把控防冰減災(zāi)未來(lái)之域

范國(guó)軒

水，是地球生命之源，是人類(lèi)生存之基，更是生產(chǎn)和生活必不可少的寶貴資源，但就目前來(lái)說(shuō)，其自然存在的狀態(tài)并不完全符合人類(lèi)的需要。每當(dāng)溫度達(dá)到0℃或更低溫度時(shí)，會(huì)使江、河、湖、庫(kù)的表面形成冰。冰將會(huì)影響防洪、供水、發(fā)電、通航等工程，也可能引起冰塞，導(dǎo)致河渠行洪時(shí)的洪水漫溢，特別是在春季解凍期，冰可能會(huì)嚴(yán)重危害沿岸建筑物，我國(guó)高緯度地區(qū)如黃河、黑龍江等冰凌冰塞現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，大型調(diào)水工程如南水北調(diào)中線、引黃工程等冬季也面臨冰凌災(zāi)害問(wèn)題。人均水資源不足，且時(shí)空分布極度不均等問(wèn)題都決定了我國(guó)是一個(gè)水旱、冰災(zāi)等災(zāi)害頻繁而嚴(yán)重的國(guó)家。近年來(lái)，我國(guó)可利用水資源不足、城鎮(zhèn)供水緊張、能源短缺等重大問(wèn)題，都與水有著密切聯(lián)系。

這樣一來(lái)，解決防冰減災(zāi)、水資源調(diào)配及開(kāi)發(fā)利用等影響當(dāng)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大課題，受到了像中國(guó)水利水電科學(xué)研究院研究室主任郭新蕾一樣奮斗在前線的科學(xué)家的青睞，更成為眾多科研工作者的夢(mèng)想。

走近水利水電研究

1999年，喜愛(ài)水利水電方向的郭新蕾，僅僅因?yàn)閹追种钆c心儀的武漢水利電力大學(xué)失之交臂，來(lái)到了武漢科技大學(xué)給排水工程專(zhuān)業(yè)?！爱?dāng)時(shí)我所在的縣屬于貧困縣，而高考分?jǐn)?shù)還很高，也許因?yàn)闂l件有限，能夠接受到的信息少之又少，所以就一心想考個(gè)好大學(xué)，專(zhuān)業(yè)上并沒(méi)有太多期待，于是就選擇了當(dāng)時(shí)相對(duì)冷門(mén)的給排水工程專(zhuān)業(yè)?！?/p>

高考的小插曲并沒(méi)有影響郭新蕾的學(xué)習(xí)與生活，相反，他更加努力地汲取知識(shí)。完成本科學(xué)業(yè)后，又相繼考取了武漢大學(xué)環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)碩士研究生和中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)專(zhuān)業(yè)的博士研究生，“功夫不負(fù)苦心人”，他終于邁入了水利水電工程的大門(mén)?！拔沂窃诖T士以后才真正意義上轉(zhuǎn)到了水利研究方向，本科時(shí)期還是學(xué)得比較雜。”郭新蕾說(shuō)道。

水利工程，我們很熟悉，國(guó)家近年來(lái)也一直在大力發(fā)展和支持水利研究，但熟悉并不代表簡(jiǎn)單。“困難肯定有，一直都會(huì)存在，而且還很多，但我相信事在人為，堅(jiān)持下去總會(huì)有結(jié)果。”在郭新蕾的工作中，“管涵”是重要的一環(huán)。長(zhǎng)距離輸水過(guò)程中，管涵也是重中之重，安全輸水水力調(diào)控、閘泵閥等連接件的監(jiān)測(cè)監(jiān)控都需要認(rèn)真對(duì)待。我國(guó)南水北調(diào)工程在保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保護(hù)生態(tài)環(huán)境及水資源等方面能夠成功，輸水管涵都在其中發(fā)揮著巨大的作用。然而科研并不只是一條狹窄的小路，更是郭新蕾不斷延伸拓寬的序曲。除此之外，他還對(duì)包括梯級(jí)高壩大庫(kù)泄洪風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)水節(jié)能新設(shè)備開(kāi)發(fā)有著濃厚的興趣?！斑@些也都是我讀博士時(shí)一直研究的方向，但畢竟‘術(shù)業(yè)有專(zhuān)攻，一個(gè)人的能力是有限的，我做一個(gè)研究方向就希望做到最好?！?/p>

