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对深层地下淡水资源可持续利用的科学实践提出建议:本人采用含物理化学半透膜理论的多学科交叉的研究方法,提出了上覆咸水淡化越流补给机理,最终将激发地表水成为第Ⅱ含水组(地面以下100~200米)地下淡水的补给来源。
在就职的东丽区范围内,包括原确定的部分咸化污染区,较大幅增加Ⅱ组地下水的开采;多年来水质基本未发生异常变化,近几年地面沉降值在环城四区中最低。多年实践证明,上覆咸水区可实现控沉采水两不误。由于研究不是领导安排的,成了一件非公非私的事。至今未得到主管领导的认可。天津极端缺水,人们以大量开采深层地下水的方法解决缺水问题,随之发生了地面沉降等环境地质灾害。在未进行分层组监测地层压缩变形前,主要开采第四系第Ⅱ含水组和第Ⅲ含水组(地面以下200~300米的地层)的地下水。
当时普遍认为上述的地层的压缩变形是地面沉降的主要原因。为此,提出了“压缩Ⅱ、Ⅲ组,增大Ⅳ、Ⅴ组地下水的开采”的建议。我于93年调入东丽区水利局,初期也积极实施上述建议,后发现,Ⅱ组地下水在长期较强开采状态下,在各组含水层中水位最高;绝大部分地段水质没有恶化;地表部分的井管因地面沉降而上升,在各类水井中最小。如东郊农场一水井63年末成井,该地43年地面沉降累计约在1米,而因Ⅱ组及以上地层沉降使井管上升仅有0.24米。证明Ⅱ组地层压缩变形并非地面沉降的主要原因,与前人的结论相反。后市控沉办提供的多年地层压缩变形数据和收集的资料进行分析后,发现第Ⅱ含水组的单位开采强度与地层压缩变形比值最低,仅为第Ⅳ、Ⅴ含水组的3.5~10%左右。各层咸水虽无开采,但与下伏开采的第Ⅱ含水组的水位有同步不等幅的动态特征。当Ⅱ组地下水与上覆咸水层的水位差大于渗透压差时,咸水层即发生向下淡化越流,最终可将浅层水位降低,将原蒸发植物蒸腾的潜水变成Ⅱ组地下水的补给来源。停止或大幅减少Ⅱ组地下水的开采,水位上升,造成地表水下渗受阻,如大直沽分层标水位资料显示,86年地下水停采至91年Ⅱ组水位从-50米升至-17米,而潜水水位从-5米升至0米。除大气降水等地表水不能资源化外,还将引发另一类新的环境地质灾害。
①包气带地层接受降水入渗的空间减少,加大排沥除涝的压力。②冬季部分铁路地道渗水影响通行。③建筑物下的粉(砂)土地震时在水位以上的不液化,水位以下的将发生液化,会造成建筑物地基失效。④水位浅还可引发土壤次生盐渍化,使城市绿化树木的成活率降低。水文地质是实践性很强的学科。经多年的努力,研究报告于2003年末写成。曾“引起京津水文地质界的震动”(中国地质学会第四纪地质专业委员会副主任王强语)。部分专家给写了评审意见(见附件)。沈照理教授建议申报国家自然基金项目。但单位领导以不是科研机构,没有这个义务,不同意申报。随后仍继续进行完善,并在刊物上发表了数篇论文。04年6月发表的“有咸水区深层地下淡水可持续利用研究”论文,获2006年区科学促进奖。今年又发表了“天津市深层淡水井的水质咸化分类”的论文,阐述井水咸化并不等于地下水咸化。近几年有更多的业内人士对此表示认可。
