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北極星環境修復網訊:課題背景
「密懷順地區的地下水汙染以排汙河道線狀汙染為主，局部地區存在硝酸鹽氮超標現象。」在密懷順平原區調研時，「京津冀地下水汙染特徵識別與系統防治研究」課題組專家說。
密懷順平原區是北京市重要的供水水源地，八廠水源地、懷柔應急水源地等地下水水源地均位於這一區域內，其地下水水質的重要性不言而喻。
而這裡，只是京津冀地區的縮影。地下水作為京津冀區域重要戰略水資源和飲用水源，超採嚴重且汙染形勢嚴峻，危及京津冀區域用水安全。
針對京津冀地區地下水汙染形成機制及演變趨勢不清、戰略布局和關鍵技術體系不完善等問題，水專項「京津冀地下水汙染特徵識別與系統防治研究」課題著眼京津冀地下水汙染防控與修復，由中國環境科學研究院總工程師席北鬥研究員擔任課題負責人，中國環境科學研究院、生態環境部環境規劃院、中國地質調查局水文地質環境地質調查中心、同濟大學、中國地質科學院水文地質環境地質研究所、清華大學、成都理工大學、中持水務股份有限公司等8家單位攜手，共同為京津冀地下水安全保障提供科技支撐。
精準識別汙染特徵，明確防控發力點
地下水環境質量控制至關重要。
根據《2017年中國水資源公報》，我國供水結構中，地下水源供水量為1016.7億立方米，佔總供水量的16.8%。「儘管地下水源供水佔比不到20%，但由於我國北方城市多為地表水、地下水混合供水，供水人口比例相對較高。」生態環境部環境規劃院水環境規劃部主任助理劉偉江說。
但長期以來，京津冀地區的區域、行業地下水汙染狀況、成因和形成機制不明確，成為掣肘地下水汙染防治目標實現的重要因素。
「《國家十三五規劃綱要》《水汙染防治行動計劃》《京津冀協同發展規劃綱要》《全國地下水汙染防治規劃（2011-2020年）》和《華北平原地下水汙染防治工作方案（2012-2020年）》等國家戰略均在著力布局京津冀地下水安全保障工作。」席北鬥道出京津冀地下水安全保障的重要意義。
謀定而後動。要開展地下水汙染防治，必須率先明確地下水汙染特徵，進行分類分區，識別與評估地下水汙染源。
課題組以「六五」國家重點科技攻關項目《華北地區及分區地下水水質評價及水源保護研究報告》為基準，對2006-2009年地質調查項目「華北平原地下水汙染調查評價」樣品檢測結果進行地下水系統數理統計分析，確定了京津冀地下水「三氮」、重金屬和有機指標的對照值。基於對照值，選取三氮、重金屬、揮發性有機物、半揮發性有機物指標共45項，對京津冀平原區的淺層地下水汙染進行評價分級。
工欲善其事，必先利其器。針對典型行業與地下水汙染關聯性分析，課題組基於地質統計學和貝葉斯方法構建了一套模型。通過對京津冀地下水監測數據進行採集、汙染指標關聯分析測算和評估資料庫構建，可以實現在線汙染來源概率分析以及汙染分級計算。
以滹沱河平原區為研究對象，課題組利用模型對比了2006-2009年與2019年的淺層地下水樣品監測數據，發現該區域淺層地下水中有機汙染指標含量明顯下降，主要的汙染指標仍是「三氮」，其中硝酸鹽氮汙染有明顯惡化的趨勢。通過構建面狀分布指標的地下水汙染插值分區方法和非面狀分布指標的單點影響範圍分區方法，課題組還劃分了地下水硝酸鹽氮的面狀汙染分區和重金屬、有機物的非面狀汙染分區。
「識別風險源，必須精準。」課題組專家說。而精準的背後，是對京津冀區域內各類汙染源及其分布狀況的詳細調查，是區域尺度和城市尺度風險源的科學識別方法。
