吳吉春

吳吉春

吳吉春 從事地下水動力學、地下水流和溶質運移模擬、地下水隨機理論、水資源與水環境方面的教學和科研工作,現出任南京大學教授等職 在專業研究內很有建樹。

個人簡介

吳吉春吳吉春
2000年至2002年以高級訪問學者身份應邀赴美合作研究,其後又多次赴美國、香港、挪威的大學做1-4月的短期訪問研究。一直從事地下水動力學、地下水流和溶質運移模擬、地下水隨機理論、水資源與水環境方面的教學和科研工作,現為南京大學水科學系主任,南京大學水資源與水環境研究所所長,水處理與水環境修復教育部研究中心副主任,江蘇省“青藍工程”學術帶頭人,2007年度國家自然科學基金傑出青年基金獲得者。
至2006年已合作出版專著3本、教材1本, 發表論文145篇(英文論文65篇),被三大檢索系統收錄75篇(SCI收錄26篇,EI收錄28篇,ISTP收錄21篇);作為項目主持或具體負責或主要完成者已完成的科研項目有30多項(其中國家自然科學基金重點項目2項、面上項目8項、國家“七五”重點科技攻關項目3項、“八五”重點科技攻關項目1項、博士點基金項目3項、其他部省級項目6項、橫向項目6項、美國能源部合作項目1項)。主講本科生及研究生專業主幹課《地下水動力學原理》(校精品課程)、《地下水流數值模擬》等多門次,指導博士後4名、博士生6名,碩士生23名。在非平穩地下水隨機理論、海水入侵、地面沉降、複雜條件下的地下水流與污染物運移數值模擬、分數階對流—彌散方程研究等方面研究成果突出。
曾獲國家教育部科技進步二等獎2次、三等獎1次,並獲首屆全國高校優秀青年教師獎、第五屆全國“青年地質科技獎”—金錘獎、第三屆“江蘇省青年科技標兵”、第九屆霍英東教育基金會高校青年教師獎(研究類)二等獎、電力勘測設計科技進步獎套用成果一等獎,內蒙古自治區科技進步一等獎,還多次獲南京大學學術表彰(如“五·四”獎章)。科研成果已在國內外同行中產生了良好影響,多次受邀擔任國際會議的學術委員會副主任委員、委員,國際會議專題會議召集人、特約報告人,國際著名專業期刊的審稿人,國家自然科學基金委員會專家評審組成員,多次應邀參加全國和江蘇省的學科評議和評估,省部級科技進步獎評審,國家自然科學基金委員會傑出青年基金、重點及面上項目評審,國內專業期刊的編委、特邀主編、特約編審,國內著名高校兼職教授。

主要教學情況

1、參編《地下水動力學》教材,曾獲教育部科技進步二等獎;
2、主講《地下水動力學》、《地下水運移模型》、《地下水流數值模擬》等室內課程多門次;
3、承擔《普通地質認識》等野外教學多門次;
4、指導博士後、博士生、碩士生多人。
教學工作多次獲南京大學獎教金
研究方向
1、水資源與水環境
2、地下水模擬
3、地下水隨機理論
4、地下水資源評價與管理

