一、基础理论研究工作

南科院在水动力学基础理论研究，特别是水工模拟理论与试验技术研究方面一直保持国内先进水平。在 80年代初编写的《水工模型试验》一书至今仍为科研、设计部门研究水力学、水工设计的实用专业书；通过大量的研究，先后提出了深洞掺气水流水深估算经验公式、临界管涌比降公式、临界流土公式、船闸输水系统水力特征修正公式等许多经验公式，在闸坝设计中得到了广泛应用；80年代研制的多功能空化空蚀试验装置，为水动力学基本理论研究提供了支撑；研制的小型毕托管至今仍为国内高速水流流速的主要测量仪器。

1985年开展的“低堰水流的数学模型研究”，提出的低堰过流的流量参数、自由水面、流场的流速和压力等水力参数的计算程序有一定的通用性。1989年完成“泄水建筑物水流数值模型研究及应用”，提出了自由表面位移理论，从而获得收敛性好的未知流量和自由表面的同步迭代方法，编制的计算程序提高了计算精度。1992年完成的“可靠性分析方法在水工水力学领域运用的研究”，根据可靠性理论，把影响面流流态和空化初生的主要随机量的概率分布引入水力设计，以正确综合这些随机变量的不确定性和变异性，从而为较合理地选择水工布置方案、施工不平整控制标准等提供科学依据。

 “八五”国家攻关项目“高土石坝施工水力学问题研究”专题，包括两部分：一是高土石坝施工导流方式研究，二是大型导流洞永久性利用水力学问题研究。在大量试验的基础上，全面论述了过水土石坝的水流特性、溢流和渗流的相互关系等，提出了一套过水土石坝水力学计算方法和公式，取得了一批有价值的研究成果，不少成果已被工程设计所采用。“大型人字闸门运行阻力及启闭机型式研究”对三峡工程船闸上闸首人字门启闭机可行性设计中的关键技术问题，通过物理模型、二维和三维数学模型以及原型观测等手段，论证了三峡工程船闸上闸首人字门启闭机设计和制造的可行性。成果获1995年度水利部科技进步二等奖。

航运枢纽、通航建筑物水力学研究方面，主持了包括三峡工程在内的八项“七五”、“八五”及“九五”国家科技攻关专题的研究以及国家自然科学基金“通航建筑物应用基础研究”重大课题的研究工作，提出了4个专题报告，提交了42万字的一本专著，由水利水电出版社出版，并进行了三峡、葛洲坝、水口、沙溪口、大化、乐滩等重大枢纽工程的原型观测工作。南科院承担的专题“船闸输水系统及闸阀水力学研究”被评为先进专题，受到了三峡工程开发总公司及国家自然科学基金委员会的三次表扬和奖励。

1990年开展的“七五”国家攻关项目“三峡船闸水力学和结构问题的研究”首次对船闸输水廊道非恒定流机理进行了深入研究，解决了满足三峡船闸超高水头、大流量情况下闸室停泊条件的难题，提出了防止输水阀门空化的措施。其中“三峡船闸输水阀门水力学试验研究”和“三峡船闸输水系统布置研究”达到国际先进水平。

1995年，“八五” 国家攻关项目“高水头多级船闸水力学及结构研究” 专题，采用16个不同类型和用途的物理模型、多个数学模型以及三座船闸原型观测等多种途径，结合三峡船闸，对其水力学关键技术进行了研究，研制成功了国内外第一座非恒定流减压试验设备，解决了模拟船闸输水非恒定流过程空化现象的难题；提出的阀门后廊道底扩体型及带掺气坝的门楣通气措施，对高水头船闸减免空化具有重要意义；还应用国内外第一座模拟三峡双线连续五级船闸总体运行及船舶过闸过程的水力学模型，进行了闸室水位惯性超高对船舶停泊条件影响的研究，该专题整体达到国际先进、部分处于国际领先水平。该项目1997年获水利部科技进步一等奖。1998年“三峡工程多级船闸水力学关键技术”获国家科技进步二等奖。

