第一篇：地下水系統數值模擬的研究現狀和發展趨勢

地下水系統數值模擬的研究現狀和發展趨勢

郝治福，康紹忠

(中國農業大學中國農業水問題研究中心)

目前地下水系統數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60年代中期以來，隨著快速大容量電子計算機的出現和廣泛應用，數值計算方法在地下水資源分析評價中得到逐步推廣，具有明顯的通用性和廣泛的適用性。尤其近十幾年，地下水系統數值模擬取得了長足進步。

一、國外地下水系統數值模擬研究現狀

目前，國外該領域的研究主要針對數值模擬法的薄弱環節，提出新的思維方法，采用新的數學工具，分析不同尺度下的變化情況，合理地描述地下水系統中大量的不確定性和模糊因素。

1、該領域科學家在地下水系統數值模擬的工作程序、步驟方面達成了一致，強調對水文地質條件合理概化的重要性，并深入探討尺度轉換問題和量化不確定因素問題。

根據Anderson等提出的工作程序，要建立一個正確且有意義的地下水系統數值模型，應進行以下工作：確定模型目標，建立水文地質概念模型，建立數學模型，模型設計及模型求解，模型校正，校正靈敏度分析，模型驗證和預報，預報靈敏度分析，模型設計與模型結果的給出，模型后續檢查以及模型的再設計。Ewing提出地下水污染流模擬和建模需要強調3個方面的問題：①有效地模擬復雜的流體之間以及流體與巖石之間的相互作用； ②必須發展準確的離散技術，保留模型重要的物理特性；③發揮計算機技術體系的潛力，提供有效的數值求解算法。針對Newman等的推測，Wood提出了二維地下水運動有限元計算的時間步長條件。Kim等對抽取地下水造成的noordbergum effect(reverse waterlevel fluctuation)現象進行數值模擬，闡述了其機理性原因。Scheibe等分析了在不同尺度下的地下水流及其運移行為。Ghassemi指出三維模型可以詳細說明含水層系統的三維邊界條件以及抽水應力情況，而二維模型就不能恰當處理。Porter等指出DFM(data fusion modeling)可以量化各種各樣的水文學、地質學和地球物理學的數據及模型的不確定性，可以用于地下水系統數值模擬的數據整合和模型校準。Mazzia等提出特別的數值方法用于求解重鹽地下水運移模擬的二維非線性動力學控制方程，效果很好。Li Shu-guang等指出數值模型還不能解決預報的不確定性因素問題，并開創性地提出一種隨機地下水模型，可以解決均值分布和小尺度過程的不同尺度問題。Mehl等提出二維局部網格細分法的有限差分地下水模型，提供了新的插值和錯誤分析的方法。模擬結果的可靠性得到了提高。

2、國外開發了許多功能多樣的地下水系統數值模擬軟件，以其模塊化、可視化、交

互性、求解方法多樣化等特點得到廣泛的使用，尤其MODFLOW，據美國地質調查局統計，MODFLOW幾乎占地下水系統數值模擬軟件總應用次數的一半，這些年其功能更是不斷完善。地理信息系統(GIS)與地下水模型的整合強化了數據的輸入、傳遞、方案調整和空間分析等。遙感(RS)提供了判斷地質邊界、地貌單元和估算地表蒸發等的工具。地下水系統數值模擬模型與相關領域模型的耦合更擴展了其發展空間，可以解決更多的實際問題。

Juan等運用ARC/INFO和MODFLOW模擬了美國Jackson Hole地區的沖積含水層，并通過補給、排泄和水均衡的評估對模型進行了合理的校準。Winston專門介紹了許多MODFLOW相關的免費和共享的網絡資源，為人們學習和應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模型都各有優勢，MODFLOW的數據結構更易于實現與GIS的整合。Harrington等運用CMC(compartmental mixing-cell)和MODFLOW模擬區域地下水系統的水化學和同位素變化情況，并強調了做細致準確的穩態流分析對于瞬時流分析的重要性。Brodie使用RDBMS(a relational database management system)存儲鉆孔資料，設計GIS管理空間數據資料，有很好的推廣價值。Ataie-Ashtiani 等運用基于有限元的二維數值模型SUTRA模擬含水層邊界條件周期性變化的地下水流，對基本方程和模型進行相應的修改，得到了很好的模擬結果。Wingle介紹了UNCERT模型，該模型可用于地下水流和污染物運移模擬，得到相關行業研究人員的一致認可并廣泛使用。Ramireddygari等通過對POTYLDR地表水模型與MODFLOW地下水模型的修改并增強，用于模擬WetWalnut Creek流域。Osman等使用改進的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所做結果吻合很好。Samani等指出軸對稱井流是地下水力學非常重要的課題，新出版的MODFLOW 2000加入了精確模擬軸對稱井流的標定方法，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過程，MODFLOW模擬水文地質情況，兩種方法的結合不但可以模擬水頭變化，而且可以模擬反映地球化學特征的地下水流線。Facchi等建立滲流地帶模擬與基于MODFLOW的地下水系統數值模擬耦合模型，用GIS來控制空間分布式參數以及輸入和輸出值，與其他類似模型不同的是可以評估作物水分消耗值在時間和空間上的分布情況。

研究人員廣泛應用地下水系統數值模擬軟件和3S技術，在應用中發現問題，使功能不斷加強，并通過與其他模型耦合發揮其獨特優勢。

二、國內地下水系統數值模擬研究現狀

1、近幾年，隨著新技術、新方法的廣泛應用，我國該領域科學家也做了大量的工作，在建立地下水系統數值模擬模型中發現問題，在理論和方法上不斷創新，通過數值模型理論與相關研究方向的理論結合，不斷提高模擬結果的可靠性。

陳家軍等指出在進行區域地下水位估值時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隔水層缺失區越流系數無法調試的問題。王瑋提出了用人工查點法、半自動查點法、數字化地形圖提取法等獲取數字高程模型(DEM)的方法，并給出了通過數字高程模型計算節點地面標高的方法。盧文喜對地下水運動數值模擬中的邊界條件進行了分析，提出在模型預報前要考慮自然因素、人類活動因素及鄰區水流條件因素產生的耦合效應問題，先對邊界條件進行預報。武強等通過對地下水系統數值模擬的研究分析，抽象出空間類層次結構，并提出了基于屬性關系的宏觀拓撲結構和基于同構或異構幾何模型關系的微觀拓撲結構，用三維空間拾取技術提供了友好的人機交互環境。張明江等采用“滲流管流耦合模型”、“入滲滯后補給法”和“參數迭代法”提高了模型的仿真性及對地下水資源評價的精度。張祥偉等根據地質統計、逆問題理論和地下水運動理論提出了大區域地下水系統數值模擬的理論和方法。廖華勝等指出平穩隨機的假定不能真實反映空間小尺度變異性與大尺度非平穩性間的相互作用。薛禹群等介紹了Ms-FEM(多尺度有限元法)的基本原理，并將其應用于非均質多孔介質中的流動問題，通過計算結果的比較得出多尺度有限元法比傳統有限元法有效的結論。魏連偉等基于模擬退火算法(SA)這一全局優化技術，耦合地下水系統數值模擬的有限元模型，給出水文地質參數的反演方法。綜上所述，針對數值模擬過程中需要處理的地面標高、初始水位、邊界條件、源匯項和水文地質參數等問題，可采取數字高程模型(DEM)及各種耦合模型，結合地球動力學、地質統計、逆問題理論和三維空間拾取技術等來提高模擬效果。

