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张发旺:破解“煤水困局” 在水文地质科研领域砥砺前行
发表时间 2017-10-26 17:24 来源 本站原创

  水资源和煤炭资源的关系密不可分,煤炭开采链条中不同环节的用水都会对水资源和水环境造成影响。而我国煤炭资源和水资源呈逆向分布特点,水资源已经对煤炭基地的生产建设产生了严重制约。我国煤炭能源消耗占总能源消耗比例在60%以上,随之而来的是“煤水危机”这一困局。2015年的统计数据表明,全国86个重点矿区,缺水的占71%,严重缺水的占41%。“煤水危机”迫在眉睫、亟待解决。

  要实现煤炭消费与水资源开发利用的协调发展,煤炭总量控制和节水技术应用缺一不可,目前国内已有许多专家学者在煤水领域积极探索,解决困难。这其中,中国地质科学院岩溶地质研究所党委书记、常务副所长、博士生导师张发旺就是杰出的代表之一。他带领科研团队采用理论分析、相似材料模拟实验等方法,就采煤厚度对含水层的破坏性进行了深入研究,并取得重大成果,为解决我国的“煤水危机”难题做出了重大贡献。



指导研究生进行物理模拟实验

  在党的十九大胜利召开之际,这些贡献更应被更多人铭记,让贡献着们获得应有的鲜花和掌声。

  投身矿山水文地质研究

  现任中国地质科学院岩溶地质研究所党委书记(正局级)、常务副所长;博士生导师,二级研究员,俄罗斯外籍院士。广西壮族自治区第九大、第十大党代表;任国家重大研发计划973项目首席科学家助理,国家科技支撑计划课题负责人,自然科学基金重点项目负责人,科技部国际合作重点项目负责人,广西重大科技研发计划项目负责人,桂林科技研发重大专项首席科学家;任中国地质学会水文地质专业委员会秘书长、国际水文地质学协会(IHA)中国委员会秘书长、河北省地质学会环境分会主任、中国土地复垦学会常务理事、中国地质学会会员、中国地质灾害研究会会员和岩溶地质专业委员会委员。兼任中国矿业大学(北京)客座教授,中国地质大学(北京)客座教授,石家庄市青年联合会副主席,《地理与地理信息科学》副主编,《南水北调与水利科技》编委。曾被评为“河北省改革开放20年优秀大学毕业生”(记河北省三等功一次)、“河北省(省会)杰出青年拔尖人才”、河北省科技十杰、国土资源部“科技管理先进工作者称号”、“石家庄市新长征突击手”、石家庄市优秀共产党员等。

  1986年,张发旺毕业于河北地质学院水工系,1996年在中国地质大学(北京)攻读硕士学位,2000年获得中国地质大学水文水资源专业博士学位。参加工作以来,他先后参加科研项目近30项,参与撰写科研报告近50份,其中近20项为第一负责人。在矿山地质研究领域获得多项重要研究成果。参加的项目中有一项获中国地质调查一等奖,三项国土资源部(地矿部科)技成果二等奖,两项获河北省科技进步二等奖。获中国生产力研究会优秀论文奖1项。他曾被评为石家庄市新长征突击手,石家庄市杰出青年拔尖人才,河北省改革开放20年优秀大学毕业生、记三等功一次,2004年度河北省科技十大杰出青年,中国地质科学院优秀青年专家,中国地质科学院优秀党员,获国土资源部“科技管理先进工作者”称号,第九届全国青年地质科技奖银锤奖获得者,西部理论与发展成果奖获得者。

  张发旺发表论译文和专著近百篇(部),其中代表性的有:《中国北方岩溶、大水矿区水资源合理开发利用研究》、《中国固体矿床水文地质勘探和评价方法的研究》、《典型矿区地下水环境演化及对矿业城市发展影响预测研究》、《宁南水资源综合评价及合理开发利用研究》、《地下水循环对围岩温度场影响及地热资源形成》、《煤炭开发对水土资源的影响及其保护技术》、《煤炭开发引起水土环境演化及其调控技术》、《矿业开发环境地质链及其控制》、《中国固体矿床水文地质勘探评价方法研究》、《矿山环境地质研究与评价方法》、《采动条件下煤层顶板精细结构变化及其含水层再造》、《水工环研究的现状与趋势》、《干旱地区采煤条件下煤层顶板含水层再造与地下水资源保护》等。

  张发旺带领的科研团队在矿山水文地质、生态环境保护及治理领域潜心研究20余年,取得多项研究成果,为矿区水资源和生态环境保护起到重要作用。2009年以来,他一直致力于水文地质环境地质技术理论研究探索与重大项目管理工作,取得了一系列突出的成就,他作为第一负责人承担科研项目16项,撰写科技和管理论文近50篇,专著6部,培养硕士研究生40多名、博士研究生16名。

  团队智慧破解“煤水困局”

