中國典型地下水污染問題的形成、演變機(jī)制及其調(diào)控研究

─香山科學(xué)會(huì)議第408次學(xué)術(shù)討論會(huì)綜述

地下水資源對(duì)中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展起著舉足輕重的作用。而地下水污染所引起的生態(tài)環(huán)境破壞和人體健康的危害是社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。由于地下水賦存環(huán)境表現(xiàn)出的隱蔽性、延遲性和系統(tǒng)復(fù)雜性，致使地下水的污染修復(fù)極其困難和昂貴。針對(duì)以上情況，迫切需要開展地下水污染物遷移規(guī)律與演變機(jī)制、以及地下水污染防治與修復(fù)的研究，為保障地下飲用水安全及合理調(diào)配水資源提供研究依據(jù)。這不僅對(duì)地下水污染物反應(yīng)運(yùn)移機(jī)理這一前沿問題研究有著重要的理論意義，而且對(duì)探討地下水污染的預(yù)防、治理及調(diào)控有著重要的指導(dǎo)意義。

中國地下水資源占水資源總量的1/3，總供水量的近20%，飲用供水的70%，農(nóng)田灌溉用水的40%，然而卻正遭受越來越嚴(yán)重的污染。由于中國地下水污染的嚴(yán)重性，國務(wù)院頒發(fā)的國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）把包括地下水在內(nèi)的水資源研究列為重點(diǎn)領(lǐng)域及優(yōu)先主題。2011年8月24日國務(wù)院常務(wù)會(huì)議討論通過的《全國地下水污染防治規(guī)劃（2011—2020年）》，對(duì)保障我國地下水水質(zhì)安全、全面提高地下水質(zhì)等提出了更高的要求。如何保護(hù)地下水水質(zhì)，保證公眾飲水安全，將是中國未來幾十年可持續(xù)發(fā)展所面臨的巨大挑戰(zhàn)。

為總結(jié)梳理中國典型的地下水污染問題，學(xué)習(xí)國際地下水污染機(jī)理研究經(jīng)驗(yàn)及含水層修復(fù)先進(jìn)技術(shù)，探討復(fù)雜地質(zhì)介質(zhì)對(duì)污染物遷移過程和修復(fù)的控制作用，以及地下水污染的調(diào)控原理，為國家地下水保護(hù)政策的制定提供科學(xué)依據(jù)，提升我國在地下水研究領(lǐng)域的國際地位，香山科學(xué)會(huì)議于2011年9月27~29日在北京召開以“中國典型地下水污染問題的形成、演變機(jī)制及其調(diào)控研究”為主題的國際學(xué)術(shù)討論會(huì)，會(huì)議由孫鴻烈研究員、林學(xué)鈺教授、Tissa  Illangasekare教授、鄭春苗教授擔(dān)任執(zhí)行主席。來自高等院校、科研院所和管理部門包括美國、德國、澳大利亞、丹麥，以及香港、臺(tái)灣地區(qū)的國內(nèi)外50多位專家學(xué)者應(yīng)邀參加了討論會(huì)。與會(huì)專家圍繞（1）地下水污染物反應(yīng)遷移的多尺度機(jī)理與新一代預(yù)測模型；（2）地下水污染治理的新理論、新技術(shù)；（3）快速變化環(huán)境下的中國地下水污染調(diào)控策略等中心議題進(jìn)行深入討論，并提出了建議。

一、 地下水污染與修復(fù)

