为了黄河不断流
——记清华大学“流域水沙过程与临界调控机理”创新群体

来源:科技日报 2010-10-16

  “我们这个群体不是最好的。”一落座,学术带头人王光谦就谦虚地说。

  “不是最好的”,是指“发表的论文只有100多篇,在国际刊物上发表的也就20多篇”。

  “但我们这个群体是有特点的。”紧接着,他又自信地说道。其最大的特点就是,将更多的论文“写”在江河里。

  由于河流数目众多,且有黄河、长江等众多大江大河,水土流失严重,我国的泥沙研究历史悠久,也是全世界唯一设有泥沙学科的国家。

  而黄河历来是泥沙学科研究的重点。“黄河面临水资源短缺、水土流失严重、下游河道决口等诸多问题,我们必须进行系统、长远的研究。”王光谦说。

  因而,2002年,以黄河为主要研究对象的“流域水沙过程与临界调控机理”研究团队得到国家自然科学基金委员会创新研究群体的支持。

  研究黄河,首先要解决断流和决口的问题。黄河拥有580亿立方米的水资源,其中210亿立方米要流入大海,剩下370亿立方米供沿河11个省市共用。这就涉及到合理分配与调度问题,如果上游省市用水过度,下游省市就将面临黄河断流,甚至水荒。“特别是在水量小的时候,如果上游用水太多,就会造成黄河断流。”王光谦说。众所周知的是,1997年黄河断流超过300天,100多个专家联名呼吁拯救母亲河。

  “我们要做的是,在不知道黄河当年多少水量、各地需水量的情况下,制定一套方案,既能保证各地用水需求,又不至于让下游没水用。”基于这一目标,该团队研发出黄河水量自适应调度模型。

  该模型通过预先分水决定各个省市的用水量,同时通过水文监测了解黄河的实时水量,按旬实施水量调度,以保证黄河不断流。自2002年起模型在黄河水利委员会投入实际应用,为黄河不再断流发挥了关键技术支撑作用。这一模型涵盖了黄河上5个水库的相关数据,其规模之大在世界上绝无仅有,这一研究成果也于2006年获得国家科技进步奖二等奖。

  黄河是典型的“游荡性河流”。“游荡性河流”是指短时间内河道的摆动、变化非常大的河流,“三十年河东,三十年河西”就是对这类河流最形象的描述。历史上,黄河是“三年两决口”、“百年一改道”,在2500多年的历史记录中,有1500多年出现了决口。因而有人说,“中华民族的历史就是一部治河史”。

  为了防止黄河决口、改道,通过实地考察,同时结合数值模拟、动床模型试验、遥感分析等关键技术,王光谦带领研究组提出描述游荡性河流演变规律的理论公式,建立起适用于游荡性河流的数值和物理模型。如今,项目成果应用于黄河、塔里木河河流整治与南水北调穿河工程的实践中,为输水、堤防工程建设提供参数,并对工程布置进行优化,经济有效地保护了河流的堤防安全。

  在此基础上,“黄河数字流域模型”建立。“一场雨到底会带来多少泥沙,洪峰到底是多少?这是下游防洪最想知道的。”王光谦说,以龙门为例,这里是黄河从中游进入下游的代表断面,如果能预测这里的洪水及泥沙量,下游就能积极应对。

  这同样是一项开创性的工作。仅以编码为例,“在黄河流域内45万平方公里的黄土高原区,泥沙比较多的是7.86万平方公里的多沙粗沙区,这个区域有21万个坡面,我们必须算出所有坡面的相关数据。”王光谦说。

  传统编码方法无法实现给21万个坡面编码,这就类似于越大的城市电话号码位数越多一样。“后来我们发现,河流是拓扑结构,就提出二叉树编码,先将河流分级,再结合并行计算进行编码。”王光谦说。
 
  正是在克服了一个又一个这样的技术难题后,这一成果最终赢得世界瞩目。国际泥沙领域的权威们,在听完介绍后激动不已,称王光谦团队完成了他们一直想做而未做成的事。汶川地震中,这一模型用于唐家山及肖家桥多个堰塞湖的蓄水计算中。

  更让王光谦感到自豪的是,现在,科研人员只要在搜索引擎里输入“清华数字流域模型”,就能找到他们的模型。 “所有人都可以免费下载使用,我们希望其他人能在这个模型的基础上开发应用,这起码可以为他们节省至少5年时间。”王光谦说。

  “这个成果可以说主要归功于自然基金委创新群体的支持,所以其成果当然应该由大家共享。”这就是他朴素的想法。

  “如果没有创新群体的支持,我们当初制定研究计划和目标的时候不可能这么长远和系统。”王光谦深有感触地说,“如果是生产性课题,到期要验收,我们根本不敢做这么大的题。”

  事实上,2005年,当创新群体第一期资助结束时,“我们还没有能拿的出手的成果,当时我都比较着急,担心学生没有论文发表得不到学位。”王光谦坦言。

  创新群体以培养创新团队而不看重短期成果的评价机制让王光谦吃了颗定心丸。 “每次汇报的时候,我仔细报告我们的进展如何,还有什么问题,让我安心的是,没有人因为我们暂时没有具体成果而给我们压力,我们顺利拿到了创新群体第二期的支持。”

  尽管不施压力,基于实际需求的研究水到渠成自然会出成果。当年年底,在西安召开的水土流失学术会议上,王光谦就代表团队汇报了数字流域模型,引起极大反响。

  “创新群体基金支持下的最大贡献在于拓展了泥沙学科领域,将我国的泥沙研究从河流泥沙拓展到流域泥沙。”王光谦说。此前,水沙研究主要偏重于河流的水沙控制,像水沙从哪里来这样的问题,并不在研究范畴内,流域泥沙的研究,正弥补了这一学科上的不足,追溯水沙的来源,从源头上研究泥沙问题。

  除了学术成果外,让王光谦最感欣慰的,是整个团队的成长。周建军关于三峡泥沙的研究,为这一重大水利工程提供了决策依据;于锡平参与的滩涂利用研究,已成为江苏省发展战略之一……围绕泥沙研究这个大课题,结合国家需要,团队里的每个课题组在各自领域内都有着卓越表现。

  “我们团队推崇的是动态课题组,课题之间互相渗透,当然,清华有较好的学术交流的传统,但毫无疑问,创新群体的建设加强了这一氛围。”王光谦说。

  在这个16人团体中,有5个是杰出青年基金获得者。王光谦本人也于2009年当选为中国科学院院士。

  “我不做群体的‘头儿’,其他任何一个人来做都可以。”王光谦对这支队伍充满信心。
 
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  “流域水沙过程与临界调控机理”创新研究群体:王光谦、周建军、王兆印、余锡平、王兴奎、张红武、方红卫、吴保生、邵学军、钟德钰、李丹勋、傅旭东、夏军强、黄跃飞、魏加华、刘家宏。该群体依托于清华大学水力学与河流动力学国家重点学科和水沙科学教育部重点实验室,致力于泥沙运动力学、水沙数学模型、两相流理论、河流生态环境等研究。其研究成果广泛应用于黄河泥沙治理、南水北调、三峡等重大工程。

(操秀英)

2010年10月18日 09:00:48  清华新闻网

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