庞忠和,水文与地热地质学家,中国科学院地质与地球物理研究所研究员,博士生导师,水文地质过程与探测学科负责人,地热资源研究中心主任。国际水文科学协会(IAHS)中国委员会同位素水文学委员会主席,国际原子能机构(IAEA)亚太地区水资源合作计划中国代表。国际地热协会(IGA)理事、司库和科研委员会主席,中国地球物理学会理事和地热专业委员会主任。国际地球化学协会(IAGC)理事和奖励委员会成员。国际水文地质学报《Hydrogeology Journal副主编。中央大学南京大学北京校友会副会长,地质系分会会长。
古人云,上善若水,静若止水,动若潮涌。庞忠和所投身的水文地质事业,是探索地球上外学术头衔,但总喜欢称自己只是一个“风水先生”,这也许是承继了导师肖楠森先生谦逊的风格。在他的笔记本扉页上,写着他喜欢的古人名言:“为天地立心,为生民立命,为往圣继绝学,为万世开太平。”
庞忠和在回顾自己30年学术生涯时,概括了三个10年。第一个10年是“勤奋向学”的国内求学到当上教授的过程,是“读万卷书”而仰望星空;第二个10年是“走向世界”实现梦想的国外学术交流与实践,是“行万里路”而脚踏实地;第三个10年是立足国内发展学科,服务民生的反哺过程。
寓情水热,学苑翘楚
知者乐水,仁者乐山。庞忠和生于江苏盱眙——一个淮河之滨、洪泽湖畔的小山城。这里灵动的山水赋予他乐向大自然求知的天性。1978年10月,他考入南京大学地质学系水文地质与工程地质专业。1981年提前毕业,考取本校研究生,跟随我国著名水文地质学家肖楠森教授攻读硕士学位。在此期间,他参与西北干旱区和东部海岛基岩找水的工作,完成了《庙岛群岛基岩裂隙水资源分布规律》的硕士论文。1984年毕业,留校任教。1985年,他考入中国科学院地质研究所,师从著名地热学家汪集旸院士攻读博士学位。在此期间,他参加了中国科学院基金课题“我国东南地热研究”,完成了博士论文《漳州盆地地热系统——成因模式、热能潜力与热水分布规律的研究》,成为我国培养的第一位地热博士。
这两段求学经历,让他与“水”、“热”结缘,并立志要让“泉遍华夏,水润万家”,更要以“地热当火,温暖人间”。1988年博士毕业后,庞忠和留在地质研究所继续从事地热系统水循环与水岩相互作用方面的研究,先后在东南沿海和华北地区开展了两类典型地热系统研究。因科研出色,特别是基岩裂隙水地下水分布规律与地热系统流体成因、水岩相互作用模拟重建和化学热力学地温计研发方面的贡献,在1992年和1995年,他被中国科学院特聘为副研究员和研究员。这期间,他先后获得中国地质学会“青年地质科技奖”金锤奖,中共中央组织部和中国科协“中国青年科技奖”,国务院“政府特殊津贴”,中国科学院自然科学奖三等奖。1995年起,任中国科学院地质研究所地热研究室主任,成为年轻的学术带头人。
怀揣梦想,走向世界
庞忠和曾多次赴美国、法国、新西兰和冰岛等国家访问交流,开展地热系统水循环示踪、水岩相互作用热力学模拟、地温场和流体运移数值模拟,以及同位素地球化学等当时世界上很前沿的研究。他沐浴改革开放春风,从一名土博士成长为国际化学者。
他山之石,可以攻玉。在美国做高级访问学者时,他找到美国同行地热水测试数据中的失误,并由此改进了基于化学反应热力学模拟的地热水温度计,即地热界广为人知的FixAl方法。论文在国际权威刊物《Geochimica et Cosmochimica Acta》上发表后,受到同行广泛肯定,被应用于预测全球数十个不同类型的地热系统的深部温度。
国际化的科研来自国际化的平台。借助于国际组织的渠道走向世界、实现国际化是很多学者的愿望。然而,一般人难有这样的机会。庞忠和是个幸运者,在他的科研生涯中,有一段与众不同的经历。那就是他在中科院支持下,作为中国科学家,与国际原子能机构(IAEA)水资源计划长期合作,两度赴IAEA总部任职7年。
我国于1984年加入IAEA,1987年开始与其开展核技术在水资源领域应用的合作项目。庞忠和有幸成为最早参与者之一,先后参加了多次相关的科研活动和多个科研项目。这些活动为他提供了广泛的学习与实践机会。1997年,他首赴维也纳,任国际原子能机构同位素地球化学家,成为我国第一位获得这一职位的学者。他因此有机会深度介入IAEA的核心项目——全球大气降水同位素观测网(GNIP)的工作。从野外台站建设,到实验室测试质量保障,再到数据分析处理,比较系统地掌握了一套用同位素技术监测多尺度水循环的原理和技术方法。
