力学学报, 2020, 52(3): 623-624 DOI: 10.6052/0459-1879-20-148

环境力学专题

环境力学专题序

黄宁,1)

西部灾害与环境力学教育部重点实验室, 兰州 730000;兰州大学土木工程与力学学院, 兰州 730000

通讯作者: 1)黄宁,教授,主要研究方向:环境力学,风沙(雪、尘)两相流及陆面过程等. E-mail:huangn@lzu.edu.cn

收稿日期: 2020-02-6   网络出版日期: 2020-05-18

Received: 2020-02-6   Online: 2020-05-18

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黄宁. 环境力学专题序. 力学学报[J], 2020, 52(3): 623-624 DOI:10.6052/0459-1879-20-148

自然环境是人类得以生存和发展的物质基础. 人类为了生存,从刀耕火种时代起就同自然界作斗争,同时也无意识地破坏了自己的生存环境,使得环境问题成为现代国际社会面临的共同问题. 中国很早就将保护环境定为基本国策,在党中央生态文明思想的指导下,加快构建环境治理体系、树立绿色生产方式和生活方式正在成为一种潮流.

力学在其发展过程中形成的分析、计算、实验相结合的学术风格,十分有利于深化对环境问题中基本规律的认识. 如流体力学的边界层理论,大大促进了大气动力学的研究,使得天气预报成为可能;强迫对流的研究,发现了因旋转引起的风生环流的西部强化;多相流的理论研究大大提高了大气湍流边界层中沙尘颗粒、雪颗粒、气溶胶和污染物的传输,以及河流泥沙输运、污染物扩散的定量化预测精度等等. 因此在环境科学的发展过程中,力学以其独有的学科特点和优势,逐步完成与环境科学深度的交叉并形成环境力学这个新的学科生长点,并在20世纪80年代,逐步形成环境力学这一新的分支学科.

环境力学的学科内涵很广,其主要涉及大气环境、水环境、岩土体环境、地球界面过程、环境灾害、环境多相流动,以及理论建模、计算方法和实验技术等方面. 其研究方向主要包括:气候变化和极端环境的发生、影响与应对;工业化/城镇化背景下的城市环境及其改善;流域环境和大型工程的相互影响;人类社会发展中的生态环境问题等. 研究任务包括认识和理解自然界中复杂介质及其运动(或变形)规律;揭示环境问题的机理;给出环境问题发生的临界条件和定量预测的时空演化规律;提出科学、合理、切实可行的应对措施等方面. 环境力学系统深入地研究大气、水体、岩土体中介质的变形和流动,考虑相应的破坏和物质/能量输运,同时关注伴随的物理、化学、生物过程. 有关环境力学的研究工作不仅面临强非线性、多场场耦合、多尺度跨越、随机过程等科学共性难题,同时对经济建设和工程实践也具有非常明确的指导意义. 因此环境力学是一个既具有科学研究意义,又具备实际应用价值,且发展前景广阔的新兴学科.

经过多年的积累,我国环境力学研究在环境灾害机理研究、过程模拟、防治工程设计方面都取得了可喜的成果,在与其他学科交叉结合的过程中积累了宝贵的经验,逐步形成了环境力学的理论框架,凝聚了研究力量,培养了大批人才. 我国的环境力学研究已逐步形成了研究的理论框架,涉及多个研究方向,如土壤侵蚀、风沙(雪/尘)运动、河口海岸泥沙输运、海气相互作用、渗流、滑坡、泥石流、河流泥沙运动、水环境、水体污染、城市污染,并在各自领域取得了可喜的成果. 如:利用环境风洞和分层水槽,实验研究大气或水体中的污染物对流扩散,为核电厂设计、城市CBD规划,苏州河治理提供重要依据;结合长江口航道整治,珠江口治理,研究河口非恒定水流与泥沙输运,在河口海岸工程中发挥作用;建立二维坡面产流、产沙动力学模型,扩展到小流域,分析侵蚀的影响因素,给出土壤侵蚀临界坡度,为西部治理提供科学依据;揭示风沙(雪、尘)运动中的规律,提出新观点、新方法,创新了以往的风沙(雪、尘)运动研究的理论框架与研究手段,为风沙(雪、尘)害防治工程结构提供设计依据;研究了地球界面过程,模拟了有植被的大气边界层,分析结皮层对土壤水分运动影响及其生态效应;通过湍流模拟,获得波龄,稳定度对海气交换系数的影响,为气候模型参数化提供依据;用涡动力学研究台风异常路径,数值模拟台风浪、风暴潮灾害. 这些工作为服务国家战略以及我国经济和社会可持续发展做出了重要的贡献.

