南京大学学报(自然科学版)

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邓亚平，郑　菲，施小清*，徐红霞，孙媛媛，吴吉春*

南京大学学报(自然科学版). 2016, 52(3): 409-420.

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重非水相有机污染物(DNAPLs)泄漏到地下后，在地下介质中与水、气相互作用，构成多相流系统，其运移和分布受多种因素控制．综述性探讨了DNAPLs物理化学性质、泄漏速率、持留特征、介质的非均质性及地下水流速对其在多孔介质中的运移和分布特征的影响．针对以往研究仅从单因素角度分析对DNAPLs运移的影响，着重探讨了地下水流速和介质非均质性双重因素的综合影响．根据现有工作的不足，指出今后需要进一步探讨的研究方向．

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华北平原咸－淡含水层间粘性土层的化学渗透效应研究

孙晓敏，吴剑锋*，施小清，吴吉春

南京大学学报(自然科学版). 2016, 52(3): 421-428.

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通过硬壁式渗透仪对取自华北平原典型咸淡水区域的原状土与以此制作的重塑土进行了渗透率以及化学渗透率系数σ的测定．在浓度差为0.152 M的浓度梯度下，测得原状土的σ＝0.013；重塑土的σ＝0.089.对两种土样来说，虽然具有同样的成分及孔隙度，但原状土的膜性能要小于重塑土．可以表明当粘土颗粒排列更加规则时，粘土会表现出更高的膜性能．在位于华北平原咸淡水典型区的衡水市桃城区，将本文确定的咸淡水界面下移情况与前人的研究进行了对比，发现下移速度较缓，考虑到该区的粘性土层具有一定的膜性能，认为该区的地下含水层系统形成了一个典型的化学渗透系统，产生的化学渗透压力一定程度的抵消了由于过采深层淡水导致的向下的水头差，使咸淡水界面的下移速率减弱．研究结果对华北平原咸水下移机理提供了科学依据．

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基于局域化集合卡尔曼滤波的含水层弥散度场识别研究

曹少华，曾献奎，蒋建国，吴吉春*

南京大学学报(自然科学版). 2016, 52(3): 429-437.

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溶质运移模型对下水污染物运移预测有重要意义，但是准确获取模型参数具有一定难度．集合卡尔曼滤波(EnKF)方法可以融合多来源观测数据对同化系统进行优化修正，从而得到与真实情况接近的参数．将二维承压含水层理想算例的溶质观测数据应用于局域化集合卡尔曼滤波同化系统，估计含水层的弥散度场，并探讨了模型实现数目、初始猜想场的统计特征、观测点数目及时空分布、观测误差对参数估计结果的影响．结果表明，通过同化浓度观测资料可较好地估计溶质运移模型的弥散度场；对于所用模型，实现数目在100～700时，参数估计结果最好；初始猜想场与实际场越接近、观测数据误差越小，越能快速获得较好的估计结果．

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向导点－正则化方法在水文地质参数反演中的应用

姜蓓蕾1*，冯燕生2，3，施小清2，吴吉春2，孙媛媛2

南京大学学报(自然科学版). 2016, 52(3): 438-447.

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水文地质参数反演是地下水数值模拟中的一个重要问题．基于向导点方法，通过设定理想算例，引入SVDAssist正则化方法，反演求解向导点个数大于观测数据个数的高维不适定问题．与传统分区方法的反演结果对比结果表明：向导点－正则化法是一种有效的高维水文地质参数的反演方法，可不依赖于人为的概化分区有效地反演推估非均质渗透系数场的空间分布．还讨论了向导点个数对反演结果的影响，结果表明：向导点个数并非越多越好，随着向导点个数的逐步增加，反演结果精度逐渐提高，但达到一定数量后，向导点个数的增加不仅会增加计算工作量，同时反而会降低反演结果精度．

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基于DREAM算法的含水层渗透系数空间变异特征识别

骆乾坤1，吴剑锋2*，杨　运2，3，吴吉春2，马淑芬4

南京大学学报(自然科学版). 2016, 52(3): 448-455.

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采用差分进化自适应Metropolis(DREAM)算法对描述含水层渗透系数空间变异特征的参数进行识别．利用直接傅里叶变换方法产生一组空间结构参数下的若干个渗透系数场实现，借鉴噪声遗传算法(NGA)思想，计算该组空间结构参数对应的贝叶斯后验概率值，提高DREAM算法求解的效率．算例求解结果表明，DREAM算法能够有效获得含水层渗透系数空间结构参数的后验分布，并可得到对应的一系列渗透系数场，可为含水层参数空间变异性研究提供新的思路．

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基于多点地质统计的二维裂隙网络溶质运移模拟

张　弛，陈　干，吴剑锋*，施小清，吴吉春

南京大学学报(自然科学版). 2016, 52(3): 456-463.