2000—2005年,他再次被IAEA选中赴维也纳,任同位素水文学家,负责全球地热流体与地热资源项目,继续从事他所热爱的地热研究与应用工作。在这期间,他主持了“地热系统酸性流体研究”的国际合作科研项目——一个由欧美和亚太10个国家20个科研团队参加的研究项目。由他牵头总结的成果深化了对岩浆流体混合效应的认识和混合比的初步量化,为解决高温地热系统的强腐蚀等问题,开出了药方。
在IAEA工作期间,他还担任了IAEA与发展中国家之间发展项目的技术负责人,为推广核科学技术在地热资源评价与开发利用中的应用,足迹遍布亚、非、拉,涉及22个国家。他负责完成的项目涉及国家或地区占全球地热发电15强的50%左右,更占到发展中国家的90%以上。在东非裂谷地热带西支乌干达西部几个地热系统成因研究中,他基于同位素和水化学数据分析,得出了西部也存在高温地热系统的观点。这为后来在中国政府援助下,东非裂谷地热带开发利用突飞猛进地发展,起到了推动作用。他基于丰富的国际科研实践,先后主编出版了《Analytical Procedures and Quality Assurancein Geothermal Water Chemistry》、《Application of radiotracers in industry-a guidebook》等著作。还为国际地热学权威刊物《Geothermics》主编了以“地热系统研究中的同位素技术”为题的国际专辑。此外,他还参与撰写了《水循环中的环境同位素:原理与应用》一书的地热部分,由联合国教科文组织出版,并被译为法语和西班牙语发行。
庞忠和在回忆自己在多瑙河边上的这段工作经历时,常常想起古人所说的“读书”与“行路”的不同益处。那些年他多次去亚非拉的发展中国家开展地热开发利用项目。作为技术负责人,他的责任很大,马虎不得。他深知,作为一个年轻的中国学者,一名共和国自己培养的“土博士”,他的工作是富于挑战性的,不用说那些疾病、安全风险等等,就技术本身和语言障碍已经足够难倒人。然而,从另一个意义上说,看不到足够多的疑难杂症,难成好医生。对于一个学者,亦是如此。因而,作为IAEA聘用的唯一地热专家,一个中国人,他又是十分幸运的。另外,虽然拿的是联合国护照,但人们记住的还是一个中国人。在这个过程中,他让国际友人看到了一个中国学者对学问、对和平与发展的追求,对不同文化背景人们的尊重和友好。许多外国人至今还是好朋友。在他结束任职之前的最后一年,IAEA获得了2005年诺贝尔和平奖。他幸运地分享了这个属于全体员工的奖项,可以说这为他“走向世界”的10年画了一个完美的句号。
西学中用,开创未来
身居海外,心系中华。2005年,走遍世界的庞忠和回到祖国,回到他热爱的中国科学院科研岗位上。受水利部门推荐,他担任国际水文科学协会(IAHS)中国委员会同位素水文学委员会主席,受国防科工局委托,他担任国际原子能机构(IAEA)亚太地区水资源合作计划的中国代表。我国经济社会的快速发展对于资源环境带来的诸多挑战,为作为水文学者的庞忠和提供了施展才华的巨大空间。
庞忠和继续推动我国与IAEA在水资源领域的科技合作。他与同事们一道,以同位素为放大镜,系统研究了中国的水循环与水岩相互作用科学问题,创建与改进了系列理论模型及实验方法。在维也纳工作期间,他曾主持IAEA帮助我国(中国科学院地质与地球物理研究所)建设同位素水文学实验室的工作,先后引进建设了国际先进水平的低本底氚制备、C-14制备、氟利昂测试等地下水测试系统,为团队的科研活动打造了实验平台。回国后,他在IAEA帮助下,进一步完善了测试系统,并且与时俱进,建设了激光同位素测试等新的地下水测试系统。经过几年的努力,实验室参加了国际实验室比对活动,在水同位素测试方面达到了国际领先水平。
基于国际视野和对科学问题的敏锐把握,庞忠和主持完成国家和IAEA资助的科研项目十余项,拓展核科学技术在水循环与水岩相互作用方向的研究。同时,通过学科交叉融合,使水文地质过程研究与探测能力大幅度提升。并把这些研究与水资源、地热资源、二氧化碳地质封存紧密结合起来,取得了系列成果。
1.北方干旱区地下水研究
