1.紊流力学及泥沙运动
自然界和水利工程中,水流运输问题中的实际水流,几乎都是紊流。紊流运动对于流场中的速度分布、压力分布、温度和物质浓度分布,起着决定性的影响作用。紊流的特点是具有很强的随机性,非恒定性,而且无例外地都是三维问题。泥沙运动理论及泥沙模拟方法是以紊流结构为基础的,只有深入了解紊流的脉动结构和时均结构,才能更好地研究泥沙运动规律。
在水利工程建设和管理中,政府主管部门十分重视泥沙治理工程技术和基础理论的研究。早在50年代,就围绕长江及其支流的整治、天津新港回淤等问题,进行了多项泥沙研究工作;70年代以后,结合长江葛洲坝枢纽泥沙淤积问题和长江上中游、西江、松花江等河流的整治开展了相关的研究工作;改革开放以后,针对三峡工程、小浪底水利工程、长江口深水航道工程、珠江崖门口航道工程、汉江和湘江等工程进行了科技攻关,对诸多泥沙问题进行了大规模的理论和试验研究。上述研究工作取得了丰硕的成果,不仅为许多工程项目的规划设计和管理提供了科学依据,而且同时也造就了一大批泥沙研究方面的知名学者和经验丰富的工程技术人员,使得我国在泥沙基础理论研究和治理工程应用技术研究上整体处于国际先进水平,尤其是在泥沙物理模拟技术上处于国际领先地位。
但是,泥沙问题是十分复杂的,许多泥沙运动机理尚未认识清楚,工程中许多泥沙问题还难以准确判断和预报,往往成为制约工程建设的瓶颈问题,因此必须进行更深入的研究工作。这些工作包括:挟沙水流紊动结构及输沙规律,大水深条件下泥沙起动、扬动及床面交换规律,非均匀、非恒定输沙规律,粘性泥沙颗粒物化特性及沉降规律,波浪、潮汐水流结构及其作用下的泥沙起动、扬动和输移规律,盐水楔异重流特性及其作用下的泥沙运动规律和浮泥形成机理、物理力学特性及其运动规律等。
本研究方向的目标就是针对紊流力学及泥沙运动中的基础理论和关键技术问题,采用理论分析、室内水槽试验与天然实测分析相结合的研究方法,在借鉴国内外先进技术的基础上,进行全面深入的研究。通过博士研究生的培养,以展开连续性的研究工作。在理论研究上,做到严谨而深入;在技术手段上,将采用国际上先进的量测仪器设备,尤其是高新技术;在具体问题上,主要针对我国存在的问题而展开,保持我们自己的特色和在国际上的先进地位。同时,保持与国际上同行的联系和技术交流,与国际先进的技术水平同步。所取得的成果争取达到国际先进水平,并可推广应用,为提高和促进我国紊流力学及泥沙运动理论的发展与提高作出贡献。
2.河流动力学及河流模拟
我国河流众多,由于种种原因,目前大多数河流仍然水流泥沙运动规律复杂,河床冲淤变化频繁,治理程度不高。如长江河势不稳的现象时有发生;黄河下游为游荡性河道,河势变化频繁;海河、淮河等其它河流也存在泥沙淤积、泄洪能力不够,所有这些问题几乎都造成水利、水运或其他方面的严重的后果,给国民经济带来巨大的损失。因而河道治理是我国社会经济发展十分迫切的需求。
治河离不开科学技术,尤其是河流力学及河流模拟技术,目前,我国这方面的技术水平,无论是基础理论的研究,还是工程技术的应用,总体而言,处于国际先进水平,某些方面还处在领先的地位。但是,天然河流千姿百态,来水来沙条件变化多端,因而泥沙运动和河床演变是十分复杂的问题。随着国民经济的飞速发展,社会各个领域均会对河道治理提出更多更高的新要求,因而也会出现许多新的问题,我们对泥沙运动和河床演变的基础理论的研究、对河流模拟的新技术,特别是数学模拟技术,尚远远不够,与国际先进水平相比尚有差距。例如,我们对推移质泥沙输沙率和悬移质水流挟沙能力等等泥沙运动基本规律的认识就存在较大问题,离精确的定量还相差甚远;而对非均匀、非恒定输沙规律、河岸和非冲积性河床等原状固结土的冲刷规律、异重流淤积规律等等问题认识更为不清楚;对复杂边界条件下的泥沙运动与河床演变的模拟还很难做到;相关的模拟相似理论和试验手段、数学模型的计算与前后处理技术、以及对高新技术的开发与应用研究也急待进行。因而,无论是河床演变的分析研究,还是工程泥沙问题的物理模型试验或数学模型计算,均有赖于对泥沙运动基本规律的认识。因此,建立健全河流动力学及河流模拟的研究方向,深入对泥沙运动、河床演变理论问题及其相应的物理和数学模拟技术的研究,不仅在学术上意义重大,而且对于提高我国治河工程技术水平也有十分重要的作用。
