探索環境水文的奧秘

肖貞林

水資源時空分布不均、人類無序用水……自然、人為導致水旱災害、水污染事件層出不窮，用水需求的持續增加與短缺的水資源之間的矛盾，已成為世界各國面臨的頭號難題。

水，生命之源。能否處理好水資源問題，關系到人類的生存與發展。那么，到底該如何緩解水資源問題呢？

“探索地表—地下水文系統多尺度耦合機理，研究大氣—地表—植被—土壤—地下水之間多元水分轉化與反饋過程是緩解當前水資源問題的重要理論鋪墊”，河海大學水文水資源學院教授陳力將地表—地下水系統作為一個整體系統對待，并列出詳實對策，為當前這一水文水資源研究領域的主流觀點提供了理論依據。

耳濡目染 走進水文環境世界

自小耳濡目染父母在水利事業中的經歷感受，1990年高中畢業的陳力進入武漢水利電力大學河流工程專業。家庭潤物細無聲的影響，為他開啟了水文環境研究的大門。

2001年，在中科院力學所環境流體力學室完成了自己博士生涯的陳力選擇了赴美深造。2003年起，他先后在美國沙漠研究院任博士后、助理教授、副教授，繼續從事與水文環境相關的研究工作。歷經十余年的科學探索，陳力在流域降雨入滲產流、干旱區水文與生態、地表水與地下水相互作用、河道水動力學與溶質運移、侵蝕與泥沙輸移等領域形成獨到見解……

一路走來，風雨兼程，從未停歇。

在國家“千人計劃”號召之下，他決定回國。于是，在河海大學的執教生涯就此開啟。

回國后，陳力把多年所學應用于教學與科研實踐，為緩解我國人多水少、水資源嚴重不足等現實問題而不斷探索新形勢下的解決之策。

很快，便有了實際成效。2014年，陳力牽手國內外知名水文研究專家，開啟了地表—地下水文系統多尺度耦合機理及模擬方法研究，通過野外試驗觀測及對現有模擬方法的分析，發展新型模擬方法，為當前水文系統研究打開了新思路與新方向。

二十余載 助力水文環境領域新發展

迄今為止，陳力在水文環境領域一待就是二十多個春秋。白駒過隙之際，他把最美好的青春年華獻于科研，在這片沃土上深耕不輟，取得諸多原創性成果，推動著當代水文環境領域的快速發展。

陳力對水文過程的研究，貫穿流域系統中坡面—河道網絡地理構架的多個層面，涉及傳統的水文學、水力學、泥沙輸移、土壤水動力學、地貌、生態環境等多個學科及其交叉，力圖獲取流域水分運移路徑中各主要分部動力學及其環境影響的綜合圖景。

坡面入滲是降雨產流過程的一個基礎問題，涉及洪水、泥石流、水資源分布等多種水文及環境災害問題，在干旱—半干旱地區超滲產流過程中是控制產流量的關鍵一環。而坡面上水的入滲過程取決于重力、毛細力以及坡度坡長的復雜聯合作用。在著名的Green-Ampt入滲模型基礎上，陳力通過擴展研究提出了斜坡上適用的Green-Ampt模型，解決了坡面上入滲量增加抑或減小的物理機理問題，極大地推進了干旱—半干旱地區水文機理的研究，為水文模擬方法的探索提供了強有力的理論支撐。

另外，陳力還運用動力學思想提出了一種結合二維坡面流和雙層土壤入滲模型的降雨—產流模擬方法，可以對坡面水流運動和降雨入滲過程進行細致求解，反映多種水文要素的空間—時間非均質特性。又在此基礎上，運用高分辨率模擬方法考察跨越多個尺度水文響應的變化規律，總結出指數律的尺度效應特性，使水文過程多尺度時空異質的動力學機理認識及模擬方法有了更堅實的理論基礎。

人類自誕生之日起，便隨著自然環境的演變而不斷發展。“水文環境、周邊生態均處于一個動態發展過程當中”，陳力認為，在水文環境生態中，流域侵蝕產沙及輸沙問題直接影響到生態系統的發展。

