導語：如何才能寫好一篇生物耦合技術，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞：大型火電；生物質氣化；耦合發電

中圖分類號：TM611 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0037-02

引言

生物質能是綠色植物通過光合作用，將太陽能轉化為化學能貯存于生物質內部的能量，是僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源。生物質能幾乎不含硫、含氮很少，碳通過光合作用，近排放量幾乎為零，因此是一種清潔可再生能源。回收生物質能，不僅能夠提高農村經濟收入，同時減少二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物和粉塵的排放，有利于保護生態環境和經濟可持續發展。大型火電耦合生物質氣化發電技術就是一種能源高效清潔利用的方法。

1 技術方案

本文以600MW燃煤鍋爐耦合1×30MW生物質氣化發電為例進行分析，該電廠采用最新高效發電技術和高效靜電除塵、石灰石-石膏濕法脫硫、爐內低氮燃燒+SCR煙氣脫硝等污染物脫除設備，并利用生物質氣化后的合成氣送入燃煤鍋爐進行再燃，還原主燃區產生的NOx[1]，降低SCR煙氣脫硝負荷，將污染物的排放控制在的排放標準以下。

生物質氣化采用循環流化床氣化技術，氣化介質和生物質通過熱化學反應生成CO、H2及少量碳氫化合物可燃氣。此生物質氣化裝置將產生的可燃氣作為燃料送入燃煤鍋爐與煤粉一起燃燒發電。

相比傳統的生物質直燃電廠[2，3]，工藝流程短，無需再配備汽輪機、發電機、電網輸出以及煙氣凈化等系統，投資少，占地面積小，配置工作人員少，而且生物質氣化綜合發電效率達30%以上，生物質燃料可節省25～30%；同時生物質直燃存在嚴重的堿金屬腐蝕及鍋爐結焦的問題，對于發電系統的連續運行是極為不利，生物質中堿金屬的存在，還會引起NOX催化劑控制設備老化或失效；燃燒方式通用性較好，對原燃煤系統影響較小。

相比常壓、空氣氣化耦合發電方案，加壓、富氧耦合發電技術投資略高，但加壓富氧氣化可以更大規模、更靈活處理生物質，對原料的適應性也更加廣泛，氣化效率、燃氣品質有較大提高[4]，對鍋爐的安全性更加有利，同時占地面積小；另外加壓富氧氣化省去了常壓氣化中的高溫燃氣引風機，同時燃氣管徑較小，消除了生產運行中一個重大的安全隱患。

工藝路線主要為：經過處理且滿足粒度要求的生物質燃料，送入加壓裝置加壓后的生物質，通過螺旋輸送機送入氣化爐，在一定溫度下，氣化爐內生物質在氣化介質的作用下氣化生成可燃氣，再經過旋風除塵送入余熱鍋爐，可燃氣降溫計量后，熱可燃氣直接送入燃煤鍋爐上改造增加的生物質燃氣噴口再燃，利用原有發電系統實現高效發電。整個裝置主要分為生物質貯存、進料、生物質氣化、可燃氣除塵、熱回收及燃氣燃燒。工藝流程圖見圖1。

2 制氣系統

2.1 生物質的貯存系統

生物質貯存倉庫收到的生物質原料，經過稱重和取樣分析水分和熱值后存儲，生產過程中通過裝載機和抓斗等轉運裝置將生物質送進振動篩，過濾掉不合格的生物質料，再通過螺旋輸送機和輸送皮帶將合格的生物質送到生物質加壓進料系統的常壓料倉。

2.2 加壓進料

常壓料倉存放的生物質料，通過進料裝置和閥門進入并裝滿鎖斗，然后控制系統用氮氣對鎖斗充壓到0.1～0.3MPa時，生物質燃料再通過下料閥和下料裝置進入加壓給料倉，在加壓給料倉的底部裝有螺旋輸送機，生物質料由螺旋輸送機不斷送入生物質氣化爐。生物質鎖斗在卸完料后，鎖斗將恢復到常壓狀態，重新進料和充壓，進行下一次循環物料的輸送。

2.3 生物質氣化及氣體凈化

氣化爐是整個氣化系統的主要設備[2]，采用流化床作為氣化爐的爐型，加壓給料倉輸送過來的生物質從氣化爐的中下部進入爐膛反應區；在氣化爐的底部，空氣和氧作為氣化劑送入爐膛，在爐膛內生物質、空氣和氧氣充分混合，形成一種沸騰流化狀態；同時，在氣化溫度為700～980℃，氣化壓力為0.1～0.3Mpa的條件下，以及在高溫床料有效的傳熱和傳質的作用，加速氣化反應速度，最終生成成分為CO、H2、CO2、CH4、H2O、N2及少量焦油的高溫可燃氣。

生物質原料都含有一定的灰分，因此氣化過程中會產生灰渣，一部分灰渣由氣化爐底部排出，冷卻后送到貯存系統；另一部分灰渣則可通過下游旋風分離器從可燃氣中分離出來，灰渣從旋風分離器底部排出，送到貯存系統。可燃氣則從旋風分離器的頂部出來，進入下游的余熱鍋爐。

2.4 熱量回收

進入余熱鍋爐可燃氣的溫度約為900℃，因溫度高，燃獾ノ惶寤密度小，為了減小燃氣輸送設備的體積和材質等級，同時還要保證可燃氣中的焦油不冷凝，高溫可燃氣經過余熱鍋爐釋放熱量降溫到400℃左右，同時也根據鍋爐運行參數，自行控制溫降，余熱鍋爐產生的低壓水蒸汽并入電廠管網系統。

2.5 可燃氣的輸送和燃燒

經過除塵和余熱鍋爐的可燃氣，氣體流量約為5×104Nm3/h，溫度約為400℃，壓力約為0.2MPa。可燃氣經過在線成分分析，根據輸入鍋爐的熱量計算可燃氣的流量，將特定量的可燃氣再送到燃煤鍋爐前獨立的燃氣燃燒器進入鍋爐再燃發電。在事故情況下，可燃氣有獨立的緊急排放和切斷系統，氣化爐的安全保護系統將啟動緊急停車，將氣化系統與燃煤鍋爐切斷隔離，可燃氣將引至安全區域處理，同時啟動氮氣置換的保護程序，煤氣放散裝置設有點火裝置及氮氣滅火設施。

2.6 經濟效益和污染物排放

（1）按大型火電耦合生物質氣后，年發電量不變的情況

下，每年可以節省約7.5萬噸標煤；可分別削減SO2排放約29.48t/a、煙塵排放約14.18t/a及NOx排放約63.77t/a；從溫室氣體減排角度，可削減CO2排放約12.33萬t/a。

（2）按大型火電耦合生物質氣后，年發電量不變的情況

下，生物質氣發電量約為18萬MWh，按照電價0.75元/KWh，則生物質氣發電每年收入約13500萬元。

（3）一臺生物質氣化爐系統設備的總投資約為1.9億元，基本收益率按7.0%，年運行費用考慮廠用電和生物質原料費用約6000萬元。

（4）年費用的計算如下，計算公式為[5]：

A-年費用；P-初投資；R-年運行維護費；I-基準收益率取7.0%；n-經濟生產年按20年計算

R=6000萬，P=19000萬，經計算大約需要5年回收成本。可見在爭取到生物質標桿電價0.75元/KWh的條件下，采用大型火電耦合生物質氣化發電技術的經濟效益很好。

3 結束語

隨著環保要求的不斷嚴格，生物質能的利用，不僅優化了能源結構，提高當地經濟收入，還可有效降低污染物的排放，滿足日益嚴格的排放標準，通過分析大型火電耦合生物質氣化發電，無論在技術上、處理規模和投資性價比都具有顯著的優勢，因此生物質氣化耦合發電是理想的發展方向。

參考文獻：

[1]吳國強.合成氣再燃控制技術研究[D].華北電力大學，2014.

[2]陰秀麗，周肇秋，馬隆龍，等.生物質氣化發電技術現狀分析[J].現代電力，2007，24（5）：48-52.

[3]宋艷蘋.生物質發電技術經濟分析[D].河南農業大學，2010.

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關鍵詞：低碳循環 耦合 結構 途徑 國有林區

中圖分類號:F207 文獻標識碼:A

文章編號:1004-4914（2012）02-054-02

一、引言

長期的過量采伐，導致許多國有林區森林可采林木資源瀕臨枯竭，經濟社會發展面臨嚴峻挑戰，企業的經營索取和人口的生存需求所產生的雙重壓力，遠遠超出了森林資源和自然環境的承載力，導致林區人口與資源、環境沖突加劇，森林資源結構嚴重失衡，國有林區深深陷入森林資源危機、企業經濟危困的“兩危”困境之中。通過低碳經濟模式與低碳生活方式，實現可持續發展，已經成為國際社會達成的共識。在2010年的兩會上，國家林業局局長賈治邦表示，林業轉變經濟增長方式，林業要走循環經濟和低碳經濟發展之路。

二、國有林區低碳循環經濟耦合發展的結構特征

（一）國有林區低碳循環經濟耦合發展的界定

低碳循環經濟，是指以低能耗、低污染、低排放為基礎，以減量化、再利用、資源化的“3R”原則為指導，以高效能、高效率為特征的綠色生態經濟，是人類社會繼農業文明、工業文明之后的又一次重大進步。國有林區低碳循環經濟則是一種源頭控制、過程控制、目標控制相結合的立體型低碳經濟發展模式。所謂林區低碳循環經濟，是指在林區經濟活動過程中，通過科學管理和技術創新，增加森林碳匯，減少林業碳源，增加廢棄物的回收利用，提高資源的使用效率，從而以較少的溫室氣體排放獲得較大產出的新的林業經濟發展模式。

（二）國有林區低碳循環經濟耦合發展的結構構成

國有林區低碳循環經濟發展是以“社會-經濟-生態”復雜巨系統為背景，以低碳循環運行實現可持續發展為目標的特殊循環經濟模式，國有林區本身就是一個復雜的巨系統，在實施低碳循環經濟耦合發展模式中就形成了國有林區低碳循環經濟耦合發展系統，此系統的結構構成圖如圖1所示。

（三）國有林區低碳循環經濟耦合發展的結構特征分析

1.開放性。開放性體現在以系統與外界環境的物質、能量交換為基礎，以各個子系統間碳減排為手段，以提高循環經濟發展為目標的相互作用的過程。低碳模式不斷從外界汲取負熵流，在系統內部，社會、經濟和生態系統互為背景，通過碳減排，循環經濟手段達到“社會-經濟-生態”低碳循環動態均衡，實現可持續發展的目標。

2.高維性。國有林區低碳循環經濟耦合發展系統是由低碳循環經濟、低碳循環社會和低碳循環生態等子系統構成的復雜巨系統，而每一個子系統又包括其各自的子系統，由于低碳循環系統組織在作用、結構與功能上表現出等級秩序性，以上這些系統還可以繼續劃分系統等級，如此逐層分解，形成了低碳循環模式系統的龐大的層次結構。

3.復雜性。國有林區低碳循環發展系統是“經濟-社會-生態”三維一體的多目標復合系統和有機整體，發展低碳循環模式就是要從系統整體的角度著眼，綜合協調和控制低碳循環經濟系統整體和部分的關系，統籌整體功能和局部利益，實現以人為中心的社會、經濟系統與自然生態系統之間的動態均衡。

4.涌現性。在低碳循環經濟模式內部，經濟、社會和生態各子系統之間通過吸收、反饋、協同、耦合等系統運動，在動態中實現系統的優化和創新，從而使系統內部組織和結構，經歷從簡單到復雜、從獨立到融合、從封閉到開放、從無序到有序的演化，涌現出各子系統所不具備的整體效應，即:“經濟-社會-生態”的低碳均衡動態發展。

（四）國有林區低碳循環經濟耦合發展的戰略重點

為了保證國有林區經濟發展與森林資源利用、林業環境保護的協調統一，走森林資源可持續發展之路，必須大力推進低碳循環經濟，特別是要把資源循環利用放在突出位置，以“減量化、再利用、再循環、低能耗、低排放、低污染”為基本途徑，貫穿于森林資源培育、資源利用、資源回收、能源生產利用、污染物排放等的各個方面，實現國有林區低碳循環的永續發展。

根據循環經濟與低碳經濟的異同點，立足我國當前國情，以兩者已取得的發展成就為基礎，將“3R”原則運用到“社會－生態”系統，走低碳經濟與循環經濟耦合發展之路，以克服低碳經濟與循環經濟單行發展的困境。國有林區低碳循環經濟耦合發展模式致力于兩個重點：

第一，以低碳經濟補充循環經濟的能源缺口，同時循環經濟的經濟效益則形成推動低碳經濟發展的內生動力。如此一來，單獨推行循環經濟無法解決的能源循環困境就可通過低碳經濟要求的低碳、零碳等新能源開發利用而得以破解；低碳經濟單行發展的現實經濟效益瓶頸也可被循環經濟突破，從而刺激個人的低碳消費、企業的低碳生產和林區的低碳流通，推動國有林區低碳產業健康有序發展。

第二，在具體到制定相關政策措施時，整合發展循環經濟與低碳經濟所需的運行環境“軟件”及技術“硬件”的相似性，積極推行能促進低碳經濟與循環經濟耦合發展的相應措施和相關對策，實現兩者正效應的疊加，做到一舉兩得。

三、國有林區低碳循環經濟耦合發展的實現途徑

（一）加強森林資源培育、管護和監測

1.加強森林資源培育。按照碳匯和減排的要求，加強林業低碳循環森林培育業的建設。一是充分利用現代科技、管理等手段推進科學經營，加強速生豐產林、珍貴樹種和大徑級用材林、能源林等商品林的建設以及防護林、水源涵養林等生態公益林的保護和營造，加大森林資源培育力度，提高森林資源總量，增加森林碳匯儲量；二是在森林培育全過程中，科學整地、施肥和撫育，減少土壤、化肥以及林木腐解等釋放的CO2量，并充分利用生物質能、太陽能和風能等清潔新能源，減少化石能源的使用，從而實現森林培育的減排。

2.加強森林資源管護。建立健全森林資源管護經營責任制，將管護區落實到山頭地塊，將管護責任落實到人頭，強化管護人的監督和管理責任，充分調動職工群眾管護森林的積極性。要逐步建立管護經營責任人參與分配森林資源培育成果的機制。

