編者按

國家水專項(xiàng)“南水北調(diào)中線總干渠水質(zhì)安全保障關(guān)鍵技術(shù)與工程示范”（2009ZX07212-003）課題立足南水北調(diào)中線總干渠工程內(nèi)排段地下水水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)防控防范技術(shù)的需求，經(jīng)過4年多的科技攻關(guān)取得重大突破與進(jìn)展。針對中線總干渠內(nèi)排段地下水污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)，建立了典型區(qū)地下水風(fēng)險(xiǎn)污染源清單，突破了地下水風(fēng)險(xiǎn)污染源水力截獲和“漏斗-門”PRB組合關(guān)鍵技術(shù)，提供了總干渠內(nèi)排段地下水風(fēng)險(xiǎn)污染源阻控的有效手段；針對總干渠內(nèi)排段地下水風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控需求，突破了地下水水質(zhì)聯(lián)動監(jiān)控與預(yù)報(bào)關(guān)鍵技術(shù)，完善了南水北調(diào)中線總干渠水質(zhì)安全監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系。上述技術(shù)得到了南水北調(diào)中線建設(shè)工程管理局的高度重視，并在中線工程建設(shè)過程中得到有效應(yīng)用，為確保南水北調(diào)中線輸水水質(zhì)安全發(fā)揮了重要作用，支撐并促進(jìn)了《國務(wù)院關(guān)于南水北調(diào)工程總體規(guī)劃批復(fù)》（國函〔2002〕117號）目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

一、研究背景

南水北調(diào)中線總干渠全長1432公里，明渠段約1100余公里，地下水位高于渠底的地段約442公里，其中403公里為地下水位高于渠底標(biāo)高的內(nèi)排段。在工程建設(shè)過程中，雖然采取了全線立交、局部土工膜防滲等工程保障措施，在一定程度上解決了地表水污染物直接進(jìn)入總干渠的問題。但是，在總干渠內(nèi)排段，地下水能夠通過總干渠逆止閥門進(jìn)入總干渠，總干渠水質(zhì)存在著受地下水污染的影響和潛在的污染風(fēng)險(xiǎn)。

按照黨中央和國務(wù)院要求，南水北調(diào)中線工程于2014年全線實(shí)現(xiàn)通水。南水北調(diào)中線總干渠穿越53個市縣，500多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（村），沿線工業(yè)廢水、廢渣、生活污水、生活垃圾及農(nóng)業(yè)面源直接影響沿線約百余公里地段地下水水質(zhì)；總干渠兩側(cè)是沿線城市的重點(diǎn)發(fā)展區(qū)，很快將形成工業(yè)走廊和居民生活走廊，對干渠水質(zhì)安全威脅日益加重，尤其處于內(nèi)排段輸水干渠沿線受污染的地下水，直接威脅干渠的水質(zhì)安全。

為落實(shí)黨中央和國務(wù)院部署，針對南水北調(diào)中線總干渠工程內(nèi)排段地下水水質(zhì)污染風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)的需求，水體污染控制與治理重大專項(xiàng)設(shè)置了“南水北調(diào)中線總干渠水質(zhì)安全保障關(guān)鍵技術(shù)與工程示范”課題，揭示了沿線復(fù)雜地質(zhì)和水文地質(zhì)下風(fēng)險(xiǎn)污染源類型特征和風(fēng)險(xiǎn)形成過程，構(gòu)建了典型區(qū)地下水風(fēng)險(xiǎn)污染源清單，突破地下水污染阻斷與修復(fù)防控關(guān)鍵技術(shù)和地下水水質(zhì)聯(lián)動監(jiān)控與預(yù)報(bào)關(guān)鍵技術(shù)，建立了總干渠典型區(qū)地下水風(fēng)險(xiǎn)污染源防控防范示范工程，為南水北調(diào)中線水質(zhì)安全保障提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

二、研究成果

課題以“以防為主，防治結(jié)合”為基本思路，針對總干渠沿線復(fù)雜地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和風(fēng)險(xiǎn)污染源類型、強(qiáng)度多變的特點(diǎn)，以風(fēng)險(xiǎn)污染源解析為基礎(chǔ)，自主研發(fā)地下水污染阻控關(guān)鍵技術(shù)和總干渠水與兩側(cè)地下水水質(zhì)聯(lián)動監(jiān)控與預(yù)報(bào)技術(shù)，并建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)示范工程，構(gòu)建一套適用重大輸水工程水質(zhì)安全保障的關(guān)鍵技術(shù)體系。目前，課題主要研究成果已應(yīng)用于南水北調(diào)總干渠工程建設(shè)，也為《全國地下水污染防治規(guī)劃》實(shí)施提供了技術(shù)支持。

