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地下水定义范文1
水平定向钻进技术是非开挖技术领域中占主导地位并且发展最快的高新技术之一,它是利用水平定向钻机以可控钻孔轨迹的方式,在不同地层和深度钻进并通过跟踪与导向仪导向抵达设计位置而铺设地下管线的施工新方法。主要用来铺设、更新、维修各种地下管线,也可用于地质勘探与资源开采。随钻测量是指钻机在钻进的同时连续不断地检测有关钻孔或钻头的信息,靠跟踪与导向仪实现。因此,跟踪与导向仪是水平定向钻机施工的必备测量设备。典型的跟踪与导向仪由地下传感发射探头、地面手持式定位跟踪仪和远端监视设备三部分组成,而地下传感发射探头是整个导向仪设计的关键。针对国内导向仪全部依赖进口的现状,笔者对导向系统进行了研制开发。本文主要介绍基于单片机MSP430F149和数字信号处理器ADSP2189的地下传感发射探头的设计与实现。
1 结构设计
地下传感发射探头放置在钻具的空腔内,受体积限制。为保证通用性,采用与国际上同类产品相一致的尺寸φ32cm×380cm。探头结构如图1所示。主要分为电池部分(两节二号电池)、天线部分(带磁芯的线圈)、调制与功放部分以及传感器部分。
2 硬件设计
地下传感发射探头主要完成钻头倾角、工具面向角、温度和电池电量等参数的检测以及甚低频电磁波信号的发送。其硬件组成框图如图2所示。为适应野外长时间工作的特点,系统硬件采用了低功耗设计。
2.1 控制器的选取
MSP430F149是TI公司生产的一种Flash型超低功耗16位单片机,具有处理能力强、运行速度快、可靠性高等特点,能适应工业级运行环境,特别适合于电池应用的场合或手持设备。本系统选择它作为系统的主控制器。
同时,本系统采用了AD公司生产的专用数字信号处理器ADSP2189。它具有处理速度快(单周期指令执行时间为16ns)、接口方便、自身资源丰富等特点。在本系统中主要是实现精确数字调制、同步以及相关的数字信号处理等。休眠状态下,其功耗也较低。
2.2 传感器设计
传感器均选用低功耗产品。倾角传感器采用新型MEMS微硅单轴加速度计,具有高精度(0.1%~1.0%)、高分辨率(2%og~5%og)、宽动态范围、低偏置、低灵敏度漂移、低噪声水平、低功耗等特点。通过配备相应的处理电路完成倾角的测量。面向角传感器采用双轴加速度计,输出环路将模拟信号转换为脉宽占空比的数字信号。这些数字信号直接与MSP430F149定时器输入相连。
相关模拟信号电压的采集由MSP430F149完成。MSP430F149的ADCl2是12位精度的A/D转换模块,具有高速、通用的特点。其最大采样速率为200kSPS,内装采样/保持电路,可选择软件、采样定时器或其它片内定时器控制采样周期。ADCl2的8个可配置的外部信号采样通道具有单通道单次、单通道重复、序列通道单次等多种转换模式。在此系统中,采用序列通道单次转换模式。
2.3 MSP430F149与ADSP2189接口设计
ADSP2189程序的引导、数据输入与输出均通过MSP430F149控制实现。ADSP2189采用IDMA方式与MSP430F149相连,如图3所示。IDMA接口是一个并行的I/O接口,带有16位地址/数据总线。该总线支持对16位数据存储器和24位程序存储器的访问。IDMA接口的读/写访问是完全异步的。在ADSP2189全速运行时,MSP430F149可以通过IDMA接口直接访问处理器的内部存储器,硬件连接简单。
2.4 源模块的设计
地下传感发射探头体积小。由结构设计知,探头只能靠两节二号电池供电。为满足地下长时间工作的需要,探头电源模块的设计非常重要。此电源模块需要给传感器部分、微控制器部分和功率放大部分分别提供+3.3V、+2V、±5V和±12V的电压,并且+5V需提供50mA的输出电流,±12V的输出电流需达到80mA。考虑到成本、效率、输出纹波、噪声及静态电流等问题,最终选择MAXIM公司生产的几款高集成度、高转换效率的可控型DC-DC转换器,将两节锂电池的输入转换为所需的电压值。当传感器、功放等单元处于休眠时,MSP430F149可同时关断相关电源转换模块,以达到省电的目的。通过实验测试证明,探头可连续工作12个小时,电源模块的转换效率达80%以上。
3 软件设计
本系统中,MSP430F149作为主控制器,完成对传感器输出信号的采集、DSP的引导、电源模块的管理等工作,总体软件流程如图4所示。ADSP2189主要实现精确数字调制、同步以及相关的数字信号处理。
3.1 电池电压检测
根据电池的特性曲线,通过ADCl2获取的电池电压分为3(强)一2(中)一1(弱)三档。当电池电压降至1档时,MSP430F149自动关断其它功能模块的电源,自身进入待机休眠状态。
3.2 MSP430F149与DSP通信
DSP引导:激活RESET,置MMAP=0和BMODE=1(选择IDMA引导);撤消RESET,通过IDMA接口装载ADSP2189程序。程序执行被堵塞,直到程序存储器的地址0写PM(0x0000)。ADSP2189响应IDMA控制信号并提供确认信号IACK。写PM(0x0000),开始DSP程序执行。
DSP存储器的读/写:由4个控制输入管脚选择。IDMA接口选择IS和地址锁存使能(IAL)有效时,ADSP2189将地址总线上的地址写入IDMA控制寄存器,被锁存的地址不能由主控制器读回。IDMA接口选择IS和读选通IRD有效时,ADSP2189将IDMA控制寄存器所指的存储单元内容输出到IDMA数据总线上。IDMA接口选择IS和写选通IWR有效时,ADSP2189将数据总线上的输人数据写到IDMA控制寄存器所指的存储单元中。访问应答IACK确认数据读/写操作的完成,作为IDMA接口忙的指示信号。
DSP状态检测:将待发射数据以固定的格式存放在DSP的数据区,然后向DSP发中断;DSP接收到中断后,调制及发射过程中会引起DSP-FL0一MSP430F149-P4.2的电平变化。在1ms内若检测到变化,DSP工作正常;未检测到变化,DSP工作不正常,重新调用DSP程序引导模块。