（二）遵循3R原則，實施清潔生產，促進森林資源（下轉第56頁）（上接第54頁）循環利用

實施清潔生產，既需要有國家宏觀層面的推動，又需要有企業微觀層面的執行。在企業層面上，實施清潔生產，提高森林資源循環利用率。林業企業的生產方式是：“木質或非木質資源―產品―剩余物―產品”，它以閉路循環的形式在生產過程中實現森林資源的最充分和最合理利用。實施清潔生產要求企業轉變生產經營觀念，發展節能環保技術，發展回收處理技術，盡可能的減少產品和服務的森林資源使用量；盡可能減少廢棄物質的排放；盡可能提高森林資源產品的耐用度和抗變性；盡可能提高森林資源產品和服務的強度；盡可能強化相關森林資源產品的回收和再利用。

（三）建立區域產業代謝，構建林區低碳循環經濟產業化體

建立林區低碳循環經濟的林業產業化體系，建立綠色森林資源原料產業基地，發揮各地區的比較優勢；發展綠色林副產品加工、種植和馴養產業，充分利用現有森林資源；發展森林的生態觀光、旅游業，滿足現代人日益增長的多重需求；發展高科技綠色森林產品深加工業，用高科技來發掘森林資源的無窮價值；強化森林環境保護和水土保持，維護森林資源未來發展潛力。可以發展低碳循環產業園區，構建低碳循環經濟產業化體。

（四）實施綠色低碳消費方式，增強低碳消費意識

通過定期舉辦培訓班和講座等方式宣傳低碳農業相關知識，鼓勵人們節約資源、使用節能產品，推動全社會節能減排行動；加強媒體和公眾在低碳農業發展中的監督作用，引導企業逐步在公眾中樹立良好的“低碳經濟”形象，促進企業完成低碳經濟目標和指標。

（五）堅持不懈地植樹造林，提高森林碳匯功能，繼續推動生物質能源產業發展

林木生物質能源是直接來自光合作用的木材，以及根、莖、葉等采伐剩余物和刨花、碎木、木屑等加工剩余物,還包括各類可作為能源的木制品廢物等。林木生物質能源資源豐富、可再生性強,林木生物質能源的開發利用可以有效地緩解能源緊張的局面,調整能源結構,改善生態環境。

在吸收借鑒國外成功經驗的基礎上，緊密結合發展實際，制定符合自身發展要求的林木生物質能源的發展規劃與措施，以促進林木生物質能源的研發和產業化進程。

（六）加強政府對林區低碳循環經濟發展的政策支持

要加強政府對低碳林業發展的指導，制定農村新能源發展利用綱要和專項規劃，提出低碳循環林業的發展目標、重點和措施，研究低碳循環林業的統計方法和考核指標，逐步建立和完善能源效果評價機制。

研發森林資源低碳循環利用技術，大力發展信息技術、生物技術、環境無害化技術、再利用技術、系統化技術等，支撐森林資源低碳循環利用的技術體系。推廣低碳循環林業技術并建立林業示范區。借鑒國內外經驗，大力推廣沼氣工程、秸稈綜合利用、節水灌溉、林業機械節能減排等技術，減少溫室氣體的排放，改善生態環境。

借鑒國際經驗，設計市場化的政策工具，探索發展碳排放配額交易市場，建立廣泛的碳交易機制，使低碳產品、低碳技術、低碳服務市場化。

建立林產品低碳認證制度，對符合條件的低碳林產品實行低碳認證，并給予這些林產品一定價格補貼，改善林業生態補償機制。

[項目來源:黑龍江省哲學社會科學規劃項目（10C020）；中央高校基本科研業務費專項資金資助（DL11CC14）]

參考文獻：

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3.張秋根.林業低碳經濟探討[J].林業經濟，2010（3）

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關鍵詞：戰略性新興產業；技術創新；產業成長；耦合協調；湖南省

產業成長實質上是產業擴大生產規模以獲得更多的利潤，外在表現為從弱小到強大、從不成熟到成熟的過程，顯示了產業在數量變化上的特征；內在的表現為產業技術的提高，是產業成長中質的改變，是引領產業從低級向高級發展以及決定產業成長速度的根本因素（趙玉林、徐娟娟，2009）。作為產業成長層級的一種標志，技術創新不僅使產業成長有了內在的動力，而且其速度決定產業成長的速度。反過來，產業成長使得技術創新得以實現，并為其提供了技術擴散環境，促進技術創新的速度。

一、數據來源與研究方法

根據產業技術創新與產業成長的耦合效應分析，建立產業技術創新與產業成長耦合協調評價指標體系如表1所示。相關統計數據均來源于《2011年湖南省統計年鑒》等資料。

二、耦合協調度模型構建

構建產業技術創新與產業成長耦合協調度模型，其目的是測度出產業技術創新與產業成長之間的耦合協調效應，設定如表2的耦合協調效應等級（劉耀斌等，2005）。

根據廖重斌（1999）等推導出離差系數最小化協調度模型，產業技術創新與產業成長兩個系統之間的耦合協調不僅僅要求其本身的綜合值要大，還要求它們之間的離差系數（Cv）較小，離差系數越小表示的耦合效應越大。計算公式如下：

Cv=■■①

即

Cv=■■

=41-■②

因為，0≤Xi（t）≤1，0≤Yi（t）≤1，故Cv最小的充分條件就是■取最大值。

這里，我們定義耦合協調度為：

Ci（t）=2×■■③

Ti（t）=αXi（t）+βYi（t）④

Di（t）=■⑤

其中，Xi（t）和Yi（t）分別表示第i產業在t時刻技術創新子系統和產業成長子系統的綜合值。Di（t）為耦合協調度，Ci（t）為耦合度，Ti（t）為綜合協調指數，α和β為系數，且α+β=l，α和β分別代表技術創新和產業成長的貢獻系數。在此技術創新與產業成長表現同等重要，故α=β=0.5。

三、結果分析

這里，以2010年湖南省七大戰略性新興產業為例分析產業技術創新與產業成長耦合效應狀況。

第一，先進裝備制造業。先進裝備制造業是湖南省的支柱產業，占經濟總量比重較高。本文測度結果顯示通用裝備制造業（0.6271）、專用設備制造業（0.8148）、交通運輸設備制造業（0.6404）、電氣機械及器材制造業（0.5327），前三個產業的耦合效應都處于中度耦合以上，產業耦合效應較高，耦合效應提升幅度較大。特別是專用設備制造業是所有產業中最高的，處于優質耦合階段。這表明產業技術創新與產業成長之間處于良好藕合狀態，二者實現了協同發展，共同促進產業技術創新與產業成長要素稟賦結構的升級，提高本產業的競爭力水平，這是湖南省先進裝備制造業競爭力呈逐年提升態勢的根本原因。

第二，新材料產業。湖南省新材料產業中的化學原料及化學制品制造業（0.5502）、非金屬礦物制品業（0.5222）、黑色金屬冶煉及壓延加工業（0.5725）、有色金屬冶煉及壓延加工業（0.5792）、金屬制品業（0.3595）和化學纖維制造業（0.1643）呈現出不同態勢。前四個產業耦合度相對較高，藕合效應良好，這表明這些產業的產業技術創新與產業成長之間處于良好的耦合狀態，二者實現了協同發展；后兩個產業耦合度處于嚴重失調階段，究其原因在于產業技術創新水平偏低，而產業成長環境也不是很好，因此，湖南省新材料產業之間存在嚴重的產業技術與產業成長分化，產業技術創新與擴散機制得不到有效運行，是新材料產業競爭力水平提升的主要制約因素。

第三，文化創意產業。湖南省的儀器儀表及文化、辦公用機械制造業（0.3374），處于由嚴重失調過渡到中度失調階段，從耦合度來看，盡管耦合效應比較低，其原因還是由于產業技術創新不足。

第四，生物醫藥產業。該產業耦合度得分為（0.3565），處于中度失調階段，二者藕合效應未得到充分發揮，其根本原因在于生物醫藥產業技術創新水平偏低，突出表現在R&D經費內部支出投人力度不高、新產品開發能力不強、新產品產值偏低等方面，由于產業技術創新與產業成長不匹配，其對二者藕合效應發揮起到負面作用，使得本產業優勢要素稟賦優勢難以發揮，難以提高本產業的競爭力水平。

第五，新能源產業。新能源產業中的石油加工煉焦及核燃料加工（0.3757）、電力、熱力的生產和供應業（0.3409），二者都處于中度失調階段。其根本原因在于湖南省產業技術創新不高，突出表現在于新產品開發不足、企業科技活動人員缺乏和專利申請數太少。新能源產業的產業技術創新與產業成長未能實現協同發展。

第六，信息產業。通信設備、計算機及其他電子設備制造業藕合度得分為（0.3497），處于中度失調階段，耦合效應低。其根本原因在于湖南省信息產業的產業技術創新與產業成長的綜合值都比較低，產業技術創新制約了產業成長，產業成長也約束了產業技術創新。信息產業技術創新與產業成長之間耦合效應無法得到發揮，從產業技術創新與產業成長相匹配或協調角度看，湖南省的信息產業還需要很長的路要走。

第七，節能環保產業。湖南省的廢棄資源廢舊材料回收加工耦合度得分為（0.1316），處于嚴重失調階段。其原因是湖南省節能環保產業的產業技術創新與產業成長的綜合值都比較低，信息產業技術創新與產業成長之間耦合效應無法得到發揮，產業競爭力低下。

通過對測度結果分析可以得出如下結論：一是湖南七大戰略性新興產業技術創新與產業成長之間不匹配，耦合效應未得到發揮的現象普遍存在，耦合效應發揮較好的產業偏少，大部分產業耦合度偏低，處于嚴重失調和中度失調狀態；二是產業技術創新與產業成長不協調，突出表現在二者之間耦合效應強度偏低，技術創新與產業成長之間不均衡；三是除先進裝備制造業和新材料產業外，湖南省其他戰略性新興產業的產業技術創新偏低，沒有從產業技術創新與產業成長的耦合過程中獲得協調效應。

參考文獻：

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科學總是遵循分析-綜合-分析無限往復的規律得到發展的。隨著世界交通、信息和科學技術取得長足進展,不同學科,不同學科的不同層次,不同生產部門,不同地域之間,出現了多重交叉。在多種交叉過程中,“耦合”的實際作用和理論意義日益引起社會的關注。系統耦合一詞最初源于物理學,后來才逐漸應用于其他學科,如農業和生物等領域。

1.1系統耦合的科學概念

2個或2個以上性質相近的生態系統具有互相親合的趨勢。當條件成熟時,它們可以結合為一個新的、高一級的結構——功能體,這就是系統耦合。任何系統,其非平衡態是絕對的,平衡態是相對的、偶存的(任繼周,1999)[1]。系統自由能的積累可使系統進入非平衡態。通常所說的“能量是系統的驅動力”,無疑也適用于系統耦合。當條件、參量適當時,系統勢能延伸,可使不同系統實現結構功能的結合,產生新的、高一層的系統。它不是原系統量的增大,而是新功能體——具有新質的較高層次的系統。它聯通了2個或2個以上的系統,發生系統耦合,由此產生的新系統稱為耦合系統。系統耦合導致系統的進化(任繼周,1999)[1]。系統耦合廣泛存在于農業系統,但較少引起人們的注意(任繼周,1999)[1]。性質相近一詞,就是具有決定系統本質的相同“序參量”的系統。

1.2系統耦合的理論和實際意義

系統耦合是世界經濟一體化的橋梁,其理論意義在于充分發揮生態系統所固有的開放性帶來的外延特性(自由能的積累),導致系統進化和生產潛力的解放(任繼周,1999)[1]。例如青藏高原的高寒草地牧業系統和農牧交錯帶的農業系統相互耦合,生產潛力得以釋放,就會產生巨大的生產效應和生態效益(馬玉壽等,1998)[2]。系統耦合的生產潛力源于其催化潛勢、位差潛勢、多穩定潛勢和管理潛勢。催化潛勢:系統耦合過程如同化學反應,正、逆向過程并存。如給以催化,就加快了反應速度,也增加了其自由能的通量密度。在農業生態系統中,不論采取耕作、灌溉、施肥、噴灑農藥等農業措施,以生產資料的形式投入能量或元素進行的正向催化,還是以及時收獲農產品,迫使農業生物處于非成熟狀態以保持旺盛生機進行的負向催化(常用,但未被人們所充分認識的催化手段),都可以促進系統的耦合過程,使其生產力提高,從而獲得更多的產品(任繼周,1999)[1]。

系統耦合的位差潛勢:“美國西部放牧帶與中西部的玉米帶(還有較干旱的高粱帶),通過易地育肥養牛業加以耦合,使生產水平提高了6倍左右”;“在中國東南部農耕區與西北部畜牧區的交會地帶,從西南到東北劃一條斜線,在這條線的兩側,曾分布著一系列‘茶馬市場’,即牧區產品與農區產品交換的市場。如云南的大理、四川的西昌、甘肅的臨夏、陜北的榆林、河北的張家口等地,都曾是‘淘金者’的樂園。這是農耕系統與畜牧系統2個生態系統之間位差勢能所致。這種位差潛勢,往往表現為市場價格之差”(任繼周,1999)[1]。王寧在寧夏的研究表明,寧夏平羅縣寶豐清真牛羊肉屠宰批發市場也是農耕區與草原牧區會聚并釋放潛能的場所,在位差潛能的作用下,通過市場這個“反應灶”,生成一個其功能(主要是社會和經濟功能)遠高于農耕區與畜牧區自身功能之和的耦合系統(王寧等,2000)[3]。多穩定潛勢:復雜系統要比簡單系統的總體功能更加穩定。這種整體的穩定,正是由于多種局部的不穩定成分的不斷變化調節形成的。耦合系統組分復雜,子系統位差潛能雖變化不定,但保持了全系統自由能總量較為恒定,故其生產水平較為穩定。

