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對深層地下淡水資源可持續利用的科學實踐提出建議:本人采用含物理化學半透膜理論的多學科交叉的研究方法,提出了上覆咸水淡化越流補給機理,最終將激發地表水成為第Ⅱ含水組(地面以下100?200米)地下淡水的補給來源。
在就職的東麗區范圍內,包括原確定的部分咸化污染區,較大幅增加Ⅱ組地下水的開采;多年來水質基本未發生異常變化,近幾年地面沈降值在環城四區中最低。多年實踐證明,上覆咸水區可實現控沈采水兩不誤。由於研究不是領導安排的,成了一件非公非私的事。至今未得到主管領導的認可。天津極端缺水,人們以大量開采深層地下水的方法解決缺水問題,隨之發生了地面沈降等環境地質災害。在未進行分層組監測地層壓縮變形前,主要開采第四系第Ⅱ含水組和第Ⅲ含水組(地面以下200?300米的地層)的地下水。
當時普遍認為上述的地層的壓縮變形是地面沈降的主要原因。為此,提出了『壓縮Ⅱ、Ⅲ組,增大Ⅳ、Ⅴ組地下水的開采』的建議。我於93年調入東麗區水利局,初期也積極實施上述建議,後發現,Ⅱ組地下水在長期較強開采狀態下,在各組含水層中水位最高;絕大部分地段水質沒有惡化;地表部分的井管因地面沈降而上昇,在各類水井中最小。如東郊農場一水井63年末成井,該地43年地面沈降累計約在1米,而因Ⅱ組及以上地層沈降使井管上昇僅有0.24米。證明Ⅱ組地層壓縮變形並非地面沈降的主要原因,與前人的結論相反。後市控沈辦提供的多年地層壓縮變形數據和收集的資料進行分析後,發現第Ⅱ含水組的單位開采強度與地層壓縮變形比值最低,僅為第Ⅳ、Ⅴ含水組的3.5?10%左右。各層咸水雖無開采,但與下伏開采的第Ⅱ含水組的水位有同步不等幅的動態特征。當Ⅱ組地下水與上覆咸水層的水位差大於滲透壓差時,咸水層即發生向下淡化越流,最終可將淺層水位降低,將原蒸發植物蒸騰的潛水變成Ⅱ組地下水的補給來源。停止或大幅減少Ⅱ組地下水的開采,水位上昇,造成地表水下滲受阻,如大直沽分層標水位資料顯示,86年地下水停采至91年Ⅱ組水位從-50米昇至-17米,而潛水水位從-5米昇至0米。除大氣降水等地表水不能資源化外,還將引發另一類新的環境地質災害。
①包氣帶地層接受降水入滲的空間減少,加大排瀝除澇的壓力。②冬季部分鐵路地道滲水影響通行。③建築物下的粉(砂)土地震時在水位以上的不液化,水位以下的將發生液化,會造成建築物地基失效。④水位淺還可引發土壤次生鹽漬化,使城市綠化樹木的成活率降低。水文地質是實踐性很強的學科。經多年的努力,研究報告於2003年末寫成。曾『引起京津水文地質界的震動』(中國地質學會第四紀地質專業委員會副主任王強語)。部分專家給寫了評審意見(見附件)。沈照理教授建議申報國家自然基金項目。但單位領導以不是科研機構,沒有這個義務,不同意申報。隨後仍繼續進行完善,並在刊物上發表了數篇論文。04年6月發表的『有咸水區深層地下淡水可持續利用研究』論文,獲2006年區科學促進獎。今年又發表了『天津市深層淡水井的水質咸化分類』的論文,闡述井水咸化並不等於地下水咸化。近幾年有更多的業內人士對此表示認可。
