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  自然资源部的最新消息显示,全国现有地质灾害隐患点28.8万余处,潜在威胁1600万人,受调查手段和精度限制,尚有大量地质灾害隐患没有发现。  20年前,在中国科学院成都山地灾害与环境研究所(以下简称成都山地所),有一支团队一直“与灾共舞”,围绕泥石流灾害预判与综合防控关键技术难题展开攻关,先后建立了74处灾害防治示范点,产生经济效益103亿元,直接保护人口7.4万。  “泥石流灾害预测、预警等减灾问题是世界性难题。但我们的研究证明,泥石流是可预测的。”近日,团队负责人、成都山地所研究员陈宁生在接受《中国科学报》采访时说,“我们已经连续8年向国家提交咨询报告15份,服务防灾减灾思想库的建设。团队成果还走出国门,为‘一带一路’沿线国家的减灾贡献中国方案。”  从理论到技术应用  当前,我国大约有8万余处泥石流灾害隐患点,其中严重的有8500处,90%以上水电基地、170座县级以上城市和1300座乡镇、交通干线500余万公里受泥石流危害或威胁,每年经济损失约20亿元。陈宁生表示,“与泥石流共舞”的局面将长期存在。  面对泥石流灾害,我国有关部门开展了大量的防控工作。陈宁生以汶川地震灾区为例介绍道,近年来,自然资源部、水利部、交通运输部等部门平均每年治理72例,但每年新增240例,治理速度赶不上新增速度,经过泥石流灾害防控任重而道远。  经过多年的研究陈宁生团队发现,关于泥石流的防灾减灾工作存在3个关键问题:泥石流灾害为何大量分布于干旱地震带、泥石流预测预警的可靠性不好、泥石流调控的效能还需要提高。  在28个重要项目的支撑下,陈宁生团队展开了关于泥石流灾害预判与综合防控关键技术的研究,从2000年形成机理认识开始,到2008年团队转入防控技术研发,再到2018年进入推广应用阶段。  陈宁生团队首先创立了泥石流物源控制理论。“不仅降水可以引发泥石流,干旱与地震也容易导致泥石流。”该团队的研究不仅解释了泥石流在干旱地震带中集中分布的成因,还奠定了泥石流动态预测的理论基础。  基于物源主导泥石流形成的原理,团队研究发现泥石流沟山洪输沙量可达75%,按20年寿命设计的拦砂坝数年就被泥沙淤满,据此团队创立了“以排为主、拦大排小”的沟道泥石流调控技术。  此外,陈宁生团队还建立了分级多指标的泥石流预测、判识与预警系统,“从理论到技术应用,我们连续8年针对四川省及我国重点区泥石流灾害危险进行了成功预测,显著提高了预警可靠度,降低了‘空跑率’”。  预测预警挽回损失  据陈宁生回忆:“2010~2012年,汶川地震灾区攀西地区连续3年干旱,我们团队根据之前的研究理论预测,这一地区的河谷干旱后泥石流灾害风险极大。”  该预测成果在得到专家认可后提交四川省,获得省长批示。国土水利部门根据陈宁生团队的预测结果,通知区内群测群防人员和群众。2012年6月28日暴雨后,矮子沟流域573人成功避险,但让陈宁生遗憾的是,“沟口晏子酒家民工临时营地因信息无法传达发生灾害”。  此后,陈宁生团队又将研究成果应用于大型水利水电工程的监测预警,针对白鹤滩灾害风险大的问题,团队应用分级多指标预测预警技术体系,5次险情、5次成功预警,保障了300多名施工人员安全。  他举例道:“2013年7月8日,矮子沟最大1小时雨量为22.5毫米,我们仅启动一级预警,无需撤离,避免空跑;2015年7月15日,大寨沟最大1小时雨量为53.8毫米,高于三级红色预警阈值,我们启动三级预警后,60人在泥石流到达之前20分钟撤离。”  除了发出提前预警,该研究团队还在灾害防治方面提出建设方案,减轻灾害损失。  