  “煤水困局”是长期以来的世界性难题,而张发旺研究员实施的“群矿采煤驱动下含水层结构变异对区域水循环影响机制研究”为解决“煤水困局”提供了全新的解决方案。

  第一,明确了矿区地下水资源保护的关键因素,创造性提出了“关键隔水层”的概念。

  在典型水文地质剖面上,张发旺带领团队开展了井下仰孔压水试验、相似材料模拟实验、地面压水试验,研究了采煤影响下含水层结构变异厚度变化特征。

  研究团队针对采煤后覆岩破坏引起含水层结构变化,破坏区域地下水资源的问题,以采动裂隙的时空演化为切入点,以亚关键层的识别及其对区域含水层破坏的控制为核心突破口,通过关键层识别及与含水层的关联分析结合相似材料模拟试验、综合物探等手段获取数据,继而建立了典型矿区采煤影响范围含水层结构数值模型,阐明了采煤驱动下含水介质非均质性演化规律,以此为基础明确了盆地范围含水层结构空间演化特征,创造性地提出了“关键隔水层”的概念。

  在对比研究关键隔水层最大挠度和自由空间高度两者之间关系的基础上,张发旺从理论上给出了关键隔水层判定表达式,研究区内实施的7个钻孔充分验证了其准确性。

  在此基础上,科研团队重新划分采空区上覆含水层,将变异含水层范围厘定为水位骤降带,将变异含水层以上范围厘定为水位波动带;利用多个抽水试验、压注水实验,井下仰孔压水实验数据。

  通过对数据的研究和分析,他们发现采煤影响下水位波动带中的渗透系数比采煤前增大了10-20倍,水位骤降带中含水介质的渗透性存在着10-20、20-100及100倍以上的分区性,从上到下含水层渗透性随深度增加而增大,并且存在着明显的突变点。这样的分析结果与采动前含水层渗透性随着深度增加而减小的结论存在着本质上的差别。基于上述成果,张发旺的团队研究发明了“煤矿突水在线监测智能预警系统”,并成功预报了10多次突涌水情况的发生,为矿区节约了资金保证了采煤安全。

  根据地质钻孔的地层岩性数据统计分析,团队利用TPROGS建立含水介质模拟的马尔科夫转移概率地统计模型,动态计算了采动过程中水文地质参数,揭示了盆地尺度含水层空间结构非均质演化规律和趋势。结果表明,开采煤层厚度与渗透系数变异带发育高度基本呈近似线性关系,采厚越大,渗透系数变化幅度越大。该模型能准确地预测采煤影响下含水介质渗透系数K,突破了以往按照经验公式计算的做法。其计算精度要远远高于以往的经验公式。

  第二,明确了水文地质结构演化与地下水流模式的耦合效应,揭示了群矿采煤驱动下含水层结构非均质演化对区域水循环影响机制。

  人类的开采活动对水文地质有着很大的影响。张发旺和团队将人类活动作为参数之一,动态模拟水文地质的变化,并研究认为:开采前含水层结构完整,为径流排泄型水循环模式;开采后改变了地下水赋存条件,采动裂隙发育改变了隔水层的作用,虽然对局部水流系统浅循环影响甚微,潜水水位没有明显下降;但中间水流系统地下水流向采空区,形成层间疏干区,中循环逐渐过渡为深循环,使得中间水流系统消失,整个区域水流系统发生了根本变化。这种“变结构变参数”“盆地尺度”“群矿开采条件下” 得出的新的循环模式尚属首次。这一成果为开采和闭坑矿区地下水资源利用保护提供了新思路。

  第三,对群矿开采区地下水资源演化趋势进行了动态评价,预测了矿区不同阶段水资源再分布规律。

  张发旺建立的盆地尺度变结构变参数的矿区地下水数值模拟模型,改进了传统的确定性地下水数值模型,提高了模拟的可靠性和准确性。再通过这种群矿开采条件下盆地尺度变结构变参数水文地质模型,他又得出了新的地下水循环模式,并建立了群矿开采驱动下地下水资源演化动态评价方法。基于GIS—AHP耦合方法,团队引入降水量、涌水量、采空区面积、含水系数、采煤量等实时指标,对群矿采煤驱动下含水层结构变异对研究区地下水资源影响实时动态评价。根据评价结果,他们将研究区分为4种影响区:严重影响区、较重影响区、中等影响区、一般影响区。这一成果使用了剧烈采煤活动后的新确定的水文地质参数值,采用多指标重新研究了矿区不同阶段的水资源再分布规律,为矿区水资源评价提供了新方法,为矿区未来地下水资源宏观调控和可持续发展提供科学支撑,丰富和发展了矿床水文地质学内容。

