水資源和煤炭資源的關(guān)系密不可分，煤炭開采鏈條中不同環(huán)節(jié)的用水都會對水資源和水環(huán)境造成影響。而我國煤炭資源和水資源呈逆向分布特點，水資源已經(jīng)對煤炭基地的生產(chǎn)建設(shè)產(chǎn)生了嚴(yán)重制約。我國煤炭能源消耗占總能源消耗比例在60%以上，隨之而來的是“煤水危機”這一困局。2015年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，全國86個重點礦區(qū)，缺水的占71%，嚴(yán)重缺水的占41%?！懊核C”迫在眉睫、亟待解決。

要實現(xiàn)煤炭消費與水資源開發(fā)利用的協(xié)調(diào)發(fā)展，煤炭總量控制和節(jié)水技術(shù)應(yīng)用缺一不可，目前國內(nèi)已有許多專家學(xué)者在煤水領(lǐng)域積極探索，解決困難。這其中，中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所黨委書記、常務(wù)副所長、博士生導(dǎo)師張發(fā)旺就是杰出的代表之一。他帶領(lǐng)科研團隊采用理論分析、相似材料模擬實驗等方法，就采煤厚度對含水層的破壞性進(jìn)行了深入研究，并取得重大成果，為解決我國的“煤水危機”難題做出了重大貢獻(xiàn)。

指導(dǎo)研究生進(jìn)行物理模擬實驗

在黨的十九大勝利召開之際，這些貢獻(xiàn)更應(yīng)被更多人銘記，讓貢獻(xiàn)著們獲得應(yīng)有的鮮花和掌聲。

投身礦山水文地質(zhì)研究

現(xiàn)任中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所黨委書記(正局級)、常務(wù)副所長;博士生導(dǎo)師，二級研究員，俄羅斯外籍院士。廣西壯族自治區(qū)第九大、第十大黨代表;任國家重大研發(fā)計劃973項目首席科學(xué)家助理，國家科技支撐計劃課題負(fù)責(zé)人，自然科學(xué)基金重點項目負(fù)責(zé)人，科技部國際合作重點項目負(fù)責(zé)人，廣西重大科技研發(fā)計劃項目負(fù)責(zé)人，桂林科技研發(fā)重大專項首席科學(xué)家;任中國地質(zhì)學(xué)會水文地質(zhì)專業(yè)委員會秘書長、國際水文地質(zhì)學(xué)協(xié)會(IHA)中國委員會秘書長、河北省地質(zhì)學(xué)會環(huán)境分會主任、中國土地復(fù)墾學(xué)會常務(wù)理事、中國地質(zhì)學(xué)會會員、中國地質(zhì)災(zāi)害研究會會員和巖溶地質(zhì)專業(yè)委員會委員。兼任中國礦業(yè)大學(xué)(北京)客座教授，中國地質(zhì)大學(xué)(北京)客座教授，石家莊市青年聯(lián)合會副主席，《地理與地理信息科學(xué)》副主編，《南水北調(diào)與水利科技》編委。曾被評為“河北省改革開放20年優(yōu)秀大學(xué)畢業(yè)生”(記河北省三等功一次)、“河北省(省會)杰出青年拔尖人才”、河北省科技十杰、國土資源部“科技管理先進(jìn)工作者稱號”、“石家莊市新長征突擊手”、石家莊市優(yōu)秀共產(chǎn)黨員等。