3.3 传感器检测
(1)倾角检测:在温度不变的情况下,单轴加速度计输出值与倾角的正弦值成线性关系,主要通过查表的方式得到倾角值,并运用最小二乘法进行相应的温度补偿。
(2)面向角检测:利用MSP430F149定时器的两个捕获/比较模块实现了对双轴加速度计的双脉宽输出的测量。
(3)温度检测:通过MSP430F149的I/O引脚直接访问温度传感器,读取温度值,并进行相应的判断。
此外,还设定了看门狗定时器,防止程序跑飞。
4 系统安装误差软件修正
由于探头安装过程中轴线偏移以及相关基准线未能对准等,倾角传感器和面向角传感器总会产生一定误差。也就是说,当探头倾角及面向角处于绝对零位时,对应传感器测量结果并不是零值,存在一定的偏差,且不同探头的初始偏差也不相同。利用MSP430F149的程序存储器是Flash型可在线编程的特点,在整个系统装配完成后第一次上电时用软件实现误差修正。误差修正软件流程图如图5所示。
地下水定义范文2
【关键词】浅层地下水;地下水资源;地下水敏感性
1 引言
地下水是存储在地质形成的饱和带里的粘土、沙土、砂砾和岩石空隙、裂隙中的水。储存地下水的空间称为地下水含水层或是地下水水库。地下水通过降水、湖泊、河流等水源补给而与大气陆地水循环相连。浅层地下水的补给参与水文循环,进而使其成为可再生资源。
人类的干扰因水文地质条件的不同会对地下水系统造成影响,所以对地下水污染敏感程度的量化,是目前有待解决的严重问题。地下水污染敏感性是指污染物对最上含水层影响的倾向性和可能性。
浅层地下水水质恶化,会严重影响到居民的生活质量及健康状况,对当地的经济可持续也会造成影响。由于我国大部分地域浅层地下水周边的环境被污染,所以有必要加强对地下水污染抵御的能力并及时改善地下水质量。
2 浅层地下水资源的严重形势
随着城市的发展,地下水在城市中的作用越来越重要,人类活动的影响使得地下水环境越来越呈现恶化的状况。在干旱尤为严重的北方地区,地下水量衰竭,由于城市的发展带来的水资源污染和短缺,工业废水和生活污水的大量排放都使得地下水环境问题日益突出,此外有地下水过度采取浪费,不洁地表水的污染,种种原因已经对地下水造成严重的影响。
3 地下水敏感性的定义
浅层地下水是潜藏于地下第一层不透水层上的地下水,地下水是我国百分七十人口常用水的主要优质水源,土壤的吸附和过滤使得地下水水质较好,细菌少。此外地下水还具有广泛分布、开采较为便利等优点。
地下水系统由于其本身水文地质条件的不同,对人类干扰具有不同的敏感性。不同区段地下水敏感度的区分是环境保护中所必须要解决的问题。
有研究者认为污染敏感性是地下水系统的本质特征,而大多数学者认为地下水污染敏感性可本定义作污染物经由水层上部某位置的介入,而渗透到地下水系统。污染物的天然衰减决定了地下水的污染程度,土壤中物理以及化学反应的过程能够导致污染物本身性质的改变,这样便减轻了地下水污染的程度。
地质、水文地质、污染物的排放条件以及污染物的化学物理性质等多种因素决定了地下水的敏感性。污染物由地表渗透地下水系统整个过程非常的缓慢,而一经污染,水质的恢复会极其困难。地下水水质状况被予以高度重视,而水污染敏感性的研究也被关注起来。
4 地下水敏感性研究
污染敏感性评价体系有经验技术以及模型模拟。国外的评价敏感性方法体系有水文地质背景值法、系统参数法和相关分析以及数值模型法三种。从敏感性的对象来划分,污染敏感性的评价又可以分为含水层内在的污染敏感性评价,而因此简称为内在污染敏感性评价。
4.1 指标叠加法
指标叠加法主要有GOD法、DRASTIC法。GOD法是一个评价过程简单的经验体系,评价结果有实际性的指导意义。G是指地下水的状况为,O是上覆岩层特性,D是地下水埋深。GOD指数则是指三位评分值的乘积。而在非承压含水层情况下,才会考虑覆岩层指数评分。系统参数法中的DRASTIC模型考虑的参数是:地下水埋深、含水层的净补给、含水层中的岩性、土壤类型、地形和包气带的影响和含水层水力传导系数,此模型较多用。DRASTIC提供了两组权重系列,用于一般地下水污染敏感性的评价,以及用于强烈的农业活动区,也称为DRASTIC指数,专门用于特定污染物敏感性的评价。DRASTIC指数越大,地下水敏感性越高。据最后得到的指数大小,将污染敏感性分为四等级:低敏感性、中等敏感性、高敏感性以及极度敏感性。此指数法是目前国际上用于地下水污染敏感性评价最为普遍的一种方法指标体系。
4.2 模拟模型法
人们随着对野外检测手段、实验研究方法和地下水运移理论的逐渐研究认知,控制地下水中污染物运移的环境化学过程也越来越精确。用于预测污染物运移的各种模型如:简而化之的屏蔽模型和以过程作为向导的复杂模型。屏蔽模型广泛应用于空间不同尺度和地下水污染敏感性评价,其中包括:衰减影子模型AF、迁移能力指数模型LPI和分类指数模型RI。
衰减因子模型是为了根据农药对地下水污染敏感性进行分类,此方法主要考虑农药的关键性质和水文地质条件,以及土壤性质对农药污染的影响。
对某区域进行污染敏感性分区可采用迁移能力指数模型,它是通过简化溶质在均质各向性孔隙介质中的对流迁移弥散反应一维方程得到的。采用分类指标模型审定和注册一些化合物,在佛罗里达州地下水中已经检测到,该模型是在简化佛罗里达农业与消费者服务有关农药审定和注册程序中而研制的。
5 研究技术平台
显然,在我国地下水已成为可持续发展的制约因素。有毒化合物、农药、硝酸盐的使用使得我国地下水面临着严重的污染威胁。我国已明确强调加强地下水管理,严格控制地下水超采,要抓紧解决部分地区水资源短缺以及水资源污染等问题。水利生态的提出,是对研究水资源污染防治、水资源优化配置和可持续利用的重要指导,地下水污染问题是其内容之一,我国刚起步的关于地下水污染敏感性研究的专题试图探索地下水污染敏感性分析与制图的有效方法。
