第一篇：地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

郝治福，康紹忠

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)中國農(nóng)業(yè)水問題研究中心)

目前地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法主要有有限差分法(FDM)、有限單元法(FEM)、邊界元法(BEM)和有限分析法(FAM)等。20世紀(jì)60年代中期以來，隨著快速大容量電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，數(shù)值計(jì)算方法在地下水資源分析評(píng)價(jià)中得到逐步推廣，具有明顯的通用性和廣泛的適用性。尤其近十幾年，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬取得了長足進(jìn)步。

一、國外地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

目前，國外該領(lǐng)域的研究主要針對(duì)數(shù)值模擬法的薄弱環(huán)節(jié)，提出新的思維方法，采用新的數(shù)學(xué)工具，分析不同尺度下的變化情況，合理地描述地下水系統(tǒng)中大量的不確定性和模糊因素。

1、該領(lǐng)域科學(xué)家在地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的工作程序、步驟方面達(dá)成了一致，強(qiáng)調(diào)對(duì)水文地質(zhì)條件合理概化的重要性，并深入探討尺度轉(zhuǎn)換問題和量化不確定因素問題。

根據(jù)Anderson等提出的工作程序，要建立一個(gè)正確且有意義的地下水系統(tǒng)數(shù)值模型，應(yīng)進(jìn)行以下工作：確定模型目標(biāo)，建立水文地質(zhì)概念模型，建立數(shù)學(xué)模型，模型設(shè)計(jì)及模型求解，模型校正，校正靈敏度分析，模型驗(yàn)證和預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)靈敏度分析，模型設(shè)計(jì)與模型結(jié)果的給出，模型后續(xù)檢查以及模型的再設(shè)計(jì)。Ewing提出地下水污染流模擬和建模需要強(qiáng)調(diào)3個(gè)方面的問題：①有效地模擬復(fù)雜的流體之間以及流體與巖石之間的相互作用； ②必須發(fā)展準(zhǔn)確的離散技術(shù)，保留模型重要的物理特性；③發(fā)揮計(jì)算機(jī)技術(shù)體系的潛力，提供有效的數(shù)值求解算法。針對(duì)Newman等的推測，Wood提出了二維地下水運(yùn)動(dòng)有限元計(jì)算的時(shí)間步長條件。Kim等對(duì)抽取地下水造成的noordbergum effect(reverse waterlevel fluctuation)現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬，闡述了其機(jī)理性原因。Scheibe等分析了在不同尺度下的地下水流及其運(yùn)移行為。Ghassemi指出三維模型可以詳細(xì)說明含水層系統(tǒng)的三維邊界條件以及抽水應(yīng)力情況，而二維模型就不能恰當(dāng)處理。Porter等指出DFM(data fusion modeling)可以量化各種各樣的水文學(xué)、地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)的數(shù)據(jù)及模型的不確定性，可以用于地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)整合和模型校準(zhǔn)。Mazzia等提出特別的數(shù)值方法用于求解重鹽地下水運(yùn)移模擬的二維非線性動(dòng)力學(xué)控制方程，效果很好。Li Shu-guang等指出數(shù)值模型還不能解決預(yù)報(bào)的不確定性因素問題，并開創(chuàng)性地提出一種隨機(jī)地下水模型，可以解決均值分布和小尺度過程的不同尺度問題。Mehl等提出二維局部網(wǎng)格細(xì)分法的有限差分地下水模型，提供了新的插值和錯(cuò)誤分析的方法。模擬結(jié)果的可靠性得到了提高。

2、國外開發(fā)了許多功能多樣的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件，以其模塊化、可視化、交

互性、求解方法多樣化等特點(diǎn)得到廣泛的使用，尤其MODFLOW，據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)計(jì)，MODFLOW幾乎占地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件總應(yīng)用次數(shù)的一半，這些年其功能更是不斷完善。地理信息系統(tǒng)(GIS)與地下水模型的整合強(qiáng)化了數(shù)據(jù)的輸入、傳遞、方案調(diào)整和空間分析等。遙感(RS)提供了判斷地質(zhì)邊界、地貌單元和估算地表蒸發(fā)等的工具。地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型與相關(guān)領(lǐng)域模型的耦合更擴(kuò)展了其發(fā)展空間，可以解決更多的實(shí)際問題。

Juan等運(yùn)用ARC/INFO和MODFLOW模擬了美國Jackson Hole地區(qū)的沖積含水層，并通過補(bǔ)給、排泄和水均衡的評(píng)估對(duì)模型進(jìn)行了合理的校準(zhǔn)。Winston專門介紹了許多MODFLOW相關(guān)的免費(fèi)和共享的網(wǎng)絡(luò)資源，為人們學(xué)習(xí)和應(yīng)用該軟件提供了方便。Olsthoorn指出基于有限差分法的MODFLOW與基于解析元法的MLAEM模型都各有優(yōu)勢，MODFLOW的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更易于實(shí)現(xiàn)與GIS的整合。Harrington等運(yùn)用CMC(compartmental mixing-cell)和MODFLOW模擬區(qū)域地下水系統(tǒng)的水化學(xué)和同位素變化情況，并強(qiáng)調(diào)了做細(xì)致準(zhǔn)確的穩(wěn)態(tài)流分析對(duì)于瞬時(shí)流分析的重要性。Brodie使用RDBMS(a relational database management system)存儲(chǔ)鉆孔資料，設(shè)計(jì)GIS管理空間數(shù)據(jù)資料，有很好的推廣價(jià)值。Ataie-Ashtiani 等運(yùn)用基于有限元的二維數(shù)值模型SUTRA模擬含水層邊界條件周期性變化的地下水流，對(duì)基本方程和模型進(jìn)行相應(yīng)的修改，得到了很好的模擬結(jié)果。Wingle介紹了UNCERT模型，該模型可用于地下水流和污染物運(yùn)移模擬，得到相關(guān)行業(yè)研究人員的一致認(rèn)可并廣泛使用。Ramireddygari等通過對(duì)POTYLDR地表水模型與MODFLOW地下水模型的修改并增強(qiáng)，用于模擬WetWalnut Creek流域。Osman等使用改進(jìn)的MODFLOW代碼和MOBFLOW模型，模擬得出地下水滲流和含水層情況，與用SWMS-2D所做結(jié)果吻合很好。Samani等指出軸對(duì)稱井流是地下水力學(xué)非常重要的課題，新出版的MODFLOW 2000加入了精確模擬軸對(duì)稱井流的標(biāo)定方法，提高了模擬的仿真性。Dahan等提出多變量混和單元模型描述水化學(xué)過程，MODFLOW模擬水文地質(zhì)情況，兩種方法的結(jié)合不但可以模擬水頭變化，而且可以模擬反映地球化學(xué)特征的地下水流線。Facchi等建立滲流地帶模擬與基于MODFLOW的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬耦合模型，用GIS來控制空間分布式參數(shù)以及輸入和輸出值，與其他類似模型不同的是可以評(píng)估作物水分消耗值在時(shí)間和空間上的分布情況。

研究人員廣泛應(yīng)用地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件和3S技術(shù)，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題，使功能不斷加強(qiáng)，并通過與其他模型耦合發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢。

二、國內(nèi)地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

1、近幾年，隨著新技術(shù)、新方法的廣泛應(yīng)用，我國該領(lǐng)域科學(xué)家也做了大量的工作，在建立地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型中發(fā)現(xiàn)問題，在理論和方法上不斷創(chuàng)新，通過數(shù)值模型理論與相關(guān)研究方向的理論結(jié)合，不斷提高模擬結(jié)果的可靠性。

陳家軍等指出在進(jìn)行區(qū)域地下水位估值時(shí)線性漂移的泛克立格法即可取得很好的效

果。卞錦宇等較好地解決了相對(duì)隔水層缺失區(qū)越流系數(shù)無法調(diào)試的問題。王瑋提出了用人工查點(diǎn)法、半自動(dòng)查點(diǎn)法、數(shù)字化地形圖提取法等獲取數(shù)字高程模型(DEM)的方法，并給出了通過數(shù)字高程模型計(jì)算節(jié)點(diǎn)地面標(biāo)高的方法。盧文喜對(duì)地下水運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬中的邊界條件進(jìn)行了分析，提出在模型預(yù)報(bào)前要考慮自然因素、人類活動(dòng)因素及鄰區(qū)水流條件因素產(chǎn)生的耦合效應(yīng)問題，先對(duì)邊界條件進(jìn)行預(yù)報(bào)。武強(qiáng)等通過對(duì)地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究分析，抽象出空間類層次結(jié)構(gòu)，并提出了基于屬性關(guān)系的宏觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基于同構(gòu)或異構(gòu)幾何模型關(guān)系的微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用三維空間拾取技術(shù)提供了友好的人機(jī)交互環(huán)境。張明江等采用“滲流管流耦合模型”、“入滲滯后補(bǔ)給法”和“參數(shù)迭代法”提高了模型的仿真性及對(duì)地下水資源評(píng)價(jià)的精度。張祥偉等根據(jù)地質(zhì)統(tǒng)計(jì)、逆問題理論和地下水運(yùn)動(dòng)理論提出了大區(qū)域地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的理論和方法。廖華勝等指出平穩(wěn)隨機(jī)的假定不能真實(shí)反映空間小尺度變異性與大尺度非平穩(wěn)性間的相互作用。薛禹群等介紹了Ms-FEM(多尺度有限元法)的基本原理，并將其應(yīng)用于非均質(zhì)多孔介質(zhì)中的流動(dòng)問題，通過計(jì)算結(jié)果的比較得出多尺度有限元法比傳統(tǒng)有限元法有效的結(jié)論。魏連偉等基于模擬退火算法(SA)這一全局優(yōu)化技術(shù)，耦合地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的有限元模型，給出水文地質(zhì)參數(shù)的反演方法。綜上所述，針對(duì)數(shù)值模擬過程中需要處理的地面標(biāo)高、初始水位、邊界條件、源匯項(xiàng)和水文地質(zhì)參數(shù)等問題，可采取數(shù)字高程模型(DEM)及各種耦合模型，結(jié)合地球動(dòng)力學(xué)、地質(zhì)統(tǒng)計(jì)、逆問題理論和三維空間拾取技術(shù)等來提高模擬效果。

2、國內(nèi)在運(yùn)用地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件以及地理信息系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，并結(jié)合相鄰學(xué)科的模型方面，也做了積極的探索。

陳鎖忠等以GIS為主控模塊，選擇GMS和地面沉降模擬模型系統(tǒng)(compac)進(jìn)行集成分析和設(shè)計(jì)。陳勁松等分析了MODFLOW中不同求解方法對(duì)精度的影響，選用PCG2法或SIP法求解結(jié)果滿足精度要求，而選用SSOR法獲得結(jié)果無法滿足精度要求。高佩玲等采用系統(tǒng)分解合成方法，利用Develop Studio軟件編制計(jì)算程序，得到了區(qū)域地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)參數(shù)，參數(shù)分布與水文地質(zhì)勘察所得含水層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及富水區(qū)分布基本相符。楊旭等提出了基于GIS 的“點(diǎn)”、“線”、“面”的模型擬合技術(shù)路線，實(shí)現(xiàn)了基于GIS的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型的可視化擬合。陳鎖忠等研究基于GIS的孔隙水文地質(zhì)層三維空間離散實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線，提出了基于GIS的孔隙水文地質(zhì)層不規(guī)則六面體元的三維空間離散方法，具有較高的實(shí)用價(jià)值。陳喜等揭示了獨(dú)特沙丘地形和土壤特性對(duì)地下水補(bǔ)排量的影響，利用地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型MODFLOW和非飽和帶水平衡模型對(duì)處于半干旱半濕潤沙丘地區(qū)(SandHills)的地下水位進(jìn)行了模擬，效果很好。羅毅通過對(duì)國際上著名的CERES(WHEAT，MAIZE)作物模型、SWAT分布式水文模型、MODFLOW地下水動(dòng)力學(xué)模型的融合、集成和功能擴(kuò)展，研制出地表水、地下水耦合模型，改進(jìn)了地下水接受土壤水補(bǔ)給的計(jì)算和淺層地下水蒸發(fā)的計(jì)算。地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件以其組件化、智能化、可視化和多樣化受到普遍歡迎，GIS與地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型的整

合具有整體化、自動(dòng)化、可視化和實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)領(lǐng)域模型的耦合更使其有了廣泛的發(fā)展空間，目前國內(nèi)外對(duì)具體問題的處理方法具有很好的參考應(yīng)用價(jià)值，大量的研究強(qiáng)化了地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法的優(yōu)勢。

三、地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬中存在的問題

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外關(guān)于地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的研究有了長足的進(jìn)步，但由于實(shí)際水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏，模擬技術(shù)的不合理運(yùn)用，多學(xué)科交叉存在的難度等，發(fā)展中還存在一些問題：

1、各學(xué)科之間難以溝通，側(cè)重的時(shí)間或空間尺度存在較大差異，地下水、地表狀況、土壤、植被、氣候變量和土地利用等都存在時(shí)空變異性，模型的耦合集成存在較大的難度。

