城市河流生态流量核算对于水资源规划和河流保护非常重要。以往城市河流生态流量核算方法侧重于满足物种生境维持和污染物稀释的需求。然而，城市河流中很少存在需保护的物种，同时大量城市河流为混凝土化渠道，无需考虑物种生境维持需求；另外，随着城市水污染防治工程的建设，一些城市河流的污染问题可得到有效的控制。对于这类城市渠化河流，如果沿用以往的生态流量核算方法，即从物种生境和污染物稀释的角度来确定生态流量，生态流量的核算结果将很小，潜在地降低了未来水资源分配和管理中对河流生态保护的重视程度。为了更有效地核算渠化城市河流的生态流量，除了满足污染物稀释的需求外，本研究依据河流纵向水文连通程度的不同（高、中、低），提出了3 种情景下的生态流量核算方法。在高水文连通情景下，生态流量旨在维持一定的水流流速，以确保河流的自净能力并减缓藻类的繁殖；在中水文连通情景下，生态流量旨在维持城市河流中被拦水堰分割河段之间的纵向水力连通性，以确保河流中的物质、能量和信息间的交换；在低水文连通情景下，设计的生态流量将进一步减小，改为间歇地向城市河流补水，旨在满足被拦水堰分割河段间的间歇性连通。本研究以十五里河为研究案对象，研究结果表明新建立的生态流量核算方法可以提供更加精确、符合实际的生态流量核算结果，并为生态补水工程的建设和管理提供有效的指导。
本研究旨在设计、建造和测试一个中试规模的浮动模块化处理系统，并用以对美国佛罗里达州中部富营养化湖泊中的总磷（TP）进行去除。该处理系统由生物和物理-化学处理模块组成。用多种底物和水生大型植物组合构建了13种不同的中宇宙实验（mesocosm），分别测试了总磷（TP）和正磷（PO4
3−）的去除率及潜在的区域去除率。此外本研究对7 种吸附介质进行了小型杯罐实验和柱实验，并对3种商业树脂进行了吸附能力的测试。完成这些独立的测试过程后，在佛罗里达中部的一个湖泊中，设计了一个浮岛处理系统（FITS）并运行了8个月。中宇宙实验对磷的平均去除率为40%~50%，平均去除量为5.0 g·m–2·a–1。其中沉水植物（SAV）系统和藻类洗涤器（AGS）效果最好，分别去除了20 mg·m–2·d–1和50 mg·m–2·d–1的磷，它们对磷的平均去除量分别为5.5 g·m–2·a–1和12.0 g·m–2·a–1。在吸附介质中，明矾渣（AR）的性能最佳，接触5 min 后，PO43−浓度降低了75% 左右。在所测试的商品树脂中，PhosX 树脂的去除效果最好，在30 min后去除了约40%的磷，60 min后去除了约60%的磷。在基线运行条件下展开实验，FITS 对PO43−的平均去除率为53%；使用PO43−去除率的第50百分位和第90百分位以及FITS的环境足迹进行评价，结果表明系统的去除率分别为56%和86%；区域磷去除率在8.9~16.5 g·m–2·a–1之间。
适应性植被管理非常耗时，其需要长时间的野外监测以获取可靠的数据。目前适应性植被管理手段虽已被广泛应用，但在进行栖息地状况评估时，仍然依赖于长时间的野外观测。目前的植被相关研究中，活性氧类（ROS）已经被视为一种环境胁迫指标。在这些ROS中，过氧化氢（H2O2）相对稳定，并且可以被准确、方便地量化。植物中H2O2含量可以被用作岸生和水生植被管理过程的胁迫指标，同时可以用来评估栖息地中单一植物物种的生长状况。本研究证明了植被管理中应用H2O2作为定量化环境胁迫指标的可行性。在实验室和野外（日本的真嗣湖、沙巴河、伊诺河和海河）条件下，分别开展了不同胁迫程度下大型水生植物和岸生植物生成H2O2情况的研究，结果表明H2O2可以作为环境管理中的胁迫指标。
本研究基于copula函数开发了一种多变量生态水文风险评估框架，用于分析三峡库区香溪河流域极端生态水文事件的发生频率。通过马尔可夫链蒙特卡罗（MCMC）方法量化边缘分布及copula函数中参数的不确定性，并基于后验概率揭示联合重现期的内在不确定性，同时可进一步得到双变量及多变量风险的概率特征。研究结果显示所得概率模型的预测区间可很好地匹配观测值，尤其对洪水持续时间而言。同时，'AND'联合重现期的不确定性随着单个洪水变量重现期的增加而增加。此外，低设计流量及高服务年限可能导致高洪水风险且伴随大量不确定性。
