江恩慧：遨游在神奇的泥沙王国

邓红

黄河是举世闻名的多沙河流，古人常以“黄水一石，其泥六斗”、“九曲黄河万里沙”等语言描述黄河多泥沙的天性。黄河多年平均输沙量为16亿吨。如果把黄河的16亿吨泥沙堆成高、宽各1米的土堤，长度为地球到月球距离的3倍，可以绕地球赤道27圈。由此可见，黄河含沙量之高、泥沙总量之大，在世界上是绝无仅有的。

虽然黄河泥沙一个个颗粒很细小，但是，这些细小的泥沙聚在一起能量却很大，每年约有4亿吨淤积在下游河道，使黄河河床每年以10厘米的速度抬高，导致黄河下游成为地上“悬河”。黄河的泥沙淤积问题一直是世人关注的焦点，迄今为止仍未得到根本解决。江恩慧从大学毕业从事黄河泥沙研究工作那天起，就把泥沙作为她科学研究的主攻项目。她孜孜不倦地苦心钻研、探索实践、开拓创新、不断前进，一干就是20多年，取得了多项重大研究成果，并肩负起黄河水利科学研究院副院长、水利部黄河泥沙重点实验室主任、国际大坝委员会水库泥沙专业委员会主席等多个要职，成为国内外知名的泥沙专家。

人造“小黄河”：

研究黄河泥沙的起跑线

谈起怎样与黄河泥沙结下了不解之缘，江恩慧说，那得从刚参加工作时谈起。

1986年，江恩慧大学毕业走进黄河泥沙研究的殿堂，她接受的第一项任务是参加“六五”国家攻关项目“浑水灌溉”试验。她随同项目组的老同志段学琪工程师一起到人民胜利渠现场野外测验，时值盛夏，骄阳似火。她行走在窄窄的拱桥上，手握着沉重的螺旋桨流速仪，又累又热，脸晒得黝黑。因为这是第一次把大学学的理论知识与实践相结合，所以，她觉得虽苦犹乐，别有一番情趣。

经过几个月的野外试验和实地观测，有经验的老科研工作者提醒江恩慧，由于渠首闸前河势游荡摆动很厉害，再加上河床的抬高，引水造成很多粗颗粒泥沙入渠，引黄灌溉出现了一些新情况、新问题。比如，沉沙池已经淤满，难以发挥有效作用，导致干支斗渠渠系严重淤积；再如，粗沙入田后造成土地沙化，渠系清淤泥沙会带来生态问题等。江恩慧边听边记边思考，她花费了两个多月的时间，查找资料，探究50年代的黄河河势及修建人民胜利渠初期的入渠入田泥沙颗粒级配情况，认真对比分析，编写了一篇她认为称不起文章的小报告，交给了项目组组长、高级工程师张永昌。1987年，江恩慧回家过完春节回到单位后得知，她的那篇短文竟被黄河勘测设计院作规划时采用了，还给她发了“辛苦费”。她真是喜出望外，初尝到科研的乐趣，从而更坚定了她从事泥沙研究工作的信心。她感慨地说，年轻人，或许就是那么一点儿小小的鼓励，就可能促使你迈出一大步！

江恩慧说，正当她满怀信心地奔波在人民胜利渠的浑水灌溉试验与观测场地之时，1988年春节前，和她同年分配到黄科院的研究生张红武约请她共同参与输水输沙及河道整治工程防护等模型试验研究工作。对她来说，这绝对是一个人生道路和科研工作的转折点。她坦率地对记者说，说实话，起初真的不想去，主要原因是在学校学的是农田水利工程，当时担负的任务又同自己所学的专业紧密相关，而模型试验需要深厚的泥沙专业知识，这不是自己的强项。张红武反复劝说，举例中外知名水利专家学者大都从事过模型试验研究。1923年，德国累斯顿大学教授恩格斯首次把黄河搬进实验室做黄河丁坝试验；1933年和1934年，中国先后派出李赋都和沈怡两位知名学者赴德国参与汉诺夫大学方修斯教授进行的治导黄河试验；李保如、屈孟浩等老一辈黄河泥沙专家都对黄河模型试验作出过重要贡献。我们要传承老一代泥沙专家无私奉献的精神，开创黄河模型试验新局面。江恩慧觉得张红武说得有道理，就接受了这个新的挑战。