关于当前国际水文地质研究的重要课题之一是对地下水污染的敏感性进行研究分析,前者属于当前国际地质领域较为尖端的课题,在当前国内水污染的防控与治理工作中具有指导意义,同时也是对自然环境问题以及社会经济发展方向适应性进行探究的重要条件。关于地下水污染敏感性分析和制图领域的研究,欧美发达国家起步较早。
法国地质矿产调查局编制出版第一幅法国地下水敏感性图,共编制出版了76幅适用于不同途径的各种比例尺寸。地理信息系统技术被广泛的应用,其实现了对空间数据和信息的输入、存储、管理、检索处理以及分析等功能。国外的研究重点已经转到了GIS技术和地下水运移模型的结合,依此来评价地下水的敏感性。在属性数据库和空间分析功能基础上,GIS技术能够管理大量的历史数据和资料,以评价因子的不同相互区分,得到二维图形的区域性敏感性评价分析图。在此领域欧美发达国家起步较早,具有综合分析和进行空间建木能力的GIS技术已经日渐趋于成熟,能刻随时地修改和更新数据库,使评价过程变得极为简单和容易。运用DRATMIC和GIS模型软件对具体区域进行地下水污染敏感性分区,而且敏感性指标并不能够反应该区域地下水是否已经被污染,因为量化数值有相对意义,但是可以根据评价结果,在建设管理和规划布局中对某些区段作充分的考虑,进而采取相应的措施确保地下水资源可持续利用。
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地下水定义范文3
(中国地质科学院水文地质环境地质研究所,石家庄 050061)
摘要:在土壤介质中,地下水及盐分如何运移一直是影响地下水资源计算评价的一个重要问题。黏性土层与含水层具有不同的岩性组成,对地下水和盐分的运移起着不同的作用,导致盐分和水在黏性土的运移规律并不相同。本研究选择华北平原黏性土作为研究对象,利用100 m深度上黏性土中地下水连续的水化学和同位素数据,分析了黏性土对含水层间的水力联系及盐分运移的影响。试验表明,黏性土水中电导率的变化主要与补给来源的电导率有关,在垂向剖面上具有比较连续的变化趋势,反映出地下水垂向补给的特征;同时,电导率在一定深度上存在数值的突变,反映了黏性土的阻盐特性,说明黏性土具有一定半透膜作用。由于黏性土的隔水和半透膜特性,稳定同位素在不同深度上的组成受到黏性土分布的影响,其分布规律对地下水资源评价具有参考价值。
关键词 :黏性土;同位素;水文地球化学;盐分运移
中图分类号:P641 文献标识码:A 文章编号:0439-8114(2015)16-3891-04
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.16.015
收稿日期:2015-04-10
基金项目:国家自然科学基金项目(41472225);国家重点基础研究发展计划(973)项目(2010CB428803)
作者简介:陈 江(1976-),男,河北邢台人,助理研究员,博士,主要从事地下水资源与环境研究,(电话)0311-67598605(电子信箱)shuihuansuo@126.com。
华北平原的弱透水层是地下水含水系统中的重要组成部分,通常被认作阻滞水流和溶质迁移的阻截层或防渗层。由于其研究的难度很大,以及人们关注的是含水层中的水动力传输过程,而缺少对弱透水层中地下水运移特性的研究,早期更是将这种黏性土层定义为隔水层,在其上下含水层存在明显水头差而发生越流的情况下,仅考虑了弱透水层中的水流及水量交换,完全忽略了黏性土层对溶质迁移的影响研究。近年来,随着研究的深入,逐步认识到黏性土弱透水层防污性的重要作用[1,2]。华北平原第四系含水层具有上咸下淡的结构,长期开采深层淡水,导致浅层咸水越流量增加,但目前并未发现大面积的深层地下淡水矿化度明显增加的现象[3],这说明黏性土层或弱透水层对盐分具有一定的阻挡作用。
张宏仁[4]提出了从含水层中抽出的水来自含水层体积的压缩。根据河北沧州和天津以往长期观测的结果,多年从封闭含水层抽取的地下水总体积,大体上等于地面沉降的总体积。而另一些水文地质学家认为地下水开采改变了地下水动力学状态,诱发了相应的补给。石建省等[5]研究得出深层水开采量大约41%~44%来源于地面沉降压缩释水,56%~59%来源于侧向补给和越流补给,并指出从含水层抽取的地下水总体积并不完全等于地面沉降的总体积。华北平原地下水调查项目结果显示,弹性释水占3%~9%,压缩释水占25%~40%,侧向补给和越流补给各占15%和40%[6]。虽然观点各不相同,但是都认为压缩释水占有相当的比例。对于压缩释水引起含水层水质变化的问题,王家兵[7]提出了滤盐层概念,认为黏性土截留了部分地下水中的盐分。针对上述存在的问题和看法,通过黏性土的释水同位素组成及水化学测试,分析黏性土对地下水中同位素及水化学的影响,进而为研究含水层间水力联系提供依据。
1 材料与方法
采集样品所处位置水文地质条件:华北平原中东部,深度上自上而下分为4个含水组,本次研究主要针对第一和第二含水层组。第一含水组为潜水含水层,厚度大约60 m,相当于全新统地层(Q4),为分布咸水覆盖。第二含水组是浅部承压水,相当于上更新统(Q3)地层,厚度60 m左右;含水层由砂砾石、中砂和细砂组成,与第一含水层组相似。由于水质的原因,当地的地下水开采主要位于第三和第四含水层组[8]。
各含水组岩性具有明显的差异性。第一含水组的含水层多为条带状分布,颗粒细,透水性较好及直接接受降水入渗补给。第二含水组有较稳定的隔水层,水头有明显的承压性标志。第四纪地质特征在垂向上也有着明显的变化,中更新统的地层厚度较大,含砂比较高,一般为40%~50%,砂层粒度较粗,多为中粗砂和中细砂,分选磨圆较差,偶含小砾石,砂层具有轻度风化,砂层展布多为面状、舌状。上更新统地层厚度相应较薄,地层含砂比较低,一般为30%~40%。砂层粒度变细,多为中细砂和粉细砂,分选较好,展布形态为条带状。这种上下的差异性,反映了古气候由湿润趋于干旱,在第二含水岩组的顶部出现了咸水。
