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來源:行業熱點  發布時間:2019-03-07   95瀏覽  

1 京津冀地區地下水環境污染現狀與存在問題

1.1 地下水環境質量狀況不容樂觀,缺乏科學的風險管控與污染防治策略

京津冀地區地下水環境質量狀況不容樂觀.根據“全國地下水基礎環境狀況調查評估”項目2013年的調查結果,京津冀地區有72%的淺層地下水受到污染,且深層地下水污染風險正在逐年加大,總體水質呈逐年惡化趨勢(見圖 1).京津冀地區淺層地下水重金屬污染指標以砷、鉛、鉻為主,污染比例為7.98%;淺層地下水揮發性有機物污染較為嚴重,污染比例為29.17%,主要污染指標依次為1, 2-二氯丙烷、四氯化碳、苯、1, 2-二氯乙烷、苯乙烯等.統計數據顯示,自2010年以來,京津冀地區地下水中三氮質量濃度逐步升高,部分區域的地下水中甚至出現了致癌、致畸、致突變污染指標[6].另據《2017年中國生態環境狀況公報》,2017年全國5 100個地下水監測點中,水質為較差級和極差級監測點占66.6%,主要超標指標為總硬度、錳、鐵、溶解性總固體、三氮、硫酸鹽、氟化物、氯化物等,個別監測點存在砷、六價鉻、鉛、汞等重(類)金屬超標現象[7].目前對重點區域和行業污染源與地下水污染相關關系不明、成因不清,并且缺乏科學的污染風險管控和污染防治策略,因此亟需在頂層提出京津冀地區地下水污染防治技術框架、思路和戰略體系.


1.2 地下水污染源點多面廣,地下水污染監測預警體系亟待完善

京津冀地區地下水污染源點多面廣,工業園區、填埋場、加油站、生活、農業污染源均大量分布[2].據調查,區域內分布有1.26×104個地下水污染源,涵蓋加油站、垃圾填埋場、危廢處置場、礦山開采區、高爾夫球場和再生水農用區等多種污染源類型.加之地下水污染具有隱蔽性、復雜性和不可逆性等特點[8],因此, 京津冀地區面臨的地下水污染風險和防控壓力十分巨大.然而長期以來,由于對地下水污染防治的重要性和緊迫性認識不足,部分地區地下水污染監測網布設密度不夠,缺乏針對典型污染源的監測網絡,難以查清地下水污染現狀;地下水監測層位不足,多針對淺層地下水進行監測,缺乏對地下水三維空間的立體分層監測;地下水環境監測指標不足,不能準確的反映地下水污染問題;地下水監測方法落后,未能實現多指標在線監測,很多地區仍采用人工檢測的方式進行監測[9-11].現有的監測網布設密度、監測層位、監測指標和監測方法等均不能滿足京津冀地區的地下水環境監控與預警需求,亟待構建和完善京津冀地區地下水污染監測預警體系,將區域地下水監測網的監測精度提升至1 :50 000.

1.3 地下水污染修復難度大,亟待開展技術集成創新與工程示范

京津冀地區典型污染場地水文地質條件及污染狀況復雜,存在無機鹽、重金屬、有機污染物和病原菌的多組分復合污染問題,地下水修復技術選擇難度大,單一修復技術存在修復效率低、污染易反彈等問題[12-13].地下水污染防控與修復技術與裝備落后,國產化水平低,無法滿足京津冀地區地下水污染防治需要.亟需結合京津冀地區污染場地的污染特征、水文地質條件和社會經濟水平,開發高效及適應性強的地下水污染強化修復與組合技術.

