北京大学学报自然科学版

非线性有限元方程组的弧长延拓算法

殷有泉, 邸元, 姚再兴

2017, 53(5): 793-800. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2017.072

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研究工程结构因构件屈曲和材料软化导致的稳定性问题, 就需要追踪结构的平衡路径。当采用非线性有限元进行分析时, 传统的牛顿迭代法会在极值点和分叉点处失效, 而弧长延拓方法能很好地解决这一数值计算难题。针对结构稳定性非线性有限元分析程序的编制, 给出弧长延拓算法牛顿迭代的标准格式和两种实用的迭代格式, 并讨论它们之间的关系。通过一个边坡稳定性的有限元分析, 验证了实用迭代格式的有效性。

超导量子干涉仪与声核共振现象相结合探测封闭铅金属壳内表面的微量氧化情况

张继波, 令狐克寰, 吴倩红, 聂瑞娟, 喻凤梅, 王福仁

2017, 53(5): 801-809. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2017.047

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设计内表面微量氧化的封闭 Pb²⁰⁷(I=1/2)金属圆筒模型与球壳模型, 在使用超导量子干涉仪测量内表面氧化物β-Pb²⁰⁷O声核信号的前提下, 分别进行公式推导与验证, 为后续实验测量半导体材料中的偶极矩耦合信号进行理论计算。在相应的条件下, 得到超导量子干涉仪磁通变化与可测量的氧化物质量范围以及所加外场之间的关系, 并探讨使用超导量子干涉仪探测封闭金属圆筒与球壳内表面氧化物的声核共振现象的可行性与优越性。最后, 设计了一套使用超导量子干涉仪测量声核参量的实验方案。

离子液体萃取锝和铼的研究

宋岳, 孙涛祥, 陈庆德, 沈兴海

2017, 53(5): 810-816. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2017.074

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系统地研究离子液体对ReO₄^-和TcO₄^-的萃取。结果发现, 咪唑类和季铵盐类离子液体可通过阴离子交换机理高效萃取ReO₄^-和TcO₄^-。其中, PF₆^-类离子液体对ReO₄^-和TcO₄^-的萃取效率明显高于NTf₂^-类离子液体。当阴离子相同时, 离子液体阳离子侧链增长, 萃取效率增大。增加水相HNO₃浓度或在水相中加入相应离子液体的阴离子可以抑制ReO₄^-和TcO₄^-的萃取。水相中加入相应离子液体的阳离子则可以促进萃取反应进行。在低酸度下, 己基三丁基铵双三氟甲烷磺酰亚胺[N_6,444][NTf₂]和1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐[C₈mim][PF₆]对模拟废液中的ReO₄^-均具有很好的萃取选择性。LiNTf₂和KPF₆水溶液可以分别实现对[N_6,444][NTf₂]和[C₈mim][PF₆]中ReO₄^-的有效反萃。

FLUENT对云凝结核计数器云室内气流特征的模拟研究

于仁杰, 赵春生, 薛惠文, 马楠, 陶江川, 付仕佐, 张健鹏, 旷烨, 刘宏剑, 边宇轩

2017, 53(5): 817-824. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2017.015

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运用计算流体力学模型 ANSYS FLUENT, 对 DMT 公司的恒流热梯度云凝结核计数器(CCNC)云室内的流场、温度场以及水汽场进行模拟。依据外场观测和室内实验中的常用进气流速 0.0164, 0.0185, 0.0205, 0.0226 和 0.0246 m/s 以及云室温差 2, 8 和 17 K, 对比不同进气流速和云室温差对云室内流场的影响。结果显示, 云室内的速度场和温度场均受进气流速和云室温差的影响。当云室温差为 8 K, 进气流速为 0.0205 m/s时, 模拟出的云室中心线的过饱和度约为0.27%, 较好地模拟出云室内的水汽过饱和状态。

川滇地区地壳结构的虚拟地表震源反射测深法研究

亢豆, 俞春泉, 陈九辉, 刘启元, 宁杰远

2017, 53(5): 825-832. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2017.042

