環(huán)境力學(xué)專(zhuān)題序

黃 寧

(西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000)

(蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，蘭州 730000)

自然環(huán)境是人類(lèi)得以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ).人類(lèi)為了生存，從刀耕火種時(shí)代起就同自然界作斗爭(zhēng)，同時(shí)也無(wú)意識(shí)地破壞了自己的生存環(huán)境，使得環(huán)境問(wèn)題成為現(xiàn)代國(guó)際社會(huì)面臨的共同問(wèn)題.中國(guó)很早就將保護(hù)環(huán)境定為基本國(guó)策，在黨中央生態(tài)文明思想的指導(dǎo)下，加快構(gòu)建環(huán)境治理體系、樹(shù)立綠色生產(chǎn)方式和生活方式正在成為一種潮流.

力學(xué)在其發(fā)展過(guò)程中形成的分析、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的學(xué)術(shù)風(fēng)格，十分有利于深化對(duì)環(huán)境問(wèn)題中基本規(guī)律的認(rèn)識(shí).如流體力學(xué)的邊界層理論，大大促進(jìn)了大氣動(dòng)力學(xué)的研究，使得天氣預(yù)報(bào)成為可能；強(qiáng)迫對(duì)流的研究，發(fā)現(xiàn)了因旋轉(zhuǎn)引起的風(fēng)生環(huán)流的西部強(qiáng)化；多相流的理論研究大大提高了大氣湍流邊界層中沙塵顆粒、雪顆粒、氣溶膠和污染物的傳輸，以及河流泥沙輸運(yùn)、污染物擴(kuò)散的定量化預(yù)測(cè)精度等等.因此在環(huán)境科學(xué)的發(fā)展過(guò)程中，力學(xué)以其獨(dú)有的學(xué)科特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，逐步完成與環(huán)境科學(xué)深度的交叉并形成環(huán)境力學(xué)這個(gè)新的學(xué)科生長(zhǎng)點(diǎn)，并在20 世紀(jì)80 年代，逐步形成環(huán)境力學(xué)這一新的分支學(xué)科.

環(huán)境力學(xué)的學(xué)科內(nèi)涵很廣，其主要涉及大氣環(huán)境、水環(huán)境、巖土體環(huán)境、地球界面過(guò)程、環(huán)境災(zāi)害、環(huán)境多相流動(dòng)，以及理論建模、計(jì)算方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)等方面.其研究方向主要包括：氣候變化和極端環(huán)境的發(fā)生、影響與應(yīng)對(duì)；工業(yè)化/城鎮(zhèn)化背景下的城市環(huán)境及其改善；流域環(huán)境和大型工程的相互影響；人類(lèi)社會(huì)發(fā)展中的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題等.研究任務(wù)包括認(rèn)識(shí)和理解自然界中復(fù)雜介質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)(或變形)規(guī)律；揭示環(huán)境問(wèn)題的機(jī)理；給出環(huán)境問(wèn)題發(fā)生的臨界條件和定量預(yù)測(cè)的時(shí)空演化規(guī)律；提出科學(xué)、合理、切實(shí)可行的應(yīng)對(duì)措施等方面.環(huán)境力學(xué)系統(tǒng)深入地研究大氣、水體、巖土體中介質(zhì)的變形和流動(dòng)，考慮相應(yīng)的破壞和物質(zhì)/能量輸運(yùn)，同時(shí)關(guān)注伴隨的物理、化學(xué)、生物過(guò)程.有關(guān)環(huán)境力學(xué)的研究工作不僅面臨強(qiáng)非線(xiàn)性、多場(chǎng)場(chǎng)耦合、多尺度跨越、隨機(jī)過(guò)程等科學(xué)共性難題，同時(shí)對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和工程實(shí)踐也具有非常明確的指導(dǎo)意義.因此環(huán)境力學(xué)是一個(gè)既具有科學(xué)研究意義，又具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，且發(fā)展前景廣闊的新興學(xué)科.

