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水文學家劉昌明院士的早期學習和科研經歷回眸
來源:未知 2019-06-28 09:52

  劉昌明,中國科學院院士,我國著名的水文學家,成因水文學的開創者,我國無資料地區水文預測的開拓先鋒,國內第一個人工降雨徑流室內實驗室的創建人,“資源生態環境災害工程”為一體的水科學內涵的提出者。1990年劉昌明任國際水文科學協會中國國家委員會,1998年任國際地理學會,2004年任國際水文科學協會“無測站流域水文預測”中國國家委員會科學委員會主席等,2005年春在北京師范大學創建水科學研究院。20世紀90年代末,劉昌明出任國家關于水的第一個“973”項目的首席專家,開展黃河流域水循環研究與可再生性維持研究。

  2017年,劉昌明與何希吾合著的《中國21世紀水問題方略》一書被評為地理學優秀書籍,書中劉昌明敏銳地提出了寓”資源生態環境災害工程”為一體的水科學內涵,創建了資源水生態水災害水工程水的大水科學研究。建立了北京師范大學水科學院,是我國乃至世界的第一個以水科學命名的研究院。這種大水視野與劉昌明廣博的科學視野和勇于創新的科學精神息息相關。本文從歷史長河中采擷劉昌明早期的求學和為學經歷,展示院士成長之不平凡的歷程。

  劉昌明祖籍湖南汨羅,1934年出生于湖南長沙,后隨母親到達陜西漢中,并于1939年在此讀小學。之后,父親到成都工作,1943年春,他隨母親到達成都,1945年開始讀高小,于1947年考取位于南小天竺街的浙蓉中學(這是旅居四川成都的浙江商人開辦的)讀初中。在讀初中之時,盡管劉昌明像許多少年一樣,有些貪玩,還迷戀武俠小說,甚至幻想著成為一名逍遙的神仙或大俠,能“游山玩水,走江湖”。但是,想歸想,學歸學。在父母的督促下,劉昌明學習非常用功。當時,浙蓉中學有個規矩,每到周末(星期六下午),班主任要守在學校門口,坐在一把躺椅上,手中執一根教鞭,要學生們一個一個地背誦課文。劉昌明的同學張本藩先生在我們采訪時回憶道,有一次,背誦《史記》中的某個傳,很長,大多數同學都背不下來。背不下來就要回去溫書,再到校門口重新背誦。而“昌明從來沒含糊過”,從未被轟回去過。還有,中午放學之前要有20分鐘用毛筆寫4行大字,“寫不完就用竹條打手掌心,要打四下,昌明從來沒挨過打”。不只是文科的課程,劉昌明對于數學的學習更是不含糊。張先生回憶,對于一個鈍角三角形,兩條短邊上的高“為什么跑到三角形之外”,大家都想不明白,但依舊是去玩耍,叫劉昌明去玩,他不去,他想要搞清楚,“沒弄清楚,他就不出去玩”。恰好,在考高中就有一道類似的題目,大家都寫不清楚,所以考“省成中”(省立成都中學,也叫川西成都中學),只能名落孫山。幾十年之后,張先生無比感慨地說:“正是因為他這么用功,不然他是考不上這個學校的!”其實,劉昌明讀初中只讀了兩年半,用他自己的話說,是“跳考中學,以同等學力考入川西成都中學”。在高中學習期間,他最喜歡解析幾何。在學習之余,他仍然喜歡讀小說,讀過當時很流行的蘇聯小說,如《鋼鐵是怎樣煉成的》。就像在初中學習一樣,他在高中的學習仍然是比其他同學早一個學期畢業,就去參加高考,并考取了西北大學。可能受到父親(開過鐵工廠)的影響,他本來想學機械專業,但卻被地理系錄取。

  在大學學習期間,劉昌明十分刻苦,專業課的學習成績都在85分以上。他不只是聽課認真,對于老師指定的參考書和一些論文都認真閱讀,并做了筆記,特別是水文學的課程,有些內容稍嫌陳舊了一些,他便閱讀一些新的知識。讀這些新的內容,劉昌明都寫出心得,由此還鍛煉了自己的寫作能力。在自學一些課外知識時,除了主動思考之外,他還主動找老師或同學討論,以得到更加深入的理解。