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基于中国地震局地质研究所在中国四川西部布设的流动地震观测台阵数据, 用近年发展起来的虚拟地表震源反射测深方法研究川滇地区的地壳结构。结果表明, 川滇地块、松潘?甘孜地块和杨子地块 3 个地块虚拟地表震源反射测深的莫霍面深度存在明显差异: 1) 四川盆地为 40 km左右; 2) 川滇地块为 45~50 km; 3) 松潘?甘孜地块为 30~40 km。四川盆地虚拟地表震源反射测深的莫霍面深度与艾里重力均衡模型所预测的结果基本上一致, 而川滇地块和松潘?甘孜地块虚拟地表震源反射测深的莫霍面深度明显小于前人得到的接收函数莫霍面深度和艾里重力均衡模型预测的结果。可能与四川盆地地壳结构简单, 而川滇地块及松潘?甘孜地块地壳结构复杂有关。同时, 结果显示, 在鲜水河断裂和安宁河断裂处虚拟地表震源反射测深的莫霍面深度明显变浅, 可能与这些深大断裂处地幔物质的上涌有关。研究结果可为认识青藏高原东南缘的构造变形模式提供新的约束。

基于数字高程模型(DEM)的可可西里地貌及区划研究

许丽, 李江海, 刘持恒, 崔鑫

2017, 53(5): 833-842. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2017.041

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基于数字高程模型(DEM)数据, 应用地理信息系统(GIS)方法, 对可可西里地区地貌要素进行定量分析, 并对其地貌区划进行研究。可可西里地区海拔分为中海拔、高海拔和极高海拔三级, 其中高海拔地区占据 69.38%的区域。研究区夷平面广泛发育, 根据地势起伏度可划分为丘陵、平原和台地 3 种类型。除东部三江源地区外, 研究区主体未受到青藏高原强烈隆升造成的河流溯源侵蚀影响, 坡度类型以小于 15 的微斜坡、缓斜坡和斜坡为主, 地势平坦。依据地貌形态特征定量分析、地貌类型组合和地貌成因的差异性原则, 可可西里地区可划分为 4 个地貌区: 羌塘高原地貌区(Ⅰ)、东昆仑山山地地貌区(Ⅱ)、三江源丘状山原地貌区(Ⅲ)和柴达木高原盆地区(Ⅳ)。其中, 羌塘高原地貌区又可划分为可可西里高原地貌亚区(Ⅰ₁)和唐古拉山高山地貌亚区(Ⅰ₂), 东昆仑山地地貌区可划分东昆仑南部极高山地貌亚区(Ⅱ₁)和东昆仑北部高山地貌亚区 (Ⅱ₂)。地貌要素研究可以直观、量化地反映可可西里地区海拔、地势起伏度及坡度特征, 地貌区划研究可以反映可可西里地区高原、山地、山原、盆地的地貌格局和水平分异, 对研究地貌特征、地貌类型及开发保护具有重要意义。

新疆准噶尔与华南湘中法门期碳同位素特征的对比研究

宗普, 马学平, 张美琼, 张宇波, 吕丹

2017, 53(5): 843-861. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2017.055

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针对新疆准噶尔盆地西北缘洪古勒楞组下段是否存在弗拉-法门阶界线的问题, 对比研究布龙果尔剖面该段地层以及湖南中部锡矿山剖面上泥盆统法门阶中下部碳酸盐岩的碳同位素特征, 并结合已有的生物地层学证据, 重新讨论洪古勒楞组下段的时代。结果表明, 布龙果尔剖面洪古勒楞组下段碳同位素的变化趋势与国内外诸多典型剖面弗拉-法门期之交的δ¹³C偏移明显不同: 未见到显著正偏移; 布龙果尔剖面δ¹³C在0~1‰范围内变化, 小于国际上目前已知的弗拉-法门期之交δ¹³C正偏移的幅度(2‰~3‰)。布龙果尔剖面洪古勒楞组下段可能不存在弗拉期地层, 甚至可能缺失法门阶底部(牙形石Pa. triangularis带)。法门早中期, 布龙果尔剖面碳同位素曲线可与湖南锡矿山剖面同时期地层进行较好的对比, 分为3个阶段: 2个完整的正偏—负偏旋回以及之上的小幅正偏。主量元素特征表明, 布龙果尔剖面第3-1层的下半部受陆源物质影响较大, 推测可能与区域构造活动变强烈有关。

基于社交网络签到数据的城市空间相互作用和节点吸引力研究

贺泽亚, 吴必虎, 刘瑜

2017, 53(5): 862-872. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2017.084

