您的位置:中国科技新闻网 > 科技新闻 > 筚路蓝缕,砥砺前行
筚路蓝缕,砥砺前行
发表时间 2018-04-03 16:05 来源 本站原创

  ——记中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所所长胡振琪教授

  中国人多地少,土地资源短缺,每年因各种人为活动和自然灾害损毁的土地达百万亩之多。因此,土地复垦已成为中国一项十分紧迫的任务,已得到政府和公众的重视,也越来越成为研究的热点。目前我国对于矿山土地复垦与生态修复的研究工作愈来愈重视,很多科研项目得到了国家自然科学基金、国家科技计划等项目的支持,我国的土地复垦与生态重建工作呈现欣欣向荣的态势,在国际土地复垦舞台上由参与者向主导者转变,部分复垦技术如采煤沉陷区治理技术、引黄河泥沙充填复垦技术等已达到国际领先水平。中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所所长胡振琪教授长期致力于我国的土地复垦与生态重建研究,带领团队筚路蓝缕,攻坚克难,取得了丰硕的成果。其研究成果以“黄河泥沙充填复垦、边采边复和煤矸石山治理”为创新点和亮点,为我国的土地复垦与生态重建事业做出了突出的贡献。

  远涉海外求取“真经”

  胡振琪教授是我国第一个土地复垦学博士,于1993年首次提出土地复垦学概念,1997年成为我国招收土地复垦与生态重建专业的最年轻的博士生导师。目前,胡振琪教授主要的研究方向是土地复垦与矿区生态重建、国土资源利用与管理、污染土地修复、3s技术应用和矿山地质环境治理。

  1989年,胡振琪作为中美联合培养的博士生,被派往美国南伊利诺伊大学做博士研究,主攻土地复垦专业。他说,当初选择这个专业方向有两个原因:一是作为中美两国联合培养的博士生,需要美方的资助,而土地复垦在国外比较受重视;另一个原因就是要利用读博士的机会,选择一个有发展前途和实用价值的方向作为今后为之奋斗的事业,而土地复垦是功在当代、利在千秋的事业,国内刚刚开始重视这一新问题。

  初到南伊利诺伊大学,胡振琪经常到图书馆读书,靠着刻苦勤奋,把美国土地复垦的历史和发展逐步了解清楚。在美国导师的推荐下,他参加了5个属于美国内务部国家矿山土地复垦研究中心资助的课题,完成了3个研究报告,在国内外会议、刊物上发表论文4篇。在第82届美国农业学术会议上,他提交的论文《基于土壤特性评价复垦效果》引起与会者的兴趣,被加拿大的《国际露天采矿与复垦》杂志发表,美国、加拿大、巴西、印度等许多国家的专家来函索要论文。他在研究中表现出来的能力及其研究成果受到美方专家的高度评价,被美国土地复垦学会接纳为会员。

  临近毕业,面对美方导师的挽留,胡振琪眷恋的还是祖国的土地。中国人均占有耕地仅为世界人均量的37%,而且因矿山开采破坏的土地仍以每年7万公顷以上的速度增加,土地复垦事业在祖国有着举足轻重的作用。1991年,在美国完成土地复垦博士论文后,胡振琪回到了自己的祖国。从美国出发前,胡振琪经多方联系,促使美国一家图书馆向中国矿业大学赠送了24箱2000多册有关土地复垦技术的图书。

  筚路蓝缕,开创土地复垦事业

  煤矸石是煤炭开采和加工过程中的必然产物,是矿区主要的污染之一。据不完全统计,我国每年排放煤矸石3亿吨以上,历年堆积量达60亿吨以上。在已堆积的数千座矸石山中,千余座发生自燃。我国煤矸石的利用率较低,大多数煤矸石还得继续堆积,新的煤矸石山还在与农、林、牧、副、渔各业争夺土地。煤矸石山的治理同收复失地一样,是一项利国利民,造福子孙的大事,也是国际瞩目的中心课题。而中国现在急需这方面的人才。