这是挑战更是机遇。随即开展的花园口至东坝头河道动床模型，为江恩慧提供了一个稳步成长的平台。花园口至东坝头河道模型，就是把这个河段的黄河搬进实验室，在被浓缩了的“小黄河”上观测这个河段黄河水沙运移过程中下游河道沿程的水位、河势、含沙量、床沙变化及河道工情险情分析等，通过对黄河自然形态的反演、试验，为防洪及河道整治提供科学依据。

经过几年的艰苦努力，花园口至东坝头河道模型终于建成投入运用，并不断完善提高，取得了多项试验成果。随着时间的推移、人员的变动，江恩慧也由参与逐步转换成为主持人的角色，并陆续在该模型和后期建成的小浪底至苏泗庄河道模型上开展了百余组试验，试验成果均被主管部门采用，为河道整治及防洪决策提供了支撑。江恩慧说，最令她难忘和感到自豪的是1996年在花园口至东坝头河道模型上所做的那次洪水预报试验。

江恩慧介绍说，20世纪90年代，黄河下游持续的泥沙淤积抬高使黄河防汛形势日益严峻，部、委领导决定让他们在模型上开展洪水预报试验。1996年汛前，他们根据当年的预报，预测来水来沙过程，然后在模型上施放，看不同洪水情况下黄河下游滩区的漫滩情况。那时的黄河下游河道“高滩不高”的局面已相当严重，但遇到一定量级的洪水滩区会出现什么情况，由于多年没来大水，地方政府、防汛部门、沿黄群众谁心里也没个数。尤其是老百姓，总认为黄委会净给大家找麻烦，危言耸听。做这次模型试验就是要看看不同洪水时哪种情况会漫滩，漫滩的程度有多大，为防汛部门做防汛预案提供参考数据。所以，这次试验大家都很关注，黄委及有关部门领导全来了，一些市县河务局长、防办主任也来了，试验大厅站满了人。他们先从1000立方米每秒流量开始放水，慢慢往上涨。当放到6000立方米每秒时，双井工程上首原阳高滩边沿的一个“路堤”开始破口，滩区开始大量进水；当水涨到8000立方米每秒时，整个原阳高滩全部是水，高滩上的居民和土地全部被淹掉。试验实况使大家感到震惊，有不少人持怀疑态度，不相信6000多立方米每秒的洪水会上到原阳高滩上。送走客人，江恩慧针对质疑沉思起来。团队负责人张红武也提醒她：“你再仔细想想整个操作过程，看有没有失误的地方，试验结果对不对？” 她的压力外人难以理解，部长在等着试验成果，面对这样一个试验结果，防汛工作如何部署？她仔细回顾了放水之前的整个操作过程和试验流程，每个步骤都是严谨的，不会有错。于是，她坚定地说：“没问题，就这么报！”

没想到当年8月5日那天，真的来了大洪水，洪峰流量达7680立方米每秒，恰巧洪水在6000立方米每秒时在原阳高滩、开封高滩漫滩了。洪水上滩的部位、漫滩的范围、有可能出险的控导工程及部位、出险的形式等，与模型试验结果非常相似。实际上，河南黄河河务局在洪水来临之前已经按照模型试验结果，对几个关键工程进行了加高培厚，有效避免了一场工程出大险的洪灾。大家都口服心服了，有人夸赞说，模型试验真为防洪抗灾立了大功。

江恩慧说，如今，在各级领导的关怀帮助下，黄河模型试验有了长足发展，除了一些小型、局部河道模型外，又建成了三门峡库区、小浪底库区、黄河下游河道三座大型河工模型，为三门峡、小浪底水库运用方式的研究、桃汛洪水冲刷潼关高程、调水调沙、下游防洪、二级悬河治理、河道整治等治黄实践提供了强有力的科学支撑。黄土高原模型、河口治理模型、基础研究模型等都在积极建设中，“模型黄河”正在朝着系统化、标准化、规范化的目标迈进！

一次次的成功，一项项的成果运用于治黄实践，不仅增进了深入研究黄河泥沙问题的信心，也增进了她对母亲河的深厚感情。老部长杨振怀曾多次到模型上视察，每次都认真地与江恩慧讨论治黄的一些重大问题，他曾经鼓励江恩慧说，看得出你对黄河很有感情，努力吧！

