中國(guó)地表水-地下水污染協(xié)同管理控制模式初探*

井柳新 孫愿平 孫宏亮# 劉偉江 王 東 吳悅穎

(1.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012；2.中兵勘察設(shè)計(jì)研究院，北京 100053)

地表水與地下水是水的自然循環(huán)中的兩個(gè)重要組成部分，其存在著相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，地表水與地下水環(huán)境質(zhì)量息息相關(guān)。2015年4月，《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(以下簡(jiǎn)稱“水計(jì)劃”)正式出臺(tái)，以重點(diǎn)流域水質(zhì)和地下水質(zhì)量為主要控制指標(biāo)，統(tǒng)籌考慮地表水與地下水污染防治問(wèn)題，要求到2030年，力爭(zhēng)全國(guó)水環(huán)境質(zhì)量總體改善。為進(jìn)一步控制中國(guó)水環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)“水計(jì)劃”目標(biāo)，建立中國(guó)地表水-地下水污染協(xié)同管理控制模式尤為重要。

1 地表水與地下水的相互轉(zhuǎn)化

地表水與地下水關(guān)系密切，兩者相互依存、相互制約。中國(guó)很多流域河段都存在著地表水與地下水的相互補(bǔ)給。

濟(jì)南市平陰縣的浪溪河流域不同時(shí)期具有不同的地表水與地下水的補(bǔ)排關(guān)系。汛期時(shí)，地下水接受河水的補(bǔ)給；非汛期時(shí)，情況較復(fù)雜，主要受到上游水庫(kù)的影響[1]。

松花江下游干流段地區(qū)內(nèi)地表水與地下水轉(zhuǎn)化頻繁，田浩然等[2]選用20年的數(shù)據(jù)資料，利用地表水水量平衡法和地下水水量均衡法，研究出該區(qū)域內(nèi)的補(bǔ)給情況，即主要是地表水補(bǔ)給地下水，補(bǔ)給量為0.43億～0.48億m3。

張洪山[3]對(duì)沿淮淮北地區(qū)地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果表明，當(dāng)河道水位高于地下水位時(shí)，地下水接受河流補(bǔ)給，地下水位自河邊分別向兩岸逐漸下降，且在距離河岸50 m內(nèi)，地下水下降坡度較大。

王中根等通過(guò)對(duì)海河流域地表水與地下水相關(guān)數(shù)據(jù)分析，提出了地表水SWAT模型與地下水MODFLOW模型進(jìn)行耦合的技術(shù)框架。同時(shí)，在流域地表空間，劃分了283個(gè)子流域和2 100個(gè)水文響應(yīng)單元；在平原區(qū)地下空間，基于15種不同巖性剖分出若干網(wǎng)格；采用地理信息系統(tǒng)(GIS)建立流域地表水與地下水計(jì)算單元的轉(zhuǎn)換關(guān)系[4]。

2 污染物在地表水-地下水系統(tǒng)中的運(yùn)移

由于地表水與地下水在某些地區(qū)存在著密切的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，一旦一方受到污染，另一方必然受到嚴(yán)重威脅。

劉相超等[5]運(yùn)用水化學(xué)分析技術(shù)測(cè)定了梁灘河地表水和地下水水化學(xué)和硝酸鹽氮污染水平，結(jié)果表明，由于流域中上游地表水體受到了污染，地下水體受地表水體的影響，也出現(xiàn)嚴(yán)重污染現(xiàn)象，上游地下水硝酸鹽氮超標(biāo)。

魏靜文對(duì)華北平原地下水與地表水的水文地球化學(xué)及氫氧同位素特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：山前黃壁莊水庫(kù)水滲漏補(bǔ)給地下水；沖洪積扇頂端到扇間的滹沱河河道帶附近的地下水接受河水補(bǔ)給；子牙新河河道帶地表水和地下水相互轉(zhuǎn)化頻繁；濱海平原受海水入侵的影響，大部分地表水和地下水中都有海水的混入[6]。

王俊杰研究了沈陽(yáng)渾河傍河區(qū)域地下水的氮污染。結(jié)果表明：研究區(qū)南北部地下水存在不同的氮素來(lái)源；通過(guò)氮氧同位素分析表明，研究區(qū)地表水、地下水氮素的最主要來(lái)源為人為活動(dòng)排放的糞便及污水；北部地下水的硝酸鹽氮主要來(lái)源于地表污染源的垂向入滲和上游地下水徑流，其比例分別為43.92%和27.37%；南部地下水的氨氮主要來(lái)源于渾河河水和上游地下水徑流，其比例分別為61.79%和38.06%[7]。

劉麗雅[8]深入研究了渾河傍河區(qū)地下水氮污染來(lái)源，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)氨氮主要來(lái)源于渾河補(bǔ)給，其貢獻(xiàn)率為47.07%；硝酸鹽氮主要來(lái)源于地表污染源垂向入滲，貢獻(xiàn)率為52.39%。

