1本课题得到中国高技术研究发展计划(2007AA11Z112)；国家自然科学基金资助项目(59809008，40672194)；高等学校博士学科点基金项目(20060558060)；广东省自然科学基金重点项目(013188，06104932)的资助。
软岩遇水软化的耗散结构形成机制1
周翠英，朱凤贤
工学院//中山大学岩土工程与信息技术研究中心，广州（510275）
zhoucy@https://www.doczj.com/doc/0715317926.html,
摘 要：针对华南“红层”软岩遇水软化的复杂系统演化问题，从其软化过程中是否形成耗散结构的思路出发，研究了软岩系统非线性软化特征。表明：软岩与水相互作用系统是一个开放的复杂系统，在内部非线性？？作用下逐渐演化至非平衡状态，其软化过程中可以形成有序的耗散结构；在此基础上，采用耗散结构理论系统分析了软岩软化过程中耗散结构的形成机制：软岩软化的过程经历了近平衡态、远离平衡自组织态、远离平衡临界态三个阶段，并最终通过非平衡相变形成了具有一定稳定性的耗散结构。最后，基于软岩软化过程中结构分维值演化规律，初步建立了软岩耗散结构形成的分岔演化模型，并将模型应用于软岩饱水软化试验的临界分岔现象分析中，表明软岩耗散结构是在系统经历多次倍周期分岔，通过不断地从稳定到失稳再到稳定的过程后形成的，其中3个月与6个月这两个时间点具有显著的临界特征，是我们深入研究软岩软化耗散动力学过程的切入点。
关键词：软岩；软化；耗散结构；非平衡相变；临界分岔；机制
中图分类号：TU45 文献标识码：A
1. 引言
“红层”软岩是华南地区的基底岩层，普遍存在于华南地区诸多重大工程中。其遇水软化导致的各种工程灾害时有发生，是华南地区与重大工程相关的典型问题之一。研究表明
[1,2]
：软岩软化是水-岩之间的化学与
力学耦合作用的结果，其软化过程中高度非线性特征的存在，使得揭示该复杂系统的动力学演化行为变得十分困难，成为软岩研究的难点问题。随着现代非线性系统动力学及耗散结构理论的问世，应用全新的思维观念来审视工程地质中岩土体问题成为可能[3]
，也为研究软岩遇水软化问题提供了一条新途径。
耗散结构理论是比利时科学家Prigogine 为首的Brussel 学派于二十世纪六十年代创立和发展起来的一门边缘学科，它指出[4]
：一个远离平衡态的开放系统，在与外界环境交换物质和能量的过程中，通过能量耗散和内部的非线性动力学机制及涨落的触发和推动，可能从原有的无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态，这样的宏观时空有序结构被Prigogine
称之为“耗散结构”。由于耗散结构理论所研究的非平衡、非线性、自组织和宏观合作现象是不同领域各个学科中的共同现象，因而，该理论目前已在地质、物理、化学、生物、医学等学科领域得到了广泛应用[5,6]，但在岩土力学方面的应用还刚刚起步，国内以谢和平、周翠英、唐春安、秦四清、陈剑平等[2-4,
，7-9]
为代表，主要集中于岩体失稳破
坏过程的研究，而基于耗散结构理论开展软岩遇水软化问题的研究尚未见报道。
考虑到耗散结构的形成和维持至少需要满足开放系统、远离热力学平衡及存在某些非线性动力学过程等条件[4]，本文首先从软岩软化过程中能否形成耗散结构出发，探讨了软岩系统非线性软化特征，在此基础上采用耗散结构理论深入分析了软岩软化过程中耗散结构的形成机制，并针对软岩饱水软化试验中的临界分岔现象，初步建立软岩耗散结构形成的分岔演化模型，旨在为深入研究软岩软化耗散动力学过程奠定基础。
2. 软岩系统非线性软化特征
2.1 软岩开放系统与非线性特征
所谓开放系统[3]，是指与外界有着能
量、物质和信息交换的系统。软岩遇水软化的整个演化过程都与外界有着不可分割的联系。实验研究表明：水-岩之间复杂的化学与力学耦合作用机制是软岩软化的主要原因[1][10]，化学作用产生的化学能、热能，力学膨胀作用产生的变形能，均是以能量的形式赋存于整个系统中，这体现了软岩与外界能量的交流；同时，在水通过岩体表面裂隙向岩体内部渗透的过程中，软岩系统以表面吸附、离子交换与解吸附三种反应型式，实现了对水溶液中部分离子的吸附和软岩中易溶性矿物的溶解，这也正是一个物质交换的过程；此外，软岩软化的过程受水溶液成分、PH值以及外界环境温度的影响，降低水溶液PH值或提高环境温度，会一定程度提高水-岩相互作用的速度，加快软岩软化过程，这种反应速度的响应，也正是不同外界信息与软岩系统交流所体现的结果。可见，饱水软岩系统是一个与外界存在着广泛的能量、物质和信息交流的开放系统。
作为一个复杂的开放系统，岩体内部包含着许多子系统。从成分的角度看，一个软岩系统本身就有可能由若干种粘土矿物、有机物等物质构成，每一种物质就可以视为一个子系统；另外软岩中不连续面群或裂隙群，自然也是软岩系统中的一个子系统，因此，软岩软化过程是在各个子系统的共同作用下所体现的一种综合现象；同时，通过开展研究软岩与水作用的微观机制研究[10]，我们进一步从微观角度得到：软岩中粘土矿物吸水膨胀与崩解机制、离子交换吸附作用、易溶性矿物溶解与矿物生成、软岩与水作用的微观力学作用机制以及软岩软化的非线性化学动力学机制等多种机制综合作用导致软岩力学性质的降低。这些作用的综合不能简单地以线性方式描述出来，是一种非线性的耦合作用，它将始终制约着软岩软化的整个演化过程。
2.2 软岩系统逐渐远离平衡态
由软岩饱水试验可知[11]，在软岩系统与水相互作用前3个月，软岩内部大孔隙充水扩张，小孔隙及连通性较差的孔隙未被充水，其微结构未发生根本变化，我们认为系统此时处于近平衡阶段；3~6个月期间，随着软岩—水相互作用程度的加深，软岩系统内部小孔隙及连通性较差的孔隙也开始充水，颗粒连接排列方式开始产生较大改变，并逐渐趋于有序，系统进入一个自发的动态过程，虽然此时软岩系统与外界环境之间的作用已逐渐稳定，表现为软岩的物理、力学性质以及所在水溶液浓度的变化程度逐渐平缓[12,13]，但此时系统内部非线性作用却十分强烈，系统结构进行自发响应调整，这是一种远离平衡态的情况。
2.3软岩软化过程中的减熵、降维与有序性
软岩软化过程中表现出极强的非线性特征，是一种不可逆的过程，其微观结构变化的总体趋势是愈演愈烈，不可能出现逆向变化。从熵的演化特征来看，一个开放系统中熵的变化可以分为两个部分，一部分是系统内部的熵产生，一部分由系统外部进来的熵流。根据热力学第二定律，熵产生总是为正，而熵流则可正可负[14]，因而，在软岩软化过程中，系统内部作用的结果是其内部熵不断增加，但软岩系统具备与外界的物质、能量、信息的交换能力，所以系统也在不断从外界引入负的熵流，这种负熵与系统内部熵增抗衡，促使系统从非平衡态走向有序的状态。此外，研究表明：软岩软化的演化过程中，降维现象是普遍存在的。图1反映了软岩在不同饱水时间作用后的孔隙分布分维值变化规律，可见，在软岩软化过程中，孔隙分布分维出现了不断波动的现象，但其变化的总体趋势是逐渐减小的，这也正是系统内部有序和无序相互竞争的结果。
减熵与降维的过程伴随着系统内部有序和无序的存在与竞争[15]。结合饱水软岩微观结构试验结果，软岩内部结构在饱水1~3个月时颗粒连接比以前松散，局部连接方式
发生改变，到3个月之后，随着逐渐远离平衡态，其内部小孔隙和连通性较差的孔隙开始自发饱水膨胀，小孔隙不断丛集为大孔隙，颗粒连接排列方式开始整齐，逐渐趋于有序。
系统科学理论也已证明：减熵、降维、有序的内涵是一致的[7]。降维和减熵过程一定程度上反映了系统从无序到有序的发展过程；而有序性往往意味着系统的不稳定性，即熵和分维值降低，则有序度大，系统的稳定性差。因此，系统在不稳定时，可能形成耗散结构。
3. 软岩软化过程中耗散结构形成机制
3.1软岩耗散结构的形成过程与非平衡相变
上述分析表明饱水软岩是一个复杂的开放系统，在与水相互作用下逐渐演化至非平衡状态，其内部的作用是非线性的。因此，在其软化过程中可以形成有序的耗散结构。下面采用耗散结构与非平衡相变原理进一步探讨软岩遇水软化中耗散结构的形成过程。
（1）近平衡阶段
软岩系统与水相互作用初期，其物理、力学性质以及所在水溶液浓度的变化显著，反映了系统与外界作用之间的正负反馈十分强
烈，但由饱水试验结果可知：该反馈仍为线性反馈，反映在软岩物理、力学性质与水溶液浓度的变化规律图中为一条直线（图2）；同时软岩系统内部结构只是颗粒连接比以前松散，局部连接方式发生改变，在外界作用的驱使下，通过调整孔隙大小的方式来响应外界作用，其微结构未发生根本变化。如在此阶段停止与水作用，经过一定时间后系统将可能达到一个宏观上不随时间变化的恒定状态，即定态，但这种状态是一种近平衡态，
它不会改变系统原来的空间均匀性，任何新的结构和状态都不可能产生。 （2）远离平衡阶段