水库群的建设和调度改变了河流的自然流态，对河流生态系统造成了不利影响。本文提出了一种面向生态的水库群调度策略，将河流内不同生态功能所需的生态流量整合到水库群联合调度中，以实现生态流量需求和人类用水需求之间的均衡。该策略耦合了常规优化调度方案和一系列实时生态调度方案。在人类用水需求与生态流量需求冲突较小的时段，水库群调度在保障河流最小流量的前提下采用常规优化调度方案，最大限度地提高人类用水效益。在水库引发的水文改变对河流关键生态功能产生严重影响的时期，水库群调度采用实时生态调度方案，调整下泄流量，从而满足河流生态流量需求。该策略被应用于位于中国汉江中下游流域的一个大型水库群中。模拟调度结果表明，实时生态调度方案保证了河流关键生态功能的生态流量需求，其对人类用水效益的不利影响可通过常规优化调度方案得到部分补偿。本文提出的面向生态的水库群调度策略丰富了考虑生态流量需求的水库群联合调度的理论应用。
气候条件影响了山地社区的社会经济发展，特别是易发生高山斜坡破坏和泥石流等自然灾害的山区，气候因素将发挥重要的影响作用，因此在制定适当的可持续发展方案时应考虑到气候因素。同时，气候变化改变了生态系统服务（ES）功能，使得土壤肥力下降、水资源供应减少、草地面积减少、监管服务（如防止自然灾害）和文化服务发生潜在转变。本研究以意大利阿尔卑斯山区为研究区域进行初步讨论，该地区经历过极端降水和侵蚀，社区的发展十分依赖于对自然资源的直接利用。初步研究结果表明，经济因素影响了诺瓦莱萨社区（位于意大利西北部的皮埃蒙特地区）过去的人口变化趋势。然而，由气象气候因素引发的岩崩和泥石流事件的数量不断增加，可能会进一步影响社区人们的生计。因此，环境监测和数据分析对于辨识景观和气候变化的趋势并选择适当的规划方案是很重要的，这有助于将山地社区人口维持在全球人口的10%左右，这也是贫困地区未来经济发展的一个重要机遇。
The Ganga河流是印度最长的河流，人为活动和气候变化极为严峻，特别是在瓦拉纳西地区。预期的气候变化和人口增长将进一步阻碍水的有效利用。在这项研究中，将水文模型应用到北方邦南部15 161.612 km 2 恒河流域的土壤和水评估工具（SWAT）模型中。这项研究的主要目标是：①为了测试SWAT模型在预测径流和泥沙产量方面的执行性和适用性；和②比较和确定三种流行算法中的最佳校准算法。
震源定位是微震监测技术的核心要素，微震震源定位的准确性关系到微震技术的应用效果。针对矿山微震波场特征，分析了矿山微震定位的特点，指出了基于到时的经典定位方法用于矿山微震定位存在的不足。介绍了近几年来在矿山微震定位方面的研究进展，主要包括Geiger 方法与线性方法联合定位、联合微震事件定位、相对定位法优化、无需预先测速的定位方法、无需拾取初至到时的定位方法，分析各方法的优缺点和可行条件。分析了检波器布置、初至到时拾取、波速模型对微震震源定位的影响，提出了应对措施。解决上述问题的方法包括采用新型融合、组合优化已有的方法、创建新方法以实现高精度微震震源定位。提出了矿山微震精确定位的发展方向，即速度模型优化、逆时成像、被动时间反转镜法、相对干涉成像法等新方法的应用，有望大大提高矿山微震震源定位精度。同时，探讨了多方法多参数信息融合和深度学习在矿山微震定位中的应用前景。这些创新性的微震震源定位方法具有广阔的发展前景。