本研究方向的目标就是针对泥沙运动与河床演变的基础理论、河流模拟技术中的诸多问题,理论研究、室内试验与天然实测相结合,在借鉴国内外先进技术手段的基础上,进行全面深入的研究。通过研究生的培养,以展开连续性的研究工作。在理论研究上,做到严谨而深入;在技术手段上,将采用国际上先进的量测仪器设备,尤其是高新技术,在具体问题上,主要针对我国存在的问题而展开,保持我们自己的特色和在国际上的先进地位。同时,保持与国际上同行的联系和技术交流,与国际先进的技术水平同步。所取得的成果也将达到国际先进水平,并可推广应用,为提高和促进我国治河工程技术的发展与提高作出贡献,也使我们的研究工作在国内外取得应有的学术地位。
3.内河航道整治
建国50年以来,我国内河航运事业发展很快,尤其是改革开放以后的20多年时间内,我国的内河航运有了飞速的发展,取得了巨大的成就。目前,我国已基本上形成了长江水系、珠江水系、松花江水系和京杭大运河为主的内河航道网体系。在50年中,我们在长江、西江、松花江、黑龙江、金沙江、赣江、汉江、湘江、甬江、漓江、韩江、黄河、淮河和洞庭湖、洪泽湖等天然水域均进行过大规模的航道整治工程,以及进行了大运河、苏南水网等人工运河的治理工程。与此同时,我们也进行了大量直接为内河航道工程服务的试验研究和分析研究工作,特别是,为这些航道整治工程进行的“六五”、“七五”、“八五”科技攻关,航道整治工程技术和科研成果都有了新进展,取得了丰硕的成果。因而,内河航道整治作为一个专业组研究方向得到较快的发展。随着我国社会经济建设发展的需求,尤其是西部大开发的战略的实施,我国内河航运事业将会得到更大更快的发展,航道整治工程的任务也将越来越多和越来越重。
然而,目前,我国大多数河流因种种原因尚缺乏完全彻底的治理,山区河流水势复杂,平原河道河势不稳,冲淤变化剧烈。相对于实际的航道整治工程而言,我们的科研投入还较少,许多工程技术和经验尚未有深入的总结和提高,也有许多理论问题急需进行专题研究。例如,航道整治与河流水资源综合开发利用的关系的研究、不同类型河道整治原则、整治技术参数与方案措施的确定、各类整治建筑物的绕流、冲刷及其稳定性的研究、新型整治工程技术的开发与研究等等。因此,深入对航道整治工程关键技术问题的研究,有着十分重要的意义。
本研究方向的目标就是针对目前我国航道整治工程中存在的问题,将河流动力学、材料结构学和管理方面的知识相结合,理论研究、室内模型试验、数值计算分析与实际工程相结合,在借鉴国内外先进工程技术的基础上,进行全面深入的研究。通过研究生的培养,以展开连续性的研究工作。在技术手段上,将应用当前的高新技术,并且保持与国际上同行的联系和技术交流,尽量与国际先进的技术水平同步。同时,将与我国的实际情况紧密联系,重点开发研制适应我国国情的整治工程材料及相应的工程技术,包括新的工程设计理念、新材料、新产品和新施工手段,以及新的工程方案及适用条件,经济合理、效果好、适应性强,并可推广应用,提高航道整治工程技术水平,也可促进其他相关治河工程技术的发展与提高。研究工作要保持我们自己的特色,取得的成果也将达到国际先进水平,也使我们的研究工作在国内外取得应有的学术地位。
4.潮汐河口整治
潮汐河口整治主要研究潮汐河口河床演变、河口航道的整治技术、河口环境工程的预测及控制、河口建闸建港的泥沙淤积及减淤措施、河口潮汐水力学和河口泥沙运动基本规律等。早在新中国成立初期,我院就在国内率先采用模型试验方法对河口整治问题进行研究。目前我院在河口整治研究的理论和技术方面处于国际同类研究机构的先进行列,《河口动力学》、《中国河口整治》等专著以及大型工具书《泥沙手册》中的河口篇均由我院的著名河口专家所撰写,我院在河口分类、潮波变形、拦门沙演变、挡潮闸淤积规律以及细颗粒泥沙在河口盐淡水混合环境中的动力特性等河口理论问题的研究在国内外学术界备受瞩目。