本来学术同宇宙万事万物一样,都不能一成不变,而是要随时变动的。变动的最重要的不外乎两项,一是新材料的发现,一是新观点、新方法的萌生。在所就职的东丽区多年来得以实施,对前人已鉴定的结论提出异议,遭到反对是太正常不过的事情。但今年奥运会举行前,(本人已离岗)为高速公路两侧绿化制定的供水凿井方案,其中20眼供水井中有19眼为Ⅱ组水井,既降低了凿井、提水成本,又减少了地面高程的损失。据说为此连累了有关人员受到市行政主管部门主管领导的批评,则很难理解。近日看电视得知水利部的关于南水北调通水后将全部停止地下水的开采的计划。方了解研究长期受冷遇的原因。但在南水北调通水前在适宜地段适量加大第Ⅱ含水组地下水的开采,减少第Ⅳ含水组及以下地层地下水的开采,在不减少地下水的开采量的情况下,可有效减少地面高程的损失。而且地热水也是不可能禁采的,水利局已参予地热水的管理。目前地热井的水位以每年3-5米的速率下降,地热资源的前景不容乐观。地热资源95%存在岩层骨架中,只有5%在地下水中,如将第Ⅱ含水组地下水回灌至地下热储层中,除可兴利除害外,还可减缓地下热水的衰减。地面沉降基本是不可逆的,调整方案可大幅减缓地面沉降。
人微言轻,在当前的学术环境下,如没有决策层关键领导的推动,其成果也很难被采纳。我国修改后的科学技术进步法于今年7月实施,其中第十九条……公民有权依法自主选择课题,从事基础研究、前沿技术研究和社会公益性技术研究。恳请专栏负责同志‘高抬贵手’,转呈市领导在百忙中抽空一阅,则幸甚!并望给个回音。(bianxueluo@sina.con)
卞学洛
董克刚:关于对《有咸水区深层淡水可持续利用研究报告》的评审意见
对东丽区地下水资源管理办公室卞学洛同志《有咸水区深层淡水资源可持续开发利用研究报告》评审意见如下:
一、报告内容丰富、详实,引用资料全面,论述推理思路清晰,所得结论令人信服。特别是该同志在长期地下水管理的具体工作中积累和分析了大量实际资料,为自己的论述奠定了坚实的科学基础。这是本报告的一大特色.同时报告中也洋溢着作者难能可贵的敬业精神。
二、报告从混采和废井对含水层的咸水污染与区域咸水层下移的区别谈起,对咸水层越流下渗补给淡水层时粘性土的半透膜特性机理进行了论述。特别在计算越流量时引入渗透压差的概念,有特色,有理论依据,在当前我市的控沉研究中尚属创举。并且对解决实际控沉问题有重要的作用。在我市控沉工作的研究的理论和方法上都有创新,在国内也属于先进的水平。
三、作者在广泛收集和分析资料的基础上,对东丽区各沉降压缩层多年来的沉降情况进行了细致的研究,对第二含水组压缩层在主固结过程完成后对水位波动影响反映趋缓的情况给予了定量的分析。进而提出今后在控制地面沉降和地下水管理上多采二组,少采三组(以下)等一系列具体建议,非常有针对性,可直接为实际管理工作所采用。在我市的控沉研究工作中,这样深入细致的工作也是不多见的。
四、我市地面沉降在八十年代以前,经历了急剧发展的过程,作为东丽区主要开采层的第二含水组的压缩层,多为薄层或互层的粘性土和含粉量较高的粘性土层,在较短的时间内完成主固结过程是符合实际情况的。1986年以后,市区和塘沽区大量减采地下水,减少了对东丽区地下水资源的袭夺,客观上有利于东丽区沉降量的缓和。在这个大的背景下,东丽区二组含水层在历史上拉底的水位和周边相对稳定的水位边界范围内,构成一个利于进行越流不(补)给和咸水层移动研究的良好时机。作者抓住这个历史机遇,充分发挥了自己在咸水改造工作中积累的技术优势,适时进行了过细的工作,取得了可喜的成果。对我市其它区县的控沉工作,甚至对中心市区和塘沽区等研究程度较高的地区的研究工作都有重要的意义。该报告抓住历史机遇,深入一线实际工作,在大量实际材料的基础上,对有咸水地区淡水资源的可持续开发利用,在机理研究和管理实际上,做出了重要的贡献。达到国内先进水平。同意通过鉴定。所提进一步工作建议,应该引起有关管理部门的重视,使这方面的研究工作更上一个大的台阶。