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应用多点地质统计模拟方法对某理想二维裂隙研究区进行还原，并将生成的二维裂隙网络模型与MODFLOW和MT3DMS结合，进行水流及溶质运移模拟．模拟结果表明，随着时间的推移，溶质较为严格地按照裂隙发育的方向运移，优势流现象明显；改变裂隙渗透系数与基岩渗透系数的比值，则随着比值的不断增大，裂隙研究区水流的各向异性及优势流现象愈加明显．研究表明，多点地质统计方法可以有效模拟裂隙网络结构特征及裂隙地下水流及溶质运移特征，是一种较为有效的裂隙网络模拟方法．

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变权重粒子追踪方法在裂隙网络溶质运移模拟中的应用

蒋建国*，吴吉春

南京大学学报(自然科学版). 2016, 52(3): 464-469.

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粒子追踪方法是模拟裂隙介质地下水中溶质运移的常用方法．在此方法中，模拟点的浓度正比访问此处的粒子数．然而，它在低浓度处计算效率很低．在溶质浓度较低的地方，访问到此处的粒子数很少，导致模拟结果剧烈波动，甚至无法模拟．提出了一种可变权重的粒子追踪方法，浓度的大小正比于访问此处的所有粒子的权重和．通过权重的调节，模拟区的各点的访问粒子数大致相等．通过这种变权重的方案，可以消除低浓度处模拟结果的剧烈波动，大幅提高粒子追踪方法的模拟精度．

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考虑地面沉降约束的地下水模拟优化管理模型

杨　蕴1，朱　琳2*，林　锦3，王锦国1

南京大学学报(自然科学版). 2016, 52(3): 470-478.

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为了解决地面沉降区地下水资源科学管理这一个重要的资源与环境地质问题，基于模拟优化(S－O)模型的思想，建立了考虑地面沉降约束的地下水模拟优化管理模型(SUBGO)．模拟模型采用地下水模拟程序MODFLOW－2005中的地面沉降模拟子程序SUB WT来模拟地面沉降过程．优化模型分别采用遗传算法(GA)和小生境Pareto禁忌遗传混合算法(NPTSGA)分别求解单目标和多目标的优化设计方案．将SUBGO管理模型应用于一个理想场地含水层中地下水开采方案和地面沉降控制的优化设计中，结果表明基于GA的单目标优化和基于NPTSGA的多目标优化均能搜索到全局最优解和全局分布的Pareto最优解，均能够在控制地面沉降的约束条件下，设计合理的地下水开采利用方案．与单目标相比，多目标优化能够为决策者提供多个解作为管理决策方案，同时多目标优化还提高了寻优的计算效率．

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大连周水子地区海水入侵数值模型

赵　洁1，2，林　锦2，吴剑锋1*，吴吉春1

南京大学学报(自然科学版). 2016, 52(3): 479-489.

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针对大连市周水子地区滨海含水层的海水入侵状况，建立了一个非均质各向异性介质的三维变密度地下水数值模型．利用实际观测水位和浓度资料对模型进行校正和检验，以识别研究区含水层的水文地质参数．再利用校正和检验模型预测在考虑潮汐作用的条件下，研究区未来30年的海水入侵发展状况．预测结果表明，潮汐作用会加重研究区的海水入侵程度．本文模拟分析成果可为控制大连滨海地区海水入侵、实现地下水资源的合理配置提供理论依据．

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岩溶流域泉流量的分数阶模型

夏　源1*，姜光辉2，吴吉春3

南京大学学报(自然科学版). 2016, 52(3): 490-495.

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根据岩溶流域泉流量与河流流域出口流量过程物理机制的相似性，解释了泉流量对降雨的响应关系．并以稳定分布为基础，将岩溶流域的泉流量衰减公式的衰减核函数进行改进，得到了具有偏态性和拖尾分布的泉流量衰减公式，并推导出了分数阶泉流量衰减方程．当分数阶指数为1时，方程退化为传统的流量方程，当分数阶指数小于1时，该方程描述了泉流量曲线的偏态性和拖尾分布，更具有一般性．为解决分数阶流量方程求解困难，提出了利用傅里叶变换和傅里叶逆变换求衰减核函数的方法．将该模型应用于桂林丫吉岩溶试验场的泉流量模拟，结果表明，新的模型能够模拟出泉流量曲线的偏态性及拖尾分布．

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地下河不同流量状态下溶质运移的参数及模拟

郭　芳，姜光辉*，于　奭，林玉石

南京大学学报(自然科学版). 2016, 52(3): 496-502.