本次研究选择华北平原黏性土层作为研究对象,开展了水文地质钻探,选取100 m深度钻孔的全部黏性土样品,利用压缩装置,压榨获取土壤内部水分,进行土壤释出水的电导率和氘氧同位素测定。试验岩心用塑料管密封包装,每段岩心长30 cm,冷藏待测。试验时,样品削去表层,通过压缩装置逐级加压,释出黏土内部水分,用无蒸发瓶收集,保证外部因素对岩心样品的影响降到最低。水样的电导率和氘氧同位素测定由国土资源部地下水科学与工程重点实验室完成。
2 结果与分析
2.1 电导率随黏性土埋深的变化
电导率数值的大小代表了2个方面的信息,一是补给水源的离子组成,二是原始成因土壤水的离子组成。尽管2个方面的影响会导致离子来源难以辨认,但通过剖面的电导率变化,仍然可以对识别水力联系提供有价值的信息。土层中水流交换的强弱能够影响离子成分的变化,当垂向上地下水流速度较快时,地下水中离子快速混合,土壤水中电导率随埋深变化会相对缓慢;而水流速度慢时,水岩作用会使离子组成偏离补给源的特征,电导率变化会更明显和缺乏规律。
本次测试结果显示(图1),土壤水的电导率在埋深12 m之上快速上升,变化速率较大。由于该取样处浅层地下水位埋深在12 m左右,因此12 m以上包气带的存在使得土壤水电导率变化相对12 m以下更大。在此深度上,降雨通过活塞补给方式补给地下水,在水入渗下移过程中,水体携带的盐分在土层中逐渐析出累积,表现为随埋深增大电导率逐渐增高。
在12~20 m深度上,黏土中水的电导率出现了下降趋势,和上部的变化趋势相反,可以判断12 m处为一水力间断点,上下部之间联系微弱。
20~40 m之间土壤水电导率变化较为平缓,而从含水层及岩心资料可知该深度区间存在含水层,因此该区间内土壤水存在水力联系,地下水的混合作用平衡了该深度区间上地下水的离子浓度。该区间内的电导率与上部和下部都存在突变,说明该层相对独立,可认为地下水与上下两侧不存在显著水力联系。
40~60 m区间土壤水电导率急剧降低,说明该深度上地下水与上部没有显著水力关联。由岩性调查可知,在20~22 m和50~58 m存在含钙质结核的黏性土层,并夹杂斑脱土,而从已有研究中显示斑脱土具有截留盐分的作用[9],这种夹层的存在使得盐分的运移过程受到限制,可能是盐分含量突变的一个原因。60 m深度后电导率波动平缓,由此可以得出结论:一,该深度区间上黏性土矿物组成相似;二,地下水在此区间深度内存在水力联系。如果不满足上述2个条件则离子交换作用会导致在不同深度上电导率出现显著波动。
氯离子具有较为稳定的水化学性质,通常情况下不参与离子交换吸附,能够较好地反映地下水的化学特征,可以用来分析含水层间的水力联系。
测试结果显示,黏性土中氯离子总体趋势与电导率变化趋势相近,与第一、二含水层组地下水的氯离子含量相当[10],说明含水层中水的循环对周围黏性土中的水具有一定影响(图2)。
2.2 同位素变化
100 m深度剖面上土壤水中氘氧关系的分布规律如图3所示,样品所在地的大气降水线(LMWL)为?啄(2H)=7.08?啄(18O)+0.96[11],其中?啄为千分差值,即?啄=1 000×(R样品-R标准)/R标准,R为同位素测定值。实测土壤水样品中?啄(2H)和?啄(18O)值关系点全部位于降水线下方,且随样品采集深度的增加存在贫化趋势,与华北平原地下水中氘氧关系变化趋势相似。40 m深度以上的样品点蒸发线大致与降水线平行,可认为土壤水受到大气降水的直接影响,存在垂向活塞式补给,但土壤水未被完全替换。40 m深度以下氘氧同位素样品点偏离大气降水线趋势并逐渐贫化,补给来源明显与上部不同,且不存在显著水力联系的表现特征。
从同位素数据的分布集中度看,40 m深度以内的点分布相对集中,埋深大于40 m的样品点分布较为分散,其中80~90 m、90~100 m两组数据分布范围较大,氘同位素值分布区间在75‰~105‰,氧同位素值也较为贫化。上下部的同位素组成特征说明补给年代或补给时的气候条件存在差异,且上部水力交换密切,而下部土壤水之间缺乏联系。
氘氧同位素值的分布在埋深上存在变化趋势,这反映了垂向上的土壤水来源特征,从上述分析可以初步得出40~50 m存在上下部的一个分界线。
2.3 同位素参数分析
Dansgaard[12]提出了氘过量参数,定义为d=?啄(D)-8?啄(18O)。某一地区的大气降水的d值实际上反映了它与全球大气降水同位素分馏的差异程度。根据定义,水岩作用越强烈,水和岩层的氧同位素交换程度越高,则地下水的d值越小,d值的变化梯度可以反映地下水的流向,通常由高d值流向低d值的区域[13]。如果地下水在缓慢径流过程中,因受动力学影响的蒸发作用再次活跃起来,d值就将变得更低,甚至为负值,而水中的盐分将变得更高,两者成一种负相关关系,这对再度蒸发的地下水尤为典型[14]。
本研究中的测试结果见图4,水样的d参数明显偏负,最小值为-21.8‰,而前人研究中华北平原地下水d值多为正值,少部分负值点为地下热水及近海样品[15],可以看出本次研究的黏性土中水样的氢氧同位素特征与含水层中水的测试结果明显不同。
在0~25 m埋深区间,d值明显下降,说明该深度内黏性土层水的补给来源及形式单一,受垂向补给,且更新速度较慢。25~60 m区间内d值均值较低,反映了该区段内黏性土中地下水形成时间较长,水岩交互相对充分;同时d的分布离散程度明显增大,可知垂向上地下水不具有明显的补给通道。从岩心特征看,该深度区间内存在5个砂层,根据前人的含水层划分,该区间属于第一含水层组,黏土中d值的分布特征反映出该深度内含水层中水的补给来源并不惟一,否则d值将具有明显的一致性。加之农业灌溉对该含水层的开采,局部侧向流补给是影响d值的主要因素。60~100 m深度区间内,d值均值和0~20 m埋深区间相当,与上部的25~60 m区间相比离散度明显变小,且存在有极值点。d值的这种分布规律反映出该区间与上部具有不同的水力特征,黏性土层的水与上部没有显著的水力联系,含水层应该划分为不同的地下含水系统。
3 小结与讨论
