地下水系统数值模拟的研究现状和发展趋势

第一篇：地下水系统数值模拟的研究现状和发展趋势

地下水系统数值模拟的研究现状和发展趋势

郝治福，康绍忠

(中国农业大学中国农业水问题研究中心)

目前地下水系统数值模拟方法主要有有限差分法(FDM)、有限单元法(FEM)、边界元法(BEM)和有限分析法(FAM)等。20世纪60年代中期以来，随着快速大容量电子计算机的出现和广泛应用，数值计算方法在地下水资源分析评价中得到逐步推广，具有明显的通用性和广泛的适用性。尤其近十几年，地下水系统数值模拟取得了长足进步。

一、国外地下水系统数值模拟研究现状

目前，国外该领域的研究主要针对数值模拟法的薄弱环节，提出新的思维方法，采用新的数学工具，分析不同尺度下的变化情况，合理地描述地下水系统中大量的不确定性和模糊因素。

1、该领域科学家在地下水系统数值模拟的工作程序、步骤方面达成了一致，强调对水文地质条件合理概化的重要性，并深入探讨尺度转换问题和量化不确定因素问题。

根据Anderson等提出的工作程序，要建立一个正确且有意义的地下水系统数值模型，应进行以下工作：确定模型目标，建立水文地质概念模型，建立数学模型，模型设计及模型求解，模型校正，校正灵敏度分析，模型验证和预报，预报灵敏度分析，模型设计与模型结果的给出，模型后续检查以及模型的再设计。Ewing提出地下水污染流模拟和建模需要强调3个方面的问题：①有效地模拟复杂的流体之间以及流体与岩石之间的相互作用； ②必须发展准确的离散技术，保留模型重要的物理特性；③发挥计算机技术体系的潜力，提供有效的数值求解算法。针对Newman等的推测，Wood提出了二维地下水运动有限元计算的时间步长条件。Kim等对抽取地下水造成的noordbergum effect(reverse waterlevel fluctuation)现象进行数值模拟，阐述了其机理性原因。Scheibe等分析了在不同尺度下的地下水流及其运移行为。Ghassemi指出三维模型可以详细说明含水层系统的三维边界条件以及抽水应力情况，而二维模型就不能恰当处理。Porter等指出DFM(data fusion modeling)可以量化各种各样的水文学、地质学和地球物理学的数据及模型的不确定性，可以用于地下水系统数值模拟的数据整合和模型校准。Mazzia等提出特别的数值方法用于求解重盐地下水运移模拟的二维非线性动力学控制方程，效果很好。Li Shu-guang等指出数值模型还不能解决预报的不确定性因素问题，并开创性地提出一种随机地下水模型，可以解决均值分布和小尺度过程的不同尺度问题。Mehl等提出二维局部网格细分法的有限差分地下水模型，提供了新的插值和错误分析的方法。模拟结果的可靠性得到了提高。

2、国外开发了许多功能多样的地下水系统数值模拟软件，以其模块化、可视化、交

互性、求解方法多样化等特点得到广泛的使用，尤其MODFLOW，据美国地质调查局统计，MODFLOW几乎占地下水系统数值模拟软件总应用次数的一半，这些年其功能更是不断完善。地理信息系统(GIS)与地下水模型的整合强化了数据的输入、传递、方案调整和空间分析等。遥感(RS)提供了判断地质边界、地貌单元和估算地表蒸发等的工具。地下水系统数值模拟模型与相关领域模型的耦合更扩展了其发展空间，可以解决更多的实际问题。

Juan等运用ARC/INFO和MODFLOW模拟了美国Jackson Hole地区的冲积含水层，并通过补给、排泄和水均衡的评估对模型进行了合理的校准。Winston专门介绍了许多MODFLOW相关的免费和共享的网络资源，为人们学习和应用该软件提供了方便。Olsthoorn指出基于有限差分法的MODFLOW与基于解析元法的MLAEM模型都各有优势，MODFLOW的数据结构更易于实现与GIS的整合。Harrington等运用CMC(compartmental mixing-cell)和MODFLOW模拟区域地下水系统的水化学和同位素变化情况，并强调了做细致准确的稳态流分析对于瞬时流分析的重要性。Brodie使用RDBMS(a relational database management system)存储钻孔资料，设计GIS管理空间数据资料，有很好的推广价值。Ataie-Ashtiani 等运用基于有限元的二维数值模型SUTRA模拟含水层边界条件周期性变化的地下水流，对基本方程和模型进行相应的修改，得到了很好的模拟结果。Wingle介绍了UNCERT模型，该模型可用于地下水流和污染物运移模拟，得到相关行业研究人员的一致认可并广泛使用。Ramireddygari等通过对POTYLDR地表水模型与MODFLOW地下水模型的修改并增强，用于模拟WetWalnut Creek流域。Osman等使用改进的MODFLOW代码和MOBFLOW模型，模拟得出地下水渗流和含水层情况，与用SWMS-2D所做结果吻合很好。Samani等指出轴对称井流是地下水力学非常重要的课题，新出版的MODFLOW 2000加入了精确模拟轴对称井流的标定方法，提高了模拟的仿真性。Dahan等提出多变量混和单元模型描述水化学过程，MODFLOW模拟水文地质情况，两种方法的结合不但可以模拟水头变化，而且可以模拟反映地球化学特征的地下水流线。Facchi等建立渗流地带模拟与基于MODFLOW的地下水系统数值模拟耦合模型，用GIS来控制空间分布式参数以及输入和输出值，与其他类似模型不同的是可以评估作物水分消耗值在时间和空间上的分布情况。

研究人员广泛应用地下水系统数值模拟软件和3S技术，在应用中发现问题，使功能不断加强，并通过与其他模型耦合发挥其独特优势。

二、国内地下水系统数值模拟研究现状

1、近几年，随着新技术、新方法的广泛应用，我国该领域科学家也做了大量的工作，在建立地下水系统数值模拟模型中发现问题，在理论和方法上不断创新，通过数值模型理论与相关研究方向的理论结合，不断提高模拟结果的可靠性。

陈家军等指出在进行区域地下水位估值时线性漂移的泛克立格法即可取得很好的效

果。卞锦宇等较好地解决了相对隔水层缺失区越流系数无法调试的问题。王玮提出了用人工查点法、半自动查点法、数字化地形图提取法等获取数字高程模型(DEM)的方法，并给出了通过数字高程模型计算节点地面标高的方法。卢文喜对地下水运动数值模拟中的边界条件进行了分析，提出在模型预报前要考虑自然因素、人类活动因素及邻区水流条件因素产生的耦合效应问题，先对边界条件进行预报。武强等通过对地下水系统数值模拟的研究分析，抽象出空间类层次结构，并提出了基于属性关系的宏观拓扑结构和基于同构或异构几何模型关系的微观拓扑结构，用三维空间拾取技术提供了友好的人机交互环境。张明江等采用“渗流管流耦合模型”、“入渗滞后补给法”和“参数迭代法”提高了模型的仿真性及对地下水资源评价的精度。张祥伟等根据地质统计、逆问题理论和地下水运动理论提出了大区域地下水系统数值模拟的理论和方法。廖华胜等指出平稳随机的假定不能真实反映空间小尺度变异性与大尺度非平稳性间的相互作用。薛禹群等介绍了Ms-FEM(多尺度有限元法)的基本原理，并将其应用于非均质多孔介质中的流动问题，通过计算结果的比较得出多尺度有限元法比传统有限元法有效的结论。魏连伟等基于模拟退火算法(SA)这一全局优化技术，耦合地下水系统数值模拟的有限元模型，给出水文地质参数的反演方法。综上所述，针对数值模拟过程中需要处理的地面标高、初始水位、边界条件、源汇项和水文地质参数等问题，可采取数字高程模型(DEM)及各种耦合模型，结合地球动力学、地质统计、逆问题理论和三维空间拾取技术等来提高模拟效果。

2、国内在运用地下水系统数值模拟软件以及地理信息系统的强大功能，并结合相邻学科的模型方面，也做了积极的探索。

陈锁忠等以GIS为主控模块，选择GMS和地面沉降模拟模型系统(compac)进行集成分析和设计。陈劲松等分析了MODFLOW中不同求解方法对精度的影响，选用PCG2法或SIP法求解结果满足精度要求，而选用SSOR法获得结果无法满足精度要求。高佩玲等采用系统分解合成方法，利用Develop Studio软件编制计算程序，得到了区域地下水系统水文地质参数，参数分布与水文地质勘察所得含水层结构特点及富水区分布基本相符。杨旭等提出了基于GIS 的“点”、“线”、“面”的模型拟合技术路线，实现了基于GIS的地下水系统数值模拟模型的可视化拟合。陈锁忠等研究基于GIS的孔隙水文地质层三维空间离散实现的技术路线，提出了基于GIS的孔隙水文地质层不规则六面体元的三维空间离散方法，具有较高的实用价值。陈喜等揭示了独特沙丘地形和土壤特性对地下水补排量的影响，利用地下水系统数值模拟模型MODFLOW和非饱和带水平衡模型对处于半干旱半湿润沙丘地区(SandHills)的地下水位进行了模拟，效果很好。罗毅通过对国际上著名的CERES(WHEAT，MAIZE)作物模型、SWAT分布式水文模型、MODFLOW地下水动力学模型的融合、集成和功能扩展，研制出地表水、地下水耦合模型，改进了地下水接受土壤水补给的计算和浅层地下水蒸发的计算。地下水系统数值模拟软件以其组件化、智能化、可视化和多样化受到普遍欢迎，GIS与地下水系统数值模拟模型的整

合具有整体化、自动化、可视化和实时性的优点，相关领域模型的耦合更使其有了广泛的发展空间，目前国内外对具体问题的处理方法具有很好的参考应用价值，大量的研究强化了地下水系统数值模拟方法的优势。

三、地下水系统数值模拟中存在的问题

随着计算机技术的飞速发展，国内外关于地下水系统数值模拟的研究有了长足的进步，但由于实际水文地质条件的复杂性，野外试验数据的缺乏，模拟技术的不合理运用，多学科交叉存在的难度等，发展中还存在一些问题：