林學(xué)鈺教授作了題為“中國典型地下水污染問題及研究現(xiàn)狀”的主題評(píng)述報(bào)告。她指出，中國地下水資源的長期過量開采，導(dǎo)致區(qū)域地下水水位持續(xù)下降，產(chǎn)生了諸如區(qū)域地下水位降落漏斗、地面沉降、巖溶塌陷、地裂縫、海水入侵和地下水污染等環(huán)境地質(zhì)問題。中國地下水質(zhì)量總體較好，具有南方優(yōu)于北方、山區(qū)優(yōu)于平原、深層地下水優(yōu)于淺層地下水的特點(diǎn)。近年來，在廣大平原地區(qū)，由于廢、污水的排放，大面積、超量化肥和農(nóng)藥的使用，垃圾場的淋濾和地下油罐的滲漏等原因，地下水正遭受著越來越嚴(yán)重的污染，水質(zhì)超標(biāo)主要因子為三氮和溶解性總固體物。在京津地區(qū)、長江三角洲、珠江三角洲等地區(qū)部分城市地下水水質(zhì)超標(biāo)因子除常規(guī)化學(xué)指標(biāo)外，甚至出現(xiàn)了“三致”（致癌、致畸、致突變）有機(jī)污染物。全國2150個(gè)大中城市的集中式地下水水源地中，有近20%水源地水質(zhì)劣于III類�？傊�，我國（1）區(qū)域性地下水污染日益突出；（2）重點(diǎn)地區(qū)地下水污染日趨嚴(yán)重；（3）典型污染場地對(duì)地下水質(zhì)的影響明顯增強(qiáng)。20世紀(jì)80年代以來，我國在地下水污染和含水層修復(fù)的理論研究和技術(shù)研發(fā)方面，雖然取得了一些發(fā)展，但與發(fā)達(dá)國家相比，在研究的深度、廣度上均明顯存在差距，尤其缺乏單個(gè)場地的詳細(xì)調(diào)查和多種手段的綜合運(yùn)用。未來中國地下水污染需要：（1）健全和完善地下水污染防治的法律法規(guī)；（2）盡快開展全國地下水污染調(diào)查工作；（3）完善地下水污染監(jiān)測體系；（4）加強(qiáng)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制技術(shù)體系建設(shè)；（5）研發(fā)高效安全且能適用于不同特征污染物的地下水污染原位修復(fù)技術(shù)體系；（6）加強(qiáng)地下水污染應(yīng)急系統(tǒng)建設(shè)。

美國西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室John Zachara研究員作了題為“復(fù)雜地下水系統(tǒng)污染修復(fù)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)”的主題評(píng)述報(bào)告，他介紹了美國能源部最大的歷史遺留污染場地Hanford地下水污染修復(fù)中所作的基礎(chǔ)研究工作。Hanford場地中存在如U, Cr, ⁹⁹Tc, ¹²⁹I, ⁹⁰Sr, NO₃, CCl₄等多種污染物，污染物排放量達(dá)5000多萬加侖。美國能源部投入大量人力物力和財(cái)力（每年幾十億美元），采取多種手段進(jìn)行該場地的污染修復(fù)研究工作，如生物降解、反應(yīng)墻、抽取治理、原位修復(fù)等，但是因?yàn)榉磻?yīng)速率過慢、隨時(shí)間修復(fù)效果減弱、解吸過慢以及對(duì)含水層系統(tǒng)和污染源缺乏全面了解、存在不確定性等種種原因，修復(fù)效果都不盡人意。地下水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化、非飽和帶對(duì)污染物遷移過程的影響、含水層復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)都為地下水污染修復(fù)效果帶來挑戰(zhàn)，都要求對(duì)修復(fù)場地進(jìn)行詳細(xì)勘查，全面了解污染物遷移過程，構(gòu)建牢靠的數(shù)值模型。他指出，Hanford場地大量研究集中在地下環(huán)境勘查和污染修復(fù)技術(shù)方面，修復(fù)效果取得部分成功。從該場地修復(fù)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)來看，了解不同尺度地下水污染物運(yùn)移規(guī)律是關(guān)鍵。含水層非均質(zhì)性、擴(kuò)散導(dǎo)致的污染物濃度反彈、污染物遷移過程理解的不充分以及復(fù)雜的水文地質(zhì)條件是導(dǎo)致修復(fù)失敗的主要原因。厚非飽和帶的存在為地下水污染修復(fù)帶來很大挑戰(zhàn)，將來需要進(jìn)行更多嚴(yán)格的不確定性分析和隨機(jī)模型的研究。他通過Hanford例子說明基礎(chǔ)研究如何積極影響場地修復(fù)，強(qiáng)調(diào)預(yù)防地下水資源遭到污染要比修復(fù)污染成本低得多，也有效得多。

