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应用XCT断层扫描技术和GAN深度学习模型的多孔介质微观结构定量研究

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生态环境学报 2024年第1期33卷 119-130页

作者：李雪莹陆峥何源杨晓帆北京师范大学/环境演变与自然灾害教育部重点实验室北京100875 北京师范大学/地表过程与资源生态国家重点实验室北京100875 北京师范大学地理科学学部北京100875

物质在土壤中的迁移转化行为是研究地下水动力学的核心问题。定量化表征多孔介质拓扑结构并计算分析相关表面形态学参数,为研究复杂介质内物质运移微观机理提供了重要的数据基础和参数。应用微米级X射线计算机断层扫描(XCT)和图像处理技... 详细信息

物质在土壤中的迁移转化行为是研究地下水动力学的核心问题。定量化表征多孔介质拓扑结构并计算分析相关表面形态学参数,为研究复杂介质内物质运移微观机理提供了重要的数据基础和参数。应用微米级X射线计算机断层扫描(XCT)和图像处理技术,结合前沿的机器学习算法重建和定量分析多孔介质微观结构,可快速、批量创建高分辨率的复杂多孔介质研究样本。首先采用XCT技术,提取石英砂和散装土壤两类典型多孔介质的微观孔隙结构;而后基于生成对抗神经网络(GAN)模型重构复杂多孔介质的微观空间结构,与XCT扫描图像进行交叉验证;最后,计算获取Minkowski形态学参数,并基于多孔介质微观结构开展计算流体力学(CFD)数值模拟,计算石英砂和土壤多孔介质内的流动特征和渗透率。结果表明:1)GAN生成的合成数据与原始数据符合KS同分布,说明GAN能够成功合成与原始图像结构空间分布模式一致的图像;2)Minkowski宏观参数评价误差的较小,KS同分布结果表明,多孔介质样本的结构异质性会在一定程度上影响GAN模型的计算精度和效率;3)Open FOAM模拟计算得到的渗透率结果表明,GAN模型生成的多孔介质图像与原始图像具有一致的统计特征和物理性质。综上,综合运用前沿的XCT扫描、图像处理技术和机器学习算法,构建了土壤微观结构重建和定量分析模型,并结合多孔介质形态学和计算流体力学方法对模型进行了验证和分析。该研究为多孔介质微观结构研究提供了新技术和新方法,为进一步研究复杂多孔介质内溶质运移提供了科技支撑。

关键词：多孔介质 XCT断层扫描 GAN模型 Minkowski参数计算流体力学渗透率

紫色土丘陵区坡地柑橘园土壤碳氮的空间分布特征

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环境科学 2024年第1期45卷 343-353页

作者：李子阳陈露赵鹏周明华郑静朱波中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所山地表生过程与生态调控重点实验室成都610041 中国科学院大学北京100049

20世纪90年代以来,西南紫色土丘陵区大量坡耕地转变为果园,提高了农民的经济收益,但这一土地利用变化对土壤碳(C)、氮(N)空间分布特征的影响仍然缺乏研究.为探究紫色土丘陵区坡耕地转变为果园后土壤C、N的空间分布特征,选取四川盆地中... 详细信息

20世纪90年代以来,西南紫色土丘陵区大量坡耕地转变为果园,提高了农民的经济收益,但这一土地利用变化对土壤碳(C)、氮(N)空间分布特征的影响仍然缺乏研究.为探究紫色土丘陵区坡耕地转变为果园后土壤C、N的空间分布特征,选取四川盆地中部紫色土丘陵区代表性柑橘园为研究对象,分析了由坡耕地转变为柑橘园后,土壤C、N空间分布特征及其主要影响因素.结果表明,坡面位置(坡位)对土壤总氮(TN)、硝态氮(NO_(3)^(-)-N)和可溶性有机碳(DOC)含量均有显著影响(P0.05).在0~30 cm土层,土壤NO_(3)^(-)-N含量沿坡面的变化趋势为:上坡位中坡位>下坡位.各坡位土壤C、N含量随深度(0~30 cm)增加呈现整体降低趋势,其中土层深度对土壤TN、SOC、NO_(3)^(-)-N和DOC含量的影响显著(P<0.05).坡面土壤TN储量(0~30 cm)随坡位自上而下逐渐降低(P<0.05),其中坡上、坡中和坡下的土壤TN储量分别为2.37、1.89和1.62 t·hm^(-2)(以N计).SOC储量沿坡面的分布差异不显著,变化范围(以C计)为56.12~58.48 t·hm^(-2),整个坡面土壤TN与SOC的储量呈显著正相关关系.结果表明,在预测土壤C、N含量及储量对土地利用转变响应时不能忽视土壤养分的空间分布规律,研究可为理解紫色土丘陵区耕地转变为果园后土壤C、N空间分布特征及主控因子提供研究案例.