2、國內在運用地下水系統數值模擬軟件以及地理信息系統的強大功能，并結合相鄰學科的模型方面，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(compac)進行集成分析和設計。陳勁松等分析了MODFLOW中不同求解方法對精度的影響，選用PCG2法或SIP法求解結果滿足精度要求，而選用SSOR法獲得結果無法滿足精度要求。高佩玲等采用系統分解合成方法，利用Develop Studio軟件編制計算程序，得到了區域地下水系統水文地質參數，參數分布與水文地質勘察所得含水層結構特點及富水區分布基本相符。楊旭等提出了基于GIS 的“點”、“線”、“面”的模型擬合技術路線，實現了基于GIS的地下水系統數值模擬模型的可視化擬合。陳鎖忠等研究基于GIS的孔隙水文地質層三維空間離散實現的技術路線，提出了基于GIS的孔隙水文地質層不規則六面體元的三維空間離散方法，具有較高的實用價值。陳喜等揭示了獨特沙丘地形和土壤特性對地下水補排量的影響，利用地下水系統數值模擬模型MODFLOW和非飽和帶水平衡模型對處于半干旱半濕潤沙丘地區(SandHills)的地下水位進行了模擬，效果很好。羅毅通過對國際上著名的CERES(WHEAT，MAIZE)作物模型、SWAT分布式水文模型、MODFLOW地下水動力學模型的融合、集成和功能擴展，研制出地表水、地下水耦合模型，改進了地下水接受土壤水補給的計算和淺層地下水蒸發的計算。地下水系統數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與地下水系統數值模擬模型的整

合具有整體化、自動化、可視化和實時性的優點，相關領域模型的耦合更使其有了廣泛的發展空間，目前國內外對具體問題的處理方法具有很好的參考應用價值，大量的研究強化了地下水系統數值模擬方法的優勢。

三、地下水系統數值模擬中存在的問題

隨著計算機技術的飛速發展，國內外關于地下水系統數值模擬的研究有了長足的進步，但由于實際水文地質條件的復雜性，野外試驗數據的缺乏，模擬技術的不合理運用，多學科交叉存在的難度等，發展中還存在一些問題：

1、各學科之間難以溝通，側重的時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空變異性，模型的耦合集成存在較大的難度。

該領域研究工作的深入越來越依賴于綜合集成和跨學科協同攻關，發揮互補作用，可以解決各學科不同模型存在的一些缺陷，同時，該領域與其他學科合作建立的耦合模型有更好的實用價值，可以綜合解決流域管理中存在的復雜問題，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、基于遙感的生態模型與地下水系統數值模擬模型的耦合等。只有模型之間有了充分的交互，對模型的評價才更合理。同時需要指出，面對模型耦合的大問題，地下水系統數值模擬的其他方法也發揮著不可替代的作用。

2、地下水系統數值模擬模型的水文地質參數可以通過參數優化來調整，但參數調整的范圍缺少準確的標準。

模型通過參數調整與實測值擬合較好，但應用到其他區域或年份時又會出現較大誤差，說明對基本物理過程的描述還不夠準確。模型反演求參時，解的不唯一問題一直是水文地質數學模型數學基礎薄弱的環節。模型中參數的不確定性將導致計算的水頭、流速的不確定性，從而影響到模擬結果的可靠性。如何加強參數的研究，提高地下水系統數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調整提高參數精度是徒勞的，應加強模型參數的野外原位測定方法的改進、空間變異分析和新數學方法的運用，一個地區、一個流域或一個水文地質單元，應建立自己的標準參數，這個參數應有一定的代表性，應加強標準參數集的制備，這樣可以輕松地進行檢查、評價和修改。

3、隨著計算機的廣泛應用，計算機軟件實現了對大量水文地質學及地下水動力學問題的模擬，其計算能力遠遠超過人們獲取數值模型所需野外資料的能力，勘探技術水平需要提高。

在地下水系統數值模擬中，對水文地質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數據和資料，包括地質結構、含水層參數、各類均衡項隨時空變化的數據和資料，而這些資料的獲取是建立數值模型最困難的工作，需要耗費大量人力、財力和物力，同時國內缺乏三維水頭和溶質濃度等資料，因此三維數值模

擬的工作受到限制。長期持續的三維觀測數據的獲取及具有更高實際價值的三維模型的建立是值得重視的工作。另外，在應用外國先進的地下水系統數值模擬軟件的同時，要加快研發有我國自主產權的通用軟件。

4、根據國民經濟發展的需要，在解決地下水不合理利用造成的問題，尤其是日益嚴重的西部環境和生態問題方面，急需該領域科學家深入研究典型生態環境區域的地下水動力學特征，提供決策依據。

重點研究荒漠、巖溶和黃土高原區域地下水運動規律，特別是淺層地下水變化的地表生態效應及深層地下水賦存規律，為荒漠、巖溶地區淺層地下水合理利用提供新的途徑。西部不同水文地質單元(尤其是干旱區和巖溶山區)地下水流系統具有什么樣的特征? 地下深層水循環與淺層水循環之間的關系是什么? 淺層地下水開發對地表生態系統會產生什么影響？如何運用地下水溶質運移模型分析邊界條件的變化、水化學作用和地球化學環境的演變情況? 如何從數值法的角度評價并預測地下水的水質? 量化氣候、土地利用和人類活動對地下水有何影響? 如何實現地下水資源的可持續利用? 對這些問題的回答具有重要的理論和實際意義。同時，地下水系統數值模擬是依據對地下水系統數學模擬模型的數值離散解法，并不能代表整個地下水系統研究，地下水系統數值模擬方法本身也存在問題，如裂隙介質巖溶介質中地下水系統數值模擬的關鍵技術尚未解決，地下水水質模擬的可靠性問題有待深入分析，所以地下水系統不同模擬方法的結合應用具有更大的價值。

四、地下水系統數值模擬研究展望

隨著地下水資源需求的增加，與地下水有關問題的范圍和復雜性也隨之增大。農業活動區和城市的人類活動對區域地下水水位、水質的影響日益突出。地下水系統數值模擬可以量化地下水的動態變化與人類活動的關系，可以比較不同開采方案并預報開采對環境帶來的影響，以便人們了解采取什么行動來保證含水層的可持續利用，維持合適的生態水位。地下水系統數值模擬模型在國家制定區域水政策和方針中將發揮越來越重要的作用。

近年來，隨著計算機的發展和GIS技術的進步，帶來了科學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間和空間上的變化情況，并提供良好的數據維護、更新和分析功能，有了完備的數據做支持，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雜數據的工作負擔。深入挖掘3S技術在地下水系統數值模擬中的功能仍然是今后工作的重要內容。系統論、信息論在地下水研究中也將越來越重要。

如何將現有的各類計算方法和軟件逐步過渡到以柵格為計算空間單元的分布式模型上來，充分利用RS動態監測信息和GIS空間數據管理功能，實現地下水系統數值模擬模型與GIS和RS的集成，是今后的研究重點。應充分利用“數字地球”和國家空間信息基礎設施，將地下水系統納入“數字地球”、“數字國土”或“數字流域”體系。數值模擬軟

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日益增強，將融入更多功能強大的子程序軟件包。

地下水系統數值模擬模型結合地表水文模型、作物模型、流域生態模型、區域氣候模型、分布式水文模型、水平衡模型和隨機法模型等優勢，一方面彌補模型的缺陷，實現優勢互補，使物理基礎更加堅實；另一方面擴展模型的應用范圍，綜合集成管理模式的模型。

隨著勘探手段的提高，含水層特征參數的確定方法將不斷豐富，參數精度不斷提高，數值模型的標定方法及靈敏度的分析將更規范化。三維數值模型是未來發展趨勢，將越來越真實地概化實際的水文地質條件。新思維方法、數學方法、計算機軟件技術的應用將越來越快地提升地下水系統數值模擬方法的功能，有針對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態變化特征。通過地下水系統不同模擬方法的耦合和多學科的深入交流合作，地下水系統數值模擬方法將會有更廣闊的前景。

