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为水之昌明——水文学家刘昌明院士的早期学习和科研经历回眸
2018-03-21 | 【  【关闭】

来源:中国科学报    作者:刘苏峡 刘树勇 吴永保 梁季阳    发布时间:2018-3-19

 

 

刘昌明1934年— )

刘昌明,中国科学院院士,我国著名的水文学家,成因水文学的开创者,我国无资料地区水文预测的开拓先锋,国内第一个人工降雨径流室内实验室的创建人,“资源—生态—环境—灾害—工程”为一体的水科学内涵的提出者。1990年刘昌明任国际水文科学协会中国国家委员会副主席,1998年任国际地理学会副主席,2004年任国际水文科学协会“无测站流域水文预测”中国国家委员会科学委员会主席等,2005年春在北京师范大学创建水科学研究院。20世纪90年代末,刘昌明出任国家关于水的第一个“973”项目的首席专家,开展黄河流域水循环研究与可再生性维持研究。

2017年,刘昌明与何希吾合著的《中国21世纪水问题方略》一书被评为地理学优秀书籍,书中刘昌明敏锐地提出了寓”资源—生态—环境—灾害—工程”为一体的水科学内涵,创建了资源水—生态水—灾害水—工程水的大水科学研究。建立了北京师范大学水科学院,是我国乃至世界的第一个以水科学命名的研究院。这种大水视野与刘昌明广博的科学视野和勇于创新的科学精神息息相关。本文从历史长河中采撷刘昌明早期的求学和为学经历,展示院士成长之不平凡的历程。

投身水文水资源的研究

刘昌明祖籍湖南汨罗,1934年出生于湖南长沙,后随母亲到达陕西汉中,并于1939年在此读小学。之后,父亲到成都工作,1943年春,他随母亲到达成都,1945年开始读高小,于1947年考取位于南小天竺街的浙蓉中学(这是旅居四川成都的浙江商人开办的)读初中。在读初中之时,尽管刘昌明像许多少年一样,有些贪玩,还迷恋武侠小说,甚至幻想着成为一名逍遥的神仙或大侠,能“游山玩水,走江湖”。但是,想归想,学归学。在父母的督促下,刘昌明学习非常用功。当时,浙蓉中学有个规矩,每到周末(星期六下午),班主任要守在学校门口,坐在一把躺椅上,手中执一根教鞭,要学生们一个一个地背诵课文。刘昌明的同学张本藩先生在我们采访时回忆道,有一次,背诵《史记》中的某个传,很长,大多数同学都背不下来。背不下来就要回去温书,再到校门口重新背诵。而“昌明从来没含糊过”,从未被轰回去过。还有,中午放学之前要有20分钟用毛笔写4行大字,“写不完就用竹条打手掌心,要打四下,昌明从来没挨过打”。不只是文科的课程,刘昌明对于数学的学习更是不含糊。张先生回忆,对于一个钝角三角形,两条短边上的高“为什么‘跑到’三角形之外”,大家都想不明白,但依旧是去玩耍,叫刘昌明去玩,他不去,他想要搞清楚,“没弄清楚,他就不出去玩”。恰好,在考高中就有一道类似的题目,大家都写不清楚,所以考“省成中”(省立成都中学,也叫川西成都中学),只能名落孙山。几十年之后,张先生无比感慨地说:“正是因为他这么用功,不然他是考不上这个学校的!”其实,刘昌明读初中只读了两年半,用他自己的话说,是“跳考中学,以同等学力考入川西成都中学”。在高中学习期间,他最喜欢解析几何。在学习之余,他仍然喜欢读小说,读过当时很流行的苏联小说,如《钢铁是怎样炼成的》。就像在初中学习一样,他在高中的学习仍然是比其他同学早一个学期毕业,就去参加高考,并考取了西北大学。可能受到父亲(开过铁工厂)的影响,他本来想学机械专业,但却被地理系录取。

