把控防冰減災未來之域

范國軒

水，是地球生命之源，是人類生存之基，更是生產和生活必不可少的寶貴資源，但就目前來說，其自然存在的狀態并不完全符合人類的需要。每當溫度達到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、發電、通航等工程，也可能引起冰塞，導致河渠行洪時的洪水漫溢，特別是在春季解凍期，冰可能會嚴重危害沿岸建筑物，我國高緯度地區如黃河、黑龍江等冰凌冰塞現象時有發生，大型調水工程如南水北調中線、引黃工程等冬季也面臨冰凌災害問題。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、冰災等災害頻繁而嚴重的國家。近年來，我國可利用水資源不足、城鎮供水緊張、能源短缺等重大問題，都與水有著密切聯系。

這樣一來，解決防冰減災、水資源調配及開發利用等影響當代社會經濟發展的重大課題，受到了像中國水利水電科學研究院研究室主任郭新蕾一樣奮斗在前線的科學家的青睞，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，僅僅因為幾分之差與心儀的武漢水利電力大學失之交臂，來到了武漢科技大學給排水工程專業。“當時我所在的縣屬于貧困縣，而高考分數還很高，也許因為條件有限，能夠接受到的信息少之又少，所以就一心想考個好大學，專業上并沒有太多期待，于是就選擇了當時相對冷門的給排水工程專業。”

高考的小插曲并沒有影響郭新蕾的學習與生活，相反，他更加努力地汲取知識。完成本科學業后，又相繼考取了武漢大學環境工程專業碩士研究生和中國水利水電科學研究院水力學及河流動力學專業的博士研究生，“功夫不負苦心人”，他終于邁入了水利水電工程的大門。“我是在碩士以后才真正意義上轉到了水利研究方向，本科時期還是學得比較雜。”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展和支持水利研究，但熟悉并不代表簡單。“困難肯定有，一直都會存在，而且還很多，但我相信事在人為，堅持下去總會有結果。”在郭新蕾的工作中，“管涵”是重要的一環。長距離輸水過程中，管涵也是重中之重，安全輸水水力調控、閘泵閥等連接件的監測監控都需要認真對待。我國南水北調工程在保障經濟發展、保護生態環境及水資源等方面能夠成功，輸水管涵都在其中發揮著巨大的作用。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險、節水節能新設備開發有著濃厚的興趣。“這些也都是我讀博士時一直研究的方向，但畢竟‘術業有專攻，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。”

郭新蕾所說的“希望做到最好”主要指防冰減災問題。眾所周知，水在溫度低到一定程度的情況下就會轉化成冰，而冰的存在會顯著降低過流能力。防冰減災，一直是他和團隊從過去到現在潛心研究的重點。多年來，他們重點解決水利水電工程建設與安全運行、冰凌洪水防治與風險管理等領域的水力學問題，在這些方面也積累了豐富的經驗和相關關鍵技術。

在郭新蕾多年來重點解決水利水電工程建設與安全運行、冰凌洪水防治與風險管理等領域的水力學問題的基礎上，多方面都取得了突破性進展。其中郭新蕾在輸水管涵故障辨識、水電工程泄洪安全運行、冰情數值模擬等方面的成果發表在SCIENCE China、Journal ofHydro-environment Research，Journal ofHydrodynamics、水利學報等國內外知名期刊上，提出的長距離輸水系統沿程糙率、局部水頭損失等參數的系統辨識方法和管道系統故障參數耦合特效及專有全頻域檢測方法引起眾多專家學者的廣泛關注。其中，提出的輸水工程糙率等參數的系統辨識成果，被包括潘家錚院士在內的國務院南水北調專家委評價為“是調水工程水力學系統辨識的重大標志性成果”。在水庫泄洪消能方面，揭示了自調節潛水起旋墩的旋流運動機理，建立了水電工程新型旋流環形堰豎井泄洪洞的設計理論和水力特性計算方法，解決了傳統泄洪的一系列技術難題。此外，提出的長距離輸水系統水力控制技術、管涵安全充水技術、河渠冰害防治技術、新型內消能工和濱海雨洪調控排放新技術分別在南水北調中線、黑龍江、清遠、香港荃灣等大型工程中得到應用。成果獲發明專利近20項，省部級科技進步獎4項，大大推動了相關領域的科技進步，并具有廣泛的推廣價值。

把控防冰減災

防冰減災，尤其是長距離輸水工程中的防冰減災問題，有很多理論難題和技術瓶頸，如：長距離輸水工程構成復雜、調控參數多、地形地勢多樣、流態銜接復雜、緯度跨度大、冰期輸水難度高等。

為了解決這些問題，在攻關過程中，郭新蕾突破冰情發展模型和復雜內邊界條件耦合求解的技術瓶頸，利用揭示的冰期輸水冰蓋生消演變過程和糙率變化規律，建立了初冰、冰蓋形成、發展和消融的冰水動力學仿真模型，實現了輸水工程暢流期、結冰期、冰蓋穩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測預報精度，填補了輸水工程冰情模擬、預報的空白。與此同時，為了避免冰期輸水過程中建筑物可能出現的冰塞等災害問題，郭新蕾還通過真冰物理模型試驗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鍵水力學判據公式，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行提供了定量評價和判定方法。上述新理論方法和技術作為主要成果之一獲得2016年國家科技進步獎二等獎。

此外，高緯度地區大江大河冰塞冰壩冰凌洪水等自然災害也不容小覷。郭新蕾及其團隊不斷探索，不僅引領了該學科的發展，也為生產實踐提供了諸多實用成果。通過最近幾年的連續觀測，提出了寒區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系式，有效支撐了開河冰壩防治工作。為解決寒區江河湖庫冰厚、水深、冰塞冰壩分布等水文參數測量難題，他立足于產研結合，基于探地雷達技術研發了高精度的冰水情一體化雷達測量系列設備用于測量冰厚、水深，大大提高了冰情野外原型觀測的效率，可廣泛推廣到寒區江河湖泊和大型抽水蓄能電站上下水庫、調水明渠等冰期水文要素的監測中。

眾所周知，高緯度地區河流極易在輸水過程中發生冰凍現象。例如南水北調在從丹江口到北京的輸水過程中，冬季結冰就是一個大問題。“我們都知道，水結冰后會形成冰花，冰花是有粘性的，在輸水渠道包括閘口處都會因為冰的輸移，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。”郭新蕾如是說。

在水利部公益項目“黑龍江冰情預報及災害防治研究”中，中國水利水電科學研究院項目研究團隊在郭新蕾的帶領下，多次赴北宏、漠河等地開展黑龍江上游江段冰情現場觀測的工作。

這是郭新蕾研究高緯度地區河流防冰減災的一個經典案例。漠河處于北緯53°以上的高緯度地區，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到零下50度，我們一般是從早上9點鐘一直工作到下午3點，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，郭新蕾和團隊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測量。

然而，對他們來說，適應外界環境并不是最大的挑戰。 “我們第一次去漠河經過山路時，一般的汽車都上不去，都要準備至少兩輛四驅車再配一個衛星電話，以防車在冰路上拋錨與外界失聯。”郭新蕾補充道，在200多公里荒無人煙的環境中，情況是相當危險的，好在水利部、當地政府、黑龍江省防辦、軍隊都給項目團隊提供了幫助和支持，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。所以學習如逆水行舟，不進則退，只有每天進步一小點，日積月累才會收獲巨大。”數年下來，“80后”的郭新蕾已經習慣了科研生涯中會遇到各種難題和挑戰，他表示，“只要工作中私心少一點，公心多一點，一點一滴地去積累，就不怕不會成功。”