泥沙专家——窦国仁院士

百科   2024-12-19 07:21   陕西  
窦国仁院士





窦国仁于1932年11月16日出生在辽宁省北镇县,满族人。1951~1956年受交通部选派,在苏联列宁格勒(现圣彼得堡)水运学院水利工程系学习,获优秀水运工程师称号。1956~1960年在列宁格勒水运学院水利工程系做研究生,从事水力学和泥沙运动力学研究,期间于1959年获技术科学副博士学位,1960年获技术科学博士学位,博士论文为《泥沙运动及河床稳定》。1960年回国后分配在水利电力部、交通部南京水利科学研究所(即现水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院)工作,直至2001年5月22日在南京逝世。期间于1960~1979年任工程师,1980~1983年任高级工程师、副所长,1983~1993年任南京水利科学研究院院长、教授级高级工程师,1991年当选为中国科学院院士,1994~2001年任交通部技术顾问,南京水利科学研究院名誉院长。

窦国仁教授曾担任国务院学位委员会水利学科评议组召集人、中国海洋学会副理事长、中国海洋工程学会理事长,以及清华大学、北京大学、河海大学等高校兼职教授。他先后被授予交通部、水利电力部和江苏省劳动模范称号,当选为第六届、第七届和第八届全国人民代表大会代表。


窦国仁教授以其对泥沙科学与河流动力学的原创性科研成果和对国家重大水利及河港工程的杰出贡献,获得多项科学技术奖励。其中 :1985年以“葛洲坝二、三江工程及其发电机组”项目获国家科技进步奖特等奖,1987年以“河床紊流的随机理论及其应用”项目获国家自然科学奖二等奖,2007年以“长江口深水航道治理工程成套技术”项目获国家科技进步奖一等奖,1995年和1998年以“黄河小浪底枢纽泥沙问题研究”项目和“河口海岸泥沙数学模型研究”项目分别获水利部科技进步奖一等奖,以及多项其他科学技术奖项。窦国仁教授还获得何梁何利基金2000年度科学技术进步奖。
窦国仁在列宁格勒水运学院师从马卡耶夫教授从事紊流力学方面的研究 。1954年中国交通部部长王首道访问苏联,在看望中国留学生时说道:中国港口航道淤积很严重,并叮嘱窦国仁多学些泥沙方面的知识。于是,马卡耶夫教授指导窦国仁把研究方向从紊流力学转向泥沙研究,从此窦国仁与泥沙研究结下了不解之缘。
在苏联列宁格勒水运学院水力学实验室

四十余年里,窦国仁参与了长江三峡工程、葛洲坝工程、黄河小浪底工程、长江口深水航道治理工程等许多国家重大工程中泥沙问题的研究,为这些工程的建设做出了重要贡献。同时,结合这些工程凝练科学问题,开展了泥沙基础和应用基础研究,取得了杰出的科学成果。其贡献与成果大体可以概括为以下三个方面。

一、全面系统地发展了泥沙运动理论



窦国仁对泥沙运动力学中的重要科学概念和理论与方法进行了深入的研究,提出了具有创新性和开拓性的成果。他阐明了泥沙颗粒沉降阻力与分离角的关系,从而建立了同时适应粗、细颗粒泥沙沉降速度计算的统一公式 ;他研究了床面泥沙颗粒的受力情况,从理论上导出了粗、细颗粒泥沙的起动流速公式 ;他通过对泥沙运动的动力分析、随机分析和能量分析,导出了挟沙能力公式,并进一步得出了不均匀输沙的挟沙能力公式 ;他提出了河床最小活动性假说,并基于此导出了平原冲积河流和潮汐河口河床形态有关公式 ;他建立了河流与潮流非饱和输沙方程式,为发展潮流河口一、二维泥沙数学模型奠定了基础 ;他导出了更具一般性的固液二相流连续方程、运动方程和能量方程 ;他提出了最大含沙浓度与颗粒级配有关的概念,从而得出了高含沙水流基本特性和基本运动规律的关系式。他的上述成果,特别是非恒定不平衡输沙方程式、泥沙起动和沉降统一公式、平原冲击河流和潮汐河口的统一河床形态方程等均得到了比较广泛的应用。




