矢志不渝勤求索,精研覃思觅真知
发表时间 2018-10-18 09:28 来源 本站原创

  ——记长安大学环境科学与工程学院教授李培月

  从树的冠层往下直到含水层底部,被科学家称为“地球关键带”,它控制着土壤的发育、水的质量和流动、化学与生物循环,其在调控自然生态环境的同时,还供应着经济社会发展所需的资源,因此这一地带对维持地表生命非常重要。目前,地球关键带正面临着诸如人口增长、资源短缺等方面的巨大压力,在未来的40年里,人们对食物和化石燃料的需求将会加倍,对水资源的需求将会增长50%,因此,对地球关键带地质过程以及速率的理解、预测、管理等将对人类和经济的可持续性发展、缓和和适应气候变化等至关重要。

  地下水含水层正是地球关键带的重要组成部分,因此,开展这一方向的研究工作对人类的生存发展起到了至关重要的作用。近几十年来,一直是国际研究的热点,引起了科研工作者们的强烈关注。多年来,长安大学环境科学与工程学院李培月教授一直孜孜不倦投身于水文地质科学的研究工作中,用自己的行动践行着对水科学研究的深情与壮志。在水文地质和环境地质领域不懈前行的多年间,他身上对于水科学研究工作的无限热情一直在延续着。从博士开始,他就一直将人类活动影响下的地下水环境演化作为自己的主要研究方向,并延续至今。

  目前,他是国际水文地质学家协会(IAH)、国际矿水协会(IMWA)、中国地质学会(GSC)、国际地学伦理促进协会(IAPG)和美国国家地下水协会(NGWA)会员,并担任国际SCI期刊《曝露与健康》(Exposure and Health)和《矿井水与环境》(Mine Water and the Environment)副主编,《环境地球科学》(Environmental Earth Sciences)等四个SCI期刊的客座编辑,国内《南水北调与水利科技》期刊编委,60余种国际期刊特邀审稿人。先后获得李四光地学科技博士生奖、张伯声地学科技一等奖等7项省部级以上教学和科研奖励获荣誉。

  “干一行,爱一行”

  “干一行,爱一行”,这是李培月将科研工作做得如此出色的奥秘所在。

  高中毕业在填报志愿时,李培月对于学校以及专业并没有固定的选择,机缘巧合之下,他来到了长安大学水文与水资源工程(原水文地质工程地质)专业进行学习。

  长安大学由始建于20世纪50年代初的原西安公路交通大学与原西安工程学院、原西北建筑工程学院三所部属高校于2000年合并组建而成,而他所学习的水文地质工程地质专业,是长安大学历史上第一个具有博士学位授予权的学科。

  “既然选择了这一专业,就要认真学习下去。”从小成绩就十分优异的李培月,到了大学时期仍然保持着自己勤奋好学的品质,每年都会拿到学校发的奖学金,大学三年级时,他更是脱颖而出,获得了教育部于2007年开始设立的大学生国家奖学金。在平时,李培月也会参与老师的一些科研项目,不仅锻炼了学术能力,做科研所得到的补助也帮他解决了一些生活上的问题,从那时起他就再没有向家里要过一分钱。

  从大三开始,由于李培月时常会跟随自己的老师到野外做一些调查,深入其中之后,他越发能感受到此类研究工作的魅力所在,并坚定了在这一领域继续开拓的决心,通过推免在长安大学继续进行硕博连读。



在桂林进行调研

  深入到科学研究当中,李培月一刻都没有松懈。研究生二年级时,他所在的研究团队与宁夏国土资源调查监测院石嘴山分站合作,在贺兰山东麓进行了长达8个月的野外工作,共同完成了石嘴山市第二水源地扩充勘探。项目的完成缓解了石嘴山市大武口区供水紧张的局面,解决了石嘴山市大武口区10万人的吃水问题,保障了石嘴山市大武口区社会经济的发展,取得了巨大的社会效益和经济效益。回忆起当初的那段时光,李培月感慨万千。“那个时候野外工作环境比较恶劣,我们在野外住的是帐篷。有一次,冬天夜里下大雪,雪太大了,加上又刮大风,帐篷被压塌了。不过,好在我们都还年轻,没有被压在帐篷底下。”他说。