馮翠娥摘編自《水利水電科技進展》第26卷第1期，2006年2月

第二篇：地下水數值模擬研究進展和發展趨勢

地下水數值模擬研究進展與發展趨勢

摘要：地下水數值模擬的應用研究進展國外對地下水數值模擬的研究和應用較早，且理論、技術等各方面相對成熟，目前已經從“水量問題”的應用研究逐步過渡到“水質問題”的應用研究上，以解決各種更復雜的地下水問題。國內相關研究起步較晚、同國外存在一定的差距，主要應用研究在地下水位預測、地下水資源開發利用、地下水循環機制研究、地下水資源預報評價等水量、水位問題方面，但在加油站滲漏場、石油滲漏場、垃圾填埋場、工業廢料填埋場、礦區、核廢料處置場等污染場地污染物的遷移問題方面的應用研究逐漸增多，并已取得了一定的成果。

關鍵詞： 數值模擬、進展、發展趨勢

隨著計算機技術的快速發展，科學有效的數值計算方法在處理地下水污染、分析地下水資源評估等問題中的應用越來越廣泛;利用數值模擬軟件對地下水流等問題進行模擬，以其有效性、靈活性和相對廉價性逐漸成為地下水研究領域的一種不可缺少的重要方法［1］。尤其針對加油站滲漏場、石油滲漏場、垃圾填埋場、工業廢料填埋場、礦區、核廢料處置場等污染場地污染物的遷移問題，建立準確的數值模型進行預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，同時還可以為污染區實施污染防治與修復等優化配置提供科學技術支持［2］。

地下水數值模擬的應用研究進展國外對地下水數值模擬的研究和應用較早，且理論、技術等各方面相對成熟，目前已經從“水量問題”的應用研究逐步過渡到“水質問題”的應用研究上，以解決各種更復雜的地下水問題。國內相關研究起步較晚、同國外存在一定的差距，主要應用研究在地下水位預測、地下水資源開發利用、地下水循環機制研究、地下水資源預報評價等水量、水位問題方面，但在加油站滲漏場、石油滲漏場、垃圾填埋場、工業廢料填埋場、礦區、核廢料處置場等污染場地污染物的遷移問題方面的應用研究逐漸增多，并已取得了一定的成果［4］。

近幾十年來，隨著地下水科學和計算機科學的發展，地下水數值模擬也得到了快速發展，主要體現在：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場研究，大大豐富了地下水溶質運移的理論和方法，取得不少新的認識，并為發展和檢驗溶質運移理論和相應數學模型提供了大量數據（MacKay et al，1986； LeBlanc et al，1991； Bogga et al，1992；Zheng and Gorelick，2003）；隨機方法在非均質介質滲流和溶質運移的模擬中得到比較多的應用，從而加深、甚至改變了人們對此類介質中流體運動和溶質運移的認識（Dagan and Neuman，1997； Zhang D，2002）；通過多孔介質中水流運動、溶質運移和化學反應，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展（van Genuchten and Sudicky，1999； Yeh and Tripathi，1989； Barry et al，2002）。此外，計算方法也取得不少進展，但溶質運移模擬中數值彌散和振蕩問題的解決和地下水模擬逆問題的求解進展比較緩慢（Sun and Yeh，2007）。

由于種種原因，國內地下水數值模擬開展得比較晚，始于20世紀70年代初，當時文化大革命還沒有結束，所以從事這項工作困難重重，而且人也不多，主要來自高等學校和研究部門，以后才逐步擴展到產業部門。為了加快我國地下水數值模擬的發展，深切感到有必要

開展相互交流。于是利用一次在水文地質工程地質研究所開會的機會，在張宗祜所長的支持下，以肖樹鐵教授為首的幾個人（肖樹鐵、張蔚榛、薛禹群等）進行了醞釀，考慮到當時文化大革命結束不久，還是不成立什么組織為好，不定期在一起碰個頭，達到交流的目的就行了。參加人不要太多，也不叫誰負責。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（少數被邀請人沒有來，未列入名單的來了），水文所當時不好定人員名單，決定每次請張宗祜所長指定。每年輪流在一個成員所在地或由他選定的地方開交流會，交流國內外最新研究內容和進展、以及個人最近研究的心得體會或成果。交流活動按此原則進行之后，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”。進入80年代中期后，各類學會逐 漸恢復活動，這種最初的交流活動形式也就完成了它的歷史使命，在清華大學數學系舉行最后一次學術交流后就停止了。現在回想起來，成員有數學家、水文地質學家、水動力學家的這些活動具有鮮明的學科交叉特點，數學家對我國早期地下水模擬的開展起了很好的幫扶、促進作用，可以少走彎路，加快它的健康發展，對國內出現的少數不正確的苗頭也通過交流取得共識。我國地下水模擬所以能夠很快趕上國際先進水平，筆者認為和這個“神仙會”在早期為它奠定良好且正確的基礎是密不可分的。

二、三十年過去了，當年的參加者都已進入古稀之年，個別已作古，不少記憶已經模糊，這段歷史寫在這兒或許有益，也可供后人評述。目前我國地下水數值模擬的應用已遍及與地下水有關的各個領域，各類模型的研制能夠滿足國民經濟建設的需要，國際上出現的各類模型在中國基本上都有了，如各類常系數、變系數水流模型（薛禹等群，2007）、地下水污染模型（林學鈺等，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移行為的模型（如海水入侵條件下，交換陽離子運移行為模型）（Wu et al，1996）、大區域地面沉降模型（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-地表水聯合評價調度模型等等。運移和化學反應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。它們涉及的地質條件多種多樣，有潛水，也有承壓水，有單個含水層，也有多個含水層存在越流的情況，以及種種復雜的地質構造和巖相變化等。它們有二維的，也有三維的和準三維的。國外各類數值方法國內均有應用，少數數值方法還是將國外數學家的構思加以完善后直接應用于地下水模擬的（Ye et al，2004）、或由中國學者直接構思完成的，因而遠早于國外水文地質學者（Xue，1985；薛禹群等，1980）。隨機水文地質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，僅在個別領域接近國際前沿［3］。

如何考慮在下個十年應該優先發展的領域是值得我們思考的，很多國內外學者已經提出了很好的建議（中國地下水科學戰略研究小組，2009；中國科學院地學部地球科學發展戰略研究組，2008），筆者只是在這兒做些補充或拾遺補漏。要討論這個問題，首先要確定如何來遴選，原則是什么。遴選優先發展領域時先要考慮我國地下水科學的戰略定位是什么。我想應該是：在21世紀的整個地學發展中有所作為，為國家的可持續發展提供科學支持；取得地下水研究重大突破為目標，做出與中國作為世界大國身份相稱的貢獻；為保證國家社會、經濟發展安全供水，提供一定的資源量，實現地下水資源的可持續利用。同時，還要關注和參與當前國際水文地質學界關心的前沿科學問題。這是我們的定位，也是我們的展望。遴選時既要著眼于我國地下水科學需要解決的核心科學問題，又要考慮當前國際前沿科學問題。當前水文地質學需要解決的核心科學問題主要有：（1）地下水環境的演化和發展趨勢；

（2）地下水循環和地下水資源的可持續利用；（3）人類活動與地下水環境。1 期薛禹群：

中國地下水數值模擬的現狀與展望5水文地質學需要解決的核心科學問題找到后，解決其中涉及的地下水模擬問題就是我們需要優先研究的領域。其次，需要關注的就是當前國際前沿科學問題。綜合上述情況，可以遴選出需要優先研究的領域如下。