經(jīng)過(guò)多年的積累，我國(guó)環(huán)境力學(xué)研究在環(huán)境災(zāi)害機(jī)理研究、過(guò)程模擬、防治工程設(shè)計(jì)方面都取得了可喜的成果，在與其他學(xué)科交叉結(jié)合的過(guò)程中積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，逐步形成了環(huán)境力學(xué)的理論框架，凝聚了研究力量，培養(yǎng)了大批人才.我國(guó)的環(huán)境力學(xué)研究已逐步形成了研究的理論框架，涉及多個(gè)研究方向，如土壤侵蝕、風(fēng)沙(雪/塵)運(yùn)動(dòng)、河口海岸泥沙輸運(yùn)、海氣相互作用、滲流、滑坡、泥石流、河流泥沙運(yùn)動(dòng)、水環(huán)境、水體污染、城市污染，并在各自領(lǐng)域取得了可喜的成果.如：利用環(huán)境風(fēng)洞和分層水槽，實(shí)驗(yàn)研究大氣或水體中的污染物對(duì)流擴(kuò)散，為核電廠(chǎng)設(shè)計(jì)、城市CBD 規(guī)劃，蘇州河治理提供重要依據(jù)；結(jié)合長(zhǎng)江口航道整治，珠江口治理，研究河口非恒定水流與泥沙輸運(yùn)，在河口海岸工程中發(fā)揮作用；建立二維坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙動(dòng)力學(xué)模型，擴(kuò)展到小流域，分析侵蝕的影響因素，給出土壤侵蝕臨界坡度，為西部治理提供科學(xué)依據(jù)；揭示風(fēng)沙(雪、塵)運(yùn)動(dòng)中的規(guī)律，提出新觀(guān)點(diǎn)、新方法，創(chuàng)新了以往的風(fēng)沙(雪、塵)運(yùn)動(dòng)研究的理論框架與研究手段，為風(fēng)沙(雪、塵)災(zāi)害防治工程結(jié)構(gòu)提供設(shè)計(jì)依據(jù)；研究了地球界面過(guò)程，模擬了有植被的大氣邊界層，分析結(jié)皮層對(duì)土壤水分運(yùn)動(dòng)影響及其生態(tài)效應(yīng)；通過(guò)湍流模擬，獲得波齡，穩(wěn)定度對(duì)海氣交換系數(shù)的影響，為氣候模型參數(shù)化提供依據(jù)；用渦動(dòng)力學(xué)研究臺(tái)風(fēng)異常路徑，數(shù)值模擬臺(tái)風(fēng)浪、風(fēng)暴潮災(zāi)害.這些工作為服務(wù)國(guó)家戰(zhàn)略以及我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn).

為了宣傳在環(huán)境力學(xué)研究領(lǐng)域取得的成果、促進(jìn)環(huán)境力學(xué)學(xué)科的發(fā)展，經(jīng)與中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)環(huán)境力學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)協(xié)商，《力學(xué)學(xué)報(bào)》擬在2020 年第3 期出版“環(huán)境力學(xué)”專(zhuān)題，得到了該領(lǐng)域的多位專(zhuān)家學(xué)者積極響應(yīng)并踴躍投稿.經(jīng)過(guò)有關(guān)專(zhuān)家認(rèn)真審稿，確定10 篇論文在本期發(fā)表，以便更多的科研工作者了解環(huán)境力學(xué)研究的最新成果.

海冰能直接封鎖港口和航道，阻斷海上運(yùn)輸，毀壞海洋工程設(shè)施和船只，對(duì)于寒區(qū)的船舶與海洋結(jié)構(gòu)，冰載荷是主要設(shè)計(jì)輸入.大連理工大學(xué)陳曉東等對(duì)渤海遼東灣沿岸的粒狀冰開(kāi)展了系統(tǒng)的巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)中海冰試樣的破壞模式與試驗(yàn)結(jié)果均較為合理,可成為海冰單軸拉伸強(qiáng)度的有效測(cè)試方法.

風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的土地沙漠化是當(dāng)今人類(lèi)面臨的一個(gè)重要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，同時(shí)對(duì)沙漠地區(qū)工程設(shè)施造成嚴(yán)重的破壞.中山大學(xué)包蕓和習(xí)令楚將其創(chuàng)建的并行直接求解方法擴(kuò)展到三維壁湍流風(fēng)場(chǎng)的大渦模擬計(jì)算中，建立了新的用于三維壁湍流風(fēng)場(chǎng)大渦模擬的高效并行直接求解方法，為大渦模擬計(jì)算研究高雷諾數(shù)的大氣湍流風(fēng)場(chǎng)提供了有力的工具.蘭州至新疆的蘭新二線(xiàn)是世界上首條穿越大風(fēng)區(qū)的高速鐵路，為了降低大風(fēng)對(duì)通行列車(chē)的危害以及鐵路沿線(xiàn)的積沙這一工程問(wèn)題，蘭州大學(xué)辛國(guó)偉等基于大量的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算，提出了鐵路沿線(xiàn)、城鎮(zhèn)等防沙治沙工程的優(yōu)化措施.王文博等以甘肅敦煌至青海格爾木鐵路沙山溝段落為研究對(duì)象，數(shù)值模擬研究了風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)對(duì)位于沙丘背風(fēng)坡的鐵路路基工程和橋梁工程的影響，提出了能夠減小風(fēng)沙沉積對(duì)鐵路工程危害的合理的鐵路結(jié)構(gòu)形式.

