京津冀地下水污染防治关键技术研究与工程示范项目成果显著

来源:中国环境网 2020-02-28 20:28

京津冀地区地下水污染风险分级评价图京津冀地区地下水污染风险分级评价图

南水北调工程水回补密怀顺示范区的放水闸  

南水北调工程北京亦庄调节池 

    为保障京津冀地区地下水环境安全,全面提升京津冀地区地下水生态环境监管能力,2018年国家水体污染控制与治理科技重大专项(简称“水专项”)设置了“京津冀地下水污染防治关键技术研究与工程示范”科研项目,系统识别京津冀区域地下水污染特征与演化规律,形成地下水优控污染物清单和重点行业地下水污染防治技术指南;集成开发了在线监测和数据传输设备,构建立体多维度地下水污染监测预警平台;研发场地尺度地下水污染治理关键技术、材料与成套装备,开展垃圾填埋场和化工场地地下水污染防治工程示范;开展地下水回补适宜性评估和水质风险管控防范关键技术研究,选取京津冀典型地区进行了综合技术示范。该项目将初步建立地下水污染防控与修复技术标准与规范体系,研发、综合示范和集成应用一批地下水污染监测和修复关键技术、材料与成套装备,有效控制典型示范区地下水污染恶化趋势,实现地下水安全回补,为京津冀地区和全国的地下水污染防治提供有力的科技支撑。

  相对于地表水污染而言,地下水污染具有隐蔽性、滞后性、复杂性、不确定性和难以修复等特点,污染防控和修复的难度较大。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,识别方法、监测预警技术手段与防控策略落后,使得地下水污染状况不明、科学研究滞后、区域与重点风险源地下水污染监控和预警应急体系缺失,防控与修复技术装备落后,无法满足日益严重的地下水污染防治和监管的需要。特别是京津冀地区,由于其地下水环境复杂、风险源多样,而目前地下水污染特征识别和风险评估方法欠缺、监测网络不健全、防治与修复技术不成熟、管理制度不完善等问题,已成为制约京津冀地区地下水环境污染防控与监管技术水平提升的瓶颈。该项目的设立旨在为这些问题的解决提供重要支撑。

  “京津冀地下水污染防治关键技术研究与工程示范”项目负责人是中国环境科学研究院总工程师席北斗研究员,承担单位由中国环境科学研究院、清华大学、南方科技大学、北京市水科学技术研究院等18家单位组成,组织了370多名科研人员参与项目研究。

  摸清区域地下水环境污染底数顶层设计风险防控策略

  摸清京津冀地区地下水污染底数、识别环境风险、诊断问题是开展地下水污染防治与监管工作的重要基础。近年来,由于地下水超采及人类活动对地下水造成的污染,京津冀地区的地下水生态环境安全面临着严峻的挑战。一方面,由于京津冀地区地下水污染源点多面广、种类繁多,不同类别污染源对地下水产生影响的途径和程度也不同,对于严重威胁地下水环境安全的重点污染源急需开展精准识别与科学诊断;另一方面,由于地下水污染状况不清、地下水污染过程及主控因子不明,亟待有针对性的优控污染物清单和地下水风险分级管控技术作指导,并为地下水生态环境安全精细化管理提供重要抓手。

  针对地下水污染底数不清、重点污染源状况不明的问题,项目组从准确识别京津冀地区地下水污染问题的角度出发,研发了地下水污染特征识别与分类分区技术、地下水污染源识别与评估技术。采用京津冀地区地下水多年监测数据,采用单因子污染标准指数评价法识别出重金属、三氮、有机物等污染物的主要污染集中区域。在此基础上,建立了地下水污染分类分区方法,明确了京津冀地区地下水污染区分布,评估了重点区域地下水污染特征和发展趋势。基于4323组样品检测结果,京津冀平原存在一定程度的三氮、重金属和挥发性有机物污染,以点状分布为主。对于重点污染源的精准识别和问题诊断,项目组研发了地下水污染源识别与评价技术。首先识别并明确了京津冀地区工业源、农业源、生活源、地表水体、地下设施、废物处置6大类污染源的分布特征及污染物排放特征,并在此基础上构建了涵盖污染源种类、污染物产生量、污染物释放可能性等指标的评价方法,对京津冀地区的污染源危害性和污染贡献率进行了分级评价,结合京津冀地区1.44万组污染源统计数据及土地利用类型图,实现京津冀地区地下水污染源分类识别与强度科学评价,为地下水污染源的分类管理和分期控制提供科技支撑。

