——记中国科学院寒区旱区环境与工程研究所研究员周剑

　　□　武光磊
　　
　　
　　

　　
　　自20世纪后半叶以来，可持续发展引起了国际社会的高度重视，各国政府及科学界相继展开人类社会可持续发展的理论创新和实践研究，中国政府也制定了可持续发展的战略规划和目标。其中，找到我国现阶段社会经济发展中的主要矛盾、系统全面地分析问题、“庖丁解牛”地开展研究、突破技术瓶颈、发展理论创新并指导生产生活是科学工作者的重中之重。
　　中国科学院寒区旱区环境与工程研究所研究员周剑，在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所学习和工作的过程中，广纳新知，刻苦钻研，给自己定位了水文—生态—经济—社会系统协同发展的研究方向，时刻希望为中国社会经济可持续发展贡献自己的绵薄之力。
　　

爱好建模 开展寒旱区生态—水文耦合研究

　　有人问周剑，科研于他来说，意味着什么？他思考良久，回答了两个字：兴趣。
　　2005年硕士毕业的周剑辞去了江苏省交通规划设计院薪金待遇优厚的工作，怀着对科学研究的好奇和兴趣，来到了位于兰州的中国科学院寒区旱区环境与工程研究所攻读博士，在参加中国科学院重大研究计划“黑河流域生态—水文过程集成研究”的过程中，他首先引入了模块化的建模思路，开发了自主创新的建模环境，打破了传统被动的数据准备式的建模方法，帮助科研人员以问题和数据为驱动主动创新建模。利用自己研发的建模环境，周剑相继开展了流域尺度地表水—地下水耦合、生态—水文耦合、农作物生长等多方面建模研究，为干旱区生态—水文集成以及农作物精准灌溉等做出了重要贡献。由于在干旱区地下水资源/水环境保护和提高方面做出的杰出贡献，他于2009年获得了美国水环境联合会和美国环保署共同颁发的McKee奖。
　　虽然已在行业内磨炼多年，也算得上是身经百战的专家了，可提起目前行业内的发展趋势，周剑还是眉头紧锁，他提到：“当前还有一些很棘手的问题急需解决。”
　　他首先提出的就是我国北方农业用水问题，他表示，农业用水一定要向生态化发展，这是未来必然要加强的研究方向。身在水文研究领域，这样一句话肯定不会陌生：中国以占全球6%的淡水资源、9%的耕地，养活了全球21%的人口。取得如此大的功劳，农业用水功不可没，但却也掩盖不了中国水资源紧缺的现状，而粮食增产需求与生态环境需水的矛盾尤其在干旱半干旱区日益突出。都说“农水不分家”，周剑认为农业水可不止是节水那么简单，农业水资源实际是农业水和经济系统的耦合，是自然、经济及社会学的结合体，也是典型的交叉学科，希望未来可以以此为源头解决农业水资源存在的多种“疑难杂症”。
　　除了农业用水，周剑还提到，近年来气候变化导致青藏高原冻土环境改变，而且在黄河源和长江源已经出现冻土活动层变深、融区发育和多年冻土区“天窗”的现象，冻土的退化将改变该地区水循环过程，对“亚洲水塔”生态环境和水资源有直接的影响。但研究人员对青藏高原冻土退化的水文效应和生态功能响应的研究才刚刚开始，由此可见寒区生态水文的机理研究需要不断坚持和投入，在青藏高原突显集成研究“广”的同时，还要对机理过程展开“深”的探索。
　　

