中國典型地下水污染問題的形成、演變機制及其調控研究

─香山科學會議第408次學術討論會綜述

地下水資源對中國社會經(jīng)濟的可持續(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經(jīng)濟可持續(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)復雜性，致使地下水的污染修復極其困難和昂貴。針對以上情況，迫切需要開展地下水污染物遷移規(guī)律與演變機制、以及地下水污染防治與修復的研究，為保障地下飲用水安全及合理調配水資源提供研究依據(jù)。這不僅對地下水污染物反應運移機理這一前沿問題研究有著重要的理論意義，而且對探討地下水污染的預防、治理及調控有著重要的指導意義。

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重的污染。由于中國地下水污染的嚴重性，國務院頒發(fā)的國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）把包括地下水在內的水資源研究列為重點領域及優(yōu)先主題。2011年8月24日國務院常務會議討論通過的《全國地下水污染防治規(guī)劃（2011—2020年）》，對保障我國地下水水質安全、全面提高地下水質等提出了更高的要求。如何保護地下水水質，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)。

為總結梳理中國典型的地下水污染問題，學習國際地下水污染機理研究經(jīng)驗及含水層修復先進技術，探討復雜地質介質對污染物遷移過程和修復的控制作用，以及地下水污染的調控原理，為國家地下水保護政策的制定提供科學依據(jù)，提升我國在地下水研究領域的國際地位，香山科學會議于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、演變機制及其調控研究”為主題的國際學術討論會，會議由孫鴻烈研究員、林學鈺教授、Tissa  Illangasekare教授、鄭春苗教授擔任執(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、臺灣地區(qū)的國內外50多位專家學者應邀參加了討論會。與會專家圍繞（1）地下水污染物反應遷移的多尺度機理與新一代預測模型；（2）地下水污染治理的新理論、新技術；（3）快速變化環(huán)境下的中國地下水污染調控策略等中心議題進行深入討論，并提出了建議。

一、 地下水污染與修復

林學鈺教授作了題為“中國典型地下水污染問題及研究現(xiàn)狀”的主題評述報告。她指出，中國地下水資源的長期過量開采，導致區(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)境地質問題。中國地下水質量總體較好，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。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重的污染，水質超標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超標因子除常規(guī)化學指標外，甚至出現(xiàn)了“三致”（致癌、致畸、致突變）有機污染物。全國2150個大中城市的集中式地下水水源地中，有近20%水源地水質劣于III類�？傊�，我國（1）區(qū)域性地下水污染日益突出；（2）重點地區(qū)地下水污染日趨嚴重；（3）典型污染場地對地下水質的影響明顯增強。20世紀80年代以來，我國在地下水污染和含水層修復的理論研究和技術研發(fā)方面，雖然取得了一些發(fā)展，但與發(fā)達國家相比，在研究的深度、廣度上均明顯存在差距，尤其缺乏單個場地的詳細調查和多種手段的綜合運用。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查工作；（3）完善地下水污染監(jiān)測體系；（4）加強地下水污染風險評估與控制技術體系建設；（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技術體系；（6）加強地下水污染應急系統(tǒng)建設。

美國西北太平洋國家實驗室John Zachara研究員作了題為“復雜地下水系統(tǒng)污染修復的經(jīng)驗教訓”的主題評述報告，他介紹了美國能源部最大的歷史遺留污染場地Hanford地下水污染修復中所作的基礎研究工作。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5000多萬加侖。美國能源部投入大量人力物力和財力（每年幾十億美元），采取多種手段進行該場地的污染修復研究工作，如生物降解、反應墻、抽取治理、原位修復等，但是因為反應速率過慢、隨時間修復效果減弱、解吸過慢以及對含水層系統(tǒng)和污染源缺乏全面了解、存在不確定性等種種原因，修復效果都不盡人意。地下水系統(tǒng)的動態(tài)變化、非飽和帶對污染物遷移過程的影響、含水層復雜的地質結構都為地下水污染修復效果帶來挑戰(zhàn)，都要求對修復場地進行詳細勘查，全面了解污染物遷移過程，構建牢靠的數(shù)值模型。他指出，Hanford場地大量研究集中在地下環(huán)境勘查和污染修復技術方面，修復效果取得部分成功。從該場地修復的經(jīng)驗和教訓來看，了解不同尺度地下水污染物運移規(guī)律是關鍵。含水層非均質性、擴散導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雜的水文地質條件是導致修復失敗的主要原因。厚非飽和帶的存在為地下水污染修復帶來很大挑戰(zhàn)，將來需要進行更多嚴格的不確定性分析和隨機模型的研究。他通過Hanford例子說明基礎研究如何積極影響場地修復，強調預防地下水資源遭到污染要比修復污染成本低得多，也有效得多。

討論中，與會專家認為，《全國地下水污染防治規(guī)劃（2011—2020年）》的實施面臨很大挑戰(zhàn)，需要執(zhí)法保障以及方案的科學設計。地下水水質問題（如氮素污染）是自然成因和人為成因共同造成的，區(qū)分兩類成因是一項重要的工作。在監(jiān)測污染物濃度的同時，應同時監(jiān)測地球化學背景，更好地研究污染物的遷移轉化過程。地下水采樣方案的科學設計十分關鍵，不合理的設計將導致對地下水污染情況的錯誤判斷。針對國外專家介紹的西方國家地下水污染修復實例，有專家認為美國的關于地下水水質的標準過于嚴厲。對于中國，制定合理的標準很重要。應該研究制定基于健康風險的地下水水質管理標準，仔細研究哪些污染問題應該得到優(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。與會專家普遍認為在中國開展地下水修復工作應當慎重，西方國家先污染再治理（修復）的成本太高，因此必須強調污染的預防工作。