在流域侵蝕產沙方面，他提出基于力學機理和泥沙輸移理論的坡面上細溝侵蝕的動力學模型，對泥沙侵蝕、沉積和非恒定輸移的過程做了實時模擬，得到細溝侵蝕量與坡度、細溝密度、細溝幾何形態及坡面水流動力要素的關系，解釋了坡面垂向剖面幾何特征形成的原因。針對山區性河道和床沙質較粗的河道泥沙輸移，推移質是主要形式之一，它對輸沙平衡、河道生態環境影響巨大，陳力主張研究河床表層沙的特性，并實地觀測了河道中的推移質輸沙率，提出基于表層床沙特性的方法明顯具有更好的適用性及考慮床沙非均勻空間分布的必要性等觀點，對泥沙輸移的機理、不確定性及模擬方法的建立提供了理論依據。

河道周邊植物構成區域水文生態系統的同時，也會對水流產生阻力，繼而會影響到河道水流動力、洪水波傳輸、泥沙輸移、河岸沖刷及河道走廊植被演化和水生生態環境。針對柔性植物對水流阻力的研究，陳力從材料力學大撓度懸臂梁理論出發，提出了一套快速求解柔性植物在水中彎曲的理論方法，并將之運用于解決水流—植物相互作用問題，可以連續求解植物彎曲隨水流強度變化，其方法有望推廣至復雜形狀植物，應用前景十分廣泛。另外，他還發展了一套溶質傳輸數學模型，對河道中溶質輸移過程及模擬方法提出的改良策略，并順利通過大型野外實驗驗證，取得良好的應用效果。

……

所謂世間萬物，皆相生相長，學科之間的發展亦如是。二十年如一日緊盯水文環境領域研究，陳力也積極關注交叉學科的發展，在生態水文學、水文地貌及氣候變化的環境水文影響等方面積極探索并開展合作研究，全力尋找水文學和相關學科交叉的新興生長點。

矢志不渝 耦合模擬成未來科研重頭戲

在陳力看來，創新是個從無到有的過程，只有經過反反復復的模擬實驗，才能得到趨于真實的虛擬場景，才能完成創新。

誠然，在反復實驗過程中，枯燥瑣碎，諸多困難也不知何時會悄然而至。“當經過一遍遍實驗后，規劃好的實驗場景仍然未出現，那該怎么辦？”

談及此，陳力表示，科研工作不可能一帆風順，總會遇到一些困難。當遇到難題時，首先要讓自己平靜下來，通過運動或看書等方式舒緩神經，換個時間與思路或許困難就會迎刃而解。動靜相宜，勞逸結合，是他對待科研工作的態度，同時也是執教為人師的教學理念。

“在我看來，做科研是一件很快樂的事情，它并不枯燥”。身為人師，一手做科研，一手育人才。陳力回國后以河海大學為依托，立即著手開展了水文環境領域的一系列研究，帶領學生深入田野，頭戴草帽，搭架子、設圍欄、安置水位測量儀……在理論學習的基礎上，通過實踐培養學生對待科研的熱情。“擁有了科研熱情，才能持續進行接下來的研究工作”。

面對今后的科研規劃，陳力早已有了清晰定位。

他將基于在留美期間開展的流域地表—地下水系統的耦合模擬研究，對地表水和地下水關聯性及模擬方法進行深度探索。以新安江流域上游的試驗小流域為野外研究站點，從流域尺度及河道尺度兩個層面研究耦合水資源系統并結合室內試驗及數學模擬方法，深入探討地表地下水資源系統的耦合機理，開發適合我國國情的新一代耦合模擬模型，為我國未來的水資源調查、評價、預測及管理工作提供數據支撐與理論依據。

當前水資源問題的緊迫性，必然會對水文科研工作者帶來諸多新型挑戰。我們也篤定，只有敢于探索創新，心懷熱情地對待每一個科研過程中的難題，才會超越以往，創建出更適合當前發展趨勢的新成果。

多年來，陳力一直在水文環境研究這條道路上“深耕”，他時而埋頭于實驗室、時而行走于荒野叢林，獲得了一份份第一手資料、數據，取得一項項科研成果、榮譽，在助推領域快速發展的同時，也書寫著自己的芳華人生。