“跨学科教学视角+离散单元法综合实训”的非计算机学科本科生编程计算能力培养

针对省属高校新工科建设由于办学资源等因素制约而不宜套用部属及双一流高校路径的问题,在问卷调查分析理工科本科生计算编程能力状况的基础上,提出微调培养方案,通过增设跨学科综合实训体系推动新工科建设。以融合多学科知识的离散单元法综合实训为例,探讨其对理工科专业的综合性及普适性,介绍构建综合实训的教学框架的方法,并从跨学科知识学习、编程逻辑与方法、心理建设等方面阐述如何培养非计算机学科本科生编程计算能力的多维途径,通过介绍初步实践过程说明教学效果达到预期目标。

若干风蚀粉尘释放模型述评

粉尘气溶胶对大气、陆地和海洋多方面的影响促进了粉尘释放的模拟研究。Gillette和美国EPA的粉尘释放模型相对地比较简单,主要考虑了摩阻速度和土壤质地对粉尘释放的影响,没有考虑粉尘释放过程的微观机制;邵亚平和Alfaro等人的DPM粉尘释放模型都通过土壤粒度分布、粗糙度和起动摩阻速度等参数表达了地表特征对粉尘释放的影响,且都描述了粉尘释放的微观机制。20多年来粉尘释放的模拟研究取得了重要进展,主要表现在通过室内和野外实验证实了粉尘释放的主要机制为跃移颗粒的冲击,并分别从粉尘的结合能与跃移颗粒动能及跃移颗粒产生的弹坑体积角度来描述这个微观机制。然而所有的模拟工作只是从某一方面反映了粉尘释放过程,对粉尘释放机制还没有完全了解清楚,特别的是目前关于粉尘结合能研究还有很大的不确定性,这也是粉尘释放模型需要改进的地方。

活性炭表面酸性含氧官能团对吸附甲醛的影响

利用Bothem滴定法测定了化学浸渍处理的活性炭表面酸性含氧官能团浓度,研究表面酸性含氧官能团对甲醛吸附的效应。结果表明,HNO3浸渍处理能有效增大活性炭表面的羧基、酚羟基和内酯基浓度;H2O2浸渍处理主要增大了活性炭表面的酚羟基浓度;随着NaOH浓度的增大,活性炭表面的酚羟基、内酯基和羰基浓度大致呈先增大后减小的趋势,这是由于NaOH的化学清洗作用和酸碱中和反应所致;HNO3浸渍处理的活性炭表面的酸性含氧官能团浓度显著超过NaOH、H2O2浸渍处理的活性炭,而30%(质量分数)NaOH浸渍处理的活性炭和30%(体积分数)H2O2浸渍处理的活性炭吸附甲醛的饱和时间比HNO3浸渍处理的活性炭吸附甲醛最大饱和时间分别多4.0、1.5 h,说明酚羟基能够显著影响活性炭吸附甲醛的效果。

定量评价中国北方粉尘源区地表覆盖类型对表土风蚀强度的影响

根据中国北方不同地表覆盖类型下表土的微团粒粒度分布和粗糙度长度参数,应用DPM模型分别计算了高草覆盖下、低草覆盖下、开垦耕地、砂砾质戈壁、砾质戈壁和裸露沙地在不同摩擦速度时的跃移通量。结果表明,裸露的粉细砂和细砂的跃移通量分别是砂砾质戈壁的几十倍;只有在极高风速条件下低草和高草覆盖下的砾质砂地才出现风蚀,其跃移通量与前面几种覆盖类型存在着1—2个数量级的差异。不同覆盖条件下地表可蚀性组分粒度分布和粗糙度长度的差异是造成风蚀强度差异的主要原因。在此基础上,从风蚀机制讨论了中国北方第四纪粉尘和现代粉尘的主要源区。