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在官村地下河流域一段长为750 m的管道进行了十一次弥散试验，以考察岩溶管道流的溶质运移行为．采用NaCl作为示踪剂，利用电导仪记录浓度的变化和流速仪测量管道流的流量．试验表明溶质的平均运移速度为1.3～5.8 cm?s^－1，通过弥散试验求的管道平均截面面积在不同流量时差别不大，表明岩溶管道处于有压管流状态，并且雷诺数大于20000，据此判断管道流为紊流．弥散系数与溶质平均运移速度之间为近似线性关系．利用经典对流弥散方程以及由试验结果取得的参数模拟溶质的穿透曲线，发现模拟结果的溶质运移总比实际滞后，这种现象与模拟时管道形状的平均化处理无关，是用管道截面平均流速代替管道截面实际流速产生的．改用代表暂存区机理的溶质运移模型模拟试验结果，将管道水流截面分为主流区和不流动区，模拟结果与实际吻合，这解释了溶质平均运移时间提前和穿透曲线出现拖尾的原因．

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人工示踪技术在岩溶地区水文地质勘察中的应用

姜光辉*，郭　芳，汤庆佳，李　鑫，曾莘茹

南京大学学报(自然科学版). 2016, 52(3): 503-511.

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人工示踪技术用来验证地下水流动的方向和追溯地下水的来源，在水文地质勘察、水利工程防渗、地质工程涌水处理和查明矿井涌水来源方面有广泛的应用．相比于国际上示踪试验的应用，国内虽然在仪器设备上不相上下，但是在应用的广泛程度上差距很大．近年来示踪剂的自动化监测技术的进步使示踪试验在一些新的领域开展，例如研究平原地区岩溶含水层的流场，以及与天然示踪剂联用进行岩溶水系统的水文过程研究．由示踪试验计算得到平原地区岩溶含水层中地下水的视流速在数量级上为10～102 m?d^－1，而地下河中的视流速为102～104 m?d^－1.尽管从富水性上显示平原地区岩溶含水层的地下水赋存比较均匀，但是示踪剂的运移被严格限制在主径流通道中，很难发生侧向的弥散．相比于地下河系统，平原地区含水层中缓慢的流速和很好的富水性结合会产生强烈的稀释作用，这是开展此类示踪试验需要注意的重点．为此建议在平原地区开展示踪试验的最远距离一般不宜超过1 km.鉴于示踪试验的重要性和南方大量地下河急需妥善管理，建议在水文地质普查中大量采用．

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¹⁴C－标记碳点的合成及其在海洋浮游植物体内的生物富集应用研究

李家梦，杨柳燕，缪爱军*

南京大学学报(自然科学版). 2016, 52(3): 512-519.

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为了探究光敏性碳基纳米材料的生物富集过程，通过一步微波热解反应合成¹⁴C标记的碳点，并以海洋原甲藻(Prorocentrum micans)和东海原甲藻(Prorocentrum donghaiense)作为受试生物，定量分析了这两种生物对碳点(Cdots)的吸收动力学差异．由于生物细胞的遮挡效应可能会影响胞内标记碳点的测定，实验中首先比较了生物样品三种处理方法(对生物样品分别直接测定，超清洗，超声破碎)的效果差异，发现对生物细胞样品进行超声破碎的处理效果最好，并且在超声5 min的条件下测定效果最佳．随后，开展实验进一步探究了短时间内碳点在生物细胞内的富集过程．结果表明，碳点在这两种生物体内的富集量都随时间呈现线性增加的趋势．当我们以三种生物富集量表示方法作图(pg?cell^－1，pg?μm－2和pg?μm^－3)时，发现采用以单位体积的生物富集量作图最科学，并且发现这两种原甲藻对碳点的生物富集量随时间的变化趋势极为接近，克服了藻细胞大小带来的差异，更为科学地阐述了水生生物体内碳点的富集量的变化．

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水辅助CVD法合成碳纳米管阵列以及制备取向碳纳米管阵列/环氧树脂多孔复合膜

王续杨，廖高民，杨朝晖*

南京大学学报(自然科学版). 2016, 52(3): 520-527.

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碳纳米管作为一维碳纳米材料，具有十分独特的结构与物理化学性质．近年来，人们开始着重研究碳纳米管的内部填充与物质传输的性质，因此，合成高质量，高通透性的碳纳米管具有重要的意义．采用电子束蒸镀催化剂CVD法制备碳纳米管阵列，并且引入了水蒸汽用以刻蚀多余的无定型碳，最终合成了高质量，高通透性的碳纳米管阵列．碳管内径主要分布在8 nm到15 nm之间，高度可达在100 μm以上，最高可达厘米级别，管壁厚度一般在1.2～2 nm之间．进一步通过环氧树脂包埋结合微切片技术，制备出取向碳纳米管阵列/环氧树脂多孔复合膜，通过一系列的测试证明合成的复合膜中碳纳米管保持了高度取向性，同时具有良好的通透性并且没有宏观裂缝的出现，这保证了复合膜中碳纳米管是唯一的物质传输通道，为进一步研究碳纳米管的内部填充与修饰，以及碳纳米管的内部输运行为奠定了基础．

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一种基于光声成像选取最佳声速组的研究

叶　濛，袁　杰*

南京大学学报(自然科学版). 2016, 52(3): 528-535.