本來學術同宇宙萬事萬物一樣,都不能一成不變,而是要隨時變動的。變動的最重要的不外乎兩項,一是新材料的發現,一是新觀點、新方法的萌生。在所就職的東麗區多年來得以實施,對前人已鑒定的結論提出異議,遭到反對是太正常不過的事情。但今年奧運會舉行前,(本人已離崗)為高速公路兩側綠化制定的供水鑿井方案,其中20眼供水井中有19眼為Ⅱ組水井,既降低了鑿井、提水成本,又減少了地面高程的損失。據說為此連累了有關人員受到市行政主管部門主管領導的批評,則很難理解。近日看電視得知水利部的關於南水北調通水後將全部停止地下水的開采的計劃。方了解研究長期受冷遇的原因。但在南水北調通水前在適宜地段適量加大第Ⅱ含水組地下水的開采,減少第Ⅳ含水組及以下地層地下水的開采,在不減少地下水的開采量的情況下,可有效減少地面高程的損失。而且地熱水也是不可能禁采的,水利局已參予地熱水的管理。目前地熱井的水位以每年3-5米的速率下降,地熱資源的前景不容樂觀。地熱資源95%存在岩層骨架中,只有5%在地下水中,如將第Ⅱ含水組地下水回灌至地下熱儲層中,除可興利除害外,還可減緩地下熱水的衰減。地面沈降基本是不可逆的,調整方案可大幅減緩地面沈降。
人微言輕,在當前的學術環境下,如沒有決策層關鍵領導的推動,其成果也很難被采納。我國修改後的科學技術進步法於今年7月實施,其中第十九條……公民有權依法自主選擇課題,從事基礎研究、前沿技術研究和社會公益性技術研究。懇請專欄負責同志「高抬貴手」,轉呈市領導在百忙中抽空一閱,則幸甚!並望給個回音。(bianxueluo@sina.con)
卞學洛
董克剛:關於對《有咸水區深層淡水可持續利用研究報告》的評審意見
對東麗區地下水資源管理辦公室卞學洛同志《有咸水區深層淡水資源可持續開發利用研究報告》評審意見如下:
一、報告內容豐富、詳實,引用資料全面,論述推理思路清晰,所得結論令人信服。特別是該同志在長期地下水管理的具體工作中積累和分析了大量實際資料,為自己的論述奠定了堅實的科學基礎。這是本報告的一大特色.同時報告中也洋溢著作者難能可貴的敬業精神。
二、報告從混采和廢井對含水層的咸水污染與區域咸水層下移的區別談起,對咸水層越流下滲補給淡水層時粘性土的半透膜特性機理進行了論述。特別在計算越流量時引入滲透壓差的概念,有特色,有理論依據,在當前我市的控沈研究中尚屬創舉。並且對解決實際控沈問題有重要的作用。在我市控沈工作的研究的理論和方法上都有創新,在國內也屬於先進的水平。
三、作者在廣泛收集和分析資料的基礎上,對東麗區各沈降壓縮層多年來的沈降情況進行了細致的研究,對第二含水組壓縮層在主固結過程完成後對水位波動影響反映趨緩的情況給予了定量的分析。進而提出今後在控制地面沈降和地下水管理上多采二組,少采三組(以下)等一系列具體建議,非常有針對性,可直接為實際管理工作所采用。在我市的控沈研究工作中,這樣深入細致的工作也是不多見的。
四、我市地面沈降在八十年代以前,經歷了急劇發展的過程,作為東麗區主要開采層的第二含水組的壓縮層,多為薄層或互層的粘性土和含粉量較高的粘性土層,在較短的時間內完成主固結過程是符合實際情況的。1986年以後,市區和塘沽區大量減采地下水,減少了對東麗區地下水資源的襲奪,客觀上有利於東麗區沈降量的緩和。在這個大的背景下,東麗區二組含水層在歷史上拉底的水位和周邊相對穩定的水位邊界范圍內,構成一個利於進行越流不(補)給和咸水層移動研究的良好時機。作者抓住這個歷史機遇,充分發揮了自己在咸水改造工作中積累的技術優勢,適時進行了過細的工作,取得了可喜的成果。對我市其它區縣的控沈工作,甚至對中心市區和塘沽區等研究程度較高的地區的研究工作都有重要的意義。該報告抓住歷史機遇,深入一線實際工作,在大量實際材料的基礎上,對有咸水地區淡水資源的可持續開發利用,在機理研究和管理實際上,做出了重要的貢獻。達到國內先進水平。同意通過鑒定。所提進一步工作建議,應該引起有關管理部門的重視,使這方面的研究工作更上一個大的臺階。