西安市公园大气降尘中Cu、Pb、Zn、Ni、Cd的化学形态特征及其生物有效性

采用连续提取法和原子吸收光谱法测定了西安市11个公园降尘中Cu、Pb、Zn、Ni、Cd等元素化学形态的含量,结果表明,各公园降尘中Cu和Pb含量均超过该市道路灰尘平均含量的7倍和3倍以上,有机态、铁锰氧化物态、碳酸盐态和可交换态分别为Cu总量的38%、31%、15%和13%;有机态、铁锰氧化态、碳酸盐态和交换态分别为Pb总量的35%、29%、14%和14%;除北郊的公园外,其它公园降尘中Zn的含量与道路灰尘接近,Zn以铁锰氧化态或残渣态为主;Cd含量均未超过道路灰尘中的平均含量;除城市运动公园外,其它公园降尘中Ni含量低于或接近陕西省塿土.有机结合态Cu和Pb主要与生物碎屑物质和化石燃料不完全燃烧的产物有关,铁锰氧化物结合态和交换态与制造业排放有关,碳酸盐结合态与表土扬尘有关.Ni和Cd以残渣态为主.各公园降尘中的Pb和Cu对人体健康具有潜在的威胁.

阴山以北沙漠化地区表土的起动摩阻风速

利用实测的表土微团粒粒度分布数据和前人植被覆盖调查数据提高了模拟的起动摩阻风速的空间分辨率,体现了沙漠化草原和农田景观的空间异质性对粉尘释放的影响;考虑了沙漠化过程对地表粒度分布、植被覆盖、空气动力学粗糙度和起动摩阻风速等参数的影响,反映了沙漠化过程对粉尘释放的影响.Marticorena起动摩阻风模式的模拟结果显示,沙化草原的起动摩阻风速约在35～75cm·s^-1之间,砾质化草原的起动摩阻风速55～105cm·s^-1之间,沙化农田的起动摩阻风速最低,为20.43cm·s^-1,砾质化农田的起动摩阻风速为55cm·s^-1.这说明沙漠化对温带草原地区土壤风蚀和粉尘释放有着显著的影响,沙漠化加剧,表土起动摩阻风速减小,粉尘释放通量增大;沙漠化逆转,粉尘释放通量减小.和西北干旱地区的沙质荒漠和砾质荒漠比较,温带半干旱草原地区是中国北方粉尘的不稳定源地,其粉尘释放受沙漠化过程的影响.

平坦沙地的空气动力学粗糙度变化及其物理意义

利用风温廓线法测定了不同大气稳定度下的空气动力学粗糙度,以跃移传感器(saltiphone)记录的瞬时最小跃移通量观测瞬时起动摩阻风速．观测数据表明:空气动力学粗糙度随着大气稳定度变化而呈现明显的变化,近中性层结下其平均值在(1．2-4．5)×10-5m之间,不稳定层结的平均值在 (0．5-1．1)×10-4m之间,稳定层结的平均值在3×10-5-2×10-5m之间,不稳定层结空气动力学粗糙度高,稳定层结的低,近中性层结介于两者之间;3种大气稳定度下跃移过程的平均空气动力学粗糙度高于无跃移过程,近中性层结无跃移过程的平均空气动力学粗糙度在1-3×10-5m之间;野外测定的每日平均起动摩阻风速在0．19-0．26 m·s-1之间变化．观测与模拟结果表明近中性层结-地表无跃移过程下测定的空气动力学粗糙度对起动摩阻风速是有效的,而非中性层结下测定的空气动力学粗糙度对起动摩阻风速对起动摩阻风速的作用不显著,这能够从物理机制上得到说明．大气稳定度虽然对起动摩阻风速影响不大,但是否影响到风蚀强度还需要进一步的研究．