1.4 地下水超采問題突出,迫切需要研發地下水安全回補技術

京津冀地區水資源匱乏,多年平均水資源量只有3.70×1010 m3,不足全國的1.3%,卻承載了全國約10%的人口.由于地表水資源嚴重不足,地下水已成為京津冀地區工農業和生活用水的主要供水水源,占區域供水量的70%以上[8].地下水長期大量開采導致京津冀地區地下水超采嚴重(見圖 2),形成了世界上面積最大的“華北平原-環渤海復合大漏斗”,誘發了嚴重的地面沉降、地表裂縫等地質災害[14].近20年來,京津冀地區已累計超采9.00×1010 m3,其中淺層地下水3.50×109 m3,超采面積達8.66×104 km2,超采造成部分區域的地下水水位差接近30 m,誘發了400多條地裂縫[15].南水北調和雨洪作為回補京津冀地區地下水的重要水源,對有效解決地區地下水資源短缺和超采問題意義重大,而目前地下水回補適宜區分布工藝技術、工程實施與風險防控尚處于探索階段,針對不同水源回補地下水后造成回補區水動力場、水溫度場、水化學場變化而引起的二次污染問題、回灌堵塞問題以及相應的風險管控措施尚未開展過系統的研究,缺乏地下水安全回補技術標準和污染風險防控政策,因此亟需構建適宜的地下水安全回補技術體系[16-17].

2 京津冀地區地下水環境管理技術發展現狀

2.1 京津冀地區地下水污染風險管控和污染防治策略已初步形成

自20世紀70年代以來,歐美等發達國家在地下水污染防治方面相繼啟動了地下水保護與污染防治行動計劃,開展了大量系統的技術研究與工程應用實踐,針對地下水污染控制與修復制定了一系列較為完善的技術規范、指南和標準. 2006年,歐盟出臺了《歐盟地下水指令》,該文件是歐盟地下水環境管理和保護的綱領性文件,確立了歐盟地下水污染防治的框架和目標,為了實現該目標,歐盟各成員國制定了相應的實施計劃和最佳技術指南等.美國、加拿大和日本等國家針對地下水污染控制與修復制定了一系列較為完善的技術規范、指南和標準,用以指導地下水修復決策、修復目標制定、修復技術實施、監測及效果評價等行動.國外這些地下水污染控制與修復的指南和標準,為京津冀地區地下水修復頂層設計、綜合決策和修復技術實施、監測等提供了科學指導和重要基礎[18-19].

近年來,我國對地下水污染防治工作高度重視,相繼出臺了《全國地下水污染防治規劃(2011—2020年》和《華北平原地下水污染防治工作方案》等地下水污染防治文件,提出了未來我國和華北平原地下水環境保護總體目標;同時,在國家“863”計劃、環保公益專項等項目支持下,針對典型工業園區、有機化學品泄漏場地、城市生活垃圾填埋場、高風險污染場地等重點地下水污染防治對象,開展地下水環境狀況調查、污染過程識別、風險評估等研究,初步建立了相關的風險評價、污染防控方法,為地下水污染防治技術方案和管理政策的制定提供了重要支撐[20-24]. 2014年以來,生態環境部(原環境保護部)陸續編制印發了《地下水環境狀況調查評價工作指南(試行)》《地下水污染模擬預測評估工作指南(試行)》《地下水健康風險評估工作指南(試行)》《地下水污染防治區劃分工作指南(試行)》《地下水污染修復(防控)工作指南(試行)》《飲用水水源保護區劃分技術規范》《環境影響評價技術導則地下水環境》等標準規范,科學指導、推動各地開展地下水污染調查評估、防治區劃分、規劃評估、污染修復等工作.已取得的地下水污染狀況調查、污染識別、風險評估成果,對構建京津冀地區地下水污染防控關鍵技術及管理政策體系提供了良好的基礎[13, 25-26].

2.2 初步形成京津冀地區地下水污染監測預警體系

自20世紀70年代以來,京津冀地區就已開展了地下水水位、水量和水質監測.目前,河北省共有地下水監測井752眼(承壓水井133眼),其中, 5日觀測井603眼,逐日觀測井130眼,開采量觀測井130眼,水質觀測井421眼.天津市共有地下水常規監測井422眼,控制著第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ組及第Ⅴ組以下各含水巖組地下水動態,各監測層組站網密度:第Ⅰ組183.84 km2/眼、第Ⅱ組79.47 km2/眼、第Ⅲ組161.08 km2/眼、第Ⅳ組195.41 km2/眼、第Ⅴ組及第Ⅴ組以下238.4 km2/眼.監測項目主要包括水位埋深、開采量、水質、水溫等.北京市針對地下水含水層建立監測井822眼,針對工業開發區、垃圾填埋場等重點污染源建立監測井360眼,總數達1 182眼,達到了1 :50 000的立體分層監測精度[27].到2019年底,北京市將實現山區-平原全域覆蓋、巖溶-裂隙-第四系全覆蓋、無機-有機并重的監測體系,為京津冀地區地下水監測體系形成提供了堅實基礎.

