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刘之平:千钧重负 水到渠成
——记2016年度国家科技进步奖二等奖获得者刘之平及其团队

作者:本刊记者 王 辉  来源:科学中国人  发布时间:2018-04-10

导读:  为了保障这些水利工程的成功建设,无数水利工作者奋战在水利建设的战场,或台前或幕后,中国水利水电科学研究院副院长刘之平就是其中之一。从恢复高考后走进华北水利水电大学学习,到如今攻关大小水利重点难题,他已结缘水利40载。如今,当他带领一支跨单位、跨学科的攻关团队,再次登上国家科学技术奖的殿堂时,一切又是“水到渠成”,就如同“长距离输水工程水力控制理论与关键技术”项目的终极目标。

  一座座大坝凌空飞跃,护卫江河安澜;一条条河道绿水如绫,沁润万顷良田;一批批调水工程,配送生命之源,注入发展活力——党的十六大以来,中央把治水兴水作为关系中华民族生存和发展的长远大计,采取一系列强有力的战略举措。
  为了保障这些水利工程的成功建设,无数水利工作者奋战在水利建设的战场,或台前或幕后,中国水利水电科学研究院副院长刘之平就是其中之一。从恢复高考后走进华北水利水电大学学习,到如今攻关大小水利重点难题,他已结缘水利40载。如今,当他带领一支跨单位、跨学科的攻关团队,再次登上国家科学技术奖的殿堂时,一切又是“水到渠成”,就如同“长距离输水工程水力控制理论与关键技术”项目的终极目标。
  

护佑远距离输水串起

一颗颗珍珠,编织成华美的皇冠


  在我国,要理解任何一项水利项目的开展背景,都需要了解中国的水资源现状。首先我国是一个水资源较为丰富的国家,但是由于我国人口基数大,人均水资源占有量非常低,远远低于世界人均水资源占有量,又被联合国列为贫水国。同时,我国幅员辽阔,存在严重的水资源分布不均现象,南方的水资源占全国水资源的80%左右。而且,随着气候变暖,我国北方的水资源越来越少,因此,跨流域调水工程成为缓解这种水资源分布不均衡的重要方法和措施,从而诞生了多个远距离输水工程。
  全球已有40多个国家建成了350余项调水工程,我国已建的跨流域输水工程达到31座,供水比例高达20%,其安全调度、运行是保障国家水资源安全的关键。2017年,摘得国家科学技术进步奖二等奖的“长距离输水工程水力控制理论与关键技术”项目,就是为我国长距离输水系统安全、稳定、高效运行提供了重要技术支撑,成果已应用在了引黄济青、引黄济津、南水北调中线工程京石段等工程。
  何谓“长距离”?在采访中,项目第一完成人刘之平告诉记者,“长距离”是相对以往的工程来界定的,“距离越长,调水越困难。从力学角度来看,水流惯性力大,传播的过程也会非常复杂。”项目完成人、中国水利水电科学研究院高级工程师郭新蕾解释说:“不同的调水工程有不同的特点,面临不同的难题,比如有的工程穿秦岭需要打隧洞,有的水源地多管道多,又翻山又越岭,涉及到很多水力学的控制问题。”课题组将这些困难总结归纳为:“长距离输水工程构成复杂,输水方式多样;用水需求多变,水力调控扰动频繁;地形地势多样,流态衔接复杂;水流惯性大,控制响应滞后严重;高纬度地区,冰盖下输水问题突出。控制不当,极易出现爆管、结构物破坏、漫堤溃决和冰害等事故”。
  围绕长距离输水工程水力控制这一关系调水工程全局的关键技术难题,中国水利水电科学研究院、天津大学、清华大学等6家单位,紧密结合10余项重大输水工程设计与运行实践,在“十一五”国家科技支撑计划课题“中线工程输水能力与冰害防治技术研究”、国家杰出青年科学基金“工程水力学的理论、试验及原型观测技术”等40多个科研项目资助下,开展理论创新、技术开发和集成应用等研究。
  十年磨一剑,霜刃未曾试。对于一个历时20多年的项目,记者也在好奇,它究竟有哪些不同寻常之处?郭新蕾告诉记者,这个项目集合了若干子项目针对不同调水工程的共性问题、特殊性问题、难点问题,对此展开联合攻关研究,各个击破,才形成今天呈现在公众面前的成果。在记者看来,这一“集众家单位之精彩”的成果,就如同串起一颗颗珍珠,将其编织成一顶华美的皇冠。刘之平告诉记者:“现在,该项目的成果已应用到我国多项已建长距离输水工程中,保障了工程的顺利建设和安全、高效运行以及我国水资源调控和配置战略的有效实施,解决了众多人口的供水安全问题,促进了社会经济发展,改善了生态环境。在确保适时、适量、安全、高效输水目标实现的前提下,节省工程建设投资18.68亿元,经济效益显著。研究成果正在南水北调中线干线、南水北调中线天津干线、东线工程推广中,也可推广应用于其他输水工程、河湖连通工程及智能水网建设和运行调度中。”
  

