□ 武光磊

2012年8月周劍在西藏

自20世紀后半葉以來，可持續(xù)發(fā)展引起了國際社會的高度重視，各國政府及科學界相繼展開人類社會可持續(xù)發(fā)展的理論創(chuàng)新和實踐研究，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。其中，找到我國現(xiàn)階段社會經(jīng)濟發(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、突破技術瓶頸、發(fā)展理論創(chuàng)新并指導生產(chǎn)生活是科學工作者的重中之重。

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

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)劃設計院薪金待遇優(yōu)厚的工作，懷著對科學研究的好奇和興趣，來到了位于蘭州的中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所攻讀博士，在參加中國科學院重大研究計劃“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)被動的數(shù)據(jù)準備式的建模方法，幫助科研人員以問題和數(shù)據(jù)為驅(qū)動主動創(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)作物精準灌溉等做出了重要貢獻。由于在干旱區(qū)地下水資源/水環(huán)境保護和提高方面做出的杰出貢獻，他于2009年獲得了美國水環(huán)境聯(lián)合會和美國環(huán)保署共同頒發(fā)的McKee獎。

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，周劍還是眉頭緊鎖，他提到：“當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的研究方向。身在水文研究領域，這樣一句話肯定不會陌生：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)水資源實際是農(nóng)業(yè)水和經(jīng)濟系統(tǒng)的耦合，是自然、經(jīng)濟及社會學的結(jié)合體，也是典型的交叉學科，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，凍土的退化將改變該地區(qū)水循環(huán)過程，對“亞洲水塔”生態(tài)環(huán)境和水資源有直接的影響。但研究人員對青藏高原凍土退化的水文效應和生態(tài)功能響應的研究才剛剛開始，由此可見寒區(qū)生態(tài)水文的機理研究需要不斷堅持和投入，在青藏高原突顯集成研究“廣”的同時，還要對機理過程展開“深”的探索。

堅持不懈 研究方向碩果累累

一直以來，周劍都把自己當作一名學生，不斷要求自己學習和進步。

2010年，周劍申請了國家自然科學基金青年基金項目“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，以黑河流域為研究對象，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，并對黑河上游徑流量進行了預測和分割；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和遙感技術對黑河中游盆地補給、徑流、排泄進行了定量分析。通過黑河上游和中游模型的情景模擬和預測，為黑河流域水資源合理利用和管理提供了更加科學的依據(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年他申請了國家自然科學基金面上項目“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，帶領團隊發(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)—水文耦合機理模型。為了從點上的機理研究擴展到面上應用，項目組以黑河中游綠洲為對象，進一步集成干旱半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)—水文耦合機理模型、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院重點部署項目“黃河源區(qū)凍土變化的水文效應”中，在凍土水文研究上，周劍堅決表示：“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、機理，揭示凍土退化導致的水資源變化機制。”周劍帶領團隊抱著不斷創(chuàng)新的信念，提出了寒區(qū)溫度變源混合產(chǎn)流機制理論，并發(fā)展了寒區(qū)地貌變源混合產(chǎn)流模型，可在山坡尺度精細地模擬凍土水文過程，幫助研究凍土退化對寒區(qū)水文及其生態(tài)的影響。項目組采用自己發(fā)展的寒區(qū)地貌變源混合產(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影響預估。主要模擬了黃河源區(qū)凍土活動層時空變化；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。最后，結(jié)合數(shù)值模擬、遙感和地面觀測對黃河源水儲量變化進行解析及成因分析。周劍做到了“發(fā)展自己的寒區(qū)水文模型”的目標，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)合會和美國環(huán)保署頒發(fā)的McKee Groundwater Protection，Restoration，Sustainable Use Medal。

瞄準技術難題 將科研與實踐相結(jié)合

始終記得自己初入科研大門時的熱切與欣喜，這也成為周劍研究路上前行的動力。

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目“對于過度開采地下水含水層修復和管理策略”的負責人，在瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學開展經(jīng)濟—社會和水文系統(tǒng)耦合研究的工作。此時，中國山洪災害防治項目需要攻關，他便立刻回國投入到山洪項目的攻關研究中，他依托長期的水文建模的經(jīng)驗，發(fā)展了適用于短歷時、強度大降水條件下時空變源混合產(chǎn)流模型，并利用機器學習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)實時山洪預警提供理論支持和創(chuàng)新方法。該研究仍然在繼續(xù)，他強調(diào)，鑒定科研信念，決定勢必要瞄準水文機理和無資料地區(qū)洪水預報等難題，一路戰(zhàn)到底。

在這個社會經(jīng)濟和技術發(fā)展瞬息萬變的時代，周劍深感責任重大，需要學習的東西越來越多，2018年，為響應中央生態(tài)文明現(xiàn)代化建設的需要，周劍積極推進科技攻關支撐生產(chǎn)應用實踐，申請了甘肅省工業(yè)和信息化委員會重點協(xié)調(diào)發(fā)展專項“甘肅省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和決策支持系統(tǒng)”，項目圍繞著高時空分辨率衛(wèi)星遙感影像動態(tài)監(jiān)管生態(tài)資源環(huán)境要素的難題開展重點科技攻關，通過產(chǎn)學研相結(jié)合的項目組織方式，融合大數(shù)據(jù)、人工智能、云平臺、遙感和地理信息等技術，研發(fā)新一代天地一體化綜合監(jiān)管平臺，為生態(tài)、環(huán)境、災害和自然資源的調(diào)查、監(jiān)管、執(zhí)法和應急響應一體化業(yè)務能力起到技術支撐。

科研是持續(xù)性的過程，也是點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，在實現(xiàn)人生價值的科研旅程中，周劍將會繼續(xù)前行！