赵建世:让水资源更科学为人所用

  写在前面:一个十年,难免显得平凡而短暂;但要是再加上一个百年,就顿时品出了它的厚重感,显出了它的不平凡。110年,是百年茂树上生发的希望之枝,是奔腾长河里汇入的甘醴之泉,是历史透过时光传递来的接力棒,是时光辉映历史解码出的新景象。十年前的百年校庆,为北京师范大学(微博)提供了难得的发展机遇。十年奋斗、十年收获,在学校即将迎来110周年校庆之际,校报重点推出本栏目。我们将以显著的位置、充分的篇幅,全面反映学校基层单位欣欣向荣的良好态势,完整展现学校推进教育创新的突出成就,弘扬传统、凝心聚力,推进各项事业创新发展。

赵建世:让水资源更科学为人所用

来源:科技日报 2016-10-28 马爱平


  近日,第十四届中国青年科技奖获奖者名单公布,清华大学水利水电工程系副教授赵建世赫然在册。对此,赵建世说:“我没做太突出的贡献,我是清华的老师,就做了一些和科研教学相关的工作。”

  实际上,这是赵建世的谦虚,在甘肃疏勒河和石羊河流域的人民眼里,他是“科学家”,保住了他们的家园。在清华同学们的眼里,他是“帅老师”,带领他们走进了调度水的科学世界。

在变化中寻求规律,攻克世界性水调度难题

  在环境不断变化的情况下,如何把流域管理做好?是一个世界性的难题。

  赵建世从事的工作就是水资源管理,“通俗一点讲,就是流域水量的分配、调度、管理。”他说。黄河水量统一调度、南水北调工程论证等都留下了赵建世的足迹。

  以前,水资源调度都是基于历史资料进行调度规则设计的,然后用固定的规则来指导未来调度。例如很多北方的水库,其设计调度规则一般都是根据前几十年的资料设计出来的。“但是来水、用水条件一直在变化,近二三十年来,北方很多地区来水是减少的,有成千上万的水库如果根据国家的规范,或者传统的方法,很多时候水库是无法完成蓄水和供水任务的,这就没有达到资源的最好利用。我们需要去发展新的基本理论和方法,来应对这种变化环境下的决策和调研。”赵建世说。

  赵建世就在做基础性的研究,把中间问题研究清楚。比如,做未来的水资源调度管理,需要对未来的来水、用水进行预测,但这种预测有不确定性,那么基于这种不确定的信息进行决策?如何设计一种能够应对不确定性的最优调度规则?这是一个前所未有的工作。

  赵建世提出了一种全新的理论方法,可以指导人们如何在不确定的预报和预估情况下设计出最优的规则。在气候变化和人类活动加剧的背景下,水文稳态性假定受到破坏,使得传统的水资源分析方法失效。为应对这一变化和挑战,基于预报及其不确定性的优化调度成为变化环境下适应性调度管理的基本理论方法。赵建世以水库调度这一基本问题为背景,将水文预报及其不确定性通过风险对冲规则应用到实时调度中,推导了风险对冲规则的完整数学框架并给出了经济学解释,提出了应用预报和定量评估不确定性影响的公式,开发了面向实时的水库供水、防洪、发电的风险对冲调度模型,为变化环境下水库动态调度提供了理论基础和模型框架,相关成果在Water
Resources
Research等行业主流期刊发表,并在黄河水量统一调度、淮河流域生态用水调度和西南梯级电站调度等研究和实践中得到应用,相关成果获得国家科技进步二等奖和大禹水利科学技术二等奖各1项。

  赵建世还提出了基于主体模型的水资源系统分散式算法和整体模型方法。传统的水资源系统分析方法将流域作为一个完全可控的系统,但现实中不同用水、管理者和其他主体都具有独立的行为和决策。赵建世将流域分解为自主的、独立决策的用水主体和管理主体,以主体行为特性模型为基础重新建立流域管理基础理论框架,并开发分布式优化算法解决流域非线性优化的维数灾问题,并以此为基础构建了水资源系统分析整体模型方法,相关成果在Journal
of Water Resources Planning and
Management等行业主流期刊发表。整体模型方法在水利与国民经济关系研究、海河流域水资源综合规划、石羊河流域近期综合治理、疏勒河流域生态环境保护规划等工作中得到应用,参与完成的《石羊河流域重点治理规划》和《敦煌水资源合理利用与生态保护综合规划》经国务院批准实施,总投资95亿元,相关成果获国家二等奖1项、省部级奖励3项。