黏性土对地下水的垂向运移起到了明显阻隔作用。通过电导率的变化趋势看,大厚度的黏性土对盐分具有一定的截留作用,表现在电导率的突变多发生在黏性土所分布的深度。但黏性土可以使得地下水部分渗透通过,呈现弱透水层特征,表现在浅部黏性土中地下水具有较为连续的电导率变化趋势,具有一定规律性,反映了地下水的垂向运移特征。
氘过量的垂向变化特征说明黏性土对地下水的同位素组成具有一定的影响。首先由于黏性土的弱透水作用,稳定同位素存在分馏,使得氘过量参数在黏性土层两侧存在显著变化;其次由于黏性土的存在,不同层位的地下水交替速度也不相同,造成同位素组成具有不同的特征。这种同位素的变化特征可以为地下水资源的评价和水资源利用提供参考。
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地下水定义范文4
关键词:地下水位 动态监测 系统研究
中图分类号:TP277 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2015)05(b)-0011-01
对于地下水位动态监测过程的实现对于促进人们提升水资源的利用率以及水资源利用的合理性都有一定意义。本文就建设地下水位动态监测系统的必要性以及地下水位动态监测系统建设要点进行了分析。
1 建设地下水位动态监测系统的必要性
地下水位动态监测的信息直接影响人们生活以及农业模式的选择。对于地下水状况的掌握需要测量多个和地下水资源有关系的多个参数,其中最重要的就是水位的测量,水位一旦发生某些轻微的变动就会对人们生活生产造成极大的影响。因此加强水位动态监测系统的建立和完善对于促进区域内水资源合理利用有着重要作用。但是就我国目前地下水动态监测系统的建立情况来看,其还存在这许多的问题。目前对于地下水测量的主要方式还以传统简单的方式为主,即在被测量地运用手工放线或者简单测量仪器等对水位进行测量,这种方式受外界因素的影响较大,不利于相关部门对于水位精确变化的掌握。
2 地下水位动态监测系统建设要点
2.1 系统建设的总体目标
地下水位动态监测系统的建立最主要的目的就是为了实现简单、高效的对地下水位进行自动实时监测。在此系统中水位测量数据的采集主要运用的就是相关传感器,当各个监测点经由传感器获得水位数据之后利用相关的数据传输方式把其传至系统终端,从而为相关人员对于数据的分析创造条件。在对水位动态监测系统的建立过程中需要公共电信网通讯技术的支撑,数据传输的方式可以以GSM技术为核心。对于各个监测点水位数据的采集可以采用无线控制技术,像ZIGBEE等。一个完善的水位动态监测系统应改能够实现每天都能对水位进行采集并把所采集的数据进行自我储存的功能,从而为水位动态监测系统功能的发挥奠定基础。
2.2 地下水位动态监测系统的组成部分
地下水监测系统所检测的对象主要为地下水位的高度以及埋藏的长度,所检测的地下水位的数据应该能够自己录入相关的数据库中并能够经处理之后以报表和曲线等形式得以体现。一般情况下一个完整的地下水位检测系统应该由传感器、检测主机RTU以及通信网络等组成。
(1)传感器。
根据传感器的作用机理传感器也叫做换能器、变送器以及探测器等。其在地下水位动态监测过程中所具有的最主要的作用就是对水位的变化情况进行检测和感知,并把所感知的变化情况以数据信号的形式得以体现。在地下水位动态监测系统中所运用的传感器的类型为水位传感器,在对传感器类型进行选择时要把传感器的自身性能、传感器被使用的环境以及成本等因素纳入考虑范围之内。一般情况下,所采用的水位传感器的具体参数如下。
测量范围(FS):0--50mH2o;
允许过压:2倍满量程压力;
测量介质:与316不锈钢兼容的液体;
综合精度:±0.25%FS;
长期稳定性:典型为±0.1%FS/年;
使用温度范围:一体式为-20~70℃;
零点温度漂移:典型为±0.02%FS/℃, 最大为±0.05%FS/℃;
灵敏度温度漂移:典型为±0.02%FS/℃, 最大为±0.05%FS/℃;
供电范围:12~36VDC(一般24VDC);
信号输出:4~20mA;
负载电阻:≤(U-12)/0.02Ω;
结构材料:外壳为不锈钢1Cr18Ni9Ni, 膜片不锈钢316L,密封为氟橡胶,电缆为Φ7.2mm聚氯乙烯专用电缆;
绝缘电阻:100MΩ,500VDC;
防雷:三级防雷设计(1万V/5kA);特殊可(2万V/1万A);
防护等级:外壳防护等级IP68;
安全防爆:ExiaⅡ CT5;
分辨率:无限小(理论),1/100000(通常)。
(2)监测主机RTU。
在对监测主机RTU进行选择时一定要综合考量其各种性能,尤其是可靠性以及低能耗性要最大程度的满足于系统设计的要求,在主机上要具有各种通信接口以及传感器接口,能够实现查询--应答式和自报式的混合工作制式。另外主机还应该具有定时自检发送、死机自动复位、站址设定、掉电数据保护、实时时钟校准、直观现场显示和设备测试等功能;可显示、主动发送电源电压、端口工作状态;能接受中心站的远程自动校时,计时误差不超过2min/年;能接受中心站的按时段远程下载存储数据等功能。
(3)通信网络。
在地下水位动态监测系统的建立过程中所采用的通信网络主要为公共运营通信网络,在网络的建设过程中需要遵循一定的原则,为了使这种原则能够实现标准化相关部门则定义了数据网络通信协议,当数据在传输过程中,相关数据压缩和打包过程就需要把设定的数据网络协议作为依据,并按照数据协议的标准对数据进行封装,为数据传输的高效实现创造条件。在把数据传输到终端之后,经过相关设备对数据的转换可以使得数据信号转换为人们能够理解的形式。另外为了获取最准确的水位测量信息,相关技术人员应该根据水位测量要求对通信网络的数据传输的频率进行设定,一般情况下8 h采集一次数据,每条数据中记录至少20个字节,一天传输3条。这样下来,一个月所需要的数据流量也不过6KB左右,加上系统运行所需要的必要的心跳包,整体算下来,一个月的数据流量也会小于4M,这能够极大程度的降低数据传输成本以及提升数据传输效率。
3 某地地下水位动态监测系统实例分析