轉化階是農業系統內能量和元素轉化的階梯。如從可利用的光能到作物產品再到動物產品,通過系統耦合,轉化階、結構相應復雜,從而使生產震蕩衰減,這無異于農業系統中的安全閥,可避免生產水平的大幅漲落(任繼周,1999)[1]。管理潛勢:不同生態系統經過耦合,把所用以構建的低層系統綜合為高一級系統,就形成等級系統,并有了等級系統的調控特性。高一層的調控有選擇地忽略下級系統的無關細節,這種管理簡化而力度增加的事例,在生鋤管理中比比皆是。如區域化管理、行業管理、分級管理等,系統耦合的管理潛勢就在于此(任繼周,1999)[1]。不同系統經過耦合,不僅能使生產水平大增,還可導致系統與外界在物質、能量和信息方面的良性循環,同時使系統更趨于穩定,真正實現系統的持續、高產和穩定發展。農業系統作為一個自然-社會系統的功能體,人為影響有著決定意義。系統耦合可使多個農業子系統合理組合,充分發揮大農業系統的優勢。隨著交通和信息科學的發展,系統耦合的作用將日益增長。我國過去長期形成的“以糧為綱”的畸形農業系統,只有實現系統耦合,將傳統的作物系統、林業系統與草業系統有機結合,才能有效地組成持續發展的、高效的大農業系統(任繼周,1999)[1]。

2系統耦合文獻分類綜述

2.1耦合理論的發展歷程

2.1.1物理學的耦合系統耦合始源于物理學,但在地理、氣象和水體學中也有應用。李鳳全等[4]利用神經網絡和地理信息系統耦合所得的人工神經網絡模型,對吉林西部平原的地下水水質進行評價,不僅能夠反映當地水質的最適宜、較適宜、適宜、較不適宜、不適宜的狀況,而且能夠體現吉林西部水質的空間變化規律。繆強等[5]利用13個暴雨個例,經等壓面和垂直剖面上若干物理量分析,揭示了青藏高原天氣系統與背風坡淺薄天氣系統耦合相互作用的一些主要特征。其研究結果表明:大氣內部壓能場與流場非平衡強迫既是青藏高原天氣系統和背風坡淺薄天氣系統發生、發展和東移的動力機制,又是這兩類系統耦合相互作用的動力條件。劉昌明等[6]曾就中國水循環與土壤-植物-大氣水分能量傳輸生態研究的問題作過綜述,重點闡述了水循環研究的需求與水量轉化的重要機制、模式及子系統耦合的界面,包括農田生態系統、干旱、半干旱區等系統耦合的尺度問題。張志南[7]通過概述淺海生態系的水層系統與底棲系統耦合的基本原理,著重介紹了有機質沉降動力學、底棲生態系統對有機質的響應、生物沉降和側向平流、生物擾動和沉積物再懸浮研究的進展情況。

2.1.2生態系統的耦合生態系統內部自由能的積累,使系統失去平衡并趨同其他生態系統結合,自由能驅使2個或2個以上的生態系統或亞生態系統,通過會聚,超循環和耦合而聯合,從而形成具有特殊結構功能的更高一級的新系統,即耦合系統(任繼周等,1994)[8]。不同生態系統的耦合,實際上是在原有系統之上,把它所用以構建的低質系統簡化的產物,不同等級的系統耦合,產生不同等級的耦合系統,就形成等級系統。能量的流動產生1個有結構層次的網絡,輸入網絡的能流相互作用并通過做功過程轉化成較高質量的能量形式,這一高質能具有反饋放大器的作用,幫助生態系統達到最大功率,所以系統耦合必將導致生態效益的放大。李鎮清等(1995)[9]通過能網自組織原理(奧特姆,1993;韓博平,1993)[10,11],探討了草業生態系統耦合的條件和作用,認為系統內高質能與低質能的配置有3種情況:一是系統內高質能與低質能匹配良好;二是高質能相對過剩;三是低質能相對過剩。只有后2種情況有必要進行系統耦合,并能使系統的生產效益放大。

2.1.3生態經濟系統的耦合生態環境系統和社會經濟系統共同組成的巨系統——生態經濟系統,是生態環境系統和社會經濟系統的耦合系統。生態經濟系統的再生產過程是社會經濟系統的再生產和自然生產系統的再生產相耦合的過程(姜學民等,1993)[12]。曹明宏等[13]認為,生態經濟系統的耦合機制可分為生態環境系統內的自然耦合(環境自動演替)機制和社會經濟系統的能動耦合機制。并且,這2種耦合機制同時貫穿于生態環境系統與社會經濟系統的物質與能量交流之中。自然耦合機制遵循生態規律和其他自然規律,而能動耦合機制遵循社會和經濟規律。自然耦合機制包括定向耦合機制,穩定耦合機制,以及分離式耦合機制。如果沒有人為干預,生態環境系統將按照自然生態規律持續不斷地演替,形成空間時間上的有序開放性的自組織穩態結構,取得系統本身固有的平衡。能動耦合機制有3種,即適應式耦合機制、塑造式耦合機制和折中式耦合機制。

適應式耦合機制是指人類使用的技術、經濟手段,不足以對生態環境系統的平衡產生大的妨礙,屬于人類較為原始地利用自然環境資源的情形。塑造式耦合機制,是指人們在強大的人口壓力和不斷增長的社會需求下,運用當代科學技術手段,改造環境與生物,提高物質產品產量的過程。由于往往沒有考慮到自然生態系統自身的運行規律與要求,而只是一味地強調“人定勝天”和向大自然索取,因此帶來許多生態災難和嚴重危及人類社會可持續發展的后果。折中式耦合機制,是指通過控制生態環境突變幾率,如采取各種經濟政策和法律手段,并配合強有力的思想教育,迫使人們在社會生產實踐中,促進生物之間和生物與環境之間更趨于適應,達到經濟、社會和環境生態效益的有機統一,這就是所要追求的生態經濟良性耦合機制(曹明宏等,2000)[13]。通過分析生態環境系統與社會經濟系統耦合機制的類型,認為當前湖北農業發展的主要深層障礙在于“生態-經濟”復合系統的良性耦合機制破缺,指出發展綠色農業是湖北農業持續發展的可行選擇(曹明宏等,2000)[13]。

有人曾把水資源的開發利用納入生態經濟系統的運行體系,并利用生態經濟學中的協調發展理論和可持續發展思想,將水資源生態系統和社會經濟系統耦合成水資源生態經濟系統,以用來作為水資源可持續利用的生態經濟評價體系(黃奕龍等,2000)[14]。張殿發等[15]通過論述土地生態經濟系統的特點和實現土地資源可持續利用的生態經濟條件,將土地生態系統與土地經濟系統加以耦合成為土地生態經濟系統,并對其進行了深入的分析,認為土地資源可持續利用的目標是在土地開發利用過程中實現生態、經濟和社會效益的協調統一。

2.1.4農業系統的耦合農業系統由多個農業子系統構成,一般包含4個生產層(任繼周,1995)[16]。即,前植物生產層(pre-plantproductionlevel):它不以植物、動物生產為主要目的,而以景觀本身體現其資源意義;植物生產層(plantproductionlevel):以植物的營養體、籽實、纖維、脂肪、分泌物等光合作用產物為產品,生態學中稱為初級生產;動物生產層(animalproductionlevel):草食動物以植物為食物,取得能量并制造機體組織和產品,生態學中稱為次級生產等;外生物生產層(ultrabiologicalproductionlevel):產品的流通與加工。農業系統在傳統生態學的植物生產層和動物生產層之外,經人為地前伸和后延,各增加了1個生產層。這就是農業系統與自然生態系統的區別。這些生產層,在多數情況下,可能與子系統相統一。它們以各自的鍵與有關子系統互相聯系,發生系統耦合,生產力就會成倍乃至幾十倍的增長(任繼周等,1994)[8]。任繼周[17]曾對20世紀80年代初期我國牧區生產水平進行估算,只要將植物生產層與動物生產層這2個系統初步耦合,就可成10倍甚至成百倍地提高生產水平。

2.1.5生態地理區域的耦合農區和牧區是兩大經濟生產系統。在自然生產、經濟生產過程中,兩大系統之間既存在顯著差別,也相互依存、相互制約、相互促進。它們之間的系統耦合,可最大限度地提高和促進各自經濟的全面健康發展,加快農業產業化的進程。王寧等[18]曾以寧夏平羅縣城關家畜交易為例,就寧夏農牧兩大區在時空上實現牧區育成、農區育肥的畜牧業生產機制的可能性與發展潛力做過論述,認為寧夏灌溉農業區與四周的牧區半牧區在飼草資源上的時間差明顯。即牧區冬春飼草短缺時,正值灌溉農業區大量農副產品的生產、收獲和貯存期,同時也進入農閑時,有較長時間和大量勞動力從事家畜的育肥。而且灌溉農業區飼草料資源不僅豐富,且品種齊全。

各種農作物秸稈產量占全區的73.3%,就秸稈而言,全區的利用率不足20%。因此,在寧夏實現農牧兩大區域之間的系統耦合,發展前景廣闊。葛文華等[19]在甘肅景泰荒漠綠洲區寺梁村的研究也表明,將山區、綠洲區兩個農業系統加以耦合,進行棧養商品肉羊的易地育肥,充分利用了不同農業生態系統和經濟類型地區間的自然條件,使羊的資源和飼草料資源優勢互補;緩解了山區、牧區草地超載過牧的壓力,提高了羊群中適齡母羊比例和繁殖率,并使山區牧民較早地獲得可觀的經濟收益;綠洲區豐富的農副產品資源和較好的營養水平,提高了育肥羊的產肉量,并且改善了市場商品羊肉的胴體品質;促進了活羊的商品流通,有利于形成育肥羊的規模經營和專業化生產;全年持續棧養育肥,有利于全年均衡的經濟收入和均衡的市場新鮮肉食供應;育肥羊生產的優質有機肥料,是綠洲農業區商品糧基地保持土壤有效養分循環和耕地永續利用的重要物質基礎。

我國西北河西走廊的荒漠-綠洲草地農業復合系統,可以通過系統耦合將這一復合系統耦合為山地-綠洲-荒漠3個子系統構成的耦合系統(任繼周等,1994)[8]。綠洲子系統居于系統的中心,它集中了荒漠系統95%以上的能量,隨著商品流通的增加,綠洲子系統也將通過商品流通,把大部分山地子系統的能量吸引過來,使其成為本系統的能量集中和交換的中心,它不僅表現了本身較高的生產力,還可大幅度提高周圍荒漠子系統和相鄰山地子系統的生產力。在綠洲子系統內部,含有5項組分,屬于初級生產者4項,即農田、林地、草地、鹽漬草地,屬于次級生產者1項,即畜牧。山地子系統可概括為2項組分,即草地組分和畜牧組分。其草地組分的生產水平為農田的20%,但面積大致為農田的5倍。荒漠子系統草地生產水平遠比山地子系統低,只有農田系統的1%。總的來看,荒漠-綠洲草地農業系統的系統耦合,有2類模式:一是水平耦合,即在空間上把3個子系統加以耦合;一是垂直耦合,即把前植物生產層,植物生產層,動物生產層和外生物生產層加以縱向耦合。水平耦合是指荒漠-綠洲草地農業系統在系統耦合以前,各自與市場發生聯系。但當荒漠—綠洲草地農業系統中的3個子系統,耦合以后再進入市場,則發生重大改變,耦合系統能流單位的輸出量,將顯著增加,其生產水平可能提高6～60倍。

2.2草地農業系統耦合的界面理論

2.2.1界面的概念在物質世界,界面是事物本身的屬性之一,沒有界面就沒有事物。系統本身就意味著界面的存在。界面是系統之間以及系統與外界的分界和連通的中介。如植物根系與土壤之間的界面,寄生物與寄主之間的界面(Calvin,1995)[20],這都是有形的界面,還有無形的界面,如表述學科范疇的界面(Goodl,1990;Aylward,etal,1992;Baker,1992)[21～23],表述生態系統具置的界面(Shapiro,1991)[24],表述不同生態系統之間過渡地帶的界面(Nachtnebel,etal,1991)[25],又如城鄉之間的結合部,將其稱為城鄉界面(Drakakis,1992)[26]。傳統農耕區與畜牧區的結合部,可將其稱為農牧過渡帶,它也是一種界面。

2.2.2草地農業系統中的界面種類草地農業系統存在3個主要界面(任繼周等,2000)[27],即草叢—地境界面(A)、草地—動物界面(B)和草畜—經營管理界面(C)。

2.2.3界面的重要特性草業生態系統的界面特性主要有以下幾個方面(任繼周等,2000)[27]:第一,界面的開放性。生態系統的開放性通過界面實現,它與外界進行能量、元素和信息的交換,界面是生態系統與外界聯系的通道。因此,界面在分隔生態系統與外部環境的同時,也具有與外界聯系的重要功能;第二,界面是不均質的(楊孔章等,1989)[29]。有的部分物質和信息流較為密集,有的則較不密集,前者是功能活躍區。這是系統耦合中與其他系統鍵合的最佳部位,具有重要意義;第三,界面是系統進化的階梯,界面的開放功能使生態系統與其他生態系統發生系統耦合(任繼周等,1994)[8],實現系統的外延,新的高一級的生態系統因而形成,這就發生系統進化,草業系統正是通過3個界面而次第完成其系統進化的(圖1)。第四,草業系統中各個亞系統本來都是互為異質的,否則不能成為任何獨具特色的亞系統。但它們之間必有同質的因素才能發生系統耦合。

2.2.4界面過程與系統耦合草業系統由以上3個主要界面鍵合而成。在這里界面是真正將二者連接的反應灶,通過界面將它們融合起來,鍵合為新的系統。牧草—初級生產的亞系統Ia,地境—土地(含土壤和地形等土地因子)和大氣等非生命環境亞系統Ib,二者靠界面A的中介加以連接。所謂中介包含在草叢和地境之間發生的一切過程和結果,這個過程可以稱為耦合過程。形成的高一級的生態系統——草地系統IIa,它具有新的界面和新的特性,已經不是草叢和地境的簡單組合。在這一構建中,界面A發生了豐富的系統構建過程,產生了具有新內涵的高一級的系統。草地系統IIa與以它為生存條件的草食動物(以及以草食動物為食物的肉食動物)系統IIb通過界面B的中介,構成更高一級的草畜系統IIIa。草畜系統IIIa通過界面C與人類社會系統IIIb相鍵合,經過了人類社會活動的干預,把草畜生態系統融入社會大生產,這是一個更為復雜的過程,具有更為豐富的內涵,草業系統IV從而發生。這是草業系統的最高一級,草業系統的完整結構于此形成(任繼周等,2000)[27]。