一种改进的高浓度风沙图像的动态灰度阈值分割算法

风沙跃移是塑造干旱区地貌的最主要的动力,其伴生的粉尘的释放、输送和沉降不但严重地影响了大气环境质量,也引起了全球气候系统和海洋系统的变化.单个沙粒轨迹形成是理解粒-床碰撞过程和风沙两相流耦合过程的重要纽带.高浓度风沙图像处理算法是深入理解沙粒轨迹形成机制的关键技术.为了实现对高浓度风沙图像精细处理,本文提出了不依赖于经验参数的动态灰度阈值分割算法,它包括背景模板去噪、绿光通道灰度化处理、图像微分、灰度方差阈值目标检测和最大类间方差灰度阈值分割等,其中背景模板去噪和灰度方差阈值目标检测等是新算法的主要亮点.高浓度风沙图像分割实验显示,扣减背景模板去除了条纹状和斑点状的稳定噪声;图像微分和灰度方差阈值目标检测显著地提高了暗沙粒识别的数量并有效地去除了随机噪声;改进算法的沙粒有效识别个数(人机判读坐标一致的沙粒数目)、查全率(计算机提取沙粒数目与人工判读的实际沙粒数比值)和查准率(有效沙粒数目与实际沙粒数目的比值)分别为461,71%和86%,显著地高于传统算法对应的85,13%和82%,这表明新算法对高浓度风沙图像的分割效果良好.避免单粒子分割和表观重叠问题是进一步完善高浓度风沙图像的分割算法的可能途径.

西安市大气降尘中Cu、Pb、Zn、Ni的化学形态及生物有效性——以燃煤电厂、生活垃圾电厂、产业开发区和建材商业区为例

为了解垃圾焚烧、燃煤发电和相关产业排放对重金属污染水平和生物有效性的影响,利用Tessier提取法和原子吸收光谱仪分析法研究了西安市垃圾发电厂、西郊热电厂、灞生态园、未央工业园、大明宫建材市场和高新区降尘中Cu、Pb、Ni、Zn的化学形态。结果表明:垃圾发电厂Cu(358.3 mg/kg)、Pb(851.3 mg/kg)、Ni(163.5 mg/kg)、Zn(1 226.1 mg/kg)的总量,超过热电厂、生态园、工业园、建材市场和高新区;生活垃圾焚烧、燃煤、石化和机械加工等对降尘中这些元素的贡献超过电子和先进制造业;降尘中Cu、Pb、Zn质量比约是土和道路灰尘平均值的若干倍,表明垃圾焚烧、燃煤和相关产业排放的贡献显著高于表土扬尘、道路扬尘。高新区Cu、Pb的生物有效性系数超过其他区域,表明电子和先进制造业排放的重金属元素具有更大的潜在生态风险。Cu、Pb、Ni(除垃圾焚烧厂外)的生物有效性系数均大于0.2,而Zn的生物有效性系数均小于0.2,说明降尘中Cu、Pb、Ni存在潜在风险,而Zn是安全的。

西安市不同灌溉类型农田土壤重金属污染状况研究

以西安市不同灌溉类型的农田土壤为对象,研究重金属污染现状及其与灌溉类型的关系。结果表明,不同灌溉条件下的农田土壤重金属含量差异较大,沣惠渠灌区土壤重金属Cu,Zn,Cd,Pb平均含量最高,邓家村污水灌区次之,皂河水灌区、井灌区更次之,泾惠渠灌区土壤中的含量最低。Ni,Cr元素含量则以邓家村污水灌区最高,沣惠渠灌区、皂河水灌区、井灌区、泾惠渠灌区依次降低。从污染指数来看,沣惠渠灌区>邓家村污水灌区>井灌区>皂河水灌区>泾惠渠灌区。沣惠渠、邓家村、皂河灌区重金属主要来源于污水;井灌区重金属主要来源于霸桥热电厂和渭河电厂以及农家肥的施用等;而泾惠渠灌区各重金属受成土母质和成土因素的影响较大。