为了更好的了解地下水位动态监测系统建设的过程,该文以某地地下水位动态监测系统的建设过程为例,对地下水位动态监测系统的建设要点进行分析。
在实例中地下水位检测系统所采用的传感器为文中所述传感器。
主机参数如下所示:
值守功耗:≤2mA
传感器供电5V、12V可选,设备工作电压交流220V;
输数模转换:16位高精度ADC采集芯片,转换误差
可靠性指标:在正常维护条件下,设备的MTBF≥25000h;
工作环境:温度-30~+60℃。
可以看出,地下水位动态监测系统的建立和完善不仅能够实现对相关检测地的水位的测量还能够对相关区域的水量数据进行统计。另外整个系统有多个子系统构成,这对于相关人员对于相关数据的准确查询提供了一定的便利条件。
4 结语
通过该文的论述我们可以发现建立一个完善的地下水动态监测系统是十分必要的,地下水动态监测系统的建立能够为人们对于水资源的管理以及利用提供最为可靠的数据依据。
地下水定义范文5
水文地质类型区也就是指遵照地下水含水层岩石的结构条件允许及地貌形态和成因相似性划分的独立或相对独立的区域。
二、特征
水文地质类型区的特征是地下水按一定的地下水流域分布、运移,在一定的地质、水文地质条件允许制约下,在一定的空间范围内存储、运动、完成补给、径流、排泄整个过程。
(1)具有一定的边界类型和构造组合。
(2)具有一定的容积和内部组合。
(3)在空间范围内有势能的转换机能。
(4)具有相对独立的补给、径流、排泄系统即同一地下水类型区中,一定的排泄量等于一定的补给量。
(5)与相邻的水文地质类型区存在一定的联系。
(6)具有一定的水质类型和组合关系。
(7)具有自已本身的发展变化历史。
三、水文地质特征与内容规划
赋存于复杂地貌地质体中的地下水,它具有水资源的一般特征,又具有系统性、整体性 流动性、可调节性和循环再生性。经过对赋存环境的研究分析,可划分出不一样的单元系统,这样一些单元系统相互联系、相互影响,所以开发应用地下水资源时,一定从含水系统整体上考虑打水计划方案,寻求整体开发应用地下水资源的最优计划方案,水文地质类型区的划分便是将赋存环境类似的地下水地貌地质体进行分类,从而使得进行系统性和整体性的方面的管理。
(一)划分原则
(1)水文地质类型区勘查和地下水资源评价相联合水文地质类型与地质成因相联合。
(2)主要含水层的介质类型与地貌地形、埋####条件允许、岩性、透水性能和地下水化学类型相联合。
(3)水文地质类型区的划分要达到分类命名简单,方便于操纵和水政方面的管理为目的。
(二)划分标准
依照上述分类原则,水文地质类型区划分采纳应用自然条件允许地貌条件允许、地质条件允许、边界条件允许和含水层的储存条件允许来总结考虑,侧重考虑水文地质类型区勘查方式和评价方式 划分标准选用地貌类型和不一样的含水介质相联合作为划分标准。
(三)水文地质勘察中难题的评价
影响的水文地质原因:地下水的类型,地下水位及变更幅度,含水层和隔水层的厚度和分布及组合关系,土层或岩层渗入性的强弱及渗入系数,承压含水层的特征及水头等。为提升工程地质勘察质量,应在整个工程地质勘察中增强对水文地质难题的分析,不但需要求查明与岩土工程相关的水文地质难题,评价地下水对岩土体和建筑工程大概产生的作用及其影响;更要提出预防及治理对策的建议,为设计和施工提供如有需要的水文地质资料,以消除或减少地下水对整个工程建设的危害。但在整个工程地质勘察?atype=P1509>报告中,普遍缺乏联合基础设计和施工的必要评价地下水对岩土工程的作用和危害。今后在整个工程地质勘察中应从下面几点对水文地质难题进行评价:
(1)应关键点评价地下水对岩土体和建筑的作用和影响 推断大概产生的岩土工程危害 提出防治对策。
(2)工程地质勘察中还应密切联合建筑物地基基础类型查明与该地基基础类型相关的水文地质难题 提供选型所需的水文地质资料。
(3)不但需要查明地下水的天然赋存状态和天然条件允许下的变化规律 更为注重的是研究和推断今后在人为了使工程活动影响下地下水的变化状况 及其对岩土体和建筑物的不良作用。
(4)地下水位的高低对各式各样建筑物都很十分主要 在研究工程地质难题时 地下水位以上和以下要分别对待。
四、地下水在岩土工程中的危害性
(1)地下水位升降变化能引起膨胀性岩本地货生不均匀的胀缩变形,严重者形成地裂,引起建筑物尤其是低层或轻型建筑物的破坏。
(2)本地下水位变化频繁或变化幅度大时,不但岩土的膨胀收缩变形往复,并且胀缩幅度也大。所以,在膨胀性岩土地区进行工程勘察时,应尤其注意对场地水文地质条件允许的分析尤其是地下水位的升降变化幅度和变化规律。这对地基基础深度的挑选,宜选在地下水位以上或地下水位以下,不宜选在地下水位变更带内,有十分主要的参考价值。
(3)若水位在压缩层范围内上升时,软化地基土,使其强度减少、压缩性增大,建筑物大概产生较大的沉降变形;若水位在压缩层范围下降时,岩土的自重应力增加,大概引起地基基础的附加沉降,假设土质不均匀或地下水位的突然下降也大概使建筑物发生变形破坏。
五、水文地质勘察中地下水难题及对策研究
(一)过去地下水测量方式面临的难题
岩土工程勘察中,地下水的测量与统计沿用的过去方式为:(1)钻孔;(2)提取岩芯后0.5h,测量孔内水位。(3)有条件允许时,测量终孔后24h 水位,作为稳定地下水位。相比为有含水层贯通的地层,这种方式是合理的,但是对于含水层不贯通的地层和局部(或大部)不透层水的地 这种方式会带来部分难题。
(二)办理地下水难题的对策
地下水定义范文6
关键词 自然资源;区域可持续发展;多自主体系统;雪堆模型;环渤海地区
中图分类号 F063.1 [文献标识码] A 文章编号1673-0461(2011)11-0043-04