1、各学科之间难以沟通，侧重的时间或空间尺度存在较大差异，地下水、地表状况、土壤、植被、气候变量和土地利用等都存在时空变异性，模型的耦合集成存在较大的难度。

该领域研究工作的深入越来越依赖于综合集成和跨学科协同攻关，发挥互补作用，可以解决各学科不同模型存在的一些缺陷，同时，该领域与其他学科合作建立的耦合模型有更好的实用价值，可以综合解决流域管理中存在的复杂问题，如地下水与地表水模型的耦合，陆面过程模拟、分布式水文模型模拟、基于遥感的生态模型与地下水系统数值模拟模型的耦合等。只有模型之间有了充分的交互，对模型的评价才更合理。同时需要指出，面对模型耦合的大问题，地下水系统数值模拟的其他方法也发挥着不可替代的作用。

2、地下水系统数值模拟模型的水文地质参数可以通过参数优化来调整，但参数调整的范围缺少准确的标准。

模型通过参数调整与实测值拟合较好，但应用到其他区域或年份时又会出现较大误差，说明对基本物理过程的描述还不够准确。模型反演求参时，解的不唯一问题一直是水文地质数学模型数学基础薄弱的环节。模型中参数的不确定性将导致计算的水头、流速的不确定性，从而影响到模拟结果的可靠性。如何加强参数的研究，提高地下水系统数值模拟的精度仍是亟待解决的问题。研究工作者仅仅通过模型参数调整提高参数精度是徒劳的，应加强模型参数的野外原位测定方法的改进、空间变异分析和新数学方法的运用，一个地区、一个流域或一个水文地质单元，应建立自己的标准参数，这个参数应有一定的代表性，应加强标准参数集的制备，这样可以轻松地进行检查、评价和修改。

3、随着计算机的广泛应用，计算机软件实现了对大量水文地质学及地下水动力学问题的模拟，其计算能力远远超过人们获取数值模型所需野外资料的能力，勘探技术水平需要提高。

在地下水系统数值模拟中，对水文地质条件的了解和概化所建立的概念模型是最重要的工作，需要有大量的野外试验数据和资料，包括地质结构、含水层参数、各类均衡项随时空变化的数据和资料，而这些资料的获取是建立数值模型最困难的工作，需要耗费大量人力、财力和物力，同时国内缺乏三维水头和溶质浓度等资料，因此三维数值模

拟的工作受到限制。长期持续的三维观测数据的获取及具有更高实际价值的三维模型的建立是值得重视的工作。另外，在应用外国先进的地下水系统数值模拟软件的同时，要加快研发有我国自主产权的通用软件。

4、根据国民经济发展的需要，在解决地下水不合理利用造成的问题，尤其是日益严重的西部环境和生态问题方面，急需该领域科学家深入研究典型生态环境区域的地下水动力学特征，提供决策依据。

重点研究荒漠、岩溶和黄土高原区域地下水运动规律，特别是浅层地下水变化的地表生态效应及深层地下水赋存规律，为荒漠、岩溶地区浅层地下水合理利用提供新的途径。西部不同水文地质单元(尤其是干旱区和岩溶山区)地下水流系统具有什么样的特征? 地下深层水循环与浅层水循环之间的关系是什么? 浅层地下水开发对地表生态系统会产生什么影响？如何运用地下水溶质运移模型分析边界条件的变化、水化学作用和地球化学环境的演变情况? 如何从数值法的角度评价并预测地下水的水质? 量化气候、土地利用和人类活动对地下水有何影响? 如何实现地下水资源的可持续利用? 对这些问题的回答具有重要的理论和实际意义。同时，地下水系统数值模拟是依据对地下水系统数学模拟模型的数值离散解法，并不能代表整个地下水系统研究，地下水系统数值模拟方法本身也存在问题，如裂隙介质岩溶介质中地下水系统数值模拟的关键技术尚未解决，地下水水质模拟的可靠性问题有待深入分析，所以地下水系统不同模拟方法的结合应用具有更大的价值。

四、地下水系统数值模拟研究展望

随着地下水资源需求的增加，与地下水有关问题的范围和复杂性也随之增大。农业活动区和城市的人类活动对区域地下水水位、水质的影响日益突出。地下水系统数值模拟可以量化地下水的动态变化与人类活动的关系，可以比较不同开采方案并预报开采对环境带来的影响，以便人们了解采取什么行动来保证含水层的可持续利用，维持合适的生态水位。地下水系统数值模拟模型在国家制定区域水政策和方针中将发挥越来越重要的作用。

近年来，随着计算机的发展和GIS技术的进步，带来了科学决策和管理信息的新方法，有利于水文水资源工作者了解地下水在时间和空间上的变化情况，并提供良好的数据维护、更新和分析功能，有了完备的数据做支持，一方面可以提高模拟的仿真性，另一方面又可大大减轻处理复杂数据的工作负担。深入挖掘3S技术在地下水系统数值模拟中的功能仍然是今后工作的重要内容。系统论、信息论在地下水研究中也将越来越重要。

如何将现有的各类计算方法和软件逐步过渡到以栅格为计算空间单元的分布式模型上来，充分利用RS动态监测信息和GIS空间数据管理功能，实现地下水系统数值模拟模型与GIS和RS的集成，是今后的研究重点。应充分利用“数字地球”和国家空间信息基础设施，将地下水系统纳入“数字地球”、“数字国土”或“数字流域”体系。数值模拟软

件还将不断完善，软件的组件化、可视化、前后处理智能化、离散方法简单化和求解方法多样化等特点日益增强，将融入更多功能强大的子程序软件包。

地下水系统数值模拟模型结合地表水文模型、作物模型、流域生态模型、区域气候模型、分布式水文模型、水平衡模型和随机法模型等优势，一方面弥补模型的缺陷，实现优势互补，使物理基础更加坚实；另一方面扩展模型的应用范围，综合集成管理模式的模型。

随着勘探手段的提高，含水层特征参数的确定方法将不断丰富，参数精度不断提高，数值模型的标定方法及灵敏度的分析将更规范化。三维数值模型是未来发展趋势，将越来越真实地概化实际的水文地质条件。新思维方法、数学方法、计算机软件技术的应用将越来越快地提升地下水系统数值模拟方法的功能，有针对性地处理模型中具体的不确定因素，更合理地表征具体的地下水动态变化特征。通过地下水系统不同模拟方法的耦合和多学科的深入交流合作，地下水系统数值模拟方法将会有更广阔的前景。

冯翠娥摘编自《水利水电科技进展》第26卷第1期，2006年2月

第二篇：地下水数值模拟研究进展和发展趋势

地下水数值模拟研究进展与发展趋势

摘要：地下水数值模拟的应用研究进展国外对地下水数值模拟的研究和应用较早，且理论、技术等各方面相对成熟，目前已经从“水量问题”的应用研究逐步过渡到“水质问题”的应用研究上，以解决各种更复杂的地下水问题。国内相关研究起步较晚、同国外存在一定的差距，主要应用研究在地下水位预测、地下水资源开发利用、地下水循环机制研究、地下水资源预报评价等水量、水位问题方面，但在加油站渗漏场、石油渗漏场、垃圾填埋场、工业废料填埋场、矿区、核废料处置场等污染场地污染物的迁移问题方面的应用研究逐渐增多，并已取得了一定的成果。

关键词： 数值模拟、进展、发展趋势

随着计算机技术的快速发展，科学有效的数值计算方法在处理地下水污染、分析地下水资源评估等问题中的应用越来越广泛;利用数值模拟软件对地下水流等问题进行模拟，以其有效性、灵活性和相对廉价性逐渐成为地下水研究领域的一种不可缺少的重要方法［1］。尤其针对加油站渗漏场、石油渗漏场、垃圾填埋场、工业废料填埋场、矿区、核废料处置场等污染场地污染物的迁移问题，建立准确的数值模型进行预测是查明污染物污染潜水范围、程度及其分布特征最有效最直观的方法之一，同时还可以为污染区实施污染防治与修复等优化配置提供科学技术支持［2］。

地下水数值模拟的应用研究进展国外对地下水数值模拟的研究和应用较早，且理论、技术等各方面相对成熟，目前已经从“水量问题”的应用研究逐步过渡到“水质问题”的应用研究上，以解决各种更复杂的地下水问题。国内相关研究起步较晚、同国外存在一定的差距，主要应用研究在地下水位预测、地下水资源开发利用、地下水循环机制研究、地下水资源预报评价等水量、水位问题方面，但在加油站渗漏场、石油渗漏场、垃圾填埋场、工业废料填埋场、矿区、核废料处置场等污染场地污染物的迁移问题方面的应用研究逐渐增多，并已取得了一定的成果［4］。

近几十年来，随着地下水科学和计算机科学的发展，地下水数值模拟也得到了快速发展，主要体现在：加拿大Borden基地、美国Cape Cod基地与Columbus基地开展的大型野外试验场研究，大大丰富了地下水溶质运移的理论和方法，取得不少新的认识，并为发展和检验溶质运移理论和相应数学模型提供了大量数据（MacKay et al，1986； LeBlanc et al，1991； Bogga et al，1992；Zheng and Gorelick，2003）；随机方法在非均质介质渗流和溶质运移的模拟中得到比较多的应用，从而加深、甚至改变了人们对此类介质中流体运动和溶质运移的认识（Dagan and Neuman，1997； Zhang D，2002）；通过多孔介质中水流运动、溶质运移和化学反应，甚至生物过程的耦合建立模型来集成地研究这些过程也取得很多进展（van Genuchten and Sudicky，1999； Yeh and Tripathi，1989； Barry et al，2002）。此外，计算方法也取得不少进展，但溶质运移模拟中数值弥散和振荡问题的解决和地下水模拟逆问题的求解进展比较缓慢（Sun and Yeh，2007）。