软岩系统在与水相互作用下进一步演化，系统内部的线性反馈逐渐演变为非线性反馈，此时软岩物理、力学性质以及所在水溶液浓度的变化虽不剧烈，却表现出极强的非线性（图2），系统内部小孔隙和连通性较差的孔隙自发饱水膨胀，孔隙总面积逐渐增加，颗粒连接排列方式开始产生较大改变，逐渐趋于有序，可见，外部作用已触发了系统的内部机制[4]，软岩系统进入不稳定的软化阶段，已远离平衡态，系统内存在物质、能量的交换以及复杂的、非线性的相互作
用，一方面从外界吸收能量，另一方面又因微结构的调整不断释放能量，从而驱使系统自发地朝临界状态演化，这个阶段中系统呈
软岩物理、力学性质、水溶液浓度的变化程度
图2 软岩物理、力学性质与水溶液浓度的变化规律
图
Fig .2 V ariation regularity chart of physical and mechanical properties of soft rocks and concentration of aqueous solution
图1 软岩在不同饱水时间作用后孔隙分维变化规律
Fig.1 Variation of pore fractal dimension with satruation times
现出自组织临界性的特征[16-19]。 （3）非平衡相变与耗散结构的形成
随着软岩—水相互作用程度的加深，当软岩系统演化至临界状态时，系统原先稳定的结构已经不能满足，一个小的扰动，其内部的涨落将达到一个宏观的量级而起着决定性作用[15]，从而引发软岩系统内部结构的突变即非平衡相变，转换成另一种较为松散的结构类型，形成了一个新的有序的自组织结构——耗散结构，但此时的软岩耗散结构仍需要不断地消耗与耗散外界提供的能量来维持其稳定。
以上描述的非平衡相变过程可用图3来说明，图中X 为系统演化相关的状态变量，
λ为控制参数。假定X 随λ的依赖关系可
用图4中的曲线(a)来描述，曲线(a)上的每一点所对应状态的行为很类似于平衡态的行为，即为我们前面所说的近平衡态；当
c λλ>时，系统逐渐远离平衡，近平衡态分
支(a)的延续(b)分支变得不稳定，系统开始进入自组织状态；当D λλ=时，系统演化到临界态，在这种情况下，一个小的扰动便可迫使系统离开原来的分支而跳到另外某个稳定的分支(c)或(c’)上， (c)分支或(c’) 分支上的每一个点可能对应于某种时空有序状态，这样的有序态属于耗散结构，分支(c)或(c’)称为耗散结构分支。c λλ=这个点称为分叉点、分支点或失稳点，D λλ=这个点称为自组织临界点或非平衡相变突变点，而从近平衡态稳定分支在c λ处状态失稳到
D λ处形成有序化结构的过程即为非平衡相
变。
3.2 软岩耗散结构的稳定性及进一步演
化规律
研究表明[4]：非平衡相变所形成的耗散结构都有着一定的稳定性。在软岩饱水软化试验中，当软岩系统经非平衡相变跃迁至松散结构类型的耗散结构状态时，软岩系统与水溶液之间依然存在着能量、物质和信息的
交换，但考虑水溶液在内的整个大系统已经处于动态平衡的状态，软岩系统结构尽管仍在不断演化，但不会被一般小涨落和扰动所破坏，其松散多孔的结构类型依然维持，宏观表现为软岩抗压、抗拉与抗剪强度已基本保持稳定。
同时，这种耗散结构必需靠不断地消耗与耗散外界提供的能量来维持其稳定[4]，若改变外界环境，从能量意义上即为取消能量的供给或改变这种能量供给方式，系统耗散结构的稳定性将被打破，开始进入一轮新的演化过程，随着系统与当前外界环境之间进行的物质和能量交换继续持续地发展而达到另一个新的临界态时，原先的耗散结构又会突然转变为另一种新的耗散结构，只要外界条件的变化不停止，物质能量的交换不结束，这样的过程还将继续发生。因此，软岩软化过程中，在其耗散结构形成之后，我们若改变软岩所处的外界条件，如：停止软岩与水相互作用并在常温下风干，或施工开挖揭露导致软岩受到卸荷产生的拉力作用，前者会使软岩耗散结构维持所需要的能量无法满足，导致系统必须通过自我调节以适应新的外界环境，当其演化至临界状态时，会通过突变而出现风化、崩解的现象，这也意味着一种新的耗散结构的产生；后者的作用会在软岩耗散结构与水溶液的初始能量交换中增加新的能量输入，从而引起软岩系统又必须通过持续损伤、裂纹扩展的方式来消
图3 非平衡相变过程示意图
Fig.3 Sketch map of non-equilibrium phase transition
耗与耗散这部分新的能量，同样当其演化至临界状态时，裂纹开始丛集、连通，此时，涨落起关键作用，涨落不是被衰减反而会放大，从而导致系统以变形破坏的方式产生新的稳定有序结构，即耗散结构。
4. 软岩耗散结构分岔演化模型初探
4.1软岩耗散结构形成的分岔演化模型
软岩耗散结构的形成过程实际上是一个复杂的非线性动力学过程，在这里我们仅采用一种描述岩土体变形增长的最简单的动力方程[3]，来初步探讨软岩软化中的分岔演化行为。
假设软岩的软化程度用分数维m 来描述，则其软化动力学方程可表示为：
m m m m dt
dm l αμ??=)(
（1） 其中，l m 表示在某种外界环境作用下，岩石结构分维值演化的极限值；α反映周围环境阻抗岩石发生变形的作用，由于岩石岩样是在无侧限的状态的进行饱水试验的，故取α为体积膨胀量与原岩样体积的比值；
μ可取为岩石材料的膨胀系数。
考虑到在软岩软化过程中，对分维值是每段时间测得一次，若用n m 表示第n 个测量时间点的分维值，则原来的连续变量
)(t m 就变为离散变量),,,(210 m m m 和 ,2,1,0=n ，连续的微分方程（1）就变为
如下的差分方程：
)
1()(),,,(1n l n l l n n m m m m m m f m α
μμαμμα??
?==+（2）
以上是一个一维映射或离散动力系统。各参数意义同前。令：n l n m m x α
μμ?=
则式（2）可转换为标准的Logistic 离散系统动力学演化式：
α
μγγ?=?=+l n n n m x x x )
1(1
（3）
]1,0(∈n x ，上式是一个一维映射。
许多研究已经对（3）式做了充分的讨论[22]，并且已给出随γ增长的系统的各个分岔点的值。（3）式的右端是抛物线，它的高度是γ/4 ，左端代表第一、三象限的分角线。这两条线的交点O ，A 是系统的不动点，可以求得：
O 点：0=x ，A 点：γ/11?=x
如图4，若不动点是稳定的，则如图上箭头所示的迭代过程，式（3）式将收敛于A 点。
不动点的稳定性由如下条件给出：
?????，不动点不稳定
，则不动点稳定1)(1)(``
?x f x f 控制参数λ的变化对迭代式（3）的动态影响如下：
（1） 当10≤γ?时，只有一个不动点：
0=x ，该不动点是稳定的，称其为定常解。 （2） 当1=γ时，该映射在不动点处的
Jacobi 矩阵特征值1=λ，故在O 点发生分岔。
（3） 当31≤γ?时，有两个不动点，O
y=x
X2
x1
X 0
A
y=ux(1-x)
y
x
图4 Logistic 离散动力演化系统的迭代过程[19]
Fig.4 Iterative process of Logistic discrete dynamic
evolution system
点：0=x 和A 点：γ/11?=x ，
γ/11?→n x 为周期1解，不动点O 是不稳
定的，不动点A 是稳定的。
（4） 当3=γ时，1)2(?=?=γλ，故在A 点又发生分岔。
（5） 当449.3613≈+≤γ?时，n x 在两个值上来回跳动，这是周期2解。此时O 和A 点都是不稳定的。
（6） 当545.3449.3≤γ?时，相应的不动点又不稳定，n x 在四个值上来回跳动，这是周期2解。此时平衡点O 和A 点都是不稳定的。
当γ再继续增大，这样的过程将一直继续下去。从分岔的观点来说，就是周期1解不稳定分岔出周期2解，周期2解分岔出周期4解，周期4解分岔出周期8解，如此倍周期分岔演化（图5）。
4.2软岩饱水软化试验中的临界分岔现
象分析
将式(3)的分岔演化模型应用于软岩饱水软化试验的临界现象分析中，取灰白色粉砂质泥岩在不同饱水时间的相关参数值如表1：
表1 不同饱水时间下软岩相关参数表
Table.1 Parameters table of soft rocks in different
saturation time
时间(月)
含水量 (％) 容重 (KN/m 3)膨胀系数
(％) 分维值
0 5.61 22.4 1 1.9651 1 15.63 22 1.114784 1.9704 3 18.9 21.6 1.167538 1.9781 6 25.04 19.2 1.381309 1.9584 12 29.8 19.7 1.397499 2.3314
根据岩石变形破坏过程中的最小熵产生原理，采用周翠英等[20]提出的岩石局部熵折迭突变破坏准则计算软岩遇水软化的结构分维值的极限值。局部熵折迭突变破坏公式如下：
???????