邛海是西昌的母亲湖,但邛海流域泥石流频发,淤积严重。资料显示,1952年湖面面积31平方公里,到2010年湖面面积缩小到25平方公里。陈宁生团队对邛海开展实体调查,确定邛海寿命为572年。团队依据物源控制理论确定泥石流规模等特征,采用流域综合治理,结合拦排措施调控泥石流,保护了西昌的母亲湖。  2010年8月14日汶川映秀镇红椿沟发生泥石流灾害,致17人死亡,灾害规模特大、防治难度极高,危及映秀的安全,城镇的搬迁与重建成为争论的焦点。陈宁生团队临危受命,将“拦大排小”的工程调控技术应用于映秀城镇与道路泥石流灾害综合防控,工程经受了2013年群发性泥石流的考验。  贡献中国减灾方案  2016年7月5日,尼泊尔Bhotekos-  hi樟藏布沟暴发泥石流灾害,冲毁尼泊尔境内Bhotekoshi水电站和中尼公路,造成约7000万美元的经济损失。在成灾机理不明的情况下,英国保险公司不予赔付。  受尼泊尔水利电力部门委托,陈宁生带领团队对西藏自治区聂拉木县和尼泊尔境内进行了详细勘查,并与智利拉弗朗特拉大学教授Marcelo合作完成多种工况下冰湖溃决灾害危险性评估工作。  团队发现,此次灾害由贡巴通沙错冰湖溃决引发,泥石流容重为1.58吨/立方米,属于稀性泥石流,泥石流峰值流量达到4000多立方米/秒,在电站厂房位置的流量为1518.67立方米/秒,属特大型泥石流。  通过现场的调查分析,团队认为,此次灾害发生的主要原因由三部分组成,一是之前樟藏布沟区域曾发生连续降雨长达两个月的前期降水,造成沟道上游冰湖蓄水量上升;二是2015年4月25日地震后,强降水作用引发泥石流进入贡巴通沙错冰湖,产生涌浪,导致冰湖溃决;三是震后樟藏布沟道及两侧产生大量松散堆积物,溃决洪水转化为泥石流。  陈宁生告诉《中国科学报》:“我们的技术不仅查明了灾害原因,还为尼泊尔Bhotekoshi电站提供新的防控方案,帮助其最终获得保险公司全额赔款7500万美元。”  这也让陈宁生团队的研究成果成功走出国门,为“一带一路”沿线国家减灾贡献中国方案,支撑我国西部科研机构与企业在“一带一路”地质灾害防治中获得更多项目。  “灾害预测本身难度较大,我们的预测资料主要来自气象部门,希望气象预测资料能够及时更新,也希望得到更多地方的主动支持。”陈宁生说,“当前,我们的项目大部分与政府合作,未来希望寻求与相关企业的合作。”  (原载于《中国科学报》2020-02-21第3版转移转化)

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  2月19日,记者从中国科学院深圳先进技术研究院获悉,该院材料所喻学锋、杨新耕、康翼鸿等研发人员组成的技术团队应多家医疗单位的需求,紧急攻关并成功研发出具有医用防护面罩、护目镜等防雾功能的纳米涂层。  “这种纳米厚度的涂层是利用我们自主开发的非离子表面活性剂,添加增稠剂等增加附着力,有效提高作用时间,在日常环境下防雾效果可持续10天。”喻学锋介绍。  该团队将喷剂样品在深圳相关抗疫一线医院进行测试,结果显示,医生使用喷剂后,可以在穿着防护服的情况下,连续五小时以上护目镜不起雾,有效地帮助一线医护人员更专注、更安全地投入战斗。  据介绍,该防雾涂层技术是超浸润材料的一次成功应用。目前,深圳先进院的长效防雾纳米涂层研究及测试工作已经完成,也接收到了湖北多家医院的捐赠需求,研发人员正联合武汉中科先进技术研究院、科锐技术等,搭建日产数千瓶的全自动罐装生产线,并将陆续向湖北多家医院捐赠相关产品。  (原载于《中国科学报》2020-02-21第3版转移转化)

