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    上善若水探科海 精誠為民攀高峰

    字體:      發布時間:2020-02-16     關閉本頁

    ——記中國水利水電科學研究院水力學所教授楊開林

    楊開林教授

    導語:四川省西充縣人,1955年出生。中國水利水電科學研究院教授級高級工程師,博導。主要社會兼職包括水利學報和南水北調與水利科技編委等。

    長期從事水動力學及河流動力學研究,主要研究方向有:調水工程的水力控制;水電站、核電站、泵站的水力瞬變;水輪機/變速泵調節,水電工程旋流消能;輸水系統的泄漏檢測;河冰工程;排水工程及??诠こ?新能源開發等。先后申請完成了國家社會公益專項基金、國家自然科學基金、部和院專項基金課題20多項, 包括5項國家自然科學基金課題和1項“十一五”國家支撐計劃。并負責完成了多項大型調水工程的規劃設計和運行安全研究,如南水北調工程,山西省引黃入晉輸水工程、廣東省東江-深圳供水改造工程等,以及國內(包括香港)的一些大型水電站、核電站、泵站、排水系統的水力瞬變研究和模型試驗。此外,作為總設計師,還完成了世界上第一個大型長距離海水輸送工程“引渤濟錫海水西送工程”方案的規劃設計。

    近年來,從事超低水頭和海洋波浪能的開發利用研究,已經研制成功新型環保水錘泵。自主原創的現代調水工程的水力控制理論體系,已于2016獲得當年度國家科技進步二等獎。并有六項研究成果獲得部級科學技術進步一、二等獎。獲得授權國家發明專利20多項。發表論文150多篇,出版專著和譯著共3部。

    用現代科技為民生造福

    黃河被稱為中華民族的“母親河”,在華夏文明發展的歷史長河中,一直都起到了非常重要的作用。然而,由于特殊的地質狀況以及人為因素對流域環境的破壞,黃河在給利于人民帶去種種便利和福祉的同時,也帶去了汛情和災難。黃河的歷史也是一部中華民族的“抗災史”。

    其中,黃河上游寧夏內蒙古河段位于黃河流域最北端,全長800多公里,極易在每年的封開河期間形成凌汛災害。給沿岸居民帶來了極大危害。

    要有效進行治理和防范,離不開現代科學技術手段。冰清預報即是各級領導進行防凌指揮、調度、決策的重要科學依據。為解決這一難題,在治黃專項基金資助下,楊開林教授主持進行了“黃河寧蒙河段冰情預報系統開發”項目的研究,通過大量的調研、實地考察及監測,為黃河上游寧夏、內蒙古河段研發出一套集冰情、水情信息的采集、傳輸、處理與冰情、水情的預報、會商及決策于一體的冰情實時預報專家系統。

    規劃引渤濟錫線路(左)

    楊教授團隊開發的這一系統主要包括:1)寧蒙河段冬季氣溫長期預報研究,為長期冰情趨勢預報提供依據;2)寧蒙河段冬季氣溫中、短期預報研究,為冰情中短期預報提供依據;3)冰情統計預報方案的研制,建立逐步回歸和灰色系統方法的冰情預報統計模型;4)建立冰情預報的人工神經網絡模型,開拓冰情預報的新領域;5)開發實時信息接收、處理和查詢系統;6)開發以GIS為平臺的冰情預報專家系統。

    2004年,本冰情實時預報專家系統正式投入運行。運行十多年來,一直保持了穩定的效率,而且預報準確,為黃河的冰凌災害防控決策提供了科學依據。本項目經水利部科技司組織專家成果鑒定,得出結論“對復雜河流條件下的冰情預報達到國際領先水平”。憑借著多個創新點以及產生的重大社會和環境效益,楊開林教授于2007年獲得水利部當度大禹獎二等獎,排名第一。

    成績雖然可喜,但對于楊教授來說,“黃河寧蒙河段冰情預報系統開發”只是他科研生涯中的一小部分。為了讓現代科技更好地為民生服務,他做出了諸多努力。

    同樣是在2004年,有國內的知名企業家找到楊開林教授探討渤海水西送錫林格勒盟開發褐煤資源、恢復草原生態的可能性。渤海到錫林格勒盟受水區最近距離就有500多公里,兩地高程差約1000米,此外,沿途崇山峻嶺,最高點超過2000多米。因此,在大多數人的觀念中,輸海水到錫林格勒盟無疑是天方夜談。還有一些水利專家估計輸海水到錫林格勒盟的成本將超過12元/立方米,經濟成本過高。