20年的协同与坚守

工程科技是科学知识转化为现实生产力的重要手段


  “建立了复杂长距离输水系统水力仿真与控制理论方法,提出了长距离管道输水系统成套水力控制新技术,提出了长距离明渠输水系统前馈—反馈—解耦集散控制技术,提出了长距离输水系统冰害防治与冰期运行控制技术”,这是课题组为该项目归纳的技术创新之处。刘之平向记者举例说:“明渠短,水流流速低,控制起来相对比较容易。在做南水北调中线调水时,我们就碰到难题:干线渠长1273公里,67个闸门、66段渠道都是串联的,只要一处发生变化,整个渠道全都受影响。”
  南水北调中线调水是从源头丹江口水库调出水到达北京,这期间将耗时15天。如果终端北京的需水量增加,渠线的水位就会下降,如果补水不能及时,水位就会高高低低来回波动。长期的波动会给沿线的一些土渠带来安全隐患。怎样能使得调水平稳且最高效?什么情况下波动对渠道影响最小?这是留给水利科研工作者的难题。“我们会在理论上采取一些算法,限制在一个小时最多15厘米、一天30厘米的变化范围,这是出于安全需要。为了实现这一标准,我们就需要考虑原有的渠道蓄量,利用主动控制方法使得扰动波相消,减少渠道水面波动。”
  刘之平欣慰地告诉记者:“用我们的控制方法只需大概三至四五天,就可转变一次输水工况,效果非常理想,输水效率提高了3倍。”在他看来,这是最大突破。“这个课题做了4年多,团队成员之间合作得非常好。水力学所都是我们团队的人,也慢慢培养起来很多年轻人。”这也是让他得意之处。
  如今,可以很自豪地说,我国长距离输水工程的建设规模和难度处于世界领先水平。对此,刘之平认为,首先是我国有这种长距离输水的现实需求,最重要的是该项目突破了世界级输水工程水力控制这一全局性的理论难题和技术瓶颈,形成了自主创新的理论方法和成套关键技术。
  对此,业内的专家学者也给予了充分的肯定和赞誉。潘家铮院士曾评价长距离调水工程输水能力与冰害防治技术的成果:“不论在学术研究或工程实践上都具有重要意义,在国内外调水工程的类似研究中,项目的研究范围和深度是名列前茅的;对冰期输水的数学模型评价:是一项重大成就,是能反映冰情发展的数学模型,能够模拟黄河以北沿渠全线输水的冰水动力特性,实现了全部计算断面的联合计算。这是个极其复杂的问题,这是件巨大的工作,有创新性,很不容易!”对大型输水工程参数辨识及安全调控关键技术成果的评价:“该成果是调水工程水力学系统辨识的重大标志性成果。”郑守仁院士、索丽生教授对现代调水工程水力控制理论及关键技术研究成果也作出过评价:“该研究为现代调水工程水力控制领域的重大成果,理论性和实用性很强,在调水工程规划设计、运行调度等方面有广阔的推广应用价值。”
  作为该项目的第一完成人,刘之平另外一个身份应该算是课题“战略家”。他坦言,“从这个项目立项,在整体思路上我花了很多的时间,大约20天时间来思考。到底这个项目该怎么做?国内外都没有,这是极特殊的一个项目,最后才动笔跟大家一起把申报书写出来,准备答辩。”他谈到,这个团队也很特殊,绝不止最后在奖状纸体现的这6家单位10个人,这支大团队下又有无数支小团队。
  在这20年间,带着对水利的那份担当,大家奋战在各自的科研一线,20年的传承、坚守和付出,才铸就成这枚奖励的勋章。
  

水利人生

“水利工作做得越久,胆子越小。”