在大学学习期间,刘昌明十分刻苦,专业课的学习成绩都在85分以上。他不只是听课认真,对于老师指定的参考书和一些论文都认真阅读,并做了笔记,特别是水文学的课程,有些内容稍嫌陈旧了一些,他便阅读一些新的知识。读这些新的内容,刘昌明都写出心得,由此还锻炼了自己的写作能力。在自学一些课外知识时,除了主动思考之外,他还主动找老师或同学讨论,以得到更加深入的理解。

从专业的兴趣和个人发展来考虑,刘昌明更加重视自然地理学,并借此“向科学进军”。

1956年,刘昌明大学毕业,荣获“优等生”称号,并被分配到中国科学院地理研究所工作,到所里之后,他又选定了水文水资源作为其终生研究方向。在地理所开始工作的那段日子,刘昌明住在集体宿舍,与时任地理所所长的黄秉维先生斜对门。据黄秉维先生之子黄克平先生回忆,刘昌明每天往返于住地与单位之间,一早就去上班,晚上要很晚才回到宿舍。有时还要出差,进行野外考察和调查工作。几十年后,清华大学教授王忠静在一个偶然机会发现了一份珍贵的文件,那是1958年刘昌明到青海和甘肃做水资源水利调查时撰写的报告。他担任考察和调查小组长,对专业工作十分负责。由于才华出众,1958年底刘昌明被派到北京大学教授水文课程。如今的许多地学前辈当年都在该班听过刘昌明的课。据当年该班学生、如今是北京师范大学教授的朱克疆回忆,“刘昌明讲水文学这门课很生动,很有意思”,这使包括朱先生在内的许多学生对水文学产生了浓厚的兴趣。同样因为工作中表现好,努力肯干,加上专业基础很扎实,毕业后几年的锻炼,刘昌明业务水平得到很大的提高。由此刘昌明被单位推荐参加俄语培训,准备去苏联留学。据刘昌明的留苏同学、现任北京师范大学教授的邬翊光先生回忆,刘昌明在培训期间担任副班长,十分关心同学的学习,并与同学们互助互帮,大家的听说读写能力得到全面发展,进步明显。张本藩先生回忆,刘昌明即使是回成都探亲期间,仍然在花时间苦学俄语。同学们不仅羡慕他的才能,也十分佩服他的刻苦。

刘昌明在工作中一直保持着博览群书的习惯。博览群书造就了刘昌明早年就初具的对学科方向发展的远见卓识。刘昌明的学生刘苏峡一直珍藏着一本《怎样学习自然地理》,书中有刘昌明的《怎样学习水文地理》的文章。刘昌明在开篇就提到水在国民经济中的巨大作用,在“当前”水的研究任务中,要研究人类活动(水工建筑、农林措施、土壤改良)等对水文情势的影响,这些观点反映在上世纪末本世纪初一系列国际研究的热点之中。在文中,刘昌明认为,应开展 “缺乏资料地区”水文研究,这比2003年国际水文科学协会(IAHS)启动的无测站流域的水文预测(简称PUB)的国际水文十年计划超前四十多年。在这篇文章中,刘昌明还提到分布式水文模拟的雏形。特别是,刘昌明对怎样学习水文地理进行了深入思考,提出不仅要学好工程水文学,还要从区域、成因和综合的地理角度去研究水。