    楊教授知道,引渤濟錫輸海水西送工程是一項難度很大的工程,不僅涉及長距離、高揚程海水輸送等復雜工程問題,還涉及海洋化工、煤化工、沙漠生態等高技術問題。要將這一宏大工程從設想變為現實,必須經過嚴格的科學論證。為此,他與100多位國內水利專家、煤化工專家、海洋專家、材料專家、生態專家一道,對工程各方面進行了科學規劃,艱苦論證。不僅實地考察了輸水線路、水源地、玻璃鋼管制造廠、海水淡化廠、制鹽企業、煤炭基地等,還就一些重大問題與有關大學、研究所(院)專家、學者當面研討,實事求是,以確保工程規劃方案的科學性和可操作性。

    經過數年的科學規劃和艱苦論證,楊開林教授與劉吉平教授共同主編了《內蒙古自治區錫林郭勒盟引海水淡化開發草原生態產業項目》可行性報告,主要內容是建設三大工程:一是褐煤氣化年生產100億立方米燃氣工程。二是日產100萬噸海水淡化制鹽工程。三是引渤濟錫海水輸送工程,設計輸水規模為年3.65億立方米。

    他們按照國家建設資源節約型社會、建立循環經濟的發展目標,將引渤濟錫輸海水西送工程的三大工程最終形成一個自主原創的新型循環經濟系統:首先利用海水解決褐煤煉化燃氣時的降溫問題,然后利用煉化過程中產生的廢熱進行海水淡化及海水化學資源提取,最后,利用生產的淡水解決錫林郭勒盟發展電力工業和煤化工的緊迫用水問題,以及改善區域居民生活用水和生態用水。

    2009年3月,中國國際工程咨詢公司關于《內蒙古自治區錫林郭勒盟引海水淡化循環經濟發展總體規劃報告》的咨詢評估報告結論是:1)總體規劃是采用引海水淡化,解決錫盟缺水來發展經濟問題。為利用褐煤發電,褐煤制氣,發展煤化工和海洋化工產業提供條件,是一個巨大的系統工程,按照循環經濟的理念,進行規劃,它將促進錫盟地方經濟的發展和社會發展。因此本項目符合國家產業政策和地區經濟發展和社會發展規劃。2)遵照循環經濟法的精神,按減量化,再利用和資源化的原則,設計 形成煤制氣產業鏈、煤矸石、中煤、泥煤、熱電產業鏈和海水淡化及海洋化工產品產業鏈,使煤和海水資源得到了循環綜合利用。

    開發調水工程及超低水頭水能利用新技術

    我國擁有豐富的水資源,然而時空分布極不平衡。在我國城鎮化進程不斷加快及生態環境惡化等原因,修建長距離調水工程,甚至跨地區、跨流域的調水工程解決城市和生態環境用水成為一種必然的發展趨勢。

    楊開林教授介紹,現代調水工程的特點是流量大,距離長,可達幾十公里,甚至上千公里。但是因為水力學條件復雜,存在發生管道泄漏、爆管、機組破壞、決堤、或者溢流等事故的危險。因此,為了保證系統設計經濟、運行安全和高效,迫切需要一門新的跨學科理論作為分析和解決問題的工具。

    面對這一趨勢,他在長期從事調水工程理論和實踐研究的基礎上,系統地提出了現代調水工程的水力控制理論。此理論的研究范疇包括:管道水擊,明渠非恒定流,渠冰工程、管道泄漏的檢測,水力學參數的不確定度和系統辨識,運行的計算機仿真等。

    “現代調水工程水力控制理論及關鍵技術研究”鑒定會

    2010年,楊開林教授在此方面的研究成果《現代調水工程水力控制理論及關鍵技術研究》獲得水利部大禹水利科學技術一等獎。之后,他的《長距離輸水工程水力控制理論與關鍵技術》又獲得2016年度國家科技進步二等獎。如今,相關研究成果已經應用到南水北調中線、東線工程、山西省萬家寨引黃入晉工程、廣東省東江-深圳供水工程、吉林省引松供水工程、安徽省淮水北調臨渙工業園調水工程、浙江省舟山市跨海調水工程等大型調水工程的實踐中,為這些工程的規劃設計和安全運行提供了科學依據。他的心血和努力為我國的水資源調配做出了巨大貢獻。

    除水利工程設計與研究外,楊開林教授還將目光投向了水能的開發利用上。他指出,在20世紀的100年里,世界能源消耗量增加了約9倍。根據國際能源機構(IEA)的預測,未來25年里,世界能源需求總量還將增加近一倍。另外,大量使用化石能源已經造成環境的嚴重污染。黨的十八大報告明確提出了“支持節能低碳產業和新能源、可再生能源發展,確保國家能源安全。”

    水能是當前世界上唯一可大規模商業開發的可再生能源之一。我國的超低水頭(水頭<5m)水能資源十分豐富,遍及全國各地,但目前開發利用率僅為0.27%,其中最主要的原因即是缺乏有效的開發利用技術。因此,開發超低水頭能源的利用技術具有十分重要意義。