  1956年,劉昌明大學畢業,榮獲“優等生”稱號,并被分配到中國科學院地理研究所工作,到所里之后,他又選定了水文水資源作為其終生研究方向。在地理所開始工作的那段日子,劉昌明住在集體宿舍,與時任地理所所長的黃秉維先生斜對門。據黃秉維先生之子黃克平先生回憶,劉昌明每天往返于住地與單位之間,一早就去上班,晚上要很晚才回到宿舍。有時還要出差,進行野外考察和調查工作。幾十年后,清華大學教授王忠靜在一個偶然機會發現了一份珍貴的文件,那是1958年劉昌明到青海和甘肅做水資源水利調查時撰寫的報告。他擔任考察和調查小組長,對專業工作十分負責。由于才華出眾,1958年底劉昌明被派到北京大學教授水文課程。如今的許多地學前輩當年都在該班聽過劉昌明的課。據當年該班學生、如今是北京師范大學教授的朱克疆回憶,“劉昌明講水文學這門課很生動,很有意思”,這使包括朱先生在內的許多學生對水文學產生了濃厚的興趣。同樣因為工作中表現好,努力肯干,加上專業基礎很扎實,畢業后幾年的鍛煉,劉昌明業務水平得到很大的提高。由此劉昌明被單位推薦參加俄語培訓,準備去蘇聯留學。據劉昌明的留蘇同學、現任北京師范大學教授的鄔翊光先生回憶,劉昌明在培訓期間擔任副班長,十分關心同學的學習,并與同學們互助互幫,大家的聽說讀寫能力得到全面發展,進步明顯。張本藩先生回憶,劉昌明即使是回成都探親期間,仍然在花時間苦學俄語。同學們不僅羨慕他的才能,也十分佩服他的刻苦。

  劉昌明在工作中一直保持著博覽群書的習慣。博覽群書造就了劉昌明早年就初具的對學科方向發展的遠見卓識。劉昌明的學生劉蘇峽一直珍藏著一本《怎樣學習自然地理》,書中有劉昌明的《怎樣學習水文地理》的文章。劉昌明在開篇就提到水在國民經濟中的巨大作用,在“當前”水的研究任務中,要研究人類活動(水工建筑、農林措施、土壤改良)等對水文情勢的影響,這些觀點反映在上世紀末本世紀初一系列國際研究的熱點之中。在文中,劉昌明認為,應開展 “缺乏資料地區”水文研究,這比2003年國際水文科學協會(IAHS)啟動的無測站流域的水文預測(簡稱PUB)的國際水文十年計劃超前四十多年。在這篇文章中,劉昌明還提到分布式水文模擬的雛形。特別是,劉昌明對怎樣學習水文地理進行了深入思考,提出不僅要學好工程水文學,還要從區域、成因和綜合的地理角度去研究水。

  1960年,劉昌明到達蘇聯莫斯科大學地理系學習。在全蘇聯,莫斯科大學的學術水平是最高的。據鄔先生回憶,當時留學生一入學,莫斯科大學的教授按照慣例要與新來的、來自不同國家的留學生見面交流。對于老師的問題為什么要選擇水文水資源學,劉昌明說:“首先,水資源在人類歷史的發展中有著很重要的作用,和人類生產生活密切相關,和地理環境、和人類賴以生存的地球密切相關。其次,要考慮中國的國情,中國是水資源很缺乏的國家之一,在西北大學學習時,我就選擇了我們國家最需要的這個專業;只有有水的地方,土地才可以利用,人類才可以生活,所以我選擇水資源這個專業。”對于這些,當時大多數的同學是抱有類似的看法。為此,教授就進一步提出問題,請劉昌明講講中國歷史上一些水利建設的事跡。劉昌明就從大禹治水說起,講到都江堰、靈渠、鄭國渠和大運河等著名的水利工程。具體還提到,像都江堰的“深淘灘,低作堰”的思想和分水的辦法、中國古代的水利建設與水資源的綜合利用的關聯,還有水工鄭國建渠的傳奇故事,最后,劉昌明說到,選擇水文水資源學是祖國的需要。劉昌明的這些博學和有思想的回答很出乎老師和同學們的意料。

  在學習與工作期間,劉昌明逐漸形成一個“開拓性的創新”,把地理學和水文水資源學很好地結合起來,因為地理學是一個綜合性學科,水文水資源學是一個突出的專業。二者,一個是廣博,一個是精深。

  1962年11月,劉昌明從蘇聯學成回國。隨他回國的是他用積攢的所有獎學金買的三大箱學術書籍。回國后,在時任地理所所長黃秉維先生十分注重地理學的數理過程的思想指導下,劉昌明用新知識和新技術,在中國科學院地理所創建了國內第一個人工降雨徑流實驗室。此后,國內一些高校,也相繼建成了各自的人工降雨徑流實驗室。

  徑流實驗室不只具有學術示范之作用,劉昌明和他的同事還每年初春都赴陜西黃龍開展降雨徑流野外站點實驗,結合室內與室外的研究,為認識降雨產流匯流規律積累了大量的第一手數據。