探地雷达偏移成像中，基于高程静校正的基准面偏移方法对起伏地表下的复杂地层成像效果较差。为了优化成像效果，本文提出了一种基于麦克斯韦方程组二阶解耦形式的逆时偏移成像（reversetime migration，RTM）算法，该算法特点在于只需计算电场，且可直接从采集面而非基准面进行波场延拓，进而实现地形逆时偏移。数值模拟比较了高程静校正偏移方法和RTM 方法在地表起伏及速度横向变化情况下的成像效果，结果证明RTM 方法成像效果更好。为了进一步验证算法效果，利用美国犹他州珊瑚粉沙丘崎岖地形下的实测数据对两种方法进行了对比分析。研究表明，逆时偏移成像方法能够极大地提高复杂环境下探地雷达深度成像精度。
井工一矿存在严重的老空区和水害。以往的单一勘探方法，如地震法、直流电法、音频大地电磁法、可控源音频大地电磁法、瞬变电磁法等，均未能探明老采空区范围和水害赋存情况。为了解决这个难题，联合采用广域电磁法和井- 地拟流场法的三位一体立体式探测技术，并利用三维反演电阻率资料精准获取富水区域和采空区的位置，确定了不同层位水的连通性，为井工一矿的安全生产提供了可靠的技术保障。结果合理、成效显著，释放了近4 km2 的可采面积。
保存在全球滨海平原上的沉积单元控制着浅地层岩性分布，这对基础设施的设计和建设至关重要，同时也是许多第四纪冰期—间冰期循环中发生大规模气候变化的重要信息库。我们对这些沉积单元的横纵向岩性、地层复杂性及其对气候和海平面变化的响应知之甚少，因此很难预测岩性分布，以及将发展历史、未来气候和海平面变化置于同一自然地质环境中。传统上在低幅度滨海平原上描绘的第四纪硅质碎屑沉积单元建立在航拍图和低分辨率地形图的基础上。低幅度和低曝光率影响了观测的准确性和精确性。高分辨率机载激光雷达探测、地表地球物理勘探和地球物理测井正被用于识别得克萨斯州滨海平原上第四纪地层岩性单元的精确横纵向边界。地表和井中电导率测量能从泥质泛滥平原、三角洲平原和河道沉积中区分出砂质障壁岛、河流和三角洲河道沉积物。井中电导率和自然伽马测井记录同样可以区分地下不同的岩性单元，并识别出可能在不同冰期- 间冰期阶段分离的沉积单元的侵蚀不整合面。从机载激光雷达探测获得的高分辨率数字高程模型揭示了以前不为人知的地形细节，有助于识别地表特征，如砂质通道、富含黏土的河间沉积和更新世障壁岛上的堆积特征。在低幅度滨海平原环境中识别岩性和地层分布的最佳方法是：①首先使用激光雷达探测生成详细的高程模型；②基于激光雷达数据和航拍图的初步定位，选择性进行地表采样和地球物理探测；③在激光雷达和地表探测完成后，选择关键位置进行钻孔取样、测井和分析。
被动源面波可弥补主动源面波测量中低频信息缺失的不足，因此引起人们的广泛研究。然而，被动源面波法不能提供高达几十赫兹的相速度信息，因此需要通过主动源面波法拓展频率范围。为了减少野外工作量，本文设计了一种高频被动源面波的勘探策略，即在连续的被动源面波测量过程中引入人工震源。我们称其为'混合源面波'（mixed-source surface-wave，MSW）测量。研究人员分别在学校内、马路边、铁路旁这三个噪声等级不同的地点记录短时长（10 min 内）被动源面波和混合源面波。频谱分析表明，在连续的被动源面波观测中加入人工震源可以改善高频段能量。在记录的时间序列中分别应用了空间自相关（spatial autocorrelation，SPAC）法与基于互相关的被动源面波多道分析方法（multichannel analysis of passive surface，MAPS），结果表明该施工策略在高频段面波相速度分析中有很大的灵活性与适用性。笔者认为，相较于进行单一的主动源面波测量或被动源面波测量，在地震勘探中进行混合源面波测量具有建设性意义。
评价地下物性和地质特征成像（如断层、空洞、低速层等）是近地表地球物理学中的经典问题，这些问题通常会危害岩土工程，尤其对大型土石防洪坝这类高危结构物危害更大。在美国，由于大部分重要的基础设施在20 世纪初至20 世纪中叶设计建成，目前这些堤坝已处于设计寿命的末期，之前被人忽略的或者在设计建造过程中被认为无关紧要的细微缺陷将会对堤坝安全造成严重威胁。这些构造在高水动力条件下会加速薄弱区域的恶化，并破坏其长期完整性。仅用传统钻探技术解决大坝的相关问题通常存在不足（缺乏横向分辨率），过高的成本同样限制了钻探技术的发展。然而，有选择的岩土钻探技术与近地表地球物理相结合，尤其是对堤坝内部细小结构和地质基础条件成像方面的剪切波（shear-wave，SH 波）地震反射技术，可以有效地降低堤坝修复工程所需的成本。为支持上述观点，本文以美国中部两个防洪坝为例，对其原位组分和工程建设组分进行SH 波地震反射成像。