当前全球面临着化石能源消耗增加、生态环境恶化、极端天气频现等问题,可持续发展道路面临前所未有的挑战[1]。环境问题越来越被人们关注,本文致力于考虑人类对自然资源的开发利用这一引起当今环境与生态系统破坏的核心问题。资源的开发是要遵循一定规律的,一味多度开发,破坏了地区生态环境,反而使当地人的收益降低;反之,如果遵循这样的环境规律进行开发,所获收益反而会更大。这个问题既涉及到两方面的关系,即人们之间的合作关系,以及人们开发活动与当地自然生态环境间的博弈关系。本文利用多自主体系统(Multi-agents Systems)[2]对这个问题进行仿真建模,下面分别对这两方面关系予以说明。
自主体间的合作问题已引起很多学者的关注。一些学者用博弈论中最基础的囚徒困境博弈来研究合作行为的演化。Nowak在二维网格上建立了一个囚徒博弈模型,每轮中网格上的结点都与它的邻居进行一次囚徒博弈,这决定下轮中它要扮演的角色,它总是模仿得到最大收益的邻居的行为[3]。囚徒博弈模型也可建立在环形结构上[4]。Kaneko在耦合网络上发现了集群结构和时空混沌[5]。囚徒博弈模型已有很多应用,如国有企业的经营管理[6]。除了囚徒博弈,对雪堆模型也可进行类似分析,在该模型中合作者和撒谎者混杂在一起并稳定共存[7]。
在本文中,除考虑自主体间的关系,重点是分析自主体的开发活动对地区环境的影响以及环境对自主体收益的反作用。这里的出发点是,如果自主体都对资源过度开采,该地区的环境就会受损,自主体多度开发所带来的收益反而会减小;另一方面,如果一些自主体对环境适度开发,使得环境没有受损,那末那些此时采取过度开采策略的自主体得到的收益会很大,这种收益矩阵恰好是雪堆模型的。下面作具体的分析。
一、模型构建
考虑平面上N个自主体,若两自主体间的二维欧式距离小于给定值D,则说它们是邻居,这样可用图G(V,E)来表示该自主体系统。每个自主体都对应图G(V,E)的一个结点,自主体i的邻域就是图上其对应结点的邻居集合,记为
Ni={j |(i,j)∈E(G),j≠i},其序即Ni中结点数记为di。自主体i所处的地理范围包括它的所有邻居和它自己,这是一个空间概念,称为区域i,记为Si,在不引起误解的情况下也用i来代表。这里的区域概念不同于前期工作[8],那里的区域只包括自主体i,即自主体i与区域i在空间范围上重合,而本文是以自主体i的邻域包含范围代表区域i,即区域Si=Ni∪i ,这样本文就可以分析每个自主体受到更大空间范围区域的影响。本文考虑自主体不迁移现象,即自主体i固定处在区域i的中心,i=1…N,并且所有的区域都具有可供开发并能不断更新的自然资源,如供农作物与林木生长的土地、可供开采的地下水等。每个自主体开采所处区域的自然资源,这种行为造成两方面影响,一是自主体i从区域Si处获得开采收益;另一方面区域Si受到其内部自主体i与自主体j∈Ni的行为影响,而使其供给资源的水平发生变化,上述讨论针对i=1…N。
下面来具体讨论自主体的开采行为对区域造成的影响及这种影响对自主体的反作用。
自主体对区域资源环境的开采需要资本、人力等投入,用xi(k)表示k时刻自主体i的投入量。假设每个自主体对区域自然资源有两种开采策略,过度开采(M)与适度开采(I),用下文中的投入比来区分。
k时刻区域i的自然环境状态用函数fi(k)∈[0,1]来度量,它受三方面因素影响:前一时刻该区域状态,环境本身的恢复能力,以及当前时刻该区域内自主体开采行为。区域i处环境恢复能力用恢复系数ci≥1 表示。区域i受其内自主体开采的影响用函数gi,其取值遵循以下原则:其内采取过度开采策略的自主体越多,其值越小。为保持gi的一定数学特性,令其连续可微。现在,给出fi(k)的表达式:
fi(k)=min{1,ci・gi(k)・fi(k-1)} (1)
其中,采用取小函数 min 是为了保证fi(k)取值在 [0,1]之间,gi的具体形式可有很多,但必须是连续可微减函数,如
gi(k)=exp(2)式中gi的形式考虑到了区域i内所有自主体的开采行为,并且在其定义域(xi(k),xj(k),j∈Ni)上是连续可微减函数。
根据fi(k)的取值,把区域自然环境分为两类,fi(k)> 0.5为良好型的(H),fi(k)≤0.5为受损型的(D)。
现在可以定义自主体的收益矩阵了(见表1):
该收益矩阵的横行代表自主体的开采策略,纵列代表区域状态,收益矩阵描述在不同区域自然环境状态下,各种开采行为所取得的收益,用pi(k+1)表示自主体 i 在区域 i 的状态fi(k)下,通过过度(M)或适度(I)开采策略所能在k+1 时刻获得的收益,其值域是元素集{π10,π00,π01,π11}。当区域环境是良好型(H)的时候,越多的开采劳动能得到更多的收益,即要求π10>π00;另一方面,当区域环境受损(D),开采成本会提高,多开采反而会使收益更小,即π11π01,π10> π11。把这些不等式联立,则有
π10>π00>π01>π11(3)
收益矩阵元素的这种排序方式恰与雪堆博弈模型[7]吻合,由于在本工作的收益矩阵中涉及到自主体行为与区域自然环境状态,我们说这里的博弈是自主体与区域环境的雪堆博弈,而影响博弈结果的因素是自主体与区域环境间的双方向作用。
k+1 时刻,每个自主体都要调整它的策略。如同进化博弈中的大多数工作,这里也假设自主体在k+1时刻取它邻居和它自己获得最大收益的策略,即比较 pi(k+1)与pj(k+1),j∈Ni的大小,并且所有自主体的策略更新都是同时进行的。
用投入比来区分自主体的开采策略,若自主体采用过度开采策略,则其投入比为SI,即用于k+1时刻开采的投入为其在k+1时刻所获收益的SI部分,xi(k+1)= SI・pi(k+1);若自主体采用过度开采策略,其投入比为SM,xi(k+1)= SM・pi(k+1)。两种投入比的关系是 0≤SM
模型的整体算法可以用如下伪码表示:
输入 N,G,π00,π01,π10,π11,c,SM,SI
初始化所有自主体的初始策略,所有区域的初始状态
For k=1to 迭代总次数 Do
判断所有自主体k+1时刻的收益,利用表1
For自主体i=1 to NDo
比较自主体i 及其邻居所取得的最大收益
更新自主体i的策略
EndFor
For区域 i = 1 to NDo
