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神秘的海底浊流
——记安徽工业大学教授、能源与环境学院副院长、环境流体研究所所长黄河清
本刊记者 闫冬雪
《观沧海》有云：东临碣石,以观沧海.水何澹澹,山岛竦峙.树木丛生,百草丰茂.秋风萧瑟,洪波涌起.对于大海的深不可测,数千年来人们一直想钻进它的“内心”深处一探究竟.近年,依托高科技测量手段,人类发现茫茫沧海居然像大陆一样,里面潜藏着一众高原峡谷、温泉、矿物质、能源及其它生物,它们组成了一个丰富绚烂而又复杂的海底世界.
“三维数值模拟可极大地推进我们对复杂地形下海底浊流及其沉积的研究”.安徽工业大学教授、能源与环境学院副院长、环境流体研究所所长黄河清如是认为.迄今为止,他埋首于环境流体力学方面研究已近20年.
20年积淀 走进海底浊流领域
科研,为探索未知及解决问题而存在.对黄河清来讲,数十年的学习沉淀像穿上了轻便的鱼鳍,促进其在科研的海洋中自在遨游.
1985年,黄河清从钟爱的南京大学构造地质及地理物理专业毕业后,考取了中国科学院资深院士、我国著名地质学家、地学教育家郭令智先生的研究生.并于次年作为国家教委第五批中日互换研究生远渡重洋,来到日本九州大学进行有关地热地区地下水的环境调查研究,师从于当时日本地热学会会长汤原浩三教授,在国际著名期刊《地下水》（G r o u dWa t e r）上发表论文1篇,提出了示踪子有效初始浓度的概念,首次给出了根据瞬时源模型理论解推出的两组具有广泛应用价值的根据示踪物涌出曲线上的不同点计算有关污染物三重要参数的计算公式（Hu a n g,H.1991 O na one-dimensional tracer model. Ground Wa t e r 29(7),18-20）,可快速判断地下水突发性污染的源强、扩散系数及流动速度,进而对其污染范围进行较为准确的预测.
硕士毕业后回国,经教委工作人员推荐,他在南京熊猫电子集团工作近8年,深感继续学习的重要性,1997年,他毅然远赴美国爱荷华大学水力学研究所攻读博士学位,主攻水坝泄洪道下过饱和溶解气体的数值模拟研究,成功建立了可评估及优化降低泄洪道下过饱和气体设施设计的二维及三维的数值计算模型,助其研究所获得了高额的研究资金并于2002获得博士学位.
按常理,黄河清将会在环境水力学上深入研究.但一次机遇垂青,让他走进了另一个世界,即海底浊流领域.水体流场模拟研究可以通过既有软件进行,无需重新编程.当时正在读博的黄河清在好奇心的驱使下,研究了数值求解纳维尔-斯特克斯方程的编程.博士毕业后,恰逢美国南卡罗来纳大学(University of South Carolina)和壳牌石油公司合作的研究项目需要这方面的博士.于是,2003年起,他就在美国南卡罗莱拉大学做博士后及研究助教授,期间和美国海底浊流研究的前辈、著名四方程深度平均模型的提出人Gary Parker教授的弟子I m r a n教授紧密合作,进行有关海底浊流的数值模拟研究.很快,项目取得了较大进展,建立了得到已有实验数据验证的有关海底浊流的湍流、沉积物的沉积及夹带、沉积物的推移质搬运及环境液体的卷吸等一系列主要动力学过程的三维数值计算模型,并对海底浊流在梯形直渠道中的流动及沉积的特征做出一些新的发现,发表在水力学工程（J.Hydraulic Engineering,2005,131(4),283-293）及地球物理研究（J.Geophysical Research,2007,112,1-15）等国际权威学术期刊上,引起了广泛关注.
谈及此段经历,黄河清认为,机遇只留给有准备的人.20余年,他不拘泥于单一的研究课题,而是从多层面、多角度进行学习实践.正基于此,今后的科研之路才愈加宽广.
立足安工大 不断探索海底浊流的机理及应用
2008年,黄河清结束美国的学习科研工作,回归安徽工业大学能源与环境学院做了名教师.凭借丰富的实践经验及国家基金项目的支持,他开始进行了一系列创新研究、包括国家自然科学资金面上项目“复杂地形下的海底浊流及其沉积的数值计算模拟”.以立体的方式,把海底浊流世界“搬”到了计算实验室.