主要科研成果

幾年來,在海水入侵、地面沉降、地下水流和污染物運移的數值模擬、地下水資源評價與管理、地下水隨機理論等研究領域進行了廣泛而又深入的研究,取得了一系列令國內外同行矚目的優秀成果。其中最為突出的創新性成果主要有:
1、發展了基於地下水隨機理論的矩方程數值法:通過有目的地選擇研究方向及針對性地選擇合作訪問研究機構,採取和美國高水平科學家合作研究的方式,在地下水溶質運移隨機理論研究方面取得了快速進展。從模仿跟蹤學習,到全面系統掌握基於含水介質平穩分布前提假設的經典隨機理論,再涉足研究非平穩隨機理論這一最新國際研究熱點,取得了一些進展。前人主要以解析法研究為主,用數值法研究地下水隨機理論時間不長,申請者與Don Zhang博士及Bill Hu博士合作,充分發揮自己多年從事地下水數值模擬研究的優勢,發展了一整套基於地下水隨機理論的矩方程數值法,對非均質含水介質中的二維、三維地下水流問題以及非均質含水介質中的二維、三維溶質(包括反應物及非反應物)運移問題分別進行了模擬,並成功地將其套用於美國雅克山(yucca Mountain)小範圍理想條件的環境項目中。該方法能有效地用於研究非平穩分布的非均質含水層中的地下水流及污染物運移,使地下水隨機理論向實用方向邁進了一步 。有關成果分別在五次國際會議上(AGU、GSA、CMWR等國際會議)報告後,得到了許多國際同行專家如S.P. Neuman院士、J. Bear教授、G. Dagan教授、J. Cushman教授、C. T. Miller教授、J. Yeh教授、Q. F. Tseng教授等的肯定,認為申請者的研究工作使尚處於理論探索階段的地下水隨機理論向實際套用方向邁進了一步。部分研究成果已在SCI收錄刊物“Water Resources Research”、 “Advances in Water Resources”、“Journal of hydrology”、“Transport in Porous Media”、“Mathematical Geology”、“Stochastic Environment Research and Risk Assessment”上發表。這方面的研究目前處於國際先進地位,為本項目的完成奠定了堅實的基礎。
2、系統研究了海水入侵規律,建立了適用的海水入侵三維混溶模型:與薛禹群院士等合作,(1)從地質、水文地質和水化學角度系統研究了海水入侵的分布、發生、發展和演化規律、鹹淡水界面的主要類型及其運移規律、海水入侵區地下水的化學成分特徵及其演化規律,取得了一系列優秀成果,得到了本專業的國際權威雜誌“Ground Water”的主編和評審員的高度評價,很快連續兩期發表了其中的兩部分成果(兩篇論文已被SCI引用14次);(2)較早成功地建立了描述潛水含水層中海水入侵的三維混溶數學模型(miscible Transport Model)。傳統的做法大多把海水和淡水當作油和水一樣是互不相溶的,實際上海水和淡水是可以相互混溶的,而從這一實際情況出發研究海水入侵難度很大。由於要考慮降雨、水位波動及密度變化對海水入侵的影響等不易解決的問題,以往多假設含水層上面有一個隔水層,以避免考慮上述問題,但這種做法不符合實際情況,潛水含水層被假設成了承壓含水層。申請者如實考慮了這幾種影響,並建立了相應的數學模型,成果在本專業的國際權威雜誌“Water Resources Research”上發表後,已被SCI引用14次;(3)在國內較早將海水入侵的防治引入地下水管理模型中。當時國內常見的地下水管理模型多考慮水量的最佳化管理,考慮水質問題的不多。當時美國正大力開展考慮水質問題的地下水管理模型研究,成為一個新的研究方向,而國內當時還沒有開展考慮海水入侵防治的地下水管理模型研究。
上述成果為龍口、萊州兩地的海水入侵預測預報提供了科學手段,為當地採取相應措施防治海水入侵提供了科學依據,還可指導我國其他沿海地區的海水入侵研究,具有重大的理論意義和實際意義。如龍口市套用研究成果,採取相應措施(如修建地下水庫等),海水入侵速度已經得到了控制。該市1989年海水入侵面積一年就增加了19.4Km2,而自1990年開始採取控制措施後,入侵速度減小為:1990年增加4.98Km2,1991年至1995年平均每年增加2.12Km2,目前已基本遏制住了海水入侵的進一步發展,避免了大批良田荒蕪、水井報廢、甚至工廠、城鎮搬遷等一系統嚴重後果。
3、系統研究了海水入侵過程中水—土間的陽離子交換規律,建立了描述海水入侵過程中交換陽離子Na+、Ca2+、Mg2+運移行為的三維模型:較早從野外監測、室內實驗、數值模擬等幾方面系統研究了海水入侵過程中水—土間的陽離子交換及交換陽離子的運移行為,並成功地建立了一個描述海水入侵過程中交換陽離子Na+、Ca2+、Mg2+運移行為的三維數學模型。成果已發表於“Computational Methods in Water Resources”及“Chinese Science Bulletin”上。這一成果當時無論是在理論上還是在實際套用上都有突破。以往的模型都是較理想化的,許多野外實際情況反映不了,模擬因子一般是單一、穩定的。而這一研究成果從單一、穩定的模擬因子發展為可以是多重、可變化的模擬因子,模型不但可以考慮地下水中不同物質之間的反應,還能反映地下水與含水介質間的反應,為探索地下水化學環境的演變提供了新的科學手段。進一步研究還能用於模擬油氣形成和運移行為以及液體成礦等。
4、導出了分數階對流—彌散方程及其格林函式解,實現了分數階對流—彌散方程的數值求解:從彌散過程的時空相關性角度出發,用非局域性的處理方法,將傳統的二階對流—彌散方程推廣得到分數階的對流—彌散方程,並導出了該方程格林函式解為一分數穩定分布密度函式;由方程的分數穩定分布密度函式解得出了等效彌散係數與運移尺度有關,是運移距離的冪函式的結論,這一結論從理論上解釋了彌散係數的尺度效應;對一實驗實測數據的檢驗結果很好地反映了彌散過程中的偏態特徵和“拖尾”現象,而傳統的二階對流—彌散方程的解對此卻不能解釋。部分研究成果已發表於 “水動力學研究與進展”上。最近又實現了分數階對流—彌散方程的數值求解,為進一步深入研究含水介質中的溶質運移行為奠定了基礎。這方面的研究目前美國剛開展不久。
5、開展了複雜條件下的地下水流、污染物運移及地面沉降數值模擬研究:(1)與薛禹群院士等合作,建立了越流含水層系統的地下水污染模型,成果發表於 “Computational Methods in Water Resources”;(2)對整個長江三角洲(長江以南)地區(超過2萬平方公里)多個含水層的大區域複雜含水系統進行了三維地下水流數值模擬,對蘇錫常地區和上海地區進行了區域地面沉降模擬,模擬結果與實際觀測結果吻合良好,為進一步進行該地區的地下水污染預測和地面沉降預測工作奠定了基礎;(3)在元寶山地區建立了一個反映大規模、大流量群井集中抽水的地下水流模型(研究區日抽水約60萬方,比一條小河的流量都大,在國內首屈一指,國際上也不多見)。模型中考慮了含水層因礦坑開採而疏乾的問題、懸河問題、移動邊界問題,以及水文地質參數連續變化問題等一些難度非常大的具體問題。模型用於實踐,取得了令人滿意的結果。合理解決了該地“煤電聯營”中長期存在的水的合理支配和使用問題,為國家節省了大量資金。成果已發表於“Mining Engineering”。值得特別一提的是,元寶山地區的地下水流模擬工作,委託單位曾在國內先後找過10個單位做過,也曾先後找過合併前的東德和西德做過,均未取得滿意的結果。委託單位對我們取得的成果非常滿意,採納了我們的建議。二期工程上馬時也專門請我們做該地區的地下水流模擬工作,還請我們做了另一地區的地下水流模擬工作。(4)數值方法研究:數值計算在計算溶質運移問題上碰到的最大難題是存在數值彌散和振盪,它可能會使得計算結果失真,甚至會面貌全非。申請者對原有的一些數值方法進行了改進,效果良好,說明所作的改進是有效的。有關論文在一些國際會議上宣讀,引起了一些國際同行學者的重視。

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