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口 张红武
一、在实践中选择重大课题应是科技创新的前提条件 选题是科研工作的关键环节之一，正确的选题决定了预期成果的价值。水利科学实践性很强，它的产生与发展离不开工程实际，对于河流泥沙学科更是如此。我国的泥沙研究水平长期处于国际领先水平，其主要原因是我国河流大部分都挟带大量的泥沙，给江河的防洪、河道整治、水库运用、供水、河口治理开发以及航道港口建设等带来许多棘手的问题，研究并解决这些问题投入的人力物力大，科研人员实践的机会多，在工程实际中容易选择有价值的课题。 例如，在长期的治黄科研实践中发现，工程界迫切需要利用按一定比例缩制而成的模型，来深入系统地研究黄河特性，研究洪水出现的问题并寻求防治洪灾的途径。但长期以来缺乏一套可靠地设计黄河洪水模型并指导其生产试验的相似条件，因而在1990年以前，河工模型试验并不能在黄河治理工作中发挥巨大的作用。为此，我们选择“黄河洪水模型相似律的研究”为攻关课题。所谓的模型相似律，就是为保证模型同原型相似必须遵循的相似准则，它是模型试验最重要的环节。 我们通过两年多的野外试验和室内研究，提出了新的河工动床模型相似律，成功地解决了黄河变态模型泥沙悬移相似、挟沙相似及游荡性河段河型如何模拟等难题，而且还解决了多沙河流模型沙材料的选取问题，克服了以往试验因模型小河固结(往往被称为板结)而不能长期运行的困难。这一创新性成果成为1990年及1995年相继开展的黄河花园口至东坝头河道整治模型、小浪底至苏泗庄河段河道模型试验的理论基础，也成为此后开展的小浪底水库模型、三门峡水库模型、泾河东庄水库高含沙模型及淮河流域白沙水库模型等大型水库模型设计的重要依据。江泽民、温家宝等党和国家领导人视察过其中两座河道模型。在这两座模型上先后完成了“黄河下游游荡性河道整治研究”“南水北调中线工程穿黄方案论证试验”“小浪底水库运用方式对下游防洪减淤效果及整治方案试验”等20多项科研项目。研究成果在黄河河道治理、南水北调、小浪底水库建设以及近两年黄河的调水调沙试验等方面，发挥了重要作用。同时，在黄河下游防洪中也得到了应用。自1992年以来，多次开展了黄河下游游荡性河段洪水演进试验，增强了黄河下游防洪预案制定及防洪调度决策的科学性。 2000年之后，清华大学黄河研究中心、中国水科院泥沙研究所、兰州铁道学院、河北省水利设计研究院等将黄河模型相似理论及试验技术推广到黄河上游和海河、辽河、珠江、长江、塔里木河等流域的相关模型中，均取得了良好的成果。此外，黄河模型相似律的研究与生产试验还促进了黄河水流泥沙运动基本理论的研究与发展。应该承认，目前黄河泥沙科研和规划设计中广泛应用的水流挟沙力公式、泥沙群体沉速公式、浑水动床糙率计算式、河床冲淤变形方程、泥沙连续方程以及推移质输沙率公式等，大都是20世纪90年代结合模型试验中的认识图形推演出来的。进而又推动了黄河泥沙数学模型的发展。例如，我们研制开发的“黄河下游平面二维泥沙数学模型”“黄河水库准二维泥沙数学模型”“泾河东庄水库高含沙数学模型” “黄河宁夏河段准二维泥沙数学模型”“黄河口平面二维水沙数学模型”“渭河下游及三门峡库区泥沙数学模型”“黄河下游河势变动数学模型”“长江三峡库区一、二维水沙数学模型”“滹沱河南水北调中线交叉工程数学模型”等，都是在上述基本理论的基础上构建的。 二、制订正确的技术路线是创新成功的关键 在河流泥沙科研工作中，只有制订正确的技术路线，才可能保证研究过程中少走弯路，同时保证课题研究创新成功。以上述黄河模型相似律的研究课题为例可以说明技术路线的重要性。 前人多直接根据现有的数学方程式和相似理论进行相似分析，推求相似准则或相似条件。但限于学科发展水平，人们对于黄河河性的理解是零星的、片面的，所给出的数学表达式往往带有很大的经验色彩。所以依此为基础建立起的模型相似律是不正确的，对于黄河出现的复杂现象的模拟更是无能为力。尤其是现有的泥沙运动及河床冲淤变形方程，尚不能反映河道中成型淤积体的消长衰亡，也难以描述黄河洪水期经常发生的河势摆动趋势，显然仅仅以相似论为基础，并不能找出模型河床演变过程相似的准则。 