风沙颗粒运动的数字高速摄影图像的分割算法

为了深入理解多因素驱动下风沙颗粒起动的动态演化规律,需要准确地获得沙质床面附近沙粒群起跳的方式、速度和运动轨迹.以连续强激光源为照明的数字高速摄影技术是研究这类问题的有效手段,但由于风沙运动的高速摄影图像具有运动沙粒和静止床面的对比度小、相邻两帧图像相似性小等特点,原始图像叠加算法难以有效实现目标与背景的分割.该文提出了基于相邻的风沙运动图像灰度差值变化原理的图像分割算法.实例显示,只要选择合适的相邻图像灰度差值阈值和自适应二值化处理方法就能实现图像中运动沙粒与床面分割.当起跳沙粒浓度较低情况下,基于MATLAB平台的最小距离匹配的粒子追踪算法(PTV算法)能较为准确地恢复床面附近沙粒的运动轨迹.

有关粉尘释放模型的应力分配模式存在问题的讨论

准确模拟粉尘释放通量对评价粉尘气溶胶的气候效应、沙漠化和沙尘暴防治具有重要意义。敏感性试验、室内和野外风洞实验表明被广泛使用的DPM(Dust Production Model)粉尘释放模型的2个应力分配模式———Marticorena模式和A lfaro模式存在明显问题:由于目前空气动力学粗糙度模式还不能考虑粗糙元间隙率和粗糙元分布状况空气动力学粗糙度的影响,以空气动力学粗糙度为主要参数的Marticorena模式和A lfaro模式还不能考虑粗糙元间隙率和粗糙元分布状况对应力分配的影响,而相关实验表明这些因素对应力分配存在显著影响;Marticorena模式和A lfaro模式预测的应力分配系数和起动摩阻风速存在显著差异,目前实验结果还不能判断二者正确与否;Marticorena模式和A lfaro模式预测的能够有效控制风蚀的应空气动力学粗糙度与实际观测相矛盾。针对上述问题提出了通过风洞实验改进当前应力分配模式的主要途径。

风沙流中蠕移粒子群动量分布特征的风洞实验研究

研究了风沙流中蠕移粒子运动过程,揭示了蠕移的新成因和蠕移粒子群动量分布的规律。利用改进的数字高速摄影技术同步记录了风沙两相流中蠕移粒子群的轨迹和粒径。约80%的蠕移粒子是由跃移粒子入射后动量衰减转化而来,是蠕移的主要成因。入射-反弹过程中的滚动粒子群、入射-滚动粒子群、跳跃滚动的粒子群、气力或冲击起动的滚动粒子群的动量分别集中于中值动量分别为0.5 mg ms-1,0.8 mg ms-1,3.7 mg ms-1,2.1 mg ms-1,标准偏差分别为2.43,2.15,2.34,0.95等正态分布模块。粒子群速度-粒度的反相关关系使得气力或冲击起动的蠕移粒子群的平均动量低于由跃移动量衰减转化的蠕移粒子群。由于复杂的粒度分布和速度分布的组合,导致蠕移粒子群动量分布符合多模块的正态分布模式。

西安市不同灌溉类型农田土壤重金属污染状况研究

以西安市不同灌溉类型的农田土壤为对象,研究了重金属污染现状及其与灌溉类型的关系。结果表明,不同灌溉条件下的农田土壤重金属含量差异较大,沣惠渠灌区土壤重金属Cu、Zn、Cd、Pb平均含量最高,邓家村污水灌区次之,皂河水灌区、井灌区更次之,泾惠渠灌区土壤中的含量最低。Ni、Cr元素含量则以邓家村污水灌区最高,沣惠渠灌区、皂河水灌区、井灌区、泾惠渠灌区依次降低。从污染指数来看,沣惠渠灌区〉邓家村污水灌区〉井灌区〉皂河水灌区〉泾惠渠灌区。沣惠渠、邓家村、皂河灌区重金属主要来源于污水;井灌区重金属主要来源于霸桥热电厂和渭河电厂以及农家肥的施用等;而泾惠渠灌区各重金属受成土母质和成土因素的影响较大。