  工程应用研究之外,李培月在学术研究中也取得了许多突破。2014年6月5日,他在英国《自然》杂志的Opinion and Comment版块上发表了题为“Accelerate research on land creation”的文章,这是长安大学建校以来该校师生以第一作者身份首次在《自然》杂志上发表文章。

  这篇文章,是李培月在参加陕西省的科技创新统筹项目以及科技支撑项目时所得到的灵感。文章针对21世纪初我国在多个丘陵山区进行的削山造城工程,指出了削山造城可以为城市发展提供更多的可利用土地,有效解决山区城市发展空间严重不足的困难,但同时也存在一定的环境、技术和经济风险。文章指出:如要实行这项工程,必须要加快、加强削山造城工程中的科学研究工作,尽快形成该类工程建设的相关规范,用以指导实际工程建设,以避免地质环境及生态环境问题的发生,降低该类项目的环境、技术和经济风险。这一成果引起了广大学者和相关部门的强烈关注。

  开拓创新,取得累累硕果

  2014年7月,李培月博士毕业后留校任职,担任长安大学环境科学与工程学院的讲师,继续在科学研究中开拓。在多年的科研工作中,他兢兢业业,乐此不疲,在研究领域内取得了一系列突破性科研成果。作为一名科研人,李培月把大多数时间留给了自己钟爱的科研工作。从事科研至今,他主持和作为骨干成员承担了国家自然科学基金国际合作研究项目、青年项目、面上项目、国家科技支撑项目等科研项目20余项,在项目研究中不断打磨,得到了极大的成长。

  长久以来,人类活动影响下西北干旱区地下水循环演化一直吸引着李培月团队的关注。针对这一问题,他和团队成员利用同位素技术和水文地球化学理论,通过理论与模拟研究,对西北干旱区地下水循环演化进行了广泛而深入的研究。

  通过不懈地探索与研究,他们确立了湖泊水与地下水、河水与地下水以及不同地下水之间相互转化的理论模式,提出了人类活动导致的含水层水力联系变化是地下水之间相互转化重要驱动力的解释。提出在人类活动强烈的地区,地下水环境演化不仅与天然水岩作用有关,而且与农业灌溉、人类活动导致的含水层水量交换、污染地表水渗漏和地下水混合作用密切相关。通过同位素和水化学,建立了地下水端元混合模型,定量确定了不同因素对地下水环境演化的贡献。阐明了在小尺度上,人类活动在对地下水演化强度和影响速率方面均比天然的水岩作用大,充分体现了小时间尺度上人类活动的干扰性。

  研究成果在渭河平原高氟水起源、宁南山区地下水高氟水演化、人体健康风险评估、渭河平原地下水硝酸盐污染来源与治理等研究方面发挥了重要作用,对于保障地下水供水安全和人体健康发挥着重要的作用。

  除此之外,针对传统野外弥散试验中存在试验时间长、成功率低、参数计算不一致和抽水时间难以定量确定等多个工程技术难题,李培月团队也展开了一系列科研攻关。



在石家庄水文地质环境地质研究所交流访问

  在研究中,他们将径向收敛流野外弥散试验方法引入国内,并对其进行优化和创造性应用,提出了三井径向收敛流弥散试验理论,使其不仅可以同时确定含水层水文地质参数和弥散参数,而且大大减少了试验所需时间,提高了试验成功率,降低了含水层的人为污染。通过理论研究和公式推导,提出了适用于越流承压含水层抽水试验的全程曲线拟合法,不仅可以通过计算机快速自动获取参数,而且保证了水文地质参数的唯一性。

  该研究成果丰富和发展了环境水文地质试验方法及参数求解理论,可为地下水污染评价和污染治理提供试验基础。研究成果已在宁夏、陕西、河南、贵州、上海等地成功应用。部分成果获得陕西省首届研究生创新成果奖一等奖(2014)和陕西省职工优秀科技创新成果铜奖(2015)。有关径向收敛流弥散试验的最新成果已编入到本科生教材《水文地球化学(第二版)》中,部分成果以专著《卫宁平原地下水环境风险预测评价研究》的形式发表,在Hydrological Processes等国际SCI期刊上发表相关学术论文7篇,并被国内外学者广泛引用。