黄河下游游荡性河段：

攻关破难的主战场

黄河下游游荡性河段，河床宽浅，水流散乱，主流变化无常，常发生横河、斜河，顶冲堤防、险工，造成重大险情，威胁防洪安全。因此，多年来江恩慧一直把主攻的目标集中在黄河下游游荡性河段，深入研究其输沙特性、冲淤演变以及粗泥沙、高含沙对河道的影响，从战略高度的视角深层次分析研究游荡性河段黄河水沙冲淤演变中出现的一些奇特现象的机理，取得了新的突破。江恩慧主编的《黄河下游游荡性河段河势演变规律及机理研究》一书，对这项研究作了翔实的总结。

《黄河下游游荡性河段河势演变规律及机理研究》深入探讨了黄河下游游荡性河段河床演变的一些奇特现象，揭示了“河性行曲”、“河床演变关联性”、“畸型河湾”发生发展的机理。中国工程院院士韩其为评价说：“该书研究成果丰富了河流泥沙工程学、河床演变学等学科，为河道整治方案确定探索出了较全面的研究分析方法，更为重要的是这些成果为今后黄河下游游荡性河道整治及其有关经验和数据提供了理论支撑。本书有很大的现实意义和前瞻性，必将对黄河下游河道整治工作产生深远影响。”

拜读这部著作，记者似懂非懂，曾数次约请江恩慧作解读。但每次记者如约来到她的办公室后，都因她公务繁忙谈不了几句话就中断了，最后只好放到下班后的休息时间。那天晚上，江恩慧用了整整两个半小时，对记者感兴趣的几个问题作了通俗易懂的解读。对于“河性行曲”，江恩慧说这就是河流的一种自然现象。为了更清楚地解释天然河流自然弯曲机理，她假定天然河流都从顺直状态开始，河流为水体在河道内的运动，自河流形成的那一刻，水体运动必定要与河道物质相接触，河道边壁上任一微小突起或泥沙颗粒的扰动都将使水流发生局部急剧的减速，继而出现分离，产生分离漩涡；即使边壁的几何形态是平滑的，也会由于河床物质的不均匀性或同种河床物质在不同部位沉积特性的不同，使河岸边壁存在抗冲强度上的不均匀性，在水流拖曳力作用下，抗冲性较弱部位率先发生淘刷，形成凹陷，促使水流发生分离或形成漩涡。在分离漩涡的生成、脱离以及破碎、衰减周而复始的过程中，来自主流的动能将不断地转变为功而耗散。漩涡在近边壁区生成、脱离和破碎的过程中，在强烈的紊动猝发、大尺度涡动的“脱举”和“解体”控制之下，必将对粗糙壁面上的糙元——泥沙颗粒进行毫不留情的“挖掘”、“脱离”、“喷射”、“清扫”，也就是说涡核在解体的同时形成的负压抽吸、挟持边壁上的泥沙颗粒进入水流。如此反复、持续不断的作用结果，将逐渐形成“犬牙交错”的边滩。随着“犬牙交错”边滩的形成，边壁区的水流流态发生变形，出现类似于边壁突然变化的渠槽。水流经过此区域，必定产生分离，使边壁区立轴环流又开始逐步发育，更进一步加大了从边壁区搬运泥沙的力度，也进一步促进了“犬牙交错”的边滩向弯曲性河道雏形状态发展，从而逐步发展进入弯道环流状态。“河性行曲”是河流的共性，对这一规律及机理的认识为黄河下游微弯型方案治理提供了理论基础。

江恩慧见记者听得入了迷，又讲了一个泥沙动力学破案的故事。她说，数年前，黄委办公室有位负责同志打电话说有件事要咨询她。她去了之后，那位负责人说是郑州市公安局为侦破一个案件，想请一位泥沙专家帮忙做个水槽试验。因为被害人的尸体是在原阳的黄河滩地上发现的，现在抛尸的具体地点确定不了，案发地是郑州还是开封定不下来。听说黄河的水沙情况复杂，从此处抛投下的物体，就要到上游去找，不要去下游找。弄得侦破人员一头雾水，并买来一头大肥猪做试验，仍得不出定论，为此他们想出钱请一位泥沙专家做一项水槽试验。江恩慧回答说，这事用不着我去，也用不着花昂贵的试验费，我派两位助手赵连军、李军华去就足矣。他们到公安局看了介绍案情的幻灯片后，依据泥沙动力学原理，分析推断说抛尸地点不是在北岸的原阳，而是南岸郑州北郊的马渡工程某道坝上，尸体是顺水流漂到对岸在河滩上搁浅。破案之后，果真是他们说的那个抛尸地点。为此，公安局还送来了一封很长的感谢信表扬了两位同志。