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基于社交网络大数据的研究视角, 选取全国348个城市之间一年的跨城市社交媒体地理位置签到数据, 采取优化粒子群(PSO)方法, 使用引力模型, 逆向推导该系统中空间相互作用的距离衰减函数以及各城市的节点吸引力。通过引入经济发展水平、产业结构、人口规模和结构、旅游竞争力、教育水平5个方面的12项变量, 经过因子分析和回归分析, 探究这些变量对节点吸引力的影响作用。结果表明, 社交媒体签到系统中的交互流量符合距离衰减的幂律函数, 与其他交互系统相比, 其距离衰减系数偏小, 说明全国尺度的城市间人的移动受距离影响不明显。对全国城市节点吸引力及其排名的进一步分析发现, 与旅游竞争力、城市发展成熟度、人口规模这几个维度相关的因子对社交媒体签到系统中的城市节点吸引力有显著的影响。研究结论将为更好地理解人类签到和移动行为, 为进一步了解复杂网络系统中节点吸引力的内涵做出一定的理论和实际贡献。

一种基于贝叶斯估计的地磁辅助惯性导航算法

刘岳峰, 郑培晨

2017, 53(5): 873-880. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2017.016

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针对已有算法难以满足实际应用需求的问题, 提出一种面向飞行器导航的基于贝叶斯估计的地磁辅助惯性导航算法, 其核心思想是将估计区域网格化, 将位置估计转化为概率估计。该算法给出了位置修正策略。基于实测地磁数据的仿真实验结果显示, 在仿真条件下, 平均导航误差为89 m, 首次修正惯导的平均时间为156 s, 算法性能对初始估计误差的敏感性不显著。

6种城市下垫面热环境效应对比研究

杨雅君, 邹振东, 赵文利, 邱国玉

2017, 53(5): 881-889. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2017.014

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选择 6 种具有代表性的城市下垫面(沥青路面、水泥路面、荷兰砖地面、草地、嵌草砖地面、大理石地面)作为观测对象, 基于热红外成像技术对其地表温度特征进行观测, 系统分析不同城市下垫面地表温度的日变化以及季节变化特征, 并利用不同下垫面温度的时间标准差、空间标准差及时空数据标准差定量揭示城市不同下垫面地表温度的时空变化特征, 对比研究不同下垫面的热环境效应, 结果如下。1) 不同下垫面地表温度的日变化一般呈先上升后下降的单峰形态, 草地地表温度在不同季节的日变化波动差异较大。沥青的地表温度在全年均为最高, 对热环境的影响较大; 嵌草砖和大理石在全年的温度均较低, 对热环境具有较好的缓解作用, 且缓解作用在夏季最显著。2) 不同下垫面地表日均温度全年均高于大气温度, 表明城市下垫面对大气在一年中都有加热作用。3) 气温、太阳辐射以及空气相对湿度对下垫面地表温度的影响均较为显著; 气温和太阳辐射与下垫面地表温度之间呈正相关关系, 对下垫面以增温作用为主; 空气相对湿度与下垫面地表温度之间呈负相关关系, 对下垫面增温起抑制作用。4) 嵌草砖的热环境稳定性较草地和大理石要好; 沥青路面的温度变化特征最能代表本研究观测区域下垫面地表温度的时空变化特征。研究结果对了解城市不同下垫面热环境具有一定参考意义, 可为缓解城市热环境提供科学依据。

不同热解终温和保留时间下污泥生物质炭孔隙结构特征

汤斯奇, 王经臣, JaehacKo

2017, 53(5): 890-898. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2017.085

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通过低温(77 K)氮气吸附/脱附等温实验, 结合分形维数的概念, 分析生活污水污泥在不同热解终温和保留时间下经热解获得的生物质炭孔隙结构变化特征。实验结果表明, 随着热解终温的提高, 污泥生物质炭BET 的比表面积呈先升高后降低的趋势, 在 600ºC 时达到最大, 为 92.3 m²/g。在低温(不超过 500ºC)下, 污泥生物质炭中的孔以介孔为主, 无微孔出现; 在高温(超过 500ºC)下, 则以微孔和介孔为主。随热解终温的升高, 孔的形状由狭缝型向开放性和平行板式转变, 保留时间的延长不改变孔的形状, 但改变孔的容积。污泥生物质炭表面分形维数随热解终温升高呈增大趋势; 而保留时间的延长, 在中高温(600~700ºC)下使污泥生物质炭表面分形维数降低, 高温(超过700ºC)下又使其提高。