該領(lǐng)域研究工作的深入越來越依賴于綜合集成和跨學(xué)科協(xié)同攻關(guān)，發(fā)揮互補(bǔ)作用，可以解決各學(xué)科不同模型存在的一些缺陷，同時(shí)，該領(lǐng)域與其他學(xué)科合作建立的耦合模型有更好的實(shí)用價(jià)值，可以綜合解決流域管理中存在的復(fù)雜問題，如地下水與地表水模型的耦合，陸面過程模擬、分布式水文模型模擬、基于遙感的生態(tài)模型與地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型的耦合等。只有模型之間有了充分的交互，對(duì)模型的評(píng)價(jià)才更合理。同時(shí)需要指出，面對(duì)模型耦合的大問題，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的其他方法也發(fā)揮著不可替代的作用。

2、地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型的水文地質(zhì)參數(shù)可以通過參數(shù)優(yōu)化來調(diào)整，但參數(shù)調(diào)整的范圍缺少準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)。

模型通過參數(shù)調(diào)整與實(shí)測值擬合較好，但應(yīng)用到其他區(qū)域或年份時(shí)又會(huì)出現(xiàn)較大誤差，說明對(duì)基本物理過程的描述還不夠準(zhǔn)確。模型反演求參時(shí)，解的不唯一問題一直是水文地質(zhì)數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱的環(huán)節(jié)。模型中參數(shù)的不確定性將導(dǎo)致計(jì)算的水頭、流速的不確定性，從而影響到模擬結(jié)果的可靠性。如何加強(qiáng)參數(shù)的研究，提高地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的精度仍是亟待解決的問題。研究工作者僅僅通過模型參數(shù)調(diào)整提高參數(shù)精度是徒勞的，應(yīng)加強(qiáng)模型參數(shù)的野外原位測定方法的改進(jìn)、空間變異分析和新數(shù)學(xué)方法的運(yùn)用，一個(gè)地區(qū)、一個(gè)流域或一個(gè)水文地質(zhì)單元，應(yīng)建立自己的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，這個(gè)參數(shù)應(yīng)有一定的代表性，應(yīng)加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)集的制備，這樣可以輕松地進(jìn)行檢查、評(píng)價(jià)和修改。

3、隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)大量水文地質(zhì)學(xué)及地下水動(dòng)力學(xué)問題的模擬，其計(jì)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人們獲取數(shù)值模型所需野外資料的能力，勘探技術(shù)水平需要提高。

在地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬中，對(duì)水文地質(zhì)條件的了解和概化所建立的概念模型是最重要的工作，需要有大量的野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)和資料，包括地質(zhì)結(jié)構(gòu)、含水層參數(shù)、各類均衡項(xiàng)隨時(shí)空變化的數(shù)據(jù)和資料，而這些資料的獲取是建立數(shù)值模型最困難的工作，需要耗費(fèi)大量人力、財(cái)力和物力，同時(shí)國內(nèi)缺乏三維水頭和溶質(zhì)濃度等資料，因此三維數(shù)值模

擬的工作受到限制。長期持續(xù)的三維觀測數(shù)據(jù)的獲取及具有更高實(shí)際價(jià)值的三維模型的建立是值得重視的工作。另外，在應(yīng)用外國先進(jìn)的地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件的同時(shí)，要加快研發(fā)有我國自主產(chǎn)權(quán)的通用軟件。

4、根據(jù)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，在解決地下水不合理利用造成的問題，尤其是日益嚴(yán)重的西部環(huán)境和生態(tài)問題方面，急需該領(lǐng)域科學(xué)家深入研究典型生態(tài)環(huán)境區(qū)域的地下水動(dòng)力學(xué)特征，提供決策依據(jù)。

重點(diǎn)研究荒漠、巖溶和黃土高原區(qū)域地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律，特別是淺層地下水變化的地表生態(tài)效應(yīng)及深層地下水賦存規(guī)律，為荒漠、巖溶地區(qū)淺層地下水合理利用提供新的途徑。西部不同水文地質(zhì)單元(尤其是干旱區(qū)和巖溶山區(qū))地下水流系統(tǒng)具有什么樣的特征? 地下深層水循環(huán)與淺層水循環(huán)之間的關(guān)系是什么? 淺層地下水開發(fā)對(duì)地表生態(tài)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生什么影響？如何運(yùn)用地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型分析邊界條件的變化、水化學(xué)作用和地球化學(xué)環(huán)境的演變情況? 如何從數(shù)值法的角度評(píng)價(jià)并預(yù)測地下水的水質(zhì)? 量化氣候、土地利用和人類活動(dòng)對(duì)地下水有何影響? 如何實(shí)現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)利用? 對(duì)這些問題的回答具有重要的理論和實(shí)際意義。同時(shí)，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬是依據(jù)對(duì)地下水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模擬模型的數(shù)值離散解法，并不能代表整個(gè)地下水系統(tǒng)研究，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法本身也存在問題，如裂隙介質(zhì)巖溶介質(zhì)中地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)尚未解決，地下水水質(zhì)模擬的可靠性問題有待深入分析，所以地下水系統(tǒng)不同模擬方法的結(jié)合應(yīng)用具有更大的價(jià)值。

四、地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬研究展望

隨著地下水資源需求的增加，與地下水有關(guān)問題的范圍和復(fù)雜性也隨之增大。農(nóng)業(yè)活動(dòng)區(qū)和城市的人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域地下水水位、水質(zhì)的影響日益突出。地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬可以量化地下水的動(dòng)態(tài)變化與人類活動(dòng)的關(guān)系，可以比較不同開采方案并預(yù)報(bào)開采對(duì)環(huán)境帶來的影響，以便人們了解采取什么行動(dòng)來保證含水層的可持續(xù)利用，維持合適的生態(tài)水位。地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型在國家制定區(qū)域水政策和方針中將發(fā)揮越來越重要的作用。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和GIS技術(shù)的進(jìn)步，帶來了科學(xué)決策和管理信息的新方法，有利于水文水資源工作者了解地下水在時(shí)間和空間上的變化情況，并提供良好的數(shù)據(jù)維護(hù)、更新和分析功能，有了完備的數(shù)據(jù)做支持，一方面可以提高模擬的仿真性，另一方面又可大大減輕處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的工作負(fù)擔(dān)。深入挖掘3S技術(shù)在地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬中的功能仍然是今后工作的重要內(nèi)容。系統(tǒng)論、信息論在地下水研究中也將越來越重要。

如何將現(xiàn)有的各類計(jì)算方法和軟件逐步過渡到以柵格為計(jì)算空間單元的分布式模型上來，充分利用RS動(dòng)態(tài)監(jiān)測信息和GIS空間數(shù)據(jù)管理功能，實(shí)現(xiàn)地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型與GIS和RS的集成，是今后的研究重點(diǎn)。應(yīng)充分利用“數(shù)字地球”和國家空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，將地下水系統(tǒng)納入“數(shù)字地球”、“數(shù)字國土”或“數(shù)字流域”體系。數(shù)值模擬軟

件還將不斷完善，軟件的組件化、可視化、前后處理智能化、離散方法簡單化和求解方法多樣化等特點(diǎn)日益增強(qiáng)，將融入更多功能強(qiáng)大的子程序軟件包。

地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬模型結(jié)合地表水文模型、作物模型、流域生態(tài)模型、區(qū)域氣候模型、分布式水文模型、水平衡模型和隨機(jī)法模型等優(yōu)勢，一方面彌補(bǔ)模型的缺陷，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，使物理基礎(chǔ)更加堅(jiān)實(shí)；另一方面擴(kuò)展模型的應(yīng)用范圍，綜合集成管理模式的模型。

隨著勘探手段的提高，含水層特征參數(shù)的確定方法將不斷豐富，參數(shù)精度不斷提高，數(shù)值模型的標(biāo)定方法及靈敏度的分析將更規(guī)范化。三維數(shù)值模型是未來發(fā)展趨勢，將越來越真實(shí)地概化實(shí)際的水文地質(zhì)條件。新思維方法、數(shù)學(xué)方法、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的應(yīng)用將越來越快地提升地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法的功能，有針對(duì)性地處理模型中具體的不確定因素，更合理地表征具體的地下水動(dòng)態(tài)變化特征。通過地下水系統(tǒng)不同模擬方法的耦合和多學(xué)科的深入交流合作，地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬方法將會(huì)有更廣闊的前景。

馮翠娥摘編自《水利水電科技進(jìn)展》第26卷第1期，2006年2月

第二篇：地下水?dāng)?shù)值模擬研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢

地下水?dāng)?shù)值模擬研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢

摘要：地下水?dāng)?shù)值模擬的應(yīng)用研究進(jìn)展國外對(duì)地下水?dāng)?shù)值模擬的研究和應(yīng)用較早，且理論、技術(shù)等各方面相對(duì)成熟，目前已經(jīng)從“水量問題”的應(yīng)用研究逐步過渡到“水質(zhì)問題”的應(yīng)用研究上，以解決各種更復(fù)雜的地下水問題。國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚、同國外存在一定的差距，主要應(yīng)用研究在地下水位預(yù)測、地下水資源開發(fā)利用、地下水循環(huán)機(jī)制研究、地下水資源預(yù)報(bào)評(píng)價(jià)等水量、水位問題方面，但在加油站滲漏場、石油滲漏場、垃圾填埋場、工業(yè)廢料填埋場、礦區(qū)、核廢料處置場等污染場地污染物的遷移問題方面的應(yīng)用研究逐漸增多，并已取得了一定的成果。

關(guān)鍵詞： 數(shù)值模擬、進(jìn)展、發(fā)展趨勢

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，科學(xué)有效的數(shù)值計(jì)算方法在處理地下水污染、分析地下水資源評(píng)估等問題中的應(yīng)用越來越廣泛;利用數(shù)值模擬軟件對(duì)地下水流等問題進(jìn)行模擬，以其有效性、靈活性和相對(duì)廉價(jià)性逐漸成為地下水研究領(lǐng)域的一種不可缺少的重要方法［1］。尤其針對(duì)加油站滲漏場、石油滲漏場、垃圾填埋場、工業(yè)廢料填埋場、礦區(qū)、核廢料處置場等污染場地污染物的遷移問題，建立準(zhǔn)確的數(shù)值模型進(jìn)行預(yù)測是查明污染物污染潛水范圍、程度及其分布特征最有效最直觀的方法之一，同時(shí)還可以為污染區(qū)實(shí)施污染防治與修復(fù)等優(yōu)化配置提供科學(xué)技術(shù)支持［2］。

地下水?dāng)?shù)值模擬的應(yīng)用研究進(jìn)展國外對(duì)地下水?dāng)?shù)值模擬的研究和應(yīng)用較早，且理論、技術(shù)等各方面相對(duì)成熟，目前已經(jīng)從“水量問題”的應(yīng)用研究逐步過渡到“水質(zhì)問題”的應(yīng)用研究上，以解決各種更復(fù)雜的地下水問題。國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚、同國外存在一定的差距，主要應(yīng)用研究在地下水位預(yù)測、地下水資源開發(fā)利用、地下水循環(huán)機(jī)制研究、地下水資源預(yù)報(bào)評(píng)價(jià)等水量、水位問題方面，但在加油站滲漏場、石油滲漏場、垃圾填埋場、工業(yè)廢料填埋場、礦區(qū)、核廢料處置場等污染場地污染物的遷移問題方面的應(yīng)用研究逐漸增多，并已取得了一定的成果［4］。

近幾十年來，隨著地下水科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，地下水?dāng)?shù)值模擬也得到了快速發(fā)展，主要體現(xiàn)在：加拿大Borden基地、美國Cape Cod基地與Columbus基地開展的大型野外試驗(yàn)場研究，大大豐富了地下水溶質(zhì)運(yùn)移的理論和方法，取得不少新的認(rèn)識(shí)，并為發(fā)展和檢驗(yàn)溶質(zhì)運(yùn)移理論和相應(yīng)數(shù)學(xué)模型提供了大量數(shù)據(jù)（MacKay et al，1986； LeBlanc et al，1991； Bogga et al，1992；Zheng and Gorelick，2003）；隨機(jī)方法在非均質(zhì)介質(zhì)滲流和溶質(zhì)運(yùn)移的模擬中得到比較多的應(yīng)用，從而加深、甚至改變了人們對(duì)此類介質(zhì)中流體運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移的認(rèn)識(shí)（Dagan and Neuman，1997； Zhang D，2002）；通過多孔介質(zhì)中水流運(yùn)動(dòng)、溶質(zhì)運(yùn)移和化學(xué)反應(yīng)，甚至生物過程的耦合建立模型來集成地研究這些過程也取得很多進(jìn)展（van Genuchten and Sudicky，1999； Yeh and Tripathi，1989； Barry et al，2002）。此外，計(jì)算方法也取得不少進(jìn)展，但溶質(zhì)運(yùn)移模擬中數(shù)值彌散和振蕩問題的解決和地下水模擬逆問題的求解進(jìn)展比較緩慢（Sun and Yeh，2007）。

由于種種原因，國內(nèi)地下水?dāng)?shù)值模擬開展得比較晚，始于20世紀(jì)70年代初，當(dāng)時(shí)文化大革命還沒有結(jié)束，所以從事這項(xiàng)工作困難重重，而且人也不多，主要來自高等學(xué)校和研究部門，以后才逐步擴(kuò)展到產(chǎn)業(yè)部門。為了加快我國地下水?dāng)?shù)值模擬的發(fā)展，深切感到有必要