1）區域尺度不同地域單元地下水循環過程及其演化趨勢的數值模擬

查明區域尺度地下水循環過程及其演化趨勢，在此基礎上開展整個盆地大尺度水流和溶質運移過程的模擬，才有可能正確評估地下水的補給量，合理確定開采量，為整個盆地地下水資源的可持續利用奠定堅實基礎。

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

地下水污染問題日益嚴重，查明各類污染物在地下水中運移行為、有機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過程，并在此基礎上賞試通過模擬來再現這些過程，以便找出更有效的修復技術。

3）水文地質參數非平穩場的時空變異性和尺度效應

這是當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際需要，也有助于我們追趕國際先進水平。

4）含水層非均質性對地下水流動和污染物運移的影響，隨機理論的研究和應用這也是當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）地下水開發利用所引起的各類環境問題（地面沉降、地裂縫、海水入侵等）的模擬和預測

我國幅員遼闊，地質情況復雜，現有模型遠不能滿足各地生產實際的需要，何況有些模型，如地裂縫模型、反映生態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，從各地實際情況出發，研究符合中國國情的各類模型是當務之急，以便為預測和調控提供技術支撐。

6）地下水可持續利用、科學管理與決策模型

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雜的環境問題和生態平衡破壞，為保證地下水的長期、穩定的可持續供給以滿足日益增長的國民經濟發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性科學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，引起人們關注的非飽和帶多相流問題和介質非均質性非飽和帶中的水流和溶質運移過程直接影響與它相通的飽和帶中的水流和溶質運移過程；人類活動則通過非飽和帶間接影響地下水系統；反過來，地下水對地表水和生態系統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注的領域。

8）地下水模擬中逆問題的研究

由于含水層地質結構通常比較復雜、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，甚至成為建立和應用數學模型的瓶頸，需要對模型結構的確定、尺度選擇、參數識別、可靠性分析等問題加強研究，盡快取得突破。

為了中國地下水模擬領域的發展，迎頭趕上國際前進的步伐，有必要積極組織開展以上各方面的研究。很好完成這些項目以后，相信我國的地下水模擬事業必然會更上一層樓，到達一個新的水平，有可能普遍接近，而在一些領域則達到國際先進水平，做出與中國國際地位相應的貢獻［3］。

參考文獻

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第三篇：竹炭研究現狀和發展趨勢（模版）

竹炭研究現狀和發展趨勢

俞 佳 燕

（浙江臨安 311300）

摘要：本文主要講述了竹炭的起源，竹炭在國內外的研究現狀，竹炭炭化工藝和物理化學性質，竹炭的用途，同時結合竹炭產品開發的多樣性所涉及到食品行業，提出要人們慎食竹炭食品，根據竹炭的發展現狀，提出了竹炭的發展趨勢和幾點建議。

關鍵詞：竹炭、炭化工藝、竹炭用途、發展現狀、發展趨勢

竹炭（BC）是竹材高溫熱解的固體產物，空隙發達，比表面積大，具有很強的吸附能力，以及良好的導電性能。作為機能性的環境保護材料，竹炭由于其獨特的性質和產品的高附加值，越來越受到人們的重視，成為竹材研究領域的一個新熱點［1-2］。在大氣污染和水污染的治理方面具有廣闊的應用前景。它的出現不僅為竹材產業的可持續發展提供了一個新的研究和應用領域，同時也為環境保護提供了一種新型材料[3]，同時人們也逐漸意識到了竹炭在環境、保健、醫藥、高技術等領域有著潛在和廣泛的應用前景[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保和健康的生活。

在兩千多年前，中國在炭材料的使用上創造了世界奇跡。馬王堆木炭的應用就是中國古代使用木炭杰作之一。中國的先民們就已經知道炭的防腐作用。在1972年3月，湖南長沙東郊，中國考古學家發掘了馬王堆一號漢古墓時，墓葬兩千多年的軟侯夫人的肌膚狀態仍如同剛剛死去。考古學家究其原因，是因為墓葬當時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，各關節可自由彎曲。

無獨有偶，在日本的古墓中也發現了使用炭保存遺體的辦法，那些遺骨和木乃伊的狀態十分理想。雖然津輕承公的完整的木乃伊狀態只有死后一千年的歷史，但也證實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.竹炭發展研究現狀

竹炭這種新型環保產品幾年前首先在東南亞地區興起，逐步風靡日本、韓國、臺灣、新加坡。竹炭產品在國內是在2003年“非典”以后逐步進入市場的。

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

我們對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有十來年的歷史了。目前世界上竹炭的消費主要在日本、韓國、新加坡、臺灣等國家和地區，這些市場對竹炭的需求基本穩定。在那里，人們已經很習慣將竹炭列為生活日用品之一，他們特別認可竹炭的環保和保健功能，所以，竹炭店到處都是，頗受大家的歡迎。

我國竹炭的生產主要集中在浙江、福建和江西等地，目前的生產廠家有幾十家，但大都是近2-3年發展起來的，一般是采用采購原炭，自己生產各種制品。只有20-30%的廠家是10多年前生產木炭的企業改變產品而來，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。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。

日本竹炭和竹醋協會名譽會長、京都大學木質科學研究所科學家野村隆哉是這方面的專家。他認為，由于工業文明對生態系統的破壞等全球性環境問題日益突出，天然素材在炭化后所產生的碳結構的物理和化學功能正在受到高度重視。如竹炭的固體表面的物理性質、竹炭的固有振動產生的微弱電磁波與人體的共鳴現象、竹炭的半導體功能和屏蔽電磁波功能及負離子效應等，竹醋對過敏性皮炎和糖尿病等疾病的療效、促進毛發生長作用、對植物的生理活性功能等。野村隆哉主張對這些物理和化學機理進行研究，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。浦銀治認為竹炭對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。佐久間對竹炭的熱水冷卻試驗，發現加了竹炭的熱水不容易變涼，認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，對于如白粉病等某些植物病害也有抵抗作用。由日本農山漁村文化協會出版的《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于竹炭和竹醋的研究和應用情況。作者池島庸元說，竹炭和竹醋今后在環境保護、農業和醫療等方面可望發揮新的作用[6]。

在韓國國內，有人在做飯時，將竹炭包在紗布內放入飯中，煮出的飯味兒更[5]香；泡澡的水里放上一點竹炭，全身倍感融融暖意。韓國許多工廠生產的健康枕頭，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，盆栽土里摻進豆粒大小的竹炭，能為植物提供健康的生長環境。對庭院樹木，則增強了抗病蟲害的能力。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保時尚產品，不僅在新加坡的軍工、醫藥等行業得到廣泛應用，更多的是在生活消費領域的應用，它以其獨特的健康保健作用被大多數消費者所接受，成為一種健康消費時尚。目前在新加坡市場上有 12 大系列 100 多個品種。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。

哥倫比亞對于竹炭速干布料的研制，已成功生產出竹碳內衣。它的保暖，是因為使用的材料是納米級的遠紅外線纖維，能吸收外界與人體的體溫，達到蓄熱保溫的功能，工研院檢測發現，竹炭紗的調節溫度效果為一般棉制品的一倍。竹炭內衣中竹炭紗還能有促進血液循環，塑身保健減肥，紡織研究所研究發現，竹炭服飾可以提高人體淺層微血管內的血液流量約30%，有效降低疾病的風險。而血液循環好，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

關于竹炭和竹醋液的研究是近幾年剛剛興起的新的研究領域，由于竹子的分布特性所決定，使對竹炭的研究具有很強的區域性。國內對竹炭的生產和研究主要集中在浙江、江西、福建一帶。

