用熱忱打造的“水戰(zhàn)士”
——記河海大學(xué)水文水資源學(xué)院教授黃璟勝

□ 劉玉杰

黃璟勝在河海大學(xué)留影

如果將視角移向外太空，我們生活的地球其實(shí)是個(gè)名副其實(shí)的“水球”，地球表面70%以上都被藍(lán)色的海洋覆蓋，其中外圍一圈叫做“水圈”的液態(tài)水層，從形成至今至少已有30億年的歷史。人類只要生活在地球上，就無(wú)法脫離水的包圍，水不僅是維持人類生存和發(fā)展不可或缺的最重要的物質(zhì)資源之一，整個(gè)人類社會(huì)的正常發(fā)展也在一定程度上與供水、水質(zhì)以及水生生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)息息相關(guān)。因此，要正確考慮地表—地下水文系統(tǒng)中所有影響水流的作用，其中針對(duì)地下水或地表水資源進(jìn)行水文模擬是對(duì)地球水資源管理的首選方案。

近年來(lái)，國(guó)際知名期刊Hydrogeology Journal副主編河海大學(xué)水文水資源學(xué)院黃璟勝教授一直致力于地下水流與地下水污染傳輸機(jī)制的研究，并建構(gòu)了新的理論架構(gòu)與數(shù)學(xué)模型，為我國(guó)地下水?dāng)?shù)值模擬研究的發(fā)展貢獻(xiàn)出全部的熱忱。投身于水文研究，這在他看來(lái)，就是自身科研歷程中最好的著陸。

凝心聚力與水同行

從小生在臺(tái)灣長(zhǎng)在臺(tái)灣的黃璟勝，自2009年在臺(tái)灣交通大學(xué)攻讀博士起，就與地下水模型的開發(fā)與應(yīng)用結(jié)下了不解之緣。但黃璟勝坦言，其實(shí)他與水文領(lǐng)域結(jié)緣的過(guò)程中還發(fā)生了一點(diǎn)“小插曲”。最初，黃璟勝的研究領(lǐng)域與水文相差甚遠(yuǎn)，本科期間，他在臺(tái)灣交通大學(xué)土木工程專業(yè)學(xué)習(xí)，當(dāng)時(shí)本以為會(huì)在土木工程領(lǐng)域里扎根，卻不曾想與水資源的緣分已悄然而至。

本科和碩士期間都和土木工程打交道的黃璟勝，在一次修課時(shí)無(wú)意中與臺(tái)灣交通大學(xué)葉弘德教授的夫人熟識(shí)，在葉夫人的介紹下，本科畢業(yè)后黃璟勝便跟隨葉弘德教授開始接觸水文，探索地下水世界里的奧秘。在葉教授的指導(dǎo)下，他將研究重點(diǎn)放在解決地下水污染整治過(guò)程中存在的模型計(jì)算速度過(guò)慢和網(wǎng)格難以構(gòu)建這兩個(gè)問(wèn)題。

據(jù)黃璟勝介紹，在地下水?dāng)?shù)值模擬研究中，這兩個(gè)問(wèn)題早已是該領(lǐng)域里公認(rèn)的“難啃的骨頭”。為了拿下這塊“硬骨頭”，早在20世紀(jì)70年代初，無(wú)數(shù)水文研究人員已經(jīng)對(duì)地下水模型的開發(fā)和應(yīng)用展開研究，也陸續(xù)成功開發(fā)出一批關(guān)于地下水模擬的軟件。像MODFLOW、RT3D，這些都是地下水模擬領(lǐng)域里聲名在外的“明星”軟件，起初也確實(shí)在地下水模擬中起到關(guān)鍵作用。但隨著對(duì)地下水研究的進(jìn)一步深入與復(fù)雜化，這些軟件逐漸無(wú)法兼顧高效與精準(zhǔn)的需求。