郭新蕾所說(shuō)的“希望做到最好”主要指防冰減災(zāi)問(wèn)題。眾所周知，水在溫度低到一定程度的情況下就會(huì)轉(zhuǎn)化成冰，而冰的存在會(huì)顯著降低過(guò)流能力。防冰減災(zāi)，一直是他和團(tuán)隊(duì)從過(guò)去到現(xiàn)在潛心研究的重點(diǎn)。多年來(lái)，他們重點(diǎn)解決水利水電工程建設(shè)與安全運(yùn)行、冰凌洪水防治與風(fēng)險(xiǎn)管理等領(lǐng)域的水力學(xué)問(wèn)題，在這些方面也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

在郭新蕾多年來(lái)重點(diǎn)解決水利水電工程建設(shè)與安全運(yùn)行、冰凌洪水防治與風(fēng)險(xiǎn)管理等領(lǐng)域的水力學(xué)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，多方面都取得了突破性進(jìn)展。其中郭新蕾在輸水管涵故障辨識(shí)、水電工程泄洪安全運(yùn)行、冰情數(shù)值模擬等方面的成果發(fā)表在SCIENCE China、Journal ofHydro-environment Research，Journal ofHydrodynamics、水利學(xué)報(bào)等國(guó)內(nèi)外知名期刊上，提出的長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)沿程糙率、局部水頭損失等參數(shù)的系統(tǒng)辨識(shí)方法和管道系統(tǒng)故障參數(shù)耦合特效及專(zhuān)有全頻域檢測(cè)方法引起眾多專(zhuān)家學(xué)者的廣泛關(guān)注。其中，提出的輸水工程糙率等參數(shù)的系統(tǒng)辨識(shí)成果，被包括潘家錚院士在內(nèi)的國(guó)務(wù)院南水北調(diào)專(zhuān)家委評(píng)價(jià)為“是調(diào)水工程水力學(xué)系統(tǒng)辨識(shí)的重大標(biāo)志性成果”。在水庫(kù)泄洪消能方面，揭示了自調(diào)節(jié)潛水起旋墩的旋流運(yùn)動(dòng)機(jī)理，建立了水電工程新型旋流環(huán)形堰豎井泄洪洞的設(shè)計(jì)理論和水力特性計(jì)算方法，解決了傳統(tǒng)泄洪的一系列技術(shù)難題。此外，提出的長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)水力控制技術(shù)、管涵安全充水技術(shù)、河渠冰害防治技術(shù)、新型內(nèi)消能工和濱海雨洪調(diào)控排放新技術(shù)分別在南水北調(diào)中線、黑龍江、清遠(yuǎn)、香港荃灣等大型工程中得到應(yīng)用。成果獲發(fā)明專(zhuān)利近20項(xiàng)，省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)4項(xiàng)，大大推動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的科技進(jìn)步，并具有廣泛的推廣價(jià)值。

把控防冰減災(zāi)

防冰減災(zāi)，尤其是長(zhǎng)距離輸水工程中的防冰減災(zāi)問(wèn)題，有很多理論難題和技術(shù)瓶頸，如：長(zhǎng)距離輸水工程構(gòu)成復(fù)雜、調(diào)控參數(shù)多、地形地勢(shì)多樣、流態(tài)銜接復(fù)雜、緯度跨度大、冰期輸水難度高等。

為了解決這些問(wèn)題，在攻關(guān)過(guò)程中，郭新蕾突破冰情發(fā)展模型和復(fù)雜內(nèi)邊界條件耦合求解的技術(shù)瓶頸，利用揭示的冰期輸水冰蓋生消演變過(guò)程和糙率變化規(guī)律，建立了初冰、冰蓋形成、發(fā)展和消融的冰水動(dòng)力學(xué)仿真模型，實(shí)現(xiàn)了輸水工程暢流期、結(jié)冰期、冰蓋穩(wěn)封期和融冰期正反向輸水全過(guò)程模擬，大大提高了渠道冰情的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)精度，填補(bǔ)了輸水工程冰情模擬、預(yù)報(bào)的空白。與此同時(shí)，為了避免冰期輸水過(guò)程中建筑物可能出現(xiàn)的冰塞等災(zāi)害問(wèn)題，郭新蕾還通過(guò)真冰物理模型試驗(yàn)揭示了天然冰下潛的動(dòng)力過(guò)程，提出了倒虹吸等過(guò)水建筑物防冰塞的臨界關(guān)鍵水力學(xué)判據(jù)公式，并加以利用使得冰期輸水能力至少提高10%以上，也為渠道冬季安全運(yùn)行提供了定量評(píng)價(jià)和判定方法。上述新理論方法和技術(shù)作為主要成果之一獲得2016年國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