在竹炭的機能性機理的研究方面，張齊生院士領導的研究小組對竹炭的構造、機能以及對飲用水的凈化做了比較詳細的研究[8-9]。另外，許多科研單位的研究人員對竹炭的生產和應用方面做了大量的研究。葉良明教授等主要針對竹炭的燒制進行研究 [10-11]；還有其它學者對竹炭的含水率、揮發成分、竹醋液的成分等指標進行了檢測[12]。

此外，還可利用竹炭開發醫藥保健品。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、調溫調濕作用、抗菌和殺蟲的作用。在醫藥上利用竹醋液作防菌殺菌劑和治療皮膚病等醫藥原料，提取甲醇和醋酸等作化工原料，其他還有染料媒染劑、動物除臭劑、農藥添加劑、發根促進劑、土壤改良劑、動物營養劑等。2.3.1竹炭在浙江

中國的竹炭產業發展前景寬闊。生產企業生產主要集中在江浙沿海一帶，僅浙江省為例。在五、六年時間內，浙江的竹炭生產產業發展迅猛，比較有名的企業主要集中在遂昌、衢江、安吉、寧波和慶元等地，年產量達3000t以上，產值達3000-4000萬元，竹炭品種開發也不斷深入，目前已開發出建筑、環保、保健、工藝、化妝等6大類100多個品種的竹炭產品，浙江省已成為竹炭產業發展的重要生產與貿易基地，并且成為山區林業產業經濟發展的新亮點[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、腔壁結構、組成物質都有一定的差異，同時竹材的材性又受竹齡、立地條件、氣候環境的影響。竹材中含大量糖類等營養物質，易發生霉蛀。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，可結合窯體的實際情況，準確控制窯溫，尤其是精煉溫度，它是竹炭品質的重要指標，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，分解反應劇烈進行。溫度達500℃時，分解反應基本結束。與木材一樣，竹材的熱分解過程，包括四個階段：

1.水分蒸發或干燥階段

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逸散，但竹材的化學組成，沒有明顯變化；但隨著加熱時間的延長，竹材中的戊聚糖含量是可能降低，竹材的物理力學性質有所改變。

2.預炭化階段

加熱溫度為150--270℃，竹材受熱分解速度加快，其中的化學組成發生明顯的分解反應，比較不穩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。上述兩個熱分解階段，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℃，竹材熱分解反應劇烈，伴隨產生大量的熱分解產物，生成的氣體中，CO2和CO的量逐漸減少，而碳氫化合物如甲烷、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熱，稱為放熱反應階段；而放熱反應溫度隨加熱速度而異。

4.煅燒階段

溫度繼續升高到450℃以上時，生成的液體產物已經很少，這個階段借助外部的熱量，除去殘留在木炭中的揮發物質，及木炭的煅燒。

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

經冷卻出窯的竹炭，因竹炭的吸水性強，如果儲存環境潮濕，空氣混濁，竹炭大量吸水、吸味，這無疑會影響產品的功效。所以應選擇空氣干燥清潔的倉庫，并根據出窯日期、精煉度的不同分類堆放。3.4加工

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

竹炭同竹材外觀上相比，纖維素束外鞘變得致密，纖維素細胞腔中一些揮發物質減少。竹炭主要是由碳、氫、氧等元素組成，呈六角形，質地堅硬，細密多孔。炭化后的竹材仍然基本上保持密實狀態[15]，外表面仍然保留著竹材表皮粗糙不平的顆粒狀態，繼承了竹材的多孔狀和各向異性構造特征，但是竹材基本組織細胞的細胞壁間隙消失，細胞壁變薄[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350m2，是木炭的2.5～3倍，若進一步活化成竹活性炭，則其比表面積可達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。在吸濕解析的高溫區域，竹炭的調濕能力比木炭強。

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:竹炭經水蒸氣法活化處理后具有均勻的細孔狀結構，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)住宅環境材料:大理石，花崗巖，磁磚類建材，表面容易結露，而三夾板類又容易霉爛蟲蛀。用竹炭裝填地面和墻壁，由于竹炭對空氣中水分的吸濕和解吸調節，加上竹炭的負離子作用，能保持住宅內部環境舒適宜人，心神安定。也茶館以此來吸引顧客。

(4)水質處理: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境的極好例子[20]。

(5)健康和美容上的應用: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，由于商家標榜該類食品具有吸附人體內有害物質，凈化血液中毒素的功效，引起了不少消費者的興趣。

有關專家認為，炭可以吸附微小顆粒，在中醫上從古至今有很多的應用，但是竹炭在中醫領域卻鮮用于臨床。根據竹炭食品的宣傳，竹炭可以吸附人體內有害物質，凈化血液中的毒素，還有助于人體消化排泄，清潔腸道，具有排毒養顏之功效。其在理論上是成立的，但在實踐中將竹炭粉添加進食品中就具備種種保健功效，并沒有相關的科學實驗作為依據。有關資料顯示：目前尚沒有任何關于食用竹炭粉對人體有益的報告（包括動物實驗的報告），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發生復雜的化學反應，產生許多復雜化合物，其中焦油就是一種致癌物，必須再精制后才能將焦油除去，若將不當加工后的竹炭或竹醋液直接拿來食用是非常危險的行為。另外，竹炭在加熱分解時所產生的甲醇亦有毒性。食用竹炭后，細微顆粒很可能吸入肺里，吸附在肺葉上，而且它吸附性極強，吃下去后很難排出體外，容易形成“塵肺”。有鑒于此，專家認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，不要被表象迷惑，對于食用竹炭食品應采用謹慎的態度[22]。

7.竹炭的發展趨勢及建議

日本京都大學的野村隆哉進行過竹炭燒制的前處理研究。他對炭材進行煙熏前處理后發現 ,經過煙熏前處理的炭材燒制的竹炭質量好；根據竹炭的不同功用，可以通過控制炭化溫度來實現目的；對炭化的工藝和設備的研究方面，主要集中于土窯、簡易爐和連續式干餾爐；研究竹炭的機能性及利用竹炭機能性開發新型材料，比如開發凈水和空氣凈化炭以及制作內含竹炭粉的枕頭、帽子、墊子等生活用品和農林業的應用研究；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律；竹炭產生遠紅外線的能力及其遠紅外線的波長；竹炭凈化空氣和調節空氣濕度的機理和規律等。為了使竹炭及其制品能走進千家萬戶，建議：

(1）引進先進技術，完善我國竹炭生產工藝

竹炭燒制和產品開發是一個新興產業，目前已具一定規模，實現了初步產業化，但是我國現行的竹炭生產工藝和技術存在較多的問題，如原料的確定，不同培育方式、不同竹齡的竹材對熱解工藝的影響，窯溫的控制，竹材熱解產品得率等。建議引進國外的先進技術，可大大增強市場的競爭力。

(2）重視深加工，開發新產品提高制品附加值

對竹炭進行化學深加工，并開發竹炭、竹醋系列新產品。據報道，日本已生產出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，透氣性好等優點。中國臺灣省也準備投資200萬新臺幣，購置其生產設備與日本共同生產竹炭纖維。竹炭纖維的問世，使竹子的附加值更進一步得到提升。

(3）加強生產的自動化研究，開發竹炭生產配套設備

要提高產量,生產高質量的竹炭，需要先進的設備。日本在設備制造方面處于世界的領先地位，但是技術較復雜，成本高，所以制造商必須在現有的設備之上，進行改良，使其更適合于我國竹炭企業，也適合于出口到一些經濟不夠發達的竹子大國，如印度、非洲、南美等地。

(4）重視環保建設，充分利用竹炭加工剩余物

可以用竹材炭化過程中以鼓風爐吸引生成的甲烷氣體，先除去氣體中的焦油及粉塵，再送至氣輪發電機發電。另外，在竹材炭化及發電過程中，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換成溫熱水予以回收，使竹材炭化過程中的材料、水蒸汽、熱等都不浪費。