我國(guó)在多條河流上修建了大量梯級(jí)水庫(kù)并形成梯級(jí)水庫(kù)布局，梯級(jí)壩潰決誘發(fā)的洪水通常會(huì)大大超過(guò)單壩潰決洪水洪峰.北京理工大學(xué)黃燦等建立了梯級(jí)壩潰決洪水演進(jìn)過(guò)程一維淺水動(dòng)力學(xué)模型,發(fā)展了一套能捕捉激波、干濕邊界和保平衡結(jié)構(gòu)的數(shù)值求解方法，研究了梯級(jí)潰的洪峰增強(qiáng)機(jī)制，并建立了一個(gè)梯級(jí)潰決洪水演進(jìn)的單壩潰決等效模型，可望為流域防洪和梯級(jí)壩設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

邊坡穩(wěn)定是巖土工程中的基本問(wèn)題，近百年來(lái)巖土力學(xué)研究者與巖土工程師們持續(xù)不斷地努力發(fā)展邊坡穩(wěn)定分析方法，以提高邊坡穩(wěn)定分析的準(zhǔn)確性和便利性.為適應(yīng)水電站庫(kù)岸堆積體高邊坡和復(fù)雜軟弱水工構(gòu)筑物地基的穩(wěn)定性分析，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所吳夢(mèng)喜等提出了邊坡穩(wěn)定分析的虛功率法，為邊坡和地基的穩(wěn)定性分析提供了新的選擇.

環(huán)境水動(dòng)力學(xué)研究中，粗糙底床普遍存在于河流、湖泊、水庫(kù)、河口以及近海等環(huán)境水體中，上海大學(xué)樊靖郁等通過(guò)實(shí)驗(yàn)室環(huán)形水槽實(shí)驗(yàn)，測(cè)量得到不同砂質(zhì)平整底床和存在離散粗糙元床面條件下，泥--水界面物質(zhì)交換通量和有效擴(kuò)散系數(shù)的定量數(shù)據(jù)和變化特征，并采用參數(shù)化方法分析了無(wú)量綱控制參數(shù)變化范圍內(nèi)界面物質(zhì)交換特性的主導(dǎo)機(jī)制.而在水動(dòng)力學(xué)條件作用下，污染底泥再懸浮使大量污染物被重新釋放出來(lái)，造成水體的二次污染.中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所程鵬達(dá)等基于水槽實(shí)驗(yàn)研究提供的大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了上覆水體--底泥--污染物的耦合力學(xué)模型，研究了水動(dòng)力學(xué)條件與底泥污染物釋放規(guī)律的定量化關(guān)系，可為構(gòu)建湖庫(kù)區(qū)域水污染模型提供支撐.

由于工業(yè)化的飛速發(fā)展,霧霾和沙塵等天氣的頻繁出現(xiàn)，污穢顆粒在大氣流場(chǎng)的作用下在絕緣子表面沉積，容易發(fā)生污閃事故，嚴(yán)重影響著電網(wǎng)的安全運(yùn)行.蘇州大學(xué)毛東等對(duì)高壓絕緣子污閃發(fā)生的主要過(guò)程—絕緣子的動(dòng)態(tài)積污和表面電場(chǎng)畸變過(guò)程進(jìn)行了耦合分析，獲得了絕緣子表面的非均勻積污層分布，并對(duì)非均勻積污層分布的絕緣子串進(jìn)行了電位及電場(chǎng)分析.

滑坡滾石災(zāi)害是西部山區(qū)常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型，是山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)和防治工作的重點(diǎn)和難點(diǎn).蘭州理工大學(xué)魏新容等基于顆粒接觸理論，考慮影響斜坡滾石碰撞過(guò)程中的隨機(jī)因素，建立了用于預(yù)測(cè)斜坡滾石顆粒碰撞后速度的理論模型，并根據(jù)沖量及沖量矩定理建立滾石顆粒碰撞基本方程，得到斜坡滾石顆粒碰撞后反彈速度的解析解.

最后，感謝《力學(xué)學(xué)報(bào)》編輯部對(duì)環(huán)境力學(xué)的支持！也特別感謝所有論文作者以及審稿專(zhuān)家對(duì)本專(zhuān)題出版的重要貢獻(xiàn)和大力支持！