通过圆盘入渗试验,探讨不同改良剂施用量下土壤入渗特性的变化,揭示添加生物炭和聚丙烯酰胺(PAM)对海涂围垦区盐碱土水力学参数、孔隙特征及不同级别孔隙水流贡献率的影响.结果表明:单施2％生物炭,土壤饱和导水率比对照增加46.4％;盐碱土饱和导水率随PAM施用量增加而减小.单施2％生物炭使土壤总有效孔隙度和半径＞100 μm的有效孔隙度分别增加8.3％和10.2％.单施PAM时,土壤总有效孔隙度和不同半径孔隙有效孔隙度均有减小趋势,其中,PAM梯度为1‰时最明显,减幅高达88％以上.施用生物炭和PAM后,半径＜100 μm的孔隙的水流贡献率呈下滑趋势,半径＞500 μm的孔隙对土壤水流运动起主导作用.

盐碱胁迫是全球范围内重要的非生物胁迫形式之一,但目前对植物水力学特性和碳代谢应对盐碱胁迫响应的研究还不多.本研究以耐盐碱植物枸杞(Lycium chinense Miller)和柽柳(Tamarix chinensis Lour.)为对象,测定不同盐碱程度下两种植物的枝条水势和导水损失率(PLC)、叶片光合作用和气孔导度、不同部位的非结构性碳(NSC)浓度以及植株生长情况.结果显示,重度盐碱胁迫显著降低了两种植物凌晨和正午水势、光合速率和枝条PLC,重度胁迫下柽柳的光合速率、气孔导度和枝条PLC下降程度均大于枸杞,重度盐碱胁迫下枸杞不同部位的NSC浓度均显著降低,但柽柳的地上部分NSC浓度显著增加,根部NSC浓度显著减低.两种植物有不同的应对盐碱胁迫策略,枸杞有较强的气孔调节能力,对水力结构的维持有利,但会限制碳摄取,柽柳气孔调节能力弱,水力结构易受影响,但对碳平衡维持有利.

利用模拟降雨控制试验(对照、降雨增加45％和减少50％),研究了黄土高原水蚀风蚀交错带典型灌木沙柳和柠条茎水力学特性对模拟降雨改变的响应,以揭示两种灌木对未来降雨改变的适应性.结果表明:沙柳茎比导水率(Ks)、比叶导水率(K1)和Huber值对增水有显著响应,而对干旱无显著响应;柠条黎明前和正午叶水势、水分传输效率(Ks及K1)对干旱有显著响应,但对增水无响应.两种灌木不同处理间抵抗栓塞能力无显著差异,沙柳不同处理间正午原位栓塞程度亦无显著差异,而柠条干旱处理正午原位栓塞程度显著增大.沙柳增水处理导管直径和导管面积占边材面积的比例显著增加,干旱导致沙柳导管密度显著增大,水力直径变小;柠条增水处理的木质部结构无明显改变,干旱导致其导管密度和木材密度显著增加.说明增水提升了沙柳的水力功能,而长期干旱显著降低了柠条水力功能,预测在未来气候旱化条件下,柠条的水力适应性可能不如沙柳.

为探讨鱼类在竖缝式鱼道上溯过程中对各种水力学因子的适应性特征,对其上溯轨迹的模拟研究十分必要.本文采用数值模拟技术对竖缝式鱼道中的流场、湍流动能场及湍动耗散率场进行计算,并根据鱼类对各种水力学因子的偏爱程度赋以相应的权重,从而模拟分析以上3种水力学因子综合影响下,鱼类个体在竖缝式鱼道中的上溯轨迹,并采用已有的实验研究成果对模拟结果进行对比校准.结果表明:鱼道中湍流动能场的分布结构是影响鱼类轨迹最为重要的水力学因子,鱼类上溯轨迹总是出现在某一湍流动能阙值附近;鱼类的趋流特性虽然影响较小,但不可忽略,它在鱼类洄游过程中起着重要的导向性作用,是鱼类能够不断上溯的关键因子;湍动耗散率对鱼类上溯的影响非常有限,可以考虑将其忽略.

软体动物贝壳表型是适应性进化的结果,为探究贝壳形态特性与软体动物随水流扩散功能的相关性,实验选取9种具代表性的腹足纲和双壳纲贝类作为研究对象,研究了其成体的壳-体质量比与静水沉降特性及二者的相关性.结果表明:体质量的变异系数(C.V.=1.11)大于壳长(C.V.=0.67)、壳宽(C.V.=0.54)的变异系数;壳-体质量比具较强的种属特异性,种内变异系数小(C.V.=0.20),而种间差异极显著(P＜0.01).受试贝类的平均壳-体质量比为0.32±0.13,陆生贝类的壳-体质量比显著小于水生贝类(P＜0.01),壳-体质量比最大的河蚬(0.54±0.06)是最小的非洲大蜗牛(0.17±0.04)的3倍,福寿螺的壳-体质量比为0.50±0.06.双壳类和螺类的沉降行为差异明显,只有中华园田螺、铜锈环棱螺和河蚬不能在静水中漂浮;沉降速度最大的河蚬((24.99±4.22)cm/s)是最小的椭圆萝卜螺((4.13±0.96) cm/s)的6倍,入侵种非洲大蜗牛((18.30±3.64) cm/s)和福寿螺((21.77±5.23)cm/s)与土著种铜锈环棱螺((19.48±3.14) cm/s)和中华园田螺((21.44±3.92) cm/s)在沉降速度上无显著差异(P＜0.01).成体贝类的壳-体质量比与沉降速度(R2 =0.28)、沉降加速度(R2 =0.39)之间存在一定的相关性.在此基础上,贝类沉降特性随生活史变化的研究将进一步揭示贝类进化与种群扩散中的生态水力学作用.