=+++?+=+++?0))ln 2)(1(ln 1(1ln 0)
ln 2)(1(ln 1ln 222m m m m
m
m m m m m u （4） 式中，u 为岩石系统应变比能，m 为结
构分维。
对（4）式求获得熵极值的充要条件：
??
?????=??=??00max
u S
m
S
（5） 消去获得max u 得到m 的平衡方程：
02
1
24ln 42=+??
m m m （6） 对上式求数值解，并考虑经验得到：
97.2=l m 。将以上参数代入式（3）中，求
得Logistic 方程指标见表2。
表2 Logistic 方程指标计算结果
Table.2 Calculation results of Logistic equation index 时间
（月）
m μ γ α n x
0 1.9651 1.0000 2.9700 0.0000 0.66331 1.9704 1.1148 3.1961 0.1148 0.68713 1.9781 1.1676 3.3001 0.1675 0.69706 1.9584 1.3813 3.7212 0.3813 0.731212 2.3314 1.3975
3.7531 0.3975 0.7336
1
3
3.449
3.544
max
x
图5 Logistic 系统演化的分岔行为[19]
Fig.5 Bifurcation behavior of Logistic system evolution
由表2可知，在饱水1个月以内，软岩系统的动力学参数是31≤γ?，因而只有周期一解γ/11?→n x ，
虽然系统的动力学参数γ是不断增大的，但周期一解仍然稳定，系统处于近平衡态，此时分岔演化的不动点为：6633.0=n x 。换算成软岩的结构分维值97.1=m ，这与软岩在饱水一个月的分维值9704.1=m 是极其相近的。说明软岩系统在饱水一个月的时间内系统经历一次近平衡态的分岔并达到相对稳定的状态。
随着γ值的不断增大，软岩系统在饱水1个月和3个月中间时，445.33≤γ?，系统又呈现不稳定性，并发生分岔。这时n x 具有不稳定的周期2解，系统的不动点为：
γ
γγγμ
2)
3)(1()1(,1
1,04
,
321?+±+=
?
==x x x
其中4,3,1x 为不稳定不动点，2x 为稳定的不动点。代入岩石饱水1个月后的γ值，并换算出结构分维值，可知2x 对应的分维值最接近第三个月的结构分维值，从而可知，软岩在饱水1至3个月的时间内，结构是在周期2解的稳定分支上演化的，此时软岩系统仍处于近平衡态，其演化方向为逐渐远离平衡。
对岩石的动力学参数γ做线性内插得到表3：可见，在第3个月到第6个月期间，软岩系统经历了多次倍周期分岔，分别获得不同周期解，此时系统已远离平衡态，系统内部开始出现自组织现象，通过不断经历稳定到失稳再到稳定的过程，逐渐从无序向有序演化.
表3 动力学参数随时间的内插值
Tab.3 Interpolation data of dynamic parameters with time
时间
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 γ
2.97
3.196 3.248 3.300 3.440
3.580
3.721
3.726
3.731
3.737
3.742 3.747 3.753
饱水6个月后软岩系统的动力学性质具有随机性，理论上n x 是在区间[0，1]上的随机数，可见，此时原先的动力学方程已经无法描述当前的动力学行为，原有系统的结构已在涨落的触发和推动下，发生了突变即非平衡相变，形成了一个新的有序的自组织结
构——耗散结构（图6）。
因此，在所研究软岩的饱水过程中，3个月与6个月这两个时间点具有显著的临界特征（表4），也正是我们深入研究软岩软化
耗散动力学过程的切入点。
表4 饱水3个月与6个月时间点临界特征
Tab.4 Critical characteristics after 3 and 6 months
saturation 临界点
3个月 6个月 开始远离平衡
远离平衡 开始出现自组织现象
自组织临界点 非平衡相变突变点 临界 特征
结构无序向有序演化
有序耗散结构形成点
图6 软岩饱水过程中系统分岔演化规律
Fig.6 Evolution regularity of soft rocks-water system during
saturation process
近平衡态 远离平衡态
5. 结论
（1）饱水软岩系统是一个与外界存在着
能量、物质和信息交流的开放系统，其内部
存在着复杂的非线性动力学耦合作用，系统
在与水相互作用下逐渐演化至非平衡状态，表现出减熵、降维与有序性的非线性特征，是一种不可逆的过程。因此软岩系统的软化
过程中可以形成有序的耗散结构。
（2）软岩耗散结构形成过程的研究表明：软岩软化的过程经历了近平衡态、远离
平衡自组织态、临界非平衡相变三个阶段；软岩耗散结构是软岩系统在远离平衡态达
到临界状态后，由内部涨落引发系统内部结
构突变而形成的新的有序的自组织结构，此
突变过程即为非平衡相变；所形成的软岩耗
散结构具有一定的抗干扰稳定性，但必需靠
不断地消耗与耗散外界提供的能量来维持；若改变外界条件，系统又将处于新一轮的演
化中。
（3）软岩软化过程中结构分维值演化规
律符合Logistic方程的差分形式.。通过研究，初步建立了软岩耗散结构形成的分岔演
化模型；将模型应用于软岩饱水软化试验的
临界分岔现象分析中，结果表明：从第3个
月到第6个月之后，软岩系统经历多次倍周
期分岔，其内部出现了自组织现象，通过不
断经历稳定到失稳再到稳定的过程，逐渐从
无序向有序演化，最终形成了软岩耗散结构；3个月与6个月这两个时间点具有显著
的临界特征，将是我们深入研究软岩软化耗
散动力学过程的切入点。
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Research on Forming Mechanism of Dissipative Structure in
the Softening
Process of Saturated Soft Rocks
Zhou Cuiying, Zhu Fengxian
Research center for Geotechnical Engineering and Information Technology, School of
Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou (510275)
Abstract
Aiming at the system evolution in softening process of saturated red-bed soft rocks, the research on softening characteristics of soft rocks, is carried out from the aspects of systemic openness, far-from equilibrium behavior and internal nonlinear mechanism, to affirm the occurrence of dissipative structure in softening process. On this basis, dissipative structure theory is adopted to analyze the formation mechanism of dissipative structure in softening process of saturated soft rocks systematically. The result shows that softening process contains three stages: near equilibrium state, far from equilibrium self-organizing state and far from equilibrium critical state, and ultimately, the way of non-equilibrium phase transition leads to the generation of soft rock dissipative structure. Finally, based on the evolution law of structure fractal dimension, a bifurcation evolution model is preliminarily established to