二、创建了河流工程全沙物理模型并成功应用



河工物理模型一直是窦国仁进行泥沙研究的重要手段。早在20世纪60年代,窦国仁就进行了模拟悬沙运动的物理模型的研究,并在青山运河减淤、钱塘江河口治理、射阳河闸下游淤积、改善长江口航道等许多实践中成功应用。
1970年钱正英部长任命窦国仁为葛洲坝工程(当时称三三O工程)坝区泥沙试验研究的技术负责人,窦国仁在武汉建立了葛洲坝悬沙物理模型,并得出初步成果。然而,当窦国仁等于1972年在北京向周恩来总理汇报时,周总理表示:对只研究悬沙情况很不放心,指示要加强包括底沙在内的全面综合研究。周总理的指示对窦国仁来说是一个重大的科学技术挑战。因为:①长江中游泥沙颗粒级配分布很广,最细千分之五毫米以下,最粗达200毫米以上,粗细相差达四万倍 ;②在坝区既有悬沙和异重流淤积,也有底沙和卵石淤积 ;③不可能分别按悬沙、底沙、卵石建立三个模型,因为河道中各种运动的泥沙是一个统一的整体,相互影响、相互制约,单独对某一部分泥沙进行试验显然不能反映真实的情况 ;④倘若在同一个物理模型中同时复演悬沙、异重流、底沙和卵石的运动规律,技术上有很多难关,特别是时间比尺问题,悬沙试验的时间比尺一般为几十比一,而底沙试验时间比尺一般为几百甚至上千比一,在技术和理论上均无先例。面对这一挑战,窦国仁带领他的团队决心“走前人没有走过的路,攀登科学技术高峰,让敬爱的周总理放心”,决定在一个模型中进行各种泥沙综合试验,即全沙物理模型试验。在深入进行理论分析和试验的基础上,经历了多次挫折和失败,终于在时间比尺、相似性和模型设计等关键问题取得突破,使模型中的悬沙、异重流、底沙和卵石的运动规律、各种粒径泥沙的淤积部位和淤积数量,在定性和定量上的试验结果与现场实况基本一致。他利用葛洲坝全沙物理模型,进行了南津关峡谷段河道整治、大江与三江航道布置、电厂上下游淤积和减少粗砂过水轮机问题、坝区河势规划等几十个方案的水流和泥沙条件的对比试验,为葛洲坝设计提供了重要的科学依据。
继成功建成葛洲坝全沙物理模型之后,窦国仁又建成了世界上最大的长江三峡工程全沙物理模型,在模型中复演了长约200公里河段中悬沙、底沙和卵石的运动规律及冲淤变化,为在长江三峡工程可行性论证中研究三峡工程各水位方案的泥沙淤积情况、淤积对航道与港口的影响及解决对策、变动回水区的淤积情况等提供了水流和泥沙方面重要依据。
河工全沙物理模型的建立,极大地拓展了泥沙物理模型的研究能力,为泥沙研究开拓了一条新的技术途径,受到国内外的高度评价,并获得国家1985年度科技进步奖特等奖。




与严恺院士等在三峡工地(左一)