在實(shí)際模擬時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量有時(shí)候高達(dá)上百萬(wàn)個(gè)，這導(dǎo)致耗費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。而為了減少計(jì)算時(shí)間，研究人員會(huì)采用大尺寸網(wǎng)格變成小尺寸的不均勻網(wǎng)格這一方法來(lái)解決，但與此同時(shí)也導(dǎo)致了網(wǎng)格難以構(gòu)建這一新問(wèn)題的出現(xiàn)。雖然研究人員已經(jīng)想到利用并行計(jì)算技術(shù)來(lái)縮短計(jì)算時(shí)間，但無(wú)論如何，計(jì)算速度仍無(wú)法擺脫計(jì)算器間的傳輸速度的限制。此外，構(gòu)建并行計(jì)算機(jī)的高昂成本也令研究的進(jìn)一步推進(jìn)有些“吃不消”。

為此，從博士期間到現(xiàn)在的十幾年中，黃璟勝不斷尋找解決問(wèn)題的辦法。憑借多年的研究積累，將看似“千年難解”的問(wèn)題一一攻克。他提出了發(fā)展承壓含水層地下水流的有限節(jié)點(diǎn)閉合解析方法。該方法通過(guò)學(xué)科交叉，采用電化學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)出了地下水流偏微分方程的閉合解，當(dāng)作該方法的基函數(shù)，允許水力參數(shù)在空間中不規(guī)則變異，能處理蜿蜒河川等不規(guī)則形狀的物理邊界，從而順利攻克了縈繞他心頭許久的網(wǎng)格建構(gòu)困難與計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)兩個(gè)難題。相較于傳統(tǒng)的數(shù)值方法，該方法的計(jì)算結(jié)果更加精準(zhǔn)，計(jì)算時(shí)間從原來(lái)的1.5小時(shí)飛速縮短至6秒，計(jì)算器程序也變得更加簡(jiǎn)化，兼顧了高效、精準(zhǔn)與無(wú)網(wǎng)格的需求。

水文研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)層出不絕，地表水和地下水的交互作用這一熱點(diǎn)也進(jìn)入了黃璟勝的研究視線中。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)其相互作用的研究都是采用微擾法來(lái)解沿海區(qū)域受潮汐影響的地下水流問(wèn)題，但其中存在著兩個(gè)“致命”限制：其一是在微擾因子本該遠(yuǎn)小于1時(shí)卻通常大于1；其二是該方法只能預(yù)測(cè)地下水位的變化，無(wú)法定義含水層內(nèi)部的水力水頭變化。既然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題就要想辦法解決，為此，黃璟勝發(fā)展了不受微擾因子大小限制、能描述含水層內(nèi)部流場(chǎng)分布的數(shù)學(xué)模型，解決了上述問(wèn)題，對(duì)地下水資源管理，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

黃璟勝取得的一系列成果共發(fā)表了SCI期刊論文20多篇，并受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。其中國(guó)際知名期刊Water Resources Research評(píng)價(jià)：“研究對(duì)承壓含水層地下水流的問(wèn)題提供了重要的理論基礎(chǔ)……”此外，國(guó)際著名期刊Environmental Modelling and Software榮譽(yù)創(chuàng)刊人和榮譽(yù)總主編澳洲大學(xué)Anthony.Jakeman教授也給予了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為研究非常有潛力，在流域水環(huán)境模型發(fā)展方面有很重要的參考價(jià)值。

海陸間的“金鑰匙”

面對(duì)已經(jīng)在地下水?dāng)?shù)值模擬中取得的多項(xiàng)重要成果，黃璟勝感慨萬(wàn)千。想當(dāng)初，剛剛接觸地下水模擬研究時(shí)，黃璟勝總是摸不著頭緒，是葉弘德教授手把手指導(dǎo)他應(yīng)該如何以“科研”的思維考慮問(wèn)題，又該怎樣寫研究論文，甚至還教導(dǎo)他如何在“科研圈”里靜心做研究。“這對(duì)我后來(lái)的研究道路奠定了基礎(chǔ)，也讓我更加確定了自己的研究方向。”黃璟勝表示。