本研究方向以理论分析、模型试验和数值计算为主要研究手段,遥感信息分析和同位素探测等高新技术在本专业中得到充分的应用。在河口潮波变形、河口拦门沙机理、最大浑浊带分布、细颗粒泥沙特性等河口动力学研究方面形成了比较系统的理论和方法,“河口航道回淤预报公式”在国内得到广泛应用;物理模型试验是本研究方向最主要的研究手段,目前我们拥有永久性的大型河口试验厅4座,面积达15000平方米,配有由计算机自动控制的模型生潮系统和数据量测、采集系统,可进行不同河口工程的定床潮流试验、定床浑水淤积试验和动床泥沙冲淤试验等模型试验研究;自上世纪七十年代开始在国内率先采用数学模型对河口、海湾的潮流泥沙运动进行模拟研究,目前拥有一、二维有限差和有限元等不同计算模式以及波、流、泥沙联合求解、局部模型嵌套、曲线坐标变换、动态显示等多种计算技术,潮流和盐淡水混合三维数值模拟方法的开发已取得实质性进展。自上世纪六、七十年代以来,我院为长江口、珠江口、钱塘江河口和瓯江口、闽江口、鸭绿江口、射阳河口等国内大、中型河口的规划整治和上海港、广州港、温州港、汕头港等国内大、中型河口港的开发建设进行了许多卓有成效的试验研究工作,为许多河口区电厂、桥梁、岸线利用等工程建设项目进行了可行性论证研究,为我国河口地区的基础建设和经济发展提供了有力的科研保障。
本研究方向的目标就是针对潮汐河口整治的关键技术问题,在借鉴国内外先进技术的基础上,进行全面深入的研究。通过博士研究生的培养,以展开连续性的研究工作。在理论研究上,做到严谨而深入;在技术手段上,将采用国际上先进的量测仪器设备,尤其是高新技术;在具体问题上,主要针对我国存在的问题而展开,保持我们自己的特色和在国际上的先进地位。同时,保持与国际上同行的联系和技术交流,与国际先进的技术水平同步。所取得的成果争取达到国际先进水平,并可推广应用,为提高和促进我国潮汐河口整治技术的发展作出贡献。
5.海岸工程与环境
海岸带是地球表面最为活跃,现象与过程最为丰富的自然区域。同时,海岸带是生态系统平衡的脆弱带和对环境变化的敏感地带。在自然和人类双重力量的影响作用下,海岸带的资源与环境正经历着前所未有的异常变化。人类通过建设海岸工程获得巨大的利益的同时,对海岸带地区人类与自然的和谐、资源开发与环境的协调也产生了一些负面影响,这些负面影响已越来越引起有关学者和政府的关注。
海岸工程环境的研究已成为海洋科学研究的热点,在理论和应用上均有重要意义。本研究方向长期致力于海岸动力地貌、海岸工程泥沙和各种类型海岸工程的模型试验研究,研究成果在国内外有重要影响。曾先后承担国家海岸带与海岛资源调查,部、省科学基金项目的研究,形成了基本理论、模拟试验和工程应用相结合的研究特色。
我院是国内较早从事海岸工程的环境响应研究的科研单位,其中在淤泥质海岸和潮汐汊道的研究方面在国内外有重要影响。在滩涂围垦、港口航建设、海洋开发利用规划与生态环境协调发展的研究方面进行了大量的研究工作,主持完成江苏省自然科学基金、科技部科技创新项目和地方政府各类项目一百余项,研究成果多次获省、部级科技进步奖。本方向的主要骨干一直致力于海洋动力、海岸动力地貌、海岸工程和海岸开发与管理的研究,在人类活动影响下海岸环境的变化及其反馈作用的规律,海岸带系统对环境变化的响应的研究起步早,信息采集与试验手段齐全、基础雄厚,且具备将研究成果迅速运用于生产实践的能力。
本研究方向的目标就是针对海岸工程与环境中的关键技术问题,采用理论分析、室内试验与天然实测分析相结合的研究方法,在借鉴国内外先进技术的基础上,进行全面深入的研究。通过博士研究生的培养,以展开连续性的研究工作。在理论研究上,做到严谨而深入;在技术手段上,将采用国际上先进的量测仪器设备,尤其是高新技术;在具体问题上,主要针对我国存在的问题而展开,保持我们自己的特色和在国际上的先进地位。同时,保持与国际上同行的联系和技术交流,与国际先进的技术水平同步。所取得的成果争取达到国际先进水平,并可推广应用,为提高和促进我国海岸工程与环境理论的发展作出贡献。
6.近海工程
近海区,一般指破波区以外陆架边缘以内的海区,在近海建造的建筑称之为近海工程,近海工程是一门新兴的综合性科学,涉及的范围很广。