3系統耦合目前達到的水平

3.1時間、空間耦合的水平

農業系統4個生產層間的系統耦合,具有空間特性,或時間特性,或同時具有空間—時間特性。不同地區的生態系統之間生產層的耦合,屬空間型的系統耦合,如我國的“茶馬市場”。不同時間階段的生產層耦合,屬時間型的系統耦合。但多數的系統耦合屬時間—空間型耦合。比如某一地區,進行區域規劃與生產規劃。按照區域部署不同生產層,并使之有機結合,這是空間型耦合。但生產規劃無不具有時間屬性。某一時間段完成什么任務,這一時間段與另一時間段如何更替,則屬時間型耦合。通常時間型與空間型的耦合難以分割。特別在系統耦合這樣的高層調控系統中,更是如此。實際生產中往往充滿著二者的交叉。比如在同一地區,既進行植物生產,也進行動物生產,同時又作為景觀資源加以利用,而加工,流通的某些環節也可能同時進行(任繼周等,1994)[8]。

3.2種間耦合的水平

草地生態系統作為一個有機整體,其耦合系統中包含植物、動物的種和種群,即為種間耦合。在此起關鍵作用的是生態場和生態位。對于草地植物學組成來說,結構良好的天然群落,或不同品種的合理混播草地,可以創造良好的生態場,以提高牧草產量,改善牧草品質,抑制病蟲害,保持草地肥力,延長草地壽命。蔣文蘭(1981-1999)在云貴高原[28],郭孝(1998)在鄭州北郊對不同組合播種條件下的生物學性狀、經濟性狀及生產性狀進行了研究,并對不同組合播種的相同點及差異性進行了分析,研究表明,牧草混播比單播可獲得較高產量、較好牧草質量及較強的防除雜草能力。胡玉昆等[32]在新疆石河子紫泥泉種羊場的研究表明,高冰草與豆科牧草混播,產草量比高冰草單播提高10%～27%,增產效果顯著。

高冰草與春小麥適量混播,對小麥影響小,又可多收一茬草,故這種生產方式對緩解四季草場不平衡、減輕草場負擔有一定的意義。楊星偉等[33]在寧夏石嘴山市草地,比較了4種優良牧草以不同組合比例改良河灘地草地的效果。結果表明:混播可提高河灘地草地的產量,改善草層品質,其中以紫花苜蓿(Medicagosativa)、白香草木樨(Melilotusalbus)和假葦拂子茅(Calamagrostispseudophragmites)組合為最佳。另外,作物間合理的間作套種也是種間耦合的表現。李衛民等[34]在河北省廊坊市、河間縣、天津市武清縣等地進行了連續數年的棉薯間套作栽培實驗,結果表明,棉花和馬鈴薯間套作不僅能提高土地利用率、充分利用光、熱資源,而且套作時2種作物的病蟲害互相抑制,因此總體上起到了優勢互補的作用。紫良植等[35]在甘肅景泰川灌區的研究示范結果也表明,當地農作物間作套種的增產性、經濟效益均比農作物單作種植產量高,經濟效益好。其中小麥玉米間套田平均生產糧食9477kg/hm2,秸稈11190kg/hm2,較單作田增3088.5kg/hm2和3189kg/hm2,增產48.29%和49.4%。間套田產值6144元,純收入4653元,分別比單作田增加了2460.8元和2160.3元,分別增長了66.8%和87.67%。對于動物生產系統來說,不同的草食動物,以其特有的食性和生態適應性,在生態系統中,各有其特定的生態位和生態場的要求。動物種群不同,生態位各異。把有關動物生態位適當組合,利用生態位的重疊和分異,使各種動物互相協調、補充,充分利用草地植物,就可以生產更多的動物產品(任繼周等,1995)[30]。

4系統耦合今后的發展趨勢

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多水塘系統是農村地區特有的一類控制措施，利用一些天然的溝渠、水塘、植被，系統建造成本低廉，能有效截留來自村莊、農田的氮、磷污染和降雨徑流，循環利用營養物質和水資源，不但增加了生物的多樣性同時也提高水資源利用率[27]。但是多水塘系統一般占地面積大，功能較單一，截流和去污效率也受入水和降雨的時空影響，且對系統中植物的種類有一定要求[13]。在實際應用中，往往結合各種措施（如濕地系統、生態溝渠系統等）一起，可以達到更好的去污效果。

2溝渠系統

近年來，溝渠作為一種重要的生態系統，被廣大研究者所重視，它在非點源污染防治中具有舉足輕重的作用。首先溝渠與河流相似，具有持水、匯水、水流通道的作用，同時，溝渠也具有人工濕地的特性，擔負著凈化水質和維持生物多樣性的功能。因此，溝渠同時具有河流和濕地的雙重特征。所以，溝渠應該是指以排水和灌溉為主要目的同時具有人工濕地凈化環境的人工水道，是一種人類活動影響下的半自然的人工濕地水文生態系統。溝渠系統不另占土地，其凈化機制與濕地相似，主要也是利用自身的物理、化學和生物三方面的協同作用，溝渠中的植被有攔截污染物、沉降泥沙和顆粒物的作用；溝底的淤泥和溝壁上附著的大量微生物，可以進行各種生化反應，對氮磷等元素的去除很有幫助。利用現有的一些農田溝渠和自然水渠建成具有生態攔截功能的生態溝渠系統，不僅可以帶來巨大的經濟和水文效益，同時還能維護生物多樣性，改善區域生態環境。其中，楊林章等在太湖流域研究生態攔截型溝渠系統對農田排水中非點源污染物的去除效果，研究發現生態溝渠系統對氮磷的平均去除率為48.36%和40.53%，效果令人滿意[28]。各項研究表明，溝渠內布設適當的水生植物能起到減緩稻田排水流速、脫氮除磷、提高水體溶解氧、穩定水體pH值的作用，不同的植被組合，去污效果會有明顯的不同。

3不同控制措施效果對比

不同控制措施對不同類型的污染物去除效率不同，如植被過濾與緩沖帶對泥沙的攔截作用比較強，溝渠與水塘多結合為人工塘渠系統，經常作為面源污染治理的第一道關卡，對于氮磷濃度較高的污水，人工塘渠可以大大減少水中氮磷的總量，抗高污染負荷的效果較好[36]。而自然或人工濕地，經常作為最后一道攔截屏障，主要通過濕地中的植物、微生物及土壤基質對水中污染物做進一步的凈化作用。因此，多種措施的耦合系統將是以后的發展趨勢，并結合實際污染情況制定相應的結合方式，如改變耦合的措施種類和順序，將達高效的去污效果。從表2可以看出，耦合系統對各種污染物平均去除率要高于每種措施本身的去除率，其中，塘渠-濕地系統去污效果非常好，總氮、總磷和COD的去除率高達95%以上。水塘和濕地耦合系統對總氮、總磷平均去除率在70%以上，而人工濕地對農田徑流中的總氮、總磷去除率只在50%以上，因此，多種措施耦合的控制手段是一種高效的控制方式。表2單項措施中，人工濕地去污能力最好，其次是緩沖帶濕地，其中，滯留塘對總磷的去除效果優于對總氮的去除，表現出對不同形態的磷很好的去除效果。因此，我們在實際應用中，結合非點源污染的實際情況，采用不同措施組合的方式，將會是一種有效的控制手段。

4展望

我國非點源污染研究雖取得了顯著的成就，但仍存在許多不足之處，如研究多側重于對湖泊、水庫等地表水的污染研究，而忽略了地下水污染的嚴重性；研究尺度多集中在小流域、中微型尺度的研究，不適于大尺度、區域研究；目前模型研究仍然采用國外現有的經驗、機理模型，由于地域差距大，造成研究結果不太理想，而且模型參數過多，又資料數據獲取困難，致使模擬結果與實際情況不符等。針對當前存在的各種問題，提出了以后非點源污染研究的發展趨勢。

4.1“3S”等新技術的應用

非點源污染發生具有隨機性、廣泛性，并不是所有區域都需要管理，管理措施的高效運行前提是關鍵源區識別。使用新技術，如“3S”技術，利用RS進行大范圍監測，GIS強大的空間分析能力和GPS的高精度定位，快速準確識別出關鍵污染源區，且遙感可為大尺度和區域研究提供所需的數據和可能。

4.2關注措施綜合效益

一些BMPs、生態工程措施非常關注運行效率問題，除此之外還應注重投入效益的問題，投入指的是經濟支出，效益指的是對污染物的去除率。不同的管理措施對不同的污染物去除率差異很大，比如植被等對泥沙的攔截作用比較強，但對其他污染物削減比較少。此外，非點源污染不僅僅是氮磷的問題，COD、農藥等問題也應在考察范圍。

4.3模型的改善和引進

模型模擬一直是非點源污染研究中一個重要有效的研究方法，我國所用的模型多來自于國外，由于地域差距大、模型基礎數據難獲取和模型參數過多等原因，使得一些模型模擬結果并不理想，雖然我國學者一直在開發自己的模型，但是自己開發的模型一般耗時久、消耗人力大且機理性和適用性不強，不能很好的大范圍推廣，很大程度上阻礙了我國非點源污染研究進程。因此，以后應更多地關注引進模型的改進、使參數本地化、加強參數敏感性分析等方面研究。

4.4全過程、多措施綜合治理

目前控制措施一般從“源-流-匯”的角度出發，在源頭上通過增加植被覆蓋、降低坡度、增修溝渠分支來減少地表徑流；在“匯”端采取人工濕地、緩沖帶等措施對污染負荷進行削減。而未來將考慮全過程治理，多措施、全類型綜合治理。本文來自于《環境科學與技術》雜志。環境科學與技術雜志簡介詳見

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自20世紀末以來，系統耦合理論逐漸成為人們研究的熱點。系統耦合理論對交叉領域的深入研究起到了重要的推動作用。在此理論的指導下，人們構架了不同地域、不同領域以及不同學科之間相互關聯和影響的橋梁。“耦合”一詞系借用物理學的概念。《辭海》關于耦合的解釋是:兩個(或兩個以上的)體系或運動形式之間，通過各種相互作用而彼此影響的現象。例如，兩個單擺中間連一根線或一根彈簧，它們的振動就是此起彼伏;原子內部電子的總角動量就是自旋角動量和軌道角動量的耦合;兩個或兩個以上的電路組成一個網絡時，其中一個電路中的電流或電壓發生變化，能影響到其他電路也發生相應的變化，這種現象叫電路的耦合。電路之間的耦合方式包括電感耦合、電阻耦合、互感耦合、電容耦合、電阻電容耦合等。在化學反應領域有耦合反應，將兩個化學反應聯合后，其中一個化學勢大于零的反應，可以帶動另一個化學勢小于零，單獨存在不能進行的反應能夠進行。生物系統中許多反應就是靠這一原理實現了由不可能變成可能。在生物、生態、農學、地理學等領域，都有人們引用耦合的思路來分析和解決問題。兩個或兩個以上性質相近的生態系統具有互相親和的趨勢。當條件成熟時，它們可以結合為一個新的、高一級的結構———功能體，這就是系統耦合，屬于一種動態的相對平衡的狀態，任何系統，其非平衡態是絕對的，平衡態是相對的、偶存的。系統自由能的積累可使系統進入非平衡狀態。通常人們說“能量是系統的驅動力”，無疑也適用于系統耦合。當條件和參量適當時，系統勢能延伸，可以使不同系統實現結構功能的結合，產生新的且高一層的系統。它不是原系統量的增大，而是新功能體———具有新質的較高層次的系統。它聯通了兩個或兩個以上的系統，發生系統耦合，由此產生的新系統稱之為耦合系統。系統耦合的相關因子主要包括:耦合的關聯性、耦合的整體性、耦合的多樣性以及耦合的協調性等等。系統耦合是世界經濟一體化的紐帶，其理論意義在于充分發揮生態系統所固有的開放性帶來的外延特性(自由能的積累)，導致系統進化和生產潛力的解放。系統耦合的生產潛力源于其催化潛勢、位差潛勢、多穩定潛勢和管理潛勢。耦合的關鍵是要打破原有系統的界限，破除原有系統的束縛，以構成要素的自然關聯和信息的自由流動為原則，將關聯要素進行重新組合，形成具有自組織結構的、系統內各要素具有能動性的新主體聯合系統。例如人們關注的環境保護系統與經濟發展系統的耦合關系(如圖2所示)，兩者存在催化潛勢、位差潛勢、多穩定潛勢和管理潛勢等等，將經濟發展與環境保護之間關聯起來，建立暢通的信息通道，建立新的自組結構體系，使各要素之間充分發揮能動性，相互促進、相互協調，從而構建新的動態平衡系統，找出經濟發展與環境保護共同協調發展的最佳途徑。

二、耦合經濟概念的提出

在工業經濟發展過程中，衍生出很多經濟問題，例如個別的如污染物排放總量與環境容量不相容的矛盾，有望在已經立法促進的循環經濟階段解決。其他的矛盾，通過實施循環經濟，可以在一定程度上得到緩解，但不可能得到徹底解決，這是因為按照物理中熱力學第二定律的規定，能量是單向滑向退質劣化以至于徹底失去做功能力的。因此能量的消耗是持續的。再比如，現行的市場經濟中的供求定律與生態系統的供求定律是相悖的，例如市場上海鮮魚類的供給量減少，則價格上漲，從而刺激捕撈量增加，而海鮮魚類的保有量則會下降。使這種相悖的規律通過耦合協同起來，扭轉向耗竭方向惡性發展的局面，是可持續發展必須解決的問題。實現馬克思所指出的:“人同自然界完成了的本質的統一，是自然界的真正復活”必須靠機制創新才能做到。繼循環經濟之后，人類社會進一步解決可持續發展問題的經濟形態是“耦合經濟”。所謂的耦合經濟，是指在市場經濟體制下，在充分發揮循環經濟的基礎上，通過當今人類社會經濟活動與自然界的生產活動相互耦合，人造財富生產能力、自然資源消耗能力與自然資產生產能力相和諧，經濟活動中排放氧化物的規模與自然生態系統的還原規模相和諧;人類社會所依賴的能源在依靠工程技術使能量得到梯級充分利用的基礎上，工程科學突破了對物理學中熱力學第二定律限制性的理解，以耦合作為創新的主要手段，在地球環境條件下，發展能夠把賦存于地球環境中的能量聚集起來，使之成為新能源的可持續能源技術，最終實現由可持續能源支撐的人與自然共生共榮和諧發展的科學技術體系，使經濟形態符合社會政治經濟制度安排。簡而言之，耦合經濟就是人類社會經濟活動和生產活動以及自然生產要素相耦合，經濟(Economic)、環境(Environment)、可持續社會(Ecotopia)三者(3E)協調、和諧、共同發展，構筑“三生”(生產、生活、生態)友好復合型社會體系.