  由于极为显著的应用成效,2017年,张发旺研究员牵头的“基于‘关键隔水层’的煤矿突水预警系统成功预报10余次突涌水”成果荣获中国地质调查局、中国地质科学院2016年度地质科技十大进展。这些成果的应用也极大地丰富了矿区水文地质学研究内容和方法,破解了当地水资源规划过程的瓶颈问题,为矿区采煤保水提供了新思路,对矿区地下水资源的可持续利用具有重要的科学价值和社会意义。

  相关课题研究结出累累硕果

  在其他课题研究上,张发旺也取得了突出成绩,其中包括:矿区水文地质环境地质研究、亚洲地下水资源和地质环境编图与研究、水土资源耦合关键技术研究、跨界含水层研究等方面。

  在矿区水文地质环境地质研究上,张发旺揭示了矿区开发过程中“水环境具有跳跃性的”演化规律,提出要控制矿山水环境问题,必须充分认识和利用水环境的“跳跃性”规律,控制水环境地质问题。提出了“矿业开发环境地质链及其控制”理论方法,阐明了矿业开发环境地质问题“链状效应”,提出了控制技术,从而切断这一链条,达到解决矿山环境地质问题的目的。提出了“含水层再造”的概念,在利用优化的含水层再造成果保护含水层技术方面取得突破,尤其是在煤层顶板结构与采动应力场对含水层再造作用模式及煤层顶板含水层再造的采矿工程实践方面处于国际理论和实践前沿。研发了利用采煤塌陷区深厚包气带作为接纳储蓄大气降水的关键技术。形成了利用“土地资源库”进行矿区生态环境保护的新思路,并在西北、华北地区煤炭基地保护生态环境中得到推广。开展了矿业开发与地质环境互馈效应研究,揭示了矿业开发与地质环境互相制约和影响的规律。

  在亚洲地下水资源和地质环境编图与研究上,张发旺分析了亚洲地下水与周边洋系、地理纬度、气候水平分带和地势垂直分带的关系,揭示了亚洲大陆地下水和地质环境的主要特征规律,客观反映了地下水赋存条件及产水能力、地下水资源、地热资源状况,地下水质、地下水环境背景。按洲际尺度的构造、气候、地貌和水文地质构造为主要依据,划分出11个一级地下水系统,36个二级地下水系统。提出了亚洲水资源与地质环境系列图编图总体指导思想,制定了“亚洲地下水资源与地质环境编图大纲”、“1:500万亚洲地质环境系列图的编图方案”,修订了“亚洲水文地质图”,编制了“亚洲地下水资源图”、“亚洲地热资源分布图”及地下水质量方面的六种单要素(溶解固体总量(TDS)、氟、砷、铁锰、氡和重金属)图,为亚洲地区地下水资源开发和环境保护奠定了基础。

  在水土资源耦合关键技术研究上,针对华北平原特别是黑龙港地区的水资源耦合矛盾,张发旺及其团队发展和完善了基于土地利用的区域水资源承载能力评价和水土资源合理配置技术,提出了水资源约束下的土地开发整理和土地合理利用规划方案和分区管制规则,建立了水资源约束下的土地开发整理技术方法。并通过典型区示范研究,综合集成了水资源约束下的土地合理利用与开发整理管制技术体系,初步解决了将水资源约束纳入土地利用规划和开发整理项目中的关键技术问题,为国土资源的科学规划和整理项目实施提供了技术支撑。

  在跨界含水层研究上,张发旺开展了澜沧江-湄公河流域跨界含水层专题研究,针对该流域5个跨界含水层进行了对比分析,用水均衡法对跨界地区资源开发利用和环境进行了评价。同时,他开展了中国与蒙古国克鲁伦河流域地下水资源与环境地质专题研究,针对蒙古国矿业开发、过度放牧等人为活动造成上游水资源减少和生态环境恶化等问题开展了探索性研究。与俄罗斯合作正在开展国家间国际合作项目“黑龙江—阿穆尔河流域地质环境保护技术研究”,以引进俄罗斯“利用自然生态元素进行污染治理的方法”专利,开发以自然元素为基础的适合我国高寒区生态地质环境保护和治理的技术体系,解决阿穆尔河流域中高寒区生态地质环境监测、保护和治理的关键问题,特别是地下水、土壤的污染修复问题,为两国跨国界含水层保护提供技术支撑。

  咬定青山不放松,立根原在破岩中。人生没有一蹴而就的成功,涓滴之水可以磨损大石,不是由于它的锋利,而是由于它昼夜不息、日复一日的滴坠。张发旺带领团队20年年如一日在不为大多数人知晓的煤水领域砥砺奋斗,潜心研究,淡薄名利,终成大器,并取得了瞩目的成果。他们用最实实在在的工作和卓越的成果印证了报效祖国、振兴中华的这一厚重的理想。“为学无他,争千秋勿争一日”这是一个成功科学家最高的精神境界。我们深信张发旺和他的团队必将在未来的科研生涯中取得更好的成绩,并在水文地质科研领域取得突破性进展。