開展相互交流。于是利用一次在水文地質(zhì)工程地質(zhì)研究所開會(huì)的機(jī)會(huì)，在張宗祜所長的支持下，以肖樹鐵教授為首的幾個(gè)人（肖樹鐵、張蔚榛、薛禹群等）進(jìn)行了醞釀，考慮到當(dāng)時(shí)文化大革命結(jié)束不久，還是不成立什么組織為好，不定期在一起碰個(gè)頭，達(dá)到交流的目的就行了。參加人不要太多，也不叫誰負(fù)責(zé)。商定邀請參加的人有：肖樹鐵、謝春紅、孫訥正、陳明佑、楊天行、張蔚榛、薛禹群、張宏仁、崔光中、李文淵、陳雨蓀、許涓銘、劉金山等（少數(shù)被邀請人沒有來，未列入名單的來了），水文所當(dāng)時(shí)不好定人員名單，決定每次請張宗祜所長指定。每年輪流在一個(gè)成員所在地或由他選定的地方開交流會(huì)，交流國內(nèi)外最新研究內(nèi)容和進(jìn)展、以及個(gè)人最近研究的心得體會(huì)或成果。交流活動(dòng)按此原則進(jìn)行之后，效果很好，也得到各方面人士的支持、肯定，有人稱之為“神仙會(huì)”。進(jìn)入80年代中期后，各類學(xué)會(huì)逐 漸恢復(fù)活動(dòng)，這種最初的交流活動(dòng)形式也就完成了它的歷史使命，在清華大學(xué)數(shù)學(xué)系舉行最后一次學(xué)術(shù)交流后就停止了?，F(xiàn)在回想起來，成員有數(shù)學(xué)家、水文地質(zhì)學(xué)家、水動(dòng)力學(xué)家的這些活動(dòng)具有鮮明的學(xué)科交叉特點(diǎn)，數(shù)學(xué)家對(duì)我國早期地下水模擬的開展起了很好的幫扶、促進(jìn)作用，可以少走彎路，加快它的健康發(fā)展，對(duì)國內(nèi)出現(xiàn)的少數(shù)不正確的苗頭也通過交流取得共識(shí)。我國地下水模擬所以能夠很快趕上國際先進(jìn)水平，筆者認(rèn)為和這個(gè)“神仙會(huì)”在早期為它奠定良好且正確的基礎(chǔ)是密不可分的。

二、三十年過去了，當(dāng)年的參加者都已進(jìn)入古稀之年，個(gè)別已作古，不少記憶已經(jīng)模糊，這段歷史寫在這兒或許有益，也可供后人評(píng)述。目前我國地下水?dāng)?shù)值模擬的應(yīng)用已遍及與地下水有關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域，各類模型的研制能夠滿足國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，國際上出現(xiàn)的各類模型在中國基本上都有了，如各類常系數(shù)、變系數(shù)水流模型（薛禹等群，2007）、地下水污染模型（林學(xué)鈺等，1985；薛禹群等，1997）、海水入侵模型（Xue et al，1995）、高濃度（>100～200 g/L）咸/鹵水入侵模型（張永祥，1997；張勇等，1999）、地下水中某些組分運(yùn)移行為的模型（如海水入侵條件下，交換陽離子運(yùn)移行為模型）（Wu et al，1996）、大區(qū)域地面沉降模型（面積超過17 000 km2）（薛禹群等，2008）、地下水中熱量運(yùn)移和含水層貯能模型（Xue et al，1990）、地下水資源管理模型（吳劍鋒等，1999）和井渠合理布局模型（李恩羊，1982；張慧春，1989）、各類壩體滲漏模型（毛昶熙，1999）、渠道滲漏模型、地下水-地表水聯(lián)合評(píng)價(jià)調(diào)度模型等等。運(yùn)移和化學(xué)反應(yīng)耦合模型以及其他一些耦合模型也有人著手考慮了。上述模型中有些水平比較高，和國際高水平模型基本上處于同一水平。它們涉及的地質(zhì)條件多種多樣，有潛水，也有承壓水，有單個(gè)含水層，也有多個(gè)含水層存在越流的情況，以及種種復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和巖相變化等。它們有二維的，也有三維的和準(zhǔn)三維的。國外各類數(shù)值方法國內(nèi)均有應(yīng)用，少數(shù)數(shù)值方法還是將國外數(shù)學(xué)家的構(gòu)思加以完善后直接應(yīng)用于地下水模擬的（Ye et al，2004）、或由中國學(xué)者直接構(gòu)思完成的，因而遠(yuǎn)早于國外水文地質(zhì)學(xué)者（Xue，1985；薛禹群等，1980）。隨機(jī)水文地質(zhì)的研究雖然起步較晚，但從無到有，成果比較突出，基本能跟上國外同類研究的步伐。但一般只是跟蹤性研究，僅在個(gè)別領(lǐng)域接近國際前沿［3］。

如何考慮在下個(gè)十年應(yīng)該優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域是值得我們思考的，很多國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了很好的建議（中國地下水科學(xué)戰(zhàn)略研究小組，2009；中國科學(xué)院地學(xué)部地球科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究組，2008），筆者只是在這兒做些補(bǔ)充或拾遺補(bǔ)漏。要討論這個(gè)問題，首先要確定如何來遴選，原則是什么。遴選優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域時(shí)先要考慮我國地下水科學(xué)的戰(zhàn)略定位是什么。我想應(yīng)該是：在21世紀(jì)的整個(gè)地學(xué)發(fā)展中有所作為，為國家的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)支持；取得地下水研究重大突破為目標(biāo)，做出與中國作為世界大國身份相稱的貢獻(xiàn)；為保證國家社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展安全供水，提供一定的資源量，實(shí)現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)利用。同時(shí)，還要關(guān)注和參與當(dāng)前國際水文地質(zhì)學(xué)界關(guān)心的前沿科學(xué)問題。這是我們的定位，也是我們的展望。遴選時(shí)既要著眼于我國地下水科學(xué)需要解決的核心科學(xué)問題，又要考慮當(dāng)前國際前沿科學(xué)問題。當(dāng)前水文地質(zhì)學(xué)需要解決的核心科學(xué)問題主要有：（1）地下水環(huán)境的演化和發(fā)展趨勢；

（2）地下水循環(huán)和地下水資源的可持續(xù)利用；（3）人類活動(dòng)與地下水環(huán)境。1 期薛禹群：

中國地下水?dāng)?shù)值模擬的現(xiàn)狀與展望5水文地質(zhì)學(xué)需要解決的核心科學(xué)問題找到后，解決其中涉及的地下水模擬問題就是我們需要優(yōu)先研究的領(lǐng)域。其次，需要關(guān)注的就是當(dāng)前國際前沿科學(xué)問題。綜合上述情況，可以遴選出需要優(yōu)先研究的領(lǐng)域如下。

1）區(qū)域尺度不同地域單元地下水循環(huán)過程及其演化趨勢的數(shù)值模擬

查明區(qū)域尺度地下水循環(huán)過程及其演化趨勢，在此基礎(chǔ)上開展整個(gè)盆地大尺度水流和溶質(zhì)運(yùn)移過程的模擬，才有可能正確評(píng)估地下水的補(bǔ)給量，合理確定開采量，為整個(gè)盆地地下水資源的可持續(xù)利用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2）地下水污染的形成機(jī)理，各類污染物（包括微生物、無機(jī)、有機(jī)）在地下水中的運(yùn)移行為的模擬

地下水污染問題日益嚴(yán)重，查明各類污染物在地下水中運(yùn)移行為、有機(jī)污染物的生物降解過程、金屬污染物及放射性核素的生物修復(fù)過程，并在此基礎(chǔ)上賞試通過模擬來再現(xiàn)這些過程，以便找出更有效的修復(fù)技術(shù)。

3）水文地質(zhì)參數(shù)非平穩(wěn)場的時(shí)空變異性和尺度效應(yīng)

這是當(dāng)前國際前沿研究課題，我國還很薄弱，加速這方面的研究不僅是實(shí)際需要，也有助于我們追趕國際先進(jìn)水平。

4）含水層非均質(zhì)性對(duì)地下水流動(dòng)和污染物運(yùn)移的影響，隨機(jī)理論的研究和應(yīng)用這也是當(dāng)前國際前沿研究課題，我國也很薄弱，加速這方面的研究是必要的。

5）地下水開發(fā)利用所引起的各類環(huán)境問題（地面沉降、地裂縫、海水入侵等）的模擬和預(yù)測

我國幅員遼闊，地質(zhì)情況復(fù)雜，現(xiàn)有模型遠(yuǎn)不能滿足各地生產(chǎn)實(shí)際的需要，何況有些模型，如地裂縫模型、反映生態(tài)平衡破壞的模型在我國還屬空白。指望依靠國外商用軟件來解決所有這些問題是要失望的。因此，從各地實(shí)際情況出發(fā)，研究符合中國國情的各類模型是當(dāng)務(wù)之急，以便為預(yù)測和調(diào)控提供技術(shù)支撐。

6）地下水可持續(xù)利用、科學(xué)管理與決策模型

過量開采和不合理開采地下水已給我國地下水造成一系列復(fù)雜的環(huán)境問題和生態(tài)平衡破壞，為保證地下水的長期、穩(wěn)定的可持續(xù)供給以滿足日益增長的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求已成為非常緊迫的問題，為此盆地尺度地下水資源的可持續(xù)性科學(xué)管理和決策模型的研究將成為重要的研究方向。

7）隨著石油制品的滲漏，引起人們關(guān)注的非飽和帶多相流問題和介質(zhì)非均質(zhì)性非飽和帶中的水流和溶質(zhì)運(yùn)移過程直接影響與它相通的飽和帶中的水流和溶質(zhì)運(yùn)移過程；人類活動(dòng)則通過非飽和帶間接影響地下水系統(tǒng)；反過來，地下水對(duì)地表水和生態(tài)系統(tǒng)的影響又要通過非飽和帶傳遞，因而，非飽和帶成為研究地下水必須關(guān)注的領(lǐng)域。

8）地下水模擬中逆問題的研究

由于含水層地質(zhì)結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜、尺度多種多樣，因而給解地下水模擬的逆問題帶來很多困難，甚至成為建立和應(yīng)用數(shù)學(xué)模型的瓶頸，需要對(duì)模型結(jié)構(gòu)的確定、尺度選擇、參數(shù)識(shí)別、可靠性分析等問題加強(qiáng)研究，盡快取得突破。

為了中國地下水模擬領(lǐng)域的發(fā)展，迎頭趕上國際前進(jìn)的步伐，有必要積極組織開展以上各方面的研究。很好完成這些項(xiàng)目以后，相信我國的地下水模擬事業(yè)必然會(huì)更上一層樓，到達(dá)一個(gè)新的水平，有可能普遍接近，而在一些領(lǐng)域則達(dá)到國際先進(jìn)水平，做出與中國國際地位相應(yīng)的貢獻(xiàn)［3］。

參考文獻(xiàn)

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第三篇：竹炭研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（模版）

竹炭研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

俞 佳 燕

（浙江臨安 311300）

摘要：本文主要講述了竹炭的起源，竹炭在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，竹炭炭化工藝和物理化學(xué)性質(zhì)，竹炭的用途，同時(shí)結(jié)合竹炭產(chǎn)品開發(fā)的多樣性所涉及到食品行業(yè)，提出要人們慎食竹炭食品，根據(jù)竹炭的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了竹炭的發(fā)展趨勢和幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞：竹炭、炭化工藝、竹炭用途、發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢

竹炭（BC）是竹材高溫?zé)峤獾墓腆w產(chǎn)物，空隙發(fā)達(dá)，比表面積大，具有很強(qiáng)的吸附能力，以及良好的導(dǎo)電性能。作為機(jī)能性的環(huán)境保護(hù)材料，竹炭由于其獨(dú)特的性質(zhì)和產(chǎn)品的高附加值，越來越受到人們的重視，成為竹材研究領(lǐng)域的一個(gè)新熱點(diǎn)［1-2］。在大氣污染和水污染的治理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。它的出現(xiàn)不僅為竹材產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了一個(gè)新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)也為環(huán)境保護(hù)提供了一種新型材料[3]，同時(shí)人們也逐漸意識(shí)到了竹炭在環(huán)境、保健、醫(yī)藥、高技術(shù)等領(lǐng)域有著潛在和廣泛的應(yīng)用前景[4]。1.竹炭起源

在中國，炭有著悠久的歷史。而使用炭，那更是與生俱來的。大概從雷電點(diǎn)燃原始森林使自然形成的木炭橫空出世那一刻起，我們的先民們便開始想用炭帶給人們的種種環(huán)保和健康的生活。