1986年，張發(fā)旺畢業(yè)于河北地質(zhì)學(xué)院水工系，1996年在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)攻讀碩士學(xué)位，2000年獲得中國地質(zhì)大學(xué)水文水資源專業(yè)博士學(xué)位。參加工作以來，他先后參加科研項目近30項，參與撰寫科研報告近50份，其中近20項為第一負(fù)責(zé)人。在礦山地質(zhì)研究領(lǐng)域獲得多項重要研究成果。參加的項目中有一項獲中國地質(zhì)調(diào)查一等獎，三項國土資源部(地礦部科)技成果二等獎，兩項獲河北省科技進(jìn)步二等獎。獲中國生產(chǎn)力研究會優(yōu)秀論文獎1項。他曾被評為石家莊市新長征突擊手，石家莊市杰出青年拔尖人才，河北省改革開放20年優(yōu)秀大學(xué)畢業(yè)生、記三等功一次，2004年度河北省科技十大杰出青年，中國地質(zhì)科學(xué)院優(yōu)秀青年專家，中國地質(zhì)科學(xué)院優(yōu)秀黨員，獲國土資源部“科技管理先進(jìn)工作者”稱號，第九屆全國青年地質(zhì)科技獎銀錘獎獲得者，西部理論與發(fā)展成果獎獲得者。

張發(fā)旺發(fā)表論譯文和專著近百篇(部)，其中代表性的有：《中國北方巖溶、大水礦區(qū)水資源合理開發(fā)利用研究》、《中國固體礦床水文地質(zhì)勘探和評價方法的研究》、《典型礦區(qū)地下水環(huán)境演化及對礦業(yè)城市發(fā)展影響預(yù)測研究》、《寧南水資源綜合評價及合理開發(fā)利用研究》、《地下水循環(huán)對圍巖溫度場影響及地?zé)豳Y源形成》、《煤炭開發(fā)對水土資源的影響及其保護技術(shù)》、《煤炭開發(fā)引起水土環(huán)境演化及其調(diào)控技術(shù)》、《礦業(yè)開發(fā)環(huán)境地質(zhì)鏈及其控制》、《中國固體礦床水文地質(zhì)勘探評價方法研究》、《礦山環(huán)境地質(zhì)研究與評價方法》、《采動條件下煤層頂板精細(xì)結(jié)構(gòu)變化及其含水層再造》、《水工環(huán)研究的現(xiàn)狀與趨勢》、《干旱地區(qū)采煤條件下煤層頂板含水層再造與地下水資源保護》等。

張發(fā)旺帶領(lǐng)的科研團隊在礦山水文地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境保護及治理領(lǐng)域潛心研究20余年，取得多項研究成果，為礦區(qū)水資源和生態(tài)環(huán)境保護起到重要作用。2009年以來，他一直致力于水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)技術(shù)理論研究探索與重大項目管理工作，取得了一系列突出的成就，他作為第一負(fù)責(zé)人承擔(dān)科研項目16項，撰寫科技和管理論文近50篇，專著6部，培養(yǎng)碩士研究生40多名、博士研究生16名。

團隊智慧破解“煤水困局”

“煤水困局”是長期以來的世界性難題，而張發(fā)旺研究員實施的“群礦采煤驅(qū)動下含水層結(jié)構(gòu)變異對區(qū)域水循環(huán)影響機制研究”為解決“煤水困局”提供了全新的解決方案。

第一，明確了礦區(qū)地下水資源保護的關(guān)鍵因素，創(chuàng)造性提出了“關(guān)鍵隔水層”的概念。

在典型水文地質(zhì)剖面上，張發(fā)旺帶領(lǐng)團隊開展了井下仰孔壓水試驗、相似材料模擬實驗、地面壓水試驗，研究了采煤影響下含水層結(jié)構(gòu)變異厚度變化特征。

研究團隊針對采煤后覆巖破壞引起含水層結(jié)構(gòu)變化，破壞區(qū)域地下水資源的問題，以采動裂隙的時空演化為切入點，以亞關(guān)鍵層的識別及其對區(qū)域含水層破壞的控制為核心突破口，通過關(guān)鍵層識別及與含水層的關(guān)聯(lián)分析結(jié)合相似材料模擬試驗、綜合物探等手段獲取數(shù)據(jù)，繼而建立了典型礦區(qū)采煤影響范圍含水層結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，闡明了采煤驅(qū)動下含水介質(zhì)非均質(zhì)性演化規(guī)律，以此為基礎(chǔ)明確了盆地范圍含水層結(jié)構(gòu)空間演化特征，創(chuàng)造性地提出了“關(guān)鍵隔水層”的概念。