  把煤矸石山变成花果山,把废弃地变为丰产的鱼塘,让露天矿的大坑变成梯田,这些想法要变为现实,光靠理论不行,还要靠实践去实现。于是,刚刚回国的胡振琪博士选择了第一个实验基地:山西潞安矿业集团王庄矿的一座矸石山。选定了这座矸石山后,胡振琪就带着两名大学生开始了工作。缺少设备,他就自制单圈入渗计,并一担担地往山上挑水。他们白天顶着太阳上山,夜晚还要查资料,做准备工作,其艰苦可想而之。胡振琪就这样与潞安矿业集团的科技人员一起,探索出了煤矸石山治理的一条有效途径——煤矸石山绿化造林。完成这项工作的全部科研经费只有1.7万元,这就是胡振琪掌握的第一笔研究经费,对此他无怨无悔。他说,选择了祖国的复垦事业,就选择了奉献。

  经过几个月的实验和研究,他们研制出一套实用的煤矸石山绿化造林技术,创造性地将反坡环山带整地法应用于煤矸石山整地,提出了煤矸石山绿化造林的五阶段基本模式。最终,他们将刺槐、臭椿定为首选树种,并以乔灌花草混植模式实施生态修复。经过三年的科学管理,不仅使4公顷的土地恢复了使用价值,而且还产生了400万元的直接经济效益,将黑秃秃的矸石山变成了花果山。

  矸石山变花果山的梦想实现后,胡振琪利用国家教委回国留学人员基金支持他的2万元科研经费和煤炭部回国留学人员基金支持他的2万元经费,开始了塌陷区的土地复垦研究工作。采煤塌陷地的复垦一直是我国土地复垦工作的重点和难点,但事关帮助农民脱贫的大事,作为国家第一个复垦学博士的胡振琪很快就投身到这个领域的研究和实验中。他在河南平顶山、安徽淮北、江苏沛县、贾汪区等地建立了试验站。

  皖北矿务局刘桥一矿所在地的周口村和黄新庄队有千余亩采煤塌陷区,农民顺势在塌陷地蓄水养鱼。可是鱼苗撒下去,大把大把的饲料抛下去,鱼的长势就是不见好,年终结算人均收入不过300元,脱贫都谈不上,何谈致富呢?经过调查研究,总结多次试验的经验,他提出了土地复垦新模式:政府牵头,企业积极配合,科研部门技术指导,农民自觉复垦。既要降低成本、减轻企业负担,又要使农民不失土地,少失土地,并从复垦的土地上获得更大的经济效益。皖北矿务局一次性拨给他们科研经费5.4万元。这对胡振琪来说不仅是经费资助,更是精神支持。他逐步探索出在塌陷地养鱼的方法。他告诉农民鱼塘的塘埂的标高、坡度、深度应该是多少,长宽的黄金比应该是多少,鱼要按一定的密度、种类放养。到了1993年,每亩鱼塘的产量达到400公斤,农民的人均年收入从300元增加到1000元。从1993年至今,他在黄新庄村复垦了36公顷土地,创年净利润40万元,使这个无地贫困村变成了小康村。他还先后在河南、安徽、江苏等地成功地复垦1000多公顷采煤塌陷地,获得了可观的经济效益。

  多年的努力为胡振琪教授赢得了荣誉,他曾荣获“新世纪百千万人才工程”国家级人选(2006)、第八届中国青年科技奖(2004)、教育部新世纪优秀人才称号(2004)、教育部跨世纪优秀人才称号(1998)、中国土地学会首届全国“青年土地科技奖”(1994)、中国煤炭学会第三届青年科技奖(1994),现担任中国土地学会常务理事兼土地整理与复垦分会副主任委员,美国采矿与环境恢复学会“终身会员”,国际土地复垦家联合会协调委员会委员(中国代表),《International Journal of mining, reclamation and environment》执行主编,中国GPS应用协会常务理事,中国煤炭学会煤矿土地复垦与生态修复专业委员会副主任兼秘书长,多次应邀赴美国、英国、加拿大、澳大利亚、希腊、韩国等国讲学、做学术报告或合作研究以及担任国际会议的组委和分会主席,为中国土地复垦的国际交流做出了贡献。