有些時(shí)候，機(jī)遇總是會(huì)在不經(jīng)意間到來(lái)。就在黃璟勝在臺(tái)灣交通大學(xué)進(jìn)行博士后工作期間，他結(jié)識(shí)了到臺(tái)灣進(jìn)行學(xué)術(shù)交流的GSA Fellow美國(guó)德得薩斯農(nóng)機(jī)大學(xué)的詹紅兵教授。同樣都從事地下水?dāng)?shù)值模擬研究，兩人頓時(shí)找到很多共同話題。在談到地下水污染治理方面，詹紅兵教授提到河海大學(xué)在這方面的研究水平很高，并提議黃璟勝有機(jī)會(huì)可以實(shí)地去學(xué)習(xí)。

考慮到我國(guó)幅員遼闊、地質(zhì)復(fù)雜，不同水層出現(xiàn)的問(wèn)題也不盡相同，這對(duì)全面了解地下水?dāng)?shù)值模擬有很大幫助，于是他萌生了到河海大學(xué)工作的想法。再加上近年來(lái)祖國(guó)發(fā)展速度很快，對(duì)科研的支持力度也很大，黃璟勝認(rèn)為祖國(guó)可以為他提供更寬廣的舞臺(tái)進(jìn)行科學(xué)研究。于是，2017年黃璟勝“漂洋過(guò)海”來(lái)到河海大學(xué)，延續(xù)心中對(duì)地下水?dāng)?shù)值模擬研究的熱忱。

雖然到河海大學(xué)的時(shí)間并不長(zhǎng)，但在他看來(lái)，當(dāng)初的選擇沒有錯(cuò)，他尤其感謝葉弘德教授的教導(dǎo)與詹紅兵教授的建議，為他打開祖國(guó)的科研之門提供了一把“金鑰匙”，讓他有機(jī)會(huì)更好地了解地下水模擬。

來(lái)到河海大學(xué)后，在學(xué)校的大力支持下，黃璟勝基于前期已經(jīng)取得的有限節(jié)點(diǎn)閉合解析方法的基礎(chǔ)上，打算對(duì)多孔介質(zhì)和裂隙的雙重孔隙含水層這一地質(zhì)情況展開研究。2018年，他獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目“耦合多孔介質(zhì)達(dá)西流與裂隙非達(dá)西流的有限節(jié)點(diǎn)閉合解析方法”，將心中的研究想法付諸實(shí)踐。

與學(xué)生合影

多孔介質(zhì)與裂隙的雙重孔隙含水層是世界上典型且普遍的地質(zhì)情況。裂隙蘊(yùn)含著豐富的地下水資源，其透水性遠(yuǎn)高于多孔介質(zhì)，是水流的主要通道，更是放射性核素等地下水污染物傳輸?shù)闹饕緩健ｋS著多孔介質(zhì)地下水流理論的日趨完善，研究人員展開了另一典型地質(zhì)情況的研究：裂隙地下水流。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者也相繼展開了相關(guān)模型建構(gòu)的研究，假設(shè)裂隙是在均勻分布的連續(xù)體的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，但一旦遇到實(shí)際復(fù)雜不均勻的裂隙分布時(shí)，用這種方法就無(wú)法及時(shí)有效地處理。

因此，黃璟勝認(rèn)為當(dāng)前建立高效且精準(zhǔn)的地下水流模擬方法，對(duì)了解地下水流在多孔介質(zhì)和裂隙的耦合運(yùn)移過(guò)程、理論發(fā)展和工程實(shí)踐有重要意義。