describe the formation process of soft rock dissipative structure. The result of applying this model to analyze the critical bifurcation phenomena occurring in softening tests of saturated soft rocks, indicates that this soft rock dissipative structure is formed after experiencing the process of period-doubling bifurcation and destabilization for many times, and the time of three months and six months with obvious critical characteristics, are two breakthrough points to make further study on dissipative dynamic softening process of soft rocks in future. Keywords: Soft rocks; Softening; Dissipative structure; Non-equilibrium phase transition; Critical bifurcation
作者简介：周翠英(1963–)，女，博士，1986年毕业于中国地质大学(武汉)工程地质专业，现任教授，博士生导师，主要从事岩土工程与环境地质方面的教学与研究工作。
耗散结构理论的自组织方法论研究 论文标题:耗散结构理论的自组织方法论研究 论文作者吴彤 论文关键词耗散结构/耗散结构理论特征概念/耗散结构概念方法论,论文来源科学技术 与辩证法,论文单位太原,点击次数452,论文页数19～24页1999年1999月论文免费下载https://www.doczj.com/doc/0715317926.html,/paper_90071101/ 本文研究和区分了耗散结构创始人创立耗散结构的方法与研究耗散结构的方法：建立了耗散结构概念方法论的方法程序。 普里戈金创立了耗散结构理论，今天看来，这个理论在解决什么情况或条件下可以、可能出现耗散结构的问题具有重要的方法论意义。更宽泛地说，该理论在运用何种方法可以判断一个体系可以从无序的状态自发地、自主地演化成为有序结构方面，作出了重要贡 献。 以往，在研究自组织方法论本来不多的国内文献中，常常把两个方面的东西混同起来。即，第一，把自组织的方法与它对唯物辩证法的意义混同起来，用对唯物辩证法的意义代替对自组织的方法的分析；第二，把自组织理论创始人建立理论的方法与理论寻找和发现自组织系统建立、发展的方法混同起来。例如有的同志在文中，仅仅讨论自组织方法论的意义与作用，而没有讨论什么是自组织方法论。似乎什么是自组织方法论已经被确切了解和掌握，不用讨论。然而他们关于自组织方法论的意义讨论却很泛泛，只是在那里谈自组织方法对唯物辩证法有何意义之纭纭。（注：见艾众：“自组织理论方法论”，《天府新论》，1991年第6期。）有鉴于此，本文将对耗散结构理论创始人建立耗散结构理论的方法、耗散结构理论的“发现”（其实是研究什么条件下可以出现）、“耗散结构”方法和该方法论的意义做出明确区分，并对它们做出进一步的讨论。 一耗散结构创始人建立耗散结构理论的方法与思想 1.从可逆到不可逆：反常问题、哲学启迪和范式影响（注：见普里戈金的自传“我的科学生活”，《普利高津与耗散结构理论》，陕西科学技术出版社，1982年版。）按照库恩的科学革命的观点，普里戈金从事科学事业的时段已经是物理学的范式从牛顿转变到了爱因斯坦以后的时代。但是，在物理化学领域这个转变却远远没有完成。其中 最重要的，就是人们还习惯于把 可逆问题的研究当作“库恩范式”下的常规科学问题研究，而把不可逆问题当作“干扰”和令人厌恶的有害因素对待。克劳修斯与达尔文的矛盾，对十九世纪的以平衡态热力学和生物进化论为代表的常规科学，虽然一直就是一个演化方向的矛盾，是一个库恩意义上的反常，但是由于它们是在两个不同领域出现的，因而一直被科学家们搁置起来，不予理睬。同时也存在
精心整理如何筛分混合的阴阳离子交换树脂？ 离子交换树脂的工作原理及优缺点分析 将离子性官能基结合在树脂（有机高分子）上的材料，称之为“离子交换树脂”。树脂表面带有磺酸(sulfonic acid) 者，称为阳离子交换树脂，而带有四级氨离子的，则为阴离子交换树脂。由於离子交换树脂可以有效去除水中阴阳离子，所以经常使用於纯水、超纯水的制造程序中。(见下图) 离子交换树脂上的官能基虽可去除原水(Feed water) (Fouling)。方。 原理 软水，这是软化水设备的工作过程。 当树脂上的大量功能基团与钙镁离子结合后，树脂的软化能力下降，可以用氯化钠溶液流过树脂，此时溶液中的钠离子含量高，功能基团会释放出钙镁离子而与钠离子结合，这样树脂就恢复了交换能力，这个过程叫作“再生”。
由于实际工作的需要，软化水设备的标准工作流程主要包括：工作(有时叫做产水，下同)、反洗、吸盐(再生)、慢冲洗(置换)、快冲洗五个过程。不同软化水设备的所有工序非常接近，只是由于实际工艺的不同或控制的需要，可能会有一些附加的流程。任何以钠离子交换为基础的软化水设备都是在这五个流程的基础上发展来的(其中，全自动软化水设备会增加盐水重注过程)。 反洗：工作一段时间后的设备，会在树脂上部拦截很多由原水带来的污物，把这些污物除去后，离子交换树脂才能完全曝露出来，再生的效果才能得到保证。反洗过程就是水从树脂的底部洗入，从顶部流出，这样可以把顶部拦截下来的污物冲走。这个过程一般 需要5-15分钟左右。 吸盐(再生) (只要进水有一定的压力即可) 慢冲洗(置换) 应用 1）水处理 水处理领域离子交换树脂的需求量很大，约占离子交换树脂产量的90%，用于水中的各种阴阳离子的去除。目前，离子交换树脂的最大消耗量是用在火力发电厂的纯水处理上，其次是原子能、半导体、电子工业等。
软化水设备将水软化的几种方法介绍 软化水设备将水软化的几种方法： 软化水装置的作用是当硬度高、碱度也高的水直接作补充水进入循环冷却水系统后，会使循环水水质处理的难度增大，同时浓缩倍数的提高也受到限制。另外高硬水也不宜直接作锅炉水的给水。立式水管锅炉、立式火管锅炉及卧式内燃锅炉的给水总硬度要求在4.0mmol/L以下。总硬度过高的水不能直接采用离子交换方法达到软化水的要求，经济效果也不好。碱度过高的水，也不能直接作为锅炉的补给水。所以上述这类水质均需在进入冷却水系统、锅炉和离子交换软化系统前，首先采用化学药剂方法进行预处理。 (一) 软化方法 通常对硬度高、碱度高的水采用石灰软化法;对硬度高、碱度低的水采用石灰-纯碱软化法;而对硬度低、碱度高的负硬水则采用石灰-石膏水处理的处理法。 1.石灰软化法 为避免投加生石灰(CaO)产生的灰尘污染，通常先将生石灰制成消石灰Ca(OH)2(即熟石灰)使用，其反应如下 CaO+H2O====Ca(OH)2 消石灰投入高硬水中，会产生下列反应 Ca(OH)2+CO2====CaCO3$+H2O Ca(OH) 2+Ca(HCO3) 2====2CaCO3$+2H2O 2Ca(OH) 2+Mg(HCO3) 2====2CaCO3$+Mg(OH) 2+2H2O 形成的CaCO3和Mg(OH)2都是难溶化合物，可从水中沉淀析出。
但水中的永硬和负硬却不能用石灰处理的方法除去，因为镁的永硬与负硬和消石灰会产生下列反应 MgSO4+Ca(OH) 2====Mg(OH) 2$+CaSO4 MgCl2+Ca(OH) 2====Mg(OH) 2$+CaCl2 NaHCO3+Ca(OH) 2====CaCO3$+NaOH+H2O 由反应式可看出，镁的永硬全部转化为等量的溶解度很大的钙的永硬，而负硬则转化为等量的氢氧化钠、碱度，所以水中的碱度没有除去。 石灰加入量可按下式估算 [CaO]=28/Z1{[CO2]+[Ca(HCO3) 2]+2[Mg(HCO3)2+B]} 式中 [CaO]——需投加的工业石灰量，mg/L; [CO2]——原水中CO2的浓度(1/2CO2计)，mmol/L; [Ca(HCO3) 2]——原水中Ca(HCO3) 2的浓度[1/2Ca(HCO3) 2计]，mmol/L [Mg(HCO3) 2]——原水中Mg(HCO3) 2的浓度[1/2 Mg(HCO3) 2计]mmol/L; Z1——工业石灰纯度，%; 28——1/2CaO的摩尔质量，g/mol; B——石灰过剩量(1/2CaO计)，mmol/L(一般为 0.2—0.4mmol/L)。 2.石灰-纯碱软化法