关键词：紫色土柑橘园坡位氮(N) 碳(C) 空间分布

沥青道路粗糙度对径流颗粒物冲刷输出特性的影响

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水资源保护 2024年第3期40卷 133-139,148页

作者：杜晓丽崔瀚武郑泽东田殿茜北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室北京100044 北京建筑大学北京节能减排与城乡可持续发展省部共建国家协同创新中心北京100044

采用粗糙度量化沥青道路的表面特征,通过模型模拟、相关性分析等方法分析了道路表面粗糙度对降雨径流颗粒物冲刷输出特性的影响。结果表明:道路粗糙度、降雨强度是影响道路表面径流颗粒物冲刷输出过程的关键因素,道路粗糙度越低、降雨... 详细信息

采用粗糙度量化沥青道路的表面特征,通过模型模拟、相关性分析等方法分析了道路表面粗糙度对降雨径流颗粒物冲刷输出特性的影响。结果表明:道路粗糙度、降雨强度是影响道路表面径流颗粒物冲刷输出过程的关键因素,道路粗糙度越低、降雨强度越大,道路表面径流颗粒物冲刷效应越强烈、场次降雨径流颗粒物累积冲刷量越大、径流颗粒物冲刷输出总体水平越高;道路粗糙度与降雨强度、径流历时共同影响径流颗粒物粒径分布,道路粗糙度为影响径流颗粒物粒径分布的主导因素,道路粗糙度越低、径流历时越长、降雨强度越大,径流中粒径不小于150μm的颗粒物体积占比越高,粒径小于75μm的颗粒物体积占比越低。

关键词：道路粗糙度降雨强度径流颗粒物冲刷规律粒径分布

柴达木盆地西北缘尖顶山和黑梁子背斜的几何学与运动学特征分析

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北京大学学报（自然科学版） 2024年第3期60卷 489-502页

作者：彭路赢杨屹洲张军勇吴磊造山带与地壳演化教育部重点实验室北京大学地球与空间科学学院北京100871 浙江省地学大数据与深部资源重点实验室浙江大学地球科学学院杭州310027 东方地球物理公司研究院地质研究中心涿州072751 教育部含油气盆地构造研究中心杭州310027

选取青藏高原北部柴达木盆地内尖顶山和黑梁子背斜作为研究对象,基于遥感影像和地震剖面,解释并分析该背斜构造带的地表次级断裂以及地下构造的变形样式与运动特征。遥感影像显示,尖顶山背斜的大部分地表次级断裂从北西走向的压扭断裂... 详细信息

选取青藏高原北部柴达木盆地内尖顶山和黑梁子背斜作为研究对象,基于遥感影像和地震剖面,解释并分析该背斜构造带的地表次级断裂以及地下构造的变形样式与运动特征。遥感影像显示,尖顶山背斜的大部分地表次级断裂从北西走向的压扭断裂向东南方向过渡为南北走向的正断层,而黑梁子背斜的地表次级断裂为北北东走向的左行张扭断层。地震剖面显示,尖顶山和黑梁子背斜由上部逆冲滑脱断裂和下部基底正花状构造组成,深层与浅层的变形解耦主要受新生界下部路乐河组的膏盐层影响。结合地表次级断裂和地下基底断裂的平面展布样式、运动特征以及沿走向的变化,认为尖顶山和黑梁子背斜为右行压扭构造,推测在印度板块与欧亚大陆汇聚的背景下,柴达木盆地内部在持续缩短变形的过程中发生向东的差异性挤出,从而形成一系列压扭性质的背斜构造。

关键词：柴达木盆地遥感影像解译地震剖面右行压扭构造走滑运动盐构造

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青藏高原地表变暗对区域冻土与生态系统的影响

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中国科学：地球科学 2024年第10期54卷 3265-3277页

作者：汤舒畅汪涛刘丹姚檀栋朴世龙北京大学城市与环境学院中法地球系统模拟联合研究中心北京100101 中国科学院青藏高原研究所青藏高原地球系统与资源环境国家重点实验室北京100101

作为地球“第三极”,青藏高原的地表过程变化深刻影响着区域乃至全球气候.在青藏高原变暖变湿的背景下,冰川积雪加速融化、植被持续变绿,高原地表总体呈现变暗特征,即地表反照率持续下降.过去的研究主要集中在评估高原地表变暗对区域、... 详细信息