三、耦合經濟的制度創新設計

經濟學鼻祖亞當•斯密在其代表著作《國富論》中提出來的“看不見的手”原理，其含義是:社會中的每個人都在力圖追求個人利益的最大化，即消費者追求滿足程度(效用)最大化，生產者追求利潤最大化，一般說他們并不企圖增加公共福利，也不知道他們所增加的公共福利有多少，但是在這樣做時，有一只看不見的手正引導他們去促進社會利益，并且其效果要比他們真心想促進社會利益時所產生的效果好。后來經過后世經濟學家A•馬歇爾等人的不斷完善和演進，這只“看不見的手”已經成為今天市場經濟理論中關于市場可以有效率地實現稀缺資源合理配置的機制。現在我們嘗試移植這一原理，把它應用到自然資產的生產和消費領域中來。我們把這一原理中市場參與者的個人追求定義為明確目的，把在不經意中達到的目的定義為伴生目的。把這只新的看不見的手的原理描述為復合社會(包括自然界在內)的每個人都在力圖追求個人滿足。一般來說，他們并不企圖改善生態環境，發展生態資產，也不知道他們所作的貢獻有多大，但是他們這樣做的時候，有一只看不見的手引導他們去達到伴生目的，并且其效果要比他們真心想的效果好。很顯然，如果在實踐中做到了這樣，那就是將人類社會活動與自然生態系統活動耦合起來，在人們追求個人幸福的努力過程中，同時達到了生態友好、環境友好、氣候友好的伴生目的。這只新的看不見的手，將是有效果的。作者構思了一個關于“空氣資產”生產消費等行為中新的看不見的手起引導作用的模型(如圖4所示)，它初步顯示，經過努力這條路是可行的.假如我們每時每刻呼吸的空氣資產為某個擁有者所有，消費者不按市場價格付費，就無法取得呼吸用的空氣，就像哺育嬰兒需要牛奶，嬰兒沒有付費購買牛奶的能力，而是由其撫養人代付的。由此我們建立這樣的市場關系:空氣資源擁有者依靠出賣自己的空氣取得收入而生存發展，他會按照市場競爭決定的價格向消費者收取費用。由于排污者對空氣產生污染，降低了空氣的效用，進而降低了擁有者出售空氣的價格，并因此受到損失。在法律的保護下，擁有者向排污者收取賠償金而加大了排污者的行為成本。空氣擁有者為了永續經營下去，會將出售空氣得到的資金和向排污者收取的賠償金用于根據消費者需要、維持和擴大生產者的生產量的投資，如用于清除污染從而提高銷售價格的投入。一個非常淺顯的道理:排污者向大氣環境排放污染物使空氣受到污染的過程，是一個自發的擴散過程，而擁有者要治理污染物的時候，首先是一個把污染物富集起來、分離出來的不能自發的過程，其后才是把污染物無毒、無害化轉化的過程。較之排污者在排放之前污染物尚處于“濃相”時治理，至少是多出了把污染物富集起來、分離出來的成本。排污者終究會發現，賠償損失比自己治理的花費要大，從自身利益考慮，他最終會選擇自己治理而不是向空氣排放污染物。這個很簡單的模型告訴我們，通過導入一只新的看不見的手，使現行市場經濟體系參與自然系統的運行耦合起來，最終實現建立在自然系統上的良性發展，自然資產保值增值基礎上的經濟繁榮、社會財富增長，是能夠做到的。

四、耦合經濟解決問題的思路

耦合作為解決問題的一種方式，本質上是一種創新，因為它符合創新的最本質特征，即把一切不可能變為一切皆有可能。從系統科學的角度來看，耦合是構造一個新系統的手段。由于新系統的新結構，決定了新系統的新功能。新系統能夠涌現出新的特性或功能，包括把過去的不可能或把在其他存在形式下的不可能變成新系統下的可能。

(一)人類活動與自然活動的耦合如今作為地球村的村民，我們欣喜地看到經世界各國政治家、科學家以及社會名流的大聲疾呼和國際組織的不懈努力，各國政治家在遏制全球氣候變化問題上取得了越來越廣泛的共識，并且列入國家議程。在有關制度驅動下的主要行動包括發展循環經濟、深入的節能減排、清潔發展機制、低碳經濟、可持續能源的開發和利用、植被恢復與荒漠化治理等。目前，全球人類活動排放的CO2數量遠遠多于全球自然生態系統還原的CO2數量，處于大氣中CO2含量因為總量積累而上升的階段，且CO2含量處于對氣候不友好的、使全球氣候變暖的水平。通過把人類活動與自然活動耦合起來，先期要達到遏制住大氣中CO2濃度繼續增長的勢頭。這要靠發展、繁榮地球自然生態系統，擴大其還原CO2的總規模與人類社會經濟活動依靠發展低碳經濟，使全球CO2排放總規模下降。兩者相向運動至規模相當。其后一個階段，是低碳、非碳可持續能源在能源消費結構中占主導，CO2排放總規模小于還原總規模，大氣中CO2總水平因負積累而下降。最后一個階段是使CO2排放總規模與還原總規模達到一個動態平衡階段，此時的平衡使大氣中CO2的濃度處于氣候友好、生態友好的水平。這將是一個漫長的歷史過程。在這里要呼吁的是，我們要把大氣層中的CO2看作全球共享的資源。誰把它更多地轉化成碳質能源，誰就多了一份競爭優勢、生存發展優勢。為此，應該制定國家發展耦合經濟戰略。

(二)人類社會與自然生態系統的耦合我們今天遇到的可持續發展問題原因是人類社會在以自我為中心的社會屬性上走的太遠，因此，我們要跳出現今的社會屬性回歸自然屬性，但這絕不是要解體社會，重新以個體的形式實現人的自然屬性，而是要通過創新破除目前這種游離于自然界之外的社會，建立一個包括自然界在內的復合社會。按照擴充后的復合社會去理解，認識論就要豐富和完善其內容。例如，除了經濟基礎和上層建筑之間的矛盾外，要增加自然資產基礎與上層建筑之間的矛盾。除了生產力與生產關系之間的矛盾外，要增加自然資產生產力與人造財富生產力之間的矛盾。正確地解決這些矛盾才能構建人與自然和諧發展的復合社會。建立這樣的復合社會最重要的制度創新在于明確生態資產的產權歸屬，確立并實現生態資產的價值。歷史經驗告訴我們，人類社會的很多問題，看到和想到遠遠不等于做到，而往往是穩定的利益結構、心智結構、群體的博弈結構在起決定作用。尤其是要實現可持續發展，要放棄無回報地索取自然資源的行為，拿出人類勞動成果的相當一部分回饋于自然，這將面臨整個價值體系的改變，是極為不易的。構建復合社會涉及社會政治經濟制度的調整與完善問題。首先，構建復合社會要解決的問題是明晰生態資產的產權歸屬，使生態資產受到有效保護，避免歷史上一再發生、被經濟學家稱為“公地悲劇”的事件;其次，承認自然資產的價值和生態服務的價值并實現它們的價值，最終要在復合社會的框架結構之下，形成價格機制。這將是極為復雜、深刻的問題，不會在短時間內解決。為了不至于拖延時間，快捷而有效的辦法是向自然資產的采掘、耗用和享受生態服務征收稅金，提高現行市場經濟成本和價格總水平。然后將征收的稅金，以公共財政投入的方式，一方面用于支持耦合經濟產業技術開發;另一方面用于扶持生態產業及生態資產所有者，矯正因為價值被忽視的參與市場競爭的先天畸形。因此，我們才能迎來一個生態逐步繁榮，環境容量相應增大，生態系統產出持續提高，生態服務逐步增強，自然資產充分保證的前提下、人造財富最大化得以實現，人與環境系統和諧共榮的未來世界。

(三)自然生產要素之間的耦合由于時間和空間的限制，即使是在科技水平高度發達的今天，人類認識和改造自然界的知識和能力都是有限的，人類歷史上無論哪個階段，由于認識能力的局限，所積累的關于自然的知識，都是有錯誤的，仔細推敲下來，對人類社會曾經有過的對征服自然產生的狂熱情緒的批評中，有一種聲音是“出于人類的無知”。其實，人們對于征服自然產生的狂熱情緒并不是完全沒有知識的無知，而是基于一些錯誤的無知。但是，在汲取因為基于偏頗甚至錯誤的知識而發生不適當的征服自然的行為招致自然報復的教訓時，我們也要切實防止消極看待人類對自然進行干預甚至是改造的作用，防止犯以偏概全的錯誤。事實上，就自然的生產力而言，完全自然的狀態中，往往蘊藏著巨大的潛力，但因為自然生產所需要素耦合不完善，而始終發揮不出來。其中的“玄機”一旦被人類看破并對其進行適當的干預甚至是改造，往往能夠快速而有效地把這種潛力釋放出來。古往今來，此類成功的實踐不勝枚舉。尤其是在當代科學技術飛速發展而又面臨可持續發展難題的今天，運用人類知識作用下的勞動，把自然生產要素耦合起來，形成高的自然生產力，服務于人類社會物質財富的創造，理應成為耦合經濟研究中的一個重要方面，也必將在耦合經濟的實踐中得到更加理智地看待和應用，并因為創造出難以估量的自然生產力而推動可持續發展。2000多年前建造的都江堰水利工程，至今仍發揮著巨大作用，成就了四川“天府之國”的美譽，是中國古代先人運用自然規律的正確知識，用勞動改造自然、使自然生產力得到大幅度提升的杰作，它發揮作用的本質可以理解為:通過都江堰水利工程改變有限水資源(自然生產力的一個要素)的時空配置格局，使得整個成都平原都能及時得到水資源以與其他各項自然生產要素偶合起來，使自然的生產力得到大幅度的提升。在當代，隨著科學技術的進步，特別是人工材料提供的支持，人們通過干預和改造自然，形成了能夠大幅度提高自然生產力的人工環境。例如，改革開放以后，我國北方農民發明并廣泛應用的塑料大棚溫室種植技術，改變了自然狀態下整個漫長冬季因溫度和熱量水平不足以支持其他要素耦合并轉化為生物質的狀態，改善了城鄉人民生活水平，富裕了一方農民。總而言之，在很多豐富而又具有說服力的成功案例的啟發下，我們確實該自覺地、能動地、清醒地認識“運用人類知識作用下的勞動，把自然生產要素耦合起來，形成高的自然生產力”這一命題了。

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【關鍵詞】建筑工程；學科交叉；建筑仿生學；建筑拓撲學

1.引言

進入21世紀的世界，創新無時無刻不再發生，創新已經成為推動人類前進的不竭動力源泉。在當今學科大交叉的背景下，交叉學科創新已成為重要的創新手段之一。建筑業作為社會經濟發展的重要基礎行業，對促進國家經濟發展起著非常重要的作用，建筑工程也一直使人們重點關注的對象。建筑工程的創新對建筑業乃至全社會的產業都是非常重要的。研究建筑工程的發展及建筑工程學科與其他學科的交叉創新對促進建筑工程方面的創新有非常重要的意義。本文首先對交叉學科及建筑工程的發展進行介紹，然后重點論述建筑工程與幾個重要學科的交叉創新。希望通過對建筑工程的發展及其學科交叉創新的概述研究給建筑行業的學者們以一點啟示，引起他們對這方面的興趣，從而促進建筑工程行業方面的創新。

2.建筑工程學與生物學的交叉：建筑仿生學

自地球誕生生物以來，生物在千萬年進化的過程中，為了適應自然界的規律而不斷完善自身。正因為如此，生物本身很多特點與自然環境具有高度的吻合性和科學性，有些甚至超出了人類現有的科學知識的解釋范圍。所以如果人類能夠善于從生物本身的特點受到啟發，無疑是擁有一筆巨大的財富。建筑工程學與生物學的成功結合誕生了一門新學科——建筑仿生學，同時也促進了建筑工程的許多應用創新成果，主要體現如圖所示（見表1）。

表1 建筑仿生學的應用成果

應用成果 原理簡介 成功案例簡介

城市環境仿生 城市的改建規劃在一定程度上模擬某種生理循環系統而進行設計，從而達到在城市結構功能上的改善。 1853年，巴黎市區大規模成功改建

功能仿生 功能仿生就是從自然界生物成功地將各種功能交織組合的范例中受到啟發，然后有機地組織各種錯綜復雜的建筑功能成為一種綜合的整體。 芬蘭著名建筑師Alvar Aalto設計的德國不萊梅高層公寓

建筑材料仿生 建筑材料仿生是指科學家們通過對某些生物特殊的有機構成結構所進行的廣泛而深入的研究與試驗，總結出某些仿生材料學方面的經驗和規律。 英國仿照英超試制成功的一種蜂窩墻壁

建筑仿生的創新更需要學習和發揮新科技的特點，要做到這一點，從事建筑行業的設計師必須善于應用類推的方法，從自然界中觀察吸收一切有用的因素作為創作靈感，同時學習生物科學的機理并結合現代建筑技術來為建筑創新服務，充分利用建筑工程學與生物學的學科交叉所帶來的優勢，使其成為建筑創新的源泉和動力。

3.建筑工程學與拓撲學的交叉：建筑拓撲學

（1）建筑拓撲學。拓撲學是數學學科分支，將拓撲學與建筑工程學融合起來便產生了建筑拓撲學。建筑拓撲學主要研究的是不同形態之間的拓撲同胚與非同胚關系，以便找到滿足統一設計要求的多種可選擇方案，以供人們從中選出最優方案。拓撲學的四種拓撲變化類型可以分成四個層次，這里以住宅設計為例簡單介紹拓撲形變理論對建筑設計的重要影響。具體而言，建筑拓撲學的四個層級演進過程如下：①由吹泡圖到建筑圖。②建筑形態的微分同胚變化③建筑形態的同胚變化。④建筑形態的非同胚變化。