更新区域i的状态,利用公式(1)
EndFor
二、仿真结果与模型规律
本节通过仿真实验具体分析上述进化博弈模型。本文主要考虑两个指标,P1:采用适度开采策略的自主体数量占总体的比例,P2:自然环境状态为良好的区域数量占所有区域的比例。P1越大,说明最终采用适度开采策略的自主体越多;P2越大,说明最终更多的区域拥有良好的环境状体。对参数的每个取值都做100次实验,且自主体策略与区域环境状态的初始值都为随机的,每次仿真步数为200次,仿真结束后只取最后50次结果做平均,以去除初始的不稳态。
考虑多自主体系统组成49 * 49的网格,即有 2,401个结点或自主体,它们的编号顺序是从网格左上角开始,为1号,直到网格右下角,为 2,401号。网格边界为固定的,这样四角的自主体有
3个邻居,除此外四边上结点有5个邻居,中间的自主体有8个邻居。
gi取式(2)中的形式,并假设所有区域的自然恢复系数都相等,即ci=c≥1,i=1…N。参数默认情况取如下值:
c=10,π00=1,π01=0.5,π10=1.5,π11=0,
SM= 0.5,SI=0.8(4)
下面给出主要参数对P1与P2影响的仿真结果。首先,考察区域自然环境恢复能力的影响。令c从1变化到100,其它参数取值同(4)式,从图1给出的仿真结果可以看出,随着c的增加,越来越多的自主体将不再采用适度开采策略,而拥有良好环境状态的区域并不减少,这是由于较高的区域自身恢复系数平衡了自主体过度开采对环境造成的影响。
再来考察收益矩阵对结果的影响。不失一般性,固定π11=0,π00=1,考察π01在这两常熟间的变化。取c=2,根据不等式(3),令π01从0变化到1,其它参数如式(4),图2给出实验结果,可以看出当π01较小时,最终状态是混合型的,这点对比图2更可清楚看出,那时当c=2,π01= 0.5时,P1=1,P2=0。再取c=10,同样令π01从0变化到1,从仿真结果图3中可以看出,上述趋势不变,只是拐点向右平移了。
最后考察投资策略的影响。取c= 2,令SM 从0变化到0.5,由图4可以看出,此时投资策略对自主体的最终策略没有影响,而较小的开采投入比例,使得较多的区域环境得以保持良好状态。随着区域自然恢复能力的提高,即使较高的开发投入也能保持相同比例的良好环境,即P2的拐点右移,如图5所示。
通过上述仿真实验可总结出以下模型规律:
① 区域自然环境恢复能力越大,在使得更多的区域最终拥有良好环境状体的同时,也带动得更多自主体采用过度开采策略,同时对收益矩阵值与投资策略值带来的影响都具有延缓趋势作用;
② 若区域受损时采用适度开采策略的自主体得到的收益较高,则更多的自主体将采用适度开采策略,同时更多的区域最终将受损;
③ 采用适度开采策略的自主体投资策略对所有自主体的最终状态没有影响,但适度开采时的投入比SM较大,将使得更多的区域环境状态最终受损。
三、案例研究
本节以环渤海等地区的地下水资源的开发利用来说明模型的应用。
地下水是基础性的自然资源和战略性的经济资源[9],在保障人民生活、促进经济社会发展、改善生态环境等方面都发挥着重要的作用[10]。然而随着区域经济社会发展,人们在开发利用地下水资源的同时,一些不合理的开发行为,常常造成一系列环境地质问题,使得地下水资源开发利用方案的设计变得尤为重要。
环渤海地区是我国城市群,港口群和产业群最为密集的区域之一,在我国经济发展的整体格局中占有重要地位。同时,环渤海地区还是我国水资源短缺最严重的地区之一,也是我国地质环境最脆弱地区之一。由于经济利益驱使,在经济快速发展中出现了不合理的地下水资源开发活动。地下水作为影响环渤海地区地质环境质量一个最重要的资源与环境要素,对整个环渤海地区经济社会发展起着重要的制约作用[11],因此要深入研究区内地下水资源可持续利用问题。我们可以把环渤海地区内的主要城市看做自主体,考虑各个城市即自主体对本地地下水资源的开发活动,并利用本文中的模型,考察单个城市活动对周边城市的影响。这种把环渤海地区作为一个整体来考虑的思路,非常适宜于如环渤海地区这样的大范围区域。
相邻区域的地下水资源是一个完整系统,在设计地下水资源开发方案时必须考虑相邻系统之间的相互作用。相互作用的关系还表现在地下水系统与周围环境系统之间,特别是人工采补量的作用[12]。这两方面关系在本文的模型中都给予了充分考虑。
地下水还具有可更新能力,它是表征在一定时间尺度上地下水资源更新程度或可恢复性的一个重要指标,其强弱直接关系到地下水可开采资源量和地下水开发利用模式。所以,地下水可持续利用等研究工作必须以地下水可更新能力为基础。在本文的模型中,对不同区域都考虑了其环境恢复能力,并用恢复系数ci 加以表示。
由以上分析可见,用本文的模型可以科学模拟环渤海等地区的地下水资源开发利用过程,从而确定最优合作开发策略。除了地下水资源问题外,本文的模型在区域经济协调发展、科技创新传播与辐射等方面都有广泛的应用前景。
四、总结与启示
本文利用多自主体系统构建了区域自然环境开发模型,利用博弈论中的雪堆模型建立了自主体开采策略与区域环境状态间的收益矩阵。本模型对理解区域开发活动、制定相应政策,从而实现区域的可持续发展具有一定启示意义。首先,要弄清楚区域环境本身的状态,不同的区域环境恢复能力对最终结果具有决定性影响;其次,为保持更多的良好区域,应减少受损状态下采用适度开采策略所能获得的收益,适度降低投资比例,前者可通过设计资源惩罚机制来实现,即对在资源受损的区域征收开采税等,后者可通过引导投资向其它领域扩展,改变单一的资源开采生产格局。
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Wu Jianxin 1,Deng Zhiguo 2
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2. Postdoctoral Programme, Bank of Beijing, Beijing 100082, China)