水文师说 | 丹心育才曲,朱墨兴邦图——访包为民教授

2022-03-28 23

 

 

丹心育才曲,朱墨兴邦图

——访包为民教授

 

包为民教授

包为民教授,1956年出生于浙江东阳,1978年华东水利学院陆地水文专业毕业,1982年获硕士学位,1984留学爱尔兰获第二硕士学位,1989年获博士学位。1987年赴德国汉诺威大学从事客座研究。河海大学水文水资源学院教授、博导,河海大学水文预报教研室主任、水文预报所所长,中国水库防洪减灾专家组成员,中国林学会森林水文分会常务理事,《河海大学学报》《中国防汛抗旱》杂志编委,获水利部跨世纪优秀中青年学科带头人称号、江苏省“333跨世纪学术、技术带头人培养工程”首批培养对象,享受国务院特殊津贴专家。

主要从事洪水预报、流域土壤侵蚀、流域泥沙、旱情、融雪径流、面污染等研究。主持了多项国家自然科学基金、国家教委优秀年轻教师基金、国家“十一五”科技支撑计划项目、水利部重大基金等研究;1998年以来与国家防汛抗旱总指挥部办公室合作,开展“全国水库防洪决策支持系统标准化试点项目”,主持的项目主要有:福建省闽江流域预报调度信息系统研究、浙江省钱塘江流域防洪管理决策支持系统、富春江电厂洪水预报调度系统等遍布全国20余省、自治区的百余项,在应用中产生了数以百亿记的经济效益和防洪社会效益。主持的项目获得国家科技进步二等奖一项,省部级科技进步特等奖和一等奖3项,其他省部级二等、三等奖十余项;在三大检索和国家核心期刊及国际会议上发表学术论文二百余篇。主编国家重点教材、出版专著3部。

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  拳拳之心献水文

 

包老师与水文有着不解之缘。他于1972年高中毕业,为响应党的号召,上山下乡接受贫下中农再教育,后在农村担任大队会计,从此就对财会这一行产生了兴趣,填报的大学志愿全是财会、金融类专业。但在最后,心思缜密的包老师为避免被退档勾选了服从调配,因为这样的阴差阳错,他被华东水利学院陆地水文专业录取。但此时他对水文既不了解也谈不上喜欢,直到进校学习后才了解到水文是一门研究自然界水的时空分布、变化规律的学科,尤其是水文预报,回应了国家需求,可以为灾害的防治、减少生命财产损失提供决策依据。这让包老师产生了浓厚的兴趣,从此他开始认真了解水文,在学习的过程中逐渐喜欢,最后全身心的爱上水文。 

怀着为国家做贡献,为人民谋幸福的初心,包老师废寝忘食地学习,为他的科研打下了深厚的基础。在就读研究生期间,他曾跟随导师到淮河流域考察,由于洪水淹没,当地居民家贫如洗,只剩下土墙房屋茅草顶,他们只能在石头架起的床板上放着潮湿的衣被,床板一旁是泥巴架起的锅灶,几个装粮食、腌菜的坛子,几件锄头、箩筐之类的农具,这就是家的全部。虽然老百姓可以得到政府的救济,但谁愿意年年如此呢?蓄洪区为了保护重要的厂矿城镇免受洪灾,沿河的居民只能做出牺牲,这惨不忍睹的画面让包老师看在眼里,堵在心里,那份要为防治洪水、保护灾区人民生命财产安全做出贡献的信念进一步增强了。

包老师于1989年取得博士学位,起初他对黄土高原水沙耦合模拟感兴趣,提出了水沙耦合物理概念模型与模拟方法,并于1990年同时获得了国家自然科学基金和国家教委优秀年轻教师基金的资助。在那个年代,学校很少获得国家项目资助,因此科技处贴出了大红喜报。包老师的水沙模拟由此走上了快车道,他提出了垂向混合产流计算模型、时空变化的下渗曲线、水利工程截水能力分布曲线、水沙模拟物理概念模型等研究成果,还发表了一系列高质量论文,出版了专著《黄土地区流域水沙模拟概念模型与应用》,其中“物理概念基础的流域泥沙模型研究”成果于1997年获得了水利部科技进步三等奖。因为泥沙研究的成果影响,他担任了中国林学会森林水文分会常务理事。