在新疆塔里木盆地,受气候变化及农业用水的影响,在过去40多年中,“固体水库”——冰川消融,出山径流比前30多年增加10%。为上游高效用水提出了利用“现代坎儿井”的调控功能;针对中游,他指出“输水堤坝阻碍地下水补给,加速了生态退化”的新认识;对断流达37年之久的下游,基于国家投资百亿元的生态修复工程,他对输水方案进行了效果评估,并提出了可持续的流域水资源管理的建议。
山区降水是干旱区水资源的主要部分,然而对于其形成机理的问题难以用传统方法解决。庞忠和基于同位素氘盈余揭示了干旱区降水形成中的主要过程,计算出新疆降水中再循环水汽比例约为8%。为区域干旱化机理、古环境重建、水资源管理提供了重要依据。
干旱区水资源管理的一个主要内容是对水体盐化机理的认识。庞忠和指出博斯腾湖水、孔雀河和塔里木河水盐分中,溶滤贡献率为67—77%;中下游河岸带地下水的这个值在73%到99.6%之间,蒸发不是主要的。另外,基于同位素分割方法,他确定冰雪融水对出山径流贡献率,发现冰川融水补给比例高的河流对气候变化更敏感,为水资源变化预测提供了依据。
此外,他针对新疆、黄土高原和华北地区典型的地下水开展硝酸盐含量与年龄关系研究,确定了地下水硝酸盐背景值,发现我国北方地下水硝酸盐天然背景值自西向东逐渐升高,指出水质演化过程是地下水受人类活动影响的佐证。
2.地热研究取得多项新发现与新技术
作为参加世界地热能路线图制定的唯一中国学者,基于国际对比研究,他提出了中国地热能科技与产业发展的路线图,提出地热产业发展的“三步走”战略。他首次提出大力开发利用沉积盆地大型岩溶热储地热资源。庞忠和和他的团队研究发现,热储间存在穿层流,进而提出渤海湾盆地中低温传导—对流型地热系统成因新模式。他发现全国岩溶地热系统开发利用潜力巨大,在千亿吨标准煤量级。他在河北雄县地热田开展示范研究。基于多次回灌、示踪试验和数值模拟分析,使热田尾水回灌率接近100%。2012年,庞忠和主持全国地热能学术沙龙,力推隐伏岩溶热储规模化开发利用,收到同行的广泛认可与赞赏,中石化也把岩溶热储作为地热产业主要开发利用对象,迅速实现了规模化供暖利用;同年,他应邀出席世界气候变化大会(卡塔尔COP18)可再生能源主题会,向世界介绍了雄县的成功模式。2014年,雄县被国家能源局确定为全国的样板和示范区,要求复制、推广。这一项研究成果为减缓京津冀大气污染做出了贡献,受到中央政府肯定。
历史上我国的新疆地区从未有高温地热记载。庞忠和基于地下水混合模型预测热储温度,在南疆塔什库尔干塔吉克自治县预测高温地热系统存在,后为勘探验证,成为新疆首个高温地热系统。他从构造—热背景角度指出其为区别于西藏羊八井的新类型。
在西安和咸阳,庞忠和与他人合作,发现我国关中盆地的西安和咸阳中低温地热系统存在明显的氧漂移现象,并分析了其形成机理,拓展了学术界的既有认识,并进而完善了关中盆地地热系统成因模式,为该类地热系统可持续开发利用提供了重要依据。传统上认为,仅高温地热系统才会发生强烈水岩相互作用,导致显著的氧同位素漂移。庞忠和不禁感慨,中国之大,地学发现的空间无止境啊!
3.为二氧化碳地质利用开辟方向
砂岩地热储的回灌率低下一直是阻碍我国地热产业发展的不利因素。在国家863计划支持下,庞忠和主持了在天津大港油田地区开展的二氧化碳封存现场注入试验,配合水-岩-CO2反应实验、数值模拟研究,回答了陆相砂岩热储CO2反应与运移、封存机理等科学问题,提出利用二氧化碳提高地热回收率的CO2-EATER(enhanced aquifer thermal energy recovery)模式,一方面可望提高地热回采率,可以帮助开采地下微咸水,另一方面可以封存二氧化碳,前景看好。庞忠和团队的工作受到先后受邀在第13届国际水岩相互作用大会(墨西哥,2010年)和国际CCS环境管理论坛(韩国,2014)上发表了特邀主旨报告。
庞忠和在中国组织召开了“地下水动力学与补给中的同位素应用”国际会议。
孟子曰:“流水之为物也,不盈科不行;君子之志于道也,不成章不达。”自考入南京大学地质学系起,庞忠和就开始了其乐于山水的科学事业。三十多年的科研与实践生涯,他秉承南京大学的校训“诚朴雄伟,励学敦行”,怀着对水文地质科学的赤诚热忱,从“看山是山,看水是水”的初出茅庐,历经“看山不是山,看水不是水”的艰难困苦、玉汝于成,最终达到“看山仍是山,看水仍是水”的豁然开朗。愿庞忠和校友实现他的中国地下水梦想:水润神州,泉遍华夏!