(5）加強理論研究，開拓竹炭應用新領域

由于對竹炭機能性機理的研究目前才剛剛開始,現今開發的竹炭制品許多特點沒有充分的科學依據作支撐，加之對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用研究不僅可以使人們從科學的角度來認識和了解竹炭，還必將促進市場的廣泛開發。

(6）規范市場機構，完善竹炭相關標準體系

目前我國尚未有有關竹炭的健全的國家標準和企業標準，為了進一步加強竹炭生產和管理，以利于竹炭的推廣應用，穩定竹炭質量，作為指導生產和交貨依據，制定和完善竹炭的相關標準勢在必行。同時，國家應該成立全國性的竹炭方面的專業技術機構，規范竹炭市場，保護國內廠商的利益。

(7）普及竹炭科學，增強竹炭產品推廣力度

我國竹炭年產量中只有1/3銷于內地市場，大部分銷往日本、韓國、中國臺灣省等地，內地很多消費者不知道有這樣一種產品，相比而言，竹炭在日本、韓國、中國臺灣省等地就極流行，已經成為居家的生活用品。應該針對目前家具裝修與水污染等誘發的疾病問題，突出宣傳竹炭凈化水質與空氣的功效，慢慢地讓竹炭走進千家萬戶，使竹炭業盡快發展壯大起來[3]。8.小結

綜上所述，竹炭是一種性能良好、有著廣闊發展空間的多功能材料和環境保護材料，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，我國竹炭產業迅猛發展，已成為林區林業增效、林農增收的新途徑。竹炭可用于農業、環保、醫學、紡織、保健等領域，但我國的竹炭研究剛剛起步，竹炭改性還未產業化，市場前景廣闊，應加大科研投資力度，將其廣泛推廣，造福人類[4]。

參考文獻：

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第四篇：防水涂料的研究現狀和發展趨勢

防水涂料的研究現狀和發展趨勢

時間:2006-08-17

關鍵詞:防水 涂料 研究 現狀 發展 趨勢

建筑防水材料是建筑材料的一個重要組成部分 , 屬于功能性材料 , 建筑物和構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 , 在工程總造價中防水工程造價達到 15 % 以上 , 特別是地下室的防水造價比例已達工程總造價的 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(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 , 新建工程當年滲漏率都在 10 % 左右 , 國家每年用于防水方面的維修費將近20 億元。建筑防水效果的好壞 , 關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步 , 先后開發了油膏類、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。將涂料單獨或與胎體增強材料復合 , 分層涂刷或噴涂在需要進行防水處理的基層表面 , 即可在常溫條件下形成一個連續無縫整體且具有一定厚度的涂膜防水層 , 從而能滿足工業與民用建筑的屋面、地下室、衛生間和外墻等部位防水抗滲要求。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復合材料等為主要成膜物質 , 摻入適量的顏料、助劑、溶劑等加工制成的溶劑型、水乳型或反應型的 , 在常溫下無固定形狀的黏稠狀液態或可液化的固體粉末狀態的含高分子合成材料的復合材料。

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)、無機類、聚合物水泥類等 5 大類。按其狀態與形式 , 大致可分為溶劑型、反應型、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的高分子材料是以溶解于(以分子狀態存在于)有機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或涂料組分間化學反應成膜的 , 因此施工基本上不受氣溫影響 , 可在較低溫度下施工。涂膜結構緊密、強度高、彈性好;防水性能優于水乳型防水涂料。但在施工和使用中 , 有大量的易燃、易爆、有毒的有機溶劑逸出 , 對人體和環境有較大的危害 , 因此近年來應用逐步受到限制。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)反應型防水涂料

反應型防水涂料其作為主要成膜物質的高分子材料是以預聚物液態形式存在。反應型防水涂料是通過液態的高分子預聚物與相應的物質發生化學反應成膜的一類涂料。反應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 , 因此單獨列為一類。反應型防水涂料通常為雙組分包裝 , 其中一個組分為主要成膜物質 , 另一組分一般為交聯劑。施工時將兩種組分混合后即可涂刷。在成膜過程中 , 成膜物質與固化劑發生反應而交聯成膜。反應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。反應型防水涂料的主要品種有聚氨酯防水涂料與環氧樹脂防水涂料兩大類。其中環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 , 但價格較貴且耐老化性能不如聚氨酯防水涂料。反應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 , 隨著水分的揮發而成膜。乳液型防水涂料其主要成膜物質高分子材料是以極微小的顆粒穩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和乳液顆粒融合完成 , 無有機溶劑逸出 , 不污染環境 , 不燃燒 , 施工安全 , 其價格也較便宜 , 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、隔熱性以及耐化學腐蝕性。Kyminas 等 [ 8 ] 制造出了堅固耐用的屋面防水涂料 , 主要用于長期受風雨侵蝕屋面的防水。基料為含有石油瀝青、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、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 , 并降低了室內溫度。

Roberts 等 [ 9 ] 研制的墻面防水涂料是通過對含有 4 ～ 6 個碳原子的脂肪族烯烴或脂肪族二烯烴進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、耐化學腐蝕性、抗拉強度高、延伸率高等優點 , 主要用于地下室的防水。施工時 , 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和應用乳液瀝青防水涂料的基礎上 , 又成功開發了一種以改性的優質氧化瀝青為主要原料 , 摻入適量的化學助劑、填充劑、石油溶劑和乳化劑等 , 經過特殊的加工工藝 , 制成了一種高固含量(73 % 以上), 能在潮濕基層或雨中進行施工 , 并容易涂抹的厚質防水涂料。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 , 對屋面進行防水堵漏的施工作業 , 能發揮救急的作用 , 很受用戶歡迎 [ 10 ]。美國創高公司生產的一種不含揮發性有機溶劑的單組分聚氨酯防水涂料—— 創高 60 , 該涂料可根據設計要求 , 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品阻熱防水涂料 , 當它在金屬物體上使用時 , 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 , 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 , 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 , 又能對原有防水層起到保護作用 , 并能反射紫外線和太陽光 , 不但可以降低頂層房屋的室內溫度 , 節省空調費用 , 而且可以延長防水層的使用年限 , 目前已成為房屋建筑業主樂意選用的功能型防水涂料之一 [ 10 ]。

3.2 我國研究現狀

我國防水涂料的開發和應用始于 20 世紀 60 年代 , 當時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量不夠穩定 , 施工方法不規范、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用 [ 10 ]。20 世紀 70 年代 , 北京建筑工程研究院開始研制聚氨酯防水涂料 , 該類涂料發展非常迅速 , 每年以 18 % 的速度增長 ,1994 年產量為 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 ]。據調查 ,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 ]。但煤焦油是一種復雜的混合物 , 它含有蒽、菲、咔唑、吡啶等數百種組分 , 眾多的揮發組分嚴重污染環境和危害人體健康。因此 ,近年來北京和上海等城市已相繼發文禁止使用焦油聚氨酯防水涂料。在此背景下 ,1998 年建設部將非焦油型聚氨酯防水涂料列為全國住宅推薦產品 13 種防水涂料之一 , 從而極大地推動了聚氨酯防水涂料在我國的推廣應用和健康發展 [ 12 ]。

上海匯麗化學建材廠、天津大學化工實驗廠、蘇州非金屬礦業研究院防水材料研究所等單位生產雙組分聚醚型聚氨酯防水涂料 [ 13 ]。山西省建筑科學研究院成功研制出環保型水性瀝青