面对这种状况，我们决定放弃传统的以“理论”为基础推求相似准则的研究路线。而是透过繁杂的现象，抓住居于支配地位的因素，一个个剖析，重新建立或修正物理方程。或通过专门的试验，仔细观察，再辅助以必要的逻辑推理，给出相似指标。其中解决河型相似的关键是寻求与一般相似原理没有矛盾且又能吸收自然模型要求河型相似优点的准则。为了在不受人为比尺设计影响的条件下探求模拟黄河自然演变的相似准则，我们采用了由水流自身去塑造的模拟方法，让小河自然显现出特有的性格。以基本研究成果为基础，就容易正确建立模型的相 我们制订的技术路线是：首先针对黄河洪水特性，抓住主要的技术环节，如高含沙水流挟沙力、流速和含沙量沿水深分布以及泥沙运动方程等，进行深入的研究，提出了一系列符合实际的计算公式和方程。还针对传统模型难以模拟黄河宽、浅、散乱的游荡特性这一难点，引入河流地貌学和自然模型的有关理念，通过模型小河试验的观察，给出能适用于不同河床组成、不同来水来沙条件的冲积河流的河型区划指标。这些环节解决后，很自然地推导出了由泥沙悬移相似、河型相似、河床变形相似及挟沙相似等条件组成的黄河洪水模型相似律。最后，再按照新相似律设计并制造出黄河下游游荡型河段模型，采用实际发生的典型洪水资料开展了验证试验，使提出的模型相似律的正确性得到证实。 三、正确假设是成功创新的钥匙 假设是由已知通向未知的桥梁，正确假设是成功创新的钥匙。以挟沙水流流速分布和含沙量分布公式的研究为例可以说明巧妙进行科学假设的作用。 紊流是自然界中普遍存在的但又极其复杂的流动现象。众多科学工作者虽为此费尽心血，但常常以失败告终，因此人们称紊流研究是科学家的坟墓。迄今为止，即使在最简单的二维流动情况下也只有以Prandtl掺长模型为基础的理论解。但人们很快发现该模型隐含着严重的缺陷，给出的流速分布公式及由此进一步求解扩散方程得出的含沙量分布公式也有这样和那样的不足，很难以它们为基础解决其他的重大科研问题。以往不少学者都试图采用一些新模型取而代之，其结果不但在理论上没有实质性进展，且因给出的公式结构形式过分繁杂而失去使用价值。认真分析前人的研究过程，发现掺长模型作为一个科学假设是无可非议的。它的合理性和适用性取决于对该模型中掺长的物理含义的理解。掺长原表征的是涡体垂向运移过程中能够保持原有流动特征的距离，而Prandtl当时直接假定掺长与空间距离成正比。正是这个假定与实测资料出入较大，才导致了整个掺长模型的不合理。因此，我们决定从修正掺长表达式这一薄弱环节人手。最初，试图从涡体特性上下工夫，但由于流体内布满大大小小相互混掺的涡体，确切把握并进一步描述它们的尝试都失败了。一次偶然机会，在一部气象学词典中查到“涡旋”的定义，谈到“涡旋内包含不同尺度的涡体”，使我们的视线立即从“涡体”上移开，在流场中构造出可包含许多涡体的“涡团”的模式。假定流场中任一点都对应着一个“涡团”，其当量直径等于此处涡体在垂向运移过程中“能够保持原有流动特征的距离”一一与原掺长模型密切联系起来，同时给掺长一个明确的物理含义(即涡团直径)。这样一方面完善了掺长模型，另一方面也方便了掺长表达式的建立。于是，将分别列出的涡团动能和势能建立关系，即可解出掺长与空间坐标的1/2次方成正比的数值关系式。该式正好同实测资料吻合，表明所构造的“涡团模式”是合理的。 以此为基础，挟沙水流流速分布和含沙量分布问题迎刃而解，不仅在理论上克服了原有公式的缺陷，而且与自然界一般挟沙水流及高含沙水流的资料符合。这两个公式提出后的近20年来，不仅在学术和工程界得到应用，而且近几年还经常看到被一些学者重新论证的文献报道。 四、善于在前人的假设中找创新的突破口 对于河流变态模型中泥沙悬移相似这一个重要准则，学术界一直有争议。其焦点是垂直比尺与水平比尺之比的指数应等于1还是等于1/2。教科书上认为这两种观点都有一定道理，前者主要考虑时均流速流动的作用，后者着重考虑紊动扩散作用。因此1988年我们在黄河模型试验时采取折中手法，取指数为3/4。其理由是兼顾了时均流速流动和紊动扩散的作用，紊动扩散对于泥沙运动固然重要，但河流中若没有时均流动也派生不出紊动扩散的现象。