作为地球“第三极”,青藏高原的地表过程变化深刻影响着区域乃至全球气候.在青藏高原变暖变湿的背景下,冰川积雪加速融化、植被持续变绿,高原地表总体呈现变暗特征,即地表反照率持续下降.过去的研究主要集中在评估高原地表变暗对区域、周边地区乃至全球的气候效应,而高原地表变暗如何影响局地冻土与生态系统仍不清楚.为此,本文利用陆地过程模型ORCHIDEE-MICT开展模拟实验,定量评估了高原地表变暗对区域冻土与生态系统的影响.结果表明,高原地表变暗导致的气候变化会导致高原冻土面积减少(1.1±0.019)×10^(4)km^(2),多年冻土活动层的平均厚度增加约(0.06±0.0004)m,季节冻土最大冻结深度平均减少约(0.06±0.0016)m.相比之下,高原地表变暗会增加叶面积指数,提高总初级生产力,最终导致高原陆地碳储量增加(0.81±0.001)PgC.研究结果强调了高原地表变暗对冻土与生态系统的跨圈层影响,有助于深入理解高原持续变暖变湿下冻土退化风险,并为建设国家生态安全屏障提供重要科学依据.

关键词：青藏高原反照率地表变暗冻土生态系统

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云南云龙县石城咸温泉水化学特征及演化过程

地质通报 2024年

作者：师妍祥周训吴艳秋桌琳杨马静茹陈梦颖刘琪琪王春崔竞文张彤中国地质大学(北京)地下水循环与环境演化教育部重点实验室中国地质大学(北京)水资源与环境学院

兰坪-思茅盆地地热资源丰富，且中生代红层分布广泛，富含盐类矿产。这一带出露大量的温泉和盐泉，本文的研究对象石城咸温泉是众多泉中较特殊的一种，咸温泉（或盐温泉）大多出现在滨海地带，在远离海岸带的地区相对少见，常常形成独... 详细信息

兰坪-思茅盆地地热资源丰富，且中生代红层分布广泛，富含盐类矿产。这一带出露大量的温泉和盐泉，本文的研究对象石城咸温泉是众多泉中较特殊的一种，咸温泉（或盐温泉）大多出现在滨海地带，在远离海岸带的地区相对少见，常常形成独特的水化学特征。以往的研究对于该地区这种特殊的泉关注度很低，因此本文以兰坪-思茅盆地内云龙县石城咸温泉为对象，选取了泉水、周边地下水、地表水以及雨水的水化学和氢氧同位素数据，对泉水化学特征和演化过程进行了分析，采用了多种地热温度计估算了温泉的热储温度，最后利用找钾指标探讨了咸温泉附近地层的找钾前景。2014年至2022年的5次采样测试表明，泉水温度为44.5～52.9 ℃之间，属于中低温温泉；pH为6.38～7.30，大致呈现中性；TDS较高，为6775～8490 mg/L，属咸泉，水化学类型为Cl-Na型。石城咸温泉水化学组分主要受盐岩的溶滤和离子交换作用的控制。氢氧稳定同位素组成显示泉水主要为大气降水起源，估算其热储温度范围为78.3～97.8 ℃，补给高程为2349～3378 m，与附近山峰海拔范围比较接近。咸泉的找钾系数显示明显异常，且高于兰坪地区平均值，推测云龙县宝丰镇石城咸温泉附近古近系云龙组砂岩和泥岩中可能有固体钾盐的存在，含盐地层到达石盐-钾石盐的沉积阶段。

关键词：温泉咸泉水化学演化云南

典型工业城市长治市夏季大气挥发性有机物来源及对臭氧生成贡献

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中国环境科学 2024年第8期44卷 4202-4210页

作者：邢怡然牛月圆闫雨龙彭林董佳奇越柯华北电力大学环境科学与工程学院资源环境系统优化教育部重点实验室北京102206 北京交通大学环境学院智能交通绿色低碳技术教育部工程研究中心北京100044

以典型工业型城市长治市为研究对象,采用正定矩阵因子分解法(PMF)对挥发性有机物(VOCs)进行来源解析,基于大气盒子模型(AtChem-MCM)对大气光化学反应过程和臭氧(O_(3))生成敏感性进行了分析.结果表明,长治市烷烃、烯烃、炔烃和芳香烃分... 详细信息

