不忘初心 與時(shí)俱進(jìn)
——記中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所研究員周劍

□ 武光磊

2012年8月周劍在西藏

自20世紀(jì)后半葉以來，可持續(xù)發(fā)展引起了國際社會(huì)的高度重視，各國政府及科學(xué)界相繼展開人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的理論創(chuàng)新和實(shí)踐研究，中國政府也制定了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃和目標(biāo)。其中，找到我國現(xiàn)階段社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的主要矛盾、系統(tǒng)全面地分析問題、“庖丁解?！钡亻_展研究、突破技術(shù)瓶頸、發(fā)展理論創(chuàng)新并指導(dǎo)生產(chǎn)生活是科學(xué)工作者的重中之重。

中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所研究員周劍，在中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所學(xué)習(xí)和工作的過程中，廣納新知，刻苦鉆研，給自己定位了水文—生態(tài)—經(jīng)濟(jì)—社會(huì)系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展的研究方向，時(shí)刻希望為中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)自己的綿薄之力。

愛好建模 開展寒旱區(qū)生態(tài)—水文耦合研究

有人問周劍，科研于他來說，意味著什么？他思考良久，回答了兩個(gè)字：興趣。

2005年碩士畢業(yè)的周劍辭去了江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院薪金待遇優(yōu)厚的工作，懷著對(duì)科學(xué)研究的好奇和興趣，來到了位于蘭州的中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所攻讀博士，在參加中國科學(xué)院重大研究計(jì)劃“黑河流域生態(tài)—水文過程集成研究”的過程中，他首先引入了模塊化的建模思路，開發(fā)了自主創(chuàng)新的建模環(huán)境，打破了傳統(tǒng)被動(dòng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備式的建模方法，幫助科研人員以問題和數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)主動(dòng)創(chuàng)新建模。利用自己研發(fā)的建模環(huán)境，周劍相繼開展了流域尺度地表水—地下水耦合、生態(tài)—水文耦合、農(nóng)作物生長等多方面建模研究，為干旱區(qū)生態(tài)—水文集成以及農(nóng)作物精準(zhǔn)灌溉等做出了重要貢獻(xiàn)。由于在干旱區(qū)地下水資源/水環(huán)境保護(hù)和提高方面做出的杰出貢獻(xiàn)，他于2009年獲得了美國水環(huán)境聯(lián)合會(huì)和美國環(huán)保署共同頒發(fā)的McKee獎(jiǎng)。

雖然已在行業(yè)內(nèi)磨煉多年，也算得上是身經(jīng)百戰(zhàn)的專家了，可提起目前行業(yè)內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì)，周劍還是眉頭緊鎖，他提到：“當(dāng)前還有一些很棘手的問題急需解決?！?/p>

他首先提出的就是我國北方農(nóng)業(yè)用水問題，他表示，農(nóng)業(yè)用水一定要向生態(tài)化發(fā)展，這是未來必然要加強(qiáng)的研究方向。身在水文研究領(lǐng)域，這樣一句話肯定不會(huì)陌生：中國以占全球6%的淡水資源、9%的耕地，養(yǎng)活了全球21%的人口。取得如此大的功勞，農(nóng)業(yè)用水功不可沒，但卻也掩蓋不了中國水資源緊缺的現(xiàn)狀，而糧食增產(chǎn)需求與生態(tài)環(huán)境需水的矛盾尤其在干旱半干旱區(qū)日益突出。都說“農(nóng)水不分家”，周劍認(rèn)為農(nóng)業(yè)水可不止是節(jié)水那么簡單，農(nóng)業(yè)水資源實(shí)際是農(nóng)業(yè)水和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的耦合，是自然、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)學(xué)的結(jié)合體，也是典型的交叉學(xué)科，希望未來可以以此為源頭解決農(nóng)業(yè)水資源存在的多種“疑難雜癥”。