  针对京津冀地区地下水污染形成机制及影响因素不清、优控污染物清单缺失、识别方法不完善等问题,项目组从阐明地下水污染机制的角度出发,开发了地下水污染主控因子识别技术、地下水优先控制污染物识别筛选技术;在地下水污染过程模拟研究方面,项目组以京津冀地区典型行业特征污染物为研究对象,通过分析重点区域地下水污染情景,建立了基于数值模型和敏感度分析的主控因子识别方法;构建了三氮、苯系物和六价铬等特征污染物的污染源解析方法。项目组基于京津冀地区地下水特征污染物识别与环境效应分析,建立了涵盖填埋场、化工行业、冶炼行业等重点行业污染场地以及有机物、重金属、无机盐、微生物等污染物类型的地下水优控污染物清单,为开展京津冀地区地下水精准监管提供支撑。

  针对京津冀地区地下水污染风险不清、缺乏风险管控策略和具体措施的问题,项目组研发了地下水污染风险分级管控技术,并建立了地下水污染风险分级管控技术平台。结合京津冀地区“山前平原—中部平原—滨海平原”等不同区域的水文地质特征,项目组统筹污染源区域综合危害性、地下水脆弱性、地下水功能价值,划定了不同区域的地下水污染风险等级。在此基础上,提出“预防为主,防治结合,分类指导,综合施策”的区域与场地协同管控对策,构建了京津冀地区地下水污染分级管控技术体系,因地制宜地制定了污染风险分级管控措施。

  结合京津冀区域与行业特征制定地下水污染防治策略与方案。通过对国际地下水污染防治技术研发、工程应用趋势和防治效果评估与分析,结合现代污染防治技术的深层次评估与优化集成,完善了适用于不同行业的地下水污染防治技术体系。结合京津冀地区黑色金属矿采选业、金属制品业等典型行业的分布特征以及地下水污染现状,通过修复技术筛选及有效性评价等技术,筛选出京津冀地区重点行业地下水污染防治适宜技术清单,显著支撑了重点行业地下水污染防治工作的有序开展。

  突破地下水监测预警技术难题 为精准施策提供抓手

  地下水监测是识别地下水环境现状,为地下水环境管理提供抓手的主要手段。针对京津冀地区地下水污染监测优化及预警技术体系亟待补充和完善、地下水中污染物采样和在线监测成套设备研发滞后等问题,项目组开展不同空间尺度的地下水污染指示型因子筛选方法研究;开发监测井优化布设技术;研发特征污染物低扰动采样和快速监测技术及装备;开发多维度、多尺度地下水水位、水质等污染相关数据动态采集、远程传输等技术装备。

  在分析京津冀地区水文地质条件和地下水污染特征的基础上,从地下水污染预警和地下水污染防控角度,项目组提出了地下水污染指示性因子指标体系构建原则和方法,并构建了区域尺度和场地尺度地下水污染指示性因子指标体系。研究发现区域尺度的地下水污染指示性因子为氟化物、硝酸盐、三价铁、砷、二价铁、氨氮、锰、总硬度、硫酸盐、汞。场地尺度的指示性因子为硝酸盐、砷、锰、二价铁、三价铁、氯化物、氟化物、溶解性总固体、总硬度、锌。