应用耗散结构理论对 人地关系的重新认识 蓝文亮（学号54） （福建师范大学地理科学学院01级地本，福州 350007） 摘要：人地关系历来是地理学研究的核心问题，随着社会的进步、文明的发展，人类日益重视这 个问题，本文回顾了人地关系的不同阶段的特征，并且用耗散结构理论对在人地关系第三第四阶段产生的环境问题作出了解释。然后用该理论结合一些实例提出了解决环境问题的措施。 关键词：人地关系、阶段、耗散结构理论、解释、措施 对于人地关系的研究历来是地理学研究的核心和热点问题，并且随着社会的进步、人类文明的发展，特别是工业化的前进，环境、资源问题日益突出的时代，研究人类和自然的关系变得越来越有重要和有实际意义。研究人地关系的实质是正确认识人类在自然界中地位、人类应该如何协调和自然的关系。 纵观整个人类历史，人类和自然的关系经历了四个阶段，第一阶段：农业前阶段，人类的生产力水平极其低下，使用的是石刀、石斧等来维持生计；劳动者智力水平也很低下；他们也只能靠采集、狩猎等直接从自然界获取生活的物质，因此他们的生活半径是很小的。这时人类对自然的影响很微弱，没有什么改造自然的能力，反而，他们在大自然面前总是显得无能为力，并且产生了原始的图腾崇拜。这一时期，人类只能依附自然。第二阶段：农业阶段，随着人类认识的进步，农业被人类发现，改变了人类的农业前阶段的单纯依靠自然的历史，人类有了比较稳定的生活，在大自然面前，人类不再是无能为力的角色，可以利用自然界的植物的生长规律为己所用。这一阶段是人类顺应自然阶段。总的来说，人类在这一阶段的生产力水平也是很低的，人类对自然的破坏力也是很微弱的。第三阶段：人类文明有了很大的进步，已经进入了工业化的阶段，从事工业生产必须要有一定的物质原料，工业是建立在一定数量的物质原料基础上的产业。如：炼铁业需要有铁矿石、冶炼过程中的动力源。动力源的最初是燃木头，在工业化初期，技术较低、设备较落后，他们要获得较高产量的铁产品只有依靠多炼铁矿石，随之必然要有大量的木头作为动力源来支持。这时，大量的树木被砍伐在所难免，森林资源遭到人类的破坏，从而引起水土流失，生态问题就产生了。产生这一问题的根本原因是人类对森林资源的过量开采，开采量超过了森林自身的修复能力。这是在人类改造自然阶段过程中带来的负面效应。人类遭到了自身行为的报应，这在十七世纪中业的欧洲出现了这一问题[1]。第四个阶段：后工业化时期，人类的生产力达到了一定的高度，在工业化的进程当中，人们的物质生活也获得相当程度的改善，但是这些改善人类付出了代价，这一代价并不是微乎其微的可以忽略不记的。在人类对不可更新的又不能重复利用的煤、石油、天然气等资源的使用感到有危机的时候，人类寻找了可替代的核动力资源，无可否认的这是人类使用能源历史上的一大进步，但是，事物都有二面性，核能利用带来高能的同时，丢弃的环境中的核废料有相当长的衰变期（几千年甚至上万年）在漫长的核衰变过程中的核辐射对周围环境中的生物有着致命性的伤害，还有核裂变所释放的巨大的核热能破坏了地球本身的热平衡[2]。因此，在这个阶段人类认识到了和自然和谐相处的必要性和重要性。这就是人类与自然关系发展的不同阶段。 在当今，人口、环境、资源已为全球所关注的问题。在1987年国际环境和发展委员会在其《我们共同的未来》的报告中首次对“持续发展”作出了定义。“可持性发展战略”日益得到广泛的认可！我国在1994年3月发表的《中国二十一世纪议程》（人口、环境发展的白皮书）也对“可持性发展”作出了明确的定义[3]。可见人类已认识到自觉的和自然和平相处的必要性和重要性了！ 总结人类和自然的关系的四个阶段过程，人类在工业化阶段、工业后阶段都产生了环境问题。我们从深层次并且用布鲁塞尔学派的普利高津创立的耗散结构理论来解释人类发展过程中的环境问题的实质。整个自然系统是一个开放的系统，在与外界进行物质能量信息的转换过程中，其自身的混乱程度也要随之变动，即系统的总熵值ds要发生变动，其值最终取决于熵流（des）与熵产生（dis）的对比状况，在人类的自然地理系统中，当熵产生的数量积累超过了熵流的积累的时候，整个系统就破坏了，环境问题就产生了；当熵产生的积累等于熵流的积累的时候，整个自然地理系统不退化，也不进化，处于非平衡态的稳定状态，此时环境问题不会产生；当熵产生的积累小于熵流的积累的时候，整个自然地理系统已经良性发展
耗散结构简介 1自组织现象 热力学第二定律说明了孤立系统中进行的自然过程有方向性： 有序→ 无序（退化，克劳修斯提出） 自然界实际上也存在许多相反的过程： 无序→ 有序（进化，达尔文提出） 一个系统由无序变为有序的自然现象称为自组织现象。 例1：生命过程中的自组织现象 （1）蛋白质大分子链由几十种类型的成千上万个氨基酸分子按一定的规律排列起来组成。大脑是150 亿个神经细胞有规律排列组成的极精密极有序的系统，是一切计算机所替代不了的。——如看一张相片，分辨男？女？大约年龄？对带有输入“器官——眼睛”的大脑是很简单的事情，对计算机来说就非常复杂了。 假定蛋白质是随机形成的，而且每一种排列有相等的概率，那么即使每秒进行100 次排列，也要经过10109亿年才能出现一次特殊的排列。 这种有组织的排列决不是随机形成的 （2）树叶有规则的形状；动物毛皮有花纹，蜜蜂窝；龟背（空间有序）（3）候鸟的迁移；中华鲟的徊游（时间有序） 例2、无生命世界的自组织现象 （1）六角形的雪花； （2）鱼鳞状的云； （3）激光 （4）贝纳特现象（Benard） 当ΔT = T2 - T1 = 0 时平衡态 当ΔT > 0 但不太大时，稳定的非平衡态——单纯热传导 当ΔT> T c时，出现有序的宏观对流。千千万万的分子被组织起来，参加一定方式的宏观定向运动，能量得以更有效的传递。
自组织现象是与热力学第二定律的 有序 → 无序 时间箭头相矛盾的！要将它们用物理学规律统一起来，必须抓住孤立系统与开放系统的区别。 2、开放系统的熵变 热力学第二定律：孤立系统中发生的过程 ΔS > 0；但对一个开放系统，熵有可能减少！ 开放系统：与外界有能量交换（通过作功、传热）或物质交换的系统。 2、1 理论上的可逆过程 状态 1 到状态 2 熵的增量 ()()21dQ S T ?=? (可逆) 对孤立系统：因绝热 ΔS = 0，熵不变 对开放系统：若单调吸热 d Q > 0，ΔS > 0 熵增加；若单调放热 d Q < 0， ΔS < 0 熵减少。 2、2 对实际的不可逆过程（上式不能用！） 利用卡诺定理可以证明 ()()()()2211dQ dQ T T >?? 或 ()()21dQ S T ?>? (可逆) （不可逆) （不可逆） 证明：
实验二离子交换法制备纯水 一、实验目的 1．了解离子交换法制纯水的基本原理，掌握其操作方法； 2．掌握水质检验的原理和方法； 二、实验原理 离子交换法是目前广泛采用的制备纯水的方法之一。水的净化过程是在离子交换树脂上进行的。离子交换树脂是有机高分子聚合物，它是由交换剂本体和交换基团两部分组成的。例如，聚苯乙烯磺酸型强酸性阳离子交换树脂就是苯乙烯和一定量的二乙烯苯的共聚物，经过浓硫酸处理，在共聚物的苯环上引入磺酸基(–SO3H)而成。其中的H+可以在溶液中游离，并与金属离子进行交换。 R–SO3H + M+R–SO3M + H+ R：聚合物的本体；–SO3：与本体联结的固定部分，不能游离和交换；M+：代表一价金属离子。阳离子交换树脂可表示为： 如果在共聚物的本体上引入各种胺基，就成为阴离子交换树脂。例如，季胺型强碱性阴离子交换树R–N+(CH3)3OH–，其中OH–在溶液中可以游离，并与阴离子交换。 离子交换法制纯水的原理就是基于树脂和天然水中各种离子间的可交换性。例如，R–SO3H 型阳离子交换树脂，交换基团中的H+可与天然水中的各种阳离子进行交换，使天然水中的Ca2+、Mg2+、Na+、K+等离子结合到树脂上，而H+进入水中，于是就除去了水中的金属阳离子杂质。水通过阴离子交换树脂时，交换基团中的OH–具有可交换性，将HCO3–、Cl–、SO42–等离子除去，而交换出来的OH–与H+发生中和反应，这样就得到了高纯水。 交换反应可简单表示为： 2R–SO3H + Ca(HCO3)2→ (R–SO3)2Ca + 2H2CO3 R–SO3H + NaCl → R–SO3Na + HCl R–N(CH)3OH + NaHCO3→ R–N(CH)3HCO3 + NaOH R–N(CH)3OH + H2CO3→ R–N(CH)3HCO3 + H2O HCl + NaOH → H2O + NaCl 本实验用自来水通过混合阳、阴离子交换树脂来制备纯水。 [实验用品] 仪器：离子交换柱(也可用碱式滴定管代替)。 材料：玻璃纤维(棉花)、乳胶管、螺旋夹、pH试纸。 固体药品：717强碱性阴离子交换树脂、732强酸性阳离子交换树脂。 液体药品：NaOH(2mol·L-1)、HCl(2mol·L-1)、AgNO3(0.1mol·L-1)、NH3–NH4Cl缓冲溶液(pH=10)、铬黑T指示剂。 三、实验步骤 1．树脂的预处理 将717(201×7)强碱性阴离子交换树脂用NaOH(2mol·L-1)浸泡24小时，使其充分转为OH-型（由教师处理）。取OH-型阴离子交换树脂10mL，放入烧杯中，待树脂沉降后倾去碱液。加20mL 蒸馏水搅拌、洗涤、待树脂沉降后，倾去上层溶液，将水尽量倒净，重复洗涤至接近中性(用pH 试纸检验，pH=7～8)。 将732(001×7)强酸性阳离子交换树脂用HCl(2mol·L-1)浸泡24小时，使其充分转为H+型（由教师处理）。取H+型阳离子交换树脂5mL,于烧杯中,待树脂沉降后倾去上层酸液，用蒸馏水洗涤树脂，每次大约20mL，洗至接近中性(用pH试纸检验pH=5～6)。 最后，把已处理好的阳、阴离子交换树脂混合均匀。 2．装柱