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品之一 [ 15 ]。上海復旦大學材料科學系研制的丙烯酸酯防水涂料于 1991 年應用于深圳火車新客站篷面的防水工程 ,1992 年應用于復旦大學微分析中心樓的屋面上 ,1994 年以后陸續應用于復旦大學材料二樓、李達三樓、新化學樓、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 ]。武漢現代工業技術研究院成功研制開發了一種新型水泥基防水涂料—— WGB 長效復合彩色防水涂

料 , 并通過了武漢市科委組織的專家會議鑒定。WGB 長效復合彩色防水涂料是由一種硅丙樹脂與 VAE 乳液經特殊工藝復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、耐久性和有機硅防水劑的強基體滲透性等各種防水材料的優點。具有高彈性、高抗拉強度 , 與基層結合牢固 , 并能克服基層開裂、變形所產生的滲漏問題。可達到長期防水效果。試驗表明 , 有效防水期可長達 30 年。同時該涂料為水性涂料 , 無毒、無污染 , 可調制成各種顏色 , 能起到美化環境的作用 , 是一種綠色環保產品。該涂料還具有應用面廣、施工方便、綜合成本低的優勢 , 適用于屋面、衛生間、地下室、內外墻、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 , 還解決了現有的一些高分子防水材料成本過高、施工難度大、推廣應用困難等問題 [ 17 ]。2003 年 2 月成都健生化工有限公司研制生產出高性能新型綠色環保丙烯酸酯防水涂料 , 據悉 , 該產品已獲得國家建設部和四川省建設廳的批準 , 目前已經正式批量生產 , 全面投放市場。該產品無毒、無味 , 具有優異的耐老化性、粘附性、耐冷熱、耐堿性、耐低溫性等特點 , 各項技術指標均達到了國家的相關標準 , 它能夠廣泛應用于新舊建筑地下室、屋面及墻體、廚衛間、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 , 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。因此建設部將其列為 “ 八五 ” 科技成果向全國建筑業推廣 [ 19 ]。從 20 世紀 70 年代末開始 , 隨著我國科學技術進步和化學建材工業的發展 , 防水涂料也獲得了迅速發展 , 到目前為止 , 關于防水涂料的發明專利有 120 項之多 , 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 ] 以及無機防水涂料 [ 35-36 ] 等 , 形成了化學反應固化型和溶劑(包含水)揮發干燥型等性能不同、形態不一的多類型、多品種的格局。到目前為止 , 有一定生產規模的防水涂料生產廠共有 200 家左右 , 每年生產總量已超 過 15 萬 t。主要應用于工業和民用建筑的衛生間防 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 , 在國家化學建材推廣應 用 “ 九五 ” 計劃和 2010 年發展規劃綱要中已明確列為 “ 適當發展防水涂料 ” 的目標要求。發展趨勢

4.1 產品功能多樣化

目前使用的絕大多數防水涂料的功能比較單一 , 即防水抗滲。而且施工必須在無明水的基材表面和非下雨天進行。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行施工。

4.2 產品對環境友好

當前的防水涂料大多為溶劑型。防水涂料中含有大量的有機揮發物 , 在配漆和施工過程中 , 大量 VOC 排向大氣 , 造成污染。同時施工人員在施工過程中不可避免地會吸入部

分 VOC。VOC 對人體的健康危害很大。它們不但對皮膚具有侵蝕作用 , 而且對人體中樞神經系統、造血器官、呼吸系統有刺激和破壞作用 , 可引起頭疼、惡心、胸悶、乏力、嘔吐等癥狀 , 嚴重時會抽搐、昏迷甚至死亡。因此 , 世界上主要的涂料生產國紛紛出臺了限制 VOC 排放的法規。生產低 VOC 對環境友好的防水涂料已是大勢所趨。通常實現低 VOC 的途徑有 3 種 : ① 用水代替揮發性有機溶劑;② 提高固含量;③ 發展粉末涂料。

4.3 產品性能更加優異

由于技術、施工等方面的原因 , 目前的防水涂料產品性能相對較差 : 拉伸強度較低 , 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性能較高、對基層伸縮或開裂變形適應性較強的方向發展。

4.4 發展納米復合防水涂料

像防水涂料這樣的外用涂料 , 對涂料的耐老化、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。經納米材料改性后的防水涂料產品外觀顯得更加飽滿、勻和 , 涂膜光潔細膩 , 觸感優良 , 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、耐洗刷性能非常優越。武漢理工大學的余劍英 [ 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 : 將無機納米粒子改性劑加入基料中 , 在超聲波作用下進行分散 , 然后加入鈉基蒙脫土高速攪拌進行插層復合 , 最后加入填料再經攪拌、研磨、過濾而制得。該涂料既具有優異的力學性能和防水性能 , 又具優良的抗紫外線能力 , 能夠顯著延長屋面防水工程的使用壽命。結 語

我國城市基礎設施改造和住宅工程建設的迅猛發展 , 以及大型建筑工程的發展 , 為防水涂料的應用和發展提供了廣闊的前景;同時防水涂料產品功能和性能的不斷提高以及施工技術的機械化亦為建筑工程的防水提供了可靠的保障。

第五篇：生物制藥現狀與發展趨勢研究

生物制藥技術現狀與未來發展趨勢研究

學生姓名 張溢峰

班 級 生物技術132 專業名稱

生物技術

學院名稱 生命科學與技術學院

指導教師 李文蘭

提交日期 2016年1月15日

廣西大學生命科學與技術學院

2016年 1月

摘要：生物技術藥物(biotech drugs)又稱為生物藥物(biopharmaceutics)。以組合化學、藥學基因（功能抗原學、生物信息學等高技術為依托，融合了醫學、生物學、藥物學等先進技術，以分子遺傳學、分子生物、生物物理等基礎學科的突破為后盾形成的產業。生物制藥技術將對生物技術藥物的創新與發展產生十分重要的影響和作用。筆者總結了生物制藥的現狀，生物技術藥物的分類，生物制藥的發展趨勢，我國生物技術制藥的發展方向，并展望了我國生物制藥行業的前景。

關鍵詞 ：生物制藥技術；發展趨勢；發展；現狀；研究；生物技術

“21 世紀是生物的世紀”這一觀點已經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實。生物制藥是指運用微生物學、生物學、醫學、生物化學等的研究成果“從生物體生物組織細胞體液等”綜合利用微生物學、化學、生物化學、生物技術、藥學等科學的原理和方法制作的一類用于預防、治療和診斷的制品。其中最為主要的是基因工程方法，即利用克隆技術和組織培養技術，對DNA進行切割、插入、連接和重組，從而獲得生物醫藥制品。生物制藥產品主要包括三大類：基因工程藥物、生物疫苗和生物診斷試劑。其在診斷、預防、控制乃至消滅傳染病，保護人類健康延長壽命中發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物的人工進化以及改善生態環境對人類的影響等，產生新的有機生命的研究也會取得進展。

目前,生物制藥產業已經成為21世紀最具前途的產業之一, 是生物工程應用研發中最活躍和進展最快的領域。生物制藥行業具有高技術、高投入、高風險、高收益、周期長等特點。世界上許多國家都把生物技術產業作為優先發展的戰略性產業之一,不斷加大對生物制藥產業的政策扶持與資金投入。生物藥物的陣營很龐大，全世界的醫藥品已有一半是生物合成的，特別是合成分子結構復雜的藥物時，它不僅比化學合成法簡便，而且有更高的經濟效益。它的發展將幫助人類解決很多當前無法人類疾病，同時還可以改革食品的生產過程，徹底消除人類的營養不良。這些將極大的延長人類壽命，改善人們的生活。