雖然項(xiàng)目才剛剛開始，但他心中已經(jīng)有了研究設(shè)想。他打算發(fā)展裂隙非達(dá)西流井函數(shù)與基函數(shù)這兩個(gè)閉合解。黃璟勝介紹，相比國(guó)內(nèi)外最常使用的Stehfest或Crump的數(shù)值逆變換公式，該閉合解不僅能給予數(shù)值計(jì)算結(jié)果，其數(shù)學(xué)表達(dá)式子還能反映變量、參數(shù)和降深三者的關(guān)系。此外，如果采用傳統(tǒng)的有限元法等數(shù)值方法進(jìn)行裂隙非達(dá)西流模擬，必須從t=0開始，根據(jù)時(shí)間步長(zhǎng)time step Δt依序計(jì)算，如：Δt=0.1天，依序計(jì)算t=0.1、0.2、0.3……一直到t=10天，每一時(shí)間降深的空間分布，而采用黃璟勝研發(fā)的閉合解，其解的數(shù)學(xué)式子能直接計(jì)算任意一時(shí)間內(nèi)每區(qū)多孔介質(zhì)和每條裂隙降深的空間分布，不僅計(jì)算過(guò)程能得到簡(jiǎn)化，還會(huì)大大提高計(jì)算效率。黃璟勝預(yù)計(jì)，項(xiàng)目取得的一系列成果不但為雙重孔隙地下水流研究提供典范，還能對(duì)地下水的利用與保護(hù)、石油和天然氣開采等多領(lǐng)域都起到重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

做熱忱的科學(xué)探路人

之所以能在地下水?dāng)?shù)值模擬研究中獲得諸多成果，除了前期積累了豐富的理論基礎(chǔ)與研究經(jīng)驗(yàn)外，在黃璟勝心中，支撐他在科研這條路上走下去的還有最重要的一點(diǎn)，那就是始終對(duì)科研抱有無(wú)限的熱忱。“熱忱”這個(gè)詞，在短短不到一小時(shí)的采訪過(guò)程中，黃璟勝說(shuō)了很多次。“科研中都在強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新精神，既然要?jiǎng)?chuàng)新，那創(chuàng)新的來(lái)源是什么？”黃璟勝坦言在多年的研究歷程中，他不止一次想過(guò)這個(gè)問(wèn)題，在他看來(lái)最終的答案也只有一個(gè)：熱忱。

只有熱愛自己所從事的行業(yè)，路才能走得長(zhǎng)遠(yuǎn)、走得穩(wěn)健。用熱忱構(gòu)建的創(chuàng)新理念來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)中對(duì)地下水?dāng)?shù)值模擬的研究，能夠令黃璟勝無(wú)時(shí)無(wú)刻都斗志滿滿。他表示，在對(duì)地下水領(lǐng)域的研究中，會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題，必須時(shí)刻讓自己繃緊神經(jīng)，稍不留神也許就會(huì)使前期所付出的努力都付之東流。這樣高強(qiáng)度的工作，如果沒有對(duì)地下水?dāng)?shù)值模擬的熱愛，是難以堅(jiān)持下去的。“有了研究熱忱，我才會(huì)在遇到難題時(shí)主動(dòng)想辦法去解決，而不是坐以待斃。”黃璟勝說(shuō)道。

此外，他還補(bǔ)充到，科研的意義并不是只來(lái)源于自身的熱忱就足夠了，所做的研究還需對(duì)人類、對(duì)社會(huì)有所貢獻(xiàn)，這樣一來(lái)，自己在研究中所傾注的全部熱忱才會(huì)有價(jià)值。

有理想，有沖勁，這是黃璟勝與團(tuán)隊(duì)最真實(shí)的寫照。在他看來(lái)，自從進(jìn)入河海大學(xué)水文水資源學(xué)院以來(lái)，團(tuán)隊(duì)內(nèi)每一個(gè)成員都很拼，只要一工作，便會(huì)進(jìn)入“兩耳不聞窗外事，一心只在科研中”的狀態(tài)。這種研究精神感染到了黃璟勝，他也更愿意與這一樣一群優(yōu)秀努力的人聚在一起，共同為地下水?dāng)?shù)值模擬的研究發(fā)展貢獻(xiàn)自己的一份力量。

未來(lái)，黃璟勝將帶著他對(duì)地下水?dāng)?shù)值模擬的熱忱，與團(tuán)隊(duì)共赴下一個(gè)研究之約，抒盡心中的科學(xué)理想。