在兩千多年前，中國在炭材料的使用上創(chuàng)造了世界奇跡。馬王堆木炭的應(yīng)用就是中國古代使用木炭杰作之一。中國的先民們就已經(jīng)知道炭的防腐作用。在1972年3月，湖南長沙東郊，中國考古學(xué)家發(fā)掘了馬王堆一號(hào)漢古墓時(shí)，墓葬兩千多年的軟侯夫人的肌膚狀態(tài)仍如同剛剛死去。考古學(xué)家究其原因，是因?yàn)槟乖岙?dāng)時(shí)人們在棺木中安放了萬斤木炭。正是用于這些木炭，軟侯夫人的尸體外形完整，全身柔軟光滑，皮膚呈淡黃色狀，肌肉和皮膚有彈性，各關(guān)節(jié)可自由彎曲。

無獨(dú)有偶，在日本的古墓中也發(fā)現(xiàn)了使用炭保存遺體的辦法，那些遺骨和木乃伊的狀態(tài)十分理想。雖然津輕承公的完整的木乃伊狀態(tài)只有死后一千年的歷史，但也證實(shí)了酷愛研究科技的日本人在墓中放置了大量木炭的成效。2.竹炭發(fā)展研究現(xiàn)狀

竹炭這種新型環(huán)保產(chǎn)品幾年前首先在東南亞地區(qū)興起，逐步風(fēng)靡日本、韓國、臺(tái)灣、新加坡。竹炭產(chǎn)品在國內(nèi)是在2003年“非典”以后逐步進(jìn)入市場的。

目前，國際市場對(duì)環(huán)保產(chǎn)品需求量較大。中國是竹的故鄉(xiāng)。以竹炭為原料制作的產(chǎn)品有100多種。由于竹炭產(chǎn)品的價(jià)格較高，其銷售處于“墻內(nèi)開花墻外紅”階段，但隨著人們環(huán)保意識(shí)的普遍提高，竹炭這一新型環(huán)保產(chǎn)品進(jìn)入尋常百姓家是指日可待。

我們對(duì)竹炭的功效還有些陌生，但在日本、韓國等地城市居民將竹炭用于日常生活已經(jīng)有十來年的歷史了。目前世界上竹炭的消費(fèi)主要在日本、韓國、新加坡、臺(tái)灣等國家和地區(qū)，這些市場對(duì)竹炭的需求基本穩(wěn)定。在那里，人們已經(jīng)很習(xí)慣將竹炭列為生活日用品之一，他們特別認(rèn)可竹炭的環(huán)保和保健功能，所以，竹炭店到處都是，頗受大家的歡迎。

我國竹炭的生產(chǎn)主要集中在浙江、福建和江西等地，目前的生產(chǎn)廠家有幾十家，但大都是近2-3年發(fā)展起來的，一般是采用采購原炭，自己生產(chǎn)各種制品。只有20-30%的廠家是10多年前生產(chǎn)木炭的企業(yè)改變產(chǎn)品而來，他們大都具有自己的炭窯，其中一小部分廠家具有竹炭纖維的技術(shù)。2.1竹炭在日韓國家

竹炭制品的研究在國外主要是日本和韓國，主要研究關(guān)于竹材炭化過程、竹炭、竹醋液和竹活性炭的制造和利用。

日本竹炭和竹醋協(xié)會(huì)名譽(yù)會(huì)長、京都大學(xué)木質(zhì)科學(xué)研究所科學(xué)家野村隆哉是這方面的專家。他認(rèn)為，由于工業(yè)文明對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的破壞等全球性環(huán)境問題日益突出，天然素材在炭化后所產(chǎn)生的碳結(jié)構(gòu)的物理和化學(xué)功能正在受到高度重視。如竹炭的固體表面的物理性質(zhì)、竹炭的固有振動(dòng)產(chǎn)生的微弱電磁波與人體的共鳴現(xiàn)象、竹炭的半導(dǎo)體功能和屏蔽電磁波功能及負(fù)離子效應(yīng)等，竹醋對(duì)過敏性皮炎和糖尿病等疾病的療效、促進(jìn)毛發(fā)生長作用、對(duì)植物的生理活性功能等。野村隆哉主張對(duì)這些物理和化學(xué)機(jī)理進(jìn)行研究，并且積極地為它們開拓用途。

日本中村和善提出可用低溫干餾炭作脫臭、調(diào)濕的功能材料以及用竹炭粉作電磁波屏蔽的材料。浦銀治認(rèn)為竹炭對(duì)CO:的吸附性能高，不腐爛、保水、透水、保肥性好，可作土壤改良劑使用。佐久間對(duì)竹炭的熱水冷卻試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加了竹炭的熱水不容易變涼，認(rèn)為如果把竹炭加在洗澡水中，即使是自來水，也可獲得類似溫泉那樣的滿足感。

千葉大學(xué)的研究成果表明，竹醋的主要成分是醋酸，從中可分離出10種酚衍生物，對(duì)于如白粉病等某些植物病害也有抵抗作用。由日本農(nóng)山漁村文化協(xié)會(huì)出版的《竹炭和竹醋液的制造方法與用途》一書全面地論述了日本目前關(guān)于竹炭和竹醋的研究和應(yīng)用情況。作者池島庸元說，竹炭和竹醋今后在環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等方面可望發(fā)揮新的作用[6]。

在韓國國內(nèi)，有人在做飯時(shí)，將竹炭包在紗布內(nèi)放入飯中，煮出的飯味兒更[5]香；泡澡的水里放上一點(diǎn)竹炭，全身倍感融融暖意。韓國許多工廠生產(chǎn)的健康枕頭，用的就是竹炭。多孔性竹炭不僅可以蓄留植物根部所需水分，還可以改善土壤的透氣性和排水性，為植物的微生物提供良好的生存空間。因此在園林綠化中，盆栽土里摻進(jìn)豆粒大小的竹炭，能為植物提供健康的生長環(huán)境。對(duì)庭院樹木，則增強(qiáng)了抗病蟲害的能力。一些裝飾性竹炭，猶如吸水石，放于相宜的盆里，本色、自然，且有著雷劈刀削的天然痕跡.竹炭則營造出更為特殊的情趣，春秋筆法赫然在焉。這樣的裝飾可去臭去濕，放在電視機(jī)或其它家電用品周圍，還可起到防電磁波作用。2.2竹炭在其他國家

竹炭作為一種全新的健康環(huán)保時(shí)尚產(chǎn)品，不僅在新加坡的軍工、醫(yī)藥等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，更多的是在生活消費(fèi)領(lǐng)域的應(yīng)用，它以其獨(dú)特的健康保健作用被大多數(shù)消費(fèi)者所接受，成為一種健康消費(fèi)時(shí)尚。目前在新加坡市場上有 12 大系列 100 多個(gè)品種。如床上用品系列、汽車坐墊系列、鞋墊系列、美膚品系列、廚用品系列、工藝品系列、炭布系列、竹醋液等。

哥倫比亞對(duì)于竹炭速干布料的研制，已成功生產(chǎn)出竹碳內(nèi)衣。它的保暖，是因?yàn)槭褂玫牟牧鲜羌{米級(jí)的遠(yuǎn)紅外線纖維，能吸收外界與人體的體溫，達(dá)到蓄熱保溫的功能，工研院檢測發(fā)現(xiàn)，竹炭紗的調(diào)節(jié)溫度效果為一般棉制品的一倍。竹炭內(nèi)衣中竹炭紗還能有促進(jìn)血液循環(huán)，塑身保健減肥，紡織研究所研究發(fā)現(xiàn)，竹炭服飾可以提高人體淺層微血管內(nèi)的血液流量約30%，有效降低疾病的風(fēng)險(xiǎn)。而血液循環(huán)好，又有助于皮下多于脂肪的代謝，避免脂肪囤積或血管阻塞[7]。2.3竹炭在中國

關(guān)于竹炭和竹醋液的研究是近幾年剛剛興起的新的研究領(lǐng)域，由于竹子的分布特性所決定，使對(duì)竹炭的研究具有很強(qiáng)的區(qū)域性。國內(nèi)對(duì)竹炭的生產(chǎn)和研究主要集中在浙江、江西、福建一帶。

在竹炭的機(jī)能性機(jī)理的研究方面，張齊生院士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組對(duì)竹炭的構(gòu)造、機(jī)能以及對(duì)飲用水的凈化做了比較詳細(xì)的研究[8-9]。另外，許多科研單位的研究人員對(duì)竹炭的生產(chǎn)和應(yīng)用方面做了大量的研究。葉良明教授等主要針對(duì)竹炭的燒制進(jìn)行研究 [10-11]；還有其它學(xué)者對(duì)竹炭的含水率、揮發(fā)成分、竹醋液的成分等指標(biāo)進(jìn)行了檢測[12]。

此外，還可利用竹炭開發(fā)醫(yī)藥保健品。如將竹炭粉與助劑混合裝入衣服、織物、枕頭、帽子、墊子和寵物用具等物品制成保健品，它具有清凈空氣作用、按摩作用、除臭作用、紅外線作用、調(diào)溫調(diào)濕作用、抗菌和殺蟲的作用。在醫(yī)藥上利用竹醋液作防菌殺菌劑和治療皮膚病等醫(yī)藥原料，提取甲醇和醋酸等作化工原料，其他還有染料媒染劑、動(dòng)物除臭劑、農(nóng)藥添加劑、發(fā)根促進(jìn)劑、土壤改良劑、動(dòng)物營養(yǎng)劑等。2.3.1竹炭在浙江

中國的竹炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景寬闊。生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)主要集中在江浙沿海一帶，僅浙江省為例。在五、六年時(shí)間內(nèi)，浙江的竹炭生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，比較有名的企業(yè)主要集中在遂昌、衢江、安吉、寧波和慶元等地，年產(chǎn)量達(dá)3000t以上，產(chǎn)值達(dá)3000-4000萬元，竹炭品種開發(fā)也不斷深入，目前已開發(fā)出建筑、環(huán)保、保健、工藝、化妝等6大類100多個(gè)品種的竹炭產(chǎn)品，浙江省已成為竹炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要生產(chǎn)與貿(mào)易基地，并且成為山區(qū)林業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新亮點(diǎn)[13]。3.竹炭的炭化工藝 3.1備料

炭用材一般選用4年以上竹齡和竹材加工剩余物。因竹材從基部到梢部，其密度、腔壁結(jié)構(gòu)、組成物質(zhì)都有一定的差異，同時(shí)竹材的材性又受竹齡、立地條件、氣候環(huán)境的影響。竹材中含大量糖類等營養(yǎng)物質(zhì)，易發(fā)生霉蛀。因此，要選擇竹齡、大小、立地條件相近的竹材一起裝窯，注意竹材的保管、窯中竹材的松緊度等問題。3.2熱解

熱解工藝條件決定了竹炭的品質(zhì)，可結(jié)合窯體的實(shí)際情況，準(zhǔn)確控制窯溫，尤其是精煉溫度，它是竹炭品質(zhì)的重要指標(biāo)，不同的用途采用不同的燒制工藝曲線。

竹材的熱分解是在溫度稍高于100℃時(shí)開始的，在150℃以下，竹材受熱分解速度很慢，隨著溫度的升高，竹材受熱分解速度顯著加快；溫度上升到約270℃以上時(shí)，分解反應(yīng)劇烈進(jìn)行。溫度達(dá)500℃時(shí)，分解反應(yīng)基本結(jié)束。與木材一樣，竹材的熱分解過程，包括四個(gè)階段：

1.水分蒸發(fā)或干燥階段

加熱溫度為100--150℃之間，竹材分解的速度緩慢，主要是竹材組織中的吸著水受熱蒸發(fā)逸散，但竹材的化學(xué)組成，沒有明顯變化；但隨著加熱時(shí)間的延長，竹材中的戊聚糖含量是可能降低，竹材的物理力學(xué)性質(zhì)有所改變。

2.預(yù)炭化階段

加熱溫度為150--270℃，竹材受熱分解速度加快，其中的化學(xué)組成發(fā)生明顯的分解反應(yīng)，比較不穩(wěn)定的組份如半纖維素受熱分解生成CO2、CO、H2O和少量的乙酸等物質(zhì)。上述兩個(gè)熱分解階段，需要外界供給熱量，亦即竹材的吸熱分解階段。

3.炭化階段

加熱溫度升高至270-450℃，竹材熱分解反應(yīng)劇烈，伴隨產(chǎn)生大量的熱分解產(chǎn)物，生成的氣體中，CO2和CO的量逐漸減少，而碳?xì)浠衔锶缂淄?、乙烯、烯烴類及各種活性高能的氫自由基和羥基，則逐漸增多；生成的液體主要有乙酸、甲醇、丙酮和木焦油。

這一階段放出大量的反應(yīng)熱，稱為放熱反應(yīng)階段；而放熱反應(yīng)溫度隨加熱速度而異。

4.煅燒階段

溫度繼續(xù)升高到450℃以上時(shí)，生成的液體產(chǎn)物已經(jīng)很少，這個(gè)階段借助外部的熱量，除去殘留在木炭中的揮發(fā)物質(zhì)，及木炭的煅燒。

以上四個(gè)階段，沒有明顯的界限，甚至同一試件的外表和內(nèi)部，都可能同時(shí)處于不同的熱分解階段。3.3存放

經(jīng)冷卻出窯的竹炭，因竹炭的吸水性強(qiáng)，如果儲(chǔ)存環(huán)境潮濕，空氣混濁，竹炭大量吸水、吸味，這無疑會(huì)影響產(chǎn)品的功效。所以應(yīng)選擇空氣干燥清潔的倉庫，并根據(jù)出窯日期、精煉度的不同分類堆放。3.4加工