在線監測設備及技術的研發方面,美國、荷蘭等國家在20世紀90年代即已開始重點研發地下水在線監測技術及設備,比較有代表性的包括荷蘭的Diver系列、美國的Level Troll系列及日本的KOSHIN-DL-N-Series系列等,實現了地下水數據的實時監測[28].在國家重大科學儀器設備開發專項“地下水采樣與檢測一體化移動式設備研發與應用項目”(No.2013YQ060721)、環保公益科技專項“地下水污染監控預警與事故應急技術體系研究”(No.201409030)等項目支持下,我國針對地下水采樣與實時監測技術和設備,研發了包含重金屬鉻、苯系物等20多種污染物的快速檢測一體化地下水無擾動采樣設備,并構建了適用于我國的地下水污染預警技術框架、應急監控管理的聯動機制與響應流程,以及突發污染事故的應急管理技術[29-31].國內外現有研發的在線監測設備,可實現水位、水溫、電導率以及部分水化學指標的在線讀取、存儲和分析.這些前期的基礎條件,均為京津冀地區的地下水污染監測預警體系建設奠定了技術和理論基礎.

2.3 京津冀地區地下水污染治理技術發展與應用

從20世紀70年代開始,歐美發達國家在化工行業及填埋場污染地下水的修復材料、技術和裝備方面進行了一系列的研究工作,積累了較多的成果[32-34].荷蘭政府在20世紀80年代就投入15×108美元進行土壤修復技術的研究和工程應用試驗;德國政府在1995年投資60×108余美元進行污染土壤修復工程實施;美國通過超級基金制度從20世紀80年代初開始,至2009年已經投入數百億美元開展土壤和地下水的修復工作.目前,西方發達國家在場地修復技術與裝備研發、工程應用以及產業化方面日趨成熟,已成功應用于不同污染狀態下的場地治理工程,形成了完備的監管體系、政策法規、技術集成和材料裝備產業化綜合體系,為構建京津冀地區典型場地地下水污染修復技術政策體系提供了借鑒[35].

在“九五”至“十二五”期間,我國已開展了典型化工場地及填埋場、加油站等地下水污染調查、修復和應急處理的相關研究,積累了豐富的理論與技術成果,初步形成了典型行業與場地的地下水污染防治技術體系.在污染物空間刻畫方面,形成了系統的污染場地調查、精確識別和風險評估體系[36-37];在地下水污染擴散阻斷方面,研制了立體防滲、抗腐蝕物理阻截材料,創建了物理化學和生物雙層可滲透反應墻等修復技術[38];在污染場地地下水污染治理方面,針對地下水的有機污染、重金屬污染等突出問題,研制了雙層活性介質材料、雙層過硫酸鹽緩釋材料等多種針對典型場地地下水中污染物降解的修復材料[39-42],為發展和完善京津冀地區地下水污染場地的修復技術體系提供了重要技術基礎.

在地下水污染治理技術的場地應用方面,京津冀地區已針對化工行業重點污染區域內的污染場地開展了大量地下水污染調查和修復工作.據統計,在京津冀地區已完成的化工污染場地調查項目有21個,已完成的場地修復工程項目有50余項,包括北京化工三廠土壤修復工程、北京紅獅涂料有限公司北廠區污染土壤處置工程、北京化工二廠土壤修復工程、北京煉焦化學廠南廠區土壤修復工程等.這些工程主要采用水泥窯焚燒固化處理、阻隔填埋處理、固廢填埋處理等修復技術對場地的污染土壤進行處理和修復,修復后的場地土壤各項指標經檢測均符合居民土壤健康風險評價建議值標準,為開展京津冀地區地下水污染防治工程示范提供了良好的經驗基礎.

2.4 京津冀地區地下水安全回補技術體系研發狀況

圍繞地下水資源的可持續利用,國外尤其是澳大利亞、美國等在地下水回補關鍵技術、風險防范等方面開展了大量工作,建立了相關技術規程,為京津冀地區典型區域回補和風險管控實踐提供了技術借鑒.早在19世紀初,美國及歐洲一些國家開展了回補方面的基礎研究工作,至20世紀初,已經開展一系列的地下水人工回灌工作,如美國的ASR系統、比利時的SAT系統等地下水回補工程至今仍運行良好,很大程度上提高了地下含水層的補給水源,恢復了生態環境[43-45].