天津市控制地面沈降工作辦公室
董克剛
二○○四年四月九日
張建民評審意見:
深層承壓水因長期超采產生的地下水位持續下降、地面沈降、上覆咸水對下伏承壓水的污染是華北地區普遍存在的環境地質問題。華北地區地表水缺乏,地下水是國民經濟發展的重要支橕資源,如何可持續利用地下水,降低地質災害的危害是關系到子孫萬代的大事,對上述問題進行研究意義重大。《有咸水區深層承壓淡水可持續利用》研究報告,選擇東麗區進行研究,其水文地質條件、開發利用情況及發生的環境地質問題在天津市比較典型,是具有代表性的。研究的內容也是目前管理和開發工作中亟待解決的問題.報告提出的結論與實際解決方法.是在觀測研究層地下水水質、水量、水位、地面沈降等十分詳實、系統、客觀的資料基礎上,經理論與實際相結合闡述論證的,對地下水資源開發利用、污染、地面沈降的關系提出的一系列新觀點是可信、實事求是的,具有很高的學術價值和實際管理、規劃意義。
其觀點本人認為應肯定的方面如下:一、通過系統監測和理論分析,研究咸水與承壓淡水越流補給的轉化機理.提出的有咸水區深層淡水,特別是二組水水質逐漸咸化的主要原因是因為基底斷裂延伸至上更新統以及成井質量或咸淡分界線判斷失誤造成的,在基底延伸至上更新統斷裂帶和混層開采井的地段,加大開采的造成的水位差可造成較大范圍咸化污染,無此條件則不會產生咸水下移和大范圍咸化污染,井管破裂只產生局部污染。
二、研究證明滲透系數小於10-3m/d的粘土隔水層具有半透膜特性,從理論上解決了深層地下水補給的問題。並通過長期的水量、水位、水質觀測加以論證。
三、根據比奧理論,提出了第二含水組在多年低水位狀態下上覆咸水層對其已形成穩定的越流系統,適量增加開采,在水位漏斗穩定後沈降也逐漸停止的觀點.對地下水資源開發利用與地面沈降控制具有十分重要的意義。
四、證明了成井時封閉止水所用的如是鹼化鈉粘土,利用離子交換法研究發現在高鈣鎂含量咸水的作用下鈉鈣鎂置換造成粘土體積變小,失去止水作用,使孔壁與井壁管之間產生的縫隙,成為咸水串層污染通道。因此,該報告的諸多結論,在國內尚屬首次提出,對華北地區有咸水區的地下水資源開發、利用、保護都具有重要的指導意義.所提出進一步研究的建議也是在管理工作中急需解決的問題。有些觀點可作為進一步研究的方向,建議盡早丌展該項工作。
張建民
2004.4.8
王強評審意見:
『有咸水區承壓淡水資源可持續開發利用研究報告』提出了一系列有重要學術和應用價值的問題,展示了東麗區水利局在實施管理工作的同時,亦積極參與地下水可持續發展和控沈工作,體現了很高的學術水平,相比最近兩項大區域國土資源大調查同類研究,應該說該研究更具震撼力,東麗區水利局令人不敢小覷。
一、在地面沈降工作中,該報告根據大量實際資料,提出第二含水組地層沈降進入後期的觀點,為全國地面沈降開創了先河,因為目前以上海為代表的控沈工作,尚未提出這樣的問題,而天津地區還是一會兒沈降了,一會兒控制了,沒有個定量概念。地面沈降隨時間可能出現穩定,標志著沈降不可能無休止地發展,從而為穩定社會輿論提供了堅實的基礎.