海上环境条件的随机性大,由风、浪、流、冰凌和地震(海啸)所引起的作用力非常强大,是近海工程结构设计的主要荷载。近海区海面宽阔,水深大,当遇到大风天气(特别是台风)作用时,产生巨浪,波高大、波长长,往往造成近海工程的破坏,此外在施工和使用中也必须考虑上述因素的影响。对于一些特殊形状或重要的近海工程,其波浪荷载除用特征波法和谱分析法进行计算分析外还需进行物理模型试验以确定波浪力,并进行结构稳定分析、结构病疲劳和动力响应分析。对于浮式储油装置做单点系泊波浪模型试验以探究波浪要素、水深、锚链预应力等主要因素对钢壁式单点系泊储油装置的运动和受力情况的影响及其变化规律。
我国海上石油年产量已超过1600万吨,天然气年产量达30多亿立方米,进入高速高效高发展的新时期,对海洋环境的研究、防灾对策的研究,对油(气)安全保障具有十分重要意义和经济效益。近海工程的种类很多,如海底隧道、海上飞机场、海洋观测站、观光站、军事上的海底基地等,随着海洋的开发利用,需要研究的内容越来越多,难度越来越大。
本研究方向的目标就是针对近海工程中的关键技术问题,采用理论分析、室内试验与天然实测分析相结合的研究方法,在借鉴国内外先进技术的基础上,进行全面深入的研究。通过博士研究生的培养,以展开连续性的研究工作。在理论研究上,做到严谨而深入;在技术手段上,将采用国际上先进的量测仪器设备,尤其是高新技术;在具体问题上,主要针对我国存在的问题而展开,保持我们自己的特色和在国际上的先进地位。同时,保持与国际上同行的联系和技术交流,与国际先进的技术水平同步。所取得的成果争取达到国际先进水平,并可推广应用,为提高和促进我国近海工程技术水平的提高作出贡献。
7.水利枢纽工程泥沙
泥沙问题是河流上兴建水利枢纽的关键技术问题之一。枢纽建成以后,上下游泥沙运动情况均将发生重大变化,上游将拦截大部分来沙量,枢纽运行初期因出库含沙量较低,将会冲刷下游河道。枢纽上游库区泥沙淤积过程、淤积形态、泥沙出库含沙量和粒径直接影响发电,也影响下游河道演变。从发电方面看,相应的泥沙淤积问题主要有电厂过机含沙量及粒径、电厂前沿泥沙淤积高程和电厂前沿流速流态等;对于梯级枢纽,其泥沙问题不仅对枢纽本身的运行有影响,而且还会影响位于其下游的其他梯级枢纽。对于兴建有通航要求的水利枢纽,航运方面的基本要求是安全通畅,即变动回水区河道、坝区河道及下游河道均要满足通航要求。水利枢纽兴建后往往改变了原有的河道形势,给工程泥沙带来新的问题。如变动回水区会出现碍航浅滩、坝区引航道的水流条件及泥沙淤积、由于推移质泥沙过坝泄量减少和开采沙石骨料及清水下泄等原因造成坝下河道河床下切、水位降低等等,以上种种均给安全顺畅通航带来一定的困难,因而迫切需要研究解决。
水利枢纽工程泥沙研究侧重研究的问题包括:水利枢纽总体布置研究及坝区河势规划,水利枢纽泥沙淤积与水库长期使用问题,水库淤积与库尾洪水位抬高问题,变动回水区泥沙淤积及浅滩整治问题,坝区引航道泥沙淤积及解决措施,坝区引航道通航水流条件,船闸闸室泥沙淤积及对策,船闸充泄水所引起的波动及往复流,河道下切、水位降低对坝下河道浅滩及弯道影响的研究,枢纽下泄沙量改变后,坝下河道的演变及整治,施工通航期坝区泥沙淤积研究和特大洪水年对水利枢纽上下游河道的影响等。
不同于一般的河道治理研究,枢纽工程泥沙问题往往研究时段较长,泥沙粒径的变化及河床冲淤幅度均较大。长系列年不同泥沙粒径的正确模拟极为关键,在枢纽运行的不同阶段做到水流运动及泥沙冲淤相似是其基本要求,因此在学术上看,泥沙模型的相似理论极为重要。
本研究方向的目标就是针对水利枢纽工程泥沙的技术问题,采用理论分析、室内试验与天然实测分析相结合的研究方法,在借鉴国内外先进技术的基础上,进行全面深入的研究。通过博士研究生的培养,以展开连续性的研究工作。在理论研究上,做到严谨而深入;在技术手段上,将采用国际上先进的量测仪器设备,尤其是高新技术;在具体问题上,主要针对我国存在的问题而展开,保持我们自己的特色和在国际上的先进地位。同时,保持与国际上同行的联系和技术交流,与国际先进的技术水平同步。所取得的成果争取达到国际先进水平,并可推广应用,为提高和促进我国水利枢纽工程泥沙理论的发展与提高作出贡献。