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光声成像是一种新兴的医学影像技术，具有图像对比度高、分辨率高、传递信息量大的特点，在生物医学领域有着广泛的应用．为了达到更好的重建效果，需要补偿声速在生物组织中传播的不均匀性．光声成像的时域反投影重建算法能够改变系统声速以及修正接收光声信号的时间，使得重建图像的质量与传播声速的取值密切相关，从而在修改声速的同时得到相应的成像结果．使用时域反投影算法重建图像，根据更新的声速组的搜索范围和搜索步长，采用不同的图像聚焦程度的评价方法，自适应地选取最佳声速组．研究中，对选取最佳声速的过程进行了多组实验，通过逐渐地缩小声速组的搜索范围和搜索步长，根据相应聚焦程度的评价方法，选取出最佳声速组．最终该组的声速值会收敛于正确的声速值附近，实验结果中的最大误差率都小于0.5%.

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复频域实时重建医学光声图像的研究

余双春，袁　杰*

南京大学学报(自然科学版). 2016, 52(3): 536-541.

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提出将光声成像中的傅里叶域重建方法与分布式并行计算相结合的方法，应用于实际处理医学成像中，实现实时重建医学光声图像的目的．滤波反投影算法是光声图像重建的一个广泛使用的算法，但由于在时域重建的时间复杂度大，并不适合实时重建．傅里叶域重建方法相对于滤波反投影算法具有时间复杂度上的优越性，且产生较少的伪影．并行处理技术，已经广泛应用于各类工程学科，其影响力及范围随着研究深入逐步扩大．分布式并行计算将提高图像处理速度，使实时重建医学图像成为可能．将MATLAB作为平台，实现了对医学图像在复频域的并行加速处理，给出了并行处理与串行处理的测试结果的比较．实验结果表明：傅里叶域重建方法与分布式并行计算的结合，使医学光声成像重建时间大大缩短．

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一种TMS320C6678辅助控制系统

陈　伟，司峻峰*，黄晓林，肇　莹，刘红星

南京大学学报(自然科学版). 2016, 52(3): 542-549.

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TMS320C6678是TI(Texas Instruments)推出的8核高性能DSP(Digital Signal Processor)，其主频可高达1.25 GHz，然而其正常工作涉及复杂的辅助控制．C6678的EVM(Evaluation Module)提供了一种以FPGA(Field Programmable Gate Array)为核心的辅助控制系统方案．考虑到FPGA硬件成本和软件开发成本高，尝试设计了一种以单片机为核心的辅助控制系统．鉴于单片机的外部中断资源有限，为实现对诸多电源状态指示信号及复位信号的监控，提出了利用逻辑门的方案．又由于单片机与DSP电气特性不匹配，提出了利用单片机OD(OpenDrain)输出特性及电平转换芯片的方案．经过测试，该辅助控制系统能够满足C6678的所有要求，并最终应用到TMS320C6678的某系统中．

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ID201单光子计数器计数模型研究

曹　攀，朱广浩*，金飚兵*

南京大学学报(自然科学版). 2016, 52(3): 550-557.

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InGaAs半导体单光子探测器具备探测性能强，集成度高等优势，在光谱分析和量子通信等领域有广泛的应用．本文以ID Quantique公司出品的ID201半导体单光子计数器为研究对象，结合计数器核心部件雪崩光电二极管的工作原理探究其计数光子时的内部过程，推导出每秒钟光子计数值和该计数器几个重要参数触发频率(trigger frequency)，门脉冲宽度(gate width)，门强制关闭时间(dead time)，探测效率(detection efficiency)之间的数学表达式．推导过程着重分析了计数门脉冲的关闭效应对光子探测概率的影响．首先利用泊松分布求解光子计数值与探测效率(detection efficiency)之间的关系，然后将计数过程分成两大部分，分析计数结果与门强制关闭时间(dead time)之间关系．求解得表达式后，利用1550 nm激光器作为ID201的输入光源，在各种不同实验条件下，对该表达式的正确性进行了检验．

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定面积的紧凸体的超空间的拓扑结构

杨　鎏

南京大学学报(自然科学版). 2016, 52(3): 558.

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主要研究了具有某种几何性质的紧凸体的超空间的拓扑结构．实际上证明了：欧氏平面?²上面积为正数v₀的紧凸体全体，赋予Hausdorff度量拓扑所构成的超空间，是一个Q流形其中Q表示赋予乘积拓扑的Hilbert方体[－1，1]^ω.

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2016年, 第52卷, 第3期　
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