三峡工程重大专项“三峡船闸输水阀门大比尺水力学模型试验研究”课题，1997年经交通部科技司主持鉴定认为：非恒定流减压设备在国际、国内属空前的，对阀门水力学研究将会提高到一个新水平。成功地研制了三峡船闸输水阀门大比尺模型非恒定流常压及减压试验设备，各项指标在国内外均处于领先地位，为提高我国船闸水力学试验水平创造了良好条件。该项研究通过大比尺模型非恒定流减压模型，成功地解决了三峡船闸阀门空化这一关键性技术难题，为确保三峡永久船闸输水阀门可靠运行提供了大量科学依据，1999年获得国家科技进步二等奖。1999年承担了三峡工程重点科研项目“三峡船闸末级闸首超长廊道及阀门水力学试验研究”，成功地研制了国内外试验段最长、密封性能优异的船闸长廊道非恒定流减压设备，为解决三峡工程末级船闸1380米超长泄水廊道中众多关键水力学问题，提出了多项有创新的工程措施，解决了三峡末级船闸因泄水廊道长达1300多米而带来的有关特殊水力学难题，2002年获首届中国航海科技进步一等奖。

在此期间的理论研究如：“船闸水力学模型缩尺影响及其校正方法”，它采用水工整体模型、减压模型和数学模型，对三峡连续多级船闸输水系统关键技术和可行性进行了研究，并考虑到船闸水力学模型试验的缩尺影响，提出了新的校正方法，同时对原型工况进行了预测；“船闸输水初始流量增率和惯性水头计算”研究成果已被《船闸设计规范》、《通航建筑物应用基础研究》专著中引用，并在多项船闸工程研究中采用。上述两项成果获得1996年水利部科技进步二等奖。

升船机的研究，南科院从“六五”开始攻关，并逐步在国内形成优势，获得较高声誉。1992年和1993年先后承担“水口升船机”和“岩滩升船机”的科学研究，在国内外首次建立了集机、电、液、水力学于一体的全升船机整体动态模型，1993年“水口升船机模型”投入运转，取得的成果被设计单位采用。1995年完成的“福建水口水电站2×500吨级垂直升船机整体模型试验研究”，项目为多学科的综合性研究，研究了福建水口水电站2×500吨级垂直升船机在各种运行工况下的整体动态特征，提出了2×500吨级升船机整体动态模型的模型率和模型设计方法，介绍了实验研究的手段和方法，详细分析了试验研究取得的各项成果。这些成果已在福建水口升船机总体设计完善化过程中得到应用，对提高升船机运行的安全可靠性具有较大的实用价值。该项目技术难度大，为国内外首创，研究成果总体上处于国际领先水平。获得电力部科技进步二等奖。横向项目“广西岩滩水电站工程250吨级垂直升船机整体模型试验研究”，对我国当时最大的下水时升船机进行了全面研究，1998年获水利部科技进步一等奖、1999年获国家科技进步奖三等奖。“承船厢运行时升船机提升悬吊系统及厢内水体动态特性模型试验研究”提出了三峡升船机承船厢水与结构力学结合研究的原模相似率，推荐了计算提升绳系统合张力的近似公式，设计和研制了调速控制系统。该成果1995年获水利部科技进步二等奖。

在渗流研究方面，“七五”国家攻关项目“土质防渗体高土石坝研究”中南科院承担“复杂岩基与两岸渗流计算程序及其合理渗控措施研究”，成果系统推导了裂隙网模型、正交和非正交裂隙组的连续均质场模型的计算公式，编制数值计算方法的程序应用于实例，并以物理模型加以验证，该研究成果获1993年度国家科技进步一等奖；1992年开始从事“八五”国家攻关项目“裂缝岩体渗流特性和基本规律的研究”，系统地推导了单一裂隙水流特性的计算公式，通过数学模型计算显示了交叉裂隙水流的特性，比较了交叉裂隙水流和准达西水流的共性和区别。“八五”攻关项目“小湾电站岩体裂隙水力学及渗流与应力耦合分析”，电力部科技司主持鉴定认为，成果总体国际先进，部分达到国际领先水平。1998年，由河海大学出版社出版发行了毛昶熙、段祥宝、李祖贻等编著的《渗流数值计算与程序应用》一书，美国工程院院士Neuman教授为该书写了序言。

