探索神秘的海底濁流

閆冬雪

《觀滄?！酚性疲簴|臨碣石，以觀滄海。水何澹澹，山島竦峙。樹木叢生，百草豐茂。秋風蕭瑟，洪波涌起。對于大海的深不可測，數千年來人們一直想鉆進它的“內心”深處一探究竟。近年，依托高科技測量手段，人類發(fā)現(xiàn)茫茫滄海居然像大陸一樣，里面潛藏著一眾高原峽谷、溫泉、礦物質、能源及其它生物，它們組成了一個豐富絢爛而又復雜的海底世界。

“三維數值模擬可極大地推進我們對復雜地形下海底濁流及其沉積的研究”。安徽工業(yè)大學教授、能源與環(huán)境學院副院長、環(huán)境流體研究所所長黃河清如是認為。迄今為止，他埋首于環(huán)境流體力學方面研究已近20年。

20年積淀 走進海底濁流領域

科研，為探索未知及解決問題而存在。對黃河清來講，數十年的學習沉淀像穿上了輕便的魚鰭，促進其在科研的海洋中自在遨游。

1985年，黃河清從鐘愛的南京大學構造地質及地理物理專業(yè)畢業(yè)后，考取了中國科學院資深院士、我國著名地質學家、地學教育家郭令智先生的研究生。并于次年作為國家教委第五批中日互換研究生遠渡重洋，來到日本九州大學進行有關地熱地區(qū)地下水的環(huán)境調查研究，師從于當時日本地熱學會會長湯原浩三教授，在國際著名期刊《地下水》（GroudWater）上發(fā)表論文1篇，提出了示蹤子有效初始濃度的概念，首次給出了根據瞬時源模型理論解推出的兩組具有廣泛應用價值的根據示蹤物涌出曲線上的不同點計算有關污染物三重要參數的計算公式（Huang，H.1991 On a one-dimensional tracer model. Ground Water 29（7），18-20），可快速判斷地下水突發(fā)性污染的源強、擴散系數及流動速度，進而對其污染范圍進行較為準確的預測。

碩士畢業(yè)后回國，經教委工作人員推薦，他在南京熊貓電子集團工作近8年，深感繼續(xù)學習的重要性，1997年，他毅然遠赴美國愛荷華大學水力學研究所攻讀博士學位，主攻水壩泄洪道下過飽和溶解氣體的數值模擬研究，成功建立了可評估及優(yōu)化降低泄洪道下過飽和氣體設施設計的二維及三維的數值計算模型，助其研究所獲得了高額的研究資金并于2002獲得博士學位。

按常理，黃河清將會在環(huán)境水力學上深入研究。但一次機遇垂青，讓他走進了另一個世界，即海底濁流領域。水體流場模擬研究可以通過既有軟件進行，無需重新編程。當時正在讀博的黃河清在好奇心的驅使下，研究了數值求解納維爾-斯特克斯方程的編程。博士畢業(yè)后，恰逢美國南卡羅來納大學（University of South Carolina）和殼牌石油公司合作的研究項目需要這方面的博士。于是，2003年起，他就在美國南卡羅萊拉大學做博士后及研究助教授，期間和美國海底濁流研究的前輩、著名四方程深度平均模型的提出人Gary Parker 教授的弟子Imran教授緊密合作，進行有關海底濁流的數值模擬研究。很快，項目取得了較大進展，建立了得到已有實驗數據驗證的有關海底濁流的湍流、沉積物的沉積及夾帶、沉積物的推移質搬運及環(huán)境液體的卷吸等一系列主要動力學過程的三維數值計算模型，并對海底濁流在梯形直渠道中的流動及沉積的特征做出一些新的發(fā)現(xiàn)，發(fā)表在水力學工程（J.Hydraulic Engineering， 2005，131（4），283-293）及地球物理研究（J.Geophysical Research，2007， 112，1-15）等國際權威學術期刊上，引起了廣泛關注。

談及此段經歷，黃河清認為，機遇只留給有準備的人。20余年，他不拘泥于單一的研究課題，而是從多層面、多角度進行學習實踐。正基于此，今后的科研之路才愈加寬廣。

立足安工大 不斷探索海底濁流的機理及應用

2008年，黃河清結束美國的學習科研工作，回歸安徽工業(yè)大學能源與環(huán)境學院做了名教師。憑借豐富的實踐經驗及國家基金項目的支持，他開始進行了一系列創(chuàng)新研究、包括國家自然科學資金面上項目“復雜地形下的海底濁流及其沉積的數值計算模擬”。以立體的方式，把海底濁流世界“搬”到了計算實驗室。