生物淋洗法修复2,4-DNT-3-SA污染土壤

张天宇, 赵泉林, 张振中, 姜振明, 苏宏平, 高学文, 叶正芳

2017, 53(5): 899-904. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2017.094

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采用静态生物淋洗法处理含 2,4-二硝基甲苯-3-磺酸钠(2,4-DNT-3-SA)的土壤。考察供氧条件、土水比及温度对2,4-DNT-3-SA去除效果的影响, 结果表明, 在好氧、37ºC、土水比为10:5的条件下, 2,4-DNT-3-SA去除率最高, 达到 98.75%。采用高通量测序法分析土壤中微生物菌落结构及多样性, 结果表明, 土壤中的优势菌属主要为假单胞菌属、鞘脂菌属和芽孢乳杆菌属。

京沪高铁对沿线城市间空间相互作用影响研究

蒋华雄, 孟晓晨

2017, 53(5): 905-912. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2017.097

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以京沪高铁为例, 分析城市规模、距离、发车频次对京沪沿线城市间客流强度的影响, 辨析高铁的时间压缩效应及频次效应; 同时构建多元线性回归模型, 控制城市规模变量, 分析时间压缩效应及频次效应对城市空间相互作用的影响是否显著, 得到如下结论: 1) 京沪高铁开通导致客流在不同规模城市间分流, 使得城市规模对沿线城市间空间相互作用影响减弱; 2) 2014 年高铁空间距离变量对客流影响显著, 且比 2010 年的弹性系数绝对值小, 客流对空间距离更加不敏感, 引起长距离“城市对”的客流比重及客流强度上升, 即高铁带来的时间压缩效应使得空间距离对沿线城市空间相互作用的影响减弱; 3) 2014 年高铁频次变量对客流强度的影响显著, 高铁带来城市间发车总频次的增加, 提升了中、中高频次“城市对”客流强度, 即高铁的频次效应使得频次对沿线城市空间相互作用的影响增强。

汉江水体和沉积物中全氟化合物的风险评估

李杰, 高月, 王之芬, 王斌伟, 郝红珊, 徐亚茹, 朱婷婷, 许楠, 倪晋仁

2017, 53(5): 913-920. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2017.096

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采集汉江旱季和雨季的水样和沉积物, 应用超高效液相色谱-三重四级杆质谱, 对其中的 11 种全氟化合物(PFCs)进行检测, 研究该区域全氟化合物的污染状况。结果表明, 11 种全氟化合物都有不同程度的检出, 旱季和雨季水样中∑PFCs 浓度分别为 0.3~23.04 和 0.16~19.68 ng/L, 沉积物中∑PFCs 浓度分别为 0~55.1 和0.99~85.07 ng/g。水样总浓度的最高值出现在汉江汇入长江处的武汉, 且武汉采样点的全氟辛酸(PFOA)浓度最高, 旱、雨季分别达到22.52和12.52 ng/L。沉积物中总浓度最高值出现在陶岔, 且以全氟庚酸(PFHpA)和全氟己酸(PFHxA)为主, 沉积物中组分组成的季节差异不大。采用实际检测到的水样中 PFOA、全氟辛烷磺酸盐(PFOS)、全氟壬酸(PFNA)、PFHxA 和全氟葵酸(PFDA)的浓度以及沉积物中 PFOA 和 PFOS 的浓度, 运用熵值法, 对汉江流域进行全氟化合物污染的风险评估, 结果表明, 水体和沉积物中的浓度均未达到对生态环境具有风险的水平。

鄱阳湖三角帆蚌软组织中稀土元素累积与沉积物金属形态响应研究

许旭明, 潘保柱, 舒凤月, 陈秀粉, 倪晋仁

2017, 53(5): 921-928. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2017.095