由于种种原因，国内地下水数值模拟开展得比较晚，始于20世纪70年代初，当时文化大革命还没有结束，所以从事这项工作困难重重，而且人也不多，主要来自高等学校和研究部门，以后才逐步扩展到产业部门。为了加快我国地下水数值模拟的发展，深切感到有必要

开展相互交流。于是利用一次在水文地质工程地质研究所开会的机会，在张宗祜所长的支持下，以肖树铁教授为首的几个人（肖树铁、张蔚榛、薛禹群等）进行了酝酿，考虑到当时文化大革命结束不久，还是不成立什么组织为好，不定期在一起碰个头，达到交流的目的就行了。参加人不要太多，也不叫谁负责。商定邀请参加的人有：肖树铁、谢春红、孙讷正、陈明佑、杨天行、张蔚榛、薛禹群、张宏仁、崔光中、李文渊、陈雨荪、许涓铭、刘金山等（少数被邀请人没有来，未列入名单的来了），水文所当时不好定人员名单，决定每次请张宗祜所长指定。每年轮流在一个成员所在地或由他选定的地方开交流会，交流国内外最新研究内容和进展、以及个人最近研究的心得体会或成果。交流活动按此原则进行之后，效果很好，也得到各方面人士的支持、肯定，有人称之为“神仙会”。进入80年代中期后，各类学会逐 渐恢复活动，这种最初的交流活动形式也就完成了它的历史使命，在清华大学数学系举行最后一次学术交流后就停止了。现在回想起来，成员有数学家、水文地质学家、水动力学家的这些活动具有鲜明的学科交叉特点，数学家对我国早期地下水模拟的开展起了很好的帮扶、促进作用，可以少走弯路，加快它的健康发展，对国内出现的少数不正确的苗头也通过交流取得共识。我国地下水模拟所以能够很快赶上国际先进水平，笔者认为和这个“神仙会”在早期为它奠定良好且正确的基础是密不可分的。

二、三十年过去了，当年的参加者都已进入古稀之年，个别已作古，不少记忆已经模糊，这段历史写在这儿或许有益，也可供后人评述。目前我国地下水数值模拟的应用已遍及与地下水有关的各个领域，各类模型的研制能够满足国民经济建设的需要，国际上出现的各类模型在中国基本上都有了，如各类常系数、变系数水流模型（薛禹等群，2007）、地下水污染模型（林学钰等，1985；薛禹群等，1997）、海水入侵模型（Xue et al，1995）、高浓度（>100～200 g/L）咸/卤水入侵模型（张永祥，1997；张勇等，1999）、地下水中某些组分运移行为的模型（如海水入侵条件下，交换阳离子运移行为模型）（Wu et al，1996）、大区域地面沉降模型（面积超过17 000 km2）（薛禹群等，2008）、地下水中热量运移和含水层贮能模型（Xue et al，1990）、地下水资源管理模型（吴剑锋等，1999）和井渠合理布局模型（李恩羊，1982；张慧春，1989）、各类坝体渗漏模型（毛昶熙，1999）、渠道渗漏模型、地下水-地表水联合评价调度模型等等。运移和化学反应耦合模型以及其他一些耦合模型也有人着手考虑了。上述模型中有些水平比较高，和国际高水平模型基本上处于同一水平。它们涉及的地质条件多种多样，有潜水，也有承压水，有单个含水层，也有多个含水层存在越流的情况，以及种种复杂的地质构造和岩相变化等。它们有二维的，也有三维的和准三维的。国外各类数值方法国内均有应用，少数数值方法还是将国外数学家的构思加以完善后直接应用于地下水模拟的（Ye et al，2004）、或由中国学者直接构思完成的，因而远早于国外水文地质学者（Xue，1985；薛禹群等，1980）。随机水文地质的研究虽然起步较晚，但从无到有，成果比较突出，基本能跟上国外同类研究的步伐。但一般只是跟踪性研究，仅在个别领域接近国际前沿［3］。

如何考虑在下个十年应该优先发展的领域是值得我们思考的，很多国内外学者已经提出了很好的建议（中国地下水科学战略研究小组，2009；中国科学院地学部地球科学发展战略研究组，2008），笔者只是在这儿做些补充或拾遗补漏。要讨论这个问题，首先要确定如何来遴选，原则是什么。遴选优先发展领域时先要考虑我国地下水科学的战略定位是什么。我想应该是：在21世纪的整个地学发展中有所作为，为国家的可持续发展提供科学支持；取得地下水研究重大突破为目标，做出与中国作为世界大国身份相称的贡献；为保证国家社会、经济发展安全供水，提供一定的资源量，实现地下水资源的可持续利用。同时，还要关注和参与当前国际水文地质学界关心的前沿科学问题。这是我们的定位，也是我们的展望。遴选时既要着眼于我国地下水科学需要解决的核心科学问题，又要考虑当前国际前沿科学问题。当前水文地质学需要解决的核心科学问题主要有：（1）地下水环境的演化和发展趋势；

（2）地下水循环和地下水资源的可持续利用；（3）人类活动与地下水环境。1 期薛禹群：

中国地下水数值模拟的现状与展望5水文地质学需要解决的核心科学问题找到后，解决其中涉及的地下水模拟问题就是我们需要优先研究的领域。其次，需要关注的就是当前国际前沿科学问题。综合上述情况，可以遴选出需要优先研究的领域如下。

1）区域尺度不同地域单元地下水循环过程及其演化趋势的数值模拟

查明区域尺度地下水循环过程及其演化趋势，在此基础上开展整个盆地大尺度水流和溶质运移过程的模拟，才有可能正确评估地下水的补给量，合理确定开采量，为整个盆地地下水资源的可持续利用奠定坚实基础。

2）地下水污染的形成机理，各类污染物（包括微生物、无机、有机）在地下水中的运移行为的模拟

地下水污染问题日益严重，查明各类污染物在地下水中运移行为、有机污染物的生物降解过程、金属污染物及放射性核素的生物修复过程，并在此基础上赏试通过模拟来再现这些过程，以便找出更有效的修复技术。

3）水文地质参数非平稳场的时空变异性和尺度效应

这是当前国际前沿研究课题，我国还很薄弱，加速这方面的研究不仅是实际需要，也有助于我们追赶国际先进水平。

4）含水层非均质性对地下水流动和污染物运移的影响，随机理论的研究和应用这也是当前国际前沿研究课题，我国也很薄弱，加速这方面的研究是必要的。

5）地下水开发利用所引起的各类环境问题（地面沉降、地裂缝、海水入侵等）的模拟和预测

我国幅员辽阔，地质情况复杂，现有模型远不能满足各地生产实际的需要，何况有些模型，如地裂缝模型、反映生态平衡破坏的模型在我国还属空白。指望依靠国外商用软件来解决所有这些问题是要失望的。因此，从各地实际情况出发，研究符合中国国情的各类模型是当务之急，以便为预测和调控提供技术支撑。

6）地下水可持续利用、科学管理与决策模型

过量开采和不合理开采地下水已给我国地下水造成一系列复杂的环境问题和生态平衡破坏，为保证地下水的长期、稳定的可持续供给以满足日益增长的国民经济发展需求已成为非常紧迫的问题，为此盆地尺度地下水资源的可持续性科学管理和决策模型的研究将成为重要的研究方向。

7）随着石油制品的渗漏，引起人们关注的非饱和带多相流问题和介质非均质性非饱和带中的水流和溶质运移过程直接影响与它相通的饱和带中的水流和溶质运移过程；人类活动则通过非饱和带间接影响地下水系统；反过来，地下水对地表水和生态系统的影响又要通过非饱和带传递，因而，非饱和带成为研究地下水必须关注的领域。

8）地下水模拟中逆问题的研究

由于含水层地质结构通常比较复杂、尺度多种多样，因而给解地下水模拟的逆问题带来很多困难，甚至成为建立和应用数学模型的瓶颈，需要对模型结构的确定、尺度选择、参数识别、可靠性分析等问题加强研究，尽快取得突破。

为了中国地下水模拟领域的发展，迎头赶上国际前进的步伐，有必要积极组织开展以上各方面的研究。很好完成这些项目以后，相信我国的地下水模拟事业必然会更上一层楼，到达一个新的水平，有可能普遍接近，而在一些领域则达到国际先进水平，做出与中国国际地位相应的贡献［3］。

参考文献

［1］李思达, 林曼利, 孙瑞.Fellow 在任楼井田第四含水层水流场模拟中的应用[J].工程与建设, 2012, 26(1): 21-23.［2］赵庆辉, 王兴润, 张增强.地下水六价铬运移的仿真及场地修复限值探讨[J].环境工程, 2011, 29(2): 16-19.［3］薛禹群.中国地下水数值模拟的现状与展望[J].高校地质学报, 2010(1): 1-6.［4］孙从军, 韩振波, 赵振, 等.地下水数值模拟的研究与应用进展[J].环境工程, 2013, 31(005): 9-13.［5］Winter T C.Numerical simulation of steady state three‐dimensional groundwater flow near lakes[J].Water Resources Research, 1978, 14(2): 245-254.