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  2月3日,《中国科学报》获悉,为共同抗击疫情,“上海光源”特别开通的“新型冠状病毒研究专项课题”绿色通道,于2月2日在关机维护期临时开机,助力科学家深入了解新型冠状病毒(以下简称新冠病毒)的微观结构、打开新冠病毒感染人体的“黑匣子”。  上海光源是目前世界上性能最好的第三代中能同步辐射光源之一,它像一台超级显微镜,帮助生物学家破解一个个“蛋白质之谜”。  疫情当前,解析病毒关键蛋白的结构至关重要。受访专家告诉《中国科学报》,开发阻断病毒入侵的药物、找到新冠病毒可能的中间宿主、指导新冠病毒疫苗的研发等等与防控疫情相关的重大发现,都与这项工作密不可分。  结构解析关注三环节  中国科学院微生物研究所研究员齐建勋、施一分别是中科院病原微生物与免疫学重点实验室病原微生物结构生物学研究组和病原感染调控与免疫识别研究组组长。他们目前正利用上海光源开展新冠病毒蛋白结构解析工作。  为了尽快取得成果,在连线中施一说,从1月初第一株新冠病毒基因组序列发布,他们就开始了这项工作,“春节也没有休息”。  利用上海同步辐射光源,如何解析蛋白结构?  “首先需要目标蛋白形成蛋白晶体,蛋白晶体在同步辐射X光照射下发生衍射。获得衍射数据以后,我们再用专门的软件去解析蛋白质的结构。”齐建勋说,如果数据质量好的话,就可以得到它的三维结构。  新冠病毒的基因组大概有3万个碱基。对于要解析的新冠病毒蛋白结构,施一告诉《中国科学报》,病毒感染宿主细胞一般分为三个环节:入侵、病毒基因组的复制和转录、组装,“我们团队主要针对病毒感染这三个环节中的关键蛋白,进行解析”。  致力让新冠病毒“现原形”  与SARS病毒相似,新冠病毒表面的“花冠”(由刺突蛋白形成)是病毒入侵的关键。齐建勋介绍说,在病毒入侵环节,刺突蛋白(又名S蛋白)会结合宿主表面的受体分子,介导病毒的入侵。“现在我们要了解S蛋白是如何与受体分子结合的,进而了解病毒的入侵机制,基于此去指导开发一些阻断病毒入侵的抗体或抑制剂并研制疫苗。”  此外,弄清楚S蛋白能与哪些动物来源的受体分子结合,就能说明这些动物也有可能会被新冠病毒所感染,它们就是潜在的中间宿主。“我们可以进一步在这些动物身上检测是否携带新冠病毒,然后再进一步确认。”施一说。  病毒进入细胞后的复制与转录环节,是一个由多个蛋白质组成的复合体介导的过程,涉及病毒与宿主的相互作用。施一告诉《中国科学报》,由于新冠病毒转录复制复合体蛋白亚基的氨基酸序列与SARS病毒相似性比较高,可进一步研究针对冠状病毒的广谱性靶向药物。  “比如我们可以针对病毒聚合酶,基于其结构做一些药物的虚拟筛选,帮助找到有潜力抑制转录复制过程的化合物分子,通过进一步评价来找到一些可用的老药或开展新药研发。”施一说,他们通过虚拟筛选,已经筛出一些有潜力的化合物分子,目前正在进行活性评价。  不久前,中科院院士蒋华良和饶子和领衔的中科院上海药物研究所和上海科技大学联合应急攻关团队,找到30种可能对新冠病毒有治疗作用的药物,就是基于这个方法。不同的是,该团队靶向的是病毒蛋白水解酶。  施一还向记者解释道,尽管新冠病毒与SARS病毒有比较高的相似性,但二者在氨基酸层面的差别使得二者在传播特性和致病病理上有所不同,比如新冠病毒潜伏期更长、致死率更低。它们还希望通过结构解析比较一下新冠病毒在入侵和复制、转录的特性上与SARS病毒的差异,更加清晰地了解其致病机制。  就病毒在宿主细胞内的组装环节,齐建勋告诉《中国科学报》:“病毒在组装之前,其基因组会被一种称之为N蛋白的蛋白包裹、保护起来。