根據(jù)質(zhì)量要求依次分批進(jìn)行加工，在加工前應(yīng)先抽檢其精煉度，然后根據(jù)精煉度的不同分類加工成片炭、筒炭。規(guī)格尺寸應(yīng)嚴(yán)格按照客戶的要求加工，片炭、筒炭不應(yīng)有裂縫、缺角等，并把粉塵擦干凈。作為顆粒炭和粉炭除按客戶規(guī)定的規(guī)格加工外，應(yīng)特別注意雜質(zhì)（泥沙等）問題，否則將嚴(yán)重影響產(chǎn)品信譽(yù)[14]。4.竹炭的理化性質(zhì)

竹炭同竹材外觀上相比，纖維素束外鞘變得致密，纖維素細(xì)胞腔中一些揮發(fā)物質(zhì)減少。竹炭主要是由碳、氫、氧等元素組成，呈六角形，質(zhì)地堅(jiān)硬，細(xì)密多孔。炭化后的竹材仍然基本上保持密實(shí)狀態(tài)[15]，外表面仍然保留著竹材表皮粗糙不平的顆粒狀態(tài)，繼承了竹材的多孔狀和各向異性構(gòu)造特征，但是竹材基本組織細(xì)胞的細(xì)胞壁間隙消失，細(xì)胞壁變薄[16]。竹炭組織中的礦物是木炭的5倍[17]，1cm3竹炭的表面積可達(dá)350m2，是木炭的2.5～3倍，若進(jìn)一步活化成竹活性炭，則其比表面積可達(dá)1000m2以上[18]。竹炭的吸附能力是木炭的10倍以上。木炭的PH值隨著炭化溫度的增加從酸到堿性變化，但是竹炭的PH值不管炭化溫度怎么變化都能保持堿性，并且竹炭的灰份和鉀含量好象和PH值有關(guān)。在吸濕解析的高溫區(qū)域，竹炭的調(diào)濕能力比木炭強(qiáng)。

竹炭片炭含水率5%～8%，顆粒炭含水率14%～18%；固定碳含量85%～88%；灰分含量（鉀、鈣）2%～4%；比表面積300～600m-1；揮發(fā)分6%～8%；干碳熱值30000～33000kJ/kg；PH值8～9；氣干密度0.800～1.320g/cm3[19]。5.竹炭用途

(1)燃料:由于竹炭系各種竹材炭化而成，安全性受到信賴，作為燒烤，野炊的燃料，清潔而有情趣，加上目前對(duì)其他薪炭材的砍伐限制，作為燃料的竹炭前景看好。

(2)竹活性炭:竹炭經(jīng)水蒸氣法活化處理后具有均勻的細(xì)孔狀結(jié)構(gòu)，比表面積從50om2/g增加到90om2/g，其竹活性炭的得率為68%，具有和椰子殼活性炭同等以上的比表面積和吸附率。

(3)住宅環(huán)境材料:大理石，花崗巖，磁磚類建材，表面容易結(jié)露，而三夾板類又容易霉?fàn)€蟲蛀。用竹炭裝填地面和墻壁，由于竹炭對(duì)空氣中水分的吸濕和解吸調(diào)節(jié)，加上竹炭的負(fù)離子作用，能保持住宅內(nèi)部環(huán)境舒適宜人，心神安定。也茶館以此來吸引顧客。

(4)水質(zhì)處理:不僅用來處理自來水，還用來處理污水，河道，漁場，是竹炭浴和摻有用自然物治理環(huán)境的極好例子[20]。

(5)健康和美容上的應(yīng)用:用竹炭制作枕頭，有利于睡眠竹炭的美容霜具有特殊的皮膚護(hù)理功效[21]。6.慎食竹炭食品

在一些超市、賣場中，一系列用竹炭加工出來的食品進(jìn)入了人們的視線，有竹炭花生、竹炭金納豆、竹炭面條、竹炭面包、竹炭酒等，由于商家標(biāo)榜該類食品具有吸附人體內(nèi)有害物質(zhì)，凈化血液中毒素的功效，引起了不少消費(fèi)者的興趣。

有關(guān)專家認(rèn)為，炭可以吸附微小顆粒，在中醫(yī)上從古至今有很多的應(yīng)用，但是竹炭在中醫(yī)領(lǐng)域卻鮮用于臨床。根據(jù)竹炭食品的宣傳，竹炭可以吸附人體內(nèi)有害物質(zhì)，凈化血液中的毒素，還有助于人體消化排泄，清潔腸道，具有排毒養(yǎng)顏之功效。其在理論上是成立的，但在實(shí)踐中將竹炭粉添加進(jìn)食品中就具備種種保健功效，并沒有相關(guān)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)作為依據(jù)。有關(guān)資料顯示：目前尚沒有任何關(guān)于食用竹炭粉對(duì)人體有益的報(bào)告（包括動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的報(bào)告），活性炭多用于空氣和水的凈化，其食用功能尚未明確。

竹子雖然是天然的植物，竹筍也是中國料理的重要佳肴，但竹材在高溫炭化過程中會(huì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生許多復(fù)雜化合物，其中焦油就是一種致癌物，必須再精制后才能將焦油除去，若將不當(dāng)加工后的竹炭或竹醋液直接拿來食用是非常危險(xiǎn)的行為。另外，竹炭在加熱分解時(shí)所產(chǎn)生的甲醇亦有毒性。食用竹炭后，細(xì)微顆粒很可能吸入肺里，吸附在肺葉上，而且它吸附性極強(qiáng)，吃下去后很難排出體外，容易形成“塵肺”。有鑒于此，專家認(rèn)為不要輕信所謂竹炭食品的神奇療效，選用食品，要看其本質(zhì)，不要被表象迷惑，對(duì)于食用竹炭食品應(yīng)采用謹(jǐn)慎的態(tài)度[22]。

7.竹炭的發(fā)展趨勢及建議

日本京都大學(xué)的野村隆哉進(jìn)行過竹炭燒制的前處理研究。他對(duì)炭材進(jìn)行煙熏前處理后發(fā)現(xiàn) ,經(jīng)過煙熏前處理的炭材燒制的竹炭質(zhì)量好；根據(jù)竹炭的不同功用，可以通過控制炭化溫度來實(shí)現(xiàn)目的；對(duì)炭化的工藝和設(shè)備的研究方面，主要集中于土窯、簡易爐和連續(xù)式干餾爐；研究竹炭的機(jī)能性及利用竹炭機(jī)能性開發(fā)新型材料，比如開發(fā)凈水和空氣凈化炭以及制作內(nèi)含竹炭粉的枕頭、帽子、墊子等生活用品和農(nóng)林業(yè)的應(yīng)用研究；目前，竹炭研究還存在不少薄弱方面，比如：竹炭屏蔽電磁波的能力；燒制溫度與竹炭的比表面積及電阻率之間的變化規(guī)律；竹炭產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外線的能力及其遠(yuǎn)紅外線的波長；竹炭凈化空氣和調(diào)節(jié)空氣濕度的機(jī)理和規(guī)律等。為了使竹炭及其制品能走進(jìn)千家萬戶，建議：

(1）引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，完善我國竹炭生產(chǎn)工藝

竹炭燒制和產(chǎn)品開發(fā)是一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，目前已具一定規(guī)模，實(shí)現(xiàn)了初步產(chǎn)業(yè)化，但是我國現(xiàn)行的竹炭生產(chǎn)工藝和技術(shù)存在較多的問題，如原料的確定，不同培育方式、不同竹齡的竹材對(duì)熱解工藝的影響，窯溫的控制，竹材熱解產(chǎn)品得率等。建議引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)，可大大增強(qiáng)市場的競爭力。

(2）重視深加工，開發(fā)新產(chǎn)品提高制品附加值

對(duì)竹炭進(jìn)行化學(xué)深加工，并開發(fā)竹炭、竹醋系列新產(chǎn)品。據(jù)報(bào)道，日本已生產(chǎn)出500目的竹炭纖維，并將這種竹纖維拉長與化纖、棉線等交織在一起，熱量可增加10%，并具有吸附性能，透氣性好等優(yōu)點(diǎn)。中國臺(tái)灣省也準(zhǔn)備投資200萬新臺(tái)幣，購置其生產(chǎn)設(shè)備與日本共同生產(chǎn)竹炭纖維。竹炭纖維的問世，使竹子的附加值更進(jìn)一步得到提升。

(3）加強(qiáng)生產(chǎn)的自動(dòng)化研究，開發(fā)竹炭生產(chǎn)配套設(shè)備

要提高產(chǎn)量,生產(chǎn)高質(zhì)量的竹炭，需要先進(jìn)的設(shè)備。日本在設(shè)備制造方面處于世界的領(lǐng)先地位，但是技術(shù)較復(fù)雜，成本高，所以制造商必須在現(xiàn)有的設(shè)備之上，進(jìn)行改良，使其更適合于我國竹炭企業(yè)，也適合于出口到一些經(jīng)濟(jì)不夠發(fā)達(dá)的竹子大國，如印度、非洲、南美等地。

(4）重視環(huán)保建設(shè)，充分利用竹炭加工剩余物

可以用竹材炭化過程中以鼓風(fēng)爐吸引生成的甲烷氣體，先除去氣體中的焦油及粉塵，再送至氣輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。另外，在竹材炭化及發(fā)電過程中，除了竹炭、竹醋液外，還可由熱交換器將炭化裝置出口的廢熱轉(zhuǎn)換成溫?zé)崴枰曰厥?，使竹材炭化過程中的材料、水蒸汽、熱等都不浪費(fèi)。

(5）加強(qiáng)理論研究，開拓竹炭應(yīng)用新領(lǐng)域

由于對(duì)竹炭機(jī)能性機(jī)理的研究目前才剛剛開始,現(xiàn)今開發(fā)的竹炭制品許多特點(diǎn)沒有充分的科學(xué)依據(jù)作支撐，加之對(duì)竹炭的宣傳力度不夠，竹炭、竹醋液及其制品在我國目前還沒有市場。因此，開展竹炭的理論和應(yīng)用研究不僅可以使人們從科學(xué)的角度來認(rèn)識(shí)和了解竹炭，還必將促進(jìn)市場的廣泛開發(fā)。

(6）規(guī)范市場機(jī)構(gòu)，完善竹炭相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系

目前我國尚未有有關(guān)竹炭的健全的國家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為了進(jìn)一步加強(qiáng)竹炭生產(chǎn)和管理，以利于竹炭的推廣應(yīng)用，穩(wěn)定竹炭質(zhì)量，作為指導(dǎo)生產(chǎn)和交貨依據(jù)，制定和完善竹炭的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)勢在必行。同時(shí)，國家應(yīng)該成立全國性的竹炭方面的專業(yè)技術(shù)機(jī)構(gòu)，規(guī)范竹炭市場，保護(hù)國內(nèi)廠商的利益。

(7）普及竹炭科學(xué)，增強(qiáng)竹炭產(chǎn)品推廣力度

我國竹炭年產(chǎn)量中只有1/3銷于內(nèi)地市場，大部分銷往日本、韓國、中國臺(tái)灣省等地，內(nèi)地很多消費(fèi)者不知道有這樣一種產(chǎn)品，相比而言，竹炭在日本、韓國、中國臺(tái)灣省等地就極流行，已經(jīng)成為居家的生活用品。應(yīng)該針對(duì)目前家具裝修與水污染等誘發(fā)的疾病問題，突出宣傳竹炭凈化水質(zhì)與空氣的功效，慢慢地讓竹炭走進(jìn)千家萬戶，使竹炭業(yè)盡快發(fā)展壯大起來[3]。8.小結(jié)

綜上所述，竹炭是一種性能良好、有著廣闊發(fā)展空間的多功能材料和環(huán)境保護(hù)材料，越來越受到人們的重視。我國竹類資源十分豐富，竹炭具有廣闊的市場前景。近年來，我國竹炭產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，已成為林區(qū)林業(yè)增效、林農(nóng)增收的新途徑。竹炭可用于農(nóng)業(yè)、環(huán)保、醫(yī)學(xué)、紡織、保健等領(lǐng)域，但我國的竹炭研究剛剛起步，竹炭改性還未產(chǎn)業(yè)化，市場前景廣闊，應(yīng)加大科研投資力度，將其廣泛推廣，造福人類[4]。

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第四篇：防水涂料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

防水涂料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

時(shí)間:2006-08-17

關(guān)鍵詞:防水 涂料 研究 現(xiàn)狀 發(fā)展 趨勢

建筑防水材料是建筑材料的一個(gè)重要組成部分 , 屬于功能性材料 , 建筑物和構(gòu)筑物之所以要采用防水材料其主要目的是為了防潮、防滲、防漏。我國在建筑工程防水材料方面的投入每年呈遞增趨勢。2003 年 , 在工程總造價(jià)中防水工程造價(jià)達(dá)到 15 % 以上 , 特別是地下室的防水造價(jià)比例已達(dá)工程總造價(jià)的 25 % ～ 30 % [ 1 ]。我國建筑防水涂料年使用量占防水材料總量的 10 % 左右 , 有的地區(qū)(例如廈門防水涂料使用量)占防水材料總量的 50 % 左右 [ 2 ]。雖然在防水工程方面的投入很大 , 但防水效果不理想 , 新建工程當(dāng)年滲漏率都在 10 % 左右 , 國家每年用于防水方面的維修費(fèi)將近20 億元。建筑防水效果的好壞 , 關(guān)鍵在于防水材料是否具有良好的性能。近年來 , 我國防水材料的研究取得了很大進(jìn)步 , 先后開發(fā)了油膏類、卷材類、溶劑型黏稠液、水基型乳液和粉劑型防水材料 , 并得到了廣泛的應(yīng)用。防水涂料的概念及分類

