把控防冰减灾未来之域

范国轩

水，是地球生命之源，是人类生存之基，更是生产和生活必不可少的宝贵资源，但就目前来说，其自然存在的状态并不完全符合人类的需要。每当温度达到0℃或更低温度时，会使江、河、湖、库的表面形成冰。冰将会影响防洪、供水、发电、通航等工程，也可能引起冰塞，导致河渠行洪时的洪水漫溢，特别是在春季解冻期，冰可能会严重危害沿岸建筑物，我国高纬度地区如黄河、黑龙江等冰凌冰塞现象时有发生，大型调水工程如南水北调中线、引黄工程等冬季也面临冰凌灾害问题。人均水资源不足，且时空分布极度不均等问题都决定了我国是一个水旱、冰灾等灾害频繁而严重的国家。近年来，我国可利用水资源不足、城镇供水紧张、能源短缺等重大问题，都与水有着密切联系。

这样一来，解决防冰减灾、水资源调配及开发利用等影响当代社会经济发展的重大课题，受到了像中国水利水电科学研究院研究室主任郭新蕾一样奋斗在前线的科学家的青睐，更成为众多科研工作者的梦想。

走近水利水电研究

1999年，喜爱水利水电方向的郭新蕾，仅仅因为几分之差与心仪的武汉水利电力大学失之交臂，来到了武汉科技大学给排水工程专业。“当时我所在的县属于贫困县，而高考分数还很高，也许因为条件有限，能够接受到的信息少之又少，所以就一心想考个好大学，专业上并没有太多期待，于是就选择了当时相对冷门的给排水工程专业。”

高考的小插曲并没有影响郭新蕾的学习与生活，相反，他更加努力地汲取知识。完成本科学业后，又相继考取了武汉大学环境工程专业硕士研究生和中国水利水电科学研究院水力学及河流动力学专业的博士研究生，“功夫不负苦心人”，他终于迈入了水利水电工程的大门。“我是在硕士以后才真正意义上转到了水利研究方向，本科时期还是学得比较杂。”郭新蕾说道。

水利工程，我们很熟悉，国家近年来也一直在大力发展和支持水利研究，但熟悉并不代表简单。“困难肯定有，一直都会存在，而且还很多，但我相信事在人为，坚持下去总会有结果。”在郭新蕾的工作中，“管涵”是重要的一环。长距离输水过程中，管涵也是重中之重，安全输水水力调控、闸泵阀等连接件的监测监控都需要认真对待。我国南水北调工程在保障经济发展、保护生态环境及水资源等方面能够成功，输水管涵都在其中发挥着巨大的作用。然而科研并不只是一条狭窄的小路，更是郭新蕾不断延伸拓宽的序曲。除此之外，他还对包括梯级高坝大库泄洪风险、节水节能新设备开发有着浓厚的兴趣。“这些也都是我读博士时一直研究的方向，但毕竟‘术业有专攻，一个人的能力是有限的，我做一个研究方向就希望做到最好。”

郭新蕾所说的“希望做到最好”主要指防冰减灾问题。众所周知，水在温度低到一定程度的情况下就会转化成冰，而冰的存在会显著降低过流能力。防冰减灾，一直是他和团队从过去到现在潜心研究的重点。多年来，他们重点解决水利水电工程建设与安全运行、冰凌洪水防治与风险管理等领域的水力学问题，在这些方面也积累了丰富的经验和相关关键技术。

在郭新蕾多年来重点解决水利水电工程建设与安全运行、冰凌洪水防治与风险管理等领域的水力学问题的基础上，多方面都取得了突破性进展。其中郭新蕾在輸水管涵故障辨识、水电工程泄洪安全运行、冰情数值模拟等方面的成果发表在SCIENCE China、Journal ofHydro-environment Research，Journal ofHydrodynamics、水利学报等国内外知名期刊上，提出的长距离输水系统沿程糙率、局部水头损失等参数的系统辨识方法和管道系统故障参数耦合特效及专有全频域检测方法引起众多专家学者的广泛关注。其中，提出的输水工程糙率等参数的系统辨识成果，被包括潘家铮院士在内的国务院南水北调专家委评价为“是调水工程水力学系统辨识的重大标志性成果”。在水库泄洪消能方面，揭示了自调节潜水起旋墩的旋流运动机理，建立了水电工程新型旋流环形堰竖井泄洪洞的设计理论和水力特性计算方法，解决了传统泄洪的一系列技术难题。此外，提出的长距离输水系统水力控制技术、管涵安全充水技术、河渠冰害防治技术、新型内消能工和滨海雨洪调控排放新技术分别在南水北调中线、黑龙江、清远、香港荃湾等大型工程中得到应用。成果获发明专利近20项，省部级科技进步奖4项，大大推动了相关领域的科技进步，并具有广泛的推广价值。