如鱼得水的包老师本来可以在流域水沙研究领域的路上一直走下去,但他内心的洪水情节和想捍卫河海大学水文预报领先地位的情怀,促使他改变了研究方向。

包老师自上个世纪90年代开始担任水文预报教研室主任,他和小记者们说,“河海大学水文预报学科在国内乃至国际位于领先水平,学科的发展需要奋斗、需要创新,更需要迎难而上的勇气与韧性,我们要保持学科的领先地位,去传承老一辈水文人的精神,高筑学科平台,这是我们水文人的责任担当”。我国由于国民经济迅速发展,洪水灾害问题日益突出,使得水文预报越来越得到重视。水文人长久以来卧薪尝胆,终将迎来事业发展的再一个春天。

包老师在黄河源头考察

 

  融会贯通育人才

 

包老师认为师生是教学相长、互相促进、共同进步的。他坚持学习方法、学习内容、科研思路同时教,因为学生在课堂上学习的时间是短暂的,而在工作中自己主动学习、科研是一辈子的事。

包老师跟小记者提到了水质预报课程。一般同学学习水质预报的难处便是水环境动力学模型,这里面的难度大的偏微分方程模型有二十多个,同学们很难一个个记住。很多老师讲课时都是一个个从头推理进行讲解,但这样既费时间又让同学们更难理解。而包老师找到了其中最基本的方程——质量平衡方程,就像树干和树叶,只要解决了树干问题,其他的叶子也都迎刃而解。抓准了最基本的方程,其他的方程也很容易被理解。他以每月生活费用收支平衡计算为基础,联系偏导数的线性化概念,从而讲透了污染物质量平衡基本方程,他还根据假设条件简化得到各种水质数学模型。包老师说:“通过生活费收支平衡和直线方程就能容易地理解所有复杂的水质数学模型,这样既容易理解又容易记忆”。包老师对小记者们说,“水文知识需要返璞归真,最简单的才是最真实的。我们要用简单思路去理解复杂问题,用最简单的方法去解决很多问题”。

偏微分方程的线性化理解让包老师对水文学简化研究思想更加重视,他以偏微分方程差分项线性化为出发点,发现了特征量改变引起的变化率,提出了系统微分响应理论。

包老师在讲水文预报课程中还运用相似性研究方法与启发式教学。他用熟悉的方法研究不熟悉的东西,用相似性启发创造性。在自然界里许多规律具有相似性,如水量平衡与质污染物量平衡,他根据相似性研究思想,提出了水利工程截流能力分布曲线、下渗能力分布曲线等。

在研究参数率定时,他发现参数优化过程中寻找参数的目标函数信息是黑箱,没有物理意义,他受线性方程组求解例子启发,发现了传统优化方法的理论问题:①目标函数的误差平方求和结构损失了参数确定所需的信息。②目标函数的误差平方操作增加了模型本身不存在的局部优值,并提出了参数函数曲面直接率定方法。

包老师坚持学习方法、科研思路和教学内容并重,融会贯通,主编的《水文预报》国家重点教材深得全国各大院校任课老师和学生的欢迎,由此获得了国家水利类优秀教材奖、徐志纶教材奖二等奖、河海大学教学优秀奖、江苏省优秀精品课程等荣誉。

包老师与团队毕业研究生合影

 

精晓水文济民生

1998年长江、辽河发生了全流域性的大洪水,这引起了党中央、国务院对洪水灾害防治的高度重视,把“一把手为洪水灾害防治的第一责任人”作为国策。为此,包老师在河海大学组织了第一个洪水预报调度系统研究团队,他们与武汉大学、大连理工大学的同仁在同一平台进行研究,互相学习、互相促进。包老师说,洪水预报具有最强的实战性,今天的预报在明天或未来几小时就会得到证明,所以洪水预报一定要从实处着想,不仅要去解决实际问题,而且要保证精度。包老师深知,洪水预报系统的精度问题是人命关天的,容不得半点马虎,做好了可以产生巨大的经济效益和社会效益,但做不好会害人。

包老师团队长期坚持科学理论与生产实际结合的理念,从生产实际中发现问题,从解决问题的研究过程中获得原创性的理论和技术方法,生产与科研相互促进。实时洪水预报调度系统最难的是保证洪水预报精度。我们小记者通过深入了解,发现包老师团队为提高洪水预报精度做了长期大量的研究,获得了许多原创性成果。