  项目组研发的地下水低流量低扰动分层采样设备、地下水重金属在线监测设备、多因子在线监测设备目前均已研发完成并投入使用。研发的低流量低扰动采样泵最小流量为0.26L/min,最大流量为21.31L/min,可实现大流量洗井,小流量采样,可大幅度节省采样时间,提高采样效率。地下水重金属在线监测设备主要监测指标包括:As、Hg、Pb、Cd。研发的多因子在线监测设备能够响应远程终端的指令、自动控制洗井、采样、数据采集、真值判定、自动给排水,该套设备已在北京市通州区张家湾试验场部署,成井深度50米,分为3层进行监测和采样,经过项目组成员的多次联调,目前整套设备采样、数据采集、真值判定、自动控制、远程传输等环节均调试通过,各项功能运行正常。

  基于北京市平谷盆地区域示范区地下水污染监测预警网和海绵城市(湿地)地表水—地下水同步监测点群,以地下水污染防控的监测预警需求为导向,建成安全、可扩展、具有一定前瞻性的示范区地下水污染监测预警与数字化技术平台。平台具备模块化、标准化监测预警与数据信息处理能力,目前已在京津冀重点区域实现业务化运行,为地下水环境监管提供技术支撑。平台硬件由网络系统、服务器系统、图形工作系统、成果展示与发布系统共同构成。目前平台已能够满足设备管理、监测网络管理、采样任务管理、水质评价管理、实验室管理、综合查询、视频监控、一键采测、预警模型等工作需求。

  突破场地地下水污染修复关键技术 实现高效精准修复

  针对京津冀地区重点行业地下水污染问题,选取了化工场地和填埋场地两类典型的污染场地,进行地下水污染防控与治理关键技术的研发攻关。在开展地下水污染准确识别与快速诊断技术研究的基础上,针对污染物不同的物理性质、分布及赋存状态,研发污染源控制与污染物总量削减技术、绿色修复材料等,研制适用于污染场地地下水修复的模块化集成技术装备,形成了地下水污染全过程防治的一体化组合技术体系。基于以上研究成果,进行技术集成、技术验证和综合示范,形成具有可复制、可推广的污染场地地下水污染防治技术方案。

  场地地下水污染快速诊断与精确识别方面,基于污染场地特征污染物的环境效应,结合快速检测技术电化学快速分析方法、高通量测序技术等分析方法,构建地下水污染快速诊断的指标体系及表征方法,针对污染场地含水介质非均质性难刻画的问题,研发地层结构三维空间精细刻画技术,基于污染场地特征污染物在地下水系统中水力学—化学反应过程,优化多组分、多相和多维地下水溶质迁移转化数值模型,构建基于污染场地尺度地下水污染与现状空间分布准确识别方法,精确刻画污染场地内特征污染物在孔隙含水层中浓度现状分布特征。

  场地地下水污染修复关键技术设备方面,针对京津冀地区地下水污染状况,研发多相抽提装备与移动式模块化协同修复装备。在移动式模块化协同修复装备方面,正在研制污染地下水一体式模块化处理设备1套,处理能力不低于32 m3/d,处理出水满足《污水综合排放标准》(GB8978-1996)Ⅲ级标准的排放要求。

  场地地下水污染修复共性技术与绿色修复材料方面,针对典型污染场地,研发了高效的反应阻截屏障填充材料,重点研究了阻截墙墙体材料与其抗渗性能的关系,污染物在墙体材料中的穿透、扩散与吸附行为;构建了药剂注入与污染物浓度间的响应关系,研究了注入药剂的环境风险评估方法,形成地下水污染强化原位注入技术体系;研发了绿色低成本缓释修复材料,在优化粘结剂与氧化剂的配比、结构和功能基础上,研究了绿色缓释材料的释放及降解动力学,并进行了场地中试。

  在北京、天津等市开展示范工程建设,场地面积均超过1万平方米,示范工程的地下水修复目标为场地地下水特征污染物总量减少不低于50%,特征污染物浓度达到修复目标,地下水污染恶化趋势和环境风险得到有效控制,目前示范工程正在最终实施阶段。