討論中，與會(huì)專家認(rèn)為，《全國地下水污染防治規(guī)劃（2011—2020年）》的實(shí)施面臨很大挑戰(zhàn)，需要執(zhí)法保障以及方案的科學(xué)設(shè)計(jì)。地下水水質(zhì)問題（如氮素污染）是自然成因和人為成因共同造成的，區(qū)分兩類成因是一項(xiàng)重要的工作。在監(jiān)測污染物濃度的同時(shí)，應(yīng)同時(shí)監(jiān)測地球化學(xué)背景，更好地研究污染物的遷移轉(zhuǎn)化過程。地下水采樣方案的科學(xué)設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵，不合理的設(shè)計(jì)將導(dǎo)致對(duì)地下水污染情況的錯(cuò)誤判斷。針對(duì)國外專家介紹的西方國家地下水污染修復(fù)實(shí)例，有專家認(rèn)為美國的關(guān)于地下水水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)過于嚴(yán)厲。對(duì)于中國，制定合理的標(biāo)準(zhǔn)很重要。應(yīng)該研究制定基于健康風(fēng)險(xiǎn)的地下水水質(zhì)管理標(biāo)準(zhǔn)，仔細(xì)研究哪些污染問題應(yīng)該得到優(yōu)先解決。有可能是傳統(tǒng)的、一直沒有很好解決的問題，如大腸桿菌污染等。與會(huì)專家普遍認(rèn)為在中國開展地下水修復(fù)工作應(yīng)當(dāng)慎重，西方國家先污染再治理（修復(fù)）的成本太高，因此必須強(qiáng)調(diào)污染的預(yù)防工作。

二、 地下水污染物反應(yīng)遷移的多尺度機(jī)理與新一代預(yù)測模型

與會(huì)專家在報(bào)告中，認(rèn)為在我國，地下水有機(jī)污染研究總體處于起步階段，在地下水有機(jī)污染控制與修復(fù)領(lǐng)域與世界水平差距很大。

美國俄亥俄州立大學(xué)的Frank Schwartz認(rèn)為，在發(fā)展中國家地下水污染問題突出，研究和防治的工作起步較晚，對(duì)相關(guān)人才的需求十分迫切。除了高校外，還應(yīng)當(dāng)通過企業(yè)研發(fā)部門、國家實(shí)驗(yàn)室等組織形式多途徑培養(yǎng)人才。對(duì)層出不窮的新問題應(yīng)保持警醒，并不斷進(jìn)行自我調(diào)整，以有效應(yīng)對(duì)�？蒲行枰�正確的導(dǎo)向，發(fā)表論文不應(yīng)成為主要目的，人才培養(yǎng)、關(guān)鍵科學(xué)問題的解答、實(shí)際污染問題的解決應(yīng)成為科研工作的主要目標(biāo)。問題的多樣性和復(fù)雜性為科研工作者提供了大量創(chuàng)新的機(jī)遇，而廣泛的國際交流與合作促成了知識(shí)的共享的機(jī)遇。

美國西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室劉崇炫研究員指出，需要通過尺度效應(yīng)研究，掌握微觀機(jī)理的宏觀表征方式，從而提高地下水污染模擬和預(yù)測的精度。

香港大學(xué)焦赳赳教授認(rèn)為，掌握弱透水層的物理、化學(xué)屬性，對(duì)于理解地下水環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)的產(chǎn)生和遷移轉(zhuǎn)化過程至關(guān)重要。目前，中國尚有大量的弱透水層亟待研究，未來的水文地質(zhì)研究必須重視對(duì)弱透水層的研究。

三、  地下水污染治理的新理論、新技術(shù)

在報(bào)告中，美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院Tissa Illangasekare教授對(duì)中國即將開展的地下水污染防治工作，提出如下建議：實(shí)踐證明地下水污染物的徹底去除基本不可行，所以要為未來的地下水修復(fù)工作制訂切實(shí)可行的修復(fù)目標(biāo)；對(duì)場地和污染物行為的刻畫越精確，修復(fù)系統(tǒng)就越有效；盡管實(shí)驗(yàn)室尺度的觀測和研究已經(jīng)較為成熟，但是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)普遍出現(xiàn)尺度提升造成的困難，仍然存在值得深入研究的課題；重視機(jī)構(gòu)建設(shè)和能力建設(shè)，迅速擴(kuò)大從業(yè)人員隊(duì)伍，并提高素質(zhì)。