3 中國(guó)地表水-地下水污染協(xié)同管理控制模式構(gòu)建

不論是從水量角度還是從水質(zhì)角度，地表水和地下水都是密不可分的，要想做好中國(guó)水污染防治工作，就要對(duì)地表水和地下水環(huán)境進(jìn)行協(xié)同管理控制，要從法規(guī)監(jiān)管、資源開(kāi)發(fā)和污染控制等方面，構(gòu)建中國(guó)地表水與地下水協(xié)同管理控制的水污染防治模式。

(1) 統(tǒng)籌規(guī)劃地表水-地下水污染防治，建立健全水環(huán)境監(jiān)管體系。

“水計(jì)劃”提出了改善全國(guó)水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)，要“地表水”與“地下水”兩手抓，將傳統(tǒng)的“流域”概念進(jìn)一步擴(kuò)大，既包括地表水流域，也包括地下水流域，形成一個(gè)大流域系統(tǒng)下地表-地下統(tǒng)籌規(guī)劃體系。

監(jiān)測(cè)技術(shù)體系構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)地表水-地下水水質(zhì)聯(lián)合管控的第一要求。美國(guó)自1991年啟動(dòng)國(guó)家水質(zhì)評(píng)價(jià)計(jì)劃(NAWQA)，每10年對(duì)各大流域及區(qū)域地下水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并評(píng)價(jià)，重點(diǎn)研究河水及地下水水質(zhì)變化趨勢(shì)[9]。針對(duì)地下水監(jiān)測(cè)布井密度大約為每100 km2一眼井，主要調(diào)查農(nóng)業(yè)和城市地區(qū)已經(jīng)或正在使用的殺蟲(chóng)劑、營(yíng)養(yǎng)物、揮發(fā)性有機(jī)物和金屬物質(zhì)。

根據(jù)《2014年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，我國(guó)已對(duì)423條主要河流、62座重點(diǎn)湖泊(水庫(kù))建立了國(guó)控地表水監(jiān)測(cè)斷面并開(kāi)展例行監(jiān)測(cè)，基本掌握了我國(guó)地表水流域水質(zhì)變化特征；而地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)位僅有4 896個(gè)，監(jiān)測(cè)精度遠(yuǎn)低于美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，目前實(shí)施的《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—93)中僅包括39項(xiàng)指標(biāo)，缺少針對(duì)有機(jī)物及重金屬等污染物的規(guī)定值。

我國(guó)水環(huán)境監(jiān)管體系應(yīng)優(yōu)先注重地下水監(jiān)測(cè)能力建設(shè)，在充分銜接“國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程”[10]中20 000余個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的同時(shí)，對(duì)工業(yè)園區(qū)、加油站及油庫(kù)、垃圾填埋場(chǎng)、危險(xiǎn)廢物處置場(chǎng)、高爾夫球場(chǎng)、再生水灌區(qū)、礦山開(kāi)采區(qū)等重點(diǎn)污染源建立點(diǎn)源監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域-場(chǎng)地兩個(gè)層面的地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)體系；盡快修訂GB/T 14848—93，擴(kuò)充國(guó)際關(guān)注的有機(jī)物及重金屬等指標(biāo)；構(gòu)建地表水-地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)體系和信息共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)從地表到地下、從宏觀(區(qū)域尺度)到微觀(場(chǎng)地尺度)的水環(huán)境監(jiān)管體系。

(2) 深化地表水-地下水水質(zhì)水量相互轉(zhuǎn)化研究，構(gòu)建地表水-地下水水源地聯(lián)合風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)，保障飲水安全。

地表水和地下水均為我國(guó)重要的飲水資源。我國(guó)北方很多城市都開(kāi)采傍河地下水水源，就是利用地表水-地下水相互轉(zhuǎn)化關(guān)系和含水層的初步凈化能力，對(duì)地表水和地下水進(jìn)行聯(lián)合開(kāi)采?？梢?jiàn)，構(gòu)建地表水-地下水水源地聯(lián)合風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)尤為重要。

水環(huán)境模型模擬技術(shù)是目前研究熱點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)直觀數(shù)字化管理和水源地風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的重要手段。崔素芳[11]利用地表水SWAT模型和地下水MODFLOW模型進(jìn)行耦合，對(duì)大沽河流域水環(huán)境進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)，研究其水環(huán)境變化趨勢(shì)。張多純等[12]利用流域水文PRMS模型與地下水MODFLOW模型進(jìn)行耦合，對(duì)沙潁河流域水資源進(jìn)行了模擬，為未來(lái)該流域水資源綜合管理提供了重要支撐。王軍霞[13]以SWAT模型和MODFLOW模型的源代碼為基礎(chǔ)，用FORTRAN90語(yǔ)言編寫(xiě)了耦合模型的程序，對(duì)江漢—洞庭平原地表水-地下水系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，基本摸清了該區(qū)域地表水-地下水之間水量、水質(zhì)輸入的相應(yīng)關(guān)系，為未來(lái)水資源調(diào)控和水污染防控提供參考。