  实现地下水回补区适宜性评估 助力地下水科学高效使用

  地下水回补是解决京津冀地区地下水资源过量开发,保证水资源可持续利用的关键举措,但急需关注回补可能造成的地下水污染风险。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技术体系。针对不同补水水源回补地下水可能引起的污染风险问题,项目组开展典型回补区地下水污染风险防控关键技术研究与工程示范研究,突破了回补区地表—地下联合监测系统以及风险防控技术。

  回补适宜性研究方面,项目组以京津冀典型区地下水源地水质改善和水资源涵养为目标,从地下水水源地可持续安全运行角度出发,在地下水回补潜力、地下水回补风险与回补经济效益分析的基础上,通过分析地下水源地回补潜力指数、地下水源地敏感性指数、地下水脆弱性指数、污染源强及危害性指数、回补经济及生态效益指数等关键因素对地下水回补的影响方式及程度,筛选影响地下水水源地回补适应性的评价指标,构建以地下水回补潜力、回补风险及回补效益为核心的多维地下水水源地回补适宜性评价技术,为地下水源地的回补靶区选择和有效回补提供科学依据。

  项目组以潮白河南水北调水源回补区作为示范区,构建地表—地下联合监测系统,完成了回补1亿立方米水的地下水回补目标。回补区南水北调水源回补区位于北京市顺义区牛栏山镇。南水北调水由京密引水渠李家史山闸放水,后汇入牛栏山橡胶坝上游的潮白河河道,通过河道自然回补地下水。2018年和2019年,入渗回补量约1.9亿立方米。通过南水北调回补区地表特征、非饱和带特性、饱和带特性、水文因素、人类活动分析,建立水文地质概念模型,结合地下水易污性评价、地下水污染源调查和污染风险评价,评价现有监测网,设计和优化回补区地下水水位监测网和地下水水质监测网,在回补区主要南水北调回补河道以及水质较差河道设置监测断面,建立覆盖回补区地表水和地下水的监测系统,监测南水北调来水、地表输送过程中影响,以及区域背景影响、进入地下后的环境影响。监测系统在区域原有近百眼监测井基础上,设置地表水监测断面5个,新建不同深度地下水监测井17眼,完善回补区监测井网络,建立立体全面的监测体系。

  制定技术指南规范 科学支撑地下水生态环境监管

  通过对京津冀地区地下水污染防治进行深入研究,项目组在地下水污染防控标准体系方面取得了一定的突破。针对地下水饮用水水源地补给区范围内的污染源防治问题,项目组编制了《集中式地下水饮用水水源地补给区污染源强评价与分级技术指南》(T/GIA001-2018),已于2018年10月22日以团体标准的形式正式发布,为环境管理部门有针对性的制定水源地保护、防控相关措施提供有力的技术支撑。此外,针对石油化工这一典型地下水污染行业的地下水污染防治,项目组编制了《石油化工地下水污染防治技术指南》,适用于化工类污染场地地下水修复方案制定、修复工程实施和验收,填补了我国在石油化工行业场地地下水污染防治领域标准规范建设的空白。

  地下水环境监测与预警工作基本流程为预警的响应及启动、监测方案的制定与实施、预警、监测预警的解除,基于对以上各项工作的深入研究,项目组编制了《地下水环境监测预警技术指南》。该技术指南规定了京津冀平原区地下水环境监测预警的一般性原则、工作程序、内容、技术方法以及成果编制的要求,适用于已经污染或可能的污染事件的监测预警,拟为地下水环境监测预警工作提出指导性意见。

  此外,针对地下水污染防治和修复技术需求,项目组还制定《地下水污染抽出—处理修复技术指南》《地下水污染阻断技术指南》《垃圾填埋场地下水污染防治技术指南》等,为形成可复制、可推广的典型污染地下水防治技术方案,建立高效修复的技术与工程体系提供关键技术支撑。

    京津冀一体化新闻