天津市控制地面沉降工作办公室
董克刚
二○○四年四月九日
张建民评审意见:
深层承压水因长期超采产生的地下水位持续下降、地面沉降、上覆咸水对下伏承压水的污染是华北地区普遍存在的环境地质问题。华北地区地表水缺乏,地下水是国民经济发展的重要支撑资源,如何可持续利用地下水,降低地质灾害的危害是关系到子孙万代的大事,对上述问题进行研究意义重大。《有咸水区深层承压淡水可持续利用》研究报告,选择东丽区进行研究,其水文地质条件、开发利用情况及发生的环境地质问题在天津市比较典型,是具有代表性的。研究的内容也是目前管理和开发工作中亟待解决的问题.报告提出的结论与实际解决方法.是在观测研究层地下水水质、水量、水位、地面沉降等十分详实、系统、客观的资料基础上,经理论与实际相结合阐述论证的,对地下水资源开发利用、污染、地面沉降的关系提出的一系列新观点是可信、实事求是的,具有很高的学术价值和实际管理、规划意义。
其观点本人认为应肯定的方面如下:一、通过系统监测和理论分析,研究咸水与承压淡水越流补给的转化机理.提出的有咸水区深层淡水,特别是二组水水质逐渐咸化的主要原因是因为基底断裂延伸至上更新统以及成井质量或咸淡分界线判断失误造成的,在基底延伸至上更新统断裂带和混层开采井的地段,加大开采的造成的水位差可造成较大范围咸化污染,无此条件则不会产生咸水下移和大范围咸化污染,井管破裂只产生局部污染。
二、研究证明渗透系数小于10-3m/d的粘土隔水层具有半透膜特性,从理论上解决了深层地下水补给的问题。并通过长期的水量、水位、水质观测加以论证。
三、根据比奧理论,提出了第二含水组在多年低水位状态下上覆咸水层对其已形成稳定的越流系统,适量增加开采,在水位漏斗稳定后沉降也逐渐停止的观点.对地下水资源开发利用与地面沉降控制具有十分重要的意义。
四、证明了成井时封闭止水所用的如是碱化钠粘土,利用离子交换法研究发现在高钙镁含量咸水的作用下钠钙镁置换造成粘土体积变小,失去止水作用,使孔壁与井壁管之间产生的缝隙,成为咸水串层污染通道。因此,该报告的诸多结论,在国内尚属首次提出,对华北地区有咸水区的地下水资源开发、利用、保护都具有重要的指导意义.所提出进一步研究的建议也是在管理工作中急需解决的问题。有些观点可作为进一步研究的方向,建议尽早丌展该项工作。
张建民
2004.4.8
王强评审意见:
“有咸水区承压淡水资源可持续开发利用研究报告”提出了一系列有重要学术和应用价值的问题,展示了东丽区水利局在实施管理工作的同时,亦积极参与地下水可持续发展和控沉工作,体现了很高的学术水平,相比最近两项大区域国土资源大调查同类研究,应该说该研究更具震撼力,东丽区水利局令人不敢小觑。
一、在地面沉降工作中,该报告根据大量实际资料,提出第二含水组地层沉降进入后期的观点,为全国地面沉降开创了先河,因为目前以上海为代表的控沉工作,尚未提出这样的问题,而天津地区还是一会儿沉降了,一会儿控制了,没有个定量概念。地面沉降随时间可能出现稳定,标志着沉降不可能无休止地发展,从而为稳定社会舆论提供了坚实的基础.