三、创建了河床紊流随机理论



紊流是速度、压强等物理量在时间和空间中发生脉动的流体运动,又称湍流。在自然界的水体和大气流动几乎都属于紊流运动范畴,研究紊流有重要的应用价值和科学意义。自1883年O·雷诺发表了他观测层流及紊流流态的论文,并于1894年推导出紊流时均流动的基本方程 — 雷诺方程式以来,在紊流理论研究和实践两个方面都有了一定进展,但至今还没有形成严格和统一的紊流理论。目前,在解决实际紊流问题时,通常采用所谓统计理论或半经验理论,但统计理论目前(包括20世纪50年代中国科学家周培源提出的漩涡结构理论)只能适应在工程实践中极少遇到的均匀各项同性紊流,而半经验理论不能深入揭示紊流内部的脉动结构,因而也难以深入和清晰地解决实际紊流问题。窦国仁的贡献在于,他利用统计理论阐释半经验理论所获得一些成果,进而得出关于紊流内部结构的论述,并从这一视角出发,提出了河床紊流随机理论。窦国仁的紊流随机理论由紊流随机模型、壁面绕流机理和紊动发生几率三部分组成。根据随机模型可以导出脉动流速相关矩和谱密度等 ;根据壁面绕流(糙率绕流)机理分析,纠正了关于出现光滑区、过渡区和粗糙区的传统概念,指出他们的出现并不是由于壁面层流对糙率的隐蔽(淹没)程度不同所引起的,而是由于紊流绕过壁面糙率时是否发生分离和分离的程度引起的 ;主要根据紊流随机发生概率,导出了在明渠与管道水流中适应于对数层、过渡层、黏滞层、紊流光滑区、过渡区、粗糙区和层流、层流向紊流过渡、充分发展紊流等各种情况下的流速分布和阻力系数的统一公式,使著名的尼古拉兹阻力系数图得到了理论概括。紊流随机理论对明渠及管道水力学计算、紊流力学的发展、泥沙运动、渗气水流运动规律、减阻流运动规律、污染物质输移和扩散规律等研究,提供了可靠的理论依据,并对这些领域的生产实践有重要的、普遍的指导意义。紊流随机理论是一项具原创性的重大理论成果,使我国在这一领域的理论研究走在世界前列。



在南京水科院接待国外代表团 ( 前排左一为黄胜,左三为窦国仁,左五为严恺 )


窦国仁教授在短短的40余年间,以其出色的科学研究,发展了泥沙运动理论、紊流随机理论、全沙物理模型的相似理论、波浪潮汐水流泥沙数学模型理论等,在泥沙科学领域做出了杰出的科学成果 ;为解决葛洲坝水利枢纽、长江三峡工程、长江口治理工程、黄河小浪底工程以及钱塘江河口治理等国家重大水利工程的泥沙问题做出了重要贡献。窦国仁教授为我们展现了一位在新中国成长的杰出科学家的成功之路,给了我们多方面的启示。在我看来,以下三方面的启示是尤其令人敬佩和追循的。

第一,他在学生时代就确立了要报效祖国的人生理想。
他在“自述”中写道:“出国之前,周总理叮嘱大家说:‘国家正在初建时期,经济还很困难,但是毛主席、党中央还是派你们出国留学。你们是新中国的青年,一定要学好建设祖国的本领,为国争光,千万不要辜负党和人民的希望。’周总理讲完话后到各桌祝酒,见到我时说:‘你这个小鬼也出去呀!’我紧张地回答说;‘是,我也去。’我暗下决心,一定要抓紧时间尽最大力量学习,不辜负总理的厚望。”值得特别指出的是,他把崇高的人生理想融入了自己的泥沙科学事业中,使事业成为飞扬理想的载体,而理想成为推动事业的动力,正是这两者的完美结合,使他在泥沙科学领域始终求索,执著追求,达到了他人生的光辉顶点。

第二,他找到了一条正确的科学研究之路。

沿着窦国仁教授科学研究的足迹我们看到 :20世纪60年代,他在研究射阳河挡潮闸下游淤积、青山运河淤积等问题时,提出和发展了模拟悬沙运动的物理模型 ;20世纪70年代他研究钱塘江河口治理与长江口深水航道治理的泥沙问题时,发展了河口海岸泥沙数学模型 ;20世纪70年代至20世纪80年代,他在研究长江葛洲坝枢纽泥沙问题时,首创了全沙物理模型,并在研究长江三峡工程变动回水区长河段淤积问题时进一步完善和发展了河道二维全沙数学模型 ;20世纪90年代,他在研究黄河小浪底水库泥沙问题时,建立了高含沙水流输沙公式和模型相似率 ;而河床紊流的随机理论及其应用,则是他从在苏联学习时期就开始思考,并结合数十年大量工程实践的启示而得出的原创性理论成果。这条闪光的足迹让我们领悟到 :正确和高效率的科研道路,是一条任务带学科之路,是问题导向之路,是最能启迪思维、激发潜能之路。这是窦国仁教授留给我们的一份宝贵科学遗产。