在區域尺度上，課題組構建了涵蓋汙染源種類K（包括毒性、衰減能力、遷移性等）、汙染物產生量Q、汙染物釋放可能性L（有無防護措施、有無洩漏）及汙染緩衝半徑D等4個指標的汙染源評價體系。
在城市尺度上，課題組從汙染風險源自身的屬性和汙染風險源的排放量兩個方面考慮汙染風險源的危害性。結合國家技術規範和目前地下水汙染源分類研究進展，識別了京津冀區域內工業源、生活源、農業源、廢物處置類、地下設施類和地表水體六大類汙染源。
綜合考慮汙染物遷移性、毒性特徵、降解性、排放濃度、排放量、防範措施和釋放可能性指標，課題組構建出地下水汙染風險源強度評價指標體系，確定了重點研究區各汙染源的貢獻率，地下水汙染風險源清單就此形成。
清單顯示，在北京順義區，高風險源為工業源，貢獻率過半，中風險源為農業源，貢獻率約1/4。在天津靜海區，高風險源同樣為工業源，但貢獻率高達77.49%，其餘風險源則為低風險源。而石家莊滹沱河平原區的高風險源則是生活源，貢獻率近半，較高風險源為工業源，貢獻率約為1/3。
解析地下水汙染過程，突破關鍵節點
京津冀地區地下水汙染的形成機制和影響因素是什麼？優先控制汙染物有哪些？如何識別？過去，這些問題都是京津冀地下水汙染治理工作中的「攔路虎」。
這意味著，地下水汙染過程識別與成因分析、優控汙染物識別與清單構建勢在必行。
課題組研究發現，京津冀區域主要存在大氣降水滲入汙染型、河流或渠道滲入汙染型、滲坑/水塘汙染型、垂向優勢通道汙染型和地下水水位回升汙染型5種地下水汙染模式。
從區域維度來看，大氣降水滲入汙染型主要分布在除地表水體外的華北平原區；河流或渠道滲入汙染型主要分布在太行山、燕山山前至濱海的河道帶或人工渠系；滲坑/水塘汙染型主要分布在白洋澱周邊及濱海區域；垂向優勢通道汙染型主要存在於點狀汙染源與水井並存區、油田油井分布區；地下水水位回升汙染型主要存在於地下水壓採區。
通過對京津冀地區區域尺度及場地尺度地下水汙染調查評價成果進行分析，課題組形成了不同汙染情景模式下的因子分類清單。
課題組創新結合包氣帶與飽水帶，構建了主控因子識別目標函數，形成了基於數值模型和敏感度分析的主控因子識別方法。採用Hydrus 2D/3D軟體，模擬了不同汙染情景模式下的地下水汙染過程，分析了汙染過程的主控因子。
例如，大氣降雨入滲模式下，主控因子是包氣帶吸附係數、彌散度和包氣帶土壤容重，而季節性河流驅動模式下，主控因子則是地下水水位變化幅度。
隨著汙染過程逐漸明晰，課題組將目光投向優先控制汙染物清單。
要建立優先控制汙染物清單，必須首先了解汙染物的種類，從中加以篩選。課題組紮實分析了京津冀地下水特徵汙染物清單、國內外優控清單、國內外飲用水質量標準、水環境質量標準、生活汙水排放標準、文獻等資料，確立了含有197種汙染物的京津冀優先控制汙染物初始名單。其中包含49種揮發性有機物（VOC）、116種半揮發性有機物（SVOC）、22種重金屬和10種其他類汙染物。
197種汙染物，究竟哪些才是優先控制汙染物？
課題組結合文獻調研、模型驗算和室內實驗，開展了汙染物環境效應研究。
一方面，課題組確定了14個毒性端點，評估了京津冀地下水優控汙染物初始名單中每種汙染物的一般毒性（急性和慢性毒性）、特殊毒性（致癌致畸致突變性）和內分泌幹擾性等指標，建立了毒性效應資料庫。
