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上善若水探科海 精诚为民攀高峰
发表时间 2017-03-28 11:16 来源 本站原创
——记中国水利水电科学研究院水力学所教授杨开林

科技文摘报             田梦




杨开林教授
  导语:四川省西充县人,1955年出生。中国水利水电科学研究院教授级高级工程师,博导。主要社会兼职包括水利学报和南水北调与水利科技编委等。   长期从事水动力学及河流动力学研究,主要研究方向有:调水工程的水力控制;水电站、核电站、泵站的水力瞬变;水轮机/变速泵调节,水电工程旋流消能;输水系统的泄漏检测;河冰工程;排水工程及海口工程;新能源开发等。先后申请完成了国家社会公益专项基金、国家自然科学基金、部和院专项基金课题20多项, 包括5项国家自然科学基金课题和1项“十一五”国家支撑计划。并负责完成了多项大型调水工程的规划设计和运行安全研究,如南水北调工程,山西省引黄入晋输水工程、广东省东江-深圳供水改造工程等,以及国内(包括香港)的一些大型水电站、核电站、泵站、排水系统的水力瞬变研究和模型试验。此外,作为总设计师,还完成了世界上第一个大型长距离海水输送工程“引渤济锡海水西送工程”方案的规划设计。   近年来,从事超低水头和海洋波浪能的开发利用研究,已经研制成功新型环保水锤泵。自主原创的现代调水工程的水力控制理论体系,已于2016获得当年度国家科技进步二等奖。并有六项研究成果获得部级科学技术进步一、二等奖。获得授权国家发明专利20多项。发表论文150多篇,出版专著和译著共3部。   用现代科技为民生造福   黄河被称为中华民族的“母亲河”,在华夏文明发展的历史长河中,一直都起到了非常重要的作用。然而,由于特殊的地质状况以及人为因素对流域环境的破坏,黄河在给利于人民带去种种便利和福祉的同时,也带去了汛情和灾难。黄河的历史也是一部中华民族的“抗灾史”。   其中,黄河上游宁夏内蒙古河段位于黄河流域最北端,全长800多公里,极易在每年的封开河期间形成凌汛灾害。给沿岸居民带来了极大危害。   要有效进行治理和防范,离不开现代科学技术手段。冰清预报即是各级领导进行防凌指挥、调度、决策的重要科学依据。为解决这一难题,在治黄专项基金资助下,杨开林教授主持进行了“黄河宁蒙河段冰情预报系统开发”项目的研究,通过大量的调研、实地考察及监测,为黄河上游宁夏、内蒙古河段研发出一套集冰情、水情信息的采集、传输、处理与冰情、水情的预报、会商及决策于一体的冰情实时预报专家系统。

规划引渤济锡线路(左)
  杨教授团队开发的这一系统主要包括:1)宁蒙河段冬季气温长期预报研究,为长期冰情趋势预报提供依据;2)宁蒙河段冬季气温中、短期预报研究,为冰情中短期预报提供依据;3)冰情统计预报方案的研制,建立逐步回归和灰色系统方法的冰情预报统计模型;4)建立冰情预报的人工神经网络模型,开拓冰情预报的新领域;5)开发实时信息接收、处理和查询系统;6)开发以GIS为平台的冰情预报专家系统。   2004年,本冰情实时预报专家系统正式投入运行。运行十多年来,一直保持了稳定的效率,而且预报准确,为黄河的冰凌灾害防控决策提供了科学依据。本项目经水利部科技司组织专家成果鉴定,得出结论“对复杂河流条件下的冰情预报达到国际领先水平”。凭借着多个创新点以及产生的重大社会和环境效益,杨开林教授于2007年获得水利部当度大禹奖二等奖,排名第一。   成绩虽然可喜,但对于杨教授来说,“黄河宁蒙河段冰情预报系统开发”只是他科研生涯中的一小部分。为了让现代科技更好地为民生服务,他做出了诸多努力。   同样是在2004年,有国内的知名企业家找到杨开林教授探讨渤海水西送锡林格勒盟开发褐煤资源、恢复草原生态的可能性。渤海到锡林格勒盟受水区最近距离就有500多公里,两地高程差约1000米,此外,沿途崇山峻岭,最高点超过2000多米。因此,在大多数人的观念中,输海水到锡林格勒盟无疑是天方夜谈。还有一些水利专家估计输海水到锡林格勒盟的成本将超过12元/立方米,经济成本过高。   