1993年完成的电力工业部项目“大坝观测新技术的完善与应用”，南科院承担了其中的一个研究专题“混凝土坝坝基渗流的模拟研究与原型观测的对比分析”。其内容首先介绍了当前国内外裂隙岩石渗流研究的主要观点，以及解决混凝土坝坝基渗流的主要试验、计算方法。其次，针对当时整理渗压资料中存在的问题，重申了渗压力的物理概念和表示方法。最后，对室内研究结果与原型观测结果，通过响洪甸、新安江、乌江渡等工程实例作了对比分析，并得出如下结论：（1）室内试验和计算所得结果甚为一致；（2）把裂缝岩石渗流当作孔介质渗流来研究是可行的；（3）对新建水电站渗流安全控制方案，要预先进行试验或计算研究。

水弹振动研究是泄水水力学研究的另一重要内容。院先后承担国家“七五”、“八五”科技攻关项目、科学基金及国家重点工程数十项，不仅在流激振动理论方面取得丰硕成果，还解决了诸如二滩、三峡、水口、百色、五强溪及小浪底等数十个工程问题，所提优化方案均被工程采用，取得巨大经济效益和社会效益。实验室拥有先进的试验设备及国内外先进的分析处理系统。主要成果包括：建立了水动力及振动信号分析软件包；可进行恒定流及非恒定流(即平稳、非平稳过程)的信号处理；率先应用实验模态分析与数值模拟(有限元、边界元)综合法取得结构动特性的完整资料；率先应用灵敏度分析进行了结构动态优化设计；应用相似原理研究泄水结构中水流运动、闸门及混凝土结构同时相似的水弹性相似模型。

核技术在水科学领域中的运用上，承担了“七五”国家攻关项目“利用同位素示踪技术研究确定混合输移参数方法研究”和国家自然科学基金项目“放射性示踪技术在河口海岸工程与海洋倾废方面的应用”等项目，曾接受国际原子能机构资助开展长江口航道抛泥区泥沙扩散的同位素示踪检测，以评估泥沙扩散对航道的影响，还先后利用γ射线技术和示踪技术进行河口、港池、航道浮泥淤泥观测，为长江口、珠江口、大连港、连云港、黄埔港等港道泥沙回淤造成污染和评价的研究提供了重要资料；利用同位素方法观测水电站大坝泄洪形成雾化对坝区环境造成的污染，进行工程实际的现场测试，是该研究室首创性提出的研究方法，如利用γ射线和β射线进行大坝泄洪雾化观测，为云南鲁布革、漫湾水电站泄洪雾化影响评价和防治提供了依据。该项测试技术已获得国家发明专利,并在“八五”国家攻关项目中鉴定为国际先进水平。

二、面对行业发展需求，为行业决策和重点工程建设提供科技支撑

从 80年代起对高坝挑流及其新型消能工展开深入研究，提出诸如收缩式消能工、高扩散低收缩等新型水能工。南科院先后完成了黄河小浪底孔板洞内消能研究、电力部科学基金项目“高坝泄水建筑物新型内消能试验研究”等项目。泄洪枢纽布置水力学研究还进行溢流坝、泄流孔口数学模型计算研究。先后开发了一系列计算软件可供设计科研单位使用。《葛洲坝工程一号船闸水工模型终结试验报告》与《葛洲坝一号船闸输水阀门试验报告》提出了船闸合理的体型尺寸及平面与立体分流相结合的输水型式，进一步完善输水系统的总体布置，此项成果已为工程所采用。

“水工闸门结构的动特性与动态优化设计”率先应用物理模型与数学模型相结合的方法研究结构特性、动态优化设计及动态响应预估形成研究动力问题的完整系统（CADA），内容包括：（1）应用实验模态分析（频域与时域法）及数值模拟（有限元与边界元）研究结构动力特性；（2）应用灵敏度分析进行结构动力特性优化设计；（3）根据物理模态分析建立的数学模型，应用计算机仿真计算，预估结构的振动位移响应。该成果获1994年度水利部科技进步二等奖。

