探索環(huán)境水文的奧秘

肖貞林

水資源時空分布不均、人類無序用水……自然、人為導(dǎo)致水旱災(zāi)害、水污染事件層出不窮，用水需求的持續(xù)增加與短缺的水資源之間的矛盾，已成為世界各國面臨的頭號難題。

水，生命之源。能否處理好水資源問題，關(guān)系到人類的生存與發(fā)展。那么，到底該如何緩解水資源問題呢？

“探索地表—地下水文系統(tǒng)多尺度耦合機理，研究大氣—地表—植被—土壤—地下水之間多元水分轉(zhuǎn)化與反饋過程是緩解當(dāng)前水資源問題的重要理論鋪墊”，河海大學(xué)水文水資源學(xué)院教授陳力將地表—地下水系統(tǒng)作為一個整體系統(tǒng)對待，并列出詳實對策，為當(dāng)前這一水文水資源研究領(lǐng)域的主流觀點提供了理論依據(jù)。

耳濡目染 走進水文環(huán)境世界

自小耳濡目染父母在水利事業(yè)中的經(jīng)歷感受，1990年高中畢業(yè)的陳力進入武漢水利電力大學(xué)河流工程專業(yè)。家庭潤物細無聲的影響，為他開啟了水文環(huán)境研究的大門。

2001年，在中科院力學(xué)所環(huán)境流體力學(xué)室完成了自己博士生涯的陳力選擇了赴美深造。2003年起，他先后在美國沙漠研究院任博士后、助理教授、副教授，繼續(xù)從事與水文環(huán)境相關(guān)的研究工作。歷經(jīng)十余年的科學(xué)探索，陳力在流域降雨入滲產(chǎn)流、干旱區(qū)水文與生態(tài)、地表水與地下水相互作用、河道水動力學(xué)與溶質(zhì)運移、侵蝕與泥沙輸移等領(lǐng)域形成獨到見解……

一路走來，風(fēng)雨兼程，從未停歇。

在國家“千人計劃”號召之下，他決定回國。于是，在河海大學(xué)的執(zhí)教生涯就此開啟。

回國后，陳力把多年所學(xué)應(yīng)用于教學(xué)與科研實踐，為緩解我國人多水少、水資源嚴重不足等現(xiàn)實問題而不斷探索新形勢下的解決之策。

很快，便有了實際成效。2014年，陳力牽手國內(nèi)外知名水文研究專家，開啟了地表—地下水文系統(tǒng)多尺度耦合機理及模擬方法研究，通過野外試驗觀測及對現(xiàn)有模擬方法的分析，發(fā)展新型模擬方法，為當(dāng)前水文系統(tǒng)研究打開了新思路與新方向。

二十余載 助力水文環(huán)境領(lǐng)域新發(fā)展

迄今為止，陳力在水文環(huán)境領(lǐng)域一待就是二十多個春秋。白駒過隙之際，他把最美好的青春年華獻于科研，在這片沃土上深耕不輟，取得諸多原創(chuàng)性成果，推動著當(dāng)代水文環(huán)境領(lǐng)域的快速發(fā)展。

陳力對水文過程的研究，貫穿流域系統(tǒng)中坡面—河道網(wǎng)絡(luò)地理構(gòu)架的多個層面，涉及傳統(tǒng)的水文學(xué)、水力學(xué)、泥沙輸移、土壤水動力學(xué)、地貌、生態(tài)環(huán)境等多個學(xué)科及其交叉，力圖獲取流域水分運移路徑中各主要分部動力學(xué)及其環(huán)境影響的綜合圖景。

坡面入滲是降雨產(chǎn)流過程的一個基礎(chǔ)問題，涉及洪水、泥石流、水資源分布等多種水文及環(huán)境災(zāi)害問題，在干旱—半干旱地區(qū)超滲產(chǎn)流過程中是控制產(chǎn)流量的關(guān)鍵一環(huán)。而坡面上水的入滲過程取決于重力、毛細力以及坡度坡長的復(fù)雜聯(lián)合作用。在著名的Green-Ampt入滲模型基礎(chǔ)上，陳力通過擴展研究提出了斜坡上適用的Green-Ampt模型，解決了坡面上入滲量增加抑或減小的物理機理問題，極大地推進了干旱—半干旱地區(qū)水文機理的研究，為水文模擬方法的探索提供了強有力的理論支撐。

另外，陳力還運用動力學(xué)思想提出了一種結(jié)合二維坡面流和雙層土壤入滲模型的降雨—產(chǎn)流模擬方法，可以對坡面水流運動和降雨入滲過程進行細致求解，反映多種水文要素的空間—時間非均質(zhì)特性。又在此基礎(chǔ)上，運用高分辨率模擬方法考察跨越多個尺度水文響應(yīng)的變化規(guī)律，總結(jié)出指數(shù)律的尺度效應(yīng)特性，使水文過程多尺度時空異質(zhì)的動力學(xué)機理認識及模擬方法有了更堅實的理論基礎(chǔ)。

人類自誕生之日起，便隨著自然環(huán)境的演變而不斷發(fā)展?！八沫h(huán)境、周邊生態(tài)均處于一個動態(tài)發(fā)展過程當(dāng)中”，陳力認為，在水文環(huán)境生態(tài)中，流域侵蝕產(chǎn)沙及輸沙問題直接影響到生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。