除了農(nóng)業(yè)用水，周劍還提到，近年來氣候變化導(dǎo)致青藏高原凍土環(huán)境改變，而且在黃河源和長江源已經(jīng)出現(xiàn)凍土活動(dòng)層變深、融區(qū)發(fā)育和多年凍土區(qū)“天窗”的現(xiàn)象，凍土的退化將改變?cè)摰貐^(qū)水循環(huán)過程，對(duì)“亞洲水塔”生態(tài)環(huán)境和水資源有直接的影響。但研究人員對(duì)青藏高原凍土退化的水文效應(yīng)和生態(tài)功能響應(yīng)的研究才剛剛開始，由此可見寒區(qū)生態(tài)水文的機(jī)理研究需要不斷堅(jiān)持和投入，在青藏高原突顯集成研究“廣”的同時(shí)，還要對(duì)機(jī)理過程展開“深”的探索。

堅(jiān)持不懈 研究方向碩果累累

一直以來，周劍都把自己當(dāng)作一名學(xué)生，不斷要求自己學(xué)習(xí)和進(jìn)步。

2010年，周劍申請(qǐng)了國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目“基于建模環(huán)境的內(nèi)陸河流域水文—陸面過程模型集成研究”，他以流域尺度水文循環(huán)建模分析為目標(biāo)，以黑河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，構(gòu)建了適合于黑河上游產(chǎn)水區(qū)的分布式模塊化產(chǎn)流模型，并對(duì)黑河上游徑流量進(jìn)行了預(yù)測和分割；基于建模環(huán)境，耦合了河道模型DAFLOW、非飽和帶水文模型UZF和飽和帶水文模型MODFLOW，建立了黑河中游盆地地表水/地下水轉(zhuǎn)化的集成模型，并結(jié)合G I S和遙感技術(shù)對(duì)黑河中游盆地補(bǔ)給、徑流、排泄進(jìn)行了定量分析。通過黑河上游和中游模型的情景模擬和預(yù)測，為黑河流域水資源合理利用和管理提供了更加科學(xué)的依據(jù)。

研究還在繼續(xù)，周劍發(fā)現(xiàn)在干旱半干旱地區(qū)，精確定理作物生長過程中水資源的需求對(duì)灌區(qū)節(jié)水和有限的水資源合理利用非常重要。2012年他申請(qǐng)了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“耦合作物生長—水文模型研究黑河中游灌溉綠洲的生態(tài)—水文過程”，以精細(xì)化模擬干旱區(qū)作物在生長過程中的蒸騰蒸發(fā)耗水量、土壤剖面水分的變化，以及作物在不同水肥條件下的收獲產(chǎn)量為目標(biāo)，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)展了自己的集成建模環(huán)境，并耦合了地下水模型MODFLOW、非飽和帶水文模型HYDRUS和荷蘭瓦赫寧根大學(xué)的作物生長模型WOFOST，建立了干旱半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)—水文耦合機(jī)理模型。為了從點(diǎn)上的機(jī)理研究擴(kuò)展到面上應(yīng)用，項(xiàng)目組以黑河中游綠洲為對(duì)象，進(jìn)一步集成干旱半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)—水文耦合機(jī)理模型、遙感蒸散發(fā)模型和水資源管理模型，發(fā)展了流域尺度的農(nóng)業(yè)生態(tài)—水文過程模型。