1.1 防水涂料的概念

建筑防水涂料。(簡稱防水涂料)是一種建筑防水材料。將涂料單獨(dú)或與胎體增強(qiáng)材料復(fù)合 , 分層涂刷或噴涂在需要進(jìn)行防水處理的基層表面 , 即可在常溫條件下形成一個(gè)連續(xù)無縫整體且具有一定厚度的涂膜防水層 , 從而能滿足工業(yè)與民用建筑的屋面、地下室、衛(wèi)生間和外墻等部位防水抗?jié)B要求。防水涂料一般是由瀝青、合成高分子聚合物、合成高分子聚合物與瀝青、合成高分子與水泥或以無機(jī)復(fù)合材料等為主要成膜物質(zhì) , 摻入適量的顏料、助劑、溶劑等加工制成的溶劑型、水乳型或反應(yīng)型的 , 在常溫下無固定形狀的黏稠狀液態(tài)或可液化的固體粉末狀態(tài)的含高分子合成材料的復(fù)合材料。

1.2 防水涂料的分類

1.2.1 按照涂料的基料和分散介質(zhì)分類

防水涂料按其成膜物可分為瀝青類、高聚物改性瀝青(亦稱橡膠瀝青類)、合成高分子類(又可再分為合成樹脂類、合成橡膠類)、無機(jī)類、聚合物水泥類等 5 大類。按其狀態(tài)與形式 , 大致可分為溶劑型、反應(yīng)型、乳液型 3 大類。

(1)溶劑型防水涂料

溶劑型防水涂料其作為主要成膜物質(zhì)的高分子材料是以溶解于(以分子狀態(tài)存在于)有機(jī)溶劑中所形成的溶液為基料 , 加入顏填料、助劑制備而成的。它是依靠溶劑的揮發(fā)或涂料組分間化學(xué)反應(yīng)成膜的 , 因此施工基本上不受氣溫影響 , 可在較低溫度下施工。涂膜結(jié)構(gòu)緊密、強(qiáng)度高、彈性好;防水性能優(yōu)于水乳型防水涂料。但在施工和使用中 , 有大量的易燃、易爆、有毒的有機(jī)溶劑逸出 , 對(duì)人體和環(huán)境有較大的危害 , 因此近年來應(yīng)用逐步受到限制。溶劑型防

水涂料的主要品種有溶劑型氯丁橡膠瀝青防水涂料、溶劑型氯丁橡膠防水涂料、溶劑型氯磺化聚乙烯防水涂料等。

(2)反應(yīng)型防水涂料

反應(yīng)型防水涂料其作為主要成膜物質(zhì)的高分子材料是以預(yù)聚物液態(tài)形式存在。反應(yīng)型防水涂料是通過液態(tài)的高分子預(yù)聚物與相應(yīng)的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)成膜的一類涂料。反應(yīng)型防水涂料通常也屬于溶劑型防水涂料范疇 , 但由于成膜過程具有特殊性 , 因此單獨(dú)列為一類。反應(yīng)型防水涂料通常為雙組分包裝 , 其中一個(gè)組分為主要成膜物質(zhì) , 另一組分一般為交聯(lián)劑。施工時(shí)將兩種組分混合后即可涂刷。在成膜過程中 , 成膜物質(zhì)與固化劑發(fā)生反應(yīng)而交聯(lián)成膜。反應(yīng)型防水涂料幾乎不含溶劑 , 其涂膜的耐水性、彈性和耐老化性通常都較好 , 防水性能也是目前所有防水涂料中最好的。反應(yīng)型防水涂料的主要品種有聚氨酯防水涂料與環(huán)氧樹脂防水涂料兩大類。其中環(huán)氧樹脂防水涂料的防水性能良好 , 但涂膜較脆 , 用羧基丁腈橡膠改性后韌性增加 , 但價(jià)格較貴且耐老化性能不如聚氨酯防水涂料。反應(yīng)型聚氨酯防水涂料的綜合性能良好 , 是目前我國防水涂料中最佳的品種之一。

(3)乳液型防水涂料

乳液型防水涂料為單組分水乳型防水涂料。涂料涂刷在建筑物上以后 , 隨著水分的揮發(fā)而成膜。乳液型防水涂料其主要成膜物質(zhì)高分子材料是以極微小的顆粒穩(wěn)定懸浮在水中而成為乳液狀涂料的。該類涂料施工工藝簡單方便 , 成膜過程靠水分揮發(fā)和乳液顆粒融合完成 , 無有機(jī)溶劑逸出 , 不污染環(huán)境 , 不燃燒 , 施工安全 , 其價(jià)格也較便宜 , 防水性能基本上能滿足建筑工程的需要 , 是防水涂料發(fā)展的方向。乳液型防水涂料的品種繁多 , 主要有 : ①水乳型陽離子氯丁橡膠瀝青防水涂料;②水乳型再生橡膠瀝青防水涂料;③聚丙烯酸酯乳液防水涂

料;④ EVA(乙烯乙烯共聚物乳液相混合 , 剩余部分為水。該防水涂料具有很好的阻燃性、隔熱性以及耐化學(xué)腐蝕性。Kyminas 等 [ 8 ] 制造出了堅(jiān)固耐用的屋面防水涂料 , 主要用于長期受風(fēng)雨侵蝕屋面的防水?；蠟楹惺蜑r青、改性瀝青和泡沫塑料、丙烯酸聚合物的水乳型分散體 , 顏填料為二氧化鈦、碳酸鈣、二氧化硅、云母、高嶺土 , 顏料的平均粒徑小于 200 μ m , 顏料在分散體系中的體積濃度 > 20 %。該防水涂料的涂膜與基層的附

著力強(qiáng)、阻燃性好、能夠反射大量的太陽光和熱 , 因此延緩了頂板的熱老化 , 并降低了室內(nèi)溫度。

Roberts 等 [ 9 ] 研制的墻面防水涂料是通過對(duì)含有 4 ～ 6 個(gè)碳原子的脂肪族烯烴或脂肪族二烯烴進(jìn)行聚合而得的烴類樹脂與彈性共聚物(由苯乙烯、異戊二烯、丁二烯共聚)為基料 , 溶劑為混合溶劑(含有約 80 % ～ 95 % 的脂肪烴 ,5 % ～ 20 % 的芳香烴 , 其中脂肪烴中含有至少 1 % 的正庚烷)。該防水涂料的配方為 : 苯乙烯、異戊二烯共聚橡

膠 22 份 , 烴類樹脂 25 份 , 綠色顏料 1 份 , 乳酸 20 份 , 庚

烷 30 份 , Shellflex2 份。該防水涂料具有良好的耐候性、耐化學(xué)腐蝕性、抗拉強(qiáng)度高、延伸率高等優(yōu)點(diǎn) , 主要用于地下室的防水。施工時(shí) , 主要采用高壓無空氣噴涂。近年來 , 美國亨瑞公司在過去開發(fā)和應(yīng)用乳液瀝青防水涂料的基礎(chǔ)上 , 又成功開發(fā)了一種以改性的優(yōu)質(zhì)氧化瀝青為主要原料 , 摻入適量的化學(xué)助劑、填充劑、石油溶劑和乳化劑等 , 經(jīng)過特殊的加工工藝 , 制成了一種高固含量(73 % 以上), 能在潮濕基層或雨中進(jìn)行施工 , 并容易涂抹的厚質(zhì)防水涂料。由于這種涂料既有疏水功能 , 又有一定的親水性 , 即具有 “ 兩性功能 , 故可在下雨時(shí) , 對(duì)屋面進(jìn)行防水堵漏的施工作業(yè) , 能發(fā)揮救急的作用 , 很受用戶歡迎 [ 10 ]。美國創(chuàng)高公司生產(chǎn)的一種不含揮發(fā)性有機(jī)溶劑的單組分聚氨酯防水涂料—— 創(chuàng)高 60 , 該涂料可根據(jù)設(shè)計(jì)要求 , 采用能夠控制涂膜厚度的鋸齒形特制刮板直接涂刷在基層表面 , 經(jīng)吸收空氣中的水分固化形成足夠厚度的涂膜防水層 [ 10 ]。來自美國的最新專利產(chǎn)品阻熱防水涂料 , 當(dāng)它在金屬物體上使用時(shí) , 極具柔性和封閉性 , 能堵漏、隔熱、防銹;用于瀝青屋面作防水涂料時(shí) , 可反射 90 % 的太陽能 , 能夠防止瀝青降解 , 延長防水壽命;用于剛性防水屋面時(shí) , 因其具有極佳的粘附性和延伸性 [ 1 ] , 能夠封閉因混凝土膨脹造成的細(xì)裂紋和縫隙 , 從而防止水分滲透。美國和法國的鋁粉乳液屋面反射涂料和白色聚丙烯酸酯屋面反射涂料的用量也很多 , 它本身既具有防水功能 , 又能對(duì)原有防水層起到保護(hù)作用 , 并能反射紫外線和太陽光 , 不但可以降低頂層房屋的室內(nèi)溫度 , 節(jié)省空調(diào)費(fèi)用 , 而且可以延長防水層的使用年限 , 目前已成為房屋建筑業(yè)主樂意選用的功能型防水涂料之一 [ 10 ]。

3.2 我國研究現(xiàn)狀

我國防水涂料的開發(fā)和應(yīng)用始于 20 世紀(jì) 60 年代 , 當(dāng)時(shí)多以石油瀝青或各種廢舊材

料(如廢膠粉等)和化工廠的下腳料(如苯乙烯焦油等)為主要原料 , 加工制成乳化瀝青防水涂料或廢膠粉改性瀝青防水涂料和苯乙烯焦油防水涂料等。由于這些防水涂料的質(zhì)量不夠穩(wěn)定 , 施工方法不規(guī)范、涂膜厚薄不均勻、防水層使用年限較短等原因 , 故未能在新建的防水工程中大面積推廣應(yīng)用 [ 10 ]。20 世紀(jì) 70 年代 , 北京建筑工程研究院開始研制聚氨酯防水涂料 , 該類涂料發(fā)展非常迅速 , 每年以 18 % 的速度增長 ,1994 年產(chǎn)量為 1 萬 t , 其中主要是煤焦油作活性填料的聚氨酯防水涂料 [ 4 ]。據(jù)調(diào)查 ,1999 年聚氨酯防水涂料銷量

中 , 焦油型約占 66 % , 非焦油型占 34 %。焦油型防水涂料在防水涂料中占有舉足輕重的地位 [ 11 ]。但煤焦油是一種復(fù)雜的混合物 , 它含有蒽、菲、咔唑、吡啶等數(shù)百種組分 , 眾多的揮發(fā)組分嚴(yán)重污染環(huán)境和危害人體健康。因此 ,近年來北京和上海等城市已相繼發(fā)文禁止使用焦油聚氨酯防水涂料。在此背景下 ,1998 年建設(shè)部將非焦油型聚氨酯防水涂料列為全國住宅推薦產(chǎn)品 13 種防水涂料之一 , 從而極大地推動(dòng)了聚氨酯防水涂料在我國的推廣應(yīng)用和健康發(fā)展 [ 12 ]。

上海匯麗化學(xué)建材廠、天津大學(xué)化工實(shí)驗(yàn)廠、蘇州非金屬礦業(yè)研究院防水材料研究所等單位生產(chǎn)雙組分聚醚型聚氨酯防水涂料 [ 13 ]。山西省建筑科學(xué)研究院成功研制出環(huán)保型水性瀝青

聚氨酯防水涂料 [ 14 ]。北京三原建筑粘合材料廠成功研制出無溶劑聚氨酯防水涂料 , 該產(chǎn)品固含量高 , 摒棄了煤焦油成分 , 是焦油型聚氨酯防水涂料的理想替代產(chǎn)品之一 [ 15 ]。上海復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系研制的丙烯酸酯防水涂料于 1991 年應(yīng)用于深圳火車新客站篷面的防水工程 ,1992 年應(yīng)用于復(fù)旦大學(xué)微分析中心樓的屋面上 ,1994 年以后陸續(xù)應(yīng)用于復(fù)旦大學(xué)材料二樓、李達(dá)三樓、新化學(xué)樓、上海長興島特技城錐形體屋面、北京中國長城電腦大廈、上海華富大廈、上海篩網(wǎng)廠新辦公樓、上海浦東西門子公司等建筑的屋面防水工程上 [ 16 ]。武漢現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)研究院成功研制開發(fā)了一種新型水泥基防水涂料—— WGB 長效復(fù)合彩色防水涂

