转轮下环间隙对混流式水轮机内部流动特性的影响

水轮机转轮间隙内的泄漏涡、泄漏流等复杂的湍流易影响水轮机的性能与稳定性。为了分析下环间隙对混流式水轮机能量特性和内部流态的影响,该文基于N-S方程和SST湍流模型,考虑了0.6 Qd(Qd为设计流量工况)、0.8 Qd、Qd、1.2 Qd共4种流量工况,对5种下环间隙下的混流式水轮机模型机进行三维全流道数值计算。通过对比不同下环间隙方案对混流式水轮机效率与容积损失的影响,结合不同水轮机内部流场特征,分析下环间隙与水轮机性能的关系。计算结果表明:下环间隙由0.4 mm增大到1.3 mm,机组泄漏量增大,水轮机效率整体呈下降趋势。其中,当机组在小流量0.6 Qd工况运行时,间隙对水轮机能量特性影响最为明显,效率下降了4.1个百分点。当机组在小流量0.6 Qd与0.8 Qd工况运行时,下环间隙增大,间隙内部流场与尾水管内部流场呈现小幅度恶化;当机组在大流量1.2 Qd工况运行时,下环间隙增大,转轮叶片吸力面压力分布以及尾水管内部流场均得到改善。该研究可为混流式水轮机结构设计提供有效参考。     

中隔墩长度对斜式轴伸泵装置出水流道水力特性的影响

为研究大型低扬程泵站斜式出水流道水力特性,采用数值模拟方法对某斜20°轴伸泵装置三维湍流流场进行了数值计算,发现斜式出水流道内存在严重的偏流问题,基于4种计算方案的数值模拟结果分析了偏流的成因,在研究了中隔墩长度对斜式出水流道流态和水头损失影响的基础上提出了解决偏流的措施,并得到模型试验的验证。研究结果表明:顺水流方向看,中隔墩长度为14 m时的斜式出水流道内的主流明显偏于左侧,在流道右侧下部存在较大范围的旋涡区;导叶体出口具有较大周向速度分量的水流呈螺旋状进入"S"形弯曲的斜式出水流道,两者相互作用导致斜式出水流道产生偏流;随着中隔墩长度的增加,斜式出水流道左右孔的偏流系数逐渐减小、流道水头损失呈先减小再增大趋势,当中隔墩加长至23.35m时出水流道左右两侧的出流流量达到基本相等;采用长中隔墩斜式出水流道的泵装置模型试验最优工况点效率达到80.56%,泵装置模型试验结果与数值模拟结果一致,取得了预期的纠偏效果,得到有关工程设计院的认可,并应用于工程实际。     

Toxicity of cadmium and its competition with mineral nutrients for uptake by plants: A review

Cadmium(Cd)is a toxic heavy metal occurring in the environment naturally and is also generated through various anthropogenic sources and acts as a pollutant.Human health is affected by Cd pollution in farmland soils because food is the main source of Cd intake in the non-smoking population.For crops,Cd toxicity may result from a disturbance in uptake and translocation of mineral nutrients and disturbance in plant metabolism,inhibiting plant growth and development.However,plants have Cd tolerance mechanisms,including restricted Cd uptake,decreased Cd root-to-shoot translocation,enhanced antioxidant enzyme activities,and increased production of phytochelatins.Furthermore,optimal supply of mineral nutrients is one of the strategies to alleviate the damaging effects of Cd on plants and to avoid its entry into the food chain.The emerging molecular knowledge contributes to understanding Cd uptake,translocation,and remobilization in plants.In this review,Cd toxicity and tolerance mechanisms,agricultural practices to minimize Cd accumulation,Cd competition with essential elements(calcium,copper,iron,zinc,and manganese),and genes associated with Cd uptake are discussed in detail,especially regarding how these mineral nutrients and genes play a role in decreasing Cd uptake and accumulation in crop plants.     

典型喀斯特洼地植被恢复过程中土壤碳氮储量动态及其对极端内涝灾害的响应

西南喀斯特地区是我国主要的生态脆弱区之一,石漠化严重,旱涝灾害频发。植被恢复是提升脆弱生态系统土壤碳氮固持的有效方式,但该区不同植被恢复方式土壤碳氮动态监测的研究还很缺乏。本研究以典型喀斯特峰丛洼地为对象,选取人工林、牧草地、人工林+牧草地、撂荒地自然恢复4种最主要的植被恢复方式为研究对象,以耕地作为对照,对比分析退耕前(2004年)、退耕10年(2014年)和13年后(2017年)土壤碳氮储量动态变化特征。其中2004—2014年研究区未发生极端内涝灾害, 2014—2017年连续发生2次极端内涝灾害事件。研究结果表明,退耕10年后, 4种恢复方式下土壤有机碳(SOC)储量均显著增加,但退耕13年后,除撂荒地SOC持续增加外,其他3种恢复方式下SOC表现出下降趋势。植被恢复后土壤全氮(TN)储量提升相对缓慢,退耕10年仅牧草地显著增加,退耕13年后人工林+牧草和撂荒地TN增加,且撂荒地在退耕后呈持续增加趋势。相关性分析结果表明,土壤交换性Ca~(2+)与SOC、TN均呈显著正相关关系,且与2014年相比, 2017年不同植物恢复方式下土壤交换性Ca~(2+)均显著下降,这可能与研究区2015年和2016年连续内涝灾害有关。以上结果说明,不同恢复方式均能显著提升喀斯特地区土壤碳氮固持,并以自然恢复最佳,其生态系统能有效抵御极端气候灾害带来的负面影响。     