1960年,刘昌明到达苏联莫斯科大学地理系学习。在全苏联,莫斯科大学的学术水平是最高的。据邬先生回忆,当时留学生一入学,莫斯科大学的教授按照惯例要与新来的、来自不同国家的留学生见面交流。对于老师的问题——为什么要选择水文水资源学,刘昌明说:“首先,水资源在人类历史的发展中有着很重要的作用,和人类生产生活密切相关,和地理环境、和人类赖以生存的地球密切相关。其次,要考虑中国的国情,中国是水资源很缺乏的国家之一,在西北大学学习时,我就选择了我们国家最需要的这个专业;只有有水的地方,土地才可以利用,人类才可以生活,所以我选择水资源这个专业。”对于这些,当时大多数的同学是抱有类似的看法。为此,教授就进一步提出问题,请刘昌明讲讲中国历史上一些水利建设的事迹。刘昌明就从大禹治水说起,讲到都江堰、灵渠、郑国渠和大运河等著名的水利工程。具体还提到,像都江堰的“深淘滩,低作堰”的思想和分水的办法、中国古代的水利建设与水资源的综合利用的关联,还有水工郑国建渠的传奇故事,最后,刘昌明说到,选择水文水资源学是祖国的需要。刘昌明的这些博学和有思想的回答很出乎老师和同学们的意料。

在学习与工作期间,刘昌明逐渐形成一个“开拓性的创新”,把地理学和水文水资源学很好地结合起来,因为地理学是一个综合性学科,水文水资源学是一个突出的专业。二者,一个是广博,一个是精深。

开创室内外的径流研究

196211月,刘昌明从苏联学成回国。随他回国的是他用积攒的所有奖学金买的三大箱学术书籍。回国后,在时任地理所所长黄秉维先生十分注重地理学的数理过程的思想指导下,刘昌明用新知识和新技术,在中国科学院地理所创建了国内第一个人工降雨径流实验室。此后,国内一些高校,也相继建成了各自的人工降雨径流实验室。

径流实验室不只具有学术示范之作用,刘昌明和他的同事还每年初春都赴陕西黄龙开展降雨径流野外站点实验,结合室内与室外的研究,为认识降雨产流汇流规律积累了大量的第一手数据。

1969年底,刘昌明接到了一个任务,使他有机会进行小流域洪峰流量的研究。当时,铁道部第一设计院希望中国科学院地理所制定适用我国西北地区小流域的洪峰流量的计算方法,并邀请中科院地理所和铁道部西南铁道科学研究所一起组成小流域洪峰流量计算研究组,当时称“小径流战斗组”。在这个小组中,刘昌明是业务上的实际负责人。按照铁道部第一设计院的要求,也是当时铁路建设的急需,他们的任务就是搞出一套自己的计算方法,以满足西北地区的桥梁、涵洞设计的需要。

这个小组根据径流形成过程,既研究暴雨的频率分析与计算,还要研究入渗与产流,并针对西北地区的径流形成特点,进行野外的人工降雨实验。而寻找新的计算公式则由刘昌明亲自负责。

考虑到多重因素影响,刘昌明推导并构建了小流域最大流量的计算公式,并以这个基本公式为基础,深入研究了暴雨的时空分布、入渗产流、坡面汇流、沟道集流过程,具体分析了各环节的计算参数。

经过七八年的努力,在西北干旱和半干旱地区,刘昌明及其同事的足迹从沟壑纵横的黄土丘陵到浩瀚的大戈壁,从青海湖滨到地球之巅的风雪高原,不断完善小流域最大洪峰流量的计算方法,以及有关参数的地区适用性。同时,面向生产需求,与生产单位一起,编制了大量的计算图表,极大地满足了铁路勘测设计的实际需要。在那个年代,没有计算机,连手摇的计算机也没有,就是每人一把计算尺,从早到晚不停地拉计算尺,组里同事们自嘲为“拉小提琴”。为了提高计算效率,刘昌明制作了许多诺谟图,一种简化计算的图表工具,给小组的同志们留下深刻的印象。

大约是1975年,我国提出修筑青藏铁路的计划。为此,刘昌明及其同事也开始了前期的准备工作,进驻青海省的格尔木。在1970年代,青藏公路只有内地为西藏运输物资的几个汽车团,还有沿途为汽车兵服务的后勤兵站。刘昌明及其同事在青藏公路沿线工作的时候,就寄住在兵站。从格尔木上山,在高原北坡的公路沿线有纳赤台、不冻泉、五道梁、楚玛尔、沱沱河和温泉等兵站,再往上就是唐古拉山山口了。刘昌明和同事每天早上出去,深入与公路交叉的沟道上游,进行调查、踏勘、测量,晚上回到兵站,睡的是汽车兵的大通铺。