坚持不懈 研究方向硕果累累

　　一直以来，周剑都把自己当作一名学生，不断要求自己学习和进步。
　　2010年，周剑申请了国家自然科学基金青年基金项目“基于建模环境的内陆河流域水文—陆面过程模型集成研究”，他以流域尺度水文循环建模分析为目标，以黑河流域为研究对象，构建了适合于黑河上游产水区的分布式模块化产流模型，并对黑河上游径流量进行了预测和分割；基于建模环境，耦合了河道模型DAFLOW、非饱和带水文模型UZF和饱和带水文模型MODFLOW，建立了黑河中游盆地地表水/地下水转化的集成模型，并结合GIS和遥感技术对黑河中游盆地补给、径流、排泄进行了定量分析。通过黑河上游和中游模型的情景模拟和预测，为黑河流域水资源合理利用和管理提供了更加科学的依据。
　　研究还在继续，周剑发现在干旱半干旱地区，精确定理作物生长过程中水资源的需求对灌区节水和有限的水资源合理利用非常重要。2012年他申请了国家自然科学基金面上项目“耦合作物生长—水文模型研究黑河中游灌溉绿洲的生态—水文过程”，以精细化模拟干旱区作物在生长过程中的蒸腾蒸发耗水量、土壤剖面水分的变化，以及作物在不同水肥条件下的收获产量为目标，带领团队发展了自己的集成建模环境，并耦合了地下水模型MODFLOW、非饱和带水文模型HYDRUS和荷兰瓦赫宁根大学的作物生长模型WOFOST，建立了干旱半干旱区农业—水文耦合机理模型。为了从点上的机理研究扩展到面上应用，项目组以黑河中游绿洲为对象，进一步集成干旱半干旱区农业—水文耦合机理模型、遥感蒸散发模型和水资源管理模型，发展了流域尺度的农业生态—水文过程模型。
　　干旱半干旱区生态—水文的研究暂告一段落，2013年，周剑又将精力投入到中国科学院重点部署项目“黄河源区冻土变化的水文效应”中，在冻土水文研究上，周剑坚决表示：“要发展我们自己的寒区水文模型，来研究寒区气候、冻土、水文环境变化过程、机理，揭示冻土退化导致的水资源变化机制。”周剑带领团队抱着不断创新的信念，提出了寒区温度变源混合产流机制理论，并发展了寒区地貌变源混合产流模型，可在山坡尺度精细地模拟冻土水文过程，帮助研究冻土退化对寒区水文及其生态的影响。项目组采用自己发展的寒区地貌变源混合产流模型开展了气候变化情境下，黄河源地区冻土退化引起的水文与水资源效应影响预估。主要模拟了黄河源区冻土活动层时空变化；黄河源冻土发育条件下地表水—地下水的交换和湿地分布；黄河源区多年冻土过去50年历史演变以及未来100年的变化趋势。最后，结合数值模拟、遥感和地面观测对黄河源水储量变化进行解析及成因分析。周剑做到了“发展自己的寒区水文模型”的目标，系统研究了我国青藏高原的寒区水文过程。
　　

瞄准技术难题 将科研与实践相结合

　　始终记得自己初入科研大门时的热切与欣喜，这也成为周剑研究路上前行的动力。
　　2016年，周剑作为瑞士环保署BAFU与中国水利部合作项目“对于过度开采地下水含水层修复和管理策略”的负责人，在瑞士苏黎世联邦理工大学开展经济—社会和水文系统耦合研究的工作。此时，中国山洪灾害防治项目需要攻关，他便立刻回国投入到山洪项目的攻关研究中，他依托长期的水文建模的经验，发展了适用于短历时、强度大降水条件下时空变源混合产流模型，并利用机器学习的方法开展有径流观测小流域产流参数向无资料地区移植，为无径流观测资料山区实时山洪预警提供理论支持和创新方法。该研究仍然在继续，他强调，鉴定科研信念，决定势必要瞄准水文机理和无资料地区洪水预报等难题，一路战到底。
　　在这个社会经济和技术发展瞬息万变的时代，周剑深感责任重大，需要学习的东西越来越多，2018年，为响应中央生态文明现代化建设的需要，周剑积极推进科技攻关支撑生产应用实践，申请了甘肃省工业和信息化委员会重点协调发展专项“甘肃省生态环境监测和决策支持系统”，项目围绕着高时空分辨率卫星遥感影像动态监管生态资源环境要素的难题开展重点科技攻关，通过产学研相结合的项目组织方式，融合大数据、人工智能、云平台、遥感和地理信息等技术，研发新一代天地一体化综合监管平台，为生态、环境、灾害和自然资源的调查、监管、执法和应急响应一体化业务能力起到技术支撑。
　　科研是持续性的过程，也是点滴积淀与传递的过程。在周剑心中，他的研究旅程刚刚开始。未来，在实现人生价值的科研旅程中，周剑将会继续前行！