安徽省作物养分供需分析及化肥减施潜力研究

有机-无机相结合的农田养分管理模式是现阶段中国发展绿色农业的必由之路,因而开展有机、无机养分和作物养分需求的比较研究对促进养分资源的合理分配和施用具有重要的参考价值。本文采用文献调查和统计分析的方法,评估了安徽省16市2010—2016年主要有机肥(包括秸秆、粪便、绿肥和饼肥)的养分资源,明晰了安徽省农业生产中有机、无机养分投入现状,并根据农业种植结构开展了有机、无机养分和作物养分需求的差异和关系研究,最后探索了安徽省的化肥减施潜力。结果表明:安徽省2010—2016年平均有机肥养分资源为287.70万t,N、P_2O_5和K_2O分别为104.49万t、39.60万t和143.61万t,可基本满足作物的养分需求;但有机肥的当季利用率低,N、P_2O_5和K_2O的当季利用率分别为21.44%、19.91%和52.61%,有机肥N、P_2O_5和K_2O实际还田量仅占作物养分需求的20.74%、25.38%和63.61%,占农田养分总投入的比重分别为11.87%、10.27%和51.35%。全省N、P_2O_5、K_2O养分实际投入量(包括有机肥和化肥)是作物养分需求的1.75倍、2.47倍和1.24倍,有7个市的N和13个市的P_2O_5养分施用量超过作物需求的2倍,存在较高的环境污染风险。通过控制农业总养分输入,安徽省的化肥减施潜力为35.12%,N、P_2O和K_2O的减施潜力分别为21.28%、23.97%和78.61%。提高有机肥的当季利用率和发展冬季绿肥资源可进一步促进化肥减施。本研究可为安徽省化肥零增长和农牧业的绿色可持续发展提供数据参考。     

中国东北漫川漫岗典型黑土区沟道侵蚀特征

[目的] 通过对450 km²黑土区进行实测调查,旨在评估研究区沟道侵蚀现状。[方法] 选取沟道侵蚀严重的450 km²的漫川漫岗黑土区为调查区域,首先在谷歌卫星影像上进行侵蚀沟识别和定位,再对侵蚀沟立体形态进行实地测量。[结果] ①研究区土地利用以耕地为主,耕地、建设用地、林地、草地分别占研究区总面积的85%,8%,6%,1%。②研究区坡耕地占86%,坡度0.25°~3.0°占64%,大于5°的占12%。③共有侵蚀沟1 049条,其中耕地中侵蚀沟577条,占总侵蚀沟条数的55%;沟壑密度1.2 km/km²,按沟壑密度衡量沟蚀强度为中度;沟壑面积比例为2.89%,以此界定沟蚀强度为剧烈。④研究区侵蚀沟平均长度、宽度、深度和面积分别为996,13.1,2.7 m和2.4 hm²。[结论] 漫川漫岗黑土区沟道侵蚀严重,主要危害坡耕地,但侵蚀沟相对较小,易于治理。     

基于广义回归神经网络的灌溉系统首部多用户配水快速PID控制

针对多用户配水状态下灌区流量、压力需求变化范围大,传统流量、压力控制响应速度慢等问题,建立适用于多用户灌区配水的灌溉系统首部控制技术。该研究通过分析供水系统流量、压力调节方式,提出了流量、压力PID(Proportion Integration Differentiation)耦合调节方法,建立以电动阀开度为流量控制量、变频器频率为压力控制量对流量和压力进行调控的灌溉首部控制系统。为了减少系统的调节时间,提高系统的运行效率,采用广义回归神经网络(Generalized Regression Neural Network,GRNN)建立流量、压力和电动阀控制模拟量、变频器控制模拟量间的预测模型,形成神经网络PID控制模型(GRNN_PID),并进行模型精度和控制精度验证。GRNN训练结果显示,变频器控制模拟量的相对误差为0.11%～3.86%,电动阀控制模拟量相对误差为0.09%～5.74%,模型精度较高。使用3个调节过程模拟3个用户的需水行为对模型进行验证,结果表明,GRNN_PID模型3个过程的调节时间分别为11.6、10.7和7.2 s,PID模型3个过程的调节时间分别为31.7、29.6和16.9 s,GRNN_PID模型大幅减少了系统的调节时间,提高了系统的运行效率;分别计算了2种模型的控制精度,GRNN_PID调节方法和传统PID调节方法的稳态流量和压力误差都在1%以内,最大超调量为8%,控制精度较高但相差不大,表明GRNN是从策略上加速系统调节速度,其本身并没有对PID的参数进行调整,因此对系统的控制精度影响不大。研究可为灌溉系统流量压力快速控制提供参考。     