  虽然是基础研究,但是赵建世的研究却扎扎实实地应用在了管理实践中,让很多流域的老百姓得到了实惠。石羊河和疏勒河两个流域都是在甘肃境内的内陆河,石羊河在2000年以后由于生态环境恶化,每年会有2万名的居民,因为村子和土地被沙漠侵蚀无法生存、流离失所,成为生态难民,这种现象持续了好几年。赵建世从2004年开始参加石羊河治理综合规划工作,2007年国务院批准了石羊河近期治理综合规划,投资了47个亿进行治理,
2013年治理工程完成,如今整个石羊河流域,用水的秩序规范、生态在逐渐恢复。在治理过程中,赵建世还负责完成了水利部公益项目《石羊河流域治理水权框架与实施的过程控制关键技术》,通过该项目研究团队开发建立了全国第一个在线水权交易系统,2013年开始运行,农民之间的水权交易量逐年上升,现在每年交易量超过1000万方,是目前全国唯一一个在线运行水权交易系统。

中美名校联合教学,力推课程改革深受欢迎

  对赵建世来说,另外一个重要的工作就是教学。他是课程比较多的老师,一个学期有一百多个学时,几乎每周都有课程。

  在课程改革上,赵建世下了很多功夫。2010年,他从美国回来以后,一直在思考课程改革,他引进了美国的教材和先进的教学理念,把研究生、本科生的课从教学内容到教学大纲都进行了更新换代。他承担研究生课程《现代水资源规划》,与美国土木与环境工程排名第一的伊利诺伊大学建立和合作,和该校的Barbara
Minsker 教授承担的《Environmental system analysis
II》课程进行共建,使用共同的教学交流平台、共同案例研究,双方任课教师课程共享、双方同学混合分组研究,目前已形成长期合作模式,他邀请美国学生来中国访问,美国的师生参观了南水北调工程和石羊河流域,都深深感到震撼。这是清华水利系和国际名校首次进行联合教学,深受同学们的欢迎。

  因为赵建世的创新和努力,他承担本科生课程《水资源学基础》,2010—2011、2012—2013和2013—2014学年三次被评为全校教学效果评估前5%。获得2013年清华大学“青年教师教学优秀奖”、2014年度“全国水文与水资源工程专业青年教师讲课竞赛一等奖”以及2014年度清华大学教学成果奖一等奖。“联合办学开阔同学们的视野,因为和国际名校是同步的课程,我们会把最新成果介绍给同学们,会比较系统,同学们很喜欢这样的课程,像中国水科院、中国农业大学的学生都很愿意来上这门课,很多同学即使旁听也要来。”赵建世说。

立足流域管理实践,力争水资源研究国际引领水平

  一路本科、硕博都在清华大学,如今又在清华教学多年,赵建世有更多的思考:“作为大学,一方面要服务于国家重大事件,更重要的应该是在理论、在学科前沿方面起到引领作用,这也是清华的定位所在。”

  “中国的水资源管理是全世界最复杂、最难的系统,但同时也给我们创造一个好机会,在丰富的实践支撑下,我们的科研水平和管理水平会逐渐达到甚至最终超过国际同行的水平,因为我们拥有更鲜活的案例、更多的实践。”赵建世说,“现在我们和他们基本上在一个水平线上,但未来我们会领先,因为我们的实践更丰富。”赵建世有这个信心。

编辑:苑苑

图片 1 **■水科学研究院的同学们

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  **让“死了”的河流“活”过来

**  “晚来清渭上,疑似楚江边。鱼网依沙岸,人家傍水田。”这是千百年前的渭河。

  “六十年代‘淘米洗菜’,七十年代‘洗衣灌溉’,八十年代‘鱼虾不在’,九十年代‘关中下水道’。”这是上世纪的渭河。

  “一河清波,两岸绿色,鱼翔浅底,鸟语花香,人水和谐。”这是未来理想中的渭河……3月7日,在科技楼C区三层的水科学研究院办公室,徐宗学教授向记者形象地描绘了这三幅画面。徐宗学是我校水科院水文学及水资源学科带头人之一,也是国家水体污染控制与治理科技重大专项课题——渭河关中段生态基础流量保障技术研究的负责人。该课题获得科技部配套的926万元科研经费,地方也将陆续配套3000万元经费用于项目研究和示范工程建设。

  渭河被三秦儿女称为“母亲河”。然而,这条陕西人民的“母亲河”却从上世纪开始,逐渐变得满目疮痍:上游水源枯竭,中游水体污染,下游淤积堵塞。2004年9月,陕西省人大常委会认定:“渭河已经基本丧失了生态功能,成为黄河流域污染最严重的河流之一。”
“治理渭河刻不容缓。我们渭河项目的根本目的,就是让‘死了’的渭河‘活’过来,焕发青春活力。”怎样使渭河重新“活”过来,是1400多个日子里始终萦绕在徐宗学脑海中的问题。