我们现在也在研究N蛋白的结构,看它是如何帮助病毒组装的。”  “只要了解了N蛋白的工作机制,将来就能够针对其结构去开发一些抗病毒的药物。”施一进一步解释道。此外,他介绍,当人被感染的时候,体内或血液中也会产生抗N蛋白的抗体,该团队正基于此做一些检测试剂的研发。  抓住时机“尽可能往前赶”  两位受访专家告诉记者,用于观察和开展研究的关键蛋白晶体已经逐步成形和在落实之中,随着上海光源的开机,该系列工作将陆续产生结果。  记者了解到,此次上海光源提前开机,安排了3天的机时。3天时间够不够用?齐建勋回答记者说,科学实验有自身的内在规律,需要摸索。“这次实验能否收集到好的数据,取决于晶体的质量,其实上机衍射收集数据很快,我们也希望一次到位。”  上海光源作为一个大的系统工程,要提前开机并不容易。施一告诉记者,同步辐射光源的运行有自身的周期性,全球北半球的同步辐射光源每年冬季和夏季都有两次关机,进行系统维护,以保证开机时能输出稳定、单色性好以及高亮度的X射线。而临时开机要产生高质量的X射线,更需要加速器、存储环和实验线站的协同调试。  “现在正好是关机维护的时期,重新开启需要硬件调试及人员的协调。”施一说,“也正是为了应对新冠病毒,上海同步辐射光源才在关机维护时期提前开机。”  此外,施一表示,蛋白晶体的准备也有自身周期性,中间涉及到基因合成、蛋白质表达等环节,“我们春节也没有休息,无论怎么样,要尽可能往前赶”。  (原载于《中国科学报》2020-02-07第3版转移转化)

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工业园区有毒有害气体光学检测仪器设备工程化和产业化应用  编者按  1月16日,中国科学院2020年度工作会议在京召开。循环流化床煤气化技术开发及产业化,新一代工业菌种的创制及应用,海洋工程重腐蚀防护技术研究与应用,工业园区有毒有害气体现场监测技术系统及产业化,超快激光微加工装备及应用,物流智能分拣装备系统研发及产业化应用,泥石流灾害预判与综合防控关键技术,马铃薯化肥农药减施增效技术研究、产业化与科技扶贫,中国科学院南京分院科技合作与成果转化等9个项目团队捧得2019年度“科技促进发展奖”。他们背后的技术应用,都是一股股促进社会发展的不竭动力。本报设立“科技促进发展奖”系列专栏,选取其中的典型,呈现他们“面向国民经济主战场”所付出的汗水和努力。  数九寒冬,在甘肃定西招金矿几十米高的高塔上,裹着三件羽绒服调试仪器设备;三伏酷暑,在海螺水泥上千摄氏度的高温窑室旁,汗流如注地执行监测任务……寒来暑往,近几年项目团队成员追梦的足迹已经走遍了全国20多个省市的工业园区。  在1月16日召开的中国科学院2020年度工作会议上,来自中国科学院合肥物质科学研究院的这支团队获得2019年中国科学院“科技促进发展奖”表彰,前不久,他们还摘得了2019年度国家科技进步奖二等奖。  “我们开辟了一个又一个恶劣复杂现场的成功应用案例。”项目团队带头人、中国科学院合肥物质科学研究院院长刘建国告诉《中国科学报》,团队所研发的工业园区有毒有害气体现场监测技术系统在仪器设备的环境适应性和长期运行稳定性方面,已经超过行业同类设备,达到国际先进水平。  瞄准园区环境监测需求  自2007年以来,我国工业园区数量开始呈现井喷式增长,同时,园区有毒有害气体的环境风险也日益凸显,工业园区的环境监测和有效管理拉响警报。  刘建国向《中国科学报》介绍道,传统的现场采样、离线分析方法,无法连续监测园区污染;固定(点)污染源排放连续监测系统,无法全方位监测无组织(面源)污染排放;地面监测设备无法全过程监测园区排放强度以及区域输送规律。  