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赵建世:让水资源更科学为人所用

发布时间:2019-10-12 19:08:02 编辑:笔名

近日,第十四届中国青年科技奖获奖者名单公布,清华大学水利水电工程系副教授赵建世赫然在册。对此,赵建世说:“我没做太突出的贡献,我是清华的老师,就做了一些和科研教学相关的工作。”

实际上,这是赵建世的谦虚,在甘肃疏勒河和石羊河流域的人民眼里,他是“科学家”,保住了他们的家园。在清华同学们的眼里,他是“帅老师”,带领他们走进了调度水的科学世界。

在变化中寻求规律,攻克世界性水调度难题

在环境不断变化的情况下,如何把流域管理做好?是一个世界性的难题。

赵建世从事的工作就是水资源管理,“通俗一点讲,就是流域水量的分配、调度、管理。”他说。黄河水量统一调度、南水北调工程论证等都留下了赵建世的足迹。

以前,水资源调度都是基于历史资料进行调度规则设计的,然后用固定的规则来指导未来调度。例如很多北方的水库,其设计调度规则一般都是根据前几十年的资料设计出来的。“但是来水、用水条件一直在变化,近二三十年来,北方很多地区来水是减少的,有成千上万的水库如果根据国家的规范,或者传统的方法,很多时候水库是无法完成蓄水和供水任务的,这就没有达到资源的最好利用。我们需要去发展新的基本理论和方法,来应对这种变化环境下的决策和调研。”赵建世说。

赵建世就在做基础性的研究,把中间问题研究清楚。比如,做未来的水资源调度管理,需要对未来的来水、用水进行预测,但这种预测有不确定性,那么基于这种不确定的信息进行决策?如何设计一种能够应对不确定性的最优调度规则?这是一个前所未有的工作。

赵建世提出了一种全新的理论方法,可以指导人们如何在不确定的预报和预估情况下设计出最优的规则。在气候变化和人类活动加剧的背景下,水文稳态性假定(即历史水文情势与未来水文情势的统计学特性保持一致)受到破坏,使得传统的水资源分析方法失效。为应对这一变化和挑战,基于预报及其不确定性的优化调度成为变化环境下适应性调度管理的基本理论方法。赵建世以水库调度这一基本问题为背景,将水文预报及其不确定性通过风险对冲规则应用到实时调度中,推导了风险对冲规则的完整数学框架并给出了经济学解释,提出了应用预报和定量评估不确定性影响的公式,开发了面向实时的水库供水、防洪、发电的风险对冲调度模型,为变化环境下水库动态调度提供了理论基础和模型框架,相关成果在Water Resources Research等行业主流期刊发表,并在黄河水量统一调度、淮河流域生态用水调度和西南梯级电站调度等研究和实践中得到应用,相关成果获得国家科技进步二等奖和大禹水利科学技术二等奖各1项。

赵建世还提出了基于主体模型的水资源系统分散式算法和整体模型方法。传统的水资源系统分析方法将流域作为一个完全可控的系统,但现实中不同用水、管理者和其他主体都具有独立的行为和决策。赵建世将流域分解为自主的、独立决策的用水主体和管理主体,以主体行为特性模型为基础重新建立流域管理基础理论框架,并开发分布式优化算法解决流域非线性优化的维数灾问题,并以此为基础构建了水资源系统分析整体模型方法,相关成果在Journal of Water Resources Planning and Management等行业主流期刊发表。整体模型方法在水利与国民经济关系研究、海河流域水资源综合规划、石羊河流域近期综合治理、疏勒河流域生态环境保护规划等工作中得到应用,参与完成的《石羊河流域重点治理规划》和《敦煌水资源合理利用与生态保护综合规划》经国务院批准实施,总投资95亿元,相关成果获国家二等奖1项、省部级奖励3项。

虽然是基础研究,但是赵建世的研究却扎扎实实地应用在了管理实践中,让很多流域的老百姓得到了实惠。石羊河和疏勒河两个流域都是在甘肃境内的内陆河,石羊河在2000年以后由于生态环境恶化,每年会有2万名的居民,因为村子和土地被沙漠侵蚀无法生存、流离失所,成为生态难民,这种现象持续了好几年。赵建世从2004年开始参加石羊河治理综合规划工作,2007年国务院批准了石羊河近期治理综合规划,投资了47个亿进行治理, 2013年治理工程完成,如今整个石羊河流域,用水的秩序规范、生态在逐渐恢复。在治理过程中,赵建世还负责完成了水利部公益项目《石羊河流域治理水权框架与实施的过程控制关键技术》,通过该项目研究团队开发建立了全国第一个在线水权交易系统,2013年开始运行,农民之间的水权交易量逐年上升,现在每年交易量超过1000万方,是目前全国唯一一个在线运行水权交易系统。

中美名校联合教学,力推课程改革深受欢迎

对赵建世来说,另外一个重要的工作就是教学。他是课程比较多的老师,一个学期有一百多个学时,几乎每周都有课程。

在课程改革上,赵建世下了很多功夫。2010年,他从美国回来以后,一直在思考课程改革,他引进了美国的教材和先进的教学理念,把研究生、本科生的课从教学内容到教学大纲都进行了更新换代。他承担研究生课程《现代水资源规划》,与美国土木与环境工程排名第一的伊利诺伊大学(UIUC)建立和合作,和该校的Barbara Minsker 教授承担的《Environmental system analysis II》课程进行共建,使用共同的教学交流平台、共同案例研究,双方任课教师课程共享、双方同学混合分组研究,目前已形成长期合作模式,他邀请美国学生来中国访问,美国的师生参观了南水北调工程和石羊河流域,都深深感到震撼。这是清华水利系和国际名校首次进行联合教学,深受同学们的欢迎。

因为赵建世的创新和努力,他承担本科生课程《水资源学基础》,2010—2011、2012—2013和2013—2014学年三次被评为全校教学效果评估前5%。获得2013年清华大学“青年教师教学优秀奖”、2014年度“全国水文与水资源工程专业青年教师讲课竞赛一等奖”以及2014年度清华大学教学成果奖一等奖。“联合办学开阔同学们的视野,因为和国际名校是同步的课程,我们会把最新成果介绍给同学们,会比较系统,同学们很喜欢这样的课程,像中国水科院、中国农业大学的学生都很愿意来上这门课,很多同学即使旁听也要来。”赵建世说。

立足流域管理实践,力争水资源研究国际引领水平

一路本科、硕博都在清华大学,如今又在清华教学多年,赵建世有更多的思考:“作为大学,一方面要服务于国家重大事件,更重要的应该是在理论、在学科前沿方面起到引领作用,这也是清华的定位所在。”

“中国的水资源管理是全世界最复杂、最难的系统,但同时也给我们创造一个好机会,在丰富的实践支撑下,我们的科研水平和管理水平会逐渐达到甚至最终超过国际同行的水平,因为我们拥有更鲜活的案例、更多的实践。”赵建世说,“现在我们和他们基本上在一个水平线上,但未来我们会领先,因为我们的实践更丰富。”赵建世有这个信心。

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