成果一：突破了地下水風(fēng)險(xiǎn)污染源水力截獲和“漏斗-門”PRB組合關(guān)鍵技術(shù)，提供了總干渠內(nèi)排段地下水風(fēng)險(xiǎn)污染源阻控的有效手段

針對中線總干渠內(nèi)排段地下水污染的潛在風(fēng)險(xiǎn)，建立了典型區(qū)地下水風(fēng)險(xiǎn)污染源清單。通過對總干渠內(nèi)排段兩側(cè)3×638 km2的范圍內(nèi)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源識別，確定了硝酸鹽、硫酸鹽、六價(jià)鉻、氨氮等主要風(fēng)險(xiǎn)污染物?？偢汕鼐€有機(jī)污染物有不同程度檢出，檢出較高和較普遍的有萘、三氯乙烯、乙苯、鄰氯甲苯等10余種。根據(jù)典型風(fēng)險(xiǎn)源特征及污染物遷移規(guī)律，突破了地下水風(fēng)險(xiǎn)污染源水力截獲和“漏斗-門”PRB組合關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，針對不同地段、不同水質(zhì)保護(hù)目標(biāo)或功能，構(gòu)建了總干渠沿線典型地下水污染綜合防控技術(shù)工程示范；編制完成《可滲透反應(yīng)格柵（滲透反應(yīng)格柵）地下水修復(fù)技術(shù)規(guī)范》（建議稿），申報(bào)國家發(fā)明專利6項(xiàng)。為總干渠內(nèi)排段地下水風(fēng)險(xiǎn)污染源阻控提供了有效手段。

1、總干渠兩側(cè)風(fēng)險(xiǎn)污染源清單

在風(fēng)險(xiǎn)污染源調(diào)查基礎(chǔ)上，建立了風(fēng)險(xiǎn)污染源清單及數(shù)據(jù)庫。涵蓋鄭州、焦作、許昌、鶴壁、安陽、新鄉(xiāng)沿線共調(diào)查風(fēng)險(xiǎn)源2406個，包括化工、制藥、印染、造紙、養(yǎng)殖等企業(yè)。其中鄭州段企業(yè)1094家, 村鎮(zhèn)247個。
 

總干渠兩側(cè)風(fēng)險(xiǎn)污染源數(shù)據(jù)庫操作界面

2、地下水風(fēng)險(xiǎn)污染源水力截獲技術(shù)

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)污染物在總干渠內(nèi)排段污染源-包氣帶-含水層-總干渠水中的遷移途徑與運(yùn)動規(guī)律，通過在天然流場上疊加人工流場，研發(fā)了高效低耗、有效控制污染物運(yùn)移的地下水風(fēng)險(xiǎn)污染源水力截獲技術(shù)。

在河南省焦作市大家作村粉煤灰場附近開展了地下水風(fēng)險(xiǎn)污染源水力截獲技術(shù)設(shè)施化試驗(yàn)示范工程建設(shè)。示范區(qū)范圍108hm2，形成水力截獲帶長度1012m，寬度772m，干擾井總降深值3.0-8.1m。對地下水風(fēng)險(xiǎn)污染物Cr6+、NO2--N和NO3--N最終截獲率分別為95.11%、90.23%和90.19%。該技術(shù)具有費(fèi)用少、易于施工、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)。在南水北調(diào)中線總干渠兩側(cè)內(nèi)排段地下水受到突發(fā)性污染應(yīng)急狀態(tài)下，采用水力截獲技術(shù)可有效地消除對南水北調(diào)中線干渠的污染隱患。

3、地下水復(fù)配介質(zhì)“漏斗-門”PRB/介質(zhì)阻斷組合技術(shù)

針對總干渠兩側(cè)地下水污染區(qū)段的典型污染特征和總干渠內(nèi)排段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用滲透反應(yīng)格柵、污染物地下反應(yīng)帶及原位生物修復(fù)等技術(shù)有機(jī)組合的方式，因地制宜地構(gòu)建了地下水復(fù)配介質(zhì)“漏斗-門”PRB/介質(zhì)阻斷組合技術(shù)。

