環境力學專題序

黃 寧

(西部災害與環境力學教育部重點實驗室，蘭州 730000)

(蘭州大學土木工程與力學學院，蘭州 730000)

自然環境是人類得以生存和發展的物質基礎.人類為了生存，從刀耕火種時代起就同自然界作斗爭，同時也無意識地破壞了自己的生存環境，使得環境問題成為現代國際社會面臨的共同問題.中國很早就將保護環境定為基本國策，在黨中央生態文明思想的指導下，加快構建環境治理體系、樹立綠色生產方式和生活方式正在成為一種潮流.

力學在其發展過程中形成的分析、計算、實驗相結合的學術風格，十分有利于深化對環境問題中基本規律的認識.如流體力學的邊界層理論，大大促進了大氣動力學的研究，使得天氣預報成為可能；強迫對流的研究，發現了因旋轉引起的風生環流的西部強化；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、污染物擴散的定量化預測精度等等.因此在環境科學的發展過程中，力學以其獨有的學科特點和優勢，逐步完成與環境科學深度的交叉并形成環境力學這個新的學科生長點，并在20 世紀80 年代，逐步形成環境力學這一新的分支學科.

環境力學的學科內涵很廣，其主要涉及大氣環境、水環境、巖土體環境、地球界面過程、環境災害、環境多相流動，以及理論建模、計算方法和實驗技術等方面.其研究方向主要包括：氣候變化和極端環境的發生、影響與應對；工業化/城鎮化背景下的城市環境及其改善；流域環境和大型工程的相互影響；人類社會發展中的生態環境問題等.研究任務包括認識和理解自然界中復雜介質及其運動(或變形)規律；揭示環境問題的機理；給出環境問題發生的臨界條件和定量預測的時空演化規律；提出科學、合理、切實可行的應對措施等方面.環境力學系統深入地研究大氣、水體、巖土體中介質的變形和流動，考慮相應的破壞和物質/能量輸運，同時關注伴隨的物理、化學、生物過程.有關環境力學的研究工作不僅面臨強非線性、多場場耦合、多尺度跨越、隨機過程等科學共性難題，同時對經濟建設和工程實踐也具有非常明確的指導意義.因此環境力學是一個既具有科學研究意義，又具備實際應用價值，且發展前景廣闊的新興學科.

經過多年的積累，我國環境力學研究在環境災害機理研究、過程模擬、防治工程設計方面都取得了可喜的成果，在與其他學科交叉結合的過程中積累了寶貴的經驗，逐步形成了環境力學的理論框架，凝聚了研究力量，培養了大批人才.我國的環境力學研究已逐步形成了研究的理論框架，涉及多個研究方向，如土壤侵蝕、風沙(雪/塵)運動、河口海岸泥沙輸運、海氣相互作用、滲流、滑坡、泥石流、河流泥沙運動、水環境、水體污染、城市污染，并在各自領域取得了可喜的成果.如：利用環境風洞和分層水槽，實驗研究大氣或水體中的污染物對流擴散，為核電廠設計、城市CBD 規劃，蘇州河治理提供重要依據；結合長江口航道整治，珠江口治理，研究河口非恒定水流與泥沙輸運，在河口海岸工程中發揮作用；建立二維坡面產流、產沙動力學模型，擴展到小流域，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依據；揭示風沙(雪、塵)運動中的規律，提出新觀點、新方法，創新了以往的風沙(雪、塵)運動研究的理論框架與研究手段，為風沙(雪、塵)災害防治工程結構提供設計依據；研究了地球界面過程，模擬了有植被的大氣邊界層，分析結皮層對土壤水分運動影響及其生態效應；通過湍流模擬，獲得波齡，穩定度對海氣交換系數的影響，為氣候模型參數化提供依據；用渦動力學研究臺風異常路徑，數值模擬臺風浪、風暴潮災害.這些工作為服務國家戰略以及我國經濟和社會可持續發展做出了重要的貢獻.

為了宣傳在環境力學研究領域取得的成果、促進環境力學學科的發展，經與中國力學學會環境力學專業委員會協商，《力學學報》擬在2020 年第3 期出版“環境力學”專題，得到了該領域的多位專家學者積極響應并踴躍投稿.經過有關專家認真審稿，確定10 篇論文在本期發表，以便更多的科研工作者了解環境力學研究的最新成果.