在流域侵蝕產(chǎn)沙方面，他提出基于力學(xué)機理和泥沙輸移理論的坡面上細溝侵蝕的動力學(xué)模型，對泥沙侵蝕、沉積和非恒定輸移的過程做了實時模擬，得到細溝侵蝕量與坡度、細溝密度、細溝幾何形態(tài)及坡面水流動力要素的關(guān)系，解釋了坡面垂向剖面幾何特征形成的原因。針對山區(qū)性河道和床沙質(zhì)較粗的河道泥沙輸移，推移質(zhì)是主要形式之一，它對輸沙平衡、河道生態(tài)環(huán)境影響巨大，陳力主張研究河床表層沙的特性，并實地觀測了河道中的推移質(zhì)輸沙率，提出基于表層床沙特性的方法明顯具有更好的適用性及考慮床沙非均勻空間分布的必要性等觀點，對泥沙輸移的機理、不確定性及模擬方法的建立提供了理論依據(jù)。

河道周邊植物構(gòu)成區(qū)域水文生態(tài)系統(tǒng)的同時，也會對水流產(chǎn)生阻力，繼而會影響到河道水流動力、洪水波傳輸、泥沙輸移、河岸沖刷及河道走廊植被演化和水生生態(tài)環(huán)境。針對柔性植物對水流阻力的研究，陳力從材料力學(xué)大撓度懸臂梁理論出發(fā)，提出了一套快速求解柔性植物在水中彎曲的理論方法，并將之運用于解決水流—植物相互作用問題，可以連續(xù)求解植物彎曲隨水流強度變化，其方法有望推廣至復(fù)雜形狀植物，應(yīng)用前景十分廣泛。另外，他還發(fā)展了一套溶質(zhì)傳輸數(shù)學(xué)模型，對河道中溶質(zhì)輸移過程及模擬方法提出的改良策略，并順利通過大型野外實驗驗證，取得良好的應(yīng)用效果。

……

所謂世間萬物，皆相生相長，學(xué)科之間的發(fā)展亦如是。二十年如一日緊盯水文環(huán)境領(lǐng)域研究，陳力也積極關(guān)注交叉學(xué)科的發(fā)展，在生態(tài)水文學(xué)、水文地貌及氣候變化的環(huán)境水文影響等方面積極探索并開展合作研究，全力尋找水文學(xué)和相關(guān)學(xué)科交叉的新興生長點。

矢志不渝 耦合模擬成未來科研重頭戲

在陳力看來，創(chuàng)新是個從無到有的過程，只有經(jīng)過反反復(fù)復(fù)的模擬實驗，才能得到趨于真實的虛擬場景，才能完成創(chuàng)新。

誠然，在反復(fù)實驗過程中，枯燥瑣碎，諸多困難也不知何時會悄然而至?！爱?dāng)經(jīng)過一遍遍實驗后，規(guī)劃好的實驗場景仍然未出現(xiàn)，那該怎么辦？”

談及此，陳力表示，科研工作不可能一帆風(fēng)順，總會遇到一些困難。當(dāng)遇到難題時，首先要讓自己平靜下來，通過運動或看書等方式舒緩神經(jīng)，換個時間與思路或許困難就會迎刃而解。動靜相宜，勞逸結(jié)合，是他對待科研工作的態(tài)度，同時也是執(zhí)教為人師的教學(xué)理念。

“在我看來，做科研是一件很快樂的事情，它并不枯燥”。身為人師，一手做科研，一手育人才。陳力回國后以河海大學(xué)為依托，立即著手開展了水文環(huán)境領(lǐng)域的一系列研究，帶領(lǐng)學(xué)生深入田野，頭戴草帽，搭架子、設(shè)圍欄、安置水位測量儀……在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過實踐培養(yǎng)學(xué)生對待科研的熱情。“擁有了科研熱情，才能持續(xù)進行接下來的研究工作”。

面對今后的科研規(guī)劃，陳力早已有了清晰定位。

他將基于在留美期間開展的流域地表—地下水系統(tǒng)的耦合模擬研究，對地表水和地下水關(guān)聯(lián)性及模擬方法進行深度探索。以新安江流域上游的試驗小流域為野外研究站點，從流域尺度及河道尺度兩個層面研究耦合水資源系統(tǒng)并結(jié)合室內(nèi)試驗及數(shù)學(xué)模擬方法，深入探討地表地下水資源系統(tǒng)的耦合機理，開發(fā)適合我國國情的新一代耦合模擬模型，為我國未來的水資源調(diào)查、評價、預(yù)測及管理工作提供數(shù)據(jù)支撐與理論依據(jù)。

當(dāng)前水資源問題的緊迫性，必然會對水文科研工作者帶來諸多新型挑戰(zhàn)。我們也篤定，只有敢于探索創(chuàng)新，心懷熱情地對待每一個科研過程中的難題，才會超越以往，創(chuàng)建出更適合當(dāng)前發(fā)展趨勢的新成果。

多年來，陳力一直在水文環(huán)境研究這條道路上“深耕”，他時而埋頭于實驗室、時而行走于荒野叢林，獲得了一份份第一手資料、數(shù)據(jù)，取得一項項科研成果、榮譽，在助推領(lǐng)域快速發(fā)展的同時，也書寫著自己的芳華人生。