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问题及科技发展对策
来源:行业热点  发布时间:2019-03-07   901浏览  

1 京津冀地区地下水环境污染现状与存在问题

1.1 地下水环境质量状况不容乐观,缺乏科学的风险管控与污染防治策略

京津冀地区地下水环境质量状况不容乐观.根据“全国地下水基础环境状况调查评估”项目2013年的调查结果,京津冀地区有72%的浅层地下水受到污染,且深层地下水污染风险正在逐年加大,总体水质呈逐年恶化趋势(见图 1).京津冀地区浅层地下水重金属污染指标以砷、铅、铬为主,污染比例为7.98%;浅层地下水挥发性有机物污染较为严重,污染比例为29.17%,主要污染指标依次为1, 2-二氯丙烷、四氯化碳、苯、1, 2-二氯乙烷、苯乙烯等.统计数据显示,自2010年以来,京津冀地区地下水中三氮质量浓度逐步升高,部分区域的地下水中甚至出现了致癌、致畸、致突变污染指标[6].另据《2017年中国生态环境状况公报》,2017年全国5 100个地下水监测点中,水质为较差级和极差级监测点占66.6%,主要超标指标为总硬度、锰、铁、溶解性总固体、三氮、硫酸盐、氟化物、氯化物等,个别监测点存在砷、六价铬、铅、汞等重(类)金属超标现象[7].目前对重点区域和行业污染源与地下水污染相关关系不明、成因不清,并且缺乏科学的污染风险管控和污染防治策略,因此亟需在顶层提出京津冀地区地下水污染防治技术框架、思路和战略体系.


1.2 地下水污染源点多面广,地下水污染监测预警体系亟待完善

京津冀地区地下水污染源点多面广,工业园区、填埋场、加油站、生活、农业污染源均大量分布[2].据调查,区域内分布有1.26×104个地下水污染源,涵盖加油站、垃圾填埋场、危废处置场、矿山开采区、高尔夫球场和再生水农用区等多种污染源类型.加之地下水污染具有隐蔽性、复杂性和不可逆性等特点[8],因此, 京津冀地区面临的地下水污染风险和防控压力十分巨大.然而长期以来,由于对地下水污染防治的重要性和紧迫性认识不足,部分地区地下水污染监测网布设密度不够,缺乏针对典型污染源的监测网络,难以查清地下水污染现状;地下水监测层位不足,多针对浅层地下水进行监测,缺乏对地下水三维空间的立体分层监测;地下水环境监测指标不足,不能准确的反映地下水污染问题;地下水监测方法落后,未能实现多指标在线监测,很多地区仍采用人工检测的方式进行监测[9-11].现有的监测网布设密度、监测层位、监测指标和监测方法等均不能满足京津冀地区的地下水环境监控与预警需求,亟待构建和完善京津冀地区地下水污染监测预警体系,将区域地下水监测网的监测精度提升至1 :50 000.

1.3 地下水污染修复难度大,亟待开展技术集成创新与工程示范

京津冀地区典型污染场地水文地质条件及污染状况复杂,存在无机盐、重金属、有机污染物和病原菌的多组分复合污染问题,地下水修复技术选择难度大,单一修复技术存在修复效率低、污染易反弹等问题[12-13].地下水污染防控与修复技术与装备落后,国产化水平低,无法满足京津冀地区地下水污染防治需要.亟需结合京津冀地区污染场地的污染特征、水文地质条件和社会经济水平,开发高效及适应性强的地下水污染强化修复与组合技术.