第三篇：竹炭研究现状和发展趋势（模版）

竹炭研究现状和发展趋势

俞 佳 燕

（浙江临安 311300）

摘要：本文主要讲述了竹炭的起源，竹炭在国内外的研究现状，竹炭炭化工艺和物理化学性质，竹炭的用途，同时结合竹炭产品开发的多样性所涉及到食品行业，提出要人们慎食竹炭食品，根据竹炭的发展现状，提出了竹炭的发展趋势和几点建议。

关键词：竹炭、炭化工艺、竹炭用途、发展现状、发展趋势

竹炭（BC）是竹材高温热解的固体产物，空隙发达，比表面积大，具有很强的吸附能力，以及良好的导电性能。作为机能性的环境保护材料，竹炭由于其独特的性质和产品的高附加值，越来越受到人们的重视，成为竹材研究领域的一个新热点［1-2］。在大气污染和水污染的治理方面具有广阔的应用前景。它的出现不仅为竹材产业的可持续发展提供了一个新的研究和应用领域，同时也为环境保护提供了一种新型材料[3]，同时人们也逐渐意识到了竹炭在环境、保健、医药、高技术等领域有着潜在和广泛的应用前景[4]。1.竹炭起源

在中国，炭有着悠久的历史。而使用炭，那更是与生俱来的。大概从雷电点燃原始森林使自然形成的木炭横空出世那一刻起，我们的先民们便开始想用炭带给人们的种种环保和健康的生活。

在两千多年前，中国在炭材料的使用上创造了世界奇迹。马王堆木炭的应用就是中国古代使用木炭杰作之一。中国的先民们就已经知道炭的防腐作用。在1972年3月，湖南长沙东郊，中国考古学家发掘了马王堆一号汉古墓时，墓葬两千多年的软侯夫人的肌肤状态仍如同刚刚死去。考古学家究其原因，是因为墓葬当时人们在棺木中安放了万斤木炭。正是用于这些木炭，软侯夫人的尸体外形完整，全身柔软光滑，皮肤呈淡黄色状，肌肉和皮肤有弹性，各关节可自由弯曲。

无独有偶，在日本的古墓中也发现了使用炭保存遗体的办法，那些遗骨和木乃伊的状态十分理想。虽然津轻承公的完整的木乃伊状态只有死后一千年的历史，但也证实了酷爱研究科技的日本人在墓中放置了大量木炭的成效。2.竹炭发展研究现状

竹炭这种新型环保产品几年前首先在东南亚地区兴起，逐步风靡日本、韩国、台湾、新加坡。竹炭产品在国内是在2003年“非典”以后逐步进入市场的。

目前，国际市场对环保产品需求量较大。中国是竹的故乡。以竹炭为原料制作的产品有100多种。由于竹炭产品的价格较高，其销售处于“墙内开花墙外红”阶段，但随着人们环保意识的普遍提高，竹炭这一新型环保产品进入寻常百姓家是指日可待。

我们对竹炭的功效还有些陌生，但在日本、韩国等地城市居民将竹炭用于日常生活已经有十来年的历史了。目前世界上竹炭的消费主要在日本、韩国、新加坡、台湾等国家和地区，这些市场对竹炭的需求基本稳定。在那里，人们已经很习惯将竹炭列为生活日用品之一，他们特别认可竹炭的环保和保健功能，所以，竹炭店到处都是，颇受大家的欢迎。

我国竹炭的生产主要集中在浙江、福建和江西等地，目前的生产厂家有几十家，但大都是近2-3年发展起来的，一般是采用采购原炭，自己生产各种制品。只有20-30%的厂家是10多年前生产木炭的企业改变产品而来，他们大都具有自己的炭窑，其中一小部分厂家具有竹炭纤维的技术。2.1竹炭在日韩国家

竹炭制品的研究在国外主要是日本和韩国，主要研究关于竹材炭化过程、竹炭、竹醋液和竹活性炭的制造和利用。

日本竹炭和竹醋协会名誉会长、京都大学木质科学研究所科学家野村隆哉是这方面的专家。他认为，由于工业文明对生态系统的破坏等全球性环境问题日益突出，天然素材在炭化后所产生的碳结构的物理和化学功能正在受到高度重视。如竹炭的固体表面的物理性质、竹炭的固有振动产生的微弱电磁波与人体的共鸣现象、竹炭的半导体功能和屏蔽电磁波功能及负离子效应等，竹醋对过敏性皮炎和糖尿病等疾病的疗效、促进毛发生长作用、对植物的生理活性功能等。野村隆哉主张对这些物理和化学机理进行研究，并且积极地为它们开拓用途。

日本中村和善提出可用低温干馏炭作脱臭、调湿的功能材料以及用竹炭粉作电磁波屏蔽的材料。浦银治认为竹炭对CO:的吸附性能高，不腐烂、保水、透水、保肥性好，可作土壤改良剂使用。佐久间对竹炭的热水冷却试验，发现加了竹炭的热水不容易变凉，认为如果把竹炭加在洗澡水中，即使是自来水，也可获得类似温泉那样的满足感。

千叶大学的研究成果表明，竹醋的主要成分是醋酸，从中可分离出10种酚衍生物，对于如白粉病等某些植物病害也有抵抗作用。由日本农山渔村文化协会出版的《竹炭和竹醋液的制造方法与用途》一书全面地论述了日本目前关于竹炭和竹醋的研究和应用情况。作者池岛庸元说，竹炭和竹醋今后在环境保护、农业和医疗等方面可望发挥新的作用[6]。

在韩国国内，有人在做饭时，将竹炭包在纱布内放入饭中，煮出的饭味儿更[5]香；泡澡的水里放上一点竹炭，全身倍感融融暖意。韩国许多工厂生产的健康枕头，用的就是竹炭。多孔性竹炭不仅可以蓄留植物根部所需水分，还可以改善土壤的透气性和排水性，为植物的微生物提供良好的生存空间。因此在园林绿化中，盆栽土里掺进豆粒大小的竹炭，能为植物提供健康的生长环境。对庭院树木，则增强了抗病虫害的能力。一些装饰性竹炭，犹如吸水石，放于相宜的盆里，本色、自然，且有着雷劈刀削的天然痕迹.竹炭则营造出更为特殊的情趣，春秋笔法赫然在焉。这样的装饰可去臭去湿，放在电视机或其它家电用品周围，还可起到防电磁波作用。2.2竹炭在其他国家

竹炭作为一种全新的健康环保时尚产品，不仅在新加坡的军工、医药等行业得到广泛应用，更多的是在生活消费领域的应用，它以其独特的健康保健作用被大多数消费者所接受，成为一种健康消费时尚。目前在新加坡市场上有 12 大系列 100 多个品种。如床上用品系列、汽车坐垫系列、鞋垫系列、美肤品系列、厨用品系列、工艺品系列、炭布系列、竹醋液等。

哥伦比亚对于竹炭速干布料的研制，已成功生产出竹碳内衣。它的保暖，是因为使用的材料是纳米级的远红外线纤维，能吸收外界与人体的体温，达到蓄热保温的功能，工研院检测发现，竹炭纱的调节温度效果为一般棉制品的一倍。竹炭内衣中竹炭纱还能有促进血液循环，塑身保健减肥，纺织研究所研究发现，竹炭服饰可以提高人体浅层微血管内的血液流量约30%，有效降低疾病的风险。而血液循环好，又有助于皮下多于脂肪的代谢，避免脂肪囤积或血管阻塞[7]。2.3竹炭在中国

关于竹炭和竹醋液的研究是近几年刚刚兴起的新的研究领域，由于竹子的分布特性所决定，使对竹炭的研究具有很强的区域性。国内对竹炭的生产和研究主要集中在浙江、江西、福建一带。

在竹炭的机能性机理的研究方面，张齐生院士领导的研究小组对竹炭的构造、机能以及对饮用水的净化做了比较详细的研究[8-9]。另外，许多科研单位的研究人员对竹炭的生产和应用方面做了大量的研究。叶良明教授等主要针对竹炭的烧制进行研究 [10-11]；还有其它学者对竹炭的含水率、挥发成分、竹醋液的成分等指标进行了检测[12]。

此外，还可利用竹炭开发医药保健品。如将竹炭粉与助剂混合装入衣服、织物、枕头、帽子、垫子和宠物用具等物品制成保健品，它具有清净空气作用、按摩作用、除臭作用、红外线作用、调温调湿作用、抗菌和杀虫的作用。在医药上利用竹醋液作防菌杀菌剂和治疗皮肤病等医药原料，提取甲醇和醋酸等作化工原料，其他还有染料媒染剂、动物除臭剂、农药添加剂、发根促进剂、土壤改良剂、动物营养剂等。2.3.1竹炭在浙江

中国的竹炭产业发展前景宽阔。生产企业生产主要集中在江浙沿海一带，仅浙江省为例。在五、六年时间内，浙江的竹炭生产产业发展迅猛，比较有名的企业主要集中在遂昌、衢江、安吉、宁波和庆元等地，年产量达3000t以上，产值达3000-4000万元，竹炭品种开发也不断深入，目前已开发出建筑、环保、保健、工艺、化妆等6大类100多个品种的竹炭产品，浙江省已成为竹炭产业发展的重要生产与贸易基地，并且成为山区林业产业经济发展的新亮点[13]。3.竹炭的炭化工艺 3.1备料

炭用材一般选用4年以上竹龄和竹材加工剩余物。因竹材从基部到梢部，其密度、腔壁结构、组成物质都有一定的差异，同时竹材的材性又受竹龄、立地条件、气候环境的影响。竹材中含大量糖类等营养物质，易发生霉蛀。因此，要选择竹龄、大小、立地条件相近的竹材一起装窑，注意竹材的保管、窑中竹材的松紧度等问题。3.2热解

热解工艺条件决定了竹炭的品质，可结合窑体的实际情况，准确控制窑温，尤其是精炼温度，它是竹炭品质的重要指标，不同的用途采用不同的烧制工艺曲线。

竹材的热分解是在温度稍高于100℃时开始的，在150℃以下，竹材受热分解速度很慢，随着温度的升高，竹材受热分解速度显著加快；温度上升到约270℃以上时，分解反应剧烈进行。温度达500℃时，分解反应基本结束。与木材一样，竹材的热分解过程，包括四个阶段：

1.水分蒸发或干燥阶段

加热温度为100--150℃之间，竹材分解的速度缓慢，主要是竹材组织中的吸着水受热蒸发逸散，但竹材的化学组成，没有明显变化；但随着加热时间的延长，竹材中的戊聚糖含量是可能降低，竹材的物理力学性质有所改变。

2.预炭化阶段

加热温度为150--270℃，竹材受热分解速度加快，其中的化学组成发生明显的分解反应，比较不稳定的组份如半纤维素受热分解生成CO2、CO、H2O和少量的乙酸等物质。上述两个热分解阶段，需要外界供给热量，亦即竹材的吸热分解阶段。