《第三代生命科学论》之 ——人是典型的耗散结构 作者：颜丙强张涛 人是典型的耗散结构，从耗散结构理论来理解人的开放、非平衡、负熵、物质与能量的耗散，会看到人的健康与疾病的许多纵深层面，大大地加深对于健康与疾病的深层本质的认知。 一、人具备耗散结构的严格条件 18世纪的“机器医学模式”，强调人是机器。而进入20世纪以来，科学家越来注意到人不是机器。为什么？ 人不同于机器的最为深刻的本质是，人是耗散结构，而机器不是耗散结构。 机器远离耗散结构的三个基本条件： 1、它是封闭系统，不是开放系统，机器不能与环境有物质、能量交换，否则就会瓦解； 2、它是平衡系统，必须保持热力学的平衡条件，不然，机器内部和机器外部就不平衡，就发生物质与能量的交换，交换的结果就是机器的瓦解； 3、不存在非线性相互作用，不能从环境输入物质和能量转化组织为机体自身，没有负熵产生，不能自己升高有序度。 人是耗散结构的基本条件: 1、人体是开放系统，与环境有物质、能量、信息交换，一旦这些交换失常或终止，人体就失常或瓦解； 2、人体是远离热平衡的，无论在机体内部之间，还是机体与环境之间，都是非平衡的，因此才有强烈的物质、能量交换。 3、人体存在极其大量、复杂的非线性相互作用，把从环境输入的物质、能量进行多方面、多层次的转化，形成负熵产生过程，一方面建设自身、升高和保持机体的有序度，另一方面储存自由能，为生命活动提供有效能量。 二、人的生命的非平衡有序稳定 人作为典型的耗散结构，需要特别注意人的耗散结构的以下特点。 1、人的机体的稳定是高有序度的稳定。 虽然孤立地从稳定性上看，人与机器有些相似之处，但是，在稳定的有序度上，却有着天壤之别。人在分子水平、细胞水平、组织水平、器官水平、整体水平，其有序化、组织化程度之高，是迄今世界上能看到的唯一的，人的稳定性是建立在高度有序的水平上的。 2、人的机体的有序稳定是靠耗散物质、能量建立和维持的。
耗散结构 耗散结构 dissipative structures 比利时的普里戈金（I. Prigogine）从研究偏离平衡态热力学系统的输送过程入手，深入讨论离开平衡态不远的非平衡状态的热力学系统的物质、能量输送过程，即流动的过程，以及驱动此过程的热力学力，并对这些流和力的线性关系做出了定量描述，指出非平衡系统（线性区）演化的基本特征是趋向平衡状态，即熵增最小的定态。这就是关于线性非平衡系统的“最小熵产生定理”，它否定了线性区存在突变的可能性。 普里戈金在非平衡热力学系统的线性区的研究的基础上，又开始探索非平衡热力学系统在非线性区的演化特征。在研究偏离平衡态热力学系统时发现，当系统离开平衡态的参数达到一定阈值时，系统将会出现“行为临界点”，在越过这种临界点后系统将离开原来的热力学无序分支，发生突变而进入到一个全新的稳定有序状态；若将系统推向离平衡态更远的地方，系统可能演化出更多新的稳定有序结构。普里戈金将这类稳定的有序结构称作“耗散结构”。从而提出了关于远离平衡状态的非平衡热力学系统的耗散结构理论（1969年）。 耗散结构理论指出，系统从无序状态过渡到这种耗散结构有几个必要条件，一是系统必须是开放的，即系统必须与外界进行物质、能量的交换；二是系统必须是远离平衡状态的，系统中物质、能量流和热力学力的关系是非线性的；三是系统内部不同元素之间存在着非线性相互作用，并且需要不断输入能量来维持。 在平衡态和近平衡态，涨落是一种破坏稳定有序的干扰，但在远离平衡态条件下，非线性作用使涨落放大而达到有序。偏离平衡态的开放系统通过涨落，在越过临界点后“自组织”成耗散结构，耗散结构由突变而涌现，其状态是稳定的。耗散结构理论指出，开放系统在远离平衡状态的情况下可以涌现出新的结构。地球上的生命体都是远离平衡状态的不平衡的开放系统，它们通过与外界不断地进行物质和能量交换，经自组织而形成一系列的有序结构。可以认为这就是解释生命过程的热力学现象和生物的进化的热力学理论基础之一。 在生物学，微生物细胞是典型的耗散结构。在物理学，典型的例子是贝纳特流。广义的耗散结构可以泛指一系列远离平衡状态的开放系统，它们可以是力学的、物理的、化学的、生物学的系统，也可以是社会的经济系统。耗散结构理论的提出，对于自然科学以至社会科学，已经产生或将要产生积极的重大影响。耗散结构理论促使科学家特别是自然科学家开始探索各种复杂系统的基本规律，开始了研究复杂性系统的攀登。 远离平衡态的开放系统，通过与外界交换物质和能量，可能在一定的条件下形成一种新的稳定的有序结构。 典型的例子是贝纳特流。在一扁平容器内充有一薄层液体，液层的宽度远大于其厚度，从液层底部均匀加热，液层顶部温度亦均匀，底部与顶部存在温度差。当温度差较小时，热量以传导方式通过液层，液层中不会产生任何结构。但当温度差达到某
筑龙网 W W W .Z H U L O N G .C O M 生活饮用水软化处理方法探讨 摘 要：本文详细阐述了生活饮用水软化处理的三种方法：石灰药剂强化混凝法、离子交换法、膜法，并对各种方法进行了分析比较。 关键词：生活饮用水 软化方法 DISCUSSION ON THE SOFTEN TREATMENT METHOND OF THE DRINGKING WATER Abstract:The three methonds on the soften treatment of the dringking water are presented in the paper. namely:lime medicament enhanced coagulant methond; ion exchange methond; membrane methond, moreover, Every methond is analysized and compared. Keywords:the drinking water, softer methond 1、引言 我国有大面积的地方为盐碱地区和石灰溶地区，这些地区的水硬度高，有时硬度达到700多度，硬度严重超标，这些水不仅口味极差，而且如果长期饮用，会对入的身体健康造成严重损害。目前我国饮用水水质标准中硬度为450度，有研究表明水的硬度在170度左右对人体最适合，这些地区在进行水处理时要考虑软化处理。目前主要的软化方法有：石灰药剂强化混凝法、离子交换法和膜法。
筑龙网 W W W .Z H U L O N G .C O M 2、软化处理 2.1 石灰药剂强化混凝软化法 水的药剂软化法的工艺过程，就是根据容度积原理，按需要向水中投加适当药剂，使之与钙、镁离子反应生成不溶性沉淀物为CaCO 3和（OH）2。通常用的药剂有石灰、纯碱、苛性钠、磷酸三钠等，其中以石灰软化最为 常用。 石灰经消化后。制成石灰乳投加在原水中，在高pH 值条件下与重碳酸盐产生如下反应： Ca(HCO 3)+Ca(OH)2＝2CaCO 3↓2H 2O Mg(HCO 3)2+Ca(OH)2=CaCO 3↓+MgCO 3+2H 2O MgCO 3+Ca(OH)2＝Mg(OH)2↓+CaCO 3↓ 其中CaCO 3和Mg(OH)2为沉淀物， 钙镁二价离子形成的沉淀物在下沉过程中起到混凝剂的作用，CaCO 3具有良好的絮凝作用。 使各种沉淀物在反应池中絮凝，在沉淀池和滤池中去除。对于地下水，一般水的浊度不高，不需投加其它混疑剂。其中pH 值对混凝效果好坏影响很大，各地在进行石灰软比时，应根据当地水质实际情况，通过烧杯试验观察不同pH 值下的去除效果，同时考虑投药的经济性，确定最佳pH 值。在生产试验中投加Ca（OH)2将水溶液调整为最洼的pH 值。在这种方法中，水的pH 值和药剂投加量是关键。通常在烧杯试验、模型试验和生产试验中确定。为增加混