青藏高原的海拔都在4500米以上,空气稀薄,含氧量只有海平面的一半左右,人到这里都会感到呼吸困难。在高原上威胁最大的是肺水肿,大家不敢洗澡,因为如果感冒,就很可能并发肺水肿,就是肺泡充水。高原上的医疗条件很差,只能下送格尔木,但往往来不及就医就送了命。当时在汽车兵中流行着的口头语是:五道梁得了病,不冻泉就送了命。

在小组的高原分队中,刘昌明是业务负责人。他带队上山,除了和大家一样,要经受高原反应的考验外,还需要考虑工作的开展、生活的安排、安全问题,非常辛苦。在高原上,最大的困难是吃饭问题。他们在兵站和汽车兵一起吃饭。由于在高原上,气压低,烧水在远低于100摄氏度时就开了,温度就再也升不上去了,所以饭是做不熟的。但是,夹生也得吃,要保证体能,才能完成任务。刘昌明当时的同事现为中科院地理所教授的梁季阳先生(本文作者之一)清楚记得在楚玛尔河水文站,听说站里有高压锅,刘昌明和同事高兴极了,借他们的高压锅下面条,还在野地里采来了一些野葱,打开两个肉罐头一起加进去,面条煮熟了后,打开高压锅盖,香气扑鼻,这是在高原上仅有的一次不夹生的饭。

在西北工作的6年间,他们转战陕西、甘肃、青海、西藏和新疆,为收集资料还到过宁夏和内蒙古。除了潜心研究该地区径流形成过程的各个环节,还在各地进行人工降雨实验,观测水在土壤中入渗情况,在此基础上建立了小流域洪峰计算方法。他们还应生产部门的要求,编制了相关的计算图表,极大地满足了紧迫的阳平关—安康铁路、西安—延安铁路、西安—侯马铁路、兰州—乌鲁木齐铁路、天山—库尔勒铁路和格尔木—拉萨青藏铁路等我国大规模发展大西线的生产设计需求。

1976年底,刘昌明从西北回到北京的办公地。由于参加批判“四人帮”的运动,以及唐山大地震,研究所办公条件受到影响。但是,刘昌明和同事仍然抓紧汇总调查的材料,并进行深入研究,得到了铁道部第一设计院的肯定。刘昌明坚持在京日夜赶印材料,工作上不怕苦,不怕累,晚上经常加班到深夜,需要到现场进行勘探和调查时,甚至星期天也不能休息。在小组内,刘昌明还常常对研究成果耐心讲解和介绍。1976年,他全年出差很多,但仍保证高质量的工作成果,在参加全铁路的第三次小径流会议上,深入介绍了科研队的工作情况。在刘昌明全面负责的工作之中,他统筹安排,保证了在较短的时间内完成任务。在总结1976年的工作时,上级单位特别指出,刘昌明在“工作中表现比较突出”,得到大家的“一致好评”。

1978年,中国科学的春天来临,小流域暴雨洪峰流量计算方法获得全国科技大会奖。

开拓进取只为水文之昌明

20世纪70年代末,我国科学界迎来改革开放的大好时机,刘昌明也开启了他人生画卷的新篇章。1977年,刘昌明参加全国自然科学规划。1978年注定对中国地理学是不平凡的一年。这一年,一个以时任中国科学院地理所所长黄秉维院士为团长的、由10名成员参加的中国地理科学代表团应邀访问美国,对美国的20多个大学进行了为期6个星期的访问。这是20世纪下半叶、中美地理科学家的第一次学术交流,被称为“中美地理学术交流的破冰之旅”。刘昌明也成为代表团的成员之一。从此,中美科学家开始的学术交流,也为刘昌明以后开展的一系列开拓性的国际学术活动提供了条件。1983年刘昌明参加联合国组织的南水北调中线环境影响评估团,并作为作者之一发表了Long-distance Water Transfer。这是世界第一部关于中国水利工程的中外联合评估巨著。

