編者按

國家水專項“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)污染風險防控防范技術(shù)的需求，經(jīng)過4年多的科技攻關(guān)取得重大突破與進展。針對中線總干渠內(nèi)排段地下水污染的潛在風險，建立了典型區(qū)地下水風險污染源清單，突破了地下水風險污染源水力截獲和“漏斗-門”PRB組合關(guān)鍵技術(shù)，提供了總干渠內(nèi)排段地下水風險污染源阻控的有效手段；針對總干渠內(nèi)排段地下水風險監(jiān)控需求，突破了地下水水質(zhì)聯(lián)動監(jiān)控與預報關(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，支撐并促進了《國務院關(guān)于南水北調(diào)工程總體規(guī)劃批復》（國函〔2002〕117號）目標實現(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險。

按照黨中央和國務院要求，南水北調(diào)中線工程于2014年全線實現(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。

為落實黨中央和國務院部署，針對南水北調(diào)中線總干渠工程內(nèi)排段地下水水質(zhì)污染風險防控技術(shù)的需求，水體污染控制與治理重大專項設(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，揭示了沿線復雜地質(zhì)和水文地質(zhì)下風險污染源類型特征和風險形成過程，構(gòu)建了典型區(qū)地下水風險污染源清單，突破地下水污染阻斷與修復防控關(guān)鍵技術(shù)和地下水水質(zhì)聯(lián)動監(jiān)控與預報關(guān)鍵技術(shù)，建立了總干渠典型區(qū)地下水風險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，針對總干渠沿線復雜地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和風險污染源類型、強度多變的特點，以風險污染源解析為基礎(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)控與預報技術(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》實施提供了技術(shù)支持。

成果一：突破了地下水風險污染源水力截獲和“漏斗-門”PRB組合關(guān)鍵技術(shù)，提供了總干渠內(nèi)排段地下水風險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險，建立了典型區(qū)地下水風險污染源清單。通過對總干渠內(nèi)排段兩側(cè)3×638 km2的范圍內(nèi)進行風險源識別，確定了硝酸鹽、硫酸鹽、六價鉻、氨氮等主要風險污染物?？偢汕鼐€有機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)典型風險源特征及污染物遷移規(guī)律，突破了地下水風險污染源水力截獲和“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)保護目標或功能，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《可滲透反應格柵（滲透反應格柵）地下水修復技術(shù)規(guī)范》（建議稿），申報國家發(fā)明專利6項。為總干渠內(nèi)排段地下水風險污染源阻控提供了有效手段。

1、總干渠兩側(cè)風險污染源清單

在風險污染源調(diào)查基礎(chǔ)上，建立了風險污染源清單及數(shù)據(jù)庫。涵蓋鄭州、焦作、許昌、鶴壁、安陽、新鄉(xiāng)沿線共調(diào)查風險源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)風險污染源數(shù)據(jù)庫操作界面

2、地下水風險污染源水力截獲技術(shù)

根據(jù)風險污染物在總干渠內(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、有效控制污染物運移的地下水風險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險污染源水力截獲技術(shù)設(shè)施化試驗示范工程建設(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。對地下水風險污染物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)具有費用少、易于施工、操作靈活等優(yōu)點。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)計特點，采用滲透反應格柵、污染物地下反應帶及原位生物修復等技術(shù)有機組合的方式，因地制宜地構(gòu)建了地下水復配介質(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)了地下水復配介質(zhì)“漏斗-門”PRB/介質(zhì)阻斷組合技術(shù)設(shè)施化試驗示范工程，占地7000m2，主體構(gòu)筑物長105m，使硝酸鹽、重金屬及有機物等地下水典型污染修復率可達90％以上。此技術(shù)適用范圍廣、運行費用低、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，修復的地下水水質(zhì)穩(wěn)定達標，其推廣應用對南水北調(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)控與預報關(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)測預警技術(shù)體系

針對中線總干渠內(nèi)排段地下水風險監(jiān)控需求，研究沿線復雜地質(zhì)和水文地質(zhì)下風險污染源類型特征和風險形成過程，重點解決總干渠兩側(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、高精度小型化技術(shù)難點，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)和污染預報建模技術(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)控和預報技術(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)測預警技術(shù)體系。申報國家發(fā)明專利4項，獲得計算機軟件著作權(quán)2項。

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）和進口Manta 2-4.0多參數(shù)（pH、電導率、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)，太陽能和風能互補供電，經(jīng)GPRS無線發(fā)送數(shù)據(jù)，時間間隔最小3min。北京監(jiān)測預警支持平臺遠程接受無線數(shù)據(jù)，儲存本地服務器的數(shù)據(jù)庫，水質(zhì)模擬系統(tǒng)通過100M/1000M寬帶讀取數(shù)據(jù)運算，在B/S、J2EE架構(gòu)的水質(zhì)可視化支持平臺實現(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)復雜介質(zhì)地下水污染綜合建模與模擬預報技術(shù)

通過計算機模擬系統(tǒng)界面操作，實現(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雜介質(zhì)地下水溶質(zhì)遷移的彌散參數(shù)統(tǒng)計模型及裂隙網(wǎng)絡等效滲流模型，同時包含應用廣泛的其他滲流與溶質(zhì)運移模型，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)，可實現(xiàn)對沿線不同污染源、信息源及不同復雜介質(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)復雜介質(zhì)地下水污染綜合建模與模擬預報技術(shù)，具有原始創(chuàng)新與集成創(chuàng)新及其針對性強與實用方便的特點。
 

分布計算機模擬系統(tǒng)界面與3D模擬結(jié)果

三、成果應用

課題具體體現(xiàn)了國務院領(lǐng)導關(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，研究成果達到國際先進水平，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)水工程及遠距離輸水工程的水質(zhì)安全保障提供示范，其意義重大，應用前景廣闊。

應用一：地下水風險污染源水力截獲和“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)李克強副總理和回良玉副總理在經(jīng)濟日報《經(jīng)濟內(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格柵修復和水力截獲關(guān)鍵技術(shù)納入優(yōu)選技術(shù)之一，用于總干渠兩側(cè)地下水風險源的污染防控。制定的《滲透反應格柵（PRB）地下水修復技術(shù)規(guī)范》適用于采用滲透反應格柵技術(shù)的地下水修復工程，可作為地下水污染修復工程的設(shè)計、施工、環(huán)境保護驗收及實施運行管理的技術(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類項目總投資346.6億元用于地下水污染防治，地下水修復任務繁重，滲透反應格柵（PRB）地下水修復技術(shù)應用前景良好。

應用二：地下水水質(zhì)聯(lián)動監(jiān)控與預報系統(tǒng)實現(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、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)，實現(xiàn)了地下水水質(zhì)聯(lián)動監(jiān)控與預報系統(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、定型，并已投放市場。

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

課題承擔單位：中國地質(zhì)大學（北京）