十多年前,刘建国就敏锐地察觉到国家对园区有毒有害气体监测的重大需求。  “当年,我国新兴的监测仪器市场被国外设备所占领,国产仪器设备的稳定性和可靠性亟须提高。”刘建国告诉《中国科学报》,“而光学监测技术具有测量范围宽、检测灵敏度高、反应速度快等特点,可以实现快速、多组分非接触式遥测,其检测精度已接近质谱色谱技术,是未来有毒有害气体在线监测技术的主要发展方向。”  在国家“863”计划重点项目、国家科技支撑计划等项目的支持下,他开始带领团队开展工业园区有毒有害气体现场监测技术系统的研究工作。  项目团队瞄准工业园区污染来源识别、污染总量监控、污染应急预警等技术需求,突破了高温、复杂组分下的光谱数据库及分析方法,以及恶劣工业环境条件下的光谱信号测量与处理等关键技术难点,通过系统集成自主研发的有毒有害气体光学监测方法、光谱数据库系统、光谱分析软件系统,结合大气痕量气体成分卫星反演算法软件,形成了一套工业园区有毒有害气体光学监测整体解决方案,实现了“点—线—面—区域+移动监测”四位一体的全方位光学监测。  “没有条件就创造条件”  “工业园区有毒有害气体监测面临恶劣环境条件的巨大影响,在国际上也缺乏成熟的解决方案。”刘建国介绍说,尤其是国际上尚无成熟的高温多组分光谱数据库可以直接借鉴。  为此,项目团队通过专门设计的工业环境高温气体光谱参数精准测量装置,精确测量了60余种有毒有害气体在高温下(100~1500℃)的吸收光谱,并建立和完善了包含300余种有机和无机成分的光谱数据库。  项目研发过程中还存在另一个技术难点:高温、高湿、高粉尘、高振动、易燃易爆等复杂恶劣环境条件下的光谱应用。为了消除高温高粉尘的影响,团队设计了收发一体式光学和机械结构;为了解决易燃易爆问题,团队设计了全光纤信号传输装置,为了克服高振动的扰动,团队设计了双臂扫摆式干涉仪结构。  尽管如此,在应用示范中,恶劣的工业现场使用环境还是给仪器安装调试带来了极大的挑战。  刘建国回忆道,在四川普光气田监测现场,所有的仪器设备安装点都在群山峻岭之中,由于盘山路狭窄且极为陡峭,遇雨天道路湿滑,施工车辆无法进入,常常需要沿盘山路行走数小时才能将仪器运送到安装现场。“最终,我们团队通过肩挑背扛的方式,将100多套仪器全部安全运送到安装点位。”  另外,安装现场的每条隧道长度都是公里级,项目团队需要在隧道的一端安装激光发射装置后,再背负几十斤重的设备步行至隧道另一端安装接收装置,而隧道中没有任何讯号,给调试增加了诸多不便。  “没有条件就创造条件。通过默契配合,我们团队完成了仪器的安装、维护、巡检工作。”刘建国说,“自仪器安装后,已连续无故障运行了6年多的时间,圆满完成了天然气泄漏检测的任务。”  大展拳脚的舞台  当前,国家生态环境部要求园区建设有毒有害气体环境风险预警体系,并出台了《有毒有害气体环境风险预警体系建设技术导则(征求意见稿)》。  这对刘建国团队来说,可谓提供了大展拳脚的舞台。  2012年,随着国家园区有毒有害气体环境风险预警体系建设试点工作的开展,项目团队研发的工业园区有毒有害气体现场监测技术系统先后在水泥、石化、钢铁冶金、煤化等企业,以及山东京博化工园区、扬州化工园区、甘肃庆阳石化园区、四川普光气田天然气传输隧道及站场等工业现场得到广泛应用。  随着我国工业园区集约化发展和“退城入园”工作的推进,现实对工业园区有毒有害气体现场监测技术提出了“数据更加准确、响应更加及时、覆盖更为全面、仪器更加稳定”的新要求。  自2019年始,生态环境部要求河北、山东、江苏、广东、青海和宁夏6个试点省份全面推进园区有毒有害气体环境风险预警体系建设,其他省份要选取2至3个园区开展预警体系建设试点。  “我国工业园区的环境风险预警体系建设刚起步,对园区有毒有害气体现场监测先进技术和现场监测设备有巨大的需求,这也为项目未来的推广应用提供了广阔前景。”刘建国满怀希望。  (原载于《中国科学报》2020-01-17第3版转移转化)