以典型工业型城市长治市为研究对象,采用正定矩阵因子分解法(PMF)对挥发性有机物(VOCs)进行来源解析,基于大气盒子模型(AtChem-MCM)对大气光化学反应过程和臭氧(O_(3))生成敏感性进行了分析.结果表明,长治市烷烃、烯烃、炔烃和芳香烃分别占总挥发性有机物(TVOC)浓度的57.49%、16.05%、9.17%和17.29%.PMF结果显示,机动车源对VOCs浓度的贡献最高(28.45%),其次为工业源(26.19%)、燃烧源(21.09%)、植物源(12.99%)和溶剂使用源(11.28%).O_(3)生成模拟结果显示日间O_(3)平均净生成速率为23.01×10^(-9)h^(-1),11时O_(3)净生成速率达到峰值(54.32×10^(-9)h^(-1));长治市O_(3)生成对VOCs和NOX均敏感,其中烯烃(1.05)和NOX(0.35)的相对增量反应活性系数(RIR)较高.污染源中工业源(0.072)、溶剂使用源(0.071)和机动车源(0.068)的RIR值相对较高,是对O_(3)生成贡献较大的污染源.工业型城市应加强控制工业源和机动车源排放以缓解O_(3)污染.

关键词：挥发性有机物源解析大气盒子模型臭氧敏感性分析

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淮南深地地磁总场连续观测与时变特征

地球物理学报 2024年第2期67卷 820-828页

作者：郭良辉王博宋晓林王赟金承奕姚硕史钰峰陆内火山与地震教育部重点实验室(中国地质大学北京)北京100083 中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院北京100083 地质过程与矿产资源国家重点实验室(中国地质大学) 北京100083 山东航天电子技术研究所山东烟台264000

深地实验室具有电磁干扰小的"超净"地磁观测优势,已成为地磁观测的新平台和研究热点.为了评估淮南深地实验室地磁环境、认识地磁总场时变特征及地下与地面耦合性,我们于2022年在地下巷道(-848 m)和地表(+22 m)同步实施了地磁总场长期连... 详细信息

深地实验室具有电磁干扰小的"超净"地磁观测优势,已成为地磁观测的新平台和研究热点.为了评估淮南深地实验室地磁环境、认识地磁总场时变特征及地下与地面耦合性,我们于2022年在地下巷道(-848 m)和地表(+22 m)同步实施了地磁总场长期连续观测,对观测数据进行了功率谱、小波谱、地磁总场变化特征的分析及与附近的蒙城地磁台比对.研究结果表明:(1)地下无(或弱)磁干扰点位的地磁环境较优越,与蒙城地磁台相媲美,适用于地磁场变化的高精度、长期连续观测;(2)地下地磁观测可有效过滤地表上由工业与人类活动等的电磁干扰,其记录的地磁总场变化与蒙城地磁台具有较好的耦合性;(3)地下磁测可清晰记录地磁总场的平静变化、不同周期磁暴、地磁脉冲等丰富的时变信息,可为地球系统科学研究提供地磁学依据.

关键词：深地实验室地磁总场时间变化观测地磁环境

基于CiteSpace的陈皮知识图谱可视化分析

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中草药 2024年第14期55卷 4836-4848页

作者：刘晓爽唐占明李慧君张文生北京师范大学天然药物教育部工程研究中心北京100088 北京师范大学中药资源保护与利用北京市重点实验室北京100875 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室珠海基地广东珠海519087

目的通过文献计量学软件CiteSpace对陈皮的研究现状及热点进行可视化分析,探索近年来全球学者在陈皮研究领域的科研协作态势,梳理其研究热点的动态变化,为未来的研究方向提供参考。方法系统检索中国知网(CNKI)和Web of Science数据库关... 详细信息

目的通过文献计量学软件CiteSpace对陈皮的研究现状及热点进行可视化分析,探索近年来全球学者在陈皮研究领域的科研协作态势,梳理其研究热点的动态变化,为未来的研究方向提供参考。方法系统检索中国知网(CNKI)和Web of Science数据库关于陈皮的相关文献,使用CiteSpace软件对研究作者、研究机构及关键词等方面进行可视化展示,对陈皮的研究现状及发展趋势进行分析。结果经过筛选,最终纳入与陈皮相关的中文文献497篇,其中关注广陈皮的文献123篇;与陈皮相关的英文文献276篇。文献作者分析显示成都中医药大学刘友平是陈皮研究发文量最多的作者,研究机构发文量最多的是成都中医药大学,存在以成都中医药大学、无限极(中国)有限公司-华南农业大学、中山大学等机构为核心的3大机构合作群,对广陈皮的研究合作关系密切;文献关键词分析显示陈皮的研究内容主要集中在化学成分、药理作用和质量评价等方面,其中如何保证陈皮的品质和安全是目前的研究热点。结论陈皮研究目前仍在持续发展阶段,广陈皮作为道地药材其重要性不可忽视,未来相关领域的研究可围绕陈皮道地性研究、产地溯源研究和功效物质基础研究。此外,陈皮的陈化研究对于实现陈皮产业的高质量发展也具有重要的研究价值。

关键词：陈皮广陈皮 CiteSpace 文献计量学可视化分析