  至此,李培月仍然没有停止前行。近年来,随着人类活动的不断加剧,地下水环境发生了前所未有的变化。地下水与环境变化、地下水污染评价与保护等成为当前研究的热点。在这一研究趋势下,李培月全面研究了干旱半干旱地区典型盆地不同人类活动影响下地下水循环的水化学和水动力学特征,通过理论研究,拓展了地下水环境的内涵,将地下水环境的内涵拓展到整个与地下水相关的自然系统和人类社会系统,形成了以自然科学和社会科学相结合的地下水环境研究框架。并指出,在人类活动影响下,地下水环境是一个同时具有自然属性和社会属性的概念,一切与地下水直接和间接相关的自然作用和社会作用均应归到地下水环境的研究范畴之内。基于此,构建了一套充分考虑人类活动影响下的地下水环境研究方法体系,该理论研究成果,对于人类活动影响下的地下水环境多尺度演变研究、地下水环境保护与管理具有重要的推动作用,在促进地下水科学的迅速发展方面也发挥着积极的作用。

  宁夏拥有西北最大、集制浆造纸以及造纸林基地开发等为一体的多元化企业集团——美利纸业,其每年大约产生2800万方左右的造纸废水。因为国家对环境污染问题的管制加强,企业必须寻找新的污水排放途径。为了克服这一问题,企业采取了在腾格里沙漠边缘种树的方法,所产生的造纸废水在与黄河水进行配比后,对树林进行浇灌,长成的树木可以作为企业的造纸原材料,以形成一种良性循环。当时在做这个项目时,李培月就在想,虽然废水和黄河水进行了掺混,达到了灌溉林基地的标准,但是不是对地下水就没有影响了呢?如果有影响,这个影响是怎么来的?影响程度有多大?带着这些疑问,李培月在2015年,申请了国家自然科学基金项目“造纸废水灌溉入渗的地球化学过程及其影响下的地下水环境演化机制”。在这一项目中,对这些问题展开了深度探索。

  项目进行的两年多间里,李培月团队做了大量实验,在暑期做了多次野外调查,并进行了初步的数值模拟研究,取得了一些新进展。通过研究,李培月团队发现:造纸废水中含有高浓度的COD(化学需氧量),即使与黄河水经过配比之后用于林基地的灌溉,也依然会对地下水产生影响。之前没有灌溉过的土地,经过灌溉之后,地下水位会逐渐上升,从而向下游径流量就会持续增大,而林基地的下游就是位于平原区的中卫市,大量浅层地下水蒸发后,很容易导致土壤盐渍化。除此之外,中卫市的城市供水水源地就在其城市周边,如果地下水中含有很高的污染物,那城市供水安全也会受到威胁。

  针对这些问题,李培月团队也给出了相应的解决办法,他们提议企业在腾格里沙漠与冲积平原的交界位置打几口井,然后抽水,用抽出来的水作为企业的造纸用水,以此来形成一个局部循环。造纸产生的水流到林子的土地里面,林子里边的水流到沙漠和冲积平原区的边界位置,再以水井的形式抽出来回到造纸生产中,通过这样的循环来减少对下游的影响,可谓是一举两得。



与国外学者一起进行野外调查

  科学研究要与国际接轨。在承担大量的国内科研项目之外,李培月也十分注重与国际科研团队进行研究合作,彼此之间,相互学习,在研究中收获更大的成长。

  2017年,李培月成功申请了2017年度国家自然科学基金委员会与南非国家研究基金会的国际合作研究项目“农业灌溉影响下含水层渗透性及地下水质演化机理”。

  我国西北干旱地区有很多灌溉区,因为地表水资源不足而要从别的地方引用地表水或者在当地打井来获取灌溉所用的水资源,但是因为灌溉的水质不同,而且农业生产时还有化肥农药等的使用,其入渗时可能会产生一系列的变化。针对这一现状,李培月团队将自己的研究集中于“干旱地区的农业灌溉用水在入渗过程中含水层性质和地下水质会产生哪些变化”,从水文生物地球化学方面,进一步关注地下水的水质问题。

  “要勇于做发现大师的大师”