洪水预报以雨量站观测雨量作为模型输入预报未来洪水变化过程,而洪水预报需要的是流域分布的雨量信息,这将产生雨量以点代面引起的降雨空间变化误差。在研究中包老师发现:雨量资料误差不全服从正态分布,而是受到了另外因素干扰的污染分布。于是他们在污染分布理论基础上提出了一系列适合于洪水预报观测资料误差估计的抗差估计方法。

洪水预报误差因素众多,误差修正最难的是缺乏误差修正有效的信息。包老师在长期研究中发现,洪水观测断面的流量信息包含了误差因素所有的信息,但这不同误差因素相应的信息如何区分利用呢?包老师在深入研究微分时发现:微分关系式建立了函数中任何自变量、特征量、参数与应变量间的关系,这就是洪水预报模型不同误差因素从观测流量过程中提取相应的信息所需要的。包老师由此提出了模型误差估计的系统微分响应理论和一系列误差修正与参数率定方法,并在顶尖水利国际期刊连续发表了6篇1区SCI论文,其他SCI/EI论文50余篇,该成果被评审专家赞誉为实时洪水预报误差修正方向自卡尔门滤波成果以来的又一项具有很高理论水平和应用价值的原创性成果。

河口地区,由于受下游潮汐影响,传统的河段水流洪水演算模型常会产生很大误差,包老师仔细分析了误差原因,发现这类河段的洪水同时受上游洪水波和下游潮汐波影响,根据河段的物理平衡关系提出了双向波水位、流量双变量耦合演算模型……

包老师带领团队进行了几十年的研究,遇到了大量的问题,在解决问题过程中,获得了大量的原创性理论和技术成果。根据这些成果,包老师开发了精度高、效果显著的实时洪水预报系统,深得广大生产部门赞美。此系统在全国20多省和自治区的150多个水库、流域被推广应用20余年,至今仍被使用。为国家创造了数以百亿记的经济效益和社会效益。

包老师团队不仅开发的洪水预报系统广受欢迎,而且培养的研究生也广受各大院校、科研院所、生产部门的欢迎。如有位硕士研究生在出差维护某个洪水预报系统时被水利局局长了解,局长当即拍板免考作为人才引进。许多科研院所为加强洪水预报方向研究,将包老师培养的博士生为首选引进人才。40多年来,包老师培养了100多位博士、硕士研究生,其中有近1/3成为各大院校、科研院所、管理部门的领军人才。

包老师一直走在流域水文以及水文预报研究的前沿,他的科研之路一路走来,最深刻的体会便是要把论文写在流域上,去解决国家需求问题,促进水文科学的发展并产生经济效益,最终才会获得科研成果。

包老师在水库调研

 

心系水文话愿景

 

包老师为水文事业奋斗了四十多年,2021年恰是他光荣退休之年,为此水文院专门为他举办了光荣退休座谈会,他仍怀着对水文事业的满腔热情,退岗不退休。他希望河海大学水文预报在解决生产实际问题上做出更大的贡献。水文预报(尤其是洪水预报)是个刚性市场,虽然自上世纪70~80年代高潮过后,国际上进入了发展速度缓慢期,但未来肯定会再次产生新的高潮。他希望河海水文能提前布局,不要丢掉河海老水文的传统优势,去加强水文预报研究,继续保持国内领先、国际先进的优势,再创辉煌!

他期望年轻的教师们能对国家需求、解决生产实际问题的科研多投入些,河海大学水文水资源学院是国内乃至世界人员规模最大的水文研究机构,大家公认早期整体水平国内领先、国际先进,我们作为河海水文学者有责任去坚守河海水文优势,要促进水文事业的发展。

包老师希望这篇文章可以对学生或者对年轻的老师有参考价值。他的理念是“要做就做有用的事,既要解决国家需求、生产实际的问题,又要促进科学研究的深入,并获得原创性的成果。”他的最大愿望是:年轻的老师和同学们能把他团队几十年开发的系统和资源能好好传承下去,不断地深入研究、不断地推广使用,不断地为防洪减灾做贡献。水文有着广阔的舞台,包老师希望有志向有抱负的青年,投身于水文事业,学好水文,为解决国家的重大问题做出重大贡献。

包为民老师荣休座谈会合影

文字来源:王丽超 魏子豪

图片来源:包为民老师

编辑:杜宛萦

审核:陈培玲 莫晓曼

 

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