美國SSPA環(huán)境與水資源咨詢公司Charles Andrews博士認(rèn)為，三十多年來，美國積累了許多地下水污染修復(fù)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，這對(duì)剛起步的中國具有十分重要的借鑒意義。地下水污染管理項(xiàng)目需要：強(qiáng)大的財(cái)政支持和強(qiáng)制政策措施以避免未來發(fā)生地下水污染；物質(zhì)保障及社會(huì)響應(yīng)政策來修復(fù)、控制已被污染的地下水；為啟動(dòng)“修復(fù)工程”設(shè)定切實(shí)可行的門檻。

美國紐約城市大學(xué)及哥倫比亞大學(xué)的鄭焰教授指出，如果對(duì)飲用水中污染物尤其是劇毒污染物問題的解決不及時(shí)，將導(dǎo)致顯著的經(jīng)濟(jì)損失和大量的人員死亡。原生的地下水污染修復(fù)的可能性很小，費(fèi)用巨大，可以考慮不修復(fù)，但需要加強(qiáng)監(jiān)測以保證污染不加劇不擴(kuò)散，監(jiān)督部門以保障人體和生態(tài)系統(tǒng)健康為目的，實(shí)施因地置宜的管理方案。

美國雪城大學(xué)Don Siegel教授，認(rèn)為中國需要對(duì)當(dāng)前污染的嚴(yán)重性進(jìn)行權(quán)衡，抓大放小，關(guān)注飲用水安全問題。在調(diào)查飲用水源時(shí)，應(yīng)該考慮對(duì)水中常見化學(xué)組分進(jìn)行全面評(píng)估，而不是僅僅關(guān)注污染物。

四、快速變化環(huán)境下的中國地下水污染調(diào)控策略

與會(huì)專家在報(bào)告中，認(rèn)為中國的地下水科技人員應(yīng)著重進(jìn)行以下幾方面的工作：提高公眾和政府對(duì)地下水問題的關(guān)注；加快和改善關(guān)于地下水污染的法律和法規(guī)的制定；加快關(guān)于地下水污染的科技創(chuàng)新；加強(qiáng)地下水防治的能力建設(shè)，包括人才培養(yǎng)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、促進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化和市場化等。特別強(qiáng)調(diào)應(yīng)采用綜合性方式應(yīng)對(duì)中國的地下水污染問題，即產(chǎn)學(xué)研結(jié)合、地下水和地表水結(jié)合、技術(shù)與法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合、多種學(xué)科結(jié)合、多種技術(shù)結(jié)合。中國目前在地下水修復(fù)方面存在的瓶頸問題：現(xiàn)有技術(shù)存在高投入、高能耗，處置方式較為粗放；缺乏相應(yīng)的成套設(shè)備，以及大型修復(fù)工程的運(yùn)行和管理經(jīng)驗(yàn)；過度重視工程，輕視規(guī)范性的場地調(diào)查、評(píng)價(jià)與科學(xué)的修復(fù)決策程序；難以實(shí)現(xiàn)快速、高效、綠色修復(fù)等。建議通過過程模擬方法來識(shí)別污染物賦存與運(yùn)移狀態(tài)；基于暴露過程與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)來制訂修復(fù)目標(biāo)；通過技術(shù)創(chuàng)新和集成突破修復(fù)技術(shù)瓶頸；開發(fā)新材料和新型生物技術(shù)提高修復(fù)的有效性；通過功能耦合與協(xié)同來降低修復(fù)成本；建立修復(fù)技術(shù)的可實(shí)施性評(píng)估體系。