3.炭化阶段

加热温度升高至270-450℃，竹材热分解反应剧烈，伴随产生大量的热分解产物，生成的气体中，CO2和CO的量逐渐减少，而碳氢化合物如甲烷、乙烯、烯烃类及各种活性高能的氢自由基和羟基，则逐渐增多；生成的液体主要有乙酸、甲醇、丙酮和木焦油。

这一阶段放出大量的反应热，称为放热反应阶段；而放热反应温度随加热速度而异。

4.煅烧阶段

温度继续升高到450℃以上时，生成的液体产物已经很少，这个阶段借助外部的热量，除去残留在木炭中的挥发物质，及木炭的煅烧。

以上四个阶段，没有明显的界限，甚至同一试件的外表和内部，都可能同时处于不同的热分解阶段。3.3存放

经冷却出窑的竹炭，因竹炭的吸水性强，如果储存环境潮湿，空气混浊，竹炭大量吸水、吸味，这无疑会影响产品的功效。所以应选择空气干燥清洁的仓库，并根据出窑日期、精炼度的不同分类堆放。3.4加工

根据质量要求依次分批进行加工，在加工前应先抽检其精炼度，然后根据精炼度的不同分类加工成片炭、筒炭。规格尺寸应严格按照客户的要求加工，片炭、筒炭不应有裂缝、缺角等，并把粉尘擦干净。作为颗粒炭和粉炭除按客户规定的规格加工外，应特别注意杂质（泥沙等）问题，否则将严重影响产品信誉[14]。4.竹炭的理化性质

竹炭同竹材外观上相比，纤维素束外鞘变得致密，纤维素细胞腔中一些挥发物质减少。竹炭主要是由碳、氢、氧等元素组成，呈六角形，质地坚硬，细密多孔。炭化后的竹材仍然基本上保持密实状态[15]，外表面仍然保留着竹材表皮粗糙不平的颗粒状态，继承了竹材的多孔状和各向异性构造特征，但是竹材基本组织细胞的细胞壁间隙消失，细胞壁变薄[16]。竹炭组织中的矿物是木炭的5倍[17]，1cm3竹炭的表面积可达350m2，是木炭的2.5～3倍，若进一步活化成竹活性炭，则其比表面积可达1000m2以上[18]。竹炭的吸附能力是木炭的10倍以上。木炭的PH值随着炭化温度的增加从酸到碱性变化，但是竹炭的PH值不管炭化温度怎么变化都能保持碱性，并且竹炭的灰份和钾含量好象和PH值有关。在吸湿解析的高温区域，竹炭的调湿能力比木炭强。

竹炭片炭含水率5%～8%，颗粒炭含水率14%～18%；固定碳含量85%～88%；灰分含量（钾、钙）2%～4%；比表面积300～600m-1；挥发分6%～8%；干碳热值30000～33000kJ/kg；PH值8～9；气干密度0.800～1.320g/cm3[19]。5.竹炭用途

(1)燃料:由于竹炭系各种竹材炭化而成，安全性受到信赖，作为烧烤，野炊的燃料，清洁而有情趣，加上目前对其他薪炭材的砍伐限制，作为燃料的竹炭前景看好。

(2)竹活性炭:竹炭经水蒸气法活化处理后具有均匀的细孔状结构，比表面积从50om2/g增加到90om2/g，其竹活性炭的得率为68%，具有和椰子壳活性炭同等以上的比表面积和吸附率。

(3)住宅环境材料:大理石，花岗岩，磁砖类建材，表面容易结露，而三夹板类又容易霉烂虫蛀。用竹炭装填地面和墙壁，由于竹炭对空气中水分的吸湿和解吸调节，加上竹炭的负离子作用，能保持住宅内部环境舒适宜人，心神安定。也茶馆以此来吸引顾客。

(4)水质处理:不仅用来处理自来水，还用来处理污水，河道，渔场，是竹炭浴和掺有用自然物治理环境的极好例子[20]。

(5)健康和美容上的应用:用竹炭制作枕头，有利于睡眠竹炭的美容霜具有特殊的皮肤护理功效[21]。6.慎食竹炭食品

在一些超市、卖场中，一系列用竹炭加工出来的食品进入了人们的视线，有竹炭花生、竹炭金纳豆、竹炭面条、竹炭面包、竹炭酒等，由于商家标榜该类食品具有吸附人体内有害物质，净化血液中毒素的功效，引起了不少消费者的兴趣。

有关专家认为，炭可以吸附微小颗粒，在中医上从古至今有很多的应用，但是竹炭在中医领域却鲜用于临床。根据竹炭食品的宣传，竹炭可以吸附人体内有害物质，净化血液中的毒素，还有助于人体消化排泄，清洁肠道，具有排毒养颜之功效。其在理论上是成立的，但在实践中将竹炭粉添加进食品中就具备种种保健功效，并没有相关的科学实验作为依据。有关资料显示：目前尚没有任何关于食用竹炭粉对人体有益的报告（包括动物实验的报告），活性炭多用于空气和水的净化，其食用功能尚未明确。

竹子虽然是天然的植物，竹笋也是中国料理的重要佳肴，但竹材在高温炭化过程中会发生复杂的化学反应，产生许多复杂化合物，其中焦油就是一种致癌物，必须再精制后才能将焦油除去，若将不当加工后的竹炭或竹醋液直接拿来食用是非常危险的行为。另外，竹炭在加热分解时所产生的甲醇亦有毒性。食用竹炭后，细微颗粒很可能吸入肺里，吸附在肺叶上，而且它吸附性极强，吃下去后很难排出体外，容易形成“尘肺”。有鉴于此，专家认为不要轻信所谓竹炭食品的神奇疗效，选用食品，要看其本质，不要被表象迷惑，对于食用竹炭食品应采用谨慎的态度[22]。

7.竹炭的发展趋势及建议

日本京都大学的野村隆哉进行过竹炭烧制的前处理研究。他对炭材进行烟熏前处理后发现 ,经过烟熏前处理的炭材烧制的竹炭质量好；根据竹炭的不同功用，可以通过控制炭化温度来实现目的；对炭化的工艺和设备的研究方面，主要集中于土窑、简易炉和连续式干馏炉；研究竹炭的机能性及利用竹炭机能性开发新型材料，比如开发净水和空气净化炭以及制作内含竹炭粉的枕头、帽子、垫子等生活用品和农林业的应用研究；目前，竹炭研究还存在不少薄弱方面，比如：竹炭屏蔽电磁波的能力；烧制温度与竹炭的比表面积及电阻率之间的变化规律；竹炭产生远红外线的能力及其远红外线的波长；竹炭净化空气和调节空气湿度的机理和规律等。为了使竹炭及其制品能走进千家万户，建议：

(1）引进先进技术，完善我国竹炭生产工艺

竹炭烧制和产品开发是一个新兴产业，目前已具一定规模，实现了初步产业化，但是我国现行的竹炭生产工艺和技术存在较多的问题，如原料的确定，不同培育方式、不同竹龄的竹材对热解工艺的影响，窑温的控制，竹材热解产品得率等。建议引进国外的先进技术，可大大增强市场的竞争力。

(2）重视深加工，开发新产品提高制品附加值

对竹炭进行化学深加工，并开发竹炭、竹醋系列新产品。据报道，日本已生产出500目的竹炭纤维，并将这种竹纤维拉长与化纤、棉线等交织在一起，热量可增加10%，并具有吸附性能，透气性好等优点。中国台湾省也准备投资200万新台币，购置其生产设备与日本共同生产竹炭纤维。竹炭纤维的问世，使竹子的附加值更进一步得到提升。

(3）加强生产的自动化研究，开发竹炭生产配套设备

要提高产量,生产高质量的竹炭，需要先进的设备。日本在设备制造方面处于世界的领先地位，但是技术较复杂，成本高，所以制造商必须在现有的设备之上，进行改良，使其更适合于我国竹炭企业，也适合于出口到一些经济不够发达的竹子大国，如印度、非洲、南美等地。

(4）重视环保建设，充分利用竹炭加工剩余物

可以用竹材炭化过程中以鼓风炉吸引生成的甲烷气体，先除去气体中的焦油及粉尘，再送至气轮发电机发电。另外，在竹材炭化及发电过程中，除了竹炭、竹醋液外，还可由热交换器将炭化装置出口的废热转换成温热水予以回收，使竹材炭化过程中的材料、水蒸汽、热等都不浪费。

(5）加强理论研究，开拓竹炭应用新领域

由于对竹炭机能性机理的研究目前才刚刚开始,现今开发的竹炭制品许多特点没有充分的科学依据作支撑，加之对竹炭的宣传力度不够，竹炭、竹醋液及其制品在我国目前还没有市场。因此，开展竹炭的理论和应用研究不仅可以使人们从科学的角度来认识和了解竹炭，还必将促进市场的广泛开发。

(6）规范市场机构，完善竹炭相关标准体系

目前我国尚未有有关竹炭的健全的国家标准和企业标准，为了进一步加强竹炭生产和管理，以利于竹炭的推广应用，稳定竹炭质量，作为指导生产和交货依据，制定和完善竹炭的相关标准势在必行。同时，国家应该成立全国性的竹炭方面的专业技术机构，规范竹炭市场，保护国内厂商的利益。

(7）普及竹炭科学，增强竹炭产品推广力度

我国竹炭年产量中只有1/3销于内地市场，大部分销往日本、韩国、中国台湾省等地，内地很多消费者不知道有这样一种产品，相比而言，竹炭在日本、韩国、中国台湾省等地就极流行，已经成为居家的生活用品。应该针对目前家具装修与水污染等诱发的疾病问题，突出宣传竹炭净化水质与空气的功效，慢慢地让竹炭走进千家万户，使竹炭业尽快发展壮大起来[3]。8.小结

综上所述，竹炭是一种性能良好、有着广阔发展空间的多功能材料和环境保护材料，越来越受到人们的重视。我国竹类资源十分丰富，竹炭具有广阔的市场前景。近年来，我国竹炭产业迅猛发展，已成为林区林业增效、林农增收的新途径。竹炭可用于农业、环保、医学、纺织、保健等领域，但我国的竹炭研究刚刚起步，竹炭改性还未产业化，市场前景广阔，应加大科研投资力度，将其广泛推广，造福人类[4]。