（2）建筑拓撲學應用價值。建筑拓撲學是用拓撲學的理論、方法來研究建筑形態的特征及其演化規律，探索建筑設計各個階段之間形態的拓撲演化方式、過程。它不討論圖形的長短、大小、面積、體積等數量之間的關系，只考慮圖形在連續變化中的拓撲等價問題，這使我們可以在功能關系保持不變的情況下，自由靈活地進行建筑的形態設計，追求建筑方案的多樣性選擇。該學科研究有助于加強建筑形態變化的邏輯性和豐富性，對建筑與環境之間的關系等也具有理論指導意義。

4.建筑工程學與其他學科的交叉

在建筑工程的發展史上，建筑工程還與除上面所提到以外的許多學科產生過交叉創新。具體而言（見表2）：

表2 建筑工程與其他學科交叉創新舉例

建筑工程學所交叉的學科 派生學科 研究內容簡介

風水學 建筑風水學 風水在建筑的地基、居所布局基礎上增加的信息符號，以滿足人們避兇趨吉的心理要求。

園林學 園林建筑而學 建造在園林和城市綠化地段最大程度地滿足人們游憩和觀賞。

聲學 建筑聲學 以最佳的方式控制噪音，應用聲學原理使音樂廳等聲效達到最好等。

5.總結

交叉學科，從活動的角度看，其本質在于異質性知識的耦合，即不同學科科技知識、理論方法、組織知識以及文化知識的耦合；交叉學科知識創新的過程就是包括不同學科的文化知識、組織知識在內的異質性知識相互耦合，推動整個知識空間的不斷拓展和深化的過程。

建筑仿生學善于利用生物本身與自然環境具有高度的吻合性和科學性的特點，從生物本身的特點受到啟發，獲得了利于建筑方面創新的寶貴資源和廣闊思路；建筑拓撲學從數學拓撲學的角度出發將拓撲學與建筑工程學融合起來。建筑拓撲學主要研究的是不同形態之間的拓撲同胚與非同胚關系，以便找到滿足統一設計要求的多種可選擇方案，以供人們從中選出最優方案。前面的敘述已表明，建筑工程與多門學科交叉所產生了很多學科創新和學科分支，同時也促進了建筑工程自身的發展。另一方面它也從側面某種程度上證明了交叉學科是作為科技創新的重要形式之一。這方面的研究工作必將成為現在乃至將來科學的熱點內容之一。

參考文獻

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[2]姚守拙.從壓電傳感的發展看學科交叉創新[J].大學化學,2001(02).

[3]王立福,單欣,李堯.仿生學在建筑設計中的應用[J].山西建筑,2008(03).

[4]劉興,張振宇.拓撲性質的建筑學淺析[J].先鋒論壇,2010(09).

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關鍵詞:電磁兼容(EMC) 電磁干擾(EMI)DSP應用系統

Discussion of DSP Application System EMC Design

DU Guang-bo1,FAN Xing-ming2,ZHANG Xin2

(China United Engineering Corporation, Hangzhou ,310022,China;

2.Ggilin University of Electronic Technology ,Guilin ,541004,China)

Abstract: The general transmission approaches for electromagnetic interference (EMI) and the target and methods of electromagnetic compatibility (EMC) design for the electronic systems are discussed in this paper. The TMS320C24x series chips are used as an example to describe the methods and techniques for the design of DSP application system EMC.

Key word: Electromagnetic compatibility (EMC); electromagnetic interference (EMI); DSP application system

1引言

隨著DSP芯片的迅猛發展,其運算速度和處理能力不斷提高,使得DSP系統的成本、體積、重量及功耗都有很大程度的下降。但與此同時,周圍環境的電磁干擾源越來越多,使得DSP系統和產品設計人員也面臨著更加嚴峻的挑戰,即:如何抑制日益嚴重的電磁干擾(EMI),提高系統性能,使各種電氣及電子設備達到電磁兼容(EMC)的要求。

2電磁兼容設計

2.1電磁兼容

電磁兼容(EMC)是指在有限的時間、空間和頻譜資源等條件下,各種用電設備可以共存并不至于引起性能惡化的一門學科。而電磁兼容性通常是指設備或系統在其電磁環境下能正常工作,并且不對該環境中任何事物構成無法承受的電磁騷擾的能力。

電磁干擾(EMI)是指電磁騷擾引起的設備、傳輸通道或系統性能的下降。形成電磁干擾必須具備三個要素,即:電磁騷擾源、耦合途徑和敏感設備。三者關系如圖1所示。

任何形式的自然現象或裝置所發射的電磁能量,使生物受到損傷或使其他設備、系統發生電磁危害,從而導致性能下降或故障,這種自然現象或裝置就稱為電磁騷擾源。如光照、天電噪聲、電子噪聲、發電機等都屬于電磁騷擾源。耦合途徑是指傳輸電磁騷擾的媒介或途徑。敏感設備是指當受到電磁干擾時,會受到傷害的生物及會發生電磁危害,導致性能下降或發生故障的器件、設備或系統。許多器件、設備或系統既是敏感設備又是產生干擾的電磁騷擾源。

2.2電磁兼容設計的目的

電磁兼容性設計的目的:是使電子設備或電子系統在預期的電磁環境中實現電磁兼容。即要求在同一電磁環境中的設備或系統都能正常工作又互不干擾,達到“兼容”的狀態。滿足電磁兼容(EMC)有以下兩方面的規定:

1)能在預期的電磁環境中正常工作,無性能降低或故障;

2)對該電磁環境來說不是一個干擾源。如果一個DSP系統符合以下條件,則該系統是電磁兼容的:

對電磁騷擾不敏感。

對系統自身不產生干擾。

對其他系統不產生干擾。

為了實現電磁兼容,必須從形成電磁干擾的基本要素出發,從分析電磁騷擾源、耦合途徑和敏感設備入手,采取有效的技術措施,抑制騷擾源、減弱或消除騷擾的耦合途徑,并降低敏感設備對騷擾的響應。

2.3電磁兼容設計的基本內容

電磁兼容設計可分為系統間和系統內兩方面加以考慮。系統間的電磁兼容設計目前已經有較多的研究,因此,本文將主要針對系統內的電磁兼容設計加以討論。

通常系統內電磁兼容設計可分為五部分:有源器件的選擇和印制電路板(PCB)的設計、布線、濾波、接地及屏蔽等。如圖2所示。

2.4電磁干擾的傳輸途徑

電磁騷擾源與敏感設備的耦合途徑有:傳導、感應、輻射或三者的組合。

傳導耦合是電磁騷擾源和敏感設備之間的主要耦合途徑之一。傳導耦合的方式很多,可以通過電源線、信號線、接地導體等進行耦合。防止傳導耦合的方法是避免導線感應噪聲,采取適當的屏蔽或將導線分離,或在干擾進入敏感電路之前,用濾波的方法將其濾除。

感應耦合是電子元件(例如繼電器、變壓器、電感器等)及導線之間的主要耦合方式,可分為電感應耦合和磁感應耦合兩類。對這兩類耦合可以采用加屏蔽、隔離或改變騷擾源和敏感設備的相對位置的方法加以抑制。

輻射是騷擾傳輸的另一種方式,包括天線、電纜、機殼之間產生的干擾。

通常,一個設備或系統中存在諸多的耦合途徑,一般采取抑制騷擾源、減小騷擾源和敏感設備之間的耦合、降低敏感設備對騷擾源的靈敏度來設計系統,達到電磁兼容的要求。

3系統內EMC設計中采取的措施

3.1有源器件的選擇和PCB的設計

在數字電路特別是高速數字電路設計中,有源器件的正確選擇和印刷電路板(PCB)設計對防止電磁干擾(EMI)是至關重要的環節。

在器件的選擇過程中,必須注意有源器件的固有電磁敏感度特性和電磁騷擾發射特性。評價敏感器件的重要參數包括靈敏度和帶寬。靈敏度越高、帶寬越大,抗擾度就越差。電子器件的電磁騷擾發射也是應該注意的,應盡量避免或降低對其他器件或系統產生的干擾。

在PCB板設計中,應充分考慮板的結構、器件的布局、線路安排及濾波等技術。以下是一些值得參考的技巧:

電路中的電流環路應保持最小

使用較大的地線平面以減小地線阻抗

信號線和回線應盡可能接近

電源線和地線應相互接近

在多層板設計中,電源面和地平面應當分開

采用合適的布線寬度以增加高頻阻抗和降低電容耦合

數字地、模擬地等應相互分離

采用多點接地降低高頻地阻抗

增大相鄰激勵線跡的間距減小串擾

盡量減小時鐘信號環路面積

高頻線路和時鐘線要短和直接連接

敏感的線路不要與傳輸高頻大電流開關轉換信號的線路并行

不要有浮空數字輸入,以防止產生開關誤動作和噪聲

3.2濾波技術

在電子系統設計時經常在電路中加入電容器來滿足系統工作時所要求的電源平穩和潔凈度。根據電容在電路中的作用可分為:去耦電容、旁路電容和容納電容。去耦電容用來濾除高速器件在電源板上引起的騷擾電流;旁路電容可用來消除高頻輻射噪聲,從而抑制共模干擾;容納電容則配合去耦電容抑制由電流變化引起的噪聲。

主要的濾波技術包括:

對電源線和所有進入PCB的信號進行濾波

旁路快速開關器件

旁路模擬電路的所有電源供電和基準電壓引腳

在器件引線處對電源/地去耦

用多級濾波抑制不同頻段的電源噪聲

3.3其它降噪措施

根據系統功能和實現目標要求可以采用懸浮地、單點接地、多點接地和混合接地等不同的接地方式

在適當的地方加屏蔽

對有干擾的引線進行屏蔽或絞在一起以消除相互耦合

在感性負載上用箝位二極管等

4DSP應用系統的電磁兼容設計

DSP系統具有高精度、小功率、快速邏輯等特點,容易受到寄生阻抗、介質吸收或高頻噪聲的影響。在高速數字電路中,特別是在快速DSP中,時鐘電路通常是寬帶噪聲的主要和最大產生源,可產生高達300 MHz或更高頻的諧波干擾,應采取措施加以克服。此外,系統復位線、中斷線和控制線是較容易受到干擾的敏感設備。

一個電子系統的電磁兼容性很大程度上取決于元件的布局和導線的連接形式。當一段導線和相應的回路中有電流流動時,便產生了天線效應,向外輻射電磁能量,此能量的大小與流過電流的幅值、頻率及該電流環路所包圍的面積有關,從而形成了一個典型的電磁干擾源。

如圖3所示,環路A―C―D―B和A―E―F―B中傳輸著系統正常工作所需的能量。然而電路中所消耗的能量不是恒定不變的,這主要取決于系統中各元件的瞬時工作狀態。系統中每個器件動作所引起的變化都將反映到這些傳輸線上。為了防止電流的快速變化引起的干擾,可借助電容Cb加以抑制。由信號線和控制線形成的回路N―F―P―Q和L―M―F―D所包圍的面積相對較小,但是由它們引起的高頻噪聲也是不容忽視的。由晶振等元件組成的環路G―H―J―K,通常是系統中信號頻率最高的區域,在進行電磁兼容(EMC)設計時應當重點考慮。

由以上分析可見,在DSP應用系統設計時要重點考慮電源線、高頻信號線和時鐘振蕩電路的設計。對于電源線來說,可以采用去耦電容和鐵氧體保持供電電源的穩定。信號線及其回路組成環路包圍的面積越小越好,以減小輻射干擾(EMI)。在數字系統中時鐘信號通常是頻率最高的信號。以圖4為例,當晶振連接C24x系列內部振蕩器時,通過減小高頻電流和電流環路包圍的面積來抑制電磁干擾。晶振具有很高的阻抗(通常為幾百kΩ),因此其工作時產生的高頻電流幅值很小。然而CMOS電路的輸出是含有高次諧波分量的方波信號,晶振自身對這些信號不具有高阻抗特性,從而將產生較大的諧波電流,可以加一個串聯電阻加以抑制。兩個旁路電容對振蕩器產生的高頻信號呈現出低阻特性,將在Cs―X―Cs之間產生較大的電流。為了減小輻射干擾,在設計時應盡量縮小這個區域的面積。圖中串聯電阻阻值在1 kΩ范圍內。

針對具體的DSP應用系統,應根據所選芯片類型和功能特點進行電磁兼容設計。例如TMS320C24x DSP,它除了配置有高速數字信號處理的結構,還具有單片電機控制的外設功能,是專門為數字電機控制和其他控制應用系統而設計的。當PCB設計完成后,還可以將C24x PWM單元設置為異步、同步或空間矢量PWM模式,進一步降低電磁干擾,增強系統的電磁兼容性。

參考文獻

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作者簡介

篇9

[關鍵詞]濕法煙氣脫硫 高脫硫效率

中圖分類號：U416.2 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）22-0275-02

1 煙氣脫硫技術概述

SO2控制技術的研究，據美國環保署（EPA）1984年統計，世界各國開發、研制、控制技術已達184種，而目前的數量已超過200種。使用的SO2減排手段分為三大類：燃燒前脫硫、燃燒中脫硫及燃燒后脫硫。

1.1 燃燒前脫硫技術

燃燒前脫硫技術的主要內容是采用物理、化學或生物方式對鍋爐使用的原煤進行清洗，將煤中的硫部分除掉，使煤得以凈化，其中煤的物理凈化技術是目前世界上應用最廣泛的燃燒前脫硫技術，該法可以從原煤中除去泥土，頁巖和黃鐵礦硫。通過煤的粉碎，使非化學鍵結合的不純物質與煤脫離，繼而利用構成煤的有機物質（煤的基本微觀結構）與密度較大的礦物不純物之間比重的不同，或利用二者表面潤濕性，磁性，導電性的不同將它們分離。主要方法有：重力法、浮選法、重液體富集法、磁性分離法、靜電分離法、凝聚法、細煤粒重介質旋風分離法等。物理方法工藝簡單，投資少，操作成本低，但不能脫除煤中有機硫，對黃鐵礦硫的脫除率也只有50%左右。