在對比研究關(guān)鍵隔水層最大撓度和自由空間高度兩者之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，張發(fā)旺從理論上給出了關(guān)鍵隔水層判定表達(dá)式，研究區(qū)內(nèi)實施的7個鉆孔充分驗證了其準(zhǔn)確性。

在此基礎(chǔ)上，科研團隊重新劃分采空區(qū)上覆含水層，將變異含水層范圍厘定為水位驟降帶，將變異含水層以上范圍厘定為水位波動帶;利用多個抽水試驗、壓注水實驗，井下仰孔壓水實驗數(shù)據(jù)。

通過對數(shù)據(jù)的研究和分析，他們發(fā)現(xiàn)采煤影響下水位波動帶中的滲透系數(shù)比采煤前增大了10-20倍，水位驟降帶中含水介質(zhì)的滲透性存在著10-20、20-100及100倍以上的分區(qū)性，從上到下含水層滲透性隨深度增加而增大，并且存在著明顯的突變點。這樣的分析結(jié)果與采動前含水層滲透性隨著深度增加而減小的結(jié)論存在著本質(zhì)上的差別?；谏鲜龀晒瑥埌l(fā)旺的團隊研究發(fā)明了“煤礦突水在線監(jiān)測智能預(yù)警系統(tǒng)”，并成功預(yù)報了10多次突涌水情況的發(fā)生，為礦區(qū)節(jié)約了資金保證了采煤安全。

根據(jù)地質(zhì)鉆孔的地層巖性數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，團隊利用TPROGS建立含水介質(zhì)模擬的馬爾科夫轉(zhuǎn)移概率地統(tǒng)計模型，動態(tài)計算了采動過程中水文地質(zhì)參數(shù)，揭示了盆地尺度含水層空間結(jié)構(gòu)非均質(zhì)演化規(guī)律和趨勢。結(jié)果表明，開采煤層厚度與滲透系數(shù)變異帶發(fā)育高度基本呈近似線性關(guān)系，采厚越大，滲透系數(shù)變化幅度越大。該模型能準(zhǔn)確地預(yù)測采煤影響下含水介質(zhì)滲透系數(shù)K，突破了以往按照經(jīng)驗公式計算的做法。其計算精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以往的經(jīng)驗公式。

第二，明確了水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)演化與地下水流模式的耦合效應(yīng)，揭示了群礦采煤驅(qū)動下含水層結(jié)構(gòu)非均質(zhì)演化對區(qū)域水循環(huán)影響機制。

人類的開采活動對水文地質(zhì)有著很大的影響。張發(fā)旺和團隊將人類活動作為參數(shù)之一，動態(tài)模擬水文地質(zhì)的變化，并研究認(rèn)為：開采前含水層結(jié)構(gòu)完整，為徑流排泄型水循環(huán)模式;開采后改變了地下水賦存條件，采動裂隙發(fā)育改變了隔水層的作用，雖然對局部水流系統(tǒng)淺循環(huán)影響甚微，潛水水位沒有明顯下降;但中間水流系統(tǒng)地下水流向采空區(qū)，形成層間疏干區(qū)，中循環(huán)逐漸過渡為深循環(huán)，使得中間水流系統(tǒng)消失，整個區(qū)域水流系統(tǒng)發(fā)生了根本變化。這種“變結(jié)構(gòu)變參數(shù)”“盆地尺度”“群礦開采條件下” 得出的新的循環(huán)模式尚屬首次。這一成果為開采和閉坑礦區(qū)地下水資源利用保護提供了新思路。