杨教授知道,引渤济锡输海水西送工程是一项难度很大的工程,不仅涉及长距离、高扬程海水输送等复杂工程问题,还涉及海洋化工、煤化工、沙漠生态等高技术问题。要将这一宏大工程从设想变为现实,必须经过严格的科学论证。为此,他与100多位国内水利专家、煤化工专家、海洋专家、材料专家、生态专家一道,对工程各方面进行了科学规划,艰苦论证。不仅实地考察了输水线路、水源地、玻璃钢管制造厂、海水淡化厂、制盐企业、煤炭基地等,还就一些重大问题与有关大学、研究所(院)专家、学者当面研讨,实事求是,以确保工程规划方案的科学性和可操作性。   经过数年的科学规划和艰苦论证,杨开林教授与刘吉平教授共同主编了《内蒙古自治区锡林郭勒盟引海水淡化开发草原生态产业项目》可行性报告,主要内容是建设三大工程:一是褐煤气化年生产100亿立方米燃气工程。二是日产100万吨海水淡化制盐工程。三是引渤济锡海水输送工程,设计输水规模为年3.65亿立方米。   他们按照国家建设资源节约型社会、建立循环经济的发展目标,将引渤济锡输海水西送工程的三大工程最终形成一个自主原创的新型循环经济系统:首先利用海水解决褐煤炼化燃气时的降温问题,然后利用炼化过程中产生的废热进行海水淡化及海水化学资源提取,最后,利用生产的淡水解决锡林郭勒盟发展电力工业和煤化工的紧迫用水问题,以及改善区域居民生活用水和生态用水。   2009年3月,中国国际工程咨询公司关于《内蒙古自治区锡林郭勒盟引海水淡化循环经济发展总体规划报告》的咨询评估报告结论是:1)总体规划是采用引海水淡化,解决锡盟缺水来发展经济问题。为利用褐煤发电,褐煤制气,发展煤化工和海洋化工产业提供条件,是一个巨大的系统工程,按照循环经济的理念,进行规划,它将促进锡盟地方经济的发展和社会发展。因此本项目符合国家产业政策和地区经济发展和社会发展规划。2)遵照循环经济法的精神,按减量化,再利用和资源化的原则,设计 形成煤制气产业链、煤矸石、中煤、泥煤、热电产业链和海水淡化及海洋化工产品产业链,使煤和海水资源得到了循环综合利用。   开发调水工程及超低水头水能利用新技术   我国拥有丰富的水资源,然而时空分布极不平衡。在我国城镇化进程不断加快及生态环境恶化等原因,修建长距离调水工程,甚至跨地区、跨流域的调水工程解决城市和生态环境用水成为一种必然的发展趋势。   杨开林教授介绍,现代调水工程的特点是流量大,距离长,可达几十公里,甚至上千公里。但是因为水力学条件复杂,存在发生管道泄漏、爆管、机组破坏、决堤、或者溢流等事故的危险。因此,为了保证系统设计经济、运行安全和高效,迫切需要一门新的跨学科理论作为分析和解决问题的工具。   面对这一趋势,他在长期从事调水工程理论和实践研究的基础上,系统地提出了现代调水工程的水力控制理论。此理论的研究范畴包括:管道水击,明渠非恒定流,渠冰工程、管道泄漏的检测,水力学参数的不确定度和系统辨识,运行的计算机仿真等。

“现代调水工程水力控制理论及关键技术研究”鉴定会
  2010年,杨开林教授在此方面的研究成果《现代调水工程水力控制理论及关键技术研究》获得水利部大禹水利科学技术一等奖。之后,他的《长距离输水工程水力控制理论与关键技术》又获得2016年度国家科技进步二等奖。如今,相关研究成果已经应用到南水北调中线、东线工程、山西省万家寨引黄入晋工程、广东省东江-深圳供水工程、吉林省引松供水工程、安徽省淮水北调临涣工业园调水工程、浙江省舟山市跨海调水工程等大型调水工程的实践中,为这些工程的规划设计和安全运行提供了科学依据。他的心血和努力为我国的水资源调配做出了巨大贡献。   除水利工程设计与研究外,杨开林教授还将目光投向了水能的开发利用上。他指出,在20世纪的100年里,世界能源消耗量增加了约9倍。根据国际能源机构(IEA)的预测,未来25年里,世界能源需求总量还将增加近一倍。另外,大量使用化石能源已经造成环境的严重污染。党的十八大报告明确提出了“支持节能低碳产业和新能源、可再生能源发展,确保国家能源安全。”   