在河南省焦作市府城村總干渠內(nèi)排段建設(shè)了地下水復(fù)配介質(zhì)“漏斗-門”PRB/介質(zhì)阻斷組合技術(shù)設(shè)施化試驗(yàn)示范工程，占地7000m2，主體構(gòu)筑物長105m，使硝酸鹽、重金屬及有機(jī)物等地下水典型污染修復(fù)率可達(dá)90％以上。此技術(shù)適用范圍廣、運(yùn)行費(fèi)用低、無能耗，且無需占用耕地資源，在含水層滲透系數(shù)大于0.01m/d，NO3--N濃度＜300mg/L的條件下，修復(fù)的地下水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，其推廣應(yīng)用對南水北調(diào)中線總干渠水質(zhì)安全保障具有重要意義。

成果二：突破了地下水水質(zhì)聯(lián)動監(jiān)控與預(yù)報(bào)關(guān)鍵技術(shù)，完善了南水北調(diào)中線總干渠水質(zhì)安全監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系

針對中線總干渠內(nèi)排段地下水風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控需求，研究沿線復(fù)雜地質(zhì)和水文地質(zhì)下風(fēng)險(xiǎn)污染源類型特征和風(fēng)險(xiǎn)形成過程，重點(diǎn)解決總干渠兩側(cè)地下水監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化布控技術(shù)和地下水在線監(jiān)測技術(shù)，突破了地下水水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備的多指標(biāo)、高精度小型化技術(shù)難點(diǎn)，研發(fā)了總干渠兩側(cè)地下水自動在線監(jiān)測控制系統(tǒng)和污染預(yù)報(bào)建模技術(shù)及模擬系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了總干渠水與兩側(cè)地下水水質(zhì)聯(lián)動監(jiān)控和預(yù)報(bào)技術(shù)工程示范。完善了南水北調(diào)中線總干渠水質(zhì)安全監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系。申報(bào)國家發(fā)明專利4項(xiàng)，獲得計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)2項(xiàng)。

1、總干渠兩側(cè)地下水與總干渠水的檢測—傳輸—數(shù)據(jù)處理-反饋設(shè)備組成的聯(lián)動監(jiān)測和控制系統(tǒng)

集成了投入式水質(zhì)檢測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)地下水檢測的小型化和高精度，研制了基于GPRS、互聯(lián)網(wǎng)、Web和GIS的水質(zhì)監(jiān)測預(yù)測決策支持平臺。

在焦作段示范工程現(xiàn)場建成由4個監(jiān)測井組成監(jiān)測網(wǎng)。采用自主研發(fā)的XHUV在線CODMn傳感器（直徑7cm）、XHNN在線NO3-傳感器（直徑7cm）和進(jìn)口Manta 2-4.0多參數(shù)（pH、電導(dǎo)率、DO、溫度、Cl-）傳感器（直徑10.2cm）串聯(lián)懸置井中，檢測范圍NO3-是0~100mg/l-N、CODMn是0~100mg/l并可定制，精度到達(dá)國家規(guī)范（HJ/T164－2004）要求?，F(xiàn)場PLC控制和無線傳輸設(shè)備集成并地埋構(gòu)筑物內(nèi)，太陽能和風(fēng)能互補(bǔ)供電，經(jīng)GPRS無線發(fā)送數(shù)據(jù)，時(shí)間間隔最小3min。北京監(jiān)測預(yù)警支持平臺遠(yuǎn)程接受無線數(shù)據(jù)，儲存本地服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫，水質(zhì)模擬系統(tǒng)通過100M/1000M寬帶讀取數(shù)據(jù)運(yùn)算，在B/S、J2EE架構(gòu)的水質(zhì)可視化支持平臺實(shí)現(xiàn)水量水質(zhì)動態(tài)界面展示。本成果為總干渠輸水安全提供了科技支撐。
 

地下水現(xiàn)場檢測裝置  決策支持平臺顯示界面

2、總干渠兩側(cè)復(fù)雜介質(zhì)地下水污染綜合建模與模擬預(yù)報(bào)技術(shù)

通過計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)界面操作，實(shí)現(xiàn)污染物包氣帶入滲和飽水帶遷移的同步建模與耦合模擬，模擬系統(tǒng)集成了課題所建立的復(fù)雜介質(zhì)地下水溶質(zhì)遷移的彌散參數(shù)統(tǒng)計(jì)模型及裂隙網(wǎng)絡(luò)等效滲流模型，同時(shí)包含應(yīng)用廣泛的其他滲流與溶質(zhì)運(yùn)移模型，特別是能夠綜合GIS、數(shù)據(jù)庫、可視化、多源信息融合、數(shù)值模擬等多方面技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對沿線不同污染源、信息源及不同復(fù)雜介質(zhì)條件與建模方法等自動耦合與高效處理，由此構(gòu)建出總干渠兩側(cè)復(fù)雜介質(zhì)地下水污染綜合建模與模擬預(yù)報(bào)技術(shù)，具有原始創(chuàng)新與集成創(chuàng)新及其針對性強(qiáng)與實(shí)用方便的特點(diǎn)。
 