  回国20多年来,胡振琪教授先后主持和参与了国家863项目、国家科技支撑计划项目、国家自然科学基金、国土资源部重点科技项目和一般探索项目、全国博士后基金、国家环保总局科技项目、国家劳动部科技项目、英国皇家学会对华研究员基金、中国一希腊国际合作项目、中国一捷克国际合作项目等纵横向课题80余项。出版10余部专著,在国内外公开发表论文300余篇,获国家科技进步二等奖2项和省部级科技进步奖20余项,获得国家发明专利35项。他不仅在土地复垦与生态重建理论与技术研究中有所创新,对本学科领域的发展有重要的推动作用,而且在研究成果转化为生产力方面成绩也十分显著。他研究的土地复垦技术,在河南、安徽、江苏、山东等地的科技人员、管理人员的合作下得到推广应用,并成功复垦数十万余亩采煤塌陷地,成功绿化了多座矸石山,解决了数万人的就业,获得了数十亿元的经济效益。在教学工作中,已培养博士后、博士和硕士100余人。

  胡振琪团队由六人组成,包括四名教授,两名副教授,是一支年轻的队伍,平均年龄四十岁左右。在科研的的同时,教书育人,获首届全国煤炭高等教育优秀教材一等奖1项,《土地复垦学》获北京市精品课程,胡振琪教授还荣获“北京市教学名师”称号。

  开创新型复垦技术 国际领先

  2016年是“十三五”开局之年,煤炭科研工作者秉持着以改革为基石,以创新为动力的探索精神,使煤炭科技领域再现辉煌成果。

  2017年01月06日,《中国煤炭报》对全年煤炭科技进行梳理,并评选出2016年煤炭科技十大新闻。胡振琪教授研究团队提出的黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地技术的相关报道,被评为2016年煤炭科技十大新闻之一,位列第六。

  在普通人眼里,黄河泥沙、采煤沉陷区复垦,本来风牛马不相及,但胡振琪教授的研究团队利用新型复垦技术,将黄河泥沙作为充填复垦材料,通过取沙、输沙、沉沙排水等技术,将两者完美结合起来,构建了像五花肉一样的夹心式土壤结构,既能复垦采煤沉陷区,又利于黄河调沙调水,治理黄河淤泥。

  该技术成果来源于“十二五”国家科技支撑计划课题“大型煤炭基地沉陷区黄河泥沙充填修复技术及示范”。自2012年1月起,胡振琪教授带领团队,针对高潜水位煤粮复合区采煤沉陷地复垦耕地恢复率低的问题,以黄河泥沙为充填材料,利用现场与室内实验相结合和科学的测试、模拟与理论分析,重点研究了黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地中的引水量计算模型、取沙输沙技术、强化排水技术、土壤重构技术以及充填工艺。取得的相关技术成果如下:

  (1)构建了黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地引水量计算模型。通过相似材料模型实验,修正了概率积分法沉陷预计模型,并提出了对数函数模型,可实现采煤沉陷的科学预测,在此基础上,基于栅格单元划分,构建了采煤沉陷体积计算模型,在考虑复垦标高、泥沙含量的基础上,构建了黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地引水量计算模型,为引黄充填复垦规划设计提供了理论支撑。

  (2)提出了黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的取沙输沙方法,即:潜沙泵取沙、浓密器浓缩、加压泵中继加压管道传输。重点是革新了动水条件下的潜沙泵,研制了泥沙浓密器和加压泵,可提高取沙效率50%和输沙含沙量30%,并实现长距离输沙。解决了现有取、输沙效率较低,不能满足大规模应用的问题。

  (3)提出了黄河泥沙充填区强化排水技术。通过研究充填条带尺寸、复垦标高设计方法和泥沙充填次数、排水延时时间的计算方法,让充填水沙先在复垦条带内沉降,待细粒径泥沙完全沉降后再排水,可加速充填泥沙固结和提高充填材料质量。通过试验筛选出用于过饱和泥沙充填排水的土工布,将土工布加设在排水口末端,可防止沙随水走,使得排水清澈。