高坝水力学方向先后承接了碧口、宝珠寺、东风、鲁布革、万家寨、二滩、小湾、漫湾、安康、岩滩、瀑布沟、棉花滩、滩坑、思林、飞来峡、五强溪、小浪底、沙坡头、吉林台、珊溪、百色、紫坪铺等水电站泄洪消能研究任务。

 1992年完成“涡旋式内消能工的试验研究”，研究了涡旋式及涡旋组合式新型内消能工的作用机理、布置型式、水力特性及其变化规律、空穴流态等，提出了可应用于实际工程的方案。水利部重点项目“沙牌水库涡漩内消能式泄洪洞工程应用的研究”，提出了沙牌涡旋内消能泄洪洞的推荐方案，为我国狭窄河谷地区中高水头、中等流量的水利水电枢纽将导流隧洞改建为永久泄洪洞提供了科学依据和工程实例。

高速水流空化空蚀研究包括：水利水电工程中泄水、输水建筑物结构体型、各水力学参数与空化的问题；工程中金属与非金属材料的空蚀机理，研究开发新型高强抗空蚀金属与非金属材料、离子束注入技术等。高速水流试验研究的仪器设备有：大型减压箱一座；多功能空化试验装置：可以进行水工泄水、输水建筑物结构的空化特性研究；强空蚀发生装置：专门进行非金属材料空蚀破坏试验；流速达v=59m/s，适用于超高速水流的研究；磁致伸缩仪：用于进行金属材料空蚀破坏试验；NHC型水下噪声多通道瞬态采集、存贮分析系统。多功能空化试验装置及噪声监测设备有关成果获部级科技成果进步二等奖及国家科技进步三等奖，处于国际领先水平。

在高坝泄流雾化研究方面，1991年完成的“七五”国家攻关 “高坝泄流雾化及其影响研究”项目，建立了1：25大比例尺模型，配合1：35二滩泄流模型，1：200气流模型，研究了二滩水电站泄流雾化物理特征，通过对国内几十个水电工程的雾化资料进行分析和归纳，为二滩水电站设计提供了泄流雾化的雾化区大小、降水范围、降水强度分布等资料，并提出两岸山坡分区、分级设置不同强度护坡和保护的建议。1997年，“三峡枢纽泄洪雾化研究”在室内场地紧缺的情况下利用露天场地进行试验，完成试验工作。按南科院试验研究成果建成的浙江海塘在100号台风肆虐浙江时安然无恙。2000年，“溪洛渡水电站泄洪雾化及其防治研究” 项目，充分运用多个工程原观资料和反馈试验分析成果与物理模型试验成果进行对比分析，提出的试验成果具有较高的可信度，对电站设计有重要的参考价值。“高水头大流量泄洪消能研究”主要开展水电站泄洪雾化的研究工作，并利用取得的雾化成果对小湾水电站枢纽布置和岸坡雨雾防护设计提出了建议。

过坝建筑物水力学研究方面，先后承担了长江三峡及葛洲坝水利枢纽、福建闽江水口及沙溪口、湖南五强溪、红水河岩滩、乐滩、大化、桥巩、广东北江飞来峡、四川嘉陵江草街及东西关、江西赣江万安等水电站和西江桂平、贵港及湖南大源渡等航运枢纽等许多国家大型重点工程项目，完成了国内几乎所有高水头船闸的水力学模型试验及升船机试验研究工作。

 水工建筑物渗流研究方面，自1983年开始受水利部委托，组织开办多期“大坝渗流安全分析”、“大坝渗流数值计算”、“土工合成材料应用技术”培训班，为水利部系统培训了许多渗流专业人员，目前培训班学员基本活跃在水利工程技术管理第一线。《土坝渗流安全分析研究及推广应用》课题，通过观测资料分析结合渗流计算以及同位素测量，找出土石坝渗流安全方面的关键性问题，提出除险加固措施方案，解决了多年来不敢蓄水的困境，从而发挥了水库的经济效益和社会效益。在此基础上编写了《土石坝渗流分析》教材，在水电部培训中心办班多届，推广普及渗流安全分析方法，对提高水库管理水平避免水库发生事故起到了积极作用。该项目成果被评为1985年度国家科技进步三等奖。

