——记中国地质科学院岩溶地质研究所书记、常务副所长张发旺团队
早在国际能源署(IEA)公布的《世界能源展望2012》中，水和煤炭生产的矛盾第一次浮现。报告特殊专题阐述了中国、印度、美国以及加拿大等国能源生产与水资源的矛盾，并且提出：“水对能源生产的限制到底有多严峻?”
尤其是在我国。
要知道，2014年我国煤炭占能源消耗比仍高达66%。向来以来，煤水危机向来是一个难解的困局。据统计资料显示，全国86个重点矿区中，缺水的占71%，严峻缺水的占41%。煤矿开采造成的水资源破坏使“煤水困局”雪上加霜。
水资源成为煤炭开拓和消费可行性与经济性的不可忽视的限制因素。《世界能源展望2012》报告中特殊指出：与2010年相比，2035年中国由能源生产导致的水资源消耗将增长83%，其中主要的水资源消耗部门是煤炭的生产和消费。水资源的消耗主要发生在干旱缺水的中国西部地区。
另据不完全统计从2001-2013年，煤矿开采破坏含水层结构引发突涌水646起，共造成4010人死亡，直接经济损失343亿元;引起地下水资源损失585亿吨，经济损失高达1170亿元。
面对诸多问题，我国的科研人员是否有更好的解决办法呢?
潜心研究矿山水文地质30年
张发旺，中国地质科学院岩溶地质研究所书记、常务副所长，俄罗斯外籍院士、研究员，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。
张发旺先后参加科研项目18项，参与撰写科研报告16份，其中5项为第一负责人，3项为第二负责人。在矿山地质研究领域获得多项重要研究成果。参加的项目中有三项获地矿部科技成果二等奖，一项获河北省科技进步二等奖，三项获地矿部科技成果三等奖，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袭击手，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“科技治理先进工作者”称号，第九届全国青年地质科技奖银锤奖获得者，西部理论与进展成果奖获得者。
张发旺发表论译文和专著50多篇(部)，其中代表性的有：《中国北方岩溶、大水矿区水资源合理开拓利用研究》、《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进展影响预测研究》、《宁南水资源综合评价及合理开拓利用研究》、《地下水循环对围岩温度场影响及地热资源形成》、《煤炭开拓对水土资源的影响及其保护技术》、《煤炭开拓引起水土环境演化及其调控技术》、《矿业开拓环境界质链及其操纵》、《中国固体矿床水文地质勘探评价方法研究》、《矿山环境界质研究与评价方法》、《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、生态环境保护及管理领域潜心研究20余年，承担科研项目30余项，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，他向来致力于水文地质环境界质技术理论研究探究与重大项目治理工作，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6项;撰写科技和治理论文近20篇，专著4部;培养硕士研究生20多名、博士研究生8名;先后获省部级科技成果二等奖3项，中国地质调查局一等奖1项。
通过长期研究，张发旺团队提出了“矿业开拓环境界质链”、“含水层再造”的概念，发现了矿区开拓过程中“水环境具有跳跃性的”演化规律。提出了利用“含水层再造技术”保护水资源、建立“土地资源库”进行矿区生态环境保护等观点，为西北干旱煤炭基地保护生态环境提出了新思路。
日前，课题组承担的国家自然科学基金项目“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”取得重要发展，为解决“煤水困局”带来了新希翼。
用新思路破解“煤水困局”难题
张发旺的课题组采纳理论分析、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。研究结果表明：煤层采厚M、裂隙带的残余膨胀系数Kp、冒落带残余膨胀系数Ks决定了含水层安全性，当M/(Kp-1)小于含水层底板与煤层顶板距离，含水层未遭到破坏，属于安全;当M/(Ks-1)大于含水层底板与煤层顶板距离，含水层遭到破坏;当含水层底板与煤层顶板距离介于M/(Kp-1)和M/(Ks-1)之间;含水层可能遭到破坏，属于惊险。这项成果延展了导水裂隙带的应用方向，提供了矿坑突涌水来源推断的新方法，为矿区安全采煤提供了技术支撑。
于是，他们从突涌水的根本“突水来源”入手，引入地下水系统的理念，深入研究煤矿群开采后地下含水层空间结构变异机制，相邻煤矿开采联动影响的群矿效应，通过大型“群矿开采含水层结构变异模拟试验”“群矿开采地下水流场模拟试验”掌握了煤矿集群开采含水层结构变化规律，地下水流场变异机制。