导管作为多数被子植物木质部水分运输的主要通道,了解其结构及功能对研究被子植物水力学特性及植物对环境的适应性有着重要的作用.导管长度作为导管解剖特征之一,对水分运输的安全性及有效性有着重要的影响.该文概述了导管长度测量及计算的方法,导管长度在种内及种间的分布,导管长度与导管直径的关系,导管长度与导水率的关系及导管长度对建立栓塞脆弱曲线的影响,并对未来导管长度的研究工作重点提出了建议:1)改进灌注物质,使灌注更加充分且更利于观察、提高计算精度、发展活体动态测量技术;2)建立导管在植物不同器官及整体的分布网络以及不同生活型、不同地区的导管长度数据库;3)对导管直径在导管方向的变化,导管长度与其他导管特性之间的关系进行研究;4)光学测量建立栓塞脆弱曲线技术的兴起,可为解决离心机法建立栓塞脆弱曲线的真实与准确与否的争议提供新的方向.更深入地了解导管长度在植物水力功能中担负的角色,可以为耐旱、抗旱品种选育提供理论基础.

根据中国终末期心衰患者对左心辅助泵辅助人体血液循环的要求,设计以3 L/min流量、100 mm Hg压升为设计点,流量范围为2～7 L/min的微型可植入轴流血泵.该血泵采用纺锤形的转子叶轮结构以及带分流叶片、悬臂叶片的尾导结构,以使血泵在较宽的压力流量范围内具有良好的溶血和抗血栓特性.本文用数值模拟及粒子成像测速(PIV)的方法分析血泵的水力学特性、流场及溶血特性.结果 表明:血泵转速为7 000～11 000 r/min时,在2～7 L/min的流量范围内可提供60.0～ 151.3 mm Hg的压升;分流叶片抑制了尾导的尾缘吸力面处的流动分离;悬臂式叶片结构将转子叶片的叶尖间隙变为尾导叶片的叶根间隙,间隙的切线速度由6.2 m/s降至4.3～1.1 m/s;血泵的最大标量剪切应力值为897.3 Pa,平均剪切应力值为37.7 Pa;采用Heuser溶血模型得到的溶血指数为0.168％;PIV试验所得泵内尾导区域的流场速度分布与数值计算得到的流场特征吻合良好.本研究所设计的轴流血泵的尾导具有分流叶片和悬臂叶片,流道内血流无较大分离流动,降低了剪切力对血液的破坏,溶血性能良好,压力流量性能满足临床需要.

植草沟被广泛应用于海绵城市建设中,可有效改善城市生态环境.为探究植草沟径流调控作用的机理,通过放水模拟试验,研究了 5个坡度(1％、2％、3％、4％、5％)、5个放水流量(20、30、40、50、60 L·min-1)组合条件下植草沟径流的水力学特性与断面流速分布变化规律.结果表明:植草沟径流水力学特性主要表现为,随流量和坡度的增加,流速、雷诺数和佛汝德数均逐渐增加,曼宁糙率系数与Darcy-Weis-bach阻力系数逐渐减小.流速(V)可以用流量(Q)与坡度(S)的幂函数V=0.3387Q0.555S0.6601来表示.雷诺数和佛汝德数变化范围分别为1160.95～6596.82和0.17～1.21,径流流态均为紊流,流型受坡度影响较大.流量和坡度较小时,两者对阻力系数的影响较大,试验条件下水流阻力系数与雷诺数呈负相关关系.植草沟径流断面流速分布表现出关于中心两侧对称分布,最大流速点位于中心水面处,断面流速等值线随流量和坡度的增加而逐渐变密,流速变化梯度增大.本研究可为黄土区海绵城市建设中植草沟的设计应用与水力计算提供理论基础,也可以通过分析植草沟径流水力学特性以探索其径流调控机理.

毛白杨(Populus tcmentosa)和元宝槭(Acer truncatum)是华北平原人工林的主要树种,研究两者水力结构和干旱-复水过程中茎非结构性碳水化合物(NSC)含量动态,可揭示其水力学调控策略,为全球气候变化背景下华北人工林水分平衡的科学管理提供理论依据.该研究以相同生境下分布的毛白杨和元宝槭幼树为研究材料,测量两者的茎抗栓塞能力与水力安全阈、水力面积、叶膨压损失点等水力结构参数;开展干旱-复水实验,测定茎NSC含量动态以及干旱胁迫解除后复水阶段的木质部栓塞修复能力.结果表明:毛白杨导水率损失50％对应的水势(-1.289 MPa)高于元宝槭(-2.894 MPa),且膨压损失点时的渗透势低,水力安全阈小,木材密度小,气孔调节偏向于变水行为,表现为易栓塞的低水势忍耐脱水耐旱特性,水分调节对策趋于冒险;元宝槭则倾向于不易栓塞的高水势延迟脱水耐旱特性,水分调节对策趋于保守.在干旱-复水实验中,毛白杨可溶性糖、淀粉和茎NSC含量先减后增,元宝槭则先增后减;并且毛白杨表现出比元宝槭更高的栓塞修复能力,这与植物体内茎NSC含量变化差异具有一定联系.毛白杨较高的栓塞修复能力也为其易栓塞的低水势忍耐脱水耐旱特性及冒险的水分调节对策提供水力安全保障.两树种在水力学调控上表现出的较大差异可能与其生活史特性相关.