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和治黄工程师合作的收获与感悟 精选

已有 3703 次阅读 2021-12-25 14:43 |个人分类:黄河|系统分类:科研笔记

上月的《半月谈》杂志有一篇文章题为《长江大保护,科技撑不住?谨防科研成果与治江需求脱节错位》,文中总结道“当前长江大保护相关科研工作还存在问题意识不强、协同创新不够、考核评价体系不健全等问题”。我从事河流地貌学的基础研究,专注研究黄河。这篇文章让我想起几年前自己和治黄工程师的科研合作。


初遇黄河水利科学研究院主管科研的江恩慧院长,是2017年在北京,在一个小型学术会议的工作餐中,我们同桌就餐。她听了邻座一位清华大学的教授介绍我攻读博士学位期间的研究成果(通过数值模拟重建三千年黄河决徙规模的动态变化),立刻热情邀请我去黄科院做学术交流,还招唤一位下属过来,让他马上为我订车票,会后就和他们一起回郑州,去黄科院做报告。我不习惯“闻风而动”,承诺一个月后专程去交流。


治黄工程师对我的基础研究感兴趣,我既意外又不意外。意外在于,小浪底水库运行后,黄河下游已经成为一条高度人工控导的河道,研究天然河流的地貌学似无用武之地。不意外在于,地貌学擅长的复杂系统思维,是“人类世”时代治黄必要的思维方式,而且探究黄河在地质历史时期的演化规律,能给治黄的中长期决策带来启示。


一个月后,我如约去黄科院。我做报告,资深治黄专家们有质疑、有肯定,没有打击我的自信心。几位年轻的高工做报告,介绍自己的课题,我认真听,回去后查阅历年的《人民黄河》杂志,了解了黄河下游河道治理面临的难题。原来,现行河道整治工程的布置方案形成于1970年代,适应1970-1990年代黄河下游的水沙条件。2000年后,随着小浪底水库应用、黄土高原生态环境建设见效,黄河下游的水沙条件发生很大变化,现行河道整治工程的适应性不足,控导能力下降。局部河段的河势突变加剧,可能威胁堤坝安全。工程师们想彻底弄清黄河下游河势突变的机制和先兆指标,填补上这些知识空白点,才能设计出适应性强的河道整治工程。几年前他们已经开始利用水槽实验,研究天然条件下冲积河流河势突变的过程与机制。这个更具普遍意义的知识空白点,本应由我们这些做基础研究的人来填补。


江院长邀请我申请黄科院的开放基金,做治黄的应用研究,填补以上知识空白点。当时我正在中山大学海洋科学学院做专职科研人员,主持一个海岸地貌学项目(国家自然科学基金面上项目),犹豫是否继续研究黄河。江院长劝我继续研究黄河。她说黄河包含许多有趣的课题,一辈子都研究不完。她已经研究了二三十年,看着自己的研究成果应用到工程项目上,解决了治黄的实际问题,很有成就感。她回忆起自己年轻时克服种种条件限制,潜心科研攻关的往事,越说越激动,越说越快,一开始用普通话,不知何时换成了河南话。“纸上谈兵没意思。是骡子是马,拉出来遛遛。我也要做出具有应用价值、经得起实践检验的科研成果。”我暗暗下了决心。于是,我申请开放课题基金,获得了资助,和黄科院的两位高工合作研究河势突变。


我低估了这个课题的难度。这是一项耗时多、需要多方协作的水槽模型研究。中山大学科研岗非升即走,发文章的压力很大,我没法长时间待在郑州盯模型实验,也没投入精力和工程师们深入交流、密切协作。和工程师们的第一次合作,没有取得实质性成果。


2019年我有机会再次和治黄工程师们合作。这次是全职一年,我在黄科院泥沙所有一张办公桌。报道那天,我问江院长一年要写几篇论文(我知道她正在主持一个国家重点研发计划项目,急需论文结题),她没有马上回答,过了几秒钟说“没有,你自己决定。写SCI论文有一些套路,我们不擅长,你擅长。”


在黄科院工作那一年,我除了按照自己的设想和节奏做研究、写文章,还有机会近距离接触工程师,和他们一起吃食堂、听报告、出野外、做试验、赶任务。


最开眼界的是一年一度的大模型放水和查河。大模型放水指每年汛期前在“模型黄河”试验基地一号厅开展黄河下游洪水预演实体模型试验。2020年大模型放水安排在6月底,除了预演小浪底水库迎汛腾库容下泄的人造洪水过程,还要“加演”一个洪峰流量达到16000立方米每秒的特大洪水(模拟1761年洪水),用以预测特大洪水中黄河下游河势如何变化,哪些工程可能出险,哪些滩地会淹没。由于模型黄河长达800米(恐怕是全世界最大的河流动床模型),试验只有一天,准备工作要花两个月。准备工作之一就是查河。4月底,夏工就带领我们从巩义到东明,沿河摸查黄河下游的治河工程、畸形河势和崩塌岸线。