  (4)提出了充填耕地最优覆盖表土层厚度和夹心式多层次土壤重构剖面结构。通过室内、田间试验,提出了充填耕地最优覆土厚度不少于70cm;提出了表土、沙土、心土夹层式多层土壤重构剖面,可以增加泥沙层中的心土层数,提高复垦耕地土壤的保水保肥性,加速泥沙层的土壤熟化,有利于作物的生长发育。

  (5)提出了黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地的技术体系,研究了充填技术工艺。重点研究提出了长距离分条带顺序一次充填复垦技术工艺、隔带一次充填加速排水充填技术工艺,首创提出了交替式多层多次充填技术工艺,形成了黄河泥沙充填复垦的技术体系,对指导黄河泥沙充填复垦具有重大意义。

  项目已获得授权国家发明专利4项,实用新型专利5项,发表论文20余篇,出版专著1部。技术在山东省济宁市梁山县和德州市齐河县进行了试验示范,引黄充填复垦技术可实现95%以上的复耕率,并对黄河调沙、清淤等有益,具有巨大的生态、经济、社会效益。据不完全统计,滨黄河区域分布矿区60余个,该技术具有广阔的推广应用前景。

  该课题成果于2012年4月和6月分别通过了山东省和科技部组织的验收,2016年12月通过了中国煤炭工业协会组织的科技鉴定,鉴定认为:“选题意义重大,研究成果创新性显著,成果总体达到国际先进水平,在强化排水技术和交替多层多次充填复垦技术工艺方面达到国际领先水平。”

  土地复垦和生态重建,任重道远

  近20年中国经济的快速发展,为土地复垦与生态重建研究提供了很大的发展机遇。一方面,国内外对能源、矿产的需求巨大。无论是国际上还是中国国内,对能源和矿产资源的需求一直在不断增长。中国是一个“富煤、贫油、少气”的国家,煤炭作为我国最主要能源的地位还将维持至少30—50年。这种巨大的需求,使得采矿业得以持续、稳定和快速发展,而与之相适应的矿山土地复垦与生态重建也同样面临很大的发展需求。另一方面,土地和环境的破坏程度已经达到了难以容忍的程度,矿区生态环境达到了十分严峻的时期,为中国土地复垦与生态重建提供了很好的发展机遇。

  近年来,采矿业和城市化的发展,占用大量土地并引发许多环境和社会问题。为此,国家已将1.2亿公顷耕地保有量作为一条红线,要求切实保护耕地。同时,矿区环境污染也在不断加剧,一些污染事件和人员伤亡时有发生,所以,土地复垦与生态重建就成为中国保护土地资源和环境的有效措施。

  矿产资源与耕地的复合面积大,使得矿区土地复垦与生态重建的任务艰巨。据有关研究,全国40%的耕地下面都含有煤,其中煤炭保有资源与耕地复合面积超过了耕地总面积的10%,矿-粮复合区面积广、责任大,影响深远。因此,矿-粮复合区的土地复垦与生态重建就显得十分重要

  高潜水位煤粮复合区开采导致地表大面积沉陷积水,耕地损失严重,无充填材料条件下复垦耕地率很低。现有采煤沉陷地复垦技术多是等地面沉陷稳定后的“末端治理”方法,在多煤层开采条件下导致土地长期闲置、生态环境持续恶化。如何实现资源开采与耕地保护、生态安全的共赢是亟待解决的科学难题。

  针对上述科学与现实问题,基于地面、井下的开采与影响耦合关系,胡振琪团队提出了超前、动态的“边采边复”技术理念,即:通过开采计划、修复措施与特殊地物保护需求的协同,实现井工矿山采-复一体化。依据井上下耦合特征,构建了以井下开采计划为主导的边采边复模型、以特殊地物保护为主导的开采控制模型、井上下耦合的采复协同模型,形成了边采边复技术体系。是对“末端治理”复垦技术理念和技术的颠覆性改进,一定程度上实现了资源开发与环境保护的协调与均衡。