我國在京津冀地區也開展了一定的地下水回補試驗研究工作.北京市曾多次開展不同入滲途徑的地下水人工調蓄的試驗研究,先后建立了廖公莊均衡試驗場、西黃村人工回灌試驗站和雨洪利用示范工程等;南水北調水源進京后,在潮白河地區開展了試驗性回補,估算了河道的入滲強度和地下水環境影響范圍,評價了南水北調水源入滲對地下水水質的影響,為京津冀地區地下水安全回補技術體系研發提供了重要經驗.

3 京津冀地區地下水污染防治研究方向與目標

京津冀地區污染場地地下水污染問題突出、風險大,嚴重威脅飲用水安全和人體健康,已成為城鎮化建設和京津冀協同發展過程中亟需解決的重大問題. “十三五”期間,亟需以改善京津冀地區地下水水質、提升地下水污染防治技術與管理水平為總體目標,以京津冀地區地下水污染防控與管理技術為出發點,按照“頂層設計-監測與平臺支撐-重點行業示范-系統風險防控-管理政策”的研究思路,形成適用于遏制京津冀地區地下水污染趨勢的污染風險管控、污染治理技術體系和綜合保障方案,為京津冀地區地下水污染防治工作提供系統的技術體系和管理支撐,綜合提高京津冀地區的地下水環境質量管理水平和污染修復治理能力.

3.1 開展地下水污染特征識別與系統防治研究,完善京津冀地區地下水污染防治頂層設計

3.1.1 系統識別京津冀地區地下水污染特征

京津冀地區已經開展過較多的地下水污染調查工作,但在污染區刻畫方面存在精度不高、邊界模糊、未考慮污染物遷移特性和驅動機制等問題,需要綜合考慮水文地質單元、地下水運移特征、土地利用過程等多要素耦合關系,構建地下水污染因素鏈與行業特征關鍵參數相耦合的京津冀地區地下水污染分類分區方法,科學劃分京津冀地區地下水污染分區和污染等級,系統識別京津冀地區地下水污染特征,明確京津冀地區地下水污染現狀與空間分布,這是明確地下水污染防治重點區域和行業的前提.

3.1.2 精準判定京津冀地區地下水污染風險源

地下水污染風險源識別是地下水污染調查的主要任務,也是地下水污染防治規劃與地下水環境分級管理的基礎.京津冀地區地下水污染源點多面廣,污染防治難度大,因此,建立基于京津冀地區地下水污染源分布特征的地下水污染風險源識別與強度評價技術方法,精準識別京津冀地區地下水污染風險源并形成重點風險源防控清單,對京津冀地區地下水污染源的分類防控尤為重要.

3.1.3 科學辨識京津冀地區地下水污染過程及其主控因子

地下水污染過程是一個多來源、多路徑鏈接、多介質組合、多因素影響、多時間重疊的復雜過程.不同種類的污染物與復雜環境因素的組合,極大地增加了地下水污染作用及其過程的復雜性和識別難度,造成了地下水污染防控方向不明、措施不力.因此,以重點區域地下水特征污染物為研究對象,通過數值模擬和野外試驗等研究方法,識別京津冀地區地下水污染過程,分析污染源要素、地形因素、含水層因素等對污染物遷移轉化過程的影響程度,識別特征污染物地下水污染過程主控因子,探明地下水污染來源和驅動機制,是正確優選地下水污染防控對象、準確切斷污染路徑和科學采取管控措施的關鍵.

3.1.4 建立京津冀地區重點行業地下水優先控制污染物清單

京津冀地區產業結構復雜,重點行業如化工、冶煉、垃圾填埋場等排放的污染物種類繁多,然而針對京津冀地區的地下水優先控制污染物的清單研究基本是一片空白.因此,結合該地區的具體特點(如產業結構、污染源分布、水文地質條件等因素),識別京津冀地區地下水特征污染物,分析特征污染物的毒性效應和環境行為,建立基于環境和毒性綜合指標的優控污染物的篩選原則及多層次篩選模型,確定京津冀地區地下水優先控制污染物清單,是有效開展京津冀地下水環境監管和污染綜合防治的必要前提.