查河那几天风和日丽,河水悠悠,野花盛开。兰考的黄河滩区最大最美,一派田园风光。绿油油的麦田和黄绿色的饲草地镶嵌分布,四处可见的村台被粗壮挺拔的泡桐树围绕着,在浅紫色云朵般的泡桐花里忽隐忽现,只要路过槐树,定会闻到甜美的清香。我想要是焦裕禄在天有灵,定会开怀大笑。当我看到2003年兰考蔡集生产堤决口后方的土地至今沙岗起伏,无法耕种,又佩服起焦裕禄当年治沙的智慧和执著。


查河时我没有活干,便开展自己的河流地貌学野外考察,观察忙碌的工程师们,琢磨他们关心什么、研究什么。趁夏工有点空闲,我问他“既然大水出好河,为什么小浪底不多放点水下来,把畸形河势调顺?”夏工淡淡地回答:“农民不喜欢滩地被淹,小浪底那头也想多蓄点水、多发电。”我一下子领悟到,黄河难治,难在约束多、目标多,治河方法受社会经济发展状况制约。


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1 查河:伊洛河汇入黄河,不远处有“河洛古国”双槐树遗址

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2 查河:桃花峪黄河大桥下黄河河床出露,骑马者远眺楚河汉界鸿沟

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3 查河:中牟畸形河湾的崩塌岸线

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4 查河:2003年秋汛兰考蔡集生产堤决口的堵口遗址。那次决口分流比达50%以上,受灾人口11.4万,调动5500名官兵群众堵口成功。

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5 查河:兰考的泡桐树

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6 查河:黄河滩上的地黄花


大模型放水缺人手,我有活干了,负责拍照记录和描述重点河段的河势变化。试验从6月25日早上8点开始,下午将近6点结束。按模型上1小时等于原型上80小时换算,观看一天试验,等于快进预览了二十几天的黄河下游河床演变过程。一些地方上的官员驱车来看试验,了解自己辖区的滩地有没有危险。


我目睹了河流地貌学教科书上必讲的裁弯取直过程,观察了治黄上常说的“大水趋直,小水坐弯”现象,不时询问工程师们哪里发生“横河”、“斜河”、“滚河”了,哪里的生产堤决口了,哪个控导工程有脱河、被“抄后路”的危险,等等。凡是书上说的,我都想在模型上看个究竟。一天下来,我在模型黄河的上游、下游、左岸、右岸来来回回跑了三四十趟,拍照录像,不亦乐乎,傍晚回家时才感到累。


夜里九点多,工程师同事发来信息,问我河势描述写好了吗,李所长在黄委汇报,马上就要看。于是,连夜翻阅胡一三编著的《黄河河道整治》,学习如何专业地描述河势变化。熬了一夜,把河势变化报告赶出来,配上标注好的图片,发给同事。

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7 模型黄河试验

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8 裁弯取直初期串沟分流

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9 模型黄河试验

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10 孙口水文站是黄河下游的卡口,是影响整个下游河道行洪能力的短板


两天后,我去所里的大办公室交试验记录,看见董工正握笔趴在一张河势图上,夏工在打电话,语速很快,万工盯着电脑屏幕,手指在键盘上飞快地敲打,几位研究生进进出出,摆弄出野外用的仪器。那气氛,让我有种进入作战指挥部的错觉。原来,模型试验的第二天,小浪底水库就开始下泄人造洪水。这几天大家白天查河,追踪黄河的河势变化,晚上熬夜写报告,提交给黄委会,那里有真正的“作战指挥部”。


又过了几天,李所长问“想不想再去查河,和模型上看到的对照一下?”“当然想!”“那马上下楼上车。”不到一小时后,我已经站在中牟那个畸形河湾边上,看着湍急的黄河,听着河岸坍塌拍打水面的轰轰声,担心着“脚下一开裂,就成千古恨”。万工带我们一路检查险工。5000立方米每秒左右的人造洪水已经放了六天,洪水上了嫩滩,很多地方出险,都是小险,堆沙袋、抛石、捆柳石枕,抢险有条不紊地进行着。堤上党旗飘扬,很多人在堤上值班。一些老百姓在河边张望,说很久没见黄河发这么大水了。


研究生小赵负责航拍,我凑过去看无人机的屏幕。从高空俯瞰黄河,大河浩浩荡荡,大堤之间的滩地像草原一样广阔,标准化大堤瘦成两条细线,没有一双鹰眼,根本看不清堤上的人。假如单靠东挖西填,想把大堤内的二级悬河改造成地下河,简直是不可能的任务,非借力大自然不可。