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      水泥属高耗能、高污染产业,在国家大力整治环境污染、全力“打好污染防治攻坚战”的背景下,水泥行业将成为2022年前后整治的重点。目前水泥产业对主要污染物NOX减排的方式主要有SNCR和SCR两种,前者只能做到将NOX限值控制在150mg~200mg/m3,而如果采用SCR技术,一次投入要超过3000万,对水泥企业而言,投入过大。加之自动化程度不高,工艺相对落后,氨水消耗量大,成本高且安全隐患较多。      由中国科学院沈阳自动化研究所王天然院士领衔的工业自动化控制团队通过对复杂烟气场进行系统的模拟计算和诊断分析,提出了对现有粗放型手动控制工艺进行升级改造的HSNCR技术方案。HSNCR方案根据烟气场仿真模拟计算的结果选定喷枪的数量和分布位置,通过智能控制技术实时调整喷枪工作模式,最终能够将氮氧化物的排放标准降低到100mg/m3以下,且和现有SNCR方案相比,在同等工况和排放标准下,可节约还原剂使用量20%以上。      应重庆市合川区人民政府要求,结合重庆富丰水泥集团实际情况,我们将王天然院士团队研发的HSNCR技术通过宝川自控成套设备集中实现。目前双方已签约并支付预付款,科创中心收取服务佣金。      水泥行业面临的污染治理任务紧迫而艰巨,需要技术升级改造的生产线有1600多条,市场规模在百亿左右。下阶段科创中心将与中节能、中建、华润、海螺、万年青等机构合作,拓展全国市场。

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      水泥属高耗能、高污染产业,在国家大力整治环境污染、全力“打好污染防治攻坚战”的背景下,水泥行业将成为2022年前后整治的重点。目前水泥产业对主要污染物NOX减排的方式主要有SNCR和SCR两种,前者只能做到将NOX限值控制在150mg~200mg/m3,而如果采用SCR技术,一次投入要超过3000万,对水泥企业而言,投入过大。加之自动化程度不高,工艺相对落后,氨水消耗量大,成本高且安全隐患较多。      由中国科学院沈阳自动化研究所王天然院士领衔的工业自动化控制团队通过对复杂烟气场进行系统的模拟计算和诊断分析,提出了对现有粗放型手动控制工艺进行升级改造的HSNCR技术方案。HSNCR方案根据烟气场仿真模拟计算的结果选定喷枪的数量和分布位置,通过智能控制技术实时调整喷枪工作模式,最终能够将氮氧化物的排放标准降低到100mg/m3以下,且和现有SNCR方案相比,在同等工况和排放标准下,可节约还原剂使用量20%以上。      应重庆市合川区人民政府要求,结合重庆富丰水泥集团实际情况,我们将王天然院士团队研发的HSNCR技术通过宝川自控成套设备集中实现。目前双方已签约并支付预付款,科创中心收取服务佣金。      水泥行业面临的污染治理任务紧迫而艰巨,需要技术升级改造的生产线有1600多条,市场规模在百亿左右。下阶段科创中心将与中节能、中建、华润、海螺、万年青等机构合作,拓展全国市场。

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