分布計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)界面與3D模擬結(jié)果

三、成果應(yīng)用

課題具體體現(xiàn)了國務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)關(guān)于“發(fā)揮南水北調(diào)的輻射全國水污染防治的帶動作用”的指示精神。課題構(gòu)建了防控輸水總干渠內(nèi)排段兩側(cè)地下水污染總干渠水質(zhì)的技術(shù)支撐體系，研究成果達(dá)到國際先進(jìn)水平，不僅為南水北調(diào)中線輸水工程水質(zhì)安全保障提供了技術(shù)支撐，也可為我國其他重大跨流域調(diào)水工程及遠(yuǎn)距離輸水工程的水質(zhì)安全保障提供示范，其意義重大，應(yīng)用前景廣闊。

應(yīng)用一：地下水風(fēng)險(xiǎn)污染源水力截獲和“漏斗-門”PRB組合關(guān)鍵技術(shù)已納入南水北調(diào)中線總干渠兩側(cè)生態(tài)帶建設(shè)規(guī)劃

根據(jù)李克強(qiáng)副總理和回良玉副總理在經(jīng)濟(jì)日報(bào)《經(jīng)濟(jì)內(nèi)參》中“建議建設(shè)南水北調(diào)中線生態(tài)城市帶”一文批示精神，國務(wù)院南水北調(diào)辦組織編制了南水北調(diào)中線總干渠兩側(cè)生態(tài)帶建設(shè)規(guī)劃，并已將課題地下水污染滲透反應(yīng)格柵修復(fù)和水力截獲關(guān)鍵技術(shù)納入優(yōu)選技術(shù)之一，用于總干渠兩側(cè)地下水風(fēng)險(xiǎn)源的污染防控。制定的《滲透反應(yīng)格柵（PRB）地下水修復(fù)技術(shù)規(guī)范》適用于采用滲透反應(yīng)格柵技術(shù)的地下水修復(fù)工程，可作為地下水污染修復(fù)工程的設(shè)計(jì)、施工、環(huán)境保護(hù)驗(yàn)收及實(shí)施運(yùn)行管理的技術(shù)依據(jù)。環(huán)保部、國土資源部與水利部2011年10月28日發(fā)布的《全國地下水污染防治規(guī)劃（2011—2020）》，明確未來將安排6類項(xiàng)目總投資346.6億元用于地下水污染防治，地下水修復(fù)任務(wù)繁重，滲透反應(yīng)格柵（PRB）地下水修復(fù)技術(shù)應(yīng)用前景良好。

應(yīng)用二：地下水水質(zhì)聯(lián)動監(jiān)控與預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與南水北調(diào)中線工程水質(zhì)自動化調(diào)控系統(tǒng)的對接，促進(jìn)地下水水質(zhì)在線監(jiān)測儀器產(chǎn)業(yè)化

突破了地下水水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備的多指標(biāo)、高精度小型化技術(shù)，開發(fā)了適于地下水安裝的小型化、高精度的地下水水質(zhì)聯(lián)動監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地下水水質(zhì)聯(lián)動監(jiān)控與預(yù)報(bào)系統(tǒng)與南水北調(diào)中線工程水質(zhì)自動化調(diào)控系統(tǒng)的對接。完成了國產(chǎn)地下水監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)品試驗(yàn)、定型，并已投放市場。

課題有關(guān)專利技術(shù)及相關(guān)設(shè)備應(yīng)用于南水北調(diào)總干渠水質(zhì)安全保障工程，將促進(jìn)地下水污染風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)和監(jiān)控預(yù)警技術(shù)體系的專業(yè)化設(shè)計(jì)、制造、施工、安裝及運(yùn)營，提升我國地下水環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)識別與評價(jià)、監(jiān)測與預(yù)報(bào)、污染控制與修復(fù)的技術(shù)水平，提高水環(huán)境污染防范和應(yīng)急能力以及水環(huán)境管理水平。

課題承擔(dān)單位：中國地質(zhì)大學(xué)（北京）