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11 小浪底调水调沙初期的桃花峪河势(黄河泥沙重点实验室拍摄)

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12 借小浪底制造的人造洪水,进行防御大洪水实战演练

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13 调水调沙期间中牟的畸形河湾发生快速崩岸


在黄科院工作一年,我理解了科学和工程学的差别、基础研究和应用研究的差别,学会了欣赏工程师的工作风格。工程学开展应用研究,这个“应用”不是指“应用已有的知识”,而是指“以应用为目的”。工程学不等于科学的应用,包含但超越了科学的应用。应用研究不“寄生”于基础研究,很多重要的新知识是通过应用研究发现的。优秀的工程师经验多、直觉好,能从纷繁复杂的现象中,抓住矛盾的核心,直接以科学问题的形式提出应用需求,而这个科学问题恰好对应一个重要的知识空白,可以开启一个新的研究方向。


江院长就是这样一位优秀的工程师,她曾经问我“能不能预测冲积河道耐冲黏土层的分布规律?”(遇到耐冲黏土层是黄河下游河势脱离工程控制的重要原因,2003年兰考蔡集生产堤决口就是一个惨痛的案例。)通过地表的形态和过程,推测下伏地层的结构和性质,这是地貌学的传统研究内容,但一直以来河流地貌学热衷预测古河道砂体的分布规律,较少研究黏土层的分布规律,也不研究随机、非连续分布的黏土层是否包含有意义的沉积环境信息。


工程师做应用研究,出成果经常比基础研究难度大,因为他们只能坚持解决既定的难题,没有任意更换科学问题的自由。工程师以人为本,在各种现实约束下创造新事物,改造自然。他们要解决急迫的问题,等待对他们是一种奢侈。即使面对知识空白,他们仍必须做出决定、采取行动。他们直面风险,雷厉风行,也懂得妥协,懂得循序渐进。理解工程学,欣赏工程师,这是我和工程师们合作的“感情基础”。

 

那一年我和江院长、李所长合作完成了三篇论文,中文的,都发表在一线治黄工程师最爱查阅的《人民黄河》杂志上。前两篇应用复杂巨系统理论,考察治黄系统工程自秦汉以来形成、演化的过程和规律,阐释治黄和流域高质量发展相辅相成的道理,尤其是产业结构升级换代和水土资源高效利用,可以放松治黄的约束条件,降低工程师们治黄的难度。第三篇论文基于六千年来黄河下游河道的地貌演化规律,从流域自然、社会经济和治河技术相互作用、共同演化的角度,预测现有河道可再行水240年,提出了一个千年治理蓝图,分五步走,逐渐推进黄河下游的滩区治理、生态修复和水系重建。


由于一些原因,我和治黄工程师们只合作了一年,但我将从这次合作中受益一辈子。无论将来科研条件如何,我都会像工程师攻关技术难题那样,坚持研究黄河,“咬定青山不放松,任尔东西南北风”。我会不断告诫自己,不能差不多就好,要严谨起来,做出对工程师们有用的成果。我会继续关注治黄动态,追踪工程界的研究进展,了解治黄需求,从中发现和凝练出值得研究的地貌学问题。


河流地貌学自诞生以来,都是需求引导的应用型科学,以任务带学科,基础研究和应用研究相互促进,之间没有必然的界限。美国和中国的河流地貌学大家都做过大量应用研究,服务过国家重大需求。1950-60年代,在美国,Luna Leopold为美国地质勘探局(USGS)服务了22年,期间领导了地貌学的定量革命;Stanley Schumm在Leopold手下为USGS服务了13年,离开不久即创立流域系统地貌学。同时,在中国,沈玉昌为论证三峡水利枢纽工程、选择丹江口水库的坝址,领导了汉江调查和三峡和长江上游河谷地貌考察;黄秉维和罗来兴领导编制黄河中游土壤侵蚀分区图和黄土高原水土流失与水土保持图,为治黄提供重要参考依据。这些地貌学大家都在长期、广泛、系统的野外调查中积累了大量第一手数据,严谨求实地解决了国家重大需求。他们发表论文是为了学术交流,很多科研成果以应用报告的形式出现,没有影响因子却影响深远。他们上下求索、深入思考多年后,才著书立说,成一家之言。


时代变了,全世界的科研环境都变了,充满了无奈,也充满了选择。只要拥有回应时代课题的眼光、能力和责任感,就能创造出科研和应用深度融合的小生态,就能集合起一群同心协力、攻坚克难的“战友”,把论文写在祖国的大地上,写在无限的宇宙之间。




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