第25卷第1期干旱区资源与环境Vol．25No．1 2011年1月Journal of Arid Land Resources and Environment Jin．2011 文章编号：1003－7578（2011）01－011－04 基于耗散结构的草原生态经济系统的动态分析* 巩芳1，2，常青2，郝晓燕2，文宗川2 （1．内蒙古农业大学经管学院呼和浩特010018；2．内蒙古工业大学管理学院呼和浩特010051） 提要：以耗散结构理论为基础，草原生态经济系统为研究对象，用熵作为度量标准，从草原生态系统的冲击力、复合承载力和反馈力三个角度分析了草原生态经济系统可持续发展面临的危机与挑战，并提出了通过 构建完善的草原生态补偿机制增加草原生态经济系统的负熵流，通过转变牧区经济的发展方式，完善保护草 原生态经济系统的政策减少正熵的流入，从而实现草原生态经济系统的良性循环发展。 关键词：耗散结构；草原生态经济系统；熵理论 中图分类号：F062．2文献标识码：A 草原生态经济系统是一个开放的、非线性复杂系统，草原生态经济系统作为一个复杂系统既是自组织的，也是他组织的，是自组织与他组织的统一。文中着重研究它的自组织方面，通过分析草原生态经济系统的耗散结构特性来探索实现草原生态经济可持续发展的途径。 1耗散结构理论概述 耗散结构（Dissipative Structure）理论由普里高津（I．Prigogine）于1969年提出，是指"一个远离平衡的开放系统当外界条件达到某阈值时，量变引起质变，系统通过不断地与外界交换物质和能量，会自动出现一种自组织现象，系统的各子系统会形成一种互相协同的作用，从而可能从原来的无序状态变为一种时间、空间和功能的有序结构"。一个系统要处于耗散结构，即动态有序，必须满足以下几个条件：1）系统必须开放；2）远离平衡态；3）非线性相互作用；4）涨落现象［1］。上述条件是相互紧密联系的，根据这些条件可以把耗散结构概括为：在非平衡条件下产生的，依靠物质、能量、信息的不断输入和输出条件来维持其内部非线性相互作用的有序系统。一个系统达到生态产出最大、功能稳定和生态平衡状况时，就是该系统最高级的生态环境耗散结构。 2草原生态经济系统耗散结构特性分析 根据耗散结构理论，草原生态经济系统作为一个复杂系统符合耗散结构的特性。首先，草原生态系统是一个开放的大系统。草原生态系统与牧区经济系统、社会系统不断进行物质、能量和信息的交换，经济和社会系统不断向草原生态系统输入正或负熵流，正熵流输入导致草原生态恶化，如，过度放牧和无序开垦等；负熵流输入时草原生态得以恢复，如退耕还林（还草）等。第二，草原生态经济系统是远离平衡态的。草原生态系统中，生物气候形成的春生夏长，秋收冬眠，花开花落，四季循环，正是非平衡系统中的时、空有序态。草原生态系统是一个具有自我调节功能的系统，同时，草原生态系统受当地人口、经济、政策等诸多因素的影响和制约，这些因素导致草原生态经济系统处于远离平衡的非线性区，在与外界发生物质、能量和信息交换时，随机的突变可能导致草原生态系统结构的变化。第三，草原生态经济系统具有非线性的特征。草原生态系统包含多个自然、经济和社会子系统，这些子系统之间相互影响、相互制约的关系不 *收稿日期：2009－11－09。 基金项目：内蒙古自治区社科项目《制度创新视角下的内蒙古草原生态环境补偿机制研究》（项目批准号：08B025）；内蒙古自治区高等学校科研项目《基于生态资本化理论的内蒙古草原生态补偿机制创新研究》（项目批准号：NJsy08062）资助。 作者简介：巩芳（1972－），女，汉族，内蒙古巴彦淖尔市人，副教授，博士，主要研究方向：产业经济，生态经济，牧区经济。 Email：gongfang110@sina．com
软化水检验方法 一、感官指标的检验 取300ml水样，置于500ml的三角瓶中，将水样摇匀，在光线明亮处迎光观察其杂质、沉淀情况。 取100ml水样，置于250ml的三角瓶中，振摇后从瓶口嗅水的气味。并取少量水样放入口中，不要咽下去，品尝水的味道。 二、理化指标检测 试剂 1.1.1 l乙二胺四乙酸钠标准溶液 1.1.2 氨缓冲溶液（ph=10）：秤取16.9g氯化铵，溶于143ml氨水（密度=0.88g/ml）中。 1.1.3 铬黑T指示剂：称取0.5g铬黑T用乙醇（95%）溶解，并稀释至100ml。放置于冰箱中可稳定一个月。 三、原理 当水样中有铬黑T指示剂存在时，与钙、镁离子形成紫红色的螯合物，这些螯合物的不稳定常数大于乙二胺四乙酸钙和镁螯合物不稳定常数。当PH=10时，乙二胺四乙酸钠先与钙离子，再与镁离子形成螯合物，滴定至终点时，溶液呈现出铬黑T指示剂的天蓝色。 1.2仪器及试剂 15ml碱式滴定管、250ml三角瓶、100ml量筒、2ml刻度吸管
方法 1.4.1 量取100ml水样于250ml三角瓶中， 1.4.2 加入1-2ml PH=10的氨-氯化铵缓冲溶液，再加入5滴5g/L 的铬黑T指示剂，混匀， 1.4.3 然后用L的EDTA溶液滴定溶液至天蓝色， 1.4.4 根据消耗L的EDTA溶液的体积计算出水样的硬度。 四、计算 总硬度（DH）= （a-b）*1000* *V C：EDTA标准溶液的浓度 V：水样的体积 a：滴定水样时消耗EDTA标准溶液的体积 b：滴定空白时消耗EDTA标准溶液的体积 —与乙二胺四乙酸钠标准溶液相当的以mg表示的总硬度以碳酸钙计 —换算系数 四、PH的测定 1、仪器: PHS—2C型PH计 2、方法：将电极用蒸馏水洗净后，再用被测水样冲洗2次以上，然后浸入水样经行进行测定，读数。水样温度控制在20度左右。
软化水处理操作技术研究及加药法介绍 软化水处理工艺就是将水的硬度降下来，利用科学的方法将水中钙镁离子除去，经软化处理钙盐和镁盐含量降至为1.0～50毫克/升后得到的软化水。 常用的软化水处理工艺方法 (1)膜分离法 纳滤膜(NF)及反渗透膜(RO)均可以拦截水中的钙镁离子，从而从根本上降低水的硬度。 膜法的特点是，效果明显而稳定，处理后的水适用范围广;但是对进水压力有较高要求，设备投资、运行成本都较高。这种软化水处理工艺一般较少用。 (2)石灰法 向水中加入石灰。主要是用于处理大流量的高硬水。石灰法只能将硬度降到一定的范围。 (3)离子交换法
采用特定的阳离子交换树脂，以钠离子将水中的钙镁离子置换出来。由于钠盐的溶解度很高，所以就避免了随温度的升高而造成水垢生成的情况。 离子交换法是目前最常用的软化水处理工艺标准方式。主要优点是：效果稳定准确，工艺成熟。可以将硬度降至0。采用这种方式的软化水设备一般也叫做“离子交换器”(由于采用的多为钠离子交换树脂，所以也多称为“钠离子交换器”)。 (4)变频除垢法 采用在水中加上一定的变化频率的电场或磁场来改变离子的特性，从而改变碳酸钙(碳酸镁)沉积的速度及沉积时的物理特性来阻止硬水垢的形成。 变频除垢法特点是：设备投资小，安装方便，运行费用低;但是效果不够稳定性，没有统一的衡量标准，而且由于主要功能仅是影响一定范围内的水垢的物理性能，所以处理后的水的使用时间、距离都有一定局限。多用于商业(如中央空调等)循环冷却水的处理，不能应用于工业生产及锅炉补给水的处理(同时由于该种设备的机理并未得到真正的理论证实)。 软化水处理加药法的应用
耗散结构理论 耗散结构理论是比利时布鲁塞尔学派领导人普利高津 （I.Prigogine）教授1969年在一次“理论物理与生物学”的国际会议上，针对非平衡态统计物理学的发展提出的。理论指出，一个远离平衡态的开放系统，通过不断地和外界交换物质和能量，当外界条件达到一定的阈值时，系统可能从原来的无序的混乱状态，转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。普利高津把在远离平衡态情况下所形成的有序结构命名为“耗散结构”。耗散结构理论就是研究耗散结构的性质，以及它的形成、稳定和演变规律的理论。 耗散结构理论研究的对象是开放系统。宇宙中的系统无一不是和周围环境有着相互依存和相互作用的开放系统，不论是有生命的，还是无生命的，都是如此。因此，这一理论涉及的面之广，在科学发展史上是罕见的。这一理论从诞生到现在，短短的二十几年中，在各方面的应用都已取得了可喜的成果。 我们应该清楚地看到，在自然界、科学实验、乃至社会现象中，从宏观上看，都有必要、也必须区分平衡结构（平衡状态下的稳定化有序结构）和耗散结构（耗散状态下的稳定化有序结构）。这里所讲的平衡结构，是指热力学意义上的平衡，即在与外界没有物质、能量交换的条件下，宏观系统的各部分在长时间内不发生任何变化。而耗散结构是指宏观系统在非平衡条件下，通过和外界不断地进行能量和物质交换而形成并维持的一种稳定化了的有序结构，即在非平衡态下