化學法脫硫多數針對煤中有機硫，主要利用不同的化學反應，包括生物化學反應，將煤中的硫轉變為不同形態的硫而使之分離。目前主要的化學凈化方法有：BHC法（堿水液法）、LOL氧化法（O2/空氣氧化法）、KVB（NO2選擇氧化）、氯解法（C12分解）、Meyers（Fe2（SO4）3氧化法）、微波法、超臨界醇抽提法等。

微生物脫硫技術雖然從本質上講也是一種化學法，但由于其自身的特殊性，可把它單獨歸為一類。它是把煤粉懸浮在含細菌的氣泡液中，細菌產生的酶能促進硫氧化成硫酸鹽，從而達到脫硫目的。

1.2 燃燒中脫硫技術

燃燒中脫硫技術主要是指當煤在爐內燃燒的同時，向爐內噴入脫硫劑（常用的有石灰石，白云石等），脫硫劑一般利用爐內較高溫度進行自身鍛燒，鍛燒產物（主要有CaO，MgO等）與煤燃燒過程中產生的SO2、SO3反應，生成硫酸鹽和亞硫酸鹽，以灰的形式排出爐外，減少SO2、SO3向大氣的排放，達到脫硫的目的。燃燒過程中脫硫反應溫度較高，一般在800-1250℃的范圍內。

煤燃燒中脫硫技術主要有以下幾種：

1、煤粉爐直接噴鈣脫硫技術，在煤粉爐中，脫硫劑選擇溫度較低區域（爐膛上方）噴入進行脫硫。單純的爐內直接噴鈣脫硫效率只能達到30-40%左右，再與尾部活化器增濕或在脫硫中添加催化劑等技術相結合，其脫硫效率可達70%以上，這一方法所具有的投資省，裝置簡單，但脫硫效率較低。

2、流化床燃燒脫硫技術包括常壓鼓泡流化床燃燒技術、常壓循環流化床、增壓鼓泡流化床燃燒技術與增壓循環流化床燃燒技術。其中前三類已得到工業應用，增壓循環流化床燃燒技術尚在工業示范階段。穩定運行時的循環流化床燃燒脫硫效率可達90%以上。該技術現已在國外得到廣泛地應用。

存在問題是：循環流化床受容量限制。增壓循環流化床燃燒技術效率在38-42%左右，脫硫效率在90%以上，同時還具有較強的脫硝能力，因此它也引起了人們的極大興趣。

3、型煤指在煤中摻加脫硫劑，做成一定形狀的煤制品。脫硫劑在燃燒過程中起到控制SO2的作用。型煤燃燒技術對于占工業鍋爐總量70%以上層燃式鍋爐及工業窯爐的有害物質排放能起到一定的治理作用，是實現工業爐窯高效，清潔燃燒的一個大有希望的方向，但這一技術不能用于懸浮燃燒的鍋爐（如電站煤粉爐），而且由于爐溫較高，脫硫率較低。

4、水煤漿技術是70年代國際上發展起來的一種以煤代油的新型燃料。由于水煤漿燃燒時火焰中心溫度比燒煤和燒油低，故NOX、生成量較小，同時能夠降低燃燒時產生的SO2和煙塵。目前我國在水煤漿制備和燃燒的研究開發以及工程示范方面取得了很大進展，已具備了商業化應用條件。

1.3 燃燒后脫硫（煙氣脫硫）技術

煙氣脫硫技術主要是利用吸收劑或吸附劑去除煙氣中的SO2，并使其轉化為穩定的硫化合物或硫。最早的煙氣脫硫技術在本世紀初就己經出現。近幾十年來，國外對煙氣的脫硫、脫硝進行了大量的研究。在工業發達國家，工業脫硫裝置的應用發展很快。我國近十多年來也開展了煙氣脫硫技術的研究。至今，煙氣脫硫技術的種類非常多，按脫硫的方式和產物的處理形式一般可分為干法，半干法和濕法三大類。

1.濕法煙氣脫硫技術（WFGD技術）

含有吸收劑的溶液或漿液在濕狀態下脫硫和處理脫硫產物。該法具有脫硫反應速度快、設備簡單、脫硫效率高等優點，但普遍存在腐蝕嚴重、運行維護費用高及易造成二次污染等問題。

濕法煙氣脫硫可分為石灰石-石膏法，石灰石膏法，海水法，氨法，氧化鎂法等。目前應用最廣泛的為石灰石-石膏法。

2.干法煙氣脫硫技術（DFGD技術）

脫硫吸收和產物處理均在干狀態下進行。該法具有無污水廢酸排出、設備腐蝕小，煙氣在凈化過程中無明顯溫降、凈化后煙溫高、利于煙囪排氣擴散等優點，但存在脫硫效率低，反應速度較慢、設備龐大等問題。干法煙氣脫硫技術由于能較好地回避濕法煙氣脫硫技術存在的腐蝕和二次污染等問題，近年來得到了迅速的發展和應用。

3.半干法煙氣脫硫技術（SDFGD技術）

半干法兼有干法與濕法的一些特點，是脫硫劑在干燥狀態下脫硫在濕狀態下再生（如水洗活性炭再生流程）或者在濕狀態下脫硫在干狀態下處理脫硫產物（如噴霧干燥法）的煙氣脫硫技術。特別是在濕狀態下脫硫在干狀態下處理脫硫產物的半干法，以其既有濕法脫硫反應速度快、脫硫效率高的優點，又有干法無污水廢酸排出、脫硫后產物易于處理的好處而受到人們廣泛的關注。

2 高脫硫效率濕法煙氣脫硫

根據目前電力行業的出口污染物排放標準，一般地區新建燃煤機組SO2出口排放濃度為100mg/Nm3，重點地區新建燃煤機組SO2出口排放濃度為50mg/Nm3，而在一些污染情況較嚴重的特大型城市及周邊，地方政府為了滿足國家環境保護“十二五”規劃的要求，制定了相應的地方排放標準，如天津、河北等省市要求燃煤機組SO2出口排放濃度為35mg/Nm3，這就要求火力發電廠脫硫系統具備更高的脫硫效率，根據燃煤含硫量的情況，通常機組的脫硫效率需達98%甚至99%以上。目前有實施業績或在技術研發階段能達到高脫硫效率的脫硫技術有以下幾種：

（1）低液氣比旋匯耦合脫硫技術

石灰石-石膏濕法旋匯耦合脫硫技術（下述簡稱為旋匯耦合技術）為國電清新公司脫硫專利技術，該技術基于多相紊流摻混的強傳質機理，利用氣體動力學原理，通過特制的旋匯耦合裝置產生氣液旋轉翻覆湍流空間，加強氣液固接觸、完成高效傳質過程，從而達到氣體凈化的目的。該技術通過進行了各種脫硫技術參數的試驗，對全面了解和深入研究脫硫技術的特點，掌握脫硫工藝中各種技術參數的相互聯系，推動脫硫工藝技術進步發揮了積極作用。

旋匯耦合脫硫技術的關鍵部件為旋匯耦合器，旋匯耦合器安裝在吸收塔內，噴淋層的下方、吸收塔煙氣入口的上方，通過旋匯耦合器安裝位置湍流空間內氣液固三相充分接觸，增強氣液膜傳質、提高傳質速率，進而提高脫硫接觸反應效率。其工作示意圖如下圖1：

旋匯耦合專利技術是將進塔煙氣由層流變成湍流狀態，大大增加了氣體的漩流速度，與同類脫硫技術相比，具有以下幾大技術特點：

a） 均氣效果好

吸收塔內氣體分布不均勻，是造成脫硫效率低和運行成本高的重要原因，安裝旋匯耦合器的的脫硫塔，均氣效果比一般空塔提高15%-30%，脫硫裝置能在比較經濟、穩定的狀態下運行。

b） 傳質效率高

煙氣脫硫的工作機理，是SO2從氣相傳遞到液相的相間傳質過程，傳質速率是決定脫硫效率的關鍵指標。

c） 降溫速度快

煙氣通過旋流和匯流的耦合，旋轉、翻覆形成湍流都很大的氣液傳質體系，煙氣溫度迅速下降，有利于塔內氣液充分反應，各種運行參數趨于最佳狀態。

d） 適應范圍寬和系統能耗低

此技術適用于不同工藝、不同煤種和工況，以及原料不同的石灰石粒徑。由于脫硫效率高，液氣比小，比同類技術能節約電能消耗。

（2）單塔雙循環技術/雙塔雙循環技術

雙循環技術是德國諾爾公司的一種濕法脫硫技術，基本原理如下圖2所示：

本技術實際上是采用兩級吸收塔串聯使用，兩級循環分別設有獨立的循環漿池，噴淋層，根據不同的功能，每個循環具有不同的運行參數：

煙氣首先經過一級循環（圖中Quench Zone），此級循環的脫硫效率根據入口煙氣SO2濃度可控制在30～90%，循環漿液PH控制在4.6～5.0，漿液停留時間在4～6分鐘，此級循環的主要功能是保證優異的亞硫酸鈣氧化效果和充足的石膏結晶時間，根據資料顯示，在酸性環境下PH=4.5時，氧化效率是最高的，同時可以大大提高石膏品質，提高石膏脫水率，據國外資料顯示，采用雙循環系統后石膏含水率可以從10%降低到6%。

經過一級循環的煙氣直接進入二級循環（圖中Absorber Zone），此級循環實現主要的脫硫洗滌過程，PH可以控制在非常高的水平，達到5.8～6.4，這樣可以大大降低循環漿液量。

（3）低液氣比B&W濕法脫硫技術

該技術利用氣體動力學原理，通過在吸收塔中設置專利的合金帶孔托盤裝置使吸收塔內氣體流速較好的均布，避免局部煙速高，對脫硫效率的影響;另外，合金托盤可保持一定高度液膜，增加煙氣在吸收塔內停留時間，加強氣液固接觸、完成高效傳質過程，有效降低液氣比，提高吸收劑利用率，從而達到氣體凈化的目的。增設托盤裝置需增加吸收塔高度。B&W濕法脫硫技術示意圖如下：

B&W濕法脫硫技術具有

a）均氣效果好;

b）系統能耗低;

c）檢修維護方便等特點;

但系統阻力較大，由于漿液通過托盤，如開孔直徑不合適，容易造成堵塞等問題。

（4）中液氣比輔助噴淋脫硫技術

輔助噴淋脫硫技術為上海某項目采用的脫硫增效技術。在原噴淋層間增加專利設計的輔助噴淋層，增加輔助噴淋泵，在一定程度上增加液氣比，改善噴淋效果，并增加漿液池容積，改善氧化效果，以達到提高SO2吸收效率的目的。

此技術較適用于對原有系統進行改造，而工期較緊張不宜增加吸收塔高度時有一定優勢。

（5）高液氣比脫硫技術

在吸收塔內原有噴淋層基礎上，通過增加噴淋層及循環漿液泵等設備，增加液氣比，并增加漿液池容積，改善氧化效果，提高脫硫效率。

此技術需增加塔高度，同時，由于液氣比較大，吸收塔漿池高度對比其他技術較高，故而氧化系統的壓頭較高，系統運行電耗較大，初期投資也相應較高。

（6）活性焦干法脫硫技術

活性焦脫硫在國內外得到了廣泛的研究，日本、德國以及中國等國家已經有了成功的商業應用。國內一些公司也引進國外的先進技術。

活性焦干法脫硫工藝可分為吸附、解析和硫回收三個部分。吸附過程主要利用活性焦的微孔和其突出的表面積，將SO2、NOX、O2、H2O及煙氣中的汞等雜質吸附在活性焦的表面活性位上，轉變為吸附態分子后進入解析裝置進行解析，解析后的SO2可制成硫磺、硫酸等產品。

活性焦干法技術有較突出的優點為：

a）脫硫效率高，由于活性焦的吸附能力強，脫硫效率能達到99%及以上，脫硝效率能過80%以上，同時有吸附其他污染物的功能。

b）副產物利用條件較好，變廢氣為應用較廣的化工產品，減少其他技術帶來的二次污染問題。

c）節約水資源和吸附劑，由于吸收過程中不需要使用水，吸附劑可以通過解析再生，適用于缺水的北方地區。

但由于初期投資較高，需要蒸汽進行解析等原因，國內的應用相對較少。

（7）有機胺濕法脫硫技術

有機胺濕法煙氣脫硫技術利用有機胺吸收煙氣中的SO2，然后通過解析得到高純度的SO2，同時吸收劑再生循環利用，可解決石灰石-石膏濕法脫硫的副產物污染問題，同時脫硫效率能過98-99%，效率較高。

作為一種新興的環保脫硫技術，有經濟合理性和技術可行性，主要特點有以下幾方面：

a）對初始煙氣中SO2含量適應性較好，脫硫率高，一般能達到98%以上;

b）脫硫系統在弱酸性氣液相環境下運行，不存在固體廢棄物的二次污染，不會發生結塘、磨損和堵塞等問題;

c）設備占地面積為石灰石-石膏法的1/5，投資成本較低，可用于老的火電廠脫硫改造，優勢明顯;

d）副產品SO2商業價值高，為企業帶來了顯著的經濟效益;

由于初期投資較高，吸收劑成本較高，需要蒸汽進行解析等原因，國內的應用也相對較少。

篇10

摘要：干旱區流域水資源短缺與生態惡化問題日趨嚴重，水文-生態過程耦合分析與模擬問題是實現干旱區流域水安全與生態安全亟待解決的核心科學問題。在總結國內外水文-生態過程耦合研究現狀的基礎上，探討當前干旱區流域水文-生態過程耦合研究面臨的關鍵科學問題，初步提出干旱區流域水文-生態過程耦合研究框架，包括水文-生態過程的作用機制、耦合關系和耦合模擬研究，旨在為干旱區流域水文-生態耦合研究提供參考。

關鍵詞：干旱區流域；水文-生態過程；作用機制；耦合關系；耦合模擬

中圖分類號：TV11 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2012）01-0102-04

Discussion of Research Framework of Coupled Analysis and Simulation of Hydro-ecological Processes in Arid Watersheds

ZUO Qi-ting1,GUO Li-jun2,PING Jian-hua1,LIANG Shi-kui1

(1.Center for Water Science Research,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China；

2.Xinjiang Survey and Design Institute of Water Resources and Hydropower,Urumqi 830000,China)

Abstract:The shortage of water resources and the deterioration of ecosystem have become increasingly serious in the arid watersheds.Coupled analysis and simulation of the hydro-ecological processes are believed to be a core science to realize the water and ecological safety in the arid watersheds.This paper summarized the current worldwide research progress of the hydro-ecological processes,discussed the key scientific problems in the hydro-ecological processes at present,and proposed the research framework for the coupled analysis of the hydro-ecological processes in the arid watersheds,including the mechanism,coupled relationship and simulation of the hydro-ecological process.This framework can provide references for the research of coupled hydro-ecological processes in the arid watersheds.