水能是当前世界上唯一可大规模商业开发的可再生能源之一。我国的超低水头(水头<5m)水能资源十分丰富,遍及全国各地,但目前开发利用率仅为0.27%,其中最主要的原因即是缺乏有效的开发利用技术。因此,开发超低水头能源的利用技术具有十分重要意义。   针对我国水能资源的现状,杨开林教授与研究团队一道,研发了低水头能源利用的设备——环保型消音水锤泵。   杨教授介绍,水锤泵是一种自动抽水机械,原理是利用流水的动力使两个止回阀(泄水阀和输水阀)周期性的自动交替启闭产生的水锤效应将低水头能转换为高水头能。水锤泵的泵水动力来源于水流本身,因此它不用油、不用电或其它能源,具有良好的生态环境效益。更重要的是,水锤泵的效率高,最高效率可达到75%——而目前国产3kW以下水泵-电机的总效率一般均小于50%,同时使用寿命长,可超过100多年。   目前,国内外将水锤泵的应用定位在农村或者人口稀少的地区,尚无在城市人口密集区应用的实例。其中的主要原因是传统水锤泵的高噪音不满足城市环境的要求。由于这一原因,目前国内外投入运行的水锤泵的最大口径为300mm,属于小口径低功率水锤泵。

凉水河环保消音水锤泵施工(右)
  为了解决水锤泵噪声过大、不适用于城市环保要求的问题,杨开林教授带领研究团队与北京宇豪胜水利科技咨询有限公司一道,开发研制出世界上第一台环保型消音水锤泵,并于2014年在北京宣武区广外甘石桥凉水河投入运行。该水锤泵口径达500mm,是世界最大的水锤泵,在现场实测中,证实了在距离河道水锤泵50m以外,环保消音水锤泵的噪声小于70分贝,完全满足《中华人民共和国城市区域环境噪声标准》。   2016年9月,上海市和云南省水利扶贫在马登镇新民村修建一座自然能提水站(淼汇能源科技有限公司负责修建),北京宇豪胜水利科技咨询有限公司为该提水站提供了4台YHS-200/100高效消音水锤泵,建成了世界最大的水锤泵提水站。YHS-200/100设计参数:作用水头H=4m,扬程h=40m,输水流量q=130m3/s。提水站每天可供水超过500立方,年供水量不低于15万立方。通过已经修好的沟渠,项目覆盖了2000亩农田的浇灌,受益人口约1000人,每年可增加经济收入约140万元。 马登镇新民村水锤泵提水站1   在国家最北端预报及防治冰情灾害   黑龙江位于我国最北端,是中国和俄罗斯之间的界河。黑龙江全长4363公里,额尔古纳河和石勒克河在洛古河站汇合形成黑龙江干流,干流长2850公里,中俄界河长度2803公里。   在过去的千百年岁月里,黑龙江养育了流域沿岸的一代代人,是守卫着那片黑土地的“母亲河”。然而,自从上世纪50年代以来,黑龙江局部河段卡塞几乎年年都有,平均3年左右就形成一次具有一定规模的冰坝。冰坝凌汛灾害严重威胁到沿岸人民群众生命财产安全。   随着经济的发展和黑龙江两岸中俄国际间交流的日渐频繁,冰凌洪灾也影响到了拓展和丰富国际河流开发与管理,因此得到中俄双方领导的共同关注。为此,2012年中俄双方共同签订了《黑龙江省人民政府与阿穆尔州行政公署关于预防和消除黑龙江流域汛情灾害的协议》,协议确保了中俄双方共同做好黑龙江流域春季防凌汛工作、保护沿岸居民生命财产安全,并协商确保交换黑龙江流域水文气象资料。   在此情形下,鉴于目前黑龙江严峻的冰凌灾害形势和经济社会发展的需求,在“十三五”期间,在国家防汛抗旱总指挥部办公室和黑龙江省水利厅支持下,中国水利水电科学研究院、黑龙江省防汛抗旱保障中心、黑龙江省水文局、太原理工大学联合开展了“黑龙江冰情预报及灾害防治研究”项目。项目总体目标是做好黑龙江防凌减灾系统的顶层设计,开展冰凌预报、风险分析和防凌减灾措施研究,为黑龙江防灾减灾提供科技支撑。   杨开林教授责无旁贷地承担起了这份责任,并与课题组的同事一道,取得了一系列重要研究成果。他们完成的主要成就包括:1.完成了黑龙江防凌减灾决策支持系统顶层设计:实现了黑龙江典型江段的水雨情、冰情、灾情信息采集系统和气象气侯预报系统为基础,通信系统为保障,计算机网络系统为依托,冰情预报和决策支持系统为核心的黑龙江防凌减灾决策支持系统框架设计。   