中低分子量腐殖酸提高冬小麦磷吸收和产量的机理

  【目的】  研究不同分子量腐殖酸与磷肥复合制备的腐殖酸磷肥对作物和土壤磷有效性的影响,为腐殖酸磷肥研发和磷素高效利用提供理论依据。  【方法】  利用超滤分级方法,将风化煤腐殖酸分子量分为 > 100 kDa、10～100 kDa和 < 10 kDa 3个部分,获得高 (HA_H)、中 (HA_M)、低 (HA_L) 不同分子量的腐殖酸,采用磷酸与KOH反应法制备普通磷肥 (P)、未分级腐殖酸磷肥 (PHA)、高分子量腐殖酸磷肥 (PHA_H)、中分子量腐殖酸磷肥 (PHA_M) 和低分子量腐殖酸磷肥 (PHA_L) 5种磷肥。采用深100 cm、内径25 cm的土柱进行冬小麦栽培试验,按等磷量原则,设置P、PHA、PHA_H、PHA_M、PHA_L 5个施磷处理,同时设置与4个施磷处理对应的等量腐殖酸处理 (HA、HA_H、HA_M、HA_L),以不施磷肥为对照CK。测定小麦产量及产量构成因素、植株磷含量及不同层次土壤有效磷含量。  【结果】  1) 与CK相比,腐殖酸处理 (HA、HA_H、HA_M、HA_L) 小麦增产不明显。与普通磷肥相比,PHA、PHA_M和PHA_L处理产量显著提高了14.73%、18.84%、21.37% (P < 0.05),3 个处理间产量差异不显著,PHA_H增产不明显。PHA_L处理千粒重显著高于普通磷肥处理,其余3个腐殖酸磷肥处理增幅未达显著水平。2) PHA、PHA_M和PHA_L处理籽粒吸磷量较普通磷肥处理分别显著提高14.97%、19.45%、22.68%,而PHA_H增幅未达显著水平;腐殖酸磷肥处理间秸秆吸磷量没有显著差异。3) 与普通磷肥相比,PHA、PHA_H、PHA_M、PHA_L磷肥偏生产力和农学效率分别提高14.71%、6.01%、18.82%、21.35%和14.95%、1.66%、20.18%、23.03%,磷肥表观利用率分别提高2.93、0.51、4.52、5.41个百分点,也以中、低分子量腐殖酸磷肥效果最为明显,腐殖酸中的氧烷基碳、羧基/酰胺基碳、烷基碳结构与小麦籽粒产量和磷肥利用率具有正相关性,与芳香碳、芳香C―O负相关。4) 4个腐殖酸磷肥处理间及其与普通磷肥处理间 0—20、20—40、40—60 cm 土层土壤有效磷含量差异不显著。  【结论】  田间土柱栽培条件下,单施腐殖酸对小麦没有表现出明显的增产效果。腐殖酸中的氧烷基碳、羧基/酰胺基碳、烷基碳结构与小麦磷素吸收具有正相关性,低分子量腐殖酸具有较多的烷基碳、氧烷基碳、羧基/酰胺基碳结构,因而低分子量腐殖酸提高磷肥中磷素利用率的作用好于中分子量腐殖酸,而高分子量腐殖酸的效果不显著。     

氮循环过程的微生物驱动机制研究进展

氮循环在生物地球化学中具有重要地位,与人类生活密切相关。氮循环在很大程度上依赖微生物驱动的氮素转化,而在转化过程中必然会造成不同形式氮的同位素效应。为更好地了解和溯源氮循环过程,本文从氮循环的物质通量、微生物作用及氮同位素效应等角度进行系统地论述,并对氧化亚氮 (N₂O) 分子内的特异同位素值区分微生物过程做了详细介绍。结果表明,人为固氮是环境中活性氮增加的主要原因,也进一步促进了氮素转化的各个环节。通过解析氮素循环中微生物过程的形成机理和评估每个过程的同位素效应,为进一步探索微生物的功能基因和氮素同位素效应的内在联系提供依据,对阐明氮循环过程中微生物驱动的分子机制具有重要意义,而两者的结合也为解决自然条件下氮素转化各过程的溯源难题指明了方向,也将成为今后研究的热点,并在揭示氮素转化机制中发挥越来越大的作用。