记者听后感慨地说，这真是太神奇了。江恩慧解释说，其实道理很简单，就是河流动力学弯道环流基本原理。记者听后折服了，这泥沙还真有研究不完的学问呢！于是，记者又请江恩慧解读了记者甚感兴趣的畸型河湾、揭河底、洪峰增值等一些奇特的现象，使记者大开眼界。

近几年，经常看到黄河下游“畸型河湾”造成的重大险情的报道，记者想请江恩慧讲讲“畸型河湾”的形成及机理，为什么会出现畸型河湾。她说，其实很简单，就是水流强度与河床淤积物抗冲能力的博弈。畸型河湾的形成还是土质结构的问题，正常的水流本来是应该沿着它固有的流路蜿蜒前行，如果在某个地方有一个胶泥层的存在，水本来应该从这里穿过去的，可胶泥层的抗冲能力强，水就穿不过去。如果是大洪水，水可以从上面过去，或是整个把这块儿冲掉，水流也可以很规顺地过来。问题是现在我们遇到持续的小洪水过程，水流遇到胶泥层，水的冲击能力弱（胶泥层是极细沙淤积沉淀形成的），水必须沿着胶泥层的边缘走，持续冲刷胶泥层周围抗冲性很弱的其他河床物质，慢慢地就形成了畸型河湾。另外，黄河上经常看到的一个现象，就是胶泥层下边被水流陶刷以后出现悬空，形成一个悬壁，悬到一定程度后它的承重能力达到极限，就会轰然倒塌入河。很多人不了解黄河这一特殊现象，这一类的人员溺水事故多次出现。比如，有一年春天，几位郑州的大学生到黄河花园口游玩。他们正站在黄河边上观景，刹那间，脚下的泥层突然塌陷，年轻的生命随即掉进河中，根本来不及抢救。

与胶泥层紧密相关的还有黄河的另一奇观“揭河底”。“揭河底”是黄河上独有的一种高含沙洪水期河床剧烈演变现象，主要发生在黄河小北干流及渭河。“揭河底”现象发生时，河床在短时间内遭受强烈冲刷，河底成块、成片的淤积物从河床上被掀起，有的露出水面，然后坍落、破碎，被水流冲散、带走。由于“揭河底”现象形成条件比较特殊，可供研究的资料相当缺乏，是黄河科研的一大难题。江恩慧带领她的团队在水利部“948”技术创新与转化项目资助下，开展了黄河高含沙洪水“揭河底”机理的研究，系统分析了揭底河段前期河床淤积情况以及“揭河底”的表象特征，建立了清晰的“揭河底”物理图形，即胶泥块形成、胶泥块逐渐淘刷、胶泥块失稳揭出、胶泥块翻出水面四个动态过程，并首次通过室内水槽试验成功复演了真正意义上的黄河“揭河底”现象，使“揭河底”这一奇观在实验室里再现。目前，江恩慧带领她的研究团队对这一问题的研究并没有停止下来，通过国家自然基金项目以及水利行业科研项目的资助，利用薄膜式压力传感器等先进的传感器，他们对胶泥层底部水流形成的上举力作用机理正进行更深入的研究。正是由于泥沙无形的功能造出了这么多奇特的自然现象，才增加了黄河治理的难度。摸清了其形成的机理，就为有关部门提供了科学的数据，就会加快黄河治理的步伐。