茫茫滄海居然像大陸一樣潛藏著一眾高原峽谷、生物、溫泉、礦物質特別是埋藏在古代海底濁流沉積中的寶貴的油氣資源。黃河清及其團隊在三維數值模擬中，對三維彎曲海底峽谷內濁流及其沉積做了詳細的數學模擬，給出了多次濁流事件后的濁流沉積在各種縱橫剖面上的沉積厚度及粒度分布特征，這對于通過野外露頭或鉆探資料進行反演、推測形成其形成環(huán)境及沉積模式提供了寶貴的借鑒資料，發(fā)表在海洋地質學（Marine Geology，2012，329-331，93-102）上，得到了國際有關海底沉積研究的著名專家、英國國家海洋研究中心所長Dr.Wynn的：“模擬的結果比大多數實驗模型的高出一個數量級以上的和實際的近似，以及它能全息地展示峽谷內外的平面及剖面沉積圖像的能力使其成為對海洋地質學家來說感興趣的有用的貢獻”較高的評價。

黃河清認為，理論研究、數值模擬及實驗探索是當今科學探索三種主要手段，將三者結合起來，會極大地推動研究的進步。因此在進行數值計算研究的同時，他不拘于傳統(tǒng)的認為海底濁流的臨界弗雷德數和明渠流一樣為1的理論，考慮水下重力流的流量及濃度均會因上部水體的卷吸及下部沉積物的交換而改變的特性，首次推導出水下重力流的臨界密度弗雷德數理論計算公式，指出其可以不為常量1，可以大于1，不存在或小于1，并給出了各種情形下水下重力流的實例及物理特征，發(fā)表在被孫樞院士稱為國際沉積學界三大主要期刊之一的《沉積學研究》（J.Sedimentary Research，2009，47（4），455-465.）上，得到最近國外同行的一系列的野外實測及實驗室觀察的驗證（如Sumner et al.，2013； Xu et al.，2014；Najafpour et al.，2014等），擴大了我國在水下重力流研究方面的影響。

最近，他們通過數值模擬發(fā)現(xiàn)底坡坡度對海底濁流的流動及沉積都起著重要的控制作用，不僅控制著其理查德森數及水卷吸系數，也控制著一些主要海底濁流的沉積構造，在總結了數值模擬結果的同時，建造了一15米長，并首次可在0?15度范圍內精確控制坡度及入流量的實驗水槽（參見插圖），即將開展對海底濁流的實驗研究來驗證數值模擬的結果及進一步探索未知的領域。他計劃著將流體力學、計算流體力學、河流動力學、沉積學和石油的勘探開采等緊密地結合在一起，宏觀布局、微觀處理，以期形成多項關于深海濁流在彎曲峽谷及其下游沉積扇的沉積過程的系統(tǒng)性、基礎性及實用性的研究成果。

面向未來 與實踐工程接軌

海洋中蘊藏著極為豐富的資源，開發(fā)和利用海洋已成為拓展人類生存空間和爭奪經濟制高點的希望所在。海底油氣資源、天然氣水合物、大洋多金屬結核結殼和熱液硫化物等戰(zhàn)略性資源的大量存在，已成為新世紀戰(zhàn)略資源基地。海底工程、深水油氣儲層的預測、勘探及開采等一系列工程的建設與發(fā)展，要求人類要充分認識海底世界的復雜性。為響應國家戰(zhàn)略發(fā)展的要求，黃河清始終把水下重力流的理論、以及海底濁流在彎曲渠道內的流動及沉積特征等作為科研重點來抓，“我們通過判斷水下重力流的流態(tài)，能夠預測其演變過程；根據現(xiàn)代沉積狀態(tài)可以推斷其形成環(huán)境，可能形成的油儲規(guī)模、形態(tài)及最佳開采位置”。

科研需要傳承，一心想著要“造就一支具有國際水平的海底濁流及其沉積的基礎研究和應用研究團隊”的黃河清，自回歸安工大以來，就把一部分重心放在教學上，將數十年掌握的多學科知識及自身體驗親授給學生，每年親自教授本科生“工程流體力學”課程并于2013年編著出版了全新的包含其有關重力流最新研究成果的《環(huán)境流體力學》教材，獲哈爾濱工業(yè)大學的張杰院士的“知識結構新而全面，內容精湛匠心獨具，為有關環(huán)境流體力學的一本不可多得的參考書，開創(chuàng)了環(huán)境流體力學先河”的高度評價。

面對發(fā)展的未來，黃河清提出要把實驗理論運用到實際工程建設當中。開發(fā)了集產生網格、數值模擬和圖像分析顯示等于一體的可方便模擬重力流的軟件Simusoft，并將模擬擴展至一些水污染及大氣治理設施內的流動等，為環(huán)保企業(yè)的節(jié)能高效產品的開發(fā)服務，期望也能為我國的環(huán)保事業(yè)助一臂之力。樹苗能夠長成參天大樹，是因其根植于土壤。同樣，一項技術的日益成熟，是來自于實踐工程的反復檢驗。他們始終相信：努力去做，就無愧于心；盡心做好，就是對國家和社會的貢獻。在此我們期待并深深的祝福他，為我們創(chuàng)造更多的精彩。