海冰能直接封鎖港口和航道，阻斷海上運輸，毀壞海洋工程設施和船只，對于寒區的船舶與海洋結構，冰載荷是主要設計輸入.大連理工大學陳曉東等對渤海遼東灣沿岸的粒狀冰開展了系統的巴西盤劈裂試驗研究，試驗表明巴西盤劈裂試驗中海冰試樣的破壞模式與試驗結果均較為合理,可成為海冰單軸拉伸強度的有效測試方法.

風沙運動導致的土地沙漠化是當今人類面臨的一個重要生態環境問題，同時對沙漠地區工程設施造成嚴重的破壞.中山大學包蕓和習令楚將其創建的并行直接求解方法擴展到三維壁湍流風場的大渦模擬計算中，建立了新的用于三維壁湍流風場大渦模擬的高效并行直接求解方法，為大渦模擬計算研究高雷諾數的大氣湍流風場提供了有力的工具.蘭州至新疆的蘭新二線是世界上首條穿越大風區的高速鐵路，為了降低大風對通行列車的危害以及鐵路沿線的積沙這一工程問題，蘭州大學辛國偉等基于大量的風洞實驗和數值模擬計算，提出了鐵路沿線、城鎮等防沙治沙工程的優化措施.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象，數值模擬研究了風沙運動對位于沙丘背風坡的鐵路路基工程和橋梁工程的影響，提出了能夠減小風沙沉積對鐵路工程危害的合理的鐵路結構形式.

我國在多條河流上修建了大量梯級水庫并形成梯級水庫布局，梯級壩潰決誘發的洪水通常會大大超過單壩潰決洪水洪峰.北京理工大學黃燦等建立了梯級壩潰決洪水演進過程一維淺水動力學模型,發展了一套能捕捉激波、干濕邊界和保平衡結構的數值求解方法，研究了梯級潰的洪峰增強機制，并建立了一個梯級潰決洪水演進的單壩潰決等效模型，可望為流域防洪和梯級壩設計提供理論依據.

邊坡穩定是巖土工程中的基本問題，近百年來巖土力學研究者與巖土工程師們持續不斷地努力發展邊坡穩定分析方法，以提高邊坡穩定分析的準確性和便利性.為適應水電站庫岸堆積體高邊坡和復雜軟弱水工構筑物地基的穩定性分析，中國科學院力學研究所吳夢喜等提出了邊坡穩定分析的虛功率法，為邊坡和地基的穩定性分析提供了新的選擇.

環境水動力學研究中，粗糙底床普遍存在于河流、湖泊、水庫、河口以及近海等環境水體中，上海大學樊靖郁等通過實驗室環形水槽實驗，測量得到不同砂質平整底床和存在離散粗糙元床面條件下，泥--水界面物質交換通量和有效擴散系數的定量數據和變化特征，并采用參數化方法分析了無量綱控制參數變化范圍內界面物質交換特性的主導機制.而在水動力學條件作用下，污染底泥再懸浮使大量污染物被重新釋放出來，造成水體的二次污染.中國科學院力學研究所程鵬達等基于水槽實驗研究提供的大量實測數據，建立了上覆水體--底泥--污染物的耦合力學模型，研究了水動力學條件與底泥污染物釋放規律的定量化關系，可為構建湖庫區域水污染模型提供支撐.

由于工業化的飛速發展,霧霾和沙塵等天氣的頻繁出現，污穢顆粒在大氣流場的作用下在絕緣子表面沉積，容易發生污閃事故，嚴重影響著電網的安全運行.蘇州大學毛東等對高壓絕緣子污閃發生的主要過程—絕緣子的動態積污和表面電場畸變過程進行了耦合分析，獲得了絕緣子表面的非均勻積污層分布，并對非均勻積污層分布的絕緣子串進行了電位及電場分析.

滑坡滾石災害是西部山區常見的地質災害類型，是山區地質災害預測和防治工作的重點和難點.蘭州理工大學魏新容等基于顆粒接觸理論，考慮影響斜坡滾石碰撞過程中的隨機因素，建立了用于預測斜坡滾石顆粒碰撞后速度的理論模型，并根據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《力學學報》編輯部對環境力學的支持！也特別感謝所有論文作者以及審稿專家對本專題出版的重要貢獻和大力支持！