  “治水难!治渭水更难!”记者在采访过程中,时常听到这样的感慨。

  “渭河项目是一个复杂的系统工程,单凭一个团队是做不好的,只有集众家之长,才能完成这个具有重大意义的科研工程”,徐宗学说,水科院同中科院生态中心、中科院水利部水保所、西安交通大学(微博)、西安建筑科技大学、首都师范大学等数个单位的“精兵强将”组成联军,共同投身“渭河保卫战”。

  渭河关中段水环境存在的问题,用当地百姓的话说,叫“上游水干了、中游水脏了、下游塞满了”———即缺水、污染、淤积。以徐宗学为带头人的专项课题科研团队重点负责估算出一个理想的渭河生态基础流量。通俗说来,就是“先综合考虑设计一个生态保护目标,然后根据这个目标,结合渭河农业用水量大、地表地下水力联系密切等水环境特点,开展可用水资源联合调度及其保障技术的研究、集成和示范,保障河道生态基流,提供河流水质达标的基础。”研究院彭定志、庞博等一批年富力强的青年教师参与了该课题研究工作,不仅如此,课题组还打破专业、学校的阻隔,力邀中国人民大学(微博)、西北大学(微博)、四川大学、中科院地理与资源研究所的多名专家学者加盟,紧密协作,携手攻关。

  水科院的丁爱中、王会肖、刘海军等人还参与了渭河重污染支流生态修复技术集成、农业节水及调控技术研究等相关子课题与专题的研究工作。丁爱中、王会肖等都是水科学研究院自己培养出的水污染治理和农业节水方面的科研才俊,也是“流域水沙过程模拟”校级创新研究群体的骨干成员。

  “如今,水科院的教授们几乎和渭河全面‘亲密接触’,有人研究生态基流,给渭河设计一个‘最低供血标准’;有人研究生态修复,把渭河‘洗干净’;有人研究节水调水,让渭河‘活起来’;如此一来,一河清波,两岸绿色,人水和谐的理想就能慢慢实现了。”徐宗学对新渭河的未来信心满满。

  “深化高校与高校、高校与地方对接协同创新科研模式,助推创新性科学研究,使之成为科研创新的天然‘孵化器’和‘助推器’。”这已是水科院所有科研人员的共识。“我们一定会给三秦父老提交一份满意的答卷!”

  “调”出来的1亿立方米“水库”

  只要轻轻点击一下鼠标,你就能知道远在千里之外的泉州全境江、河、湖、海的动态,还能实现对这些水资源的实时调度。

  3月6日,记者在水科学研究院鱼京善教授的办公室,见到了这个神奇的系统——泉州市数字流域平台——一台液晶显示屏上闪烁着五颜六色的各种数据和动态图像,三维地图逼真地显示出泉州的天气、水流实时动态。最让记者感到惊叹的是,系统还能够根据实时动态,智能地制定出适宜的水利调度政策!

  谈起
“数字流域”,鱼京善兴奋地说:“这确实是一个很神奇、很有意思的系统。”他介绍道,这就好比IBM集团倡导的
“智慧地球”概念,泉州数字流域平台是综合运用遥感 RS、地理信息系统
GIS、全球定位系统
GPS、网络技术、多媒体及虚拟现实等现代高新技术,对泉州流域及其相关地区的气象、水文、水资源、水环境、社会经济等信息进行集成和数字化管理,构建泉州全流域综合信息平台和三维影像模型,使各级部门能够有效管理整个流域的经济建设,做出宏观的资源利用与开发决策。数字流域平台看起来很神奇,可平台到底能给泉州带来什么呢?“如枯水期,根据泉州金鸡拦河闸的用水状况,对晋江西溪和山美水库水源进行联合调度,尽量利用西溪天然来水,节约山美水库水源,年可增加晋江水资源有效利用量1亿立方米以上。”鱼京善举例说,“这相当于在晋江流域新增一座大型水库!要知道修建一座大型水库,所花费的人力、物力以及给环境带来的影响是巨大的。而现在我们只需要‘调’好水,就相当于建水库了!”此外,这个平台还能整合原有的水质水量监测、入河排污口管理、取用水监控等平台,对水资源进行“实时监测、实时评价、实时预报、实时管理和实时调度”。

  “泉州项目,是水科学研究院、泉州市地方水利系统等几家校地单位优势科研力量‘握紧拳头’,协同出击,共同完成的一个‘漂亮活儿’。水科学研究院获得水利部科研配套和地方支持共计近千万资金,学院10余位教师以及60余位研究生参与了项目研究,其间在核心期刊上发表了20余篇相关学术论文。”水科学研究院院长许新宜高兴地说,“项目的科研成果与人才培养收获颇丰!”