料 , 并通過了武漢市科委組織的專家會(huì)議鑒定。WGB 長效復(fù)合彩色防水涂料是由一種硅丙樹脂與 VAE 乳液經(jīng)特殊工藝復(fù)合而成的新型防水涂料。兼有 VAE 防水涂料的高耐滲性和丙烯酸乳液的耐候性、耐久性和有機(jī)硅防水劑的強(qiáng)基體滲透性等各種防水材料的優(yōu)點(diǎn)。具有高彈性、高抗拉強(qiáng)度 , 與基層結(jié)合牢固 , 并能克服基層開裂、變形所產(chǎn)生的滲漏問題?？蛇_(dá)到長期防水效果。試驗(yàn)表明 , 有效防水期可長達(dá) 30 年。同時(shí)該涂料為水性涂料 , 無毒、無污染 , 可調(diào)制成各種顏色 , 能起到美化環(huán)境的作用 , 是一種綠色環(huán)保產(chǎn)品。該涂料還具有應(yīng)用面廣、施工方便、綜合成本低的優(yōu)勢 , 適用于屋面、衛(wèi)生間、地下室、內(nèi)外墻、水池、橋涵、水下、地下建筑物的防水;可刷涂、滾涂、刮涂 , 也可摻加到水泥中制成防水水泥砂漿;綜合成本相當(dāng)于瀝青基防水材料。不僅有效地解決了建筑物防水問題 , 還解決了現(xiàn)有的一些高分子防水材料成本過高、施工難度大、推廣應(yīng)用困難等問題 [ 17 ]。2003 年 2 月成都健生化工有限公司研制生產(chǎn)出高性能新型綠色環(huán)保丙烯酸酯防水涂料 , 據(jù)悉 , 該產(chǎn)品已獲得國家建設(shè)部和四川省建設(shè)廳的批準(zhǔn) , 目前已經(jīng)正式批量生產(chǎn) , 全面投放市場。該產(chǎn)品無毒、無味 , 具有優(yōu)異的耐老化性、粘附性、耐冷熱、耐堿性、耐低溫性等特點(diǎn) , 各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) , 它能夠廣泛應(yīng)用于新舊建筑地下室、屋面及墻體、廚衛(wèi)間、倉庫、游泳池等場所的防水和防潮 [ 18 ]。

硅橡膠防水涂料是治金部建筑研究總院在國內(nèi)首次研制成功的新型防水涂料。硅橡膠防水涂料可摻入無機(jī)填料及各種特殊助劑 , 是乳液型防水涂料。涂料吸收了涂膜防水和滲透性防水材料兩者的特點(diǎn) , 具有良好的防水、防滲透、高彈性、耐濕熱性、耐候性等綜合性能。因此建設(shè)部將其列為 “ 八五 ” 科技成果向全國建筑業(yè)推廣 [ 19 ]。從 20 世紀(jì) 70 年代末開始 , 隨著我國科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和化學(xué)建材工業(yè)的發(fā)展 , 防水涂料也獲得了迅速發(fā)展 , 到目前為止 , 關(guān)于防水涂料的發(fā)明專利有 120 項(xiàng)之多 , 主要是雙組分 [ 20-21 ] 和單組分 [ 22-23 ] 的聚氨酯防水涂料、(改性)聚丙烯酸酯防水涂料 [ 24-25 ]、廢舊材料改性防水涂

料 [ 26-27 ]、氯丁膠防水涂料 [ 28-29 ]、聚合物水泥防水涂料 [ 30-32 ]、高聚物改性瀝青防水涂料 [ 33-34 ] 以及無機(jī)防水涂料 [ 35-36 ] 等 , 形成了化學(xué)反應(yīng)固化型和溶劑(包含水)揮發(fā)干燥型等性能不同、形態(tài)不一的多類型、多品種的格局。到目前為止 , 有一定生產(chǎn)規(guī)模的防水涂料生產(chǎn)廠共有 200 家左右 , 每年生產(chǎn)總量已超 過 15 萬 t。主要應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑的衛(wèi)生間防 水 , 部分用于屋面、地下室和外墻等工程防水 , 均取得 了較理想的防水效果。為此 , 在國家化學(xué)建材推廣應(yīng) 用 “ 九五 ” 計(jì)劃和 2010 年發(fā)展規(guī)劃綱要中已明確列為 “ 適當(dāng)發(fā)展防水涂料 ” 的目標(biāo)要求。發(fā)展趨勢

4.1 產(chǎn)品功能多樣化

目前使用的絕大多數(shù)防水涂料的功能比較單一 , 即防水抗?jié)B。而且施工必須在無明水的基材表面和非下雨天進(jìn)行。未來的防水涂料將集防水、裝飾、保溫、隔熱等多種功能于一體 , 且能在潮濕的基材上進(jìn)行施工。

4.2 產(chǎn)品對(duì)環(huán)境友好

當(dāng)前的防水涂料大多為溶劑型。防水涂料中含有大量的有機(jī)揮發(fā)物 , 在配漆和施工過程中 , 大量 VOC 排向大氣 , 造成污染。同時(shí)施工人員在施工過程中不可避免地會(huì)吸入部

分 VOC。VOC 對(duì)人體的健康危害很大。它們不但對(duì)皮膚具有侵蝕作用 , 而且對(duì)人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)、造血器官、呼吸系統(tǒng)有刺激和破壞作用 , 可引起頭疼、惡心、胸悶、乏力、嘔吐等癥狀 , 嚴(yán)重時(shí)會(huì)抽搐、昏迷甚至死亡。因此 , 世界上主要的涂料生產(chǎn)國紛紛出臺(tái)了限制 VOC 排放的法規(guī)。生產(chǎn)低 VOC 對(duì)環(huán)境友好的防水涂料已是大勢所趨。通常實(shí)現(xiàn)低 VOC 的途徑有 3 種 : ① 用水代替揮發(fā)性有機(jī)溶劑;② 提高固含量;③ 發(fā)展粉末涂料。

4.3 產(chǎn)品性能更加優(yōu)異

由于技術(shù)、施工等方面的原因 , 目前的防水涂料產(chǎn)品性能相對(duì)較差 : 拉伸強(qiáng)度較低 , 延伸率較小 , 耐候性較差 , 使用壽命較短。未來的防水涂料將向著各項(xiàng)性能較高、對(duì)基層伸縮或開裂變形適應(yīng)性較強(qiáng)的方向發(fā)展。

4.4 發(fā)展納米復(fù)合防水涂料

像防水涂料這樣的外用涂料 , 對(duì)涂料的耐老化、耐洗刷、抗紫外線等性能要求很高。在涂料中加入納米材料 , 可以提高涂料的耐老化、防滲漏、耐洗刷等性能 , 從而提高涂料的檔次 , 延長涂膜的使用壽命。經(jīng)納米材料改性后的防水涂料產(chǎn)品外觀顯得更加飽滿、勻和 , 涂膜光潔細(xì)膩 , 觸感優(yōu)良 , 防水性好 , 與基層的粘接力大大提高 , 尤其明顯的是改性后的涂料抗紫外線、耐洗刷性能非常優(yōu)越。武漢理工大學(xué)的余劍英 [ 37 ] 成功研制出一種納米改性聚合物基屋面防水涂 料 , 它包括作為基料的聚合物乳液 , 作為填料的碳酸鈣、滑石粉或云母

粉 , 其特征在于加入了作為改性劑的無機(jī)納米粒子和鈉基蒙脫土 , 涂料的基本配方為 : 聚合物乳液 38.9 % ～ 65 %、無機(jī)納米粒子 0.1 % ～ 5 %、鈉基蒙脫土 1 % ～ 6 %、填料 30 % ～ 60 %。其制造方法為 : 將無機(jī)納米粒子改性劑加入基料中 , 在超聲波作用下進(jìn)行分散 , 然后加入鈉基蒙脫土高速攪拌進(jìn)行插層復(fù)合 , 最后加入填料再經(jīng)攪拌、研磨、過濾而制得。該涂料既具有優(yōu)異的力學(xué)性能和防水性能 , 又具優(yōu)良的抗紫外線能力 , 能夠顯著延長屋面防水工程的使用壽命。結(jié) 語

我國城市基礎(chǔ)設(shè)施改造和住宅工程建設(shè)的迅猛發(fā)展 , 以及大型建筑工程的發(fā)展 , 為防水涂料的應(yīng)用和發(fā)展提供了廣闊的前景;同時(shí)防水涂料產(chǎn)品功能和性能的不斷提高以及施工技術(shù)的機(jī)械化亦為建筑工程的防水提供了可靠的保障。

第五篇：生物制藥現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢研究

生物制藥技術(shù)現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢研究

學(xué)生姓名 張溢峰

班 級(jí) 生物技術(shù)132 專業(yè)名稱

生物技術(shù)

學(xué)院名稱 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

指導(dǎo)教師 李文蘭

提交日期 2016年1月15日

廣西大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

2016年 1月

摘要：生物技術(shù)藥物(biotech drugs)又稱為生物藥物(biopharmaceutics)。以組合化學(xué)、藥學(xué)基因（功能抗原學(xué)、生物信息學(xué)等高技術(shù)為依托，融合了醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、藥物學(xué)等先進(jìn)技術(shù)，以分子遺傳學(xué)、分子生物、生物物理等基礎(chǔ)學(xué)科的突破為后盾形成的產(chǎn)業(yè)。生物制藥技術(shù)將對(duì)生物技術(shù)藥物的創(chuàng)新與發(fā)展產(chǎn)生十分重要的影響和作用。筆者總結(jié)了生物制藥的現(xiàn)狀，生物技術(shù)藥物的分類，生物制藥的發(fā)展趨勢，我國生物技術(shù)制藥的發(fā)展方向，并展望了我國生物制藥行業(yè)的前景。

關(guān)鍵詞 ：生物制藥技術(shù)；發(fā)展趨勢；發(fā)展；現(xiàn)狀；研究；生物技術(shù)

“21 世紀(jì)是生物的世紀(jì)”這一觀點(diǎn)已經(jīng)逐漸地被越來越多的人所接受,且正沿著它特有的軌道一步步的成為現(xiàn)實(shí)。生物制藥是指運(yùn)用微生物學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)等的研究成果“從生物體生物組織細(xì)胞體液等”綜合利用微生物學(xué)、化學(xué)、生物化學(xué)、生物技術(shù)、藥學(xué)等科學(xué)的原理和方法制作的一類用于預(yù)防、治療和診斷的制品。其中最為主要的是基因工程方法，即利用克隆技術(shù)和組織培養(yǎng)技術(shù)，對(duì)DNA進(jìn)行切割、插入、連接和重組，從而獲得生物醫(yī)藥制品。生物制藥產(chǎn)品主要包括三大類：基因工程藥物、生物疫苗和生物診斷試劑。其在診斷、預(yù)防、控制乃至消滅傳染病，保護(hù)人類健康延長壽命中發(fā)揮著越來越重要的作用。這些成果還可以幫助人類加速植物和動(dòng)物的人工進(jìn)化以及改善生態(tài)環(huán)境對(duì)人類的影響等，產(chǎn)生新的有機(jī)生命的研究也會(huì)取得進(jìn)展。

目前,生物制藥產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為21世紀(jì)最具前途的產(chǎn)業(yè)之一, 是生物工程應(yīng)用研發(fā)中最活躍和進(jìn)展最快的領(lǐng)域。生物制藥行業(yè)具有高技術(shù)、高投入、高風(fēng)險(xiǎn)、高收益、周期長等特點(diǎn)。世界上許多國家都把生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)作為優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一,不斷加大對(duì)生物制藥產(chǎn)業(yè)的政策扶持與資金投入。生物藥物的陣營很龐大，全世界的醫(yī)藥品已有一半是生物合成的，特別是合成分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜的藥物時(shí)，它不僅比化學(xué)合成法簡便，而且有更高的經(jīng)濟(jì)效益。它的發(fā)展將幫助人類解決很多當(dāng)前無法人類疾病，同時(shí)還可以改革食品的生產(chǎn)過程，徹底消除人類的營養(yǎng)不良。這些將極大的延長人類壽命，改善人們的生活。

一.生物制藥的現(xiàn)狀

目前生物制藥主要集中在以下幾個(gè)方向： 1 腫瘤

在全世界腫瘤死亡率居首位，美國每年診斷為腫瘤的患者為100萬，死于腫瘤者達(dá)54.7萬。用于腫瘤的治療費(fèi)用1020億美元。腫瘤是多機(jī)制的復(fù)雜疾病，現(xiàn)在仍主要運(yùn)用早期診斷、手術(shù)、放療、化療等手段進(jìn)行綜合治療。今后10年抗腫瘤生物藥物會(huì)迅速增多。如利用基因藥物抗體抑制腫瘤的發(fā)展和擴(kuò)散，如利用導(dǎo)向IL-2受體的融合毒素治療CTCL腫瘤，如利用基因治療法對(duì)腫瘤進(jìn)行治療(使用γ-干擾素基因?qū)撬枇龅闹委??；|(zhì)金屬蛋白酶抑制劑(TNMPs)可抑制腫瘤血管生長，阻止腫瘤生長與轉(zhuǎn)移。這類抑制劑有可能成為廣譜抗腫瘤治療劑，已有3種化合物進(jìn)入臨床試驗(yàn)。神經(jīng)退化性疾病 現(xiàn)在利用生物技術(shù)治療老年癡呆癥、腦中風(fēng)、帕金森氏病及脊椎損傷的藥物，如胰島素生長因子rhIGF-1 目前已開始Ⅲ期臨床實(shí)驗(yàn)。神經(jīng)生長因子(NGF)和BDNF(腦源神經(jīng)營養(yǎng)因子)用于治療末稍神經(jīng)炎，肌萎縮硬化癥，均已進(jìn)入Ⅲ期臨床。全國每年中風(fēng)患者大概60 萬，每年死于中風(fēng)患者達(dá)15 萬。中風(fēng)癥的有效防治藥物不多，尤其是可治療不可逆腦損傷的藥物更少，CerestaL已被證明能對(duì)中風(fēng)患者的腦力有顯著改善和穩(wěn)定作用，已經(jīng)進(jìn)入Ⅲ期臨床試驗(yàn)。自身免疫性疾病