研制成功许多国内外独创的新型式、新技术输水系统等。如纵、横、支廊道三区段分散输水系统、无镇静段倒口消能的短廊道集中输水系统，以及船闸阀门段廊道突扩体型、阀门门楣通气措施、阀门防空化综合技术、非恒定流减压试验装置、兼顾雷诺数及糙率的原模统一校正法、集机械、电气、水动力研究于一体的升船机全动态模型、梯形复合断面及带叉道鱼道工程等。其它如槛下闸底长廊道分区段出水输水系统、带遮板的格栅式消能短廊道集中输水系统、平面阀门小门槽体型等新型式也均是经南科院试验研究后付诸工程实践的。在国内率先开发的NHLI船闸水力计算程序及船闸输水系统水力分析及数据库软件系统正在全国推广应用。主持了《船闸输水系统设计规范》、《通航建筑物水力学模拟技术规程－船闸水力学》的编写工作。

单级船闸输水系统水力分析及数据库软件系统以船闸设计规范为依据，并吸收了已有工程经验及科研成果而开发的船闸输水系统水力分析软件及数据库系统。使用本系统，只需输入表示船闸设计条件的17个基本数据就可自动选择输水系统型式和确定基本尺寸。用户修改布置，只需调整输水系统参数，再进行水力计算，直到满足设计要求即可。软件系统包括四个子系统：（1）船闸输水系统水力分析；（2）船闸特征数据查询。共收集国内外237座船闸，约近万个数据；（3）典型船闸输水系统浏览，共收集国内外44座船闸的各种典型输水系统布置；（4）软件系统使用说明。

南科院是国内最早开展有关水力学问题的水工建筑物安全监测的单位，拥有一支理论基础扎实、实践技能强的专业监测队伍，形成了一套较为完整的测量方法、手段和一支富有经验的团队，并在原型观测反馈分析等方面也取得了一系列成果，提出了一系列模型相似律修正方法，指导工程问题的研究。配置或研发有：GPS全球卫星定位系统、动水压力测量系统、NHC水下噪声测量系统、防水型振动测量系统及流速仪、掺气浓度仪、β射线雨雾浓度计、防潮电缆和基于PROFIBUS现场总线的远距离数据传输系统、智能型专家分析预警系统等；先后组织完成了葛洲坝、漫湾、东风、天生桥、岩滩、沙牌等工程的原型观测工作，解决了大量工程安全问题；承担了大量船闸及升船机水力学原型观测工作，如三峡五级船闸、水口、五强溪、沙溪口、东西关、乐滩等船闸及水口升船机等，积累了丰富的原型观测经验，开展了反馈分析，提升了模型理论及模拟技术。

该研究方向的模型试验及原型观测工作已全部采用性能先进的计算机数据采集处理和控制系统，配有各种非恒定水流的水位、流速、流量、水压力、噪声、掺气浓度等测量装置，并研制了操纵性相似的遥控自航船模及其测量系统。采用的计算机图像采集处理系统为阀门段流场特征提供了进行更深入研究的手段。此外，早期还研制了利用计算机仿真技术的船舶航行实时模拟系统，进行船舶航行的快速数值模拟，可为河口及内河航道设计提供更为先进的研究手段。水利部项目“船舶模拟器应用研究”在船舶模拟仿真器的基础上，研究适合内河航道仿真的仿真模型，并结合三峡与飞来峡工程，对其航运条件进行了实时仿真模拟。

南科院也是我国唯一进行鱼道建设全过程研究的单位。该研究方向不少成果具有独创性，使南科院在该领域的研究整体达到了国际先进水平，部分达到国际领先水平，为我国水利、水电、水运事业的发展及学科水平的提高作出了贡献。1993年完成“双排式脉冲拦鱼栅的设计与拦鱼试验”，通过湖北嘉鱼三湖连江水库马安山进洪闸拦鱼导鱼设计的研究，设计了“既拦又导”的“拦鱼电栅—导于旁通道”系统工程，经运行检测，表明总体布局合理，设计正确，拦鱼导鱼效果良好。