  1969年底,劉昌明接到了一個任務,使他有機會進行小流域洪峰流量的研究。當時,鐵道部第一設計院希望中國科學院地理所制定適用我國西北地區小流域的洪峰流量的計算方法,并邀請中科院地理所和鐵道部西南鐵道科學研究所一起組成小流域洪峰流量計算研究組,當時稱“小徑流戰斗組”。在這個小組中,劉昌明是業務上的實際負責人。按照鐵道部第一設計院的要求,也是當時鐵路建設的急需,他們的任務就是搞出一套自己的計算方法,以滿足西北地區的橋梁、涵洞設計的需要。

  這個小組根據徑流形成過程,既研究暴雨的頻率分析與計算,還要研究入滲與產流,并針對西北地區的徑流形成特點,進行野外的人工降雨實驗。而尋找新的計算公式則由劉昌明親自負責。

  考慮到多重因素影響,劉昌明推導并構建了小流域最大流量的計算公式,并以這個基本公式為基礎,深入研究了暴雨的時空分布、入滲產流、坡面匯流、溝道集流過程,具體分析了各環節的計算參數。

  經過七八年的努力,在西北干旱和半干旱地區,劉昌明及其同事的足跡從溝壑縱橫的黃土丘陵到浩瀚的大戈壁,從青海湖濱到地球之巔的風雪高原,不斷完善小流域最大洪峰流量的計算方法,以及有關參數的地區適用性。同時,面向生產需求,與生產單位一起,編制了大量的計算圖表,極大地滿足了鐵路勘測設計的實際需要。在那個年代,沒有計算機,連手搖的計算機也沒有,就是每人一把計算尺,從早到晚不停地拉計算尺,組里同事們自嘲為“拉小提琴”。為了提高計算效率,劉昌明制作了許多諾謨圖,一種簡化計算的圖表工具,給小組的同志們留下深刻的印象。

  大約是1975年,我國提出修筑青藏鐵路的計劃。為此,劉昌明及其同事也開始了前期的準備工作,進駐青海省的格爾木。在1970年代,青藏公路只有內地為運輸物資的幾個汽車團,還有沿途為汽車兵服務的后勤兵站。劉昌明及其同事在青藏公路沿線工作的時候,就寄住在兵站。從格爾木上山,在高原北坡的公路沿線有納赤臺、不凍泉、五道梁、楚瑪爾、沱沱河和溫泉等兵站,再往上就是唐古拉山山口了。劉昌明和同事每天早上出去,深入與公路交叉的溝道上游,進行調查、踏勘、測量,晚上回到兵站,睡的是汽車兵的大通鋪。

  青藏高原的海拔都在4500米以上,空氣稀薄,含氧量只有海平面的一半左右,人到這里都會感到呼吸困難。在高原上威脅最大的是肺水腫,大家不敢洗澡,因為如果感冒,就很可能并發肺水腫,就是肺泡充水。高原上的醫療條件很差,只能下送格爾木,但往往來不及就醫就送了命。當時在汽車兵中流行著的口頭語是:五道梁得了病,不凍泉就送了命。

  在小組的高原分隊中,劉昌明是業務負責人。他帶隊上山,除了和大家一樣,要經受高原反應的考驗外,還需要考慮工作的開展、生活的安排、安全問題,非常辛苦。在高原上,最大的困難是吃飯問題。他們在兵站和汽車兵一起吃飯。由于在高原上,氣壓低,燒水在遠低于100攝氏度時就開了,溫度就再也升不上去了,所以飯是做不熟的。但是,夾生也得吃,要保證體能,才能完成任務。劉昌明當時的同事現為中科院地理所教授的梁季陽先生(本文作者之一)清楚記得在楚瑪爾河水文站,聽說站里有高壓鍋,劉昌明和同事高興極了,借他們的高壓鍋下面條,還在野地里采來了一些野蔥,打開兩個肉罐頭一起加進去,面條煮熟了后,打開高壓鍋蓋,香氣撲鼻,這是在高原上僅有的一次不夾生的飯。

  在西北工作的6年間,他們轉戰陜西、甘肅、青海、和新疆,為收集資料還到過寧夏和內蒙古。除了潛心研究該地區徑流形成過程的各個環節,還在各地進行人工降雨實驗,觀測水在土壤中入滲情況,在此基礎上建立了小流域洪峰計算方法。他們還應生產部門的要求,編制了相關的計算圖表,極大地滿足了緊迫的陽平關安康鐵路、西安延安鐵路、西安侯馬鐵路、蘭州烏魯木齊鐵路、天山庫爾勒鐵路和格爾木拉薩青藏鐵路等我國大規模發展大西線年底,劉昌明從西北回到北京的辦公地。由于參加批判“”的運動,以及唐山大地震,研究所辦公條件受到影響。但是,劉昌明和同事仍然抓緊匯總調查的材料,并進行深入研究,得到了鐵道部第一設計院的肯定。劉昌明堅持在京日夜趕印材料,工作上不怕苦,不怕累,晚上經常加班到深夜,需要到現場進行勘探和調查時,甚至星期天也不能休息。在小組內,劉昌明還常常對研究成果耐心講解和介紹。1976年,他全年出差很多,但仍保證高質量的工作成果,在參加全鐵路的第三次小徑流會議上,深入介紹了科研隊的工作情況。在劉昌明全面負責的工作之中,他統籌安排,保證了在較短的時間內完成任務。在總結1976年的工作時,上級單位特別指出,劉昌明在“工作中表現比較突出”,得到大家的“一致好評”。