另一方面，課題組利用8個環境行為參數，評估了京津冀地下水優控汙染物初始名單中各汙染物的環境排放量和汙染程度、遷移性、降解性和生物累積性等指標。基於包氣帶和飽水帶的二維水流-溶質運移模型，課題組綜合考慮汙染物在水中的擴散係數、地下水孔隙結構的彎曲度、汙染物在土壤中的吸附-解析平衡，鑑定了反映地下水中優控汙染物遷移性的特徵因子，修正了汙染物在地下水中的遷移行為，建立了汙染物環境行為資料庫。
摸清每種汙染物的環境效應後，課題組更進一步，分別利用潛在危害指數法、密切值法、層次分析法3種方法，對重點研究區及典型行業的地下水優控汙染物進行了篩選。通過對比分析，初步建立了京津冀重點區域的地下水優控汙染物清單。
以密懷順研究區為例，課題組形成了含有89種優控汙染物的清單，其中包含16種金屬元素和73種有機物。
「這份清單涵蓋了填埋場、化工行業、冶煉行業等重點行業汙染場地以及有機物、重金屬、無機鹽、微生物等類型的汙染物，與國內外重點關注的汙染物名單及相關標準具有較高一致性。」課題組專家介紹。
「多虧了課題組，有了優先控制汙染物清單，我們的地下水環境監管和汙染綜合防治工作才能有的放矢，才能有抓手。」地方生態環境部門的同志表示。
劃定風險分區，科學管控風險
「身邊沒有井，總感覺地下水與自己有距離。」這或許是不少人對地下水的印象。實際上，如果地下水被汙染，不僅會對工農業生產產生深遠危害，而且修復需要的時間也相當漫長。因此，防控地下水汙染風險十分重要。
知己知彼，方能百戰不殆。長期以來，京津冀地區地下水汙染風險不清、缺乏風險管控措施的問題一直存在，是保證地下水安全必須啃下的「硬骨頭」。
但可能造成地下水汙染的風險很複雜，要想精準識別風險並不容易。
收集資料、調研採樣、分析檢測、室內試驗、地質鑽孔建井……課題組通過大量實際工作，構建了耦合風險源綜合危害性、地下水脆弱性、地下水功能價值的多要素評價模型。
有了這個模型，評價工作隨之展開。
課題組結合京津冀「山前平原-中部平原-濱海平原」等不同區域的水文地質特徵，主要考慮地下水埋深、含水層淨補給量、含水層介質、土壤介質、地形坡度、包氣帶介質類型、含水層滲透係數等水文地質參數，確定了地下水的脆弱性。
而針對飲用水、農業或工業用水等不同的地下水使用功能和環境管理目標，課題組建立了綜合考慮水質、水量、含水層深度等多因素的地下水功能價值評估方法。
隨後，以多因素綜合評價方法為基礎，課題組利用層次分析法、迭置指數法，建立京津冀地下水汙染風險分級分類方法，並對京津冀平原區、北京密懷順平原區、石家莊滹沱河平原區等區域進行了地下水汙染風險區劃。
研究發現，京津冀平原區地下水汙染風險等級呈現出自西部山前至東部濱海平原逐漸降低的趨勢，北京、石家莊、保定、唐山等山前地區地下水汙染風險相對較高，汙染源集中區域、衝洪積扇上遊以及水源地分布區的地下水汙染風險普遍較高。
在此基礎上，課題組提出了「以防為主、綜合施策、突出重點、分類防治」的地下水汙染風險分級防控基本原則，結合地下水汙染風險區劃結果將京津冀平原區劃定為嚴格防治區、一般防控區和系統保護區。針對不同等級地下水汙染風險防控分區，分別提出了「治理措施為主」「防控措施為主」和「制度控制為主」的地下水汙染風險防控策略，並按照區域、城市和場地3個尺度，提出了地下水汙染風險的管控技術對策，形成了京津冀地下水汙染風險識別分級與分類管控體系，並發布了《集中式地下水飲用水水源地補給區汙染源強評價與分級技術指南（試行）》團體標準。
同時，為了實現京津冀地下水汙染風險信息化管理，課題組還開發了「京津冀地下水汙染風險分級管控技術平臺」，讓京津冀區域全面開展地下水汙染頂層設計、分區防治，讓地下水汙染源分類監管更加智慧。