Key words:arid watersheds；hydro-ecological processes；mechanisms；coupled relationship；coupled simulation

水是干旱區最為稀缺的資源，不僅是制約經濟社會發展的關鍵因素，也是維系生態系統健康的關鍵因子。干旱區水資源匱乏，生態脆弱，由水資源開發利用引起的綠洲萎縮、沙塵暴肆虐、土壤鹽漬化等生態問題日益凸顯。干旱區經濟社會用水的快速增長及其對生態用水的嚴重擠占，使水資源短缺與生態退化成為實現干旱區流域可持續發展的關鍵障礙。

在干旱區，水資源系統與生態系統之間相互聯系、相互影響。僅僅獨立地研究區域/流域水文過程或生態過程，不能系統地揭示水與自然生態相互作用的客觀規律，也難以解決淡水資源短缺、水質惡化和生物多樣性減少等生態問題。針對干旱區流域水資源短缺與生態惡化問題，綜合考慮水文要素與生態要素的關聯，研究水文過程和生態過程相互作用的物理和化學機制，尋求對生態有利、水資源可持續利用的管理方式是當前亟待開展的核心研究問題［1-2］。《國家中長期科學發展規劃綱要（2006-2020）》明確提出要加強尤其是要加強干旱區生態環境問題研究，其中“水文-生態過程作用機制的研究和水文生態綜合集成研究”是綱要的優先主題［3］。可見，干旱區流域水文-生態過程耦合分析與模擬研究正面臨著國家重大需求的歷史機遇。

1 國內外研究現狀

水文過程與生態過程耦合研究是現代水文科學最為活躍的領域之一［4-5］。國際地圈生物圈計劃的“水循環的生物圈方面（BAHC）”和國際教科文組織（UNESCO）的國際水文計劃（IHP）等國際研究計劃以認識陸地生態系統與區域水文過程的耦合機制為核心內容［6］。

1.1 國外研究現狀

20世紀50-60年代，Petts等通過研究河渠、河網、集水區的形成與演化開展了最初的水文-生態研究［7］。早期的水文-生態研究大多是在濕地、水陸過渡帶等水生生態系統開展水文-生態的耦合特征研究。自20世紀80年代起，水文-生態研究的范圍開始轉向陸地水域、水陸交錯帶、森林和干旱區等水文過程和生態過程耦合作用的敏感區。國際上許多學者在這些區域開展了深入的研究工作。

1.1.1 干旱區水文-生態過程作用關系研究

目前，有關干旱區水文-生態過程作用關系的研究，多是從單一方面的效應研究入手，即水文變化的生態效應或生態變化對水文過程的影響效應，缺乏系統的、綜合的耦合研究。

在“水文變化的生態效應”方面，Klijin等（1999）指出可以利用水的流量、流速等水文要素對生境進行重塑并控制植被群落［8］；Garcia等（2000）指出水文過程可以調整配置景觀內的“流”（包括營養物、污染物、礦物質、有機質），水質的惡化和水位（特別是地下水淺水位）變化、水化學特征及其變化，影響植物的群落結構、動態、分布和演替［9］；Dakova等（2000）、Snyder 等（2006）認為水文過程可以通過多種水文要素，如水文、水力影響營養物質在淡水生態系統內的分布與富集；干旱、半干旱區降水事件引起的土壤水分與養分等資源的脈動，深刻影響著植物生活史、種群動態、群落變化、入侵恢復以及生態系統流［10-11］。

在“生態變化對水文過程的影響效應”方面，Glaser等（1990）研究了植被對水化學和水文梯度的影響，指出植被對水化學梯度很敏感，水化學梯度（主要是pH值和Ca含量）對植被群落演替具有重要作用［12］；Bromley等（1997）指出大尺度上，大面積自然植被的破壞，特別是熱帶雨林的破壞可能造成降水量的減少，并改變整個區域的水文循環模式［13］； Armando等（2007）指出影響水文過程的最顯著的土地利用變化之一是植被變化［14］；Amenu等（2008）認為植被能夠通過根系的水力重分布機制傳輸土壤水，從而改變表層土壤水分和深層土壤水分的分布，并影響水文過程［15］。

1.1.2 水文-生態過程模擬研究

水文生態模型是在揭示區域水文過程機理的基礎上，建立的模擬預測水文生態耦合作用關系和演變趨勢的模型，近年來成為水文-生態研究的熱點。在水文生態模型的構建上，德國、澳大利亞、荷蘭等國走在世界前列，探索開發了SWM模型、TOPOG模型和DEMNAT模型等諸多水文生態模型。

目前，國際上成功開發并應用的水文生態模型主要有：① 德國開發的SWM模型，可用于模擬水文、植被生長、侵蝕、養分（N和P）等過程，主要適用于中尺度（100~10 000 km2）或同數量級尺度地區的水文-生態過程［16］；② 澳大利亞開發的TOPOG模型，是基于地形分析的小流域水文模型，用于模擬流域瞬時水文及其對流域植被變化的響應、植被生長及其對水量平衡的影響等［17］；③ 荷蘭開發的國家生態水文預測模型DEMNAT及陸地生態系統水文影響評價模型ITORS。DEMNAT主要用于模擬水文變化的生態效應，在全國和區域尺度上表現良好［18］。ITORS可描述植物種群和生境因子（如土壤、地下水和土地管理）之間的相互關系，可用來評價人類活動引起環境變化條件下的植物種群響應機制［19］；④ ICHORS生態水文模型，可用于預測化學和水文生物因子對植物種群響應的影響；⑤ 包含了部分生態分析功能的具有代表性的分布式水文模型（MIKESHE、SWAT、HYDROGEOSHPERE等）。

當前，國際水文-生態過程耦合分析與模擬研究總的趨勢為：不再是獨立地研究區域水文過程或生態過程，而是耦合水文-生態過程并放到區域、流域尺度，從水文-生態過程的作用機制及耦合關系進行綜合研究。

1.2 國內研究現狀

近10年來，我國開始重視水文-生態過程的耦合研究，主要側重于干旱區、濕地、森林生態系統局部尺度上土壤-植被-大氣傳輸中水與植被的相互影響。由于我國西北干旱區水資源短缺與生態退化問題較為突出，在干旱區水文-生態過程耦合研究中取得的成果較多。

1.2.1 干旱區水文-生態過程作用關系研究

目前，此方面研究主要側重于研究植被結構與功能變化對水文過程變化的響應，土地利用/覆被變化對水文過程變化的響應以及植被與地下水的相互作用。國家“九五”科技攻關計劃《西北地區水資源合理開發利用與生態環境保護研究》初步揭示了干旱區水分-生態相互作用機理［20］；陳亞寧等（2003）分析了塔里木河下游斷流河道地下水埋深對天然植被的組成、分布及長勢的影響［21］；張麗等（2004）分析了干旱區地下水位、土壤鹽分對植被覆蓋度、頻度的影響［22］；左其亭（2006）分析了博斯騰湖向塔里木河下游實施生態應急輸水效果以及對下游生態環境的影響［23］；周可法等（2006）探討了干旱區人類過度利用上游河水對下游生態環境的脅迫機理［24］；王水獻等（2011）研究了焉耆盆地的地下水埋深與土壤鹽堿化、植被生長與潛水蒸發的相互關系［25］。

1.2.2 水文-生態過程模擬研究

在水文-生態過程模擬研究方面，我國學者也做了大量的研究工作。比如，穆宏強等（2001）研究了分布式流域水文生態模型的建模理論［26］；羅毅（2001）等建立了模擬農田SPAC系統（土壤-植被-大氣連續體中）的水、熱、CO2通量和光合作用的模型（CropS模型）［27］；莫興國等（2001）基于陸地生態系統能量收支、水文循環和碳氮循環開發了植被界面過程的生態水文動力學模型（VIP模型）［28］；左其亭等（2002）提出了“多箱模型方法”，建立了陸面水量-水質-生態耦合模型［29］；趙成義等（2003）建立了內陸河流域二維地下水運動模擬模型，研究內陸河流域植被變化與地下水運動［30］；方創琳等（2004）根據黑河流域生態、生產和生活三系統相互作用形成的水-生態-經濟協調發展耦合關系，建立了黑河流域水-生態-經濟協調發展耦合模型［31］；劉昌明等（2009）開發了分布式生態水文模型EcoHAT，包括水分循環、營養元素循環和植物生長三大部分［32］。

總體來看，我國干旱區流域水文-生態過程耦合分析與模擬研究目前還處于理論和方法體系探索階段。水文-生態過程的作用機制研究不夠深入，水文-生態過程耦合模擬研究還比較缺乏，已建立的水文生態模型多借鑒生態學、水文學以及其它學科的模型。

2 關鍵科學問題

從國內外研究現狀來看，干旱區流域水文-生態過程的耦合分析與模擬研究越來越受到人們的重視，但水文-生態過程的耦合研究仍面臨著以下關鍵科學問題。

① 干旱區流域水文-生態過程的作用機制是什么？

干旱區流域生態系統與水文系統相互影響、相互作用，水文情勢變化如何改變流域生態格局，生態演變如何影響水文過程？植被面積、長勢與水文條件（地表水、土壤水、地下水、人工引水）之間的關系（規律、機制、原理）如何？總體來說，水文-生態過程的作用機制還不明確，這是水文-生態過程耦合研究的重要基礎，是亟待解決的關鍵問題之一。

② 干旱區流域水文-生態過程有哪些耦合關系？如何模擬其相互作用？

當前的分布式水文模型（具有代表性的MIKESHE、SWAT、HYDROGEOSHPERE等），包含或增加了部分生態分析功能，主要是描述生態格局與變化形成的水文機制和過程，難以反映出生態過程對水文過程變化的響應作用，即仍缺乏定量模擬基于水文機制下的生態格局與響應。因此，針對干旱區以“耗散”為主要特征的水文-生態過程，構建分布式水文生態模型，是水文-生態過程耦合研究的核心問題。

3 水文-生態過程耦合研究框架

根據國內外研究現狀和干旱區流域水文-生態過程的相互作用，總結得出干旱區流域水文-生態過程耦合分析與模擬的研究框架（見圖1），主要內容包括以下方面。

3.1 水文-生態過程演變趨勢與作用機制研究

① 水文過程演變趨勢研究。選取典型研究區，收集研究區的水文、生態等資料，建立基礎數據庫。根據流域水資源開發利用歷史，對比分析流域水文過程變化趨勢及影響因素，主要包括：揭示研究區的水質、水量變化特征，分析氣候變化和人類活動對流域水循環系統、水化學系統的影響作用，建立干旱區流域水循環系統演變模式。

② 生態過程演變趨勢研究。基于RS技術，根據流域植被覆蓋、土地利用結構、生態格局演變歷史，對比分析流域生態系統演變趨勢，重點分析與水資源開發利用密切關聯的生態系統演變趨勢及影響因素。

③ 水文-生態過程作用機制研究。基于流域水文、生態過程演變趨勢，分析流域水文過程變化對生態系統的脅迫與驅動機制，包括水資源開發利用引起的土地利用/植被覆蓋變化、植被多樣性變化等；分析生態格局與功能演變對流域水文過程的影響。

3.2 水文-生態過程耦合關系研究

3.2.1 “多水耦合”研究

水循環把水圈中的所有水體聯系在一起，包括大氣水、地表水、地下水、土壤水以及構成自然界的水。根據水循環機理和水平衡原理，研究“大氣水-地表水-地下水-土壤水-植物水”五水的相互作用和相互轉化過程，分析流域水文-生態過程的多水耦合作用機制。

3.2.2 “多場耦合”研究

在干旱區，地下水是陸生植被生存的重要來源，植被結構和功能與地下水滲流場、水化學場及溫度場之間存在互饋關系。根據“滲流場-水化學場-溫度場”三場之間的相互作用關系和影響，分析水文-生態過程的耦合關系。耦合模擬地下水滲流場、水化學場和溫度場，分析“三場”的時空變化特征及互饋關系，進而分析“三場”與植被之間的相互作用關系。

3.2.3 “多系統耦合”研究

按植被類型研究其對地表水、土壤水、地下水的依賴；分析植被依賴地表水、土壤水、地下水(水質、水位和水量)的程度；確定不引起植被功能發生大的改變的水資源變量(地表水資源和地下水資源)的安全變化范圍；計算維護植被功能不發生大的改變的條件下能開發利用的水資源量(地表水資源和地下水資源)。

3.3 水文-生態過程耦合模擬研究

3.3.1 水循環模擬研究

模擬干旱區流域水循環過程，包括蒸發蒸騰、融雪、坡面流、非飽和流、河流和湖泊、地下水流及其之間的相互作用；模擬水流運動過程和水量轉化過程、溶質（主要是鹽分）和熱的遷移轉化過程。

3.3.2 水文過程與生態過程作用關系模擬研究

設計不同的變化環境情景（氣候變化和人類活動），模擬植被結構和功能與水文循環的相互影響，即水文過程和生態過程的相互作用。

3.3.3 構建分布式水文生態模型

基于GIS平臺，以“耗散”為主要特點，進行水文過程與生態過程的尺度轉換，建立水文過程與生態過程的概念模型，并遴選參數。通過模型參數傳遞將水文模型與生態模型相耦合，建立分布式水文生態模型，模擬不同情景下水文-生態過程的相互作用。

4 結語

干旱區流域水文系統與生態系統相互作用、相互影響，水文-生態過程的耦合分析與模擬是干旱區亟待開展的核心研究。針對干旱區以“耗散”為主要特點的綠洲平原區，本文從“多水耦合”、“多場耦合”、“多系統耦合”分析干旱區流域水文-生態過程耦合關系，探索干旱區流域水文-生態過程作用機制。

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