第三，對群礦開采區(qū)地下水資源演化趨勢進(jìn)行了動態(tài)評價，預(yù)測了礦區(qū)不同階段水資源再分布規(guī)律。

張發(fā)旺建立的盆地尺度變結(jié)構(gòu)變參數(shù)的礦區(qū)地下水?dāng)?shù)值模擬模型，改進(jìn)了傳統(tǒng)的確定性地下水?dāng)?shù)值模型，提高了模擬的可靠性和準(zhǔn)確性。再通過這種群礦開采條件下盆地尺度變結(jié)構(gòu)變參數(shù)水文地質(zhì)模型，他又得出了新的地下水循環(huán)模式，并建立了群礦開采驅(qū)動下地下水資源演化動態(tài)評價方法?；贕IS—AHP耦合方法，團隊引入降水量、涌水量、采空區(qū)面積、含水系數(shù)、采煤量等實時指標(biāo)，對群礦采煤驅(qū)動下含水層結(jié)構(gòu)變異對研究區(qū)地下水資源影響實時動態(tài)評價。根據(jù)評價結(jié)果，他們將研究區(qū)分為4種影響區(qū)：嚴(yán)重影響區(qū)、較重影響區(qū)、中等影響區(qū)、一般影響區(qū)。這一成果使用了劇烈采煤活動后的新確定的水文地質(zhì)參數(shù)值，采用多指標(biāo)重新研究了礦區(qū)不同階段的水資源再分布規(guī)律，為礦區(qū)水資源評價提供了新方法，為礦區(qū)未來地下水資源宏觀調(diào)控和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)支撐，豐富和發(fā)展了礦床水文地質(zhì)學(xué)內(nèi)容。

由于極為顯著的應(yīng)用成效，2017年，張發(fā)旺研究員牽頭的“基于‘關(guān)鍵隔水層’的煤礦突水預(yù)警系統(tǒng)成功預(yù)報10余次突涌水”成果榮獲中國地質(zhì)調(diào)查局、中國地質(zhì)科學(xué)院2016年度地質(zhì)科技十大進(jìn)展。這些成果的應(yīng)用也極大地豐富了礦區(qū)水文地質(zhì)學(xué)研究內(nèi)容和方法，破解了當(dāng)?shù)厮Y源規(guī)劃過程的瓶頸問題，為礦區(qū)采煤保水提供了新思路，對礦區(qū)地下水資源的可持續(xù)利用具有重要的科學(xué)價值和社會意義。

相關(guān)課題研究結(jié)出累累碩果

在其他課題研究上，張發(fā)旺也取得了突出成績，其中包括：礦區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究、亞洲地下水資源和地質(zhì)環(huán)境編圖與研究、水土資源耦合關(guān)鍵技術(shù)研究、跨界含水層研究等方面。

在礦區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究上，張發(fā)旺揭示了礦區(qū)開發(fā)過程中“水環(huán)境具有跳躍性的”演化規(guī)律，提出要控制礦山水環(huán)境問題，必須充分認(rèn)識和利用水環(huán)境的“跳躍性”規(guī)律，控制水環(huán)境地質(zhì)問題。提出了“礦業(yè)開發(fā)環(huán)境地質(zhì)鏈及其控制”理論方法，闡明了礦業(yè)開發(fā)環(huán)境地質(zhì)問題“鏈狀效應(yīng)”，提出了控制技術(shù)，從而切斷這一鏈條，達(dá)到解決礦山環(huán)境地質(zhì)問題的目的。提出了“含水層再造”的概念，在利用優(yōu)化的含水層再造成果保護含水層技術(shù)方面取得突破，尤其是在煤層頂板結(jié)構(gòu)與采動應(yīng)力場對含水層再造作用模式及煤層頂板含水層再造的采礦工程實踐方面處于國際理論和實踐前沿。研發(fā)了利用采煤塌陷區(qū)深厚包氣帶作為接納儲蓄大氣降水的關(guān)鍵技術(shù)。形成了利用“土地資源庫”進(jìn)行礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護的新思路，并在西北、華北地區(qū)煤炭基地保護生態(tài)環(huán)境中得到推廣。開展了礦業(yè)開發(fā)與地質(zhì)環(huán)境互饋效應(yīng)研究，揭示了礦業(yè)開發(fā)與地質(zhì)環(huán)境互相制約和影響的規(guī)律。