  20世紀70年代末,我國科學界迎來改革開放的大好時機,劉昌明也開啟了他人生畫卷的新篇章。1977年,劉昌明參加全國自然科學規劃。1978年注定對中國地理學是不平凡的一年。這一年,一個以時任中國科學院地理所所長黃秉維院士為團長的、由10名成員參加的中國地理科學代表團應邀訪問美國,對美國的20多個大學進行了為期6個星期的訪問。這是20世紀下半葉、中美地理科學家的第一次學術交流,被稱為“中美地理學術交流的破冰之旅”。劉昌明也成為代表團的成員之一。從此,中美科學家開始的學術交流,也為劉昌明以后開展的一系列開拓性的國際學術活動提供了條件。1983年劉昌明參加聯合國組織的南水北調中線環境影響評估團,并作為作者之一發表了Long-distance Water Transfer。這是世界第一部關于中國水利工程的中外聯合評估巨著。

  在當今的水世界我們已經很難看見青山綠水的自然畫面,隨著地球人口增多,人類活動對水的影響越來越深廣,水科學的內涵也越來越豐富。

  對于水的研究,特別是水資源相關的水文學的研究,是當今水文學最重要的研究課題之一。這種研究關系到社會穩定、民生福祉和積極發展等國家的重大利益。在20世紀下半葉,水資源問題突出,這又使得水文水資源的研究獲得新的動力,使水文科學的研究與社會經濟發展相結合,擴大了水文科學研究的外延,并且極大擴展了其社會影響。水文科學與社會發展的關聯到20世紀末又得到了加強。這部分原因要歸于水文科學研究環境科學和生態科學研究結合起來。此外,還體現著水文科學水資源研究的發展趨勢,從學科研究的基礎看,這種發展趨勢不只是在地球物理與地球科學發展的方向;更加重要的是,作為地球物理與地球科學要兼顧自然科學與社會科學的屬性。

  今天,許多人把洪水看成猛獸,把鹽堿、干旱作為貧瘠的象征。然而在劉昌明眼里,洪水如果能好好利用,其實是上天贈予人類的寶貴資源,“大水出好河”是他的口頭禪。在20世紀80年代,黃淮海平原面臨大開發的好時機,劉昌明帶領團隊開展了華北平原農業水文水資源研究,變低洼地漬害為寶,利用洼水奪高產。我國研制的一系列雨水集流行動,如甘肅的“一二一工程”,都驗證了劉昌明提出的“向蒸發過程奪取水資源”的巧妙思想。生態環境是大家習以為常的熱門詞兒,正是劉昌明,在1998年的咨詢報告中明確提出“生態和環境其實是兩個不同的概念,有必要進行明確區分,若是非要一起提及,應該提生態與環境”。劉昌明提出了計算生態需水量的水力半徑新方法,熱心倡導海綿城市的建立,極力推動城市水文,在生態與環境領域具有獨到建樹。山洪資料稀缺,他領銜構建的HIMS模型為解決稀缺資料的山洪預警作出了重要貢獻。而對水利工程的關注更是從劉昌明早期參加的20世紀80年代初期聯合國領導的南水北調工程首個影響評價,到2017年剛剛被國家簽字、劉昌明作為主要撰寫人的雄安新區、黑山峽以及其他25份國家重要工程咨詢報告,都表現出劉昌明作為國家水相關的咨詢專家的氣魄。現代科學家依然表現著大禹治水的風范和勇氣。

  劉昌明最佩服愛因斯坦的相對論,認同宇宙間只有相對,沒有絕對。他認為,正如相對論,即使一個人有了一定成績,即使一個人有了一定建樹,他仍然需要學習,需要鉆研,知識有限學無限,永無完美。他這樣說,也是這樣做的。如今進入耄耋之年的劉昌明,仍然活躍在科研主戰場,刻苦博學、克艱創新、開拓進取,皆為水之昌明。

  ②1978年,劉昌明(后排左一)與黃秉維(前排中)、吳傳鈞(前排左一)等地理學家一起訪美。

  ④2013年12月27日,劉昌明指導博士生吳亞麗和沙凱在地理資源所的五水轉化動力學裝置做玉米生長對環境條件改變的響應實驗。

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