第三,聪慧与勤奋是他成功的保证。

如果说人生理想与事业道路是在科学上取得成功的充分条件,那么聪慧与勤奋则是取得成功的必要条件,这就如同在证明一个数学定理时所必须具备的“充要条件”一样,窦国仁是具备了这些条件的。窦国仁家境贫苦,只断断续续念过三年半小学和一年半初中,凭着这样的学历勉强考入高中时,还要在北京早市摆小摊维持生计。然而他以全校第一名的成绩高中毕业并考入清华大学电机系。他以考生的最高分考取赴苏留学资格并受交通部派遣赴苏联列宁格勒水运学院学习,他在苏联大学时期的全部学科成绩均为满分(5分制),他因副博士学位论文达到了博士学位论文的科学水平而提前一年取得博士学位。这些已足以证明他的聪慧了,然而,聪慧的潜能是只有通过勤奋才能发挥出来的。窦国仁回忆在苏联的学习时说:“我决定一天当两天用,抓紧时间学习,一天学习时间常达到18个小时。”他的苏联同学回忆说:“从宿舍到学校步行要40分钟,他总是步行去学校,一边走一边背俄文单词,有一天到达学校更衣室时,竟然发现帽子在路上不翼而飞了。”从20世纪70年代到90年代,窦国仁先后担任南京水科所副所长和南京水科院院长,工作之忙可想而知,窦国仁便如同从海绵中挤水那般地挤时间做研究工作。他回忆道:“为了解决某些理论上的关键问题,有时走路、吃饭以及做家务时也在思考。白天没有时间,我就利用晚上和夜里研究。在验证三三O模型试验时,有时夜里索性不睡觉,等有空再多睡。”他深有感触地说:“每取得一点微小的进步,都要付出艰苦的劳动。”哲学家康德曾说“成功等于智慧加勤奋”,窦国仁教授的研究历程当是最好的诠释了。


我与窦国仁教授接触并不多,但有一件事令我印象深刻。那是1990年初我创刊《水科学进展》的时候,邀请他担任编委并负责泥沙稿件终审,他欣然同意。那天在他办公室谈得十分投机,他说道:“严肃的学术期刊,不仅记载高水平科学成果和提供学术交流平台,更担负着对科学的引领重任,我赞成你们用Water Science,而不用Water Sciences,少一个‘s’更体现了《水科学进展》的抱负和对水科学的引领作用。”他的这一看法与施雅风先生的看法完全一致,我当时心中激动并震撼:“真是英雄所见略同!”
他们都是《水科学进展》的知音啊!在后来的编审工作中,他从未推辞过请他审评的稿件,而且极为认真和详细,深得编辑部同志的敬重。大河奔流,携带着来自千重山、万条川的泥沙,它们大多随着波涛汇入大海了,只有那些坚硬、硕大的花岗岩卵石,才永恒地留在了河床里,存在河流的记忆中。
2011年我在考察黄河源头时,来到青海省贵德黄河边,在那里见到了许多来自喜马拉雅山系而沉留在河床里的巨石 — 黄河石。他们是黄河气势和精神的象征。我曾想 :用钱宁、方宗岱、窦国仁等泥沙科学大家的名字为这些自然天成的黄河石命名,该是多么美妙的自然与科学的结合啊!
本文原载《水科学进展》. 2002,13(4).  南京水利科学研究院胡又同志提供资料 ;参阅了《水利水运工程学报》2001年第2期专题文章“深切悼念窦国仁院士” ;窦国仁院士女儿窦希萍教授提供照片。)


来源:《江河之子——献给20世纪大禹传人》 刘国纬著

水土保持之点滴
转发和编辑水土保持及其相关的内容。
 最新文章