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第四篇：防水涂料的研究现状和发展趋势

防水涂料的研究现状和发展趋势

时间:2006-08-17

关键词:防水 涂料 研究 现状 发展 趋势

建筑防水材料是建筑材料的一个重要组成部分 , 属于功能性材料 , 建筑物和构筑物之所以要采用防水材料其主要目的是为了防潮、防渗、防漏。我国在建筑工程防水材料方面的投入每年呈递增趋势。2003 年 , 在工程总造价中防水工程造价达到 15 % 以上 , 特别是地下室的防水造价比例已达工程总造价的 25 % ～ 30 % [ 1 ]。我国建筑防水涂料年使用量占防水材料总量的 10 % 左右 , 有的地区(例如厦门防水涂料使用量)占防水材料总量的 50 % 左右 [ 2 ]。虽然在防水工程方面的投入很大 , 但防水效果不理想 , 新建工程当年渗漏率都在 10 % 左右 , 国家每年用于防水方面的维修费将近20 亿元。建筑防水效果的好坏 , 关键在于防水材料是否具有良好的性能。近年来 , 我国防水材料的研究取得了很大进步 , 先后开发了油膏类、卷材类、溶剂型黏稠液、水基型乳液和粉剂型防水材料 , 并得到了广泛的应用。防水涂料的概念及分类

1.1 防水涂料的概念

建筑防水涂料。(简称防水涂料)是一种建筑防水材料。将涂料单独或与胎体增强材料复合 , 分层涂刷或喷涂在需要进行防水处理的基层表面 , 即可在常温条件下形成一个连续无缝整体且具有一定厚度的涂膜防水层 , 从而能满足工业与民用建筑的屋面、地下室、卫生间和外墙等部位防水抗渗要求。防水涂料一般是由沥青、合成高分子聚合物、合成高分子聚合物与沥青、合成高分子与水泥或以无机复合材料等为主要成膜物质 , 掺入适量的颜料、助剂、溶剂等加工制成的溶剂型、水乳型或反应型的 , 在常温下无固定形状的黏稠状液态或可液化的固体粉末状态的含高分子合成材料的复合材料。

1.2 防水涂料的分类

1.2.1 按照涂料的基料和分散介质分类

防水涂料按其成膜物可分为沥青类、高聚物改性沥青(亦称橡胶沥青类)、合成高分子类(又可再分为合成树脂类、合成橡胶类)、无机类、聚合物水泥类等 5 大类。按其状态与形式 , 大致可分为溶剂型、反应型、乳液型 3 大类。

(1)溶剂型防水涂料

溶剂型防水涂料其作为主要成膜物质的高分子材料是以溶解于(以分子状态存在于)有机溶剂中所形成的溶液为基料 , 加入颜填料、助剂制备而成的。它是依靠溶剂的挥发或涂料组分间化学反应成膜的 , 因此施工基本上不受气温影响 , 可在较低温度下施工。涂膜结构紧密、强度高、弹性好;防水性能优于水乳型防水涂料。但在施工和使用中 , 有大量的易燃、易爆、有毒的有机溶剂逸出 , 对人体和环境有较大的危害 , 因此近年来应用逐步受到限制。溶剂型防

水涂料的主要品种有溶剂型氯丁橡胶沥青防水涂料、溶剂型氯丁橡胶防水涂料、溶剂型氯磺化聚乙烯防水涂料等。

(2)反应型防水涂料

反应型防水涂料其作为主要成膜物质的高分子材料是以预聚物液态形式存在。反应型防水涂料是通过液态的高分子预聚物与相应的物质发生化学反应成膜的一类涂料。反应型防水涂料通常也属于溶剂型防水涂料范畴 , 但由于成膜过程具有特殊性 , 因此单独列为一类。反应型防水涂料通常为双组分包装 , 其中一个组分为主要成膜物质 , 另一组分一般为交联剂。施工时将两种组分混合后即可涂刷。在成膜过程中 , 成膜物质与固化剂发生反应而交联成膜。反应型防水涂料几乎不含溶剂 , 其涂膜的耐水性、弹性和耐老化性通常都较好 , 防水性能也是目前所有防水涂料中最好的。反应型防水涂料的主要品种有聚氨酯防水涂料与环氧树脂防水涂料两大类。其中环氧树脂防水涂料的防水性能良好 , 但涂膜较脆 , 用羧基丁腈橡胶改性后韧性增加 , 但价格较贵且耐老化性能不如聚氨酯防水涂料。反应型聚氨酯防水涂料的综合性能良好 , 是目前我国防水涂料中最佳的品种之一。

(3)乳液型防水涂料

乳液型防水涂料为单组分水乳型防水涂料。涂料涂刷在建筑物上以后 , 随着水分的挥发而成膜。乳液型防水涂料其主要成膜物质高分子材料是以极微小的颗粒稳定悬浮在水中而成为乳液状涂料的。该类涂料施工工艺简单方便 , 成膜过程靠水分挥发和乳液颗粒融合完成 , 无有机溶剂逸出 , 不污染环境 , 不燃烧 , 施工安全 , 其价格也较便宜 , 防水性能基本上能满足建筑工程的需要 , 是防水涂料发展的方向。乳液型防水涂料的品种繁多 , 主要有 : ①水乳型阳离子氯丁橡胶沥青防水涂料;②水乳型再生橡胶沥青防水涂料;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 , 剩余部分为水。该防水涂料具有很好的阻燃性、隔热性以及耐化学腐蚀性。Kyminas 等 [ 8 ] 制造出了坚固耐用的屋面防水涂料 , 主要用于长期受风雨侵蚀屋面的防水。基料为含有石油沥青、改性沥青和泡沫塑料、丙烯酸聚合物的水乳型分散体 , 颜填料为二氧化钛、碳酸钙、二氧化硅、云母、高岭土 , 颜料的平均粒径小于 200 μ m , 颜料在分散体系中的体积浓度 > 20 %。该防水涂料的涂膜与基层的附

着力强、阻燃性好、能够反射大量的太阳光和热 , 因此延缓了顶板的热老化 , 并降低了室内温度。

Roberts 等 [ 9 ] 研制的墙面防水涂料是通过对含有 4 ～ 6 个碳原子的脂肪族烯烃或脂肪族二烯烃进行聚合而得的烃类树脂与弹性共聚物(由苯乙烯、异戊二烯、丁二烯共聚)为基料 , 溶剂为混合溶剂(含有约 80 % ～ 95 % 的脂肪烃 ,5 % ～ 20 % 的芳香烃 , 其中脂肪烃中含有至少 1 % 的正庚烷)。该防水涂料的配方为 : 苯乙烯、异戊二烯共聚橡

胶 22 份 , 烃类树脂 25 份 , 绿色颜料 1 份 , 乳酸 20 份 , 庚

烷 30 份 , Shellflex2 份。该防水涂料具有良好的耐候性、耐化学腐蚀性、抗拉强度高、延伸率高等优点 , 主要用于地下室的防水。施工时 , 主要采用高压无空气喷涂。近年来 , 美国亨瑞公司在过去开发和应用乳液沥青防水涂料的基础上 , 又成功开发了一种以改性的优质氧化沥青为主要原料 , 掺入适量的化学助剂、填充剂、石油溶剂和乳化剂等 , 经过特殊的加工工艺 , 制成了一种高固含量(73 % 以上), 能在潮湿基层或雨中进行施工 , 并容易涂抹的厚质防水涂料。由于这种涂料既有疏水功能 , 又有一定的亲水性 , 即具有 “ 两性功能 , 故可在下雨时 , 对屋面进行防水堵漏的施工作业 , 能发挥救急的作用 , 很受用户欢迎 [ 10 ]。美国创高公司生产的一种不含挥发性有机溶剂的单组分聚氨酯防水涂料—— 创高 60 , 该涂料可根据设计要求 , 采用能够控制涂膜厚度的锯齿形特制刮板直接涂刷在基层表面 , 经吸收空气中的水分固化形成足够厚度的涂膜防水层 [ 10 ]。来自美国的最新专利产品阻热防水涂料 , 当它在金属物体上使用时 , 极具柔性和封闭性 , 能堵漏、隔热、防锈;用于沥青屋面作防水涂料时 , 可反射 90 % 的太阳能 , 能够防止沥青降解 , 延长防水寿命;用于刚性防水屋面时 , 因其具有极佳的粘附性和延伸性 [ 1 ] , 能够封闭因混凝土膨胀造成的细裂纹和缝隙 , 从而防止水分渗透。美国和法国的铝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 , 又能对原有防水层起到保护作用 , 并能反射紫外线和太阳光 , 不但可以降低顶层房屋的室内温度 , 节省空调费用 , 而且可以延长防水层的使用年限 , 目前已成为房屋建筑业主乐意选用的功能型防水涂料之一 [ 10 ]。

3.2 我国研究现状

我国防水涂料的开发和应用始于 20 世纪 60 年代 , 当时多以石油沥青或各种废旧材

料(如废胶粉等)和化工厂的下脚料(如苯乙烯焦油等)为主要原料 , 加工制成乳化沥青防水涂料或废胶粉改性沥青防水涂料和苯乙烯焦油防水涂料等。由于这些防水涂料的质量不够稳定 , 施工方法不规范、涂膜厚薄不均匀、防水层使用年限较短等原因 , 故未能在新建的防水工程中大面积推广应用 [ 10 ]。20 世纪 70 年代 , 北京建筑工程研究院开始研制聚氨酯防水涂料 , 该类涂料发展非常迅速 , 每年以 18 % 的速度增长 ,1994 年产量为 1 万 t , 其中主要是煤焦油作活性填料的聚氨酯防水涂料 [ 4 ]。据调查 ,1999 年聚氨酯防水涂料销量