地下水如何安全回補也是課題組重點關注的問題之一。
「由於長期持續大規模開採，北京形成的地下水巨大虧空及局部地下水漏鬥區依然會在一定時期內存在。」北京市水務局相關負責人表示。
「並不是所有地區都適合回補。」課題組專家說。從識別京津冀地區地下水適宜回補區的角度入手，課題組基於水文地質條件的分析，系統梳理了京津冀平原區含水層巖性結構、蓄水和給水條件，甄別地形地貌、包氣帶介質與含水砂層分布、厚度以及粒徑特徵等，掌握了京津冀平原區水文地質特徵與包氣帶巖性結構特徵，確定了京津冀地區優先回補、可控回補和禁止回補地段。
用理論指導實踐，以實踐驗證理論。課題組選取了滹沱河平原區作為重點區域，開展地下水位、水質長期監測工作，監測回補過程中地下水水化學演化規律、流場演化規律、水巖相互作用以及人類活動影響下水質變化規律，結合地下水回補過程和作用機制，建立不同回補水源水質與地下水位抬升過程中物理-化學環境改變對地下水水質影響的關鍵因素鏈，建立了環境約束條件對京津冀地下水回補影響評估與環境風險防控技術體系。
構建技術體系，完善頂層方案設計
在梳理京津冀地下水風險源時，課題組發現，規模以上工業行業在京津冀區域內分布數量多、廢水體量大，對區域地下水環境具有一定的汙染風險。
「結合國內現有相關文件對重點行業的界定，我們確定了化學原料和化學製品製造業、黑色金屬冶煉和壓延加工業、黑色金屬礦採選業、皮革、毛皮、羽毛及其製品和製鞋業、醫藥製造業、金屬製品業和非金屬礦物製品業等7個行業，作為京津冀地下水汙染重點行業。」課題組專家介紹。
考慮到地下水汙染防治工作的複雜性和長期性，地下水質量改善的滯後性，採取各類控源、風險管控和汙染修復措施，遏制地下水水質惡化趨勢的任務十分緊迫。
課題組的專家們知道，必須有一套汙染防治技術體系，搭建起頂層防治技術方案，才能為地下水提供更好的保障。
結合地下水汙染狀況、脆弱性及水資源功能價值的評價結果，課題組劃分出7個典型的重點行業地下水汙染防治區域。
聚焦京津冀重點汙染區的重點行業特點和水文地質條件，課題組篩選了有效防治技術，對比多種方法後，最終確定以改進的IOC方法來確定京津冀重點汙染區地下水汙染防治適宜技術清單。
課題組專家表示，改進的IOC排序法無需獲取各評價指標的具體權重值，減少了多次評分過程中主觀因素的影響，結果也更科學、合理。
通過運用改進的IOC方法對京津冀重點防控區域進行分類、分區的地下水汙染防治適宜技術篩選，課題組形成了涵蓋12項技術的分區、分類地下水汙染防治適宜技術清單。例如，對於中部衝擊平原地區的有機汙染區域，推薦適宜的源處理技術有原位熱處理技術、強化生物修復技術和原位化學修復技術。
而針對京津冀地下水汙染重點行業之首——石油化工行業，課題組專門編制了《石油化工地下水汙染防治技術指南》，保障我國石油化工汙染場地地下水環境質量的改善。
基於京津冀水文地質條件及地下水汙染特徵等因素，課題組結合國內相關導則規範，確定了京津冀重點區域地下水汙染修復與風險管控目標與模式，篩選了不同類型汙染場地的可行性技術，並分別提出了重點區域地下水汙染修復與防控的技術方案，京津冀地下水汙染防治的頂層設計更加完善，防治目標的實現更有保障。
原標題:精準施策，科技助力京津冀地下水環境管理 水專項「京津冀地下水汙染特徵識別與系統防治研究」課題成果顯著
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