考察了前人两个相似条件的建立过程，归纳起来为三种类型：①由含沙量沿水深分布公式推导出指数为1/2的相似准则，②由水体内二维扩散方程同时导出两个不能同时满足的相似准则，③由一维不平衡输沙方程导出指数为1的相似准则。这三种方法都以某些假定为前提。例如，第①、②方法是在变态模型和原型都同时遵循相应方程的前提下得出的，而无论试验结果还是理论分析都已证明变态模型中含沙量分布与原型不相似，更不能遵循与原型相同的二维扩散方程。因此前人利用不成立的前提，给出的结论就一定有问题。至于第③方法引用的假定，是含沙量平衡分布系数α*同不平衡时的分布系数a1相等，且两个系数相应的比尺等于1。这里的α*或a1实际是底部含沙量与垂线平均含沙量的比值，都应该大于1。而前人将其应用到黄河数学模型计算之中，取值都远小于1。因此我们首先怀疑到两系数相等的假设。这种错误的假设直接影响到不平衡输沙运动方程的物理背景。此外，含沙量分布图形与水流摩阻情况、泥沙粗度等条件相关，其分布系数α*或a1的比尺不是常数，应该有一定的变化规律，更不应等于1。 否定了前人的假设，也就找到了创新的突破口。对于这一问题，显然探求含沙量平衡分布系数α*，就是从理论上解决悬移相似准则的关键。由上述我们已解决的挟沙水流流速及含沙量垂线分布公式，代人积分式后可推求α*。的理论式，结果表明它是随泥沙悬浮指标和无量纲摩阻系数而变化的物理量。其相似准则中的指数一般等于0.7-0.8，只有在粒径趋于零的极细沙及粒径非常大的粗沙，指数才分别为1或1/2。从而在理论上找到了正确的相似准则，也给我们曾采用指数3/4设计模型并取得试验成功的实践，提供了理论上的根据。 五、科技创新必须敢闯禁区 河流泥沙研究成果众多，前辈们为学科的形成打下了坚实的基础，不少成果曾推动过学科的发展，但也常常发现，有些成果往往存在较大的局限性，在某种程度上又影响甚至阻碍着学科的前进。为便于说明问题，这里列举一个外界难以相信的例子。我们知道，由于模型小河相对于原型大河在几何尺度、水流强度等方面缩小甚多，水流挟沙能力相应减小。这时，即使不从事技术工作的人也会毫不犹豫地认为，模型中的含沙浓度一定要比原型的小。然而，在前辈们根据不正确的比尺关系式计算之后，半个世纪以来大部分模型中含沙量都比原型大很多倍。由此表明，创新就必须相对于前人有所突破，敢闯学术上的禁区。下面再以水流挟沙力的研究为例，说明敢闯禁区的重要性。 水流挟沙力的研究一直是河流泥沙研究中最为棘手的课题之一，长期以来，国内外很多学者热衷于此项研究。我国在这方面成果甚多，基础雄厚，一直处于领先地位。但原有教科书中介绍的公式运用到多沙河流上均不适用，严重地影响了河流泥沙的研究水平和解决工程问题的能力。1982年笔者提出新的水流挟沙力公式，试图获取这把解决泥沙问题的钥匙，但收效有限。1991年又有不少学者沿用前人的途径以便提高挟沙力公式的精度，但效果不好。究其原因，主要是研究者只局限在考虑含沙量对沉速和浑水重率的影响方面，对含沙量的反馈作用缺乏认识。为此，我们重新对1982年的研究路线进行分析，在原有物理量中认真对待由于含沙量存在而发生的变化，全面考虑含沙量的存在对于水流摩阻特性、挟沙效率系数以及泥沙沉降特性等因素的影响，进而正确描述了水流挟沙力的变化规律。公式发表后，由于右端显含了含沙量而遭到非议，似乎存在含沙量就相当于自相关。对此我们一方面指出含沙量是客观条件，水流挟沙力是虚拟的指标，是设想中的河床冲淤平衡时的含沙量。含沙量的反馈作用对整个水流多方面的特性都产生显著的影响，也正因为如此，黄河洪水才会创造出一个个不同于其他江河的自然奇观。另一方面，积极将该公式拿到实际中去检验，揭示了黄河“多来多排”“揭河底冲刷”现象的机理，而且在解决许多重大科研攻关课题中发挥重要作用。目前该公式不仅被教科书和科技文献推荐为精度最高的公式，而且在黄河等河流治理中得到广泛应用。 不难想象，如果当初不敢闯禁区，就不可能解决本学科这个长期得不到解决的难题。突破原有的理论束缚，勇于开拓，敢于突破，是取得重大科研创新成果的最为重要的因素。 ■ (作者为水利部黄河水利委员会副总工程师) |