    針對我國水能資源的現狀,楊開林教授與研究團隊一道,研發了低水頭能源利用的設備——環保型消音水錘泵。

    楊教授介紹,水錘泵是一種自動抽水機械,原理是利用流水的動力使兩個止回閥(泄水閥和輸水閥)周期性的自動交替啟閉產生的水錘效應將低水頭能轉換為高水頭能。水錘泵的泵水動力來源于水流本身,因此它不用油、不用電或其它能源,具有良好的生態環境效益。更重要的是,水錘泵的效率高,最高效率可達到75%——而目前國產3kW以下水泵-電機的總效率一般均小于50%,同時使用壽命長,可超過100多年。

    目前,國內外將水錘泵的應用定位在農村或者人口稀少的地區,尚無在城市人口密集區應用的實例。其中的主要原因是傳統水錘泵的高噪音不滿足城市環境的要求。由于這一原因,目前國內外投入運行的水錘泵的最大口徑為300mm,屬于小口徑低功率水錘泵。

    涼水河環保消音水錘泵施工(右)

    為了解決水錘泵噪聲過大、不適用于城市環保要求的問題,楊開林教授帶領研究團隊與北京宇豪勝水利科技咨詢有限公司一道,開發研制出世界上第一臺環保型消音水錘泵,并于2014年在北京宣武區廣外甘石橋涼水河投入運行。該水錘泵口徑達500mm,是世界最大的水錘泵,在現場實測中,證實了在距離河道水錘泵50m以外,環保消音水錘泵的噪聲小于70分貝,完全滿足《中華人民共和國城市區域環境噪聲標準》。

    2016年9月,上海市和云南省水利扶貧在馬登鎮新民村修建一座自然能提水站(淼匯能源科技有限公司負責修建),北京宇豪勝水利科技咨詢有限公司為該提水站提供了4臺YHS-200/100高效消音水錘泵,建成了世界最大的水錘泵提水站。YHS-200/100設計參數:作用水頭H=4m,揚程h=40m,輸水流量q=130m3/s。提水站每天可供水超過500立方,年供水量不低于15萬立方。通過已經修好的溝渠,項目覆蓋了2000畝農田的澆灌,受益人口約1000人,每年可增加經濟收入約140萬元。

    馬登鎮新民村水錘泵提水站1

    在國家最北端預報及防治冰情災害

    黑龍江位于我國最北端,是中國和俄羅斯之間的界河。黑龍江全長4363公里,額爾古納河和石勒克河在洛古河站匯合形成黑龍江干流,干流長2850公里,中俄界河長度2803公里。

    在過去的千百年歲月里,黑龍江養育了流域沿岸的一代代人,是守衛著那片黑土地的“母親河”。然而,自從上世紀50年代以來,黑龍江局部河段卡塞幾乎年年都有,平均3年左右就形成一次具有一定規模的冰壩。冰壩凌汛災害嚴重威脅到沿岸人民群眾生命財產安全。

    隨著經濟的發展和黑龍江兩岸中俄國際間交流的日漸頻繁,冰凌洪災也影響到了拓展和豐富國際河流開發與管理,因此得到中俄雙方領導的共同關注。為此,2012年中俄雙方共同簽訂了《黑龍江省人民政府與阿穆爾州行政公署關于預防和消除黑龍江流域汛情災害的協議》,協議確保了中俄雙方共同做好黑龍江流域春季防凌汛工作、保護沿岸居民生命財產安全,并協商確保交換黑龍江流域水文氣象資料。

    在此情形下,鑒于目前黑龍江嚴峻的冰凌災害形勢和經濟社會發展的需求,在“十三五”期間,在國家防汛抗旱總指揮部辦公室和黑龍江省水利廳支持下,中國水利水電科學研究院、黑龍江省防汛抗旱保障中心、黑龍江省水文局、太原理工大學聯合開展了“黑龍江冰情預報及災害防治研究”項目。項目總體目標是做好黑龍江防凌減災系統的頂層設計,開展冰凌預報、風險分析和防凌減災措施研究,為黑龍江防災減災提供科技支撐。

    楊開林教授責無旁貸地承擔起了這份責任,并與課題組的同事一道,取得了一系列重要研究成果。他們完成的主要成就包括:1.完成了黑龍江防凌減災決策支持系統頂層設計:實現了黑龍江典型江段的水雨情、冰情、災情信息采集系統和氣象氣侯預報系統為基礎,通信系統為保障,計算機網絡系統為依托,冰情預報和決策支持系統為核心的黑龍江防凌減災決策支持系統框架設計。