二、揭示了咸淡水界面起伏狀況、咸水污染原因,而天津、乃至華北地質、地震界長期根據咸淡水界面變化判斷海河斷層,直至近三年依然如此,該項研究令這些『工作』汗顏。瞬時水樣鹽度測量確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層淡水污染是此前從未報道的科學問題,該研究對此論述正確.不同地區第二含水組水位由於滲透壓差異而發生的變化,科學邏輯推理是正確的。
四、分析總結大量水井長觀資料同步不等幅現象,確定降水入滲的理論基礎是滲透壓變化,而且首次從長觀資料中總結了降水入滲對深層水的補給,是此前工作中未論述過的。
五、越流補給是長期未能取得突破的問題,該報告運用半透膜理論解釋了壓實粘土層對越流咸水的淡化作用,是可信服的,從而解釋了多年未解的問題.六、該項研究最重要的意義是,可以加大開采第二含水組的地下水,從而產生穩定的越流系統進行淡化補給,而且不至於發生地面沈降,越流將使咸水水位降低,騰出接受降水入滲空間,減少潛水蒸騰,促使水資源可持續發展。總之,該項研究對東麗區合理利用地下水資源有重要的經濟價值,在北京的水文地質界上層已經引起震動,是值得宣傳和進一步實驗、深入的。進一步研究、實驗如在東部沿海地區得到響應,無疑是東麗區水利局對整個咸水區地下水開發管理的一大貢獻。
中國地質調查局天津地質礦產研究所王強
2004.1.14
李明朗評審意見:
由天津市東麗區地下水資源管理辦公室卞學洛主持完成的《有咸水區深層承壓淡水資源可持續開發利用研究》報告對該區咸水層下伏承壓淡水層長期開采動態進行全面系統的觀測、試驗研究。根據大量客觀實際資料進行科學分析推論;即反映出地下水資源開發管理中重視科學研究不斷探索的過程,又為資源的可持續利用提出了規劃意見和建議,是一份優秀的研究報告,有如下的創新方面:
1、研究證明咸水下滲的主要通道是活動斷裂帶和成井時咸淡水界線判斷失誤成為混層開釆井及咸淡水分界處井管外止水粘土選用不當造成咸水滲漏。對防治深層淡水污染有重要意義。
2、觀測資料證明承壓淡水含水層同咸水含水層水位動態變化是同步的,證明承壓淡水含水層在開采條件下主要得到咸水層的越流補給。說明第二承壓淡水含水層有較豐富的可釆資源。
3、在連續隔水層分布的區域,近30年第二承壓淡水含水組的開采未出現水質咸化,證明隔水粘土層具有半透膜的性能。
4、在赤土等地區,近10年來第二承壓含水組水位基本穩定,第二含水組產生的地面沈降也基本結束,證明在穩定越流條件下,地層失去了固結壓縮的應力環境,可以實現釆水控沈的目的。
總之,該研究報告從實際出發,對咸水地區地下水資源開發中的長期爭論的科學問題提出了有證據的創新觀點,又為地下水資源的可持續利用提出了科學開發規劃意見,該報告的學術價值及地下水開發管理方面均具有國內領先水平。這種依靠科學重視實際,不斷探索的精神值得發揚。
天津市地質礦產局原總工程師李明朗
2003.12.25
信息反饋
關於對卞學洛先生『為天津實踐科學發展觀提出一點小建議』的回復
卞先生多年來一直致力於深層地下水資源可持續利用研究,十分令人敬佩。對於卞先生的建議,我委十分重視,與卞先生進行了溝通了解。多年來,市委、市政府高度重視水資源的綜合開發與利用,專門在市科技支橕計劃中設立綜合節水技術專項,對於多水源開發利用予以大力支持,先後組織實施了天津石化公司、榮程鋼鐵、天保市政等科技創新重大項目,在多水源開發利用等關鍵技術上取得一定突破和好的效果。我們將關注卞先生的建議,使我市水資源的綜合再利用工作做得更好。感謝卞先生對科技工作的關注與重視。
天津市科委