封面说明    本期出版了环境力学专题, 封面图片展示了小湾水电站荒田滑坡涌浪事件的模拟结果, 底图来自于谷歌地球网站. 应用基于Navier-Stokes方程的无网格Smoothed ParticleHydrodynamics方法, 实现了2009年小湾水电站荒田滑坡涌浪事件的三维模拟复现, 揭示了峡谷型水库中涌浪产生和传播的特点. 相比传统的滑坡涌浪模拟评估技术, 无需复杂的参数调整即可准确模拟复杂河道、水库和海湾中的各类滑坡涌浪问题, 对滑动条件、地形等影响因素适应性较强, 可以用于各类滑坡涌浪灾害的模拟和评估(详见石传奇等人文: 104706).

　　这一期环境力学专题是由2014年秋在天津召开全国环境力学大会上的6篇邀请报告组成的, 是作者们围绕自然环境中的流动和输运这个核心科学问题^[1], 结合我国具体的环境问题所开展的研究和新成果, 其内容涉及反常扩散、水质、水土耦合和城市大气环境等诸多方面.

　　关于反常扩散的综述讨论物质在随机、非均匀、非各向同性、分维结构介质中的输运现象, 它在湍流、

岩土介质渗流等自然环境流动中十分普遍. 由于传统的Fick定律不再成立, 这就是所谓的“反常扩散”. 评述《反常扩散: 分数阶导数建模及其在环境流动中的应用》作者以幂函数为积分核定义了分数阶导数, 阐述了分数阶导数扩散方程建模的研究进展及其物理意义.作者着重介绍了分数阶导数扩散方程数值方法的若干进展及其在水体环境领域中的广泛应用, 并列出了仍具挑战性的研究课题.

　　关于水质问题, 论文《水体泥沙污染物起动再悬浮释放的物理过程和影响因素》的作者主要通过实验研究分析了水流与泥沙颗粒间的物质交换, 包括: 底泥向水体静态释放污染物和悬浮泥沙颗粒/水体间的动态交换, 后者大致可以分为三个阶段: 起动初期, 泥沙颗粒主要解吸或释放污染物; 悬浮沉降交替期, 泥沙颗粒虽处于吸附状态, 但孔隙水可释放污染物, 总释放通量时正时负; 悬浮沉降平衡期, 泥沙颗粒吸附污染物. 实验还发现, 水流速度、泥沙浓度和污染物浓度分布间的相关性. 论文《巢湖污染物输运特征及其受风力影响的数值研究》研究我国大型湖泊的水质问题, 并以安徽省巢湖为例, 着重研究风生环流对污染物对流/扩散和水质的影响. 作者以从西湖区进入东湖区的水量和高于10%浓度的相对湖区面积为指标, 分析了巢湖风生环流、水量交换和污染物分布的基本特征. 研究表明风向、风速和持续时间通过所产生的风生环流改变污染物输运, 从而影响水质.

　　关于水土耦合问题, 论文《明渠挟沙水流双层积分模式的双曲性分析》关注水流与土体有强相互作用的水动力学问题, 分析了针对挟沙水流问题的双层积分模型方程的数学性质, 结合溃坝波和水库异重流等两类典型的强分层挟沙水流, 比较了单一系统和两个降阶的双曲性系统的特征值, 发现两者虽有定量差异, 但在所关心的参数域内, 仍能保持方程的双曲性, 这也表明在物理上不会发生Kelvin-Helmholtz失稳现象. 作为工程应用, 水库异重流将显著增加清水泄流量、水库排沙比, 从而减少水库泥沙淤积.论文《滑坡涌浪的三维SPH模拟方法及实例应用》研究了岩土体冲击水体引起的滑坡涌浪问题, 这是在我国西南地区多发的次生地质灾害. 作者建立了适合于描述自由水面的光滑粒子流方法(SPH)^[2], 复现了小湾荒田水库的涌浪事件, 模拟结果与首浪观测数据进行了比较, 发现在V型河谷中首浪受地形影响显著, 远处涌浪波幅远小于首浪, 二维模型的结果往往会高估涌浪参数.

　　关于大气环境的论文, 论文《现代城区热环境与污染物扩散的大涡模拟研究》的作者专门针对具有密集高耸建筑群的北京CBD地区, 用大涡模拟方法模拟晴天中午典型对流条件下的流动、热量/质量输运, 分析了建筑群走向的峡谷偏转效应, 影响大气和墙面温度的因素. 通过与中性边界层比较, 表明浮力对流将明显抬升羽流, 对扩散城市冠层中的污染物有利.

　　本专题虽然只有6篇论文, 也可从一个侧面反映了近年来我国环境力学这门新兴交叉学科的研究方向和若干进展, 说明力学工作者的思维模式和研究方法是有助于描述环境演化、阐释物理机理和获得定量规律的^[3], 将在未来进一步深化环境问题的研究中得到发扬光大. 同时, 上述每个领域的具体研究成果与结论也可供同行学者今后研究该环境问题时参考.

李家春

中国科学院力学研究所

参考文献

1. Reible D D.Fundamentals of Environmental Engineering. Florida: Lewis Publication, 1999

2. Sigalotti LD G, Jaime Klapp, Eloy S. Computational and Experimental Fluid Mechanics withApplications to Physics, Engineering and Environment. Switzerland: SpringerInternational Publishing, 2014

3.  Li J C, LiuQ Q, Zhou J F. Environmental mechanics research in China. Adv Appl Mech, 2003,39: 218-309

自然环境中的流动和输运

李家春

中国科学: 物理学力学天文学, 2015, 45(10): 104701 | doi:10.1360/SSPMA2015-00426

反常扩散:分数阶导数建模及其在环境流动中的应用

孙洪广, 常爱莲, 陈文, 张勇

中国科学: 物理学力学天文学, 2015, 45(10): 104702 | doi:10.1360/SSPMA2015-00313

水体泥沙污染物起动再悬浮释放的物理过程和影响因素

朱红伟, 王道增*, 樊靖郁, 钟宝昌

中国科学: 物理学力学天文学, 2015, 45(10): 104703 | doi:10.1360/SSPMA2015-00277

巢湖污染物输运特征及其受风力影响的数值研究

陈苑盈, 刘青泉

中国科学: 物理学力学天文学, 2015, 45(10): 104704 | doi:10.1360/SSPMA2015-00187

明渠挟沙水流双层积分模式的双曲性分析

李季, 曹志先, PENDER Gareth, 刘青泉

中国科学: 物理学力学天文学, 2015, 45(10): 104705 | doi:10.1360/SSPMA2015-00177

滑坡涌浪的三维SPH方法模拟及其工程应用

石传奇, 安翼, 杨家修

中国科学: 物理学力学天文学, 2015, 45(10): 104706 | doi:10.1360/SSPMA2015-00280

现代城区热环境与污染物扩散的大涡模拟研究

李海锋, 王博斌, 崔桂香, 张兆顺

中国科学: 物理学力学天文学, 2015, 45(10): 104707 | doi:10.1360/SSPMA2015-00314

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