图1 黑龙江防凌减灾决策支持系统顶层结构   黑龙江防凌减灾决策支持系统建成后能够实现及时传递冰凌、冰灾、冰坝和气象的预报信息,网上防凌会商和决策,及时的冰情预报和预警,避免突发事故发生,减少灾害发生时造成的人员及财物伤亡等。   2.项目组自主研发出冰水情一体化测量系统,包括以100 MHz和1500 MHz雷达为基础的冰厚、水深双频雷达测量系统与R-T(电阻-温度梯度)冰水情自动检测传感器,并通过建立原型观测站自动连续测量了冰盖厚度、水深、气温、水温、覆雪厚度、冰雪层内部温度梯度、风速、太阳总辐射量以及冰面静态图像等数据。其中双频雷达水深测量的平均误差为3.97%;覆雪条件下冰厚测量的平均误差为4.32%。在-25℃的环境温度下,雷达系统具有很好的稳定性,可连续工作8小时以上。并且,采用冰水情一体化测量系统在经常发生冰坝灾害的黑龙江漠河县龙岛码头河段开展了冰水情原型观测,高效地获取了冰灾易发河段冰水情参数的连续数据,通过对资料进行分析,掌握冰的发展规律,可以清楚地辨识冰塞、冰坝发生的原因,为冰情预报数学模型的开发提供科学依据。



  图2 安装在观测站的仪器设备   3.黑龙江上游典型河段冰情预报系统的开发。及时、准确地预报黑龙江冰坝发生可能性是主动防凌的重要非工程手段。本研究在对神经网络理论和开河冰坝成因及机理研究基础上,建立了基于神经网络理论的冰坝预报模型,并将其应用到黑龙江上游凌汛灾害频发的漠河江段冰坝预报中,提前预报了黑龙江开河日期,典型位置冰坝发生的时间,最大误差2天,平均预见期10天,根据《水文情报预报规范》((GB/T 22482-2008))预报结果均合格。   4.黑龙江上游典型河段冰塞、冰坝洪水形成过程的模拟。项目组结合我国黑龙江河道的特点,开发了适合天然河道的准二维冰水动力学模型。该模型以Reynolds平均Navier- Stokers方程为基础,导出河渠冰盖下水深平均流速的横向分布的准二维模型,该模型包括了河渠流动的一些关键三维紊流因素,不仅适用均匀流和非均匀流,而且适用于明流和断面部分冰封的流动,然后给出综合阻力系数与河床糙率系数和冰盖糙率系数的函数关系。因此准二维数学模型用于快速、准确地模拟天然河道冰的形成发展过程。   5.提出了多项排凌防灾的关键技术:实测资料显示黑龙江上游开河前实测冰盖厚度能达到1.8m,冰盖强度大,冰盖上积雪覆盖层厚,在开河前在一些特殊河段采用炸药爆破冰盖或冰坝是预防或缓解冰情灾害最有效的方法。为此,项目组在2015年和2016年黑龙江上游典型江段开展了现场防凌爆破试验,其中漠河县北极村总的爆破36组次,漠河县北红村和兴安镇共爆破10组次,呼玛县和塔河县共爆破16组次。合计打爆破洞1196孔,炸药用量20558kg。研究得到如下成果:   图3北红村防凌爆破现场   杨开林教授和同事们通过在黑龙江上游江段的现场防凌爆破试验研究,提出了防凌爆破的可靠方法和关键技术,建立了表达黑龙江冰凌爆破中冰盖厚度、冰下水深、炸药用量同爆破坑半径之间关系的经验公式。公式预报的爆破坑半径值和实测值平均相对误差控制在8.5%以内,具有完全的实际操作性。   在项目组的共同努力下,通过2015年和2016年开河前黑龙江上游防凌爆破试验研究、冰情预测预报和冰塞、冰坝的预报研究,开河期间黑龙江上没有发生冰塞和冰坝凌汛灾害,整个河道顺利开江。   他们的这项研究工作有效保护了河道两岸工业、农业、人员生命、财产和资源安全,保证了河道两岸人民安定的生产和生活,促进了社会的和谐和稳定。而且研究成果还为高寒地区河流冰情观测、冰情预报和防凌爆破提供了科学的技术支撑和参考依据。   除上述成果外,杨开林教授还负责完成了国内多个大型水电站、抽水泵站、核电站中的水力瞬变过渡过程研究,成果均为工程设计所采用。   成绩虽然显著,但是对于杨教授来说,能够用科学技术为国家需要和民生服务,实现“中国梦”,才是最重要的,也是他最欣慰的事。
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