干旱半干旱區(qū)生態(tài)—水文的研究暫告一段落，2013年，周劍又將精力投入到中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目“黃河源區(qū)凍土變化的水文效應(yīng)”中，在凍土水文研究上，周劍堅(jiān)決表示：“要發(fā)展我們自己的寒區(qū)水文模型，來研究寒區(qū)氣候、凍土、水文環(huán)境變化過程、機(jī)理，揭示凍土退化導(dǎo)致的水資源變化機(jī)制?！敝軇ьI(lǐng)團(tuán)隊(duì)抱著不斷創(chuàng)新的信念，提出了寒區(qū)溫度變?cè)椿旌袭a(chǎn)流機(jī)制理論，并發(fā)展了寒區(qū)地貌變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模型，可在山坡尺度精細(xì)地模擬凍土水文過程，幫助研究凍土退化對(duì)寒區(qū)水文及其生態(tài)的影響。項(xiàng)目組采用自己發(fā)展的寒區(qū)地貌變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模型開展了氣候變化情境下，黃河源地區(qū)凍土退化引起的水文與水資源效應(yīng)影響預(yù)估。主要模擬了黃河源區(qū)凍土活動(dòng)層時(shí)空變化；黃河源凍土發(fā)育條件下地表水—地下水的交換和濕地分布；黃河源區(qū)多年凍土過去50年歷史演變以及未來100年的變化趨勢(shì)。最后，結(jié)合數(shù)值模擬、遙感和地面觀測對(duì)黃河源水儲(chǔ)量變化進(jìn)行解析及成因分析。周劍做到了“發(fā)展自己的寒區(qū)水文模型”的目標(biāo)，系統(tǒng)研究了我國青藏高原的寒區(qū)水文過程。

獲得美國水環(huán)境聯(lián)合會(huì)和美國環(huán)保署頒發(fā)的McKee Groundwater Protection，Restoration，Sustainable Use Medal。

瞄準(zhǔn)技術(shù)難題 將科研與實(shí)踐相結(jié)合

始終記得自己初入科研大門時(shí)的熱切與欣喜，這也成為周劍研究路上前行的動(dòng)力。

2 0 1 6 年，周劍作為瑞士環(huán)保署B(yǎng)AFU與中國水利部合作項(xiàng)目“對(duì)于過度開采地下水含水層修復(fù)和管理策略”的負(fù)責(zé)人，在瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)開展經(jīng)濟(jì)—社會(huì)和水文系統(tǒng)耦合研究的工作。此時(shí)，中國山洪災(zāi)害防治項(xiàng)目需要攻關(guān)，他便立刻回國投入到山洪項(xiàng)目的攻關(guān)研究中，他依托長期的水文建模的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展了適用于短歷時(shí)、強(qiáng)度大降水條件下時(shí)空變?cè)椿旌袭a(chǎn)流模型，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法開展有徑流觀測小流域產(chǎn)流參數(shù)向無資料地區(qū)移植，為無徑流觀測資料山區(qū)實(shí)時(shí)山洪預(yù)警提供理論支持和創(chuàng)新方法。該研究仍然在繼續(xù)，他強(qiáng)調(diào)，鑒定科研信念，決定勢(shì)必要瞄準(zhǔn)水文機(jī)理和無資料地區(qū)洪水預(yù)報(bào)等難題，一路戰(zhàn)到底。

在這個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展瞬息萬變的時(shí)代，周劍深感責(zé)任重大，需要學(xué)習(xí)的東西越來越多，2018年，為響應(yīng)中央生態(tài)文明現(xiàn)代化建設(shè)的需要，周劍積極推進(jìn)科技攻關(guān)支撐生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)踐，申請(qǐng)了甘肅省工業(yè)和信息化委員會(huì)重點(diǎn)協(xié)調(diào)發(fā)展專項(xiàng)“甘肅省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和決策支持系統(tǒng)”，項(xiàng)目圍繞著高時(shí)空分辨率衛(wèi)星遙感影像動(dòng)態(tài)監(jiān)管生態(tài)資源環(huán)境要素的難題開展重點(diǎn)科技攻關(guān)，通過產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的項(xiàng)目組織方式，融合大數(shù)據(jù)、人工智能、云平臺(tái)、遙感和地理信息等技術(shù)，研發(fā)新一代天地一體化綜合監(jiān)管平臺(tái)，為生態(tài)、環(huán)境、災(zāi)害和自然資源的調(diào)查、監(jiān)管、執(zhí)法和應(yīng)急響應(yīng)一體化業(yè)務(wù)能力起到技術(shù)支撐。

科研是持續(xù)性的過程，也是點(diǎn)滴積淀與傳遞的過程。在周劍心中，他的研究旅程剛剛開始。未來，在實(shí)現(xiàn)人生價(jià)值的科研旅程中，周劍將會(huì)繼續(xù)前行！