中 , 焦油型约占 66 % , 非焦油型占 34 %。焦油型防水涂料在防水涂料中占有举足轻重的地位 [ 11 ]。但煤焦油是一种复杂的混合物 , 它含有蒽、菲、咔唑、吡啶等数百种组分 , 众多的挥发组分严重污染环境和危害人体健康。因此 ,近年来北京和上海等城市已相继发文禁止使用焦油聚氨酯防水涂料。在此背景下 ,1998 年建设部将非焦油型聚氨酯防水涂料列为全国住宅推荐产品 13 种防水涂料之一 , 从而极大地推动了聚氨酯防水涂料在我国的推广应用和健康发展 [ 12 ]。

上海汇丽化学建材厂、天津大学化工实验厂、苏州非金属矿业研究院防水材料研究所等单位生产双组分聚醚型聚氨酯防水涂料 [ 13 ]。山西省建筑科学研究院成功研制出环保型水性沥青

聚氨酯防水涂料 [ 14 ]。北京三原建筑粘合材料厂成功研制出无溶剂聚氨酯防水涂料 , 该产品固含量高 , 摒弃了煤焦油成分 , 是焦油型聚氨酯防水涂料的理想替代产品之一 [ 15 ]。上海复旦大学材料科学系研制的丙烯酸酯防水涂料于 1991 年应用于深圳火车新客站篷面的防水工程 ,1992 年应用于复旦大学微分析中心楼的屋面上 ,1994 年以后陆续应用于复旦大学材料二楼、李达三楼、新化学楼、上海长兴岛特技城锥形体屋面、北京中国长城电脑大厦、上海华富大厦、上海筛网厂新办公楼、上海浦东西门子公司等建筑的屋面防水工程上 [ 16 ]。武汉现代工业技术研究院成功研制开发了一种新型水泥基防水涂料—— WGB 长效复合彩色防水涂

料 , 并通过了武汉市科委组织的专家会议鉴定。WGB 长效复合彩色防水涂料是由一种硅丙树脂与 VAE 乳液经特殊工艺复合而成的新型防水涂料。兼有 VAE 防水涂料的高耐渗性和丙烯酸乳液的耐候性、耐久性和有机硅防水剂的强基体渗透性等各种防水材料的优点。具有高弹性、高抗拉强度 , 与基层结合牢固 , 并能克服基层开裂、变形所产生的渗漏问题。可达到长期防水效果。试验表明 , 有效防水期可长达 30 年。同时该涂料为水性涂料 , 无毒、无污染 , 可调制成各种颜色 , 能起到美化环境的作用 , 是一种绿色环保产品。该涂料还具有应用面广、施工方便、综合成本低的优势 , 适用于屋面、卫生间、地下室、内外墙、水池、桥涵、水下、地下建筑物的防水;可刷涂、滚涂、刮涂 , 也可掺加到水泥中制成防水水泥砂浆;综合成本相当于沥青基防水材料。不仅有效地解决了建筑物防水问题 , 还解决了现有的一些高分子防水材料成本过高、施工难度大、推广应用困难等问题 [ 17 ]。2003 年 2 月成都健生化工有限公司研制生产出高性能新型绿色环保丙烯酸酯防水涂料 , 据悉 , 该产品已获得国家建设部和四川省建设厅的批准 , 目前已经正式批量生产 , 全面投放市场。该产品无毒、无味 , 具有优异的耐老化性、粘附性、耐冷热、耐碱性、耐低温性等特点 , 各项技术指标均达到了国家的相关标准 , 它能够广泛应用于新旧建筑地下室、屋面及墙体、厨卫间、仓库、游泳池等场所的防水和防潮 [ 18 ]。

硅橡胶防水涂料是治金部建筑研究总院在国内首次研制成功的新型防水涂料。硅橡胶防水涂料可掺入无机填料及各种特殊助剂 , 是乳液型防水涂料。涂料吸收了涂膜防水和渗透性防水材料两者的特点 , 具有良好的防水、防渗透、高弹性、耐湿热性、耐候性等综合性能。因此建设部将其列为 “ 八五 ” 科技成果向全国建筑业推广 [ 19 ]。从 20 世纪 70 年代末开始 , 随着我国科学技术进步和化学建材工业的发展 , 防水涂料也获得了迅速发展 , 到目前为止 , 关于防水涂料的发明专利有 120 项之多 , 主要是双组分 [ 20-21 ] 和单组分 [ 22-23 ] 的聚氨酯防水涂料、(改性)聚丙烯酸酯防水涂料 [ 24-25 ]、废旧材料改性防水涂

料 [ 26-27 ]、氯丁胶防水涂料 [ 28-29 ]、聚合物水泥防水涂料 [ 30-32 ]、高聚物改性沥青防水涂料 [ 33-34 ] 以及无机防水涂料 [ 35-36 ] 等 , 形成了化学反应固化型和溶剂(包含水)挥发干燥型等性能不同、形态不一的多类型、多品种的格局。到目前为止 , 有一定生产规模的防水涂料生产厂共有 200 家左右 , 每年生产总量已超 过 15 万 t。主要应用于工业和民用建筑的卫生间防 水 , 部分用于屋面、地下室和外墙等工程防水 , 均取得 了较理想的防水效果。为此 , 在国家化学建材推广应 用 “ 九五 ” 计划和 2010 年发展规划纲要中已明确列为 “ 适当发展防水涂料 ” 的目标要求。发展趋势

4.1 产品功能多样化

目前使用的绝大多数防水涂料的功能比较单一 , 即防水抗渗。而且施工必须在无明水的基材表面和非下雨天进行。未来的防水涂料将集防水、装饰、保温、隔热等多种功能于一体 , 且能在潮湿的基材上进行施工。

4.2 产品对环境友好

当前的防水涂料大多为溶剂型。防水涂料中含有大量的有机挥发物 , 在配漆和施工过程中 , 大量 VOC 排向大气 , 造成污染。同时施工人员在施工过程中不可避免地会吸入部

分 VOC。VOC 对人体的健康危害很大。它们不但对皮肤具有侵蚀作用 , 而且对人体中枢神经系统、造血器官、呼吸系统有刺激和破坏作用 , 可引起头疼、恶心、胸闷、乏力、呕吐等症状 , 严重时会抽搐、昏迷甚至死亡。因此 , 世界上主要的涂料生产国纷纷出台了限制 VOC 排放的法规。生产低 VOC 对环境友好的防水涂料已是大势所趋。通常实现低 VOC 的途径有 3 种 : ① 用水代替挥发性有机溶剂;② 提高固含量;③ 发展粉末涂料。

4.3 产品性能更加优异

由于技术、施工等方面的原因 , 目前的防水涂料产品性能相对较差 : 拉伸强度较低 , 延伸率较小 , 耐候性较差 , 使用寿命较短。未来的防水涂料将向着各项性能较高、对基层伸缩或开裂变形适应性较强的方向发展。

4.4 发展纳米复合防水涂料

像防水涂料这样的外用涂料 , 对涂料的耐老化、耐洗刷、抗紫外线等性能要求很高。在涂料中加入纳米材料 , 可以提高涂料的耐老化、防渗漏、耐洗刷等性能 , 从而提高涂料的档次 , 延长涂膜的使用寿命。经纳米材料改性后的防水涂料产品外观显得更加饱满、匀和 , 涂膜光洁细腻 , 触感优良 , 防水性好 , 与基层的粘接力大大提高 , 尤其明显的是改性后的涂料抗紫外线、耐洗刷性能非常优越。武汉理工大学的余剑英 [ 37 ] 成功研制出一种纳米改性聚合物基屋面防水涂 料 , 它包括作为基料的聚合物乳液 , 作为填料的碳酸钙、滑石粉或云母

粉 , 其特征在于加入了作为改性剂的无机纳米粒子和钠基蒙脱土 , 涂料的基本配方为 : 聚合物乳液 38.9 % ～ 65 %、无机纳米粒子 0.1 % ～ 5 %、钠基蒙脱土 1 % ～ 6 %、填料 30 % ～ 60 %。其制造方法为 : 将无机纳米粒子改性剂加入基料中 , 在超声波作用下进行分散 , 然后加入钠基蒙脱土高速搅拌进行插层复合 , 最后加入填料再经搅拌、研磨、过滤而制得。该涂料既具有优异的力学性能和防水性能 , 又具优良的抗紫外线能力 , 能够显著延长屋面防水工程的使用寿命。结 语

我国城市基础设施改造和住宅工程建设的迅猛发展 , 以及大型建筑工程的发展 , 为防水涂料的应用和发展提供了广阔的前景;同时防水涂料产品功能和性能的不断提高以及施工技术的机械化亦为建筑工程的防水提供了可靠的保障。

第五篇：生物制药现状与发展趋势研究

生物制药技术现状与未来发展趋势研究

学生姓名 张溢峰

班 级 生物技术132 专业名称

生物技术

学院名称 生命科学与技术学院

指导教师 李文兰

提交日期 2016年1月15日

广西大学生命科学与技术学院

2016年 1月

摘要：生物技术药物(biotech drugs)又称为生物药物(biopharmaceutics)。以组合化学、药学基因（功能抗原学、生物信息学等高技术为依托，融合了医学、生物学、药物学等先进技术，以分子遗传学、分子生物、生物物理等基础学科的突破为后盾形成的产业。生物制药技术将对生物技术药物的创新与发展产生十分重要的影响和作用。笔者总结了生物制药的现状，生物技术药物的分类，生物制药的发展趋势，我国生物技术制药的发展方向，并展望了我国生物制药行业的前景。

关键词 ：生物制药技术；发展趋势；发展；现状；研究；生物技术

“21 世纪是生物的世纪”这一观点已经逐渐地被越来越多的人所接受,且正沿着它特有的轨道一步步的成为现实。生物制药是指运用微生物学、生物学、医学、生物化学等的研究成果“从生物体生物组织细胞体液等”综合利用微生物学、化学、生物化学、生物技术、药学等科学的原理和方法制作的一类用于预防、治疗和诊断的制品。其中最为主要的是基因工程方法，即利用克隆技术和组织培养技术，对DNA进行切割、插入、连接和重组，从而获得生物医药制品。生物制药产品主要包括三大类：基因工程药物、生物疫苗和生物诊断试剂。其在诊断、预防、控制乃至消灭传染病，保护人类健康延长寿命中发挥着越来越重要的作用。这些成果还可以帮助人类加速植物和动物的人工进化以及改善生态环境对人类的影响等，产生新的有机生命的研究也会取得进展。