德國圖賓根大學(xué)Peter Grathwohl教授指出，歐盟通過流域尺度的模擬、長期觀測、多介質(zhì)數(shù)據(jù)的獲取、指標(biāo)物的監(jiān)測等手段對(duì)水質(zhì)進(jìn)行綜合性評(píng)估；通過能夠耦合水流、污染物反應(yīng)和遷移并包括土壤、包氣帶和地下水的三維模型來對(duì)各種管理模式下的污染狀況進(jìn)行評(píng)估；開發(fā)水處理技術(shù)以去除廢水、城市徑流和地下水中的污染物；設(shè)立水源地保護(hù)區(qū)；對(duì)已知可能進(jìn)入地下水的有毒、可溶、持久性的污染物的使用進(jìn)行預(yù)防和限制。

五、會(huì)議總結(jié)與專家建議

在經(jīng)過廣泛交流和深入討論后，取得一些共識(shí)，并提出了相關(guān)問題和建議。

1． 與會(huì)專家一致認(rèn)為：

（1）西方發(fā)達(dá)國家在過去30多年進(jìn)行的地下水污染研究中取得了豐碩的成果，同時(shí)也留下了許多地下水污染修復(fù)不成功的教訓(xùn)；

（2）中國目前面臨嚴(yán)峻的地下水污染挑戰(zhàn)，必須立即集中精力開展相關(guān)研究，為地下水污染防治工作提供理論基礎(chǔ)，否則將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人民健康風(fēng)險(xiǎn)；

（3）根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，地下水污染很難徹底清除，所以整體上地下水污染應(yīng)以防為主，以治為輔。對(duì)于修復(fù)目標(biāo)和數(shù)據(jù)精度要求要謹(jǐn)慎考慮；

（4）將污染系統(tǒng)拆分研究以獲取系統(tǒng)整體特征的研究方法已經(jīng)比較成熟，但還存在進(jìn)步空間。以整體的眼光研究復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)成為下一階段研究的重點(diǎn)，尤其對(duì)于快速變化環(huán)境下的中國；

（5）不應(yīng)把地下水看做獨(dú)立的環(huán)境要素，而應(yīng)考慮水資源的整體循環(huán)過程。

2．地下水污染及修復(fù)相關(guān)的問題：

（1）優(yōu)先研究領(lǐng)域：研究不同氣候、水文和地質(zhì)條件下污染物在非均質(zhì)介質(zhì)中多尺度反應(yīng)運(yùn)移機(jī)理及修復(fù)原理；

（2）關(guān)鍵科學(xué)問題：污染物在地下水系統(tǒng)中的反應(yīng)運(yùn)移行為與毒理性表征；地表水－土壤－地下水復(fù)合界面污染物運(yùn)移與轉(zhuǎn)換的動(dòng)力學(xué)過程；非均質(zhì)地下介質(zhì)對(duì)污染物運(yùn)移與修復(fù)過程的控制作用及其尺度效應(yīng)；地下水污染風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別模式與防控機(jī)制；

（3）高效修復(fù)技術(shù)問題：研究符合中國需求的生物修復(fù)、植物修復(fù)、滲透反應(yīng)墻以及其它結(jié)合物理、化學(xué)和生物要素的原位處理技術(shù)。

3．與會(huì)專家建議：

（1）發(fā)展與地下水污染、修復(fù)有關(guān)的行政管理與法律框架。有關(guān)部門應(yīng)健全和完善地下水污染防治的法律法規(guī)，明確監(jiān)管責(zé)任；

（2）盡快開展全國地下水污染調(diào)查工作，完善地下水污染監(jiān)測體系，加強(qiáng)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制技術(shù)體系建設(shè)，研發(fā)高效安全且能適用于不同地質(zhì)環(huán)境、不同污染物特征的地下水污染原位修復(fù)技術(shù)體系，加強(qiáng)地下水污染應(yīng)急系統(tǒng)建設(shè)；

（3）建議國家科技管理部門和科學(xué)基金加大對(duì)地下水污染研究的資助力度，加強(qiáng)地下水污染應(yīng)用性基礎(chǔ)研究，提出典型地下水污染的調(diào)控模式，為我國地下水污染防治提供理論基礎(chǔ)與科學(xué)支撐，提升我國在地下水研究領(lǐng)域的國際地位；

（4）高等院校和政府有關(guān)部門應(yīng)該大力培養(yǎng)熟悉地下水污染過程和修復(fù)方法的技術(shù)及管理人才。