营决策参考。