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为了研究稀土元素对水生态安全的影响, 于 2014 年秋季对鄱阳湖 5 个代表性监测点的三角帆蚌及沉积物进行样品采集, 分析三角帆蚌软组织及沉积物不同提取形态稀土元素的含量。结果表明, 三角帆蚌软组织中稀土元素总量均值为 15.52 mg/kg, 轻稀土元素更易累积, 表明轻稀土元素对贝类的生物效应强于重稀土元素。沉积物样品中稀土元素总量均值为 285.22 mg/kg, 含量高于中国土壤平均值; 轻稀土元素明显富集, 重稀土元素相对亏损, 呈现较强的陆源属性。各监测点沉积物中稀土元素 4 种赋存形态的平均含量: 残渣态>可还原态>可氧化态>酸可提取态, 酸可提取态含量最低, 且空间分布差异较大, 风险评估表明其均处于无风险或低风险水平。三角帆蚌软组织中大部分稀土元素与沉积物中可氧化态和全量显著正相关, 表明三角帆蚌对沉积物中稀土元素的生物可利用性以可氧化态为主。

天津市夏季臭氧污染特征及来源的模拟分析

洪礼楠, 黄争超, 秦墨梅, 王雪松

2017, 53(5): 929-938. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2017.109

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利用Models-3/CMAQ模式系统和高阶去耦合直接技术(HDDM-3D), 对天津市2014年7月的臭氧(O₃)污染进行模拟, 分析臭氧生成的前体物控制区分布规律, 量化天津市及周边地区排放的影响。研究结果表明, 天津市臭氧浓度分布从中心城区向外部郊区逐渐增高, 东南部临海的滨海新区浓度水平最高。天津全市7月的臭氧生成以VOCs控制为主, 中部地区(中心城区、北辰区、东丽区、滨海新区) 95%以上天数的臭氧处于VOCs控制区, 北部远郊(蓟县、宝坻区、宁河区、武清区)以及中部津南区有2/3以上天数受VOCs控制, 南部郊区(西青区、静海区、大港区)的VOCs控制区与共同控制区出现的比例相近。山东省排放是天津市夏季臭氧的主要来源, 平均贡献占比约为1/4, 对天津东南沿海地区的影响尤为突出; 河北省排放平均贡献占比约为1/6, 主要影响天津西部区县的臭氧水平; 天津排放贡献则主要分布在北部的宝坻和蓟县。

红寺堡灌区土地利用变化对生态系统服务价值的影响研究

胡馨月, 宋豫秦, 鲁蕾

2017, 53(5): 939-947. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2017.108

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基于土地利用变化和生态系统服务价值评估的相关理论和方法, 运用GIS软件, 分析红寺堡灌区1996, 2000, 2006和2010年的土地利用变化, 并计算生态系统服务价值, 研究土地利用变化对生态系统服务价值的影响。结果表明, 1996—2010年间红寺堡灌区的土地利用变化较大, 主要土地类型为牧草地、耕地和沙地、荒地, 从以牧草地为主变为以耕地为主, 牧草地减少和耕地增加的幅度最大, 城镇村建设用地和林地次之, 水域最小。研究区生态系统服务价值总量呈增加的趋势, 从1996年的24956.31万元增长到2010年的26663.71万元, 其中耕地和林地面积的增加起主要作用, 加上水域, 三者对研究区生态系统服务价值总量的贡献为84.59%。单位面积生态系统服务价值的分布变化也与研究区土地利用变化紧密相关, 直观地反映了从灌区开发前到灌区建设初见成效后的土地利用变化, 表明红寺堡灌区的土地利用变化对生态系统服务价值的增加具有一定的积极作用。

云南高原湖泊群的统计学聚类识别及水质响应模式研究

蒋青松, 梁中耀, 赵磊, 李玉照, 吴思枫, 刘永

2017, 53(5): 948-956. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2017.113

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为探究湖泊群水质变量的响应模式, 构建适用于监测数据匮乏的湖泊群聚类和响应模式识别方法体系(PCA-BN), 包括4个步骤: 数据预处理、PCA降维与湖泊聚类、贝叶斯网络构建及参数学习、湖泊响应关系模拟。以云南高原湖泊群为例开展研究, 结果表明: 所研究的26个湖泊可分为两类; 由于第一类湖泊受到的人为干扰更严重, 因而叶绿素a对总氮和总磷的响应比第二类湖泊更敏感; 第一类湖泊表层水温高, 溶解氧趋近饱和, 随叶绿素a变化不显著, 第二类湖泊溶解氧随叶绿素a升高而显著升高; 两类湖泊的透明度与叶绿素a的关系一致。

高效反硝化菌强化固相碳源生物脱氮特性研究

芦婷, 杨璐华, 杨飞飞, 吴为中

2017, 53(5): 957-963. DOI: 10.13209/j.0479-8023.2017.114

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