二、揭示了咸淡水界面起伏状况、咸水污染原因,而天津、乃至华北地质、地震界长期根据咸淡水界面变化判断海河断层,直至近三年依然如此,该项研究令这些“工作”汗颜。瞬时水样盐度测量确定一些咸水段可以利用,是重大的突破。
三、隔水粘土使用造成深层淡水污染是此前从未报道的科学问题,该研究对此论述正确.不同地区第二含水组水位由于渗透压差异而发生的变化,科学逻辑推理是正确的。
四、分析总结大量水井长观资料同步不等幅现象,确定降水入滲的理论基础是渗透压变化,而且首次从长观资料中总结了降水入渗对深层水的补给,是此前工作中未论述过的。
五、越流补给是长期未能取得突破的问题,该报告运用半透膜理论解释了压实粘土层对越流咸水的淡化作用,是可信服的,从而解释了多年未解的问题.六、该项研究最重要的意义是,可以加大开采第二含水组的地下水,从而产生稳定的越流系统进行淡化补给,而且不至于发生地面沉降,越流将使咸水水位降低,腾出接受降水入渗空间,减少潜水蒸腾,促使水资源可持续发展。总之,该项研究对东丽区合理利用地下水资源有重要的经济价值,在北京的水文地质界上层已经引起震动,是值得宣传和进一步实验、深入的。进一步研究、实验如在东部沿海地区得到响应,无疑是东丽区水利局对整个咸水区地下水开发管理的一大贡献。
中国地质调查局天津地质矿产研究所王强
2004.1.14
李明朗评审意见:
由天津市东丽区地下水资源管理办公室卞学洛主持完成的《有咸水区深层承压淡水资源可持续开发利用研究》报告对该区咸水层下伏承压淡水层长期开采动态进行全面系统的观测、试验研究。根据大量客观实际资料进行科学分析推论;即反映出地下水资源开发管理中重视科学研究不断探索的过程,又为资源的可持续利用提出了规划意见和建议,是一份优秀的研究报告,有如下的创新方面:
1、研究证明咸水下渗的主要通道是活动断裂带和成井时咸淡水界线判断失误成为混层开釆井及咸淡水分界处井管外止水粘土选用不当造成咸水渗漏。对防治深层淡水污染有重要意义。
2、观测资料证明承压淡水含水层同咸水含水层水位动态变化是同步的,证明承压淡水含水层在开采条件下主要得到咸水层的越流补给。说明第二承压淡水含水层有较丰富的可釆资源。
3、在连续隔水层分布的区域,近30年第二承压淡水含水组的开采未出现水质咸化,证明隔水粘土层具有半透膜的性能。
4、在赤土等地区,近10年来第二承压含水组水位基本稳定,第二含水组产生的地面沉降也基本结束,证明在稳定越流条件下,地层失去了固结压缩的应力环境,可以实现釆水控沉的目的。
总之,该研究报告从实际出发,对咸水地区地下水资源开发中的长期争论的科学问题提出了有证据的创新观点,又为地下水资源的可持续利用提出了科学开发规划意见,该报告的学术价值及地下水开发管理方面均具有国内领先水平。这种依靠科学重视实际,不断探索的精神值得发扬。
天津市地质矿产局原总工程师李明朗
2003.12.25
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关于对卞学洛先生“为天津实践科学发展观提出一点小建议”的回复
卞先生多年来一直致力于深层地下水资源可持续利用研究,十分令人敬佩。对于卞先生的建议,我委十分重视,与卞先生进行了沟通了解。多年来,市委、市政府高度重视水资源的综合开发与利用,专门在市科技支撑计划中设立综合节水技术专项,对于多水源开发利用予以大力支持,先后组织实施了天津石化公司、荣程钢铁、天保市政等科技创新重大项目,在多水源开发利用等关键技术上取得一定突破和好的效果。我们将关注卞先生的建议,使我市水资源的综合再利用工作做得更好。感谢卞先生对科技工作的关注与重视。
天津市科委