  在走进大学之前,刘之平有着丰富的人生经历:插过队,做过煤矿工人、钳工——恢复高考,不仅是一个国家、时代的拐点,更是他人生的转折点。
  1977年冬天,中国关闭了10年之久的高考大门再次打开。身居河北偏僻煤矿的刘之平,从中央人民广播电台的电波里得知这个消息,上大学的信念在他心里萌生。于是,他重拾书本,加入到高考大军中。这一年,全国570万名考生奔向考场,盼望实现命运的转变。1978年2月,刘之平阴差阳错地被华北水利水电学院(现为华北水利水电大学)录取了,“我高中化学特别好,我也特别喜欢化学,结果不知道怎么就被水利院校录取了”。
  既来之,则安之。直到大学二年级接触到专业课,刘之平才了解水利“究竟是怎么回事”,要不然自己还一直主观地认为“化学复杂,水利简单”,“其实,水利学起来还是挺复杂的”。回忆起当初走进水利的大门,刘之平回忆说:“后来通过几次实习,自己还是喜欢这个专业。”毕业后留在学校,这也为他的经历中增加了“老师”的角色,“当过辅导员,也做过助教,讲过专业课,带过毕业实习和毕业设计,这一年半还是挺充实的”。
  如果不是学校给予每位老师一个考研究生的机会,也许刘之平会成为一名优秀的老师,“当时学校允许考一次研究生,那我就报了名”。从不熟悉到慢慢喜欢,就这样,他还是选择了水利专业,来到中国水利水电科学研究院(以下简称“水科院”)读研究生。从此,他的水利人生之舟正式扬帆起航。
  “我的研究生导师叫金泰来。”时至今日,刘之平对自己的老师依然记忆深刻,“老先生是中央大学毕业的,做水力学和金属结构研究。”他回忆说,自己当时做过模型试验、做过计算,做过原型观测、也做过现场,这些对自己后来做水力学研究非常有好处。“因为现场能看到大坝的泄洪,能看到渠道的水流究竟是什么情况,各种现象到底是怎样的,和自己在试验室里做的不一样。这些积累为我日后做模型试验、做工程,奠定了非常扎实的基础。”
  研究生毕业后,他一直跟导师做科研。“1989年当室主任,1992年去日本,1994年回国,然后就在水科院水力学研究所,直到2001年到院里任职。”十多年岁月在刘之平嘴里说出来都是一言简之,可作为一名“老水利人”,他却是见证了包括二滩、小浪底、三峡、小湾、溪洛渡、南水北调等这些国家战略性工程在内的很多的大型水利工程的孕育和建设。他做的很多科学研究都是围绕这些大型水利工程而开展的。
  随着对水利研究的深入,刘之平愈加觉得水利不是那么简单,有时甚至是一门“经验学科”。因为时至今日,很多水利上的难题依然没有得到解决。对此,他深有体会,“有时候很多事仍然需要依照经验来判断。经验在学科里没法用公式来描述,就算是通过实验模拟未必准确。”在这个情境下,对水利工作者而言,就需要有过往经验和具备对现场实际观测结果的判断能力。“看一个模型实验,你会想到工程上是什么样,只要这样才能够判断所做的模型实验的结论是否正确。”
  像一位身经百战的将士,如今的他已不再冲锋陷阵,而是将机会留给年轻人,自己则在后方培养人才、指点谋局。刘之平说自己应该不算一位严厉的老师,他很少对学生发火,与学生的相处是通过商量和讨论对其给予指导。但如果碰到不上进的学生,他也是毫不犹豫地将其劝退。如今,他白天的时间留给了行政工作,留给自己做科研的时间只剩下了晚上,以至于每天唯一的运动只能是上下班的40分钟步行。
  和水利打了几十年交道,刘之平感慨:“水利工作做久了,胆子越小。”他提到,一般水利工程都是巨大的,因此一旦出问题必定会造成灾难性的事故,比如垮坝或是影响既定效益的发挥,造成巨大经济损失。“包括我在内,都是非常慎重地下结论,每一个结论都要反复考虑、严格的论证。我不敢说完全是科学的,因为科学与否有待时间的检验,但一定是经过非常严格的论证,才会去下一个结论,才敢照着结论在工程中去做。”
  这是一位水利工作者内心的独白,也是无数水利人那份责任的担当。
  

后记:


  这次报道经历了两次采访,第一次因为刘院长公务的繁忙而被迫中断推迟。我们的报道小组终于在第二次对他进行了40分钟的专访。在采访中,他绝大多数时间都在谈论与项目有关的话题,对于个人问题的回答,也在只言片语中轻描淡写了,在网上更是极少看到关于他个人的报道。谦虚、低调,这大抵是科研工作者的共性;而大气、平易近人,这类词语是下属对他的评价;听他的谈话,不浮夸,充满了慈爱和睿智。子曰:“君子欲讷于言而敏于行。”云淡风轻,乃君子之风也。
  

项目完成人简介:


  刘之平,教授级高级工程师,中国水利水电科学研究院副院长,中国能源学会副会长、中国水力发电工程学会理事,中国水力发电工程学会水工水力学专委会主任,国际水利与环境工程学会中国分会主任。
  长期从事水力控制、水工水力学、防汛减灾、水利信息化和寒区河渠冰情研究等科研工作。在长距离引调水工程调度运行、高坝泄洪消能等领域的重大水科学问题和关键技术方面取得重要成果,获国家科技进步奖二等奖4次,2017年荣获首届全国创新争先奖状。
  2016年度国家科技进步奖二等奖项目“长距离输水工程水力控制理论与关键技术”的第一完成人,他提出项目总体创新思路和技术路线,协调项目课题研究。主持完成了调水工程输水能力与冰害防治研究,形成了系统的长距离调水工程水力控制理论;提出了闸前常水位高效控制模式、冰期运行的控制指标、运行方式和自适应控制算法以及冰害防治关键技术。

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