中国粉尘源区表土碳酸盐含量与碳氧同位素组成

在中国的主要沙漠和戈壁等粉尘源区采集了地表沙或土壤(统称为表土)样品,分析了样品的碳酸盐含量和碳酸盐的碳氧同位素组成。结果表明,中国粉尘源区表土碳酸盐含量在空间上随着年降水量的增加而逐渐减少,大致呈现自西向东逐渐降低的趋势;碳酸盐δ13C值在空间上随着年降水量的增加而逐渐偏负,δ18O值缺乏规律性;塔克拉玛干沙漠细颗粒物质中碳酸盐含量相对偏高,但不同粒级颗粒中碳酸盐的δ13C值基本一致,表明风蚀时粒度的分选并不影响源区的同位素组成特征;由于粉尘源区表土碳酸盐含量和δ13C值均具有区域特征,因此利用大气粉尘的碳酸盐含量和δ13C值示踪不同的源区是可能的。

西风带研究的重要意义

西风带作为北大西洋气候区和东亚季风气候区之间的联系纽带,对东亚季风气候和西风带气候具有重要影响,西风带在一定意义上控制着东亚季风的北界。西风环流与青藏高原相互作用,对亚洲季风区气候乃至全球气候都有极其深刻的影响。西风环流在冰期 间冰期旋回中的位置、强度的剧烈变化对东亚季风气候和全球气候影响显著,对季风降水、西风带降水时空分布及亚洲粉尘活动和黄土形成、堆积等都有非常重要的意义。

DPM模型计算中国北方沙漠地区粉尘释放通量

本文利用DPM(Dust Production Model)模型模拟计算了我国北方沙漠地区不同的土壤微团粒在不同的地表粗糙度和地表摩擦风速下的水平跃移通量、粉尘释放通量、粉尘释放效率以及在特定量中粉尘粒子的质量和数浓度的分布,并对上述计算结果进行了讨论和分析。通过与实际观测结果进行对比的粗糙度和地表摩擦风速下粉尘释放通量后发现二者基本一致,从而证明了DPM模型是可以用来初步模拟中国北方沙漠地区的粉尘释放过程,这将有利于进一步较准确得模拟沙尘的输送、沉降以及气候效应。

NaOH改性活性炭的表面特征及吸附甲醛的性能

研究了NaOH改性活生炭(AC)的表面官能团变化特征及其吸附甲醛的性能。实验结果表明:改性AC表面的羧基、酚羟基、内酯基等官能团均与NaOH发生化学反应;质量分数为30%的NaOH溶液对AC表面的清洗作用最大,能将AC表面的杂质基本清除,此时AC表面羧基、酚羟基、内酯基和羰基浓度均达到最大;NaOH溶液质量分数为30%时,改性AC吸附甲醛的效果最好;改性AC表面酚羟基浓度的大小与改性AC吸附甲醛气体穿透时间的长短呈正比。

石膏改良碱化土壤过程中最佳灌水量的确定——选定20cm为计划改良层

前人使用石膏改良碱化土壤,用大水淹灌、灌排配套的条件下频繁换水等措施。但在西北干旱半干旱地区,根据水资源的条件,不能照搬他们的成功经验。本文运用土柱模拟石膏改良碱化土壤的过程,认为最佳灌水量与石膏的处理方式有关,石膏与土混匀的处理只需保证最佳灌水量为134.47m3/hm2即可。建议先将一定量的石膏混匀,施入表层土壤,灌入134.47m3/hm2水,然后将剩余的石膏表施于地表进行灌水的方式比较经济。

大气粉尘样品的矿物分析方法初探

通过样品分离、烘干浓缩,并选择适合微量样品测试的载体———纯单晶硅片进行制片,建立了大气粉尘样品中矿物分析的前处理方法。通过对粉尘气溶胶样品中矿物的衍射分析,以定性分析为基础,提出了以粉尘中的主要矿物———石英作为参比矿物、获得其它矿物参比含量的衍射结果解释方法。