  教学是大学教师的第一使命。正如李培月的博士生导师钱会院长所言“教书是一件良心事”。李培月正默默地践行着这一深深影响着他的格言。无论何时,他总是将学生的需求放在第一位,哪怕放弃自己周末休息时间,也愿意为有需要的学生进行指导。李培月常常花去周末休息时间指导学生进行方案优化、课外实验和学术论文写作。目前,其指导的大学生已发表学术论文5篇,其中有4篇发表在国际SCI期刊上,多人通过推免到中科学进行研究生学习。

  大学教育教学改革是大学教育不断前进的有力保障。李培月积极参与了多项学校和陕西省教育教学改革项目。结合我国大力推进创新型国家和生态文明建设,国务院以及相关部委也相继提出“生态水利”“数字水利”“水十条”“土十条”等与水资源类专业密切相关的发展模式和行动规划的实际,针对新形势下水资源类人才培养存在的问题,参与构建了多元化、阶梯式的实践教学体系,确立了水资源类特色创新人才培养的新路径。该研究成果获得了长安大学优秀教学成果一等奖、特等奖和陕西省教学成果二等奖,参编的教材获得了陕西省优秀教材一等奖,有力地促进了大学教育的向前发展。

  “要勇于做发现大师的大师”,教育部青年学者研修班上的这句话深深触动着李培月,因为这与他一直坚守的志向不谋而合。“一个人在科研能力高深的同时,应当培养一批为学科建设贡献力量的人才”李培月说。随着近年来国家对“创新型国家”和“生态文明建设”的大力推进,“生态水利”“数字水利”“智慧水利”等与水资源类专业密切相关的发展模式和行动规划也已经进入日程计划,李培月积极参与了多项学校和陕西省教育教学改革项目。针对新形势下水资源类人才培养存在的问题,他参与构建了多元化、阶梯式的实践教学体系,确立了水资源类特色创新人才培养的新路径。通过创新卓越人才培养模式,提出了“重基础、强实践、能创新”的人才培养理念,并进一步向传统实习模式发起挑战。在实践教学管理方面,他制定了更加完善的基于“野外能力+内业能力+实习答辩”的野外教学管理办法,使其更适用于水资源类专业实践教学。



在南非进行科学考察

  未来,李培月还将本着服务于国家“一带一路”的重大需求,积极推进学科建设和人才培养,发展和创新基于地球化学的旱区地下水循环演化研究方法和理论,提出地下水环境演化与污染防控技术体系。建立国际交流的长效机制,搭建环境水文地质学的国际交流平台,进一步提升学术团队的科研创新能力和水平。“希望今后有一批人能够和我一起,为了我们国家的富强和可持续发展,投身到水科学研究当中来。”他由衷地说。

  专家简介

  李培月,长安大学环境科学与工程学院教授,博士生导师。多年来,他以西北干旱半干旱地区地下水文生态为着眼点,瞄准国家“一带一路”和生态文明建设重大发展战略和国家建设重大需求,长期从事环境水文地质方面的研究工作。近5年,主持和作为骨干成员承担了国家自然科学基金、国家科技支撑项目等科研项目20余项。他重视理论研究与工程实践的结合,取得了一系列创新性研究成果,多项成果已在宁夏、贵州、陕西等多个省区的研究和实际工程中得到广泛应用。合作出版教材和学术专著2部。以第一作者/通讯作者在国内外期刊发表论文60余篇。发表在Nature杂志上的文章被评为2014年度Nature杂志十大亮点文章,得到美国华盛顿邮报、英国BBC等国内外媒体采访。先后入选陕西省青年科技新星(2015)和长安大学卓越青年人才支持计划(2016),荣获陕西省先进工作者(劳模)荣誉称号(2017),并获得陕西省优秀博士学位论文(2017)、陕西省优秀自然科学论文奖(2017)、宁夏科技进步奖(2013)、李四光地质科技奖博士生奖(2014)、张伯声地学科技奖一等奖(2016)、陕西省职工优秀科技创新成果奖(2015和2017)等10项省部级以上奖励。2018年,入选第三批国家“万人计划”青年拔尖人才、教育部青年长江学者、自然资源部高层次创新型科技人才培养工程杰出青年科技人才,并获得第17届“陕西青年五四奖章”、科学中国人2017年度人物杰出青年科学家奖。