在亞洲地下水資源和地質(zhì)環(huán)境編圖與研究上，張發(fā)旺分析了亞洲地下水與周邊洋系、地理緯度、氣候水平分帶和地勢垂直分帶的關(guān)系，揭示了亞洲大陸地下水和地質(zhì)環(huán)境的主要特征規(guī)律，客觀反映了地下水賦存條件及產(chǎn)水能力、地下水資源、地?zé)豳Y源狀況，地下水質(zhì)、地下水環(huán)境背景。按洲際尺度的構(gòu)造、氣候、地貌和水文地質(zhì)構(gòu)造為主要依據(jù)，劃分出11個一級地下水系統(tǒng)，36個二級地下水系統(tǒng)。提出了亞洲水資源與地質(zhì)環(huán)境系列圖編圖總體指導(dǎo)思想，制定了“亞洲地下水資源與地質(zhì)環(huán)境編圖大綱”、“1:500萬亞洲地質(zhì)環(huán)境系列圖的編圖方案”，修訂了“亞洲水文地質(zhì)圖”，編制了“亞洲地下水資源圖”、“亞洲地?zé)豳Y源分布圖”及地下水質(zhì)量方面的六種單要素(溶解固體總量(TDS)、氟、砷、鐵錳、氡和重金屬)圖，為亞洲地區(qū)地下水資源開發(fā)和環(huán)境保護奠定了基礎(chǔ)。

在水土資源耦合關(guān)鍵技術(shù)研究上，針對華北平原特別是黑龍港地區(qū)的水資源耦合矛盾，張發(fā)旺及其團隊發(fā)展和完善了基于土地利用的區(qū)域水資源承載能力評價和水土資源合理配置技術(shù)，提出了水資源約束下的土地開發(fā)整理和土地合理利用規(guī)劃方案和分區(qū)管制規(guī)則，建立了水資源約束下的土地開發(fā)整理技術(shù)方法。并通過典型區(qū)示范研究，綜合集成了水資源約束下的土地合理利用與開發(fā)整理管制技術(shù)體系，初步解決了將水資源約束納入土地利用規(guī)劃和開發(fā)整理項目中的關(guān)鍵技術(shù)問題，為國土資源的科學(xué)規(guī)劃和整理項目實施提供了技術(shù)支撐。

在跨界含水層研究上，張發(fā)旺開展了瀾滄江-湄公河流域跨界含水層專題研究，針對該流域5個跨界含水層進(jìn)行了對比分析，用水均衡法對跨界地區(qū)資源開發(fā)利用和環(huán)境進(jìn)行了評價。同時，他開展了中國與蒙古國克魯倫河流域地下水資源與環(huán)境地質(zhì)專題研究，針對蒙古國礦業(yè)開發(fā)、過度放牧等人為活動造成上游水資源減少和生態(tài)環(huán)境惡化等問題開展了探索性研究。與俄羅斯合作正在開展國家間國際合作項目“黑龍江—阿穆爾河流域地質(zhì)環(huán)境保護技術(shù)研究”，以引進(jìn)俄羅斯“利用自然生態(tài)元素進(jìn)行污染治理的方法”專利，開發(fā)以自然元素為基礎(chǔ)的適合我國高寒區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境保護和治理的技術(shù)體系，解決阿穆爾河流域中高寒區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測、保護和治理的關(guān)鍵問題，特別是地下水、土壤的污染修復(fù)問題，為兩國跨國界含水層保護提供技術(shù)支撐。

咬定青山不放松，立根原在破巖中。人生沒有一蹴而就的成功，涓滴之水可以磨損大石，不是由于它的鋒利，而是由于它晝夜不息、日復(fù)一日的滴墜。張發(fā)旺帶領(lǐng)團隊20年年如一日在不為大多數(shù)人知曉的煤水領(lǐng)域砥礪奮斗，潛心研究，淡薄名利，終成大器，并取得了矚目的成果。他們用最實實在在的工作和卓越的成果印證了報效祖國、振興中華的這一厚重的理想?！盀閷W(xué)無他，爭千秋勿爭一日”這是一個成功科學(xué)家最高的精神境界。我們深信張發(fā)旺和他的團隊必將在未來的科研生涯中取得更好的成績，并在水文地質(zhì)科研領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。