目前,生物制药产业已经成为21世纪最具前途的产业之一, 是生物工程应用研发中最活跃和进展最快的领域。生物制药行业具有高技术、高投入、高风险、高收益、周期长等特点。世界上许多国家都把生物技术产业作为优先发展的战略性产业之一,不断加大对生物制药产业的政策扶持与资金投入。生物药物的阵营很庞大，全世界的医药品已有一半是生物合成的，特别是合成分子结构复杂的药物时，它不仅比化学合成法简便，而且有更高的经济效益。它的发展将帮助人类解决很多当前无法人类疾病，同时还可以改革食品的生产过程，彻底消除人类的营养不良。这些将极大的延长人类寿命，改善人们的生活。

一.生物制药的现状

目前生物制药主要集中在以下几个方向： 1 肿瘤

在全世界肿瘤死亡率居首位，美国每年诊断为肿瘤的患者为100万，死于肿瘤者达54.7万。用于肿瘤的治疗费用1020亿美元。肿瘤是多机制的复杂疾病，现在仍主要运用早期诊断、手术、放疗、化疗等手段进行综合治疗。今后10年抗肿瘤生物药物会迅速增多。如利用基因药物抗体抑制肿瘤的发展和扩散，如利用导向IL-2受体的融合毒素治疗CTCL肿瘤，如利用基因治疗法对肿瘤进行治疗(使用γ-干扰素基因对骨髓瘤的治疗)。基质金属蛋白酶抑制剂(TNMPs)可抑制肿瘤血管生长，阻止肿瘤生长与转移。这类抑制剂有可能成为广谱抗肿瘤治疗剂，已有3种化合物进入临床试验。神经退化性疾病 现在利用生物技术治疗老年痴呆症、脑中风、帕金森氏病及脊椎损伤的药物，如胰岛素生长因子rhIGF-1 目前已开始Ⅲ期临床实验。神经生长因子(NGF)和BDNF(脑源神经营养因子)用于治疗末稍神经炎，肌萎缩硬化症，均已进入Ⅲ期临床。全国每年中风患者大概60 万，每年死于中风患者达15 万。中风症的有效防治药物不多，尤其是可治疗不可逆脑损伤的药物更少，CerestaL已被证明能对中风患者的脑力有显著改善和稳定作用，已经进入Ⅲ期临床试验。自身免疫性疾病

许多炎症由自身免疫缺陷引起，如哮喘、风湿性关节炎、多发性硬化症、红斑狼疮等。我国风湿性关节炎患者多达4000 多万，每年花费巨额医疗费，很多制药公司正对这类疾病进行研究。如 Genentech公司研究一种人源化单克隆抗体免疫球蛋白E用于治疗哮喘，已进入Ⅱ期临床;美国Cetor′s 公司开发出一种用于治疗风湿性关节炎的TNF-α 抗体，治疗的有效率达80%。还有的公司在应用基因疗法治疗糖尿病，如将胰岛素基因导入患者的皮肤细胞，再将细胞注入人体，使工程细胞产生全程胰岛素供应。我国每年有接近一百万人死于冠心病，每年都要花费高额的治疗费。今后10年，防治冠心病的药物将是制药工业的重要增长点。Centocor′s Reopro公司应用单克隆抗体治疗冠心病的心绞痛和恢复心脏功能取得成功，这标志着一种新型冠心病治疗药物的延生。随着基因组科学的建立以及基因操作技术的迅速发展，目前基因治疗与基因测序技术正在进行商业化开发，推动了治疗学的发展。转基因技术用于构造转基因植物和转基因动物，已逐渐进入产业阶段，用转基因绵羊生产蛋白酶抑制剂ATT，用于治疗肺气肿和囊性纤维变性，已进入Ⅱ，Ⅲ期临床。大量的研究成果表明转基因动、植物将成为未来制药工业的另一个重要发展领域。

二.生物制药分类

生物药物的原料以天然的生物材料为主, 包括微生物、人体、动物、植物、海洋生物等。所以说,生物药物(或称生物技术药物)是集生物学、医药学的先进技术为一体,以化学、药学基因等高技术为依托,以分子遗传学、分子生物学等基础学科的突破为后盾所形成的产业。生物药物按它的用途不同可分为三大类: 生化药物、生物工程药物和生物制剂。

然而也可以用别的方式来进行分类。其一，重组蛋白质和重组多肽药物：即利用DNA重组技术，将重组对象的基因插入载体，拼接后转入新的宿主细胞，构建成工程菌（或细胞），实现遗传物质的重新组合，并使目的基因在工程菌内进行复制和表达，最后将表达的目的产物纯化并做成制剂，得到重组多肽、蛋白质类药物。其二，重组DNA药物：基因治疗是指向靶细胞或组织中引入外源基因DNA或RNA片断，以纠正或补偿基因的缺陷；关闭或抑制异常表达的基因；刺激产生相应的抗体，从而达到治疗和预防疾病的目的。其三，其他生物技术药物：如微生态制剂，另外还有利用生物技术生产的血液代用品、肿瘤疫苗等等。三.生物制药的发展趋势

现代生物技术已对医药产业发展产生了革命性影响，生物产业是一个以科学为基础的产业，它对工艺的依赖性低，对基础工业的要求相对较低。自从人类基因组计划完成以耒，结构基因组，功能基因组，蛋白质组等研究计划相继起动。这为生物技术的发展注入了强大的活力。各国对此十分重视，并把生物技术产业的发展作为国家经济发展中新的增长点之一。

生物学的革命不仅依赖于生物科学和生物技术的自身发展，而且依赖于很多相关领域的技术走向。尽管生物技术的高速发展使人们难以作出准确的预测，但是基因组图谱、克隆技术、遗传修改技术、生物医学工程、疾病疗法和药物开发方面的进展正在加快。

各种新技术的出现有助于新药物的开发。计算机模拟和分子图像处理技术相结合可以继续提高设计具有特定功能特性的分子的能力，成为药物研究和药物设计的得力工具。药物与使用该药物的生物系统相互作用的模拟在理解药效和药物安全方面会成为越来越有用的工具。

到下世纪初生物技术药物的种类数目尚不会超过一般药物的总数，但生物技术制药公司总数将超过前10年的6倍。

药物的研究开发成本目前已经高到难以为继的程度，每种药物投放市场前的平均成本大约为6亿美元。这样高的成本会迫使医药工业对技术的进步进行巨大的投资，以增强医药工业的长期生存能力。

总之，综合多学科的努力，通过新技术的创立可以大大拓宽发明新药的空间，增加发明新药的机遇与速度。因为这些手段可以寻找快速鉴定药物作用的靶，更有效地发现更多新的先导物化学实体，从而为发明新药提供更加广阔的前景。

四.我国生物技术制药的发展方向

我国生物医药产业还相对落后,但是国家和地方政府都在不断加大对该产业的发展力度,从政策和资金等各方面给予其便利。当前,我国已将生物制药作为经济发展的重点建设行业和高新技术的支柱产业来发展。当前一些科技发达或经济发达地区正在不断建立国家级生物制药产业基地,并初步形成了初具规模的生物医药产业集群,这对我国的生物医药产业发展起到了很好的带动作用。总体而言,中国生物制药产业未来充满希望,前景看好,中国的生物制药产业将呈继续增长态势。

综合起来考虑, 我国生物技术制药业今后的发展方向可以确定为:1)中草药及其有效生物活性成分的发酵生产;2)改造抗生素工艺技术;3)大力开发疫苗与酶诊断试剂;4)开发活性蛋白与多肽类药物这方面的开发5)开发研制靶向药物, 以开发肿瘤药物为重点6)发展氨基酸工业和开发甾体激素;7)人源化的单克隆抗体的研究与开发;8)血液替代品的研究与开发;9)人体基因组的研究。

五.我国生物制药行业的前景

（1）创投机构看好中国生物制药领域全球金融危机加剧，让创投机构在中国的脚步变得格外谨慎。但于北京举行的“2008ChinaVenture中国投资年会”上，以生物制药为代表的医疗领域，却被参会的创投精英一致看好。（2）眼光盯准生物新领域

虽然政府一直在鼓励创新研究，但是国内新药非常少，大部分都是舶来品。《规划》提出，“十二五”期间，将重点突破一批药物创制关键技术和生产工艺，完善新药创制与中药现代化技术平台，建设一批医药产业技术创新战略联盟，基本形成具有中国特色的国家药物创新体系。（3）前途光明，道路曲折

从历史情况看，产业政策在很大程度上决定了医药行业的景气度。已出台的《生物医药产业发展“十二五”规划》将会在产业发展方向和财政支持上给予更为明确的扶持。如果前瞻性地看未来五年的中国生物医药行业，我们认为：第一，中国生物医药市场空间依然广阔，第二，政策将引导行业走向更高层次的创新之路，第三，生物医药企业、尤其是中成药企业的类消费品化趋势亦会更加明显，第四，研发成本上升及周期加长，使得跨国药企的产业重心转移至中国，同时中国企业也将进一步尝试走向规范市场。

六.结语

生物制药是21世纪最核心的高新技术之一,，过去我们由于闭关锁国而错过工业革命的发展良机，由于文革而痛失信息技术革命带来的黄金发展机遇,，现在我们不能再次丧失生物技术带来的这次飞跃式发展机遇。我们要清醒认识到自身的差距与不足，找出制约我国生物制药发展的瓶颈，大力发展动物细胞大规模培养技术和治疗性抗体研究与开发的上中下游技术，把握机会, 实现跨越式发展。相信在完成人体基因组测序后，从人体基因组中寻找开发各种新药，将是一个激动人心的壮举。

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