在当今的水世界我们已经很难看见青山绿水的自然画面,随着地球人口增多,人类活动对水的影响越来越深广,水科学的内涵也越来越丰富。

对于水的研究,特别是水资源相关的水文学的研究,是当今水文学最重要的研究课题之一。这种研究关系到社会稳定、民生福祉和积极发展等国家的重大利益。在20世纪下半叶,水资源问题突出,这又使得水文水资源的研究获得新的动力,使水文科学的研究与社会经济发展相结合,扩大了水文科学研究的外延,并且极大扩展了其社会影响。水文科学与社会发展的关联到20世纪末又得到了加强。这部分原因要归于水文科学研究—环境科学和生态科学研究结合起来。此外,还体现着水文科学—水资源研究的发展趋势,从学科研究的基础看,这种发展趋势不只是在地球物理与地球科学发展的方向;更加重要的是,作为地球物理与地球科学要兼顾自然科学与社会科学的属性。

今天,许多人把洪水看成猛兽,把盐碱、干旱作为贫瘠的象征。然而在刘昌明眼里,洪水如果能好好利用,其实是上天赠予人类的宝贵资源,“大水出好河”是他的口头禅。在20世纪80年代,黄淮海平原面临大开发的好时机,刘昌明带领团队开展了华北平原农业水文水资源研究,变低洼地渍害为宝,利用洼水夺高产。我国研制的一系列雨水集流行动,如甘肃的“一二一工程”,都验证了刘昌明提出的“向蒸发过程夺取水资源”的巧妙思想。生态环境是大家习以为常的热门词儿,正是刘昌明,在1998年的咨询报告中明确提出“生态和环境其实是两个不同的概念,有必要进行明确区分,若是非要一起提及,应该提‘生态与环境’”。刘昌明提出了计算生态需水量的水力半径新方法,热心倡导海绵城市的建立,极力推动城市水文,在生态与环境领域具有独到建树。西藏山洪资料稀缺,他领衔构建的HIMS模型为解决稀缺资料的西藏山洪预警作出了重要贡献。而对水利工程的关注更是从刘昌明早期参加的20世纪80年代初期联合国领导的南水北调工程首个影响评价,到2017年刚刚被国家领导人签字、刘昌明作为主要撰写人的雄安新区、黑山峡以及其他25份国家重要工程咨询报告,都表现出刘昌明作为国家水相关的顶级咨询专家的气魄。现代科学家依然表现着大禹治水的风范和勇气。

刘昌明最佩服爱因斯坦的相对论,认同宇宙间只有相对,没有绝对。他认为,正如相对论,即使一个人有了一定成绩,即使一个人有了一定建树,他仍然需要学习,需要钻研,知识有限学无限,永无完美。他这样说,也是这样做的。如今进入耄耋之年的刘昌明,仍然活跃在科研主战场,刻苦博学、克艰创新、开拓进取,皆为水之昌明。

(刘树勇、吴永保单位:首都师范大学;刘苏峡、梁季阳单位:中科院地理科学与资源研究所)

 

 

①刘昌明在全国科学大会上获奖的证书。

 

 

1978年,刘昌明(后排左一)与黄秉维(前排中)、吴传钧(前排左一)等地理学家一起访美。

 

 

 

2008517日,刘昌明(右二)在栾城站小麦实验田考察。

 

 

20131227日,刘昌明指导博士生吴亚丽和沙凯在地理资源所的五水转化动力学装置做玉米生长对环境条件改变的响应实验。

 

 

2014911日,刘昌明(左三)在保定易县水土保持试验站给学生讲述降雨的测量。

 

本版组稿负责人:张佳静

 

《中国科学报》 (2018-03-19 8版 印刻)


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