宏观体系的自组织现象。通俗一点讲，平衡结构是一种“死”的有序化结构，而耗散结构则是一种“活”的有序结构。我们熟知的晶体和液体是比较典型的平衡态下的稳定化有序结构。连续介质力学中的“贝纳特不稳流”则是布鲁塞尔学派最早用来说明耗散结构物理图象的一个例子。这个实例说，加热一个液体系统，液体内会产生一个温度梯度。温度梯度较小时，热量通过传导在液体中传递，不存在一种有序的自组织现象。但如果继续加热，当温度梯度达到一定的特征值时，一种有序的对流元胞会自动呈现，整个体系则由无数个这种对流元胞组成，它对应于一种高度有序化的分子组织，此时热量是通过宏观对流来传递的。这种图象就称为“贝纳特花样”，如右图所示。这种产生在不稳定之上，当体系达到某一特征值时稳定化的宏观有序的新组织、新结构，就是所谓的耗散结构。 热力学第二定律指出，熵是无序度的一种量度。熵增加原理又指出，孤立系统的熵永不减少。它终究要达到一个极大值，此时对应于一个热力学的平衡态。因此高熵对应于平衡态，低熵对应于非平衡态。而对于布鲁塞尔学派来说，耗散结构是“非平衡态是有序之源”这一基本出发点的必然结果。对于一个和外界可以交换能量或物质的开放系统，在时间dt内，体系熵的增加量ds，应该由两部分组成。一部分是由于体系和外界交换能量及物质而引起的熵增，称为熵流，用 d e s表示。另一部分称为“熵源”，顾名思义，它是由于体系内部的不可逆过程所引起的，用d i s表示。ds可表示为ds＝d e s+d i s。熵增加原理告诉我们d i s≥O。而对于一个开放系统来说，只要满足d e s＜-d i s，
混床离子交换器就是阳、阴两种离子交换树脂，互相充分地混合在一个离子交换器内，同时进行阳、阴离子交换的设备。简称混床。所谓混床，就是把一定比例的阳、阴离子交换树脂混合装填于同一交换装置中，对流体中的离子进行交换、脱除。由于阳树脂的比重比阴树脂大，所以在混床内阴树脂在上阳树脂在下。一般阳、阴树脂装填的比例为1：2，也有装 填比例为1：1.5的，可按不同树脂酌情考虑选择。混床也分为体内同步再生式混床和体外再生式混床。同步再生式混床在运行及整个再生过程均在混床内进行，再生时树脂不移出设备以外，且阳、阴树脂同时再生，因此所需附属设备少，操作简便。 一、混床离子交换器的优点 (1)出水水质优良，出水pH值接近中性。 (2)出水水质稳定，短时间运行条件变化(如进水水质或组分、运行流速等)对混床出水水质影响不大。 (3)间断运行对出水水质的影响小，恢复到停运前水质所需的时间比较短。 混床设备比较好用一点的还是有机玻璃柱的那种，因为分层的时候比较容易看得清楚。 操作起来，再生效果好。以前我用的那种A3钢的，有个视孔，操作起来真的好麻烦，分层都看不到。 二、混床离子交换器的工作原理 混床床离子交换法，就是把阴、阳离子交换树脂放置在同一个交换器中，在运行前将它们均匀混合，所以可看着是由无数阴、阳交换树脂交错排列的多级式复床，水中所含盐类的阴、阳离子通过该项交换器，则被树脂交换，而得到高度纯水。在混合床中，由于阴、阳树脂是相互混匀的，所以其阴、阳离子交换反应几乎同时进行，或者说，水的阳离子交换和阴离子交换是多次交错进行的，经H型交换所产生的H+和经过OH型交换所产生的OH-都不能积累起来，基本上消除反离子的影响，交换进行得比较彻底。由于进入混合床的初级纯水质较好，交换器的负载较轻，树脂的交换能力很长时间才被子耗竭。本混合床采用体内再生法，再生时首先利用两种树脂的比重不同，用反洗使用权阴、阳离子交换树脂完全分离，阳树脂沉积在下，阴树脂浮在上面，然后阳树脂用盐酸(或硫酸)再生，阴树脂用烧碱再生。 三、混床离子交换器的结构 1、再生装置：阴离子交换树脂再生碱液在高于阴离子交换树脂面300毫米处母管进液(Φ400、500、600采用单母管进液，Φ800、2500采用双母管进液)，管上小孔布液，管外采用塑料窗纱60目尼龙网布包覆。阳离子交换树脂再生酸性由底部排水装置的多孔板上排水帽进入。 2、中排装置：中排装置设置在阴、阳树脂的分界面上，用于再生排泄酸、碱还原液和冲洗型，型式分为双母管或支母管式，管子小孔外包覆塑料窗纱及60目尼龙网各一层。 3、排水装置：采用多孔板上装设PB2-500型叠片式排水帽,或宝塔式ABS型排水帽,多孔板材质按设备规格不同而异。(Φ400、500、600型采用硬聚氯乙烯多孔，Φ800、2500型采用钢衬胶多孔板)。
耗散结构理论 耗散结构理论是指用热力学和统计物理学的方法，研究耗散结构形成的条件、机理和规律的理论。 耗散结构理论的创始人是伊里亚·普里戈金(Ilya Prigogine)教授，由于对非平衡热力学尤其是建立耗散结构理论方面的贡献，他荣获了1977年诺贝尔化学奖。普里戈金的早期工作在化学热力学领域，1945年得出了最小熵产生原理，此原理和翁萨格倒易关系一起为近平衡态线性区热力学奠定了理论基础。普里戈金以多年的努力，试图把最小熵产生原理延拓到远离平衡的非线性区去，但以失败告终，在研究了诸多远离平衡现象后，使他认识到系统在远离平衡态时，其热力学性质可能与平衡态、近平衡态有重大原则差别。以普里戈金为首的布鲁塞尔学派又经过多年的努力，终于建立起一种新的关于非平衡系统自组织的理论──耗散结构理论。这一理论于1969年由普里戈金在一次“理论物理学和生物学”的国际会议上正式提出。 耗散结构理论提出后，在自然科学和社会科学的很多领域如物理学、天文学、生物学、经济学、哲学等都产生了巨大影响。著名未来学家阿尔文·托夫勒在评价普里戈金的思想时，认为它可能代表了一次科学革命。 耗散结构理论可概括为：一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为“耗散结构”(dissipative structure)。可见，要理解耗散结构理论，关键是弄清楚如下几个概念：远离平衡态、非线性、开放系统、涨落、突变。 (1)远离平衡态 远离平衡态是相对于平衡态和近平衡态而言的。平衡态是指系统各处可测的宏观物理性质均匀(从而系统内部没有宏观不可逆过程)的状态，它遵守热力学第一定律：dE=dQ-pdV，即系统内能的增量等于系统所吸收的热量减去系统对外所做的功；热力学第二定律：dS/dt>=0，即系统的自发运动总是向着熵增加的方向；和波尔兹曼有序性原理：pi=e-Ei/kT，即温度为T的系统中内能为Ei的子系统的比率为pi. 近平衡态是指系统处于离平衡态不远的线性区，它遵守昂萨格(Onsager)倒易关系和最小熵产生原理。前者可表述为：Lij=Lji，即只要和不可逆过程i相应的流Ji受到不可逆过程j的力Xj的影响，那么，流Ji也会通过相等的系数Lij受到力Xi的影响。后者意味着，当给定的边界条件阻止系统达到热力学平衡态(即零熵产生)时，系统就落入最小耗散(即最小熵产生)的态。 远离平衡态是指系统内可测的物理性质极不均匀的状态，这时其热力学行为与用最小熵产生原理所预言的行为相比，可能颇为不同，甚至实际上完全相反，正如耗散结构理论所指出的，系统走向一个高熵产生的、宏观上有序的状态。 (2)非线性 系统产生耗散结构的内部动力学机制，正是子系统间的非线性相互作用，在临界点处，非线性机制放大微涨落为巨涨落，使热力学分支失稳，在控制参数越过临界点时，非线性机制对涨落产生抑制作用，使系统稳定到新的耗散结构分支上。 (3)开放系统
钠离子交换器工作原理说明 一般而言，化学除盐过程就是原水通过H+型阳离子交换器(也称阳床)和OH-型阴离子交换器(也称阴床)，经过离子交换反应，将水中的阴、阳离子去除，从而制得高纯水。当原水经阳床发生交换反应之后，出水呈酸性，即水中的阳离子几乎都等当量的转变成氢离子，此时H++HC03-?C02?+H2O，所以在阳床之后端要设置除二氧化碳器。 钠离子交换器工作原理 水的硬度主要有其中的阳离子:钙(Ca2+)、镁(Mg2+)离子构成。当含有硬度的原水通过交换器的树脂层时，水中的钙、镁离子被树脂吸附，同时释放出钠离子。这样从交换器内流出的水就是去掉了硬度离子的软化水，当吸附钙、镁离子的树脂达到一定程度后，出水硬度增大，此时软水器按照预定的程序自动进行失效树脂的再生工作，利用较高浓度的氯化钠溶液通过树脂，使失效的树脂重新恢复至钠型树脂。
钠离子交换器产品结构 沈阳软化水装置主要有三部分组成: 1、自动控制装置:根据用户需要，可配置时间控制、流量控制两种控制方式的全自动控制器，并可选配润新、富莱克等控制阀，也可选用液动、气动、电动多阀控制系统。 2、罐体部分:根据用户要求，交换罐、盐罐可采用玻璃钢、碳钢衬胶、不锈钢等材质。 3、配件部分:包括布水装置、吸盐装置、管路配件等。 天然水中含有的钙(Ca2+)、镁(Mg2+)离子在加热蒸发浓缩过程中生成危害锅炉安全运行的水垢，这种天然水叫硬水。当这种硬水通过离子交换剂(NaS)时，与吸附在交换剂上的Na+离子发生交换反应，被置换于水中，转化成钠的盐类。由于钠的盐类溶解度大，且在温度升高时溶解度进一步增加，所以不会生成水垢。这个过程称为软化。但水中的钙、镁离子置换到交换剂上，使钠型交换剂(NaR)变成钙型(CaR)，因而失去了与钙、镁离子再进行交换反应的能力，这一现象称之为钠离子交换失效。将失效的交换剂用食盐(NaCl)溶液使之还原成钠型交换剂，以便继续生产软水，这种现象称之为再生。钠离子交换器通过软化——失效——再生还原——软化的循环过程，使原水得到软化，供给锅炉合格的软化水。