茫茫沧海居然像大陆一样潜藏着一众高原峡谷、生物、温泉、矿物质特别是埋藏在古代海底浊流沉积中的宝贵的油气资源.黄河清及其团队在三维数值模拟中,对三维弯曲海底峡谷内浊流及其沉积做了详细的数学模拟,给出了多次浊流事件后的浊流沉积在各种纵横剖面上的沉积厚度及粒度分布特征,这对于通过野外露头或钻探资料进行反演、推测形成其形成环境及沉积模式提供了宝贵的借鉴资料,发表在海洋地质学（M a r i n e G e o l o g y,2012,329-331,93-102）上,得到了国际有关海底沉积研究的著名专家、英国国家海洋研究中心所长D r.W y n n的：“模拟的结果比大多数实验模型的高出一个数量级以上的和实际的近似,以及它能全息地展示峡谷内外的平面及剖面沉积图像的能力使其成为对海洋地质学家来说感兴趣的有用的贡献”较高的评价.
黄河清认为,理论研究、数值模拟及实验探索是当今科学探索三种主要手段,将三者结合起来,会极大地推动研究的进步.因此在进行数值计算研究的同时,他不拘于传统的认为海底浊流的临界弗雷德数和明渠流一样为1的理论,考虑水下重力流的流量及浓度均会因上部水体的卷吸及下部沉积物的交换而改变的特性,首次推导出水下重力流的临界密度弗雷德数理论计算公式,指出其可以不为常量1,可以大于1,不存在或小于1,并给出了各种情形下水下重力流的实例及物理特征,发表在被孙枢院士称为国际沉积学界三大主要期刊之一的《沉积学研究》（J.Sedimentary R e s e a r c h,2009,47(4),455-465.）上,得到最近国外同行的一系列的野外实测及实验室观察的验证（如S u m n e r e t al.,2013; Xu et al.,2014;Najafpour et a l.,2014等）,扩大了我国在水下重力流研究方面的影响.
最近,他们通过数值模拟发现底坡坡度对海底浊流的流动及沉积都起着重要的控制作用,不仅控制着其理查德森数及水卷吸系数,也控制着一些主要海底浊流的沉积构造,在总结了数值模拟结果的同时,建造了一15米长,并首次可在0?15度范围内精确控制坡度及入流量的实验水槽（参见插图）,即将开展对海底浊流的实验研究来验证数值模拟的结果及进一步探索未知的领域.他计划着将流体力学、计算流体力学、河流动力学、沉积学和石油的勘探开采等紧密地结合在一起,宏观布局、微观处理,以期形成多项关于深海浊流在弯曲峡谷及其下游沉积扇的沉积过程的系统性、基础性及实用性的研究成果.
面向未来 与实践工程接轨
海洋中蕴藏着极为丰富的资源,开发和利用海洋已成为拓展人类生存空间和争夺经济制高点的希望所在.海底油气资源、天然气水合物、大洋多金属结核结壳和热液硫化物等战略性资源的大量存在,已成为新世纪战略资源基地.海底工程、深水油气储层的预测、勘探及开采等一系列工程的建设与发展,要求人类要充分认识海底世界的复杂性.为响应国家战略发展的要求,黄河清始终把水下重力流的理论、以及海底浊流在弯曲渠道内的流动及沉积特征等作为科研重点来抓,“我们通过判断水下重力流的流态,能够预测其演变过程；根据现代沉积状态可以推断其形成环境,可能形成的油储规模、形态及最佳开采位置”.
科研需要传承,一心想着要“造就一支具有国际水平的海底浊流及其沉积的基础研究和应用研究团队”的黄河清,自回归安工大以来,就把一部分重心放在教学上,将数十年掌握的多学科知识及自身体验亲授给学生,每年亲自教授本科生“工程流体力学”课程并于2013年编著出版了全新的包含其有关重力流最新研究成果的《环境流体力学》教材,获哈尔滨工业大学的张杰院士的“知识结构新而全面,内容精湛匠心独具,为有关环境流体力学的一本不可多得的参考书,开创了环境流体力学先河”的高度评价.
面对发展的未来,黄河清提出要把实验理论运用到实际工程建设当中.开发了集产生网格、数值模拟和图像分析显示等于一体的可方便模拟重力流的软件S i m u s o ft,并将模拟扩展至一些水污染及大气治理设施内的流动等,为环保企业的节能高效产品的开发服务,期望也能为我国的环保事业助一臂之力.树苗能够长成参天大树,是因其根植于土壤.同样,一项技术的日益成熟,是来自于实践工程的反复检验.他们始终相信：努力去做,就无愧于心；尽心做好,就是对国家和社会的贡献.在此我们期待并深深的祝福他,为我们创造更多的精彩.
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