另外，课题组通过精细地球物理勘探，从宏观上掌握了地下含水层结构随煤层开采的变化规律;通过井下采空区仰孔钻探试验，掌握了顶板含水层破坏规律，绘制顶板含水层渗透系数变化曲线。基于以上数据，张发旺的团队组建立了“基于GIS的群矿开采含水层结构变异及地下水循环模拟系统”，通过实现突水水源和突水量的量化，可对煤矿突涌水展开精确预判，最大限度的减少煤矿突涌水灾害的发生，为矿山安全生产保驾护航。
根据已有的地下水监测数据和野外长观数据，张发旺的团队以长治盆地核心开采区屯留煤矿地层为地质背景，设计制作了煤矿开采覆岩含水层流场演化规律相似材料模拟试验台，通过室内相似材料模拟试验分析了采动条件下顶板含水层流场动态变化规律，总结了煤矿开采区地下水资源再分布特征;同时根据相应数据资料建立了数值模型进行了交互验证，结果基本吻合，证实了实验装置结果的可靠性。
该试验台操作简单、灵敏度高、有用性强，准确刻画采动条件下覆岩含水层流场的变化特征，作为一种新的研究技术手段，为矿区含水层流场研究提供强有力的支持，对矿区未来地下水资源的开采、利用与保护以及采煤安全和区域水资源可持续利用具有重要的科学意义和有用价值。
作为一名学者，张发旺非常清楚，保水采煤才是实现“绿色矿山”“生态矿山”的终极目标和难点。在难点攻关上，他带领课题组以“群矿开采含水层结构变异及地下水循环模拟系统”为基础，正在与潞安集团联合研发“水煤综合开拓保护系统”，该系统从超前开拓水资源、保护含水层、地下水流场修复、煤水开拓损益率计算等多个角度综合展开研究，系统研发完成将在长治盆地多个大型国有煤矿试用，成为解决煤水危机又一利器。
对于已经破坏的含水层，修复难度极大，煤矿闭坑后，将不可幸免的形成采空区的地下水汇合，水位上涨，长期密闭环境导致地下水酸化，矿化度升高，地下水串层污染等难题;课题组未雨绸缪另辟蹊径，从开拓保护采空区水资源、调控采空区地下水流场的角度入手，着手建立煤矿后开采时代矿井水综合开拓保护系统，项目已成功立项，将针对矿井水综合利用，矿井水修复管理，矿井水保护调控等重点领域展开攻关。
多项研究成果显著
在其他课题研究上，张发旺团队也取得了突出成绩，其中包括：矿区水文地质环境界质研究、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界质研究上，张发旺团队揭示了矿区开拓过程中“水环境具有跳跃性的”演化规律，提出要操纵矿山水环境问题，必须充分认识和利用水环境的“跳跃性”规律，操纵水环境界质问题。提出了“矿业开拓环境界质链及其操纵”理论方法，阐明了矿业开拓环境界质问题“链状效应”，提出了操纵技术，从而切断这一链条，达到解决矿山环境界质问题的目的。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。开展了矿业开拓与地质环境互馈效应研究，揭示了矿业开拓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，张发旺团队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拓和环境保护奠定了基础。
在水土资源耦合关键技术研究上，针对华北平原特殊是黑龙港地区的水资源耦合矛盾，张发旺团队进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拓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拓整理技术方法。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拓整理管制技术体系，初步解决了将水资源约束纳入土地利用规划和开拓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，张发旺团队开展了澜沧江-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照分析，用水均衡法对跨界地区资源开拓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界质专题研究，针对蒙古国矿业开拓、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究性研究。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管理的方法”专利，开拓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管理的技术体系，解决阿穆尔河流域中高寒区生态地质环境监测、保护和管理的关键问题，特殊是地下水、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。
水文地质是关系国家能源战略、关系国计民生的大事，对张发旺和他的团队来说，从事这个领域的研究既是压力又是挑战。虽然已经取得了丰硕的成果，但对他们来说，成绩只能代表过去，代表了新的起点。承前启后，继往开来。相信随着团队科研能力的进一步提高，他们必将斩获更多的成果，从而优化和解决我国的“煤水困局”，使我国的煤化工屹立于世界之巅。