乳腺癌是女性中最常见的癌症。高强度聚焦超声（波）（HIFU）是一种很有前景的非介入式治疗方法。为了提高HIFU 治疗的精确度和降低治疗成本，开发了一套基于超声引导（US）的五自由度辅助HIFU 系统。搭建了一套功能齐全的样机，它可以轻松地实现三维超声图像重建、目标分割、治疗路径生成和HIFU 自动照射等功能。利用线模型实现点定位，并且在异构组织模型上对凝固区域进行评估。在超声引导下，HIFU 治疗区域的中心偏离目标治疗区域中心不到2 mm。规划治疗区域周围出现的超调值远低于在临床使用的允许值。对于乳腺癌的治疗，本系统有足够的准确性。
石脑油热裂解制乙烯（C2H4）是一种能源密集型工艺（每吨C2H4 高达40 GJ 热量），会形成大量焦炭和氮氧化物（NOx），而且每产生1 kg C2H4 就有1.8~2 kg 的二氧化碳（CO2）排放量。我们提出了石脑油氧化还原氧化裂解（redox oxy-cracking，ROC）的替代方法。在该两步法中，石脑油裂解产生的氢气（H2）首先在氧化还原催化剂的作用下与其晶格氧选择性地燃烧。随后氧化还原催化剂被空气再次氧化并释放热量，以满足裂解反应对热量的需求。这个强化过程减少了附加能量的消耗以及CO2 和NOx 的排放。此外，由于H2 的选择性燃烧，C2H4 和丙烯（C3H6）的形成可以被增强。在本研究中，我们基于最近开发氧化还原催化剂的实验数据，使用ASPEN Plus® 模拟ROC工艺。与传统的石脑油裂解相比，ROC 工艺可将能耗和CO2 排放量降低52%。该工艺的上游部分少消耗约67% 的能量，同时每千克石脑油原料多产生28% 的C2H4 和C3H6。
关于智能制造，前人已发表了很多文章。其大多数内容都集中在硬件、软件、增材制造、机器人、物联网（Internet of Thing，IoT）以及工业4.0 等话题，而对另一些极重要的领域却少有讨论，如混合系统、先进制造业重定义、新制造的基本构成元素、制造业生态系统准备水平及技术可扩展性等。本文将通过实例，从全新的视角，为读者剖析这些领域中目前的四个挑战。挑战一：当我们希望提高公众对新制造业经济及其社会影响的认识水平，并获得政策制定者的明确支持时，应如何重新定义未来制造业。挑战二：如何正确认识到未来制造业的关键词是'混合'。它具有人类与机器人协作、增材制造与减材制造结合、金属材料与复合材料并用以及网络系统与物理系统融合等特点。因此，划定界限与制定标准变得尤其重要。挑战三：如何开发一个同时对技术、制造商业化和新制造生态系统做出评估的通用框架，以缩短生产到交付之间的时间；以及在该框架下，如何进一步制定一套可被广泛采用的、针对非信息技术的可扩增性测量的标准。最后，也是同样重要的是挑战四：如何通过公司多方合作，来验证'产- 学- 政'三位一体的模型是否成功。本文将详细讨论上述四大挑战。
器官移植供体短缺一直是世界各国医学界面临的重大难题之一。传统方法不可避免地存在并发症、二次损伤和供体来源有限等潜在问题。3D 打印技术具有解决目前这些问题的潜力，可用于快速制造个性化组织工程支架、细胞原位修复组织缺陷，甚至直接打印组织和器官。打印的植入体和器官不仅与患者的受损组织完美匹配，而且能够调控材料微结构和细胞排列，促进细胞生长和分化。因此，这类植入体有望实现组织修复，甚至最终解决供体短缺问题。本文总结了3D 打印在医学领域相关研究和最新进展的四个层次，介绍了不同类型的生物医用材料，并讨论了医学应用中3D 打印所需材料和构建体外细胞质基质（ECM）存在的问题和未来的发展方向。