3.1.5 明確京津冀地區地下水污染風險區劃

京津冀地區地下水污染風險區劃工作的進度仍遠遠落后于地下水環境質量提升和科學管理決策的迫切需求,地下水污染風險水平和等級不清,嚴重影響京津冀地區地下水環境管理工作效率.因此,構建京津冀地區地下水污染風險評估體系,明確京津冀地區地下水污染風險區劃,將為京津冀地區地下水污染風險分級管控提供強有力的技術支撐.

3.1.6 形成京津冀地區地下水污染全過程防治技術體系與防控方案

盡管目前已經在不同層面開展了有關京津冀地區地下水污染防治技術和方案的研究,但尚未形成系統完整的地下水污染防治技術方案,導致污染防治工作缺乏系統性和針對性.制訂京津冀地區地下水污染防治技術方案,形成京津冀地區地下水污染防控與修復技術優化方案和指南,是提高京津冀地區地下水污染防治與管理水平的關鍵.

3.2 突破京津冀地區地下水污染精確識別與監測技術,提升地下水環境監控與預警能力

3.2.1 突破地下水污染精確識別與優化監測技術

突破京津冀地區地下水污染精確識別與優化監測技術,是提升地下水環境監管能力的基礎.目前,我國水利、國土和環保部門均在京津冀地區開展了地下水監測網的建設工作,但不同業務主管部門、不同空間尺度的地下水環境監測網、同一監測網的不同類型監測井之間缺乏協同與優化,嚴重制約了京津冀地區地下水環境監管能力提升,亟需研究不同空間尺度地下水污染識別與監測井優化方法,建立地下水污染精確識別與優化監測技術體系.

3.2.2 構建不同尺度地下水污染監測預警技術體系

創建地下水污染監測預警技術體系,是提高地下水污染應急和風險防范的重要手段.針對京津冀地區不同空間尺度的地下水系統污染指標多樣、指標閾值差異較大,污染物在包氣帶-含水層間的遷移轉化機制尚不明晰等問題,需開展京津冀地區不同空間尺度地下水系統污染監測預警技術體系研究,建立地下水污染監測預警綜合指標體系,確定地下水系統污染預警閾值,研發包氣帶-含水層污染遷移協同模擬技術,為地下水系統污染監測、風險預警和污染防控與強化修復提供關鍵指標、工藝參數和預警模型技術支撐.

3.2.3 突破分層連續采樣和多因子快速監測設備與數據傳輸關鍵技術

針對地下水污染原位監測技術方法落后、監測指標不科學、系統監測網缺失的現狀,亟需研發地下水污染原位監測技術、小型化便攜式地下水多層采樣設備和多因子在線監測設備,構建基于物聯網的多維度、多尺度地下水水位、水質等污染相關數據動態采集、遠程傳輸技術體系,為京津冀地區地下水污染監測網建設提供技術支撐和裝備保障.

3.2.4 建立地下水污染監控預警與數字化技術平臺

搭建地下水污染監測預警及數字化技術平臺,是地下水污染防控、飲用水安全保障科學決策和信息化管理的基礎.受地下水污染關鍵指標提取分析技術、地下水數據分析技術的制約,目前京津冀地區缺乏能業務化運行并可復制、可推廣的地下水污染監測預警及數字化、可視化平臺,亟需建立立體多維度地下水污染監測與預警體系,形成模塊化、標準化監測預警與數據信息處理平臺,實現地下水污染監測預警及數字化平臺業務化運行,為地下水安全保障與信息化建設、決策管理提供技術支撐平臺.

3.3 針對京津冀地區重點區域和行業,研發地下水污染源頭阻控與污染修復成套技術

3.3.1 研發場地尺度地下水污染準確識別與快速診斷技術

京津冀地區的地下水污染場地存在污染監測井布點不合理、監測指標不科學等問題,制約了地下水污染診斷的及時性與準確性,因此需開展地下水污染過程、范圍及程度的識別研究,研發污染準確識別與快速診斷技術,提升典型污染場地調查評估的科學性、可操作性和經濟性.

3.3.2 突破地下水污染源頭控制與總量削減技術

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