1.4 地下水超采问题突出,迫切需要研发地下水安全回补技术

京津冀地区水资源匮乏,多年平均水资源量只有3.70×1010 m3,不足全国的1.3%,却承载了全国约10%的人口.由于地表水资源严重不足,地下水已成为京津冀地区工农业和生活用水的主要供水水源,占区域供水量的70%以上[8].地下水长期大量开采导致京津冀地区地下水超采严重(见图 2),形成了世界上面积最大的“华北平原-环渤海复合大漏斗”,诱发了严重的地面沉降、地表裂缝等地质灾害[14].近20年来,京津冀地区已累计超采9.00×1010 m3,其中浅层地下水3.50×109 m3,超采面积达8.66×104 km2,超采造成部分区域的地下水水位差接近30 m,诱发了400多条地裂缝[15].南水北调和雨洪作为回补京津冀地区地下水的重要水源,对有效解决地区地下水资源短缺和超采问题意义重大,而目前地下水回补适宜区分布工艺技术、工程实施与风险防控尚处于探索阶段,针对不同水源回补地下水后造成回补区水动力场、水温度场、水化学场变化而引起的二次污染问题、回灌堵塞问题以及相应的风险管控措施尚未开展过系统的研究,缺乏地下水安全回补技术标准和污染风险防控政策,因此亟需构建适宜的地下水安全回补技术体系[16-17].

2 京津冀地区地下水环境管理技术发展现状

2.1 京津冀地区地下水污染风险管控和污染防治策略已初步形成

自20世纪70年代以来,欧美等发达国家在地下水污染防治方面相继启动了地下水保护与污染防治行动计划,开展了大量系统的技术研究与工程应用实践,针对地下水污染控制与修复制定了一系列较为完善的技术规范、指南和标准. 2006年,欧盟出台了《欧盟地下水指令》,该文件是欧盟地下水环境管理和保护的纲领性文件,确立了欧盟地下水污染防治的框架和目标,为了实现该目标,欧盟各成员国制定了相应的实施计划和最佳技术指南等.美国、加拿大和日本等国家针对地下水污染控制与修复制定了一系列较为完善的技术规范、指南和标准,用以指导地下水修复决策、修复目标制定、修复技术实施、监测及效果评价等行动.国外这些地下水污染控制与修复的指南和标准,为京津冀地区地下水修复顶层设计、综合决策和修复技术实施、监测等提供了科学指导和重要基础[18-19].

近年来,我国对地下水污染防治工作高度重视,相继出台了《全国地下水污染防治规划(2011—2020年》和《华北平原地下水污染防治工作方案》等地下水污染防治文件,提出了未来我国和华北平原地下水环境保护总体目标;同时,在国家“863”计划、环保公益专项等项目支持下,针对典型工业园区、有机化学品泄漏场地、城市生活垃圾填埋场、高风险污染场地等重点地下水污染防治对象,开展地下水环境状况调查、污染过程识别、风险评估等研究,初步建立了相关的风险评价、污染防控方法,为地下水污染防治技术方案和管理政策的制定提供了重要支撑[20-24]. 2014年以来,生态环境部(原环境保护部)陆续编制印发了《地下水环境状况调查评价工作指南(试行)》《地下水污染模拟预测评估工作指南(试行)》《地下水健康风险评估工作指南(试行)》《地下水污染防治区划分工作指南(试行)》《地下水污染修复(防控)工作指南(试行)》《饮用水水源保护区划分技术规范》《环境影响评价技术导则地下水环境》等标准规范,科学指导、推动各地开展地下水污染调查评估、防治区划分、规划评估、污染修复等工作.已取得的地下水污染状况调查、污染识别、风险评估成果,对构建京津冀地区地下水污染防控关键技术及管理政策体系提供了良好的基础[13, 25-26].

2.2 初步形成京津冀地区地下水污染监测预警体系

自20世纪70年代以来,京津冀地区就已开展了地下水水位、水量和水质监测.目前,河北省共有地下水监测井752眼(承压水井133眼),其中, 5日观测井603眼,逐日观测井130眼,开采量观测井130眼,水质观测井421眼.天津市共有地下水常规监测井422眼,控制着第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ组及第Ⅴ组以下各含水岩组地下水动态,各监测层组站网密度:第Ⅰ组183.84 km2/眼、第Ⅱ组79.47 km2/眼、第Ⅲ组161.08 km2/眼、第Ⅳ组195.41 km2/眼、第Ⅴ组及第Ⅴ组以下238.4 km2/眼.监测项目主要包括水位埋深、开采量、水质、水温等.北京市针对地下水含水层建立监测井822眼,针对工业开发区、垃圾填埋场等重点污染源建立监测井360眼,总数达1 182眼,达到了1 :50 000的立体分层监测精度[27].到2019年底,北京市将实现山区-平原全域覆盖、岩溶-裂隙-第四系全覆盖、无机-有机并重的监测体系,为京津冀地区地下水监测体系形成提供了坚实基础.

