范國軒

水，是地球生命之源，是人類生存之基，更是生產(chǎn)和生活必不可少的寶貴資源，但就目前來說，其自然存在的狀態(tài)并不完全符合人類的需要。每當(dāng)溫度達(dá)到0℃或更低溫度時，會使江、河、湖、庫的表面形成冰。冰將會影響防洪、供水、發(fā)電、通航等工程，也可能引起冰塞，導(dǎo)致河渠行洪時的洪水漫溢，特別是在春季解凍期，冰可能會嚴(yán)重危害沿岸建筑物，我國高緯度地區(qū)如黃河、黑龍江等冰凌冰塞現(xiàn)象時有發(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)害問題。人均水資源不足，且時空分布極度不均等問題都決定了我國是一個水旱、冰災(zāi)等災(zāi)害頻繁而嚴(yán)重的國家。近年來，我國可利用水資源不足、城鎮(zhèn)供水緊張、能源短缺等重大問題，都與水有著密切聯(lián)系。

這樣一來，解決防冰減災(zāi)、水資源調(diào)配及開發(fā)利用等影響當(dāng)代社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大課題，受到了像中國水利水電科學(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想。

走近水利水電研究

1999年，喜愛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，來到了武漢科技大學(xué)給排水工程專業(yè)?！爱?dāng)時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，所以就一心想考個好大學(xué)，專業(yè)上并沒有太多期待，于是就選擇了當(dāng)時相對冷門的給排水工程專業(yè)?！?/p>

高考的小插曲并沒有影響郭新蕾的學(xué)習(xí)與生活，相反，他更加努力地汲取知識。完成本科學(xué)業(yè)后，又相繼考取了武漢大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)碩士研究生和中國水利水電科學(xué)研究院水力學(xué)及河流動力學(xué)專業(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?！拔沂窃诖T士以后才真正意義上轉(zhuǎn)到了水利研究方向，本科時期還是學(xué)得比較雜。”郭新蕾說道。

水利工程，我們很熟悉，國家近年來也一直在大力發(fā)展和支持水利研究，但熟悉并不代表簡單?！袄щy肯定有，一直都會存在，而且還很多，但我相信事在人為，堅(jiān)持下去總會有結(jié)果。”在郭新蕾的工作中，“管涵”是重要的一環(huán)。長距離輸水過程中，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)測監(jiān)控都需要認(rèn)真對待。我國南水北調(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，他還對包括梯級高壩大庫泄洪風(fēng)險、節(jié)水節(jié)能新設(shè)備開發(fā)有著濃厚的興趣。“這些也都是我讀博士時一直研究的方向，但畢竟‘術(shù)業(yè)有專攻，一個人的能力是有限的，我做一個研究方向就希望做到最好?！?/p>

郭新蕾所說的“希望做到最好”主要指防冰減災(zāi)問題。眾所周知，水在溫度低到一定程度的情況下就會轉(zhuǎn)化成冰，而冰的存在會顯著降低過流能力。防冰減災(zāi)，一直是他和團(tuán)隊(duì)從過去到現(xiàn)在潛心研究的重點(diǎn)。多年來，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)險管理等領(lǐng)域的水力學(xué)問題，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)險管理等領(lǐng)域的水力學(xué)問題的基礎(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、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)等國內(nèi)外知名期刊上，提出的長距離輸水系統(tǒng)沿程糙率、局部水頭損失等參數(shù)的系統(tǒng)辨識方法和管道系統(tǒng)故障參數(shù)耦合特效及專有全頻域檢測方法引起眾多專家學(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)辨識成果，被包括潘家錚院士在內(nèi)的國務(wù)院南水北調(diào)專家委評價為“是調(diào)水工程水力學(xué)系統(tǒng)辨識的重大標(biāo)志性成果”。在水庫泄洪消能方面，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)明專利近20項(xiàng)，省部級科技進(jìn)步獎4項(xiàng)，大大推動了相關(guān)領(lǐng)域的科技進(jìn)步，并具有廣泛的推廣價值。

把控防冰減災(zāi)

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

為了解決這些問題，在攻關(guān)過程中，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程模擬，大大提高了渠道冰情的預(yù)測預(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，為了避免冰期輸水過程中建筑物可能出現(xiàn)的冰塞等災(zāi)害問題，郭新蕾還通過真冰物理模型試驗(yàn)揭示了天然冰下潛的動力過程，提出了倒虹吸等過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)行提供了定量評價和判定方法。上述新理論方法和技術(shù)作為主要成果之一獲得2016年國家科技進(jìn)步獎二等獎。

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。通過最近幾年的連續(xù)觀測，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，有效支撐了開河冰壩防治工作。為解決寒區(qū)江河湖庫冰厚、水深、冰塞冰壩分布等水文參數(shù)測量難題，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)測量系列設(shè)備用于測量冰厚、水深，大大提高了冰情野外原型觀測的效率，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、調(diào)水明渠等冰期水文要素的監(jiān)測中。

眾所周知，高緯度地區(qū)河流極易在輸水過程中發(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程中，冬季結(jié)冰就是一個大問題。“我們都知道，水結(jié)冰后會形成冰花，冰花是有粘性的，在輸水渠道包括閘口處都會因?yàn)楸妮斠?，粘黏越積越多，會大大降低輸水能力，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。

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、漠河等地開展黑龍江上游江段冰情現(xiàn)場觀測的工作。

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個小時，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。”極端的低溫，使得測量儀器從水中拉上來，就會瞬間凍成冰，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)測量。

然而，對他們來說，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)過山路時，一般的汽車都上不去，都要準(zhǔn)備至少兩輛四驅(qū)車再配一個衛(wèi)星電話，以防車在冰路上拋錨與外界失聯(lián)?！惫吕傺a(bǔ)充道，在200多公里荒無人煙的環(huán)境中，情況是相當(dāng)危險的，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)，日積月累才會收獲巨大?！睌?shù)年下來，“80后”的郭新蕾已經(jīng)習(xí)慣了科研生涯中會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，就不怕不會成功。”