在农田排灌研究及农田水利配套建筑物研究方面，“农田地下水排水计算与控制”课题，共出版了专著一册、系列论文9篇。主要成果反映了1958-1990年从事不稳定渗流及农田排水理论研究的部分工作，不仅总结了前人的经验，丰富了渗流理论，而且有不少发展和创新。“淮安鼠道排水治渍增产示范工程总结”经过五年努力，建成了全国最大的鼠道排水样板，提出了一套鼠道排水计算方法，建立了较完整的推广体系和科学的管理制度，为排水治渍规划和设计提供了科学依据；完成了水利部科技兴水、科技兴农的重点项目“黄淮海地区中、低产田改造的研究”。 “覆盖保墒及节水灌溉配套技术研究”的试验成果表明采用麦秸覆盖保墒可以节水15%，并具有抑制杂草生长、形成促进作物生长环境及利于水土保持等优点。

瞄准国家重点发展的火电厂，拓宽研究领域，1983年成立环境水力学课题组。主要从事水利水电工程枢纽水力学及生态环境影响，火、核电厂涉水工程论证研究等专业方向的研究工作，主要研究方法有原型观测、物理模型试验、数值模拟等，已形成专业特色明显、研究团队整齐、研究平台及设备先进的综合研究机构。承接了扬州第二电厂、福建龙岩电厂、河北黄骅港电厂、内蒙达拉特电厂、连云港核电厂等冷却水试验研究于数值计算等多项科研任务，并与东南大学合作研制了高精度400点微机控制测点系统。电力部项目“火电厂贮灰场对地下水污染的预报性数学模型开发及治理措施研究”，在实验设计和渗流及地下水污染数值计算方面有诸多创新。

核技术在水利、交通、能源工程中的运用上，引进技术和仪器并开发研制第一台国产表面型核子水分-密度仪，为核子仪在碾压施工质量检测与控制中应用做了很大促进和推动；在利用中子辐射进行喷射混凝土层厚度检测和钢板下浇注混凝土空洞缺陷探查试验研究和检测仪器开发研制，独家首创了无损、快速的中子方法测试技术，并获得二项国家发明专利，分别为“利用中子方法检测钢板下混凝土空洞的方法”；“用中子辐射测量含氢薄层材料厚度的方法”，已获得1985年度国家电力部科技进步二等奖和1997年年度国家发明四等奖，其中表面型核子水分-密度仪研制被列为“八五”电力部新技术推广项目；该产品已被科技部列为国家级新产品；“喷射混凝土中子方法无损测厚技术”研究成果经1994年3月电力部科技司组织的鉴定，被列为国家级科技成果推广项目，提出的中子方法混凝土质量检测技术在实际工程中投入应用，为黄河小浪底、万家寨水利枢纽工程、天生桥水电站、福建水口水电站等多项大型水利水电工程质量检测提供了重要资料。

“土工织物在堤坝工程中的应用研究”就堤坝工程中应用土工织物排水过滤的功能做了较系统的试验研究，并通过四个工程实例（麦子河水库土坝、上海出灰工程堆灰场灰坝、谏壁电厂真观山灰库、入卫新河段护坡等）的实施，取得显著的工程效益和经济效益。“土工织物在水利、公路建设领域的应用技术”为国家科委1992年“国家科技成果重点推广计划”，实施以来，除水利、交通、建筑领域外，应用范围拓展到铁路、电力、市政和环保等领域，涉及主要工程77项，推广应用土工织物上千万平方米，节省投资上亿元。该成果1996年被评为水利部科技进步二等奖。承担的水利部重点项目“开发低价高摩擦土工织物防汛袋”，所开发的三种不同类型低价高摩擦防汛袋，其价格比目前市场价低10%以上，摩擦系统均比同类产品提高30%左右，成果通过验收。