在线监测设备及技术的研发方面,美国、荷兰等国家在20世纪90年代即已开始重点研发地下水在线监测技术及设备,比较有代表性的包括荷兰的Diver系列、美国的Level Troll系列及日本的KOSHIN-DL-N-Series系列等,实现了地下水数据的实时监测[28].在国家重大科学仪器设备开发专项“地下水采样与检测一体化移动式设备研发与应用项目”(No.2013YQ060721)、环保公益科技专项“地下水污染监控预警与事故应急技术体系研究”(No.201409030)等项目支持下,我国针对地下水采样与实时监测技术和设备,研发了包含重金属铬、苯系物等20多种污染物的快速检测一体化地下水无扰动采样设备,并构建了适用于我国的地下水污染预警技术框架、应急监控管理的联动机制与响应流程,以及突发污染事故的应急管理技术[29-31].国内外现有研发的在线监测设备,可实现水位、水温、电导率以及部分水化学指标的在线读取、存储和分析.这些前期的基础条件,均为京津冀地区的地下水污染监测预警体系建设奠定了技术和理论基础.

2.3 京津冀地区地下水污染治理技术发展与应用

从20世纪70年代开始,欧美发达国家在化工行业及填埋场污染地下水的修复材料、技术和装备方面进行了一系列的研究工作,积累了较多的成果[32-34].荷兰政府在20世纪80年代就投入15×108美元进行土壤修复技术的研究和工程应用试验;德国政府在1995年投资60×108余美元进行污染土壤修复工程实施;美国通过超级基金制度从20世纪80年代初开始,至2009年已经投入数百亿美元开展土壤和地下水的修复工作.目前,西方发达国家在场地修复技术与装备研发、工程应用以及产业化方面日趋成熟,已成功应用于不同污染状态下的场地治理工程,形成了完备的监管体系、政策法规、技术集成和材料装备产业化综合体系,为构建京津冀地区典型场地地下水污染修复技术政策体系提供了借鉴[35].

在“九五”至“十二五”期间,我国已开展了典型化工场地及填埋场、加油站等地下水污染调查、修复和应急处理的相关研究,积累了丰富的理论与技术成果,初步形成了典型行业与场地的地下水污染防治技术体系.在污染物空间刻画方面,形成了系统的污染场地调查、精确识别和风险评估体系[36-37];在地下水污染扩散阻断方面,研制了立体防渗、抗腐蚀物理阻截材料,创建了物理化学和生物双层可渗透反应墙等修复技术[38];在污染场地地下水污染治理方面,针对地下水的有机污染、重金属污染等突出问题,研制了双层活性介质材料、双层过硫酸盐缓释材料等多种针对典型场地地下水中污染物降解的修复材料[39-42],为发展和完善京津冀地区地下水污染场地的修复技术体系提供了重要技术基础.

在地下水污染治理技术的场地应用方面,京津冀地区已针对化工行业重点污染区域内的污染场地开展了大量地下水污染调查和修复工作.据统计,在京津冀地区已完成的化工污染场地调查项目有21个,已完成的场地修复工程项目有50余项,包括北京化工三厂土壤修复工程、北京红狮涂料有限公司北厂区污染土壤处置工程、北京化工二厂土壤修复工程、北京炼焦化学厂南厂区土壤修复工程等.这些工程主要采用水泥窑焚烧固化处理、阻隔填埋处理、固废填埋处理等修复技术对场地的污染土壤进行处理和修复,修复后的场地土壤各项指标经检测均符合居民土壤健康风险评价建议值标准,为开展京津冀地区地下水污染防治工程示范提供了良好的经验基础.

2.4 京津冀地区地下水安全回补技术体系研发状况

围绕地下水资源的可持续利用,国外尤其是澳大利亚、美国等在地下水回补关键技术、风险防范等方面开展了大量工作,建立了相关技术规程,为京津冀地区典型区域回补和风险管控实践提供了技术借鉴.早在19世纪初,美国及欧洲一些国家开展了回补方面的基础研究工作,至20世纪初,已经开展一系列的地下水人工回灌工作,如美国的ASR系统、比利时的SAT系统等地下水回补工程至今仍运行良好,很大程度上提高了地下含水层的补给水源,恢复了生态环境[43-45].