  该研究采用理论分析、室内试验、现场实测等综合研究方法,对边采边复的核心技术进行了研发:通过岩-土分层,综合考虑土体失水、压密等因素,采用Boltzman函数构建了东部高潜水位厚冲积层多煤层重复开采的预计模型,提出了基于格网单元的井上下耦合分析原理,两者结合建立了井下开采单元与地面影响单元的时空响应机制,解决了井上下精准时空响应的难题;以精准沉陷预计模型为理论基础,考虑复垦成本、耕地恢复率等因素,构建了复垦时机的优选模型;明确了表土剥离启动距、实时表土剥离角(距)等关键参数;基于“分层剥离、交错回填”的土壤重构原理,提出了土壤动态剥-构工艺,构建了施工单元心土堆积和心土平整的动态施工标高计算模型,可保证开采结束地面稳沉后耕地标高、平整度和表土层厚度达到质量要求。通过在山东、安徽等地应用采煤沉陷地边采边复关键技术可提高耕地恢复率10-40%,节约成本10-20%,对行业发展起到示范和引领作用。

  胡振琪教授指出,20年来土地复垦取得了一定成绩,为今后的发展奠定了很好基础。但中国的土地复垦率还比较低,复垦的科学问题还没有很好地凝练,复垦技术革新不够。同时,中国的矿产资源丰富、人多地少、土地资源短缺,这使中国的土地复垦与生态重建具有很大的发展机遇,也面临严峻的挑战。为此,应加大对土地复垦与生态重建的科学研究,为确保国家的土地安全、粮食安全、能源安全、环境安全和社会稳定,提供强有力的科技支撑。

  胡振琪教授简介

  胡振琪,1963年5月出生,教授,博士生导师。1984年毕业于中国矿业大学地质系获矿山测量专业工学学士学位,1987年毕业于中国矿业大学测量物探系工程测量专业工学硕士学位,1991年毕业于中国矿业大学采矿系工程测量专业获工学博士学位(为中美联合培养的土地复垦学博士),曾于1989年2月—1991年5月留学美国南伊利诺伊大学。1996.9—1997.9获英国皇家学会对华研究员奖学金,以Exeter大学荣誉研究员的身份在该大学坎伯恩矿院研究污染土地的复垦;现为矿山生态安全教育部工程研究中心主任、中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所所长、校学术委员会委员、教育部测绘类专业教学指导委员会委员。曾荣获“新世纪百千万人才工程”国家级人选、中国青年科技奖、教育部跨世纪优秀人才、教育部新世纪优秀人才、享受国务院政府特殊津贴、北京市教学名师等荣誉,还获得美国采矿与复垦学会(ASMR)2009年度科技贡献奖。兼任国际土地复垦家联合会协调委员会委员(中国代表)、中国煤炭学会煤矿土地复垦与生态修复专业委员会副主任委员兼秘书长、中国土地学会常务理事兼土地整理与复垦分会副主任委员、中国生态学会常务理事、中国卫星导航定位协会常务理事、首批国家清洁生产专家库专家、International Journal of Mining, Reclamation and Environment(国际采矿、复垦与环境杂志) 执行主编、《中国土地科学》、《农业工程学报》等杂志编委、International symposium on Environmental Issues and Waste Management in Energy and Mineral Production合作主席、International Symposium on Land Reclamation and Ecological Restoration主席;主持国家863课题3项、国家支撑计划项目和课题2项、国际合作3项、国家自然科学基金项目6项、国土资源部公益性行业科研专项2项,出版学术专著10余部,主编参编教材6部,在国内外期刊和国际会议上发表学术论文300余篇;获国家科技进步奖2项,省部级科技进步一等奖8项、二等奖11项、三等奖5项,获首届全国煤炭高等教育优秀教材一等奖1项,主讲的《土地复垦学》获北京市精品课程。指导毕业博士后、博士、硕士100余人。