为了宣传在环境力学研究领域取得的成果、促进环境力学学科的发展,经与中国力学学会环境力学专业委员会协商,《力学学报》拟在2020年第3期出版"环境力学"专题,得到了该领域的多位专家学者积极响应并踊跃投稿. 经过有关专家认真审稿,确定10篇论文在本期发表,以便更多的科研工作者了解环境力学研究的最新成果.

海冰能直接封锁港口和航道,阻断海上运输,毁坏海洋工程设施和船只,对于寒区的船舶与海洋结构,冰载荷是主 要设计输入. 大连理工大学陈晓东等对渤海辽东湾沿岸的粒状冰开展了系统的巴西盘劈裂试验研究,试验表明巴西盘劈裂试验中海冰试样的破坏模式与试验结果均较为合理, 可成为海冰单轴拉伸强度的有效测试方法.

风沙运动导致的土地沙漠化是当今人类面临的一个重要生态环境问题,同时对沙漠地区工程设施造成严重的破坏. 中山大学包芸和习令楚将其创建的并行直接求解方法扩展到三维壁湍流风场的大涡模拟计算中,建立了新的用于三维壁湍流风场大涡模拟的高效并行直接求解方法,为大涡模拟计算研究高雷诺数的大气湍流风场提供了有力的工具. 兰州至新疆的兰新二线是世界上首条穿越大风区的高速铁路,为了降低大风对通行列车的危害以及铁路沿线的积沙这一工程问题,兰州大学辛国伟等基于大量的风洞实验和数值模拟计算,提出了铁路沿线、城镇等防沙治沙工程的优化措施. 王文博等以甘肃敦煌至青海格尔木铁路沙山沟段落为研究对象,数值模拟研究了风沙运动对位于沙丘背风坡的铁路路基工程和桥梁工程的影响,提出了能够减小风沙沉积对铁路工程危害的合理的铁路结构形式.

我国在多条河流上修建了大量梯级水库并形成梯级水库布局,梯级坝溃决诱发的洪水通常会大大超过单坝溃决洪水洪 峰. 北京理工大学黄灿等建立了梯级坝溃决洪水演进过程一维浅水动力学模型, 发展了一套能捕捉激波、干湿边界和保平衡结构的数值求解方法,研究了梯级溃的洪峰增强机制,并建立了一个梯级溃决洪水演进的单坝溃决等效模型,可望为流域防洪和梯级坝设计提供理论依据.

边坡稳定是岩土工程中的基本问题,近百年来岩土力学研究者与岩土工程师们持续不断地努力发展边坡稳定分析方法,以提高边坡稳定分析的准确性和便利性. 为适应水电站库岸堆积体高边坡和复杂软弱水工构筑物地基的稳定性分析,中国科学院力学研究所吴梦喜等提出了边坡稳定分析的虚功率法,为边坡和地基的稳定性分析提供了新的选择.

环境水动力学研究中,粗糙底床普遍存在于河流、湖泊、水库、河口以及近海等环境水体中, 上海大学樊靖郁等通过实验室环形水槽实验,测量得到不同砂质平整底床和存在离散粗糙元床面条件下,泥-水界面物质交换通量和有效扩散系数的定量数据和变化特征,并采用参数化方法分析了无量纲控制参数变化范围内界面物质交换特性的主导机制. 而在水动力学条件作用下,污染底泥再悬浮使大量污染物被重新释放出来,造成水体的二次污染. 中国科学院力学研究所程鹏达等基于水槽实验研究提供的大量实测数据,建立了上覆水体-底泥-污染物的耦合力学模型,研究了水动力学条件与底泥污染物释放规律的定量化关系,可为构建湖库区域水污染模型提供支撑.

由于工业化的飞速发展, 雾霾和沙尘等天气的频繁出现,污秽颗粒在大气流场的作用下在绝缘子表面沉积,容易发生污闪事故,严重影响着电网的安全运行. 苏州大学毛东等对高压绝缘子污闪发生的主要过程--绝缘子的动态积污和表面电场畸变过程进行了耦合分析, 获得了绝缘子表面的非均匀积污层分布,并对非均匀积污层分布的绝缘子串进行了电位及电场分析.

滑坡滚石灾害是西部山区常见的地质灾害类型,是山区地质灾害预测和防治工作的重点和难点. 兰州理工大学魏新容等基于颗粒接触理论,考虑影响斜坡滚石碰撞过程中的随机因素,建立了用于预测斜坡滚石颗粒碰撞后速度的理论模型,并根据冲量及冲量矩定理建立滚石颗粒碰撞基本方程,得到斜坡滚石颗粒碰撞后反弹速度的解析解.

最后,感谢《力学学报》编辑部对环境力学的支持!也特别感谢所有论文作者以及审稿专家对本专题出版的重要贡献和大力支持!

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