关于洪峰增值，江恩慧说，2004年以来，黄河下游调水调沙中发生了洪峰增值现象，假如小浪底放出来的流量是2000立方米每秒，中间伊洛河、沁河加水又很少，到了花园口之后，一下子出现4000多个流量，这种现象就叫“洪峰增值”。为什么会出现这种现象？江恩慧说：“以前做花园口至东坝头模型试验搅拌系统设计的时候，读过苏联的《泥浆水力学》，又拜读过侯珲昌的《减阻力学》，我一下子就把他们联系起来了，这就是极细沙‘减阻。我相信水量是平衡的，它只要出现减阻现象，等洪水一过来，阻力减小了，后面水一下子就赶上来了。概念有了，如何验证呢？最好的办法就是数学模型。我们通过数学模型进行单因素分析，看看阻力减小的时候洪峰能不能增值，不同条件下增值的幅度有多大？数学模型计算结果一出来，全清楚了。水整个是平衡的，就等于把前面的槽蓄水量挖掘出来，后续来水推着把这股水往前叠加，这就出现了洪峰增值。”基于此，江恩慧团队又开展了理论研究、水槽实验，从力学层面揭示了洪峰增值的机理，提出了减小黄河下游洪峰增值的调控对策，在调水调沙小浪底水库调度方案制订中被采纳。自2009年开始，黄科院在调水调沙期间多次准确预报了下游河道的洪峰增值过程，为黄河下游防汛决策提供了重要参考。

泥沙研究工作在一般人眼中是件枯燥的事情，而在泥沙专家江恩慧眼中却是在神奇莫测的广阔天地“淘金”。她孜孜不倦地在黄河下游游荡性河段这个“富矿”中抱出了一个个学术价值极高的“金娃娃”，为黄河下游河道整治提供了强有力的科技支撑，为治理黄河作出了重大贡献。

黄河泥沙处理和资源利用有机结合：

开拓创新新途径

在长期的黄河泥沙研究实践中，江恩慧有收获、有成绩、有突破，也有困扰与启迪。困扰和启迪之一就是泥沙处理和资源开发利用的有机结合。近几年来，她一直在思考这个问题，她开始意识到不能一味地在水库里拦截泥沙，更不能无休止地在下游被动输沙入海；要另辟途径，变被动为主动，把取之不尽的泥沙作为资源开发利用，并将其转化为产品，为治理黄河和国家经济建设服务，为人民造福。基于这种认识，江恩慧和她带领的团队把研究的视角转向了泥沙的处理与资源利用有机结合上来。

江恩慧说，泥沙利用最重要的是认识问题，要更新观念、转变思路，建立泥沙资源利用新理念。泥沙资源利用的理念不是现在才提出来的，我们只是传承和发展了这种理念。

江恩慧介绍说，近几年来，她和她带领的团队在泥沙研究实践中提出了深水水库泥沙处理与利用有机结合的一些新理念、新技术，获得了多项国家专利，建立了一套适合不同河段泥沙物化特性的泥沙固结指标体系，开发了胶凝化系列产品，研制了系列新型生态建筑制品和防汛抢险材料，被列为水利部重点科研成果推广项目，并得到应用。

土地是稀缺资源。泥沙是流失的土地，也是不可多得的稀缺资源。淤背固堤、放淤改土，是泥沙利用的有效途径。结合这项工作的开展，放淤管道输沙经过不断的改良、创新，已经成为一项成熟的实用技术。根据黄河泥沙颗粒细等特点，黄科院研发了专用环保型固化剂，使黄河泥沙砖能够保持结构致密、强度高，并研制出泥沙蒸养砖、泥沙烧结砖、黄河抢险大块石等产品。特别是从2006年开始，他们在原阳、巩义、兰考等河段进行了抢险大块石试验生产及抛投，取得了很好的成效，既节省了大量天然石料，又满足了防汛需要。目前，他们还在继续跟踪监测应用效果。

江恩慧十分欣喜地对记者说，2012年7月21日，黄委“黄河泥沙处理与资源利用工程技术研究中心”正式挂牌成立，黄委主任陈小江出席仪式并揭牌。这标志着黄河泥沙处理与资源利用又向前迈进了一步，必将进一步促进黄河泥沙处理和资源利用的工程化和产业化进程，使黄河泥沙变害为宝，为黄河治理和沿黄地区经济社会发展服务。我们一定要抓住这个契机，站在黄河流域治理战略高度，转变思路，科学规划，做好泥沙处理与资源利用的顶层设计，把泥沙处理与资源利用有机结合起来，把治水治沙与治滩有机结合起来，实现黄河的长治久安！