把控防冰减灾

防冰减灾，尤其是长距离输水工程中的防冰减灾问题，有很多理论难题和技术瓶颈，如：长距离输水工程构成复杂、调控参数多、地形地势多样、流态衔接复杂、纬度跨度大、冰期输水难度高等。

为了解决这些问题，在攻关过程中，郭新蕾突破冰情发展模型和复杂内边界条件耦合求解的技术瓶颈，利用揭示的冰期输水冰盖生消演变过程和糙率变化规律，建立了初冰、冰盖形成、发展和消融的冰水动力学仿真模型，实现了输水工程畅流期、结冰期、冰盖稳封期和融冰期正反向输水全过程模拟，大大提高了渠道冰情的预测预报精度，填补了输水工程冰情模拟、预报的空白。与此同时，为了避免冰期输水过程中建筑物可能出现的冰塞等灾害问题，郭新蕾还通过真冰物理模型试验揭示了天然冰下潜的动力过程，提出了倒虹吸等过水建筑物防冰塞的临界关键水力学判据公式，并加以利用使得冰期输水能力至少提高10%以上，也为渠道冬季安全运行提供了定量评价和判定方法。上述新理论方法和技术作为主要成果之一获得2016年国家科技进步奖二等奖。

此外，高纬度地区大江大河冰塞冰坝冰凌洪水等自然灾害也不容小觑。郭新蕾及其团队不断探索，不仅引领了该学科的发展，也为生产实践提供了诸多实用成果。通过最近几年的连续观测，提出了寒区河流防凌爆破冰盖厚度、炸药埋深和炸药用量之间的定量关系式，有效支撑了开河冰坝防治工作。为解决寒区江河湖库冰厚、水深、冰塞冰坝分布等水文参数测量难题，他立足于产研结合，基于探地雷达技术研发了高精度的冰水情一体化雷达测量系列设备用于测量冰厚、水深，大大提高了冰情野外原型观测的效率，可广泛推广到寒区江河湖泊和大型抽水蓄能电站上下水库、调水明渠等冰期水文要素的监测中。

众所周知，高纬度地区河流极易在输水过程中发生冰冻现象。例如南水北调在从丹江口到北京的输水过程中，冬季结冰就是一个大问题。“我们都知道，水结冰后会形成冰花，冰花是有粘性的，在输水渠道包括闸口处都会因为冰的输移，粘黏越积越多，会大大降低输水能力，所以需要采取更安全高效的输水方式和措施，这都是值得去探索的。”郭新蕾如是说。

在水利部公益项目“黑龙江冰情预报及灾害防治研究”中，中国水利水电科学研究院项目研究团队在郭新蕾的带领下，多次赴北宏、漠河等地开展黑龙江上游江段冰情现场观测的工作。

这是郭新蕾研究高纬度地区河流防冰减灾的一个经典案例。漠河处于北纬53°以上的高纬度地区，到处是白雪皑皑，冰也是晶莹剔透。冬季的漠河，白天不到7个小时，即使最高气温也在零下20℃以下。郭新蕾向记者介绍：“温度极低的情况能达到零下50度，我们一般是从早上9点钟一直工作到下午3点，这段时间几乎都是在冰上完成，一般人是很难承受的，条件艰苦得难以想象。”极端的低温，使得测量仪器从水中拉上来，就会瞬间冻成冰，郭新蕾和团队成员只能把仪器放到热水中暖化后，再一遍一遍不厌其烦地继续测量。

然而，对他们来说，适应外界环境并不是最大的挑战。 “我们第一次去漠河经过山路时，一般的汽车都上不去，都要准备至少两辆四驱车再配一个卫星电话，以防车在冰路上抛锚与外界失联。”郭新蕾补充道，在200多公里荒无人烟的环境中，情况是相当危险的，好在水利部、当地政府、黑龙江省防办、军队都给项目团队提供了帮助和支持，让他们能够顺利地完成工作。

“1的365次方是1.1.01的365次方是37.783，但0.99的365次方就变成了0.0255。所以学习如逆水行舟，不进则退，只有每天进步一小点，日积月累才会收获巨大。”数年下来，“80后”的郭新蕾已经习惯了科研生涯中会遇到各种难题和挑战，他表示，“只要工作中私心少一点，公心多一点，一点一滴地去积累，就不怕不会成功。”