二、 地下水污染物反應遷移的多尺度機理與新一代預測模型

與會專家在報告中，認為在我國，地下水有機污染研究總體處于起步階段，在地下水有機污染控制與修復領域與世界水平差距很大。

美國俄亥俄州立大學的Frank Schwartz認為，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，對相關人才的需求十分迫切。除了高校外，還應當通過企業(yè)研發(fā)部門、國家實驗室等組織形式多途徑培養(yǎng)人才。對層出不窮的新問題應保持警醒，并不斷進行自我調整，以有效應對�？蒲行枰�正確的導向，發(fā)表論文不應成為主要目的，人才培養(yǎng)、關鍵科學問題的解答、實際污染問題的解決應成為科研工作的主要目標。問題的多樣性和復雜性為科研工作者提供了大量創(chuàng)新的機遇，而廣泛的國際交流與合作促成了知識的共享的機遇。

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

香港大學焦赳赳教授認為，掌握弱透水層的物理、化學屬性，對于理解地下水環(huán)境中化學物質的產(chǎn)生和遷移轉化過程至關重要。目前，中國尚有大量的弱透水層亟待研究，未來的水文地質研究必須重視對弱透水層的研究。

三、  地下水污染治理的新理論、新技術

在報告中，美國科羅拉多礦業(yè)學院Tissa Illangasekare教授對中國即將開展的地下水污染防治工作，提出如下建議：實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工作制訂切實可行的修復目標；對場地和污染物行為的刻畫越精確，修復系統(tǒng)就越有效；盡管實驗室尺度的觀測和研究已經(jīng)較為成熟，但是在實際應用時普遍出現(xiàn)尺度提升造成的困難，仍然存在值得深入研究的課題；重視機構建設和能力建設，迅速擴大從業(yè)人員隊伍，并提高素質。

美國SSPA環(huán)境與水資源咨詢公司Charles Andrews博士認為，三十多年來，美國積累了許多地下水污染修復的經(jīng)驗教訓，這對剛起步的中國具有十分重要的借鑒意義。地下水污染管理項目需要：強大的財政支持和強制政策措施以避免未來發(fā)生地下水污染；物質保障及社會響應政策來修復、控制已被污染的地下水；為啟動“修復工程”設定切實可行的門檻。

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

美國雪城大學Don Siegel教授，認為中國需要對當前污染的嚴重性進行權衡，抓大放小，關注飲用水安全問題。在調查飲用水源時，應該考慮對水中常見化學組分進行全面評估，而不是僅僅關注污染物。

四、快速變化環(huán)境下的中國地下水污染調控策略

與會專家在報告中，認為中國的地下水科技人員應著重進行以下幾方面的工作：提高公眾和政府對地下水問題的關注；加快和改善關于地下水污染的法律和法規(guī)的制定；加快關于地下水污染的科技創(chuàng)新；加強地下水防治的能力建設，包括人才培養(yǎng)，基礎設施建設、促進技術轉化和市場化等。特別強調應采用綜合性方式應對中國的地下水污染問題，即產(chǎn)學研結合、地下水和地表水結合、技術與法規(guī)和標準結合、多種學科結合、多種技術結合。中國目前在地下水修復方面存在的瓶頸問題：現(xiàn)有技術存在高投入、高能耗，處置方式較為粗放；缺乏相應的成套設備，以及大型修復工程的運行和管理經(jīng)驗；過度重視工程，輕視規(guī)范性的場地調查、評價與科學的修復決策程序；難以實現(xiàn)快速、高效、綠色修復等。建議通過過程模擬方法來識別污染物賦存與運移狀態(tài)；基于暴露過程與風險評價來制訂修復目標；通過技術創(chuàng)新和集成突破修復技術瓶頸；開發(fā)新材料和新型生物技術提高修復的有效性；通過功能耦合與協(xié)同來降低修復成本；建立修復技術的可實施性評估體系。

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

五、會議總結與專家建議

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

1． 與會專家一致認為：

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

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

（3）根據(jù)以往經(jīng)驗，地下水污染很難徹底清除，所以整體上地下水污染應以防為主，以治為輔。對于修復目標和數(shù)據(jù)精度要求要謹慎考慮；

（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，但還存在進步空間。以整體的眼光研究復雜系統(tǒng)應成為下一階段研究的重點，尤其對于快速變化環(huán)境下的中國；

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

2．地下水污染及修復相關的問題：

（1）優(yōu)先研究領域：研究不同氣候、水文和地質條件下污染物在非均質介質中多尺度反應運移機理及修復原理；

（2）關鍵科學問題：污染物在地下水系統(tǒng)中的反應運移行為與毒理性表征；地表水－土壤－地下水復合界面污染物運移與轉換的動力學過程；非均質地下介質對污染物運移與修復過程的控制作用及其尺度效應；地下水污染風險識別模式與防控機制；

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

3．與會專家建議：

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

（2）盡快開展全國地下水污染調查工作，完善地下水污染監(jiān)測體系，加強地下水污染風險評估與控制技術體系建設，研發(fā)高效安全且能適用于不同地質環(huán)境、不同污染物特征的地下水污染原位修復技術體系，加強地下水污染應急系統(tǒng)建設；

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

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