我国在京津冀地区也开展了一定的地下水回补试验研究工作.北京市曾多次开展不同入渗途径的地下水人工调蓄的试验研究,先后建立了廖公庄均衡试验场、西黄村人工回灌试验站和雨洪利用示范工程等;南水北调水源进京后,在潮白河地区开展了试验性回补,估算了河道的入渗强度和地下水环境影响范围,评价了南水北调水源入渗对地下水水质的影响,为京津冀地区地下水安全回补技术体系研发提供了重要经验.

3 京津冀地区地下水污染防治研究方向与目标

京津冀地区污染场地地下水污染问题突出、风险大,严重威胁饮用水安全和人体健康,已成为城镇化建设和京津冀协同发展过程中亟需解决的重大问题. “十三五”期间,亟需以改善京津冀地区地下水水质、提升地下水污染防治技术与管理水平为总体目标,以京津冀地区地下水污染防控与管理技术为出发点,按照“顶层设计-监测与平台支撑-重点行业示范-系统风险防控-管理政策”的研究思路,形成适用于遏制京津冀地区地下水污染趋势的污染风险管控、污染治理技术体系和综合保障方案,为京津冀地区地下水污染防治工作提供系统的技术体系和管理支撑,综合提高京津冀地区的地下水环境质量管理水平和污染修复治理能力.

3.1 开展地下水污染特征识别与系统防治研究,完善京津冀地区地下水污染防治顶层设计

3.1.1 系统识别京津冀地区地下水污染特征

京津冀地区已经开展过较多的地下水污染调查工作,但在污染区刻画方面存在精度不高、边界模糊、未考虑污染物迁移特性和驱动机制等问题,需要综合考虑水文地质单元、地下水运移特征、土地利用过程等多要素耦合关系,构建地下水污染因素链与行业特征关键参数相耦合的京津冀地区地下水污染分类分区方法,科学划分京津冀地区地下水污染分区和污染等级,系统识别京津冀地区地下水污染特征,明确京津冀地区地下水污染现状与空间分布,这是明确地下水污染防治重点区域和行业的前提.

3.1.2 精准判定京津冀地区地下水污染风险源

地下水污染风险源识别是地下水污染调查的主要任务,也是地下水污染防治规划与地下水环境分级管理的基础.京津冀地区地下水污染源点多面广,污染防治难度大,因此,建立基于京津冀地区地下水污染源分布特征的地下水污染风险源识别与强度评价技术方法,精准识别京津冀地区地下水污染风险源并形成重点风险源防控清单,对京津冀地区地下水污染源的分类防控尤为重要.

3.1.3 科学辨识京津冀地区地下水污染过程及其主控因子

地下水污染过程是一个多来源、多路径链接、多介质组合、多因素影响、多时间重叠的复杂过程.不同种类的污染物与复杂环境因素的组合,极大地增加了地下水污染作用及其过程的复杂性和识别难度,造成了地下水污染防控方向不明、措施不力.因此,以重点区域地下水特征污染物为研究对象,通过数值模拟和野外试验等研究方法,识别京津冀地区地下水污染过程,分析污染源要素、地形因素、含水层因素等对污染物迁移转化过程的影响程度,识别特征污染物地下水污染过程主控因子,探明地下水污染来源和驱动机制,是正确优选地下水污染防控对象、准确切断污染路径和科学采取管控措施的关键.

3.1.4 建立京津冀地区重点行业地下水优先控制污染物清单

京津冀地区产业结构复杂,重点行业如化工、冶炼、垃圾填埋场等排放的污染物种类繁多,然而针对京津冀地区的地下水优先控制污染物的清单研究基本是一片空白.因此,结合该地区的具体特点(如产业结构、污染源分布、水文地质条件等因素),识别京津冀地区地下水特征污染物,分析特征污染物的毒性效应和环境行为,建立基于环境和毒性综合指标的优控污染物的筛选原则及多层次筛选模型,确定京津冀地区地下水优先控制污染物清单,是有效开展京津冀地下水环境监管和污染综合防治的必要前提.