    圖1 黑龍江防凌減災決策支持系統頂層結構

    黑龍江防凌減災決策支持系統建成后能夠實現及時傳遞冰凌、冰災、冰壩和氣象的預報信息,網上防凌會商和決策,及時的冰情預報和預警,避免突發事故發生,減少災害發生時造成的人員及財物傷亡等。

    2.項目組自主研發出冰水情一體化測量系統,包括以100 MHz和1500 MHz雷達為基礎的冰厚、水深雙頻雷達測量系統與R-T(電阻-溫度梯度)冰水情自動檢測傳感器,并通過建立原型觀測站自動連續測量了冰蓋厚度、水深、氣溫、水溫、覆雪厚度、冰雪層內部溫度梯度、風速、太陽總輻射量以及冰面靜態圖像等數據。其中雙頻雷達水深測量的平均誤差為3.97%;覆雪條件下冰厚測量的平均誤差為4.32%。在-25℃的環境溫度下,雷達系統具有很好的穩定性,可連續工作8小時以上。并且,采用冰水情一體化測量系統在經常發生冰壩災害的黑龍江漠河縣龍島碼頭河段開展了冰水情原型觀測,高效地獲取了冰災易發河段冰水情參數的連續數據,通過對資料進行分析,掌握冰的發展規律,可以清楚地辨識冰塞、冰壩發生的原因,為冰情預報數學模型的開發提供科學依據。

    圖2 安裝在觀測站的儀器設備

    3.黑龍江上游典型河段冰情預報系統的開發。及時、準確地預報黑龍江冰壩發生可能性是主動防凌的重要非工程手段。本研究在對神經網絡理論和開河冰壩成因及機理研究基礎上,建立了基于神經網絡理論的冰壩預報模型,并將其應用到黑龍江上游凌汛災害頻發的漠河江段冰壩預報中,提前預報了黑龍江開河日期,典型位置冰壩發生的時間,最大誤差2天,平均預見期10天,根據《水文情報預報規范》((GB/T 22482-2008))預報結果均合格。

    4.黑龍江上游典型河段冰塞、冰壩洪水形成過程的模擬。項目組結合我國黑龍江河道的特點,開發了適合天然河道的準二維冰水動力學模型。該模型以Reynolds平均Navier- Stokers方程為基礎,導出河渠冰蓋下水深平均流速的橫向分布的準二維模型,該模型包括了河渠流動的一些關鍵三維紊流因素,不僅適用均勻流和非均勻流,而且適用于明流和斷面部分冰封的流動,然后給出綜合阻力系數與河床糙率系數和冰蓋糙率系數的函數關系。因此準二維數學模型用于快速、準確地模擬天然河道冰的形成發展過程。

    5.提出了多項排凌防災的關鍵技術:實測資料顯示黑龍江上游開河前實測冰蓋厚度能達到1.8m,冰蓋強度大,冰蓋上積雪覆蓋層厚,在開河前在一些特殊河段采用炸藥爆破冰蓋或冰壩是預防或緩解冰情災害最有效的方法。為此,項目組在2015年和2016年黑龍江上游典型江段開展了現場防凌爆破試驗,其中漠河縣北極村總的爆破36組次,漠河縣北紅村和興安鎮共爆破10組次,呼瑪縣和塔河縣共爆破16組次。合計打爆破洞1196孔,炸藥用量20558kg。研究得到如下成果:

    圖3北紅村防凌爆破現場

    楊開林教授和同事們通過在黑龍江上游江段的現場防凌爆破試驗研究,提出了防凌爆破的可靠方法和關鍵技術,建立了表達黑龍江冰凌爆破中冰蓋厚度、冰下水深、炸藥用量同爆破坑半徑之間關系的經驗公式。公式預報的爆破坑半徑值和實測值平均相對誤差控制在8.5%以內,具有完全的實際操作性。

    在項目組的共同努力下,通過2015年和2016年開河前黑龍江上游防凌爆破試驗研究、冰情預測預報和冰塞、冰壩的預報研究,開河期間黑龍江上沒有發生冰塞和冰壩凌汛災害,整個河道順利開江。

    他們的這項研究工作有效保護了河道兩岸工業、農業、人員生命、財產和資源安全,保證了河道兩岸人民安定的生產和生活,促進了社會的和諧和穩定。而且研究成果還為高寒地區河流冰情觀測、冰情預報和防凌爆破提供了科學的技術支撐和參考依據。

    除上述成果外,楊開林教授還負責完成了國內多個大型水電站、抽水泵站、核電站中的水力瞬變過渡過程研究,成果均為工程設計所采用。

    成績雖然顯著,但是對于楊教授來說,能夠用科學技術為國家需要和民生服務,實現“中國夢”,才是最重要的,也是他最欣慰的事。
     

    轉載:中國科技新聞網  2017-03-28

     

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