一.生物制藥的現狀

目前生物制藥主要集中在以下幾個方向： 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54.7萬。用于腫瘤的治療費用1020億美元。腫瘤是多機制的復雜疾病，現在仍主要運用早期診斷、手術、放療、化療等手段進行綜合治療。今后10年抗腫瘤生物藥物會迅速增多。如利用基因藥物抗體抑制腫瘤的發展和擴散，如利用導向IL-2受體的融合毒素治療CTCL腫瘤，如利用基因治療法對腫瘤進行治療(使用γ-干擾素基因對骨髓瘤的治療)。基質金屬蛋白酶抑制劑(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種化合物進入臨床試驗。神經退化性疾病 現在利用生物技術治療老年癡呆癥、腦中風、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期臨床實驗。神經生長因子(NGF)和BDNF(腦源神經營養因子)用于治療末稍神經炎，肌萎縮硬化癥，均已進入Ⅲ期臨床。全國每年中風患者大概60 萬，每年死于中風患者達15 萬。中風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已被證明能對中風患者的腦力有顯著改善和穩定作用，已經進入Ⅲ期臨床試驗。自身免疫性疾病

許多炎癥由自身免疫缺陷引起，如哮喘、風濕性關節炎、多發性硬化癥、紅斑狼瘡等。我國風濕性關節炎患者多達4000 多萬，每年花費巨額醫療費，很多制藥公司正對這類疾病進行研究。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，已進入Ⅱ期臨床;美國Cetor′s 公司開發出一種用于治療風濕性關節炎的TNF-α 抗體，治療的有效率達80%。還有的公司在應用基因療法治療糖尿病，如將胰島素基因導入患者的皮膚細胞，再將細胞注入人體，使工程細胞產生全程胰島素供應。我國每年有接近一百萬人死于冠心病，每年都要花費高額的治療費。今后10年，防治冠心病的藥物將是制藥工業的重要增長點。Centocor′s Reopro公司應用單克隆抗體治療冠心病的心絞痛和恢復心臟功能取得成功，這標志著一種新型冠心病治療藥物的延生。隨著基因組科學的建立以及基因操作技術的迅速發展，目前基因治療與基因測序技術正在進行商業化開發，推動了治療學的發展。轉基因技術用于構造轉基因植物和轉基因動物，已逐漸進入產業階段，用轉基因綿羊生產蛋白酶抑制劑ATT，用于治療肺氣腫和囊性纖維變性，已進入Ⅱ，Ⅲ期臨床。大量的研究成果表明轉基因動、植物將成為未來制藥工業的另一個重要發展領域。

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、動物、植物、海洋生物等。所以說,生物藥物(或稱生物技術藥物)是集生物學、醫藥學的先進技術為一體,以化學、藥學基因等高技術為依托,以分子遺傳學、分子生物學等基礎學科的突破為后盾所形成的產業。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行分類。其一，重組蛋白質和重組多肽藥物：即利用DNA重組技術，將重組對象的基因插入載體，拼接后轉入新的宿主細胞，構建成工程菌（或細胞），實現遺傳物質的重新組合，并使目的基因在工程菌內進行復制和表達，最后將表達的目的產物純化并做成制劑，得到重組多肽、蛋白質類藥物。其二，重組DNA藥物：基因治療是指向靶細胞或組織中引入外源基因DNA或RNA片斷，以糾正或補償基因的缺陷；關閉或抑制異常表達的基因；刺激產生相應的抗體，從而達到治療和預防疾病的目的。其三，其他生物技術藥物：如微生態制劑，另外還有利用生物技術生產的血液代用品、腫瘤疫苗等等。三.生物制藥的發展趨勢

現代生物技術已對醫藥產業發展產生了革命性影響，生物產業是一個以科學為基礎的產業，它對工藝的依賴性低，對基礎工業的要求相對較低。自從人類基因組計劃完成以耒，結構基因組，功能基因組，蛋白質組等研究計劃相繼起動。這為生物技術的發展注入了強大的活力。各國對此十分重視，并把生物技術產業的發展作為國家經濟發展中新的增長點之一。

生物學的革命不僅依賴于生物科學和生物技術的自身發展，而且依賴于很多相關領域的技術走向。盡管生物技術的高速發展使人們難以作出準確的預測，但是基因組圖譜、克隆技術、遺傳修改技術、生物醫學工程、疾病療法和藥物開發方面的進展正在加快。

各種新技術的出現有助于新藥物的開發。計算機模擬和分子圖像處理技術相結合可以繼續提高設計具有特定功能特性的分子的能力，成為藥物研究和藥物設計的得力工具。藥物與使用該藥物的生物系統相互作用的模擬在理解藥效和藥物安全方面會成為越來越有用的工具。

到下世紀初生物技術藥物的種類數目尚不會超過一般藥物的總數，但生物技術制藥公司總數將超過前10年的6倍。

藥物的研究開發成本目前已經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。這樣高的成本會迫使醫藥工業對技術的進步進行巨大的投資，以增強醫藥工業的長期生存能力。

總之，綜合多學科的努力，通過新技術的創立可以大大拓寬發明新藥的空間，增加發明新藥的機遇與速度。因為這些手段可以尋找快速鑒定藥物作用的靶，更有效地發現更多新的先導物化學實體，從而為發明新藥提供更加廣闊的前景。

四.我國生物技術制藥的發展方向

我國生物醫藥產業還相對落后,但是國家和地方政府都在不斷加大對該產業的發展力度,從政策和資金等各方面給予其便利。當前,我國已將生物制藥作為經濟發展的重點建設行業和高新技術的支柱產業來發展。當前一些科技發達或經濟發達地區正在不斷建立國家級生物制藥產業基地,并初步形成了初具規模的生物醫藥產業集群,這對我國的生物醫藥產業發展起到了很好的帶動作用。總體而言,中國生物制藥產業未來充滿希望,前景看好,中國的生物制藥產業將呈繼續增長態勢。

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

五.我國生物制藥行業的前景

（1）創投機構看好中國生物制藥領域全球金融危機加劇，讓創投機構在中國的腳步變得格外謹慎。但于北京舉行的“2008ChinaVenture中國投資年會”上，以生物制藥為代表的醫療領域，卻被參會的創投精英一致看好。（2）眼光盯準生物新領域

雖然政府一直在鼓勵創新研究，但是國內新藥非常少，大部分都是舶來品。《規劃》提出，“十二五”期間，將重點突破一批藥物創制關鍵技術和生產工藝，完善新藥創制與中藥現代化技術平臺，建設一批醫藥產業技術創新戰略聯盟，基本形成具有中國特色的國家藥物創新體系。（3）前途光明，道路曲折

從歷史情況看，產業政策在很大程度上決定了醫藥行業的景氣度。已出臺的《生物醫藥產業發展“十二五”規劃》將會在產業發展方向和財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藥行業，我們認為：第一，中國生物醫藥市場空間依然廣闊，第二，政策將引導行業走向更高層次的創新之路，第三，生物醫藥企業、尤其是中成藥企業的類消費品化趨勢亦會更加明顯，第四，研發成本上升及周期加長，使得跨國藥企的產業重心轉移至中國，同時中國企業也將進一步嘗試走向規范市場。

六.結語

生物制藥是21世紀最核心的高新技術之一,，過去我們由于閉關鎖國而錯過工業革命的發展良機，由于文革而痛失信息技術革命帶來的黃金發展機遇,，現在我們不能再次喪失生物技術帶來的這次飛躍式發展機遇。我們要清醒認識到自身的差距與不足，找出制約我國生物制藥發展的瓶頸，大力發展動物細胞大規模培養技術和治療性抗體研究與開發的上中下游技術，把握機會, 實現跨越式發展。相信在完成人體基因組測序后，從人體基因組中尋找開發各種新藥，將是一個激動人心的壯舉。

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