許多炎癥由自身免疫缺陷引起，如哮喘、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、多發(fā)性硬化癥、紅斑狼瘡等。我國風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者多達(dá)4000 多萬，每年花費(fèi)巨額醫(yī)療費(fèi)，很多制藥公司正對(duì)這類疾病進(jìn)行研究。如 Genentech公司研究一種人源化單克隆抗體免疫球蛋白E用于治療哮喘，已進(jìn)入Ⅱ期臨床;美國Cetor′s 公司開發(fā)出一種用于治療風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的TNF-α 抗體，治療的有效率達(dá)80%。還有的公司在應(yīng)用基因療法治療糖尿病，如將胰島素基因?qū)牖颊叩钠つw細(xì)胞，再將細(xì)胞注入人體，使工程細(xì)胞產(chǎn)生全程胰島素供應(yīng)。我國每年有接近一百萬人死于冠心病，每年都要花費(fèi)高額的治療費(fèi)。今后10年，防治冠心病的藥物將是制藥工業(yè)的重要增長點(diǎn)。Centocor′s Reopro公司應(yīng)用單克隆抗體治療冠心病的心絞痛和恢復(fù)心臟功能取得成功，這標(biāo)志著一種新型冠心病治療藥物的延生。隨著基因組科學(xué)的建立以及基因操作技術(shù)的迅速發(fā)展，目前基因治療與基因測序技術(shù)正在進(jìn)行商業(yè)化開發(fā)，推動(dòng)了治療學(xué)的發(fā)展。轉(zhuǎn)基因技術(shù)用于構(gòu)造轉(zhuǎn)基因植物和轉(zhuǎn)基因動(dòng)物，已逐漸進(jìn)入產(chǎn)業(yè)階段，用轉(zhuǎn)基因綿羊生產(chǎn)蛋白酶抑制劑ATT，用于治療肺氣腫和囊性纖維變性，已進(jìn)入Ⅱ，Ⅲ期臨床。大量的研究成果表明轉(zhuǎn)基因動(dòng)、植物將成為未來制藥工業(yè)的另一個(gè)重要發(fā)展領(lǐng)域。

二.生物制藥分類

生物藥物的原料以天然的生物材料為主, 包括微生物、人體、動(dòng)物、植物、海洋生物等。所以說,生物藥物(或稱生物技術(shù)藥物)是集生物學(xué)、醫(yī)藥學(xué)的先進(jìn)技術(shù)為一體,以化學(xué)、藥學(xué)基因等高技術(shù)為依托,以分子遺傳學(xué)、分子生物學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的突破為后盾所形成的產(chǎn)業(yè)。生物藥物按它的用途不同可分為三大類: 生化藥物、生物工程藥物和生物制劑。

然而也可以用別的方式來進(jìn)行分類。其一，重組蛋白質(zhì)和重組多肽藥物：即利用DNA重組技術(shù)，將重組對(duì)象的基因插入載體，拼接后轉(zhuǎn)入新的宿主細(xì)胞，構(gòu)建成工程菌（或細(xì)胞），實(shí)現(xiàn)遺傳物質(zhì)的重新組合，并使目的基因在工程菌內(nèi)進(jìn)行復(fù)制和表達(dá)，最后將表達(dá)的目的產(chǎn)物純化并做成制劑，得到重組多肽、蛋白質(zhì)類藥物。其二，重組DNA藥物：基因治療是指向靶細(xì)胞或組織中引入外源基因DNA或RNA片斷，以糾正或補(bǔ)償基因的缺陷；關(guān)閉或抑制異常表達(dá)的基因；刺激產(chǎn)生相應(yīng)的抗體，從而達(dá)到治療和預(yù)防疾病的目的。其三，其他生物技術(shù)藥物：如微生態(tài)制劑，另外還有利用生物技術(shù)生產(chǎn)的血液代用品、腫瘤疫苗等等。三.生物制藥的發(fā)展趨勢

現(xiàn)代生物技術(shù)已對(duì)醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了革命性影響，生物產(chǎn)業(yè)是一個(gè)以科學(xué)為基礎(chǔ)的產(chǎn)業(yè)，它對(duì)工藝的依賴性低，對(duì)基礎(chǔ)工業(yè)的要求相對(duì)較低。自從人類基因組計(jì)劃完成以耒，結(jié)構(gòu)基因組，功能基因組，蛋白質(zhì)組等研究計(jì)劃相繼起動(dòng)。這為生物技術(shù)的發(fā)展注入了強(qiáng)大的活力。各國對(duì)此十分重視，并把生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中新的增長點(diǎn)之一。

生物學(xué)的革命不僅依賴于生物科學(xué)和生物技術(shù)的自身發(fā)展，而且依賴于很多相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)走向。盡管生物技術(shù)的高速發(fā)展使人們難以作出準(zhǔn)確的預(yù)測，但是基因組圖譜、克隆技術(shù)、遺傳修改技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、疾病療法和藥物開發(fā)方面的進(jìn)展正在加快。

各種新技術(shù)的出現(xiàn)有助于新藥物的開發(fā)。計(jì)算機(jī)模擬和分子圖像處理技術(shù)相結(jié)合可以繼續(xù)提高設(shè)計(jì)具有特定功能特性的分子的能力，成為藥物研究和藥物設(shè)計(jì)的得力工具。藥物與使用該藥物的生物系統(tǒng)相互作用的模擬在理解藥效和藥物安全方面會(huì)成為越來越有用的工具。

到下世紀(jì)初生物技術(shù)藥物的種類數(shù)目尚不會(huì)超過一般藥物的總數(shù)，但生物技術(shù)制藥公司總數(shù)將超過前10年的6倍。

藥物的研究開發(fā)成本目前已經(jīng)高到難以為繼的程度，每種藥物投放市場前的平均成本大約為6億美元。這樣高的成本會(huì)迫使醫(yī)藥工業(yè)對(duì)技術(shù)的進(jìn)步進(jìn)行巨大的投資，以增強(qiáng)醫(yī)藥工業(yè)的長期生存能力。

總之，綜合多學(xué)科的努力，通過新技術(shù)的創(chuàng)立可以大大拓寬發(fā)明新藥的空間，增加發(fā)明新藥的機(jī)遇與速度。因?yàn)檫@些手段可以尋找快速鑒定藥物作用的靶，更有效地發(fā)現(xiàn)更多新的先導(dǎo)物化學(xué)實(shí)體，從而為發(fā)明新藥提供更加廣闊的前景。

四.我國生物技術(shù)制藥的發(fā)展方向

我國生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)還相對(duì)落后,但是國家和地方政府都在不斷加大對(duì)該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展力度,從政策和資金等各方面給予其便利。當(dāng)前,我國已將生物制藥作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)建設(shè)行業(yè)和高新技術(shù)的支柱產(chǎn)業(yè)來發(fā)展。當(dāng)前一些科技發(fā)達(dá)或經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)正在不斷建立國家級(jí)生物制藥產(chǎn)業(yè)基地,并初步形成了初具規(guī)模的生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)集群,這對(duì)我國的生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了很好的帶動(dòng)作用?？傮w而言,中國生物制藥產(chǎn)業(yè)未來充滿希望,前景看好,中國的生物制藥產(chǎn)業(yè)將呈繼續(xù)增長態(tài)勢。

綜合起來考慮, 我國生物技術(shù)制藥業(yè)今后的發(fā)展方向可以確定為:1)中草藥及其有效生物活性成分的發(fā)酵生產(chǎn);2)改造抗生素工藝技術(shù);3)大力開發(fā)疫苗與酶診斷試劑;4)開發(fā)活性蛋白與多肽類藥物這方面的開發(fā)5)開發(fā)研制靶向藥物, 以開發(fā)腫瘤藥物為重點(diǎn)6)發(fā)展氨基酸工業(yè)和開發(fā)甾體激素;7)人源化的單克隆抗體的研究與開發(fā);8)血液替代品的研究與開發(fā);9)人體基因組的研究。

五.我國生物制藥行業(yè)的前景

（1）創(chuàng)投機(jī)構(gòu)看好中國生物制藥領(lǐng)域全球金融危機(jī)加劇，讓創(chuàng)投機(jī)構(gòu)在中國的腳步變得格外謹(jǐn)慎。但于北京舉行的“2008ChinaVenture中國投資年會(huì)”上，以生物制藥為代表的醫(yī)療領(lǐng)域，卻被參會(huì)的創(chuàng)投精英一致看好。（2）眼光盯準(zhǔn)生物新領(lǐng)域

雖然政府一直在鼓勵(lì)創(chuàng)新研究，但是國內(nèi)新藥非常少，大部分都是舶來品?！兑?guī)劃》提出，“十二五”期間，將重點(diǎn)突破一批藥物創(chuàng)制關(guān)鍵技術(shù)和生產(chǎn)工藝，完善新藥創(chuàng)制與中藥現(xiàn)代化技術(shù)平臺(tái)，建設(shè)一批醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，基本形成具有中國特色的國家藥物創(chuàng)新體系。（3）前途光明，道路曲折

從歷史情況看，產(chǎn)業(yè)政策在很大程度上決定了醫(yī)藥行業(yè)的景氣度。已出臺(tái)的《生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》將會(huì)在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向和財(cái)政支持上給予更為明確的扶持。如果前瞻性地看未來五年的中國生物醫(yī)藥行業(yè)，我們認(rèn)為：第一，中國生物醫(yī)藥市場空間依然廣闊，第二，政策將引導(dǎo)行業(yè)走向更高層次的創(chuàng)新之路，第三，生物醫(yī)藥企業(yè)、尤其是中成藥企業(yè)的類消費(fèi)品化趨勢亦會(huì)更加明顯，第四，研發(fā)成本上升及周期加長，使得跨國藥企的產(chǎn)業(yè)重心轉(zhuǎn)移至中國，同時(shí)中國企業(yè)也將進(jìn)一步嘗試走向規(guī)范市場。

六.結(jié)語

生物制藥是21世紀(jì)最核心的高新技術(shù)之一,，過去我們由于閉關(guān)鎖國而錯(cuò)過工業(yè)革命的發(fā)展良機(jī)，由于文革而痛失信息技術(shù)革命帶來的黃金發(fā)展機(jī)遇,，現(xiàn)在我們不能再次喪失生物技術(shù)帶來的這次飛躍式發(fā)展機(jī)遇。我們要清醒認(rèn)識(shí)到自身的差距與不足，找出制約我國生物制藥發(fā)展的瓶頸，大力發(fā)展動(dòng)物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)和治療性抗體研究與開發(fā)的上中下游技術(shù)，把握機(jī)會(huì), 實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。相信在完成人體基因組測序后，從人體基因組中尋找開發(fā)各種新藥，將是一個(gè)激動(dòng)人心的壯舉。

（1）胡顯文，陳惠鵬，湯仲明等.生物制藥的現(xiàn)狀和未來(一):歷史與現(xiàn)實(shí)市場.中國生物工程雜志，2007，24(12).（2）熊宗貴，于榮敏，肖成祖等.生物技術(shù)制藥.北京:高等教育出版社，2008.（3）李元，陳松森，王渭池等.基因工程藥物.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.（4）楊汝德.基因克隆技術(shù)在制藥中的應(yīng)用.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.（5）胡顯文，陳惠鵬，湯仲明等.美國、歐盟和中國生物技術(shù)藥物的比較.中國生物工程雜志，2009，25(2).（6）彭俊文，蔣銘敏.生物技術(shù)藥物的研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀及前景.生物技術(shù)通訊，2008.（7）雷中良,張曉紅，生物制藥技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢.哈藥集團(tuán)制藥總廠103車間,2012(8)吳梧桐，王友同，吳文俊，藥物生物技術(shù)進(jìn)展，藥物生物技術(shù),1995,2(3):40.(9)張國全，藥學(xué)科學(xué)，國家自然科學(xué)基金委員會(huì)，北京:科學(xué)出版社,1995:48.(10)吳梧桐等，基因工程藥物-基礎(chǔ)與臨床，人民衛(wèi)生出版社,1996.(11)李元等，基因工程藥物，化學(xué)工業(yè)出版社，2002，11，1.(12)唐冬生，夏家輝，新型基因工程藥物，生命科學(xué)研究，第三卷第2 期.