此外，高緯度地區(qū)大江大河冰塞冰壩冰凌洪水等自然災(zāi)害也不容小覷。郭新蕾及其團(tuán)隊(duì)不斷探索，不僅引領(lǐng)了該學(xué)科的發(fā)展，也為生產(chǎn)實(shí)踐提供了諸多實(shí)用成果。通過(guò)最近幾年的連續(xù)觀測(cè)，提出了寒區(qū)河流防凌爆破冰蓋厚度、炸藥埋深和炸藥用量之間的定量關(guān)系式，有效支撐了開(kāi)河冰壩防治工作。為解決寒區(qū)江河湖庫(kù)冰厚、水深、冰塞冰壩分布等水文參數(shù)測(cè)量難題，他立足于產(chǎn)研結(jié)合，基于探地雷達(dá)技術(shù)研發(fā)了高精度的冰水情一體化雷達(dá)測(cè)量系列設(shè)備用于測(cè)量冰厚、水深，大大提高了冰情野外原型觀測(cè)的效率，可廣泛推廣到寒區(qū)江河湖泊和大型抽水蓄能電站上下水庫(kù)、調(diào)水明渠等冰期水文要素的監(jiān)測(cè)中。

眾所周知，高緯度地區(qū)河流極易在輸水過(guò)程中發(fā)生冰凍現(xiàn)象。例如南水北調(diào)在從丹江口到北京的輸水過(guò)程中，冬季結(jié)冰就是一個(gè)大問(wèn)題?！拔覀兌贾?，水結(jié)冰后會(huì)形成冰花，冰花是有粘性的，在輸水渠道包括閘口處都會(huì)因?yàn)楸妮斠?，粘黏越積越多，會(huì)大大降低輸水能力，所以需要采取更安全高效的輸水方式和措施，這都是值得去探索的?！惫吕偃缡钦f(shuō)。

在水利部公益項(xiàng)目“黑龍江冰情預(yù)報(bào)及災(zāi)害防治研究”中，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)在郭新蕾的帶領(lǐng)下，多次赴北宏、漠河等地開(kāi)展黑龍江上游江段冰情現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的工作。

這是郭新蕾研究高緯度地區(qū)河流防冰減災(zāi)的一個(gè)經(jīng)典案例。漠河處于北緯53°以上的高緯度地區(qū)，到處是白雪皚皚，冰也是晶瑩剔透。冬季的漠河，白天不到7個(gè)小時(shí)，即使最高氣溫也在零下20℃以下。郭新蕾向記者介紹：“溫度極低的情況能達(dá)到零下50度，我們一般是從早上9點(diǎn)鐘一直工作到下午3點(diǎn)，這段時(shí)間幾乎都是在冰上完成，一般人是很難承受的，條件艱苦得難以想象?！睒O端的低溫，使得測(cè)量?jī)x器從水中拉上來(lái)，就會(huì)瞬間凍成冰，郭新蕾和團(tuán)隊(duì)成員只能把儀器放到熱水中暖化后，再一遍一遍不厭其煩地繼續(xù)測(cè)量。

然而，對(duì)他們來(lái)說(shuō)，適應(yīng)外界環(huán)境并不是最大的挑戰(zhàn)。 “我們第一次去漠河經(jīng)過(guò)山路時(shí)，一般的汽車(chē)都上不去，都要準(zhǔn)備至少兩輛四驅(qū)車(chē)再配一個(gè)衛(wèi)星電話，以防車(chē)在冰路上拋錨與外界失聯(lián)。”郭新蕾補(bǔ)充道，在200多公里荒無(wú)人煙的環(huán)境中，情況是相當(dāng)危險(xiǎn)的，好在水利部、當(dāng)?shù)卣⒑邶埥》擂k、軍隊(duì)都給項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提供了幫助和支持，讓他們能夠順利地完成工作。

“1的365次方是1.1.01的365次方是37.783，但0.99的365次方就變成了0.0255。所以學(xué)習(xí)如逆水行舟，不進(jìn)則退，只有每天進(jìn)步一小點(diǎn)，日積月累才會(huì)收獲巨大?！睌?shù)年下來(lái)，“80后”的郭新蕾已經(jīng)習(xí)慣了科研生涯中會(huì)遇到各種難題和挑戰(zhàn)，他表示，“只要工作中私心少一點(diǎn)，公心多一點(diǎn)，一點(diǎn)一滴地去積累，就不怕不會(huì)成功?！?