3.1.5 明确京津冀地区地下水污染风险区划

京津冀地区地下水污染风险区划工作的进度仍远远落后于地下水环境质量提升和科学管理决策的迫切需求,地下水污染风险水平和等级不清,严重影响京津冀地区地下水环境管理工作效率.因此,构建京津冀地区地下水污染风险评估体系,明确京津冀地区地下水污染风险区划,将为京津冀地区地下水污染风险分级管控提供强有力的技术支撑.

3.1.6 形成京津冀地区地下水污染全过程防治技术体系与防控方案

尽管目前已经在不同层面开展了有关京津冀地区地下水污染防治技术和方案的研究,但尚未形成系统完整的地下水污染防治技术方案,导致污染防治工作缺乏系统性和针对性.制订京津冀地区地下水污染防治技术方案,形成京津冀地区地下水污染防控与修复技术优化方案和指南,是提高京津冀地区地下水污染防治与管理水平的关键.

3.2 突破京津冀地区地下水污染精确识别与监测技术,提升地下水环境监控与预警能力

3.2.1 突破地下水污染精确识别与优化监测技术

突破京津冀地区地下水污染精确识别与优化监测技术,是提升地下水环境监管能力的基础.目前,我国水利、国土和环保部门均在京津冀地区开展了地下水监测网的建设工作,但不同业务主管部门、不同空间尺度的地下水环境监测网、同一监测网的不同类型监测井之间缺乏协同与优化,严重制约了京津冀地区地下水环境监管能力提升,亟需研究不同空间尺度地下水污染识别与监测井优化方法,建立地下水污染精确识别与优化监测技术体系.

3.2.2 构建不同尺度地下水污染监测预警技术体系

创建地下水污染监测预警技术体系,是提高地下水污染应急和风险防范的重要手段.针对京津冀地区不同空间尺度的地下水系统污染指标多样、指标阈值差异较大,污染物在包气带-含水层间的迁移转化机制尚不明晰等问题,需开展京津冀地区不同空间尺度地下水系统污染监测预警技术体系研究,建立地下水污染监测预警综合指标体系,确定地下水系统污染预警阈值,研发包气带-含水层污染迁移协同模拟技术,为地下水系统污染监测、风险预警和污染防控与强化修复提供关键指标、工艺参数和预警模型技术支撑.

3.2.3 突破分层连续采样和多因子快速监测设备与数据传输关键技术

针对地下水污染原位监测技术方法落后、监测指标不科学、系统监测网缺失的现状,亟需研发地下水污染原位监测技术、小型化便携式地下水多层采样设备和多因子在线监测设备,构建基于物联网的多维度、多尺度地下水水位、水质等污染相关数据动态采集、远程传输技术体系,为京津冀地区地下水污染监测网建设提供技术支撑和装备保障.

3.2.4 建立地下水污染监控预警与数字化技术平台

搭建地下水污染监测预警及数字化技术平台,是地下水污染防控、饮用水安全保障科学决策和信息化管理的基础.受地下水污染关键指标提取分析技术、地下水数据分析技术的制约,目前京津冀地区缺乏能业务化运行并可复制、可推广的地下水污染监测预警及数字化、可视化平台,亟需建立立体多维度地下水污染监测与预警体系,形成模块化、标准化监测预警与数据信息处理平台,实现地下水污染监测预警及数字化平台业务化运行,为地下水安全保障与信息化建设、决策管理提供技术支撑平台.

3.3 针对京津冀地区重点区域和行业,研发地下水污染源头阻控与污染修复成套技术

3.3.1 研发场地尺度地下水污染准确识别与快速诊断技术

京津冀地区的地下水污染场地存在污染监测井布点不合理、监测指标不科学等问题,制约了地下水污染诊断的及时性与准确性,因此需开展地下水污染过程、范围及程度的识别研究,研发污染准确识别与快速诊断技术,提升典型污染场地调查评估的科学性、可操作性和经济性.

3.3.2 突破地下水污染源头控制与总量削减技术

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