表1 水體中有機(jī)物及重金屬處理技術(shù)比較

目前，我國(guó)的地表水-地下水聯(lián)合模擬預(yù)測(cè)技術(shù)仍停留在理論研究及個(gè)案研究階段，應(yīng)加大這方面的科研支撐力度，在充分轉(zhuǎn)化現(xiàn)有成果的同時(shí)，進(jìn)一步深入研究，研發(fā)一套適合于我國(guó)國(guó)情及水環(huán)境現(xiàn)狀的地表水-地下水聯(lián)合模擬預(yù)測(cè)技術(shù)體系，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)、模擬軟件研發(fā)以及模擬信息平臺(tái)構(gòu)建等，真正實(shí)現(xiàn)地表水-地下水環(huán)境的直觀數(shù)字化管理。

(3) 加大地表水-地下水污染防治科研力度，鼓勵(lì)開(kāi)展針對(duì)有毒有害有機(jī)物、重金屬等人體健康風(fēng)險(xiǎn)較大指標(biāo)的研究。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，水中的污染成分越來(lái)越復(fù)雜，很多對(duì)人體健康風(fēng)險(xiǎn)較大的污染物頻頻出現(xiàn)，這一點(diǎn)在地下水中尤為突出?！度A北平原地下水污染防治工作方案》顯示，我國(guó)華北平原局部地區(qū)地下水出現(xiàn)了汞、鉻、鎘、鉛等重金屬和苯、四氯化碳、三氯乙烯等有機(jī)物污染現(xiàn)象。地表“黑臭”水體的出現(xiàn)，也預(yù)示著地表水的治理不能僅停留于COD、氨氮、TN、TP等指標(biāo)。因此，要鼓勵(lì)開(kāi)展針對(duì)有毒有害有機(jī)物、重金屬等污染物降解技術(shù)的研究。

針對(duì)有毒有害有機(jī)物的降解技術(shù)主要包括物理、化學(xué)和生物處理技術(shù)3大類。王世忠[14]采用活性炭吸附聯(lián)合膜過(guò)濾技術(shù)，對(duì)給水工藝中消毒副產(chǎn)物前體物進(jìn)行降解研究，給出了降解規(guī)律及工藝技術(shù)方案。張偉[15]采用無(wú)填料曝氣，對(duì)揮發(fā)性鹵代烷烴、鹵代烯烴、苯系物等揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行吹脫處理，得到了相應(yīng)的工藝設(shè)計(jì)參數(shù)。相欣奕[16]采用氧化技術(shù)處理難降解有機(jī)污染物，發(fā)現(xiàn)了氯四環(huán)素的氧化降解機(jī)制，同時(shí)采用Fenton試劑和鐵炭?jī)?nèi)電解法處理垃圾滲濾液。HACK等[17]采用微生物降解技術(shù)去除苯酚、水楊酸、苯磺酸和碘美普爾，并研究了其降解機(jī)制。GANESH KUMAR等[18]成功從深海沉積物中提取富集微生物，降解復(fù)合烴類物質(zhì)。

目前，國(guó)內(nèi)外已有不少針對(duì)水體中有毒有害有機(jī)物、重金屬等污染物的處理技術(shù)，每種處理技術(shù)都有其特點(diǎn)及局限，表1為水體中有機(jī)物及重金屬處理技術(shù)比較。

很多處理技術(shù)的理論研究較深入，但缺乏工程實(shí)踐，還不能很好地解決我國(guó)目前面臨的水體中有機(jī)物及重金屬污染問(wèn)題。未來(lái)應(yīng)鼓勵(lì)將科學(xué)研究成果規(guī)范化、產(chǎn)業(yè)化，使其更好地服務(wù)于環(huán)境管理，同時(shí)要更加注重于技術(shù)篩選、單一技術(shù)優(yōu)化和復(fù)合技術(shù)應(yīng)用等研究。

4 結(jié) 語(yǔ)

地表水與地下水關(guān)系密切，是兩個(gè)相互依存、相互制約、相對(duì)獨(dú)立的水資源子系統(tǒng)。為全面做好中國(guó)地下水污染防治工作，就要對(duì)地表水和地下水環(huán)境進(jìn)行協(xié)同管理控制。既要完善相關(guān)法律法規(guī)，建立地表水-地下水環(huán)境協(xié)同監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)；又要注重科學(xué)研究，提升地表水-地下水環(huán)境協(xié)同監(jiān)管能力；從資源開(kāi)發(fā)、污染控制等方面提出有效管理措施和技術(shù)手段，構(gòu)建中國(guó)地表水與地下水協(xié)同管理控制的水污染防治模式。

[1] 尹瑩.基于GIS的浪溪河地表水-地下水相互作用研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2014.

[2] 田浩然，肖長(zhǎng)來(lái)，徐夢(mèng)瑤.松花江佳木斯以下干流段地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化關(guān)系研究[J].節(jié)水灌溉，2012(5)：26-28.

[3] 張洪山.沿淮淮北地區(qū)地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)資料分析[J].安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，14(1)：33-35.

[4] 王中根，朱新軍，李尉，等.海河流域地表水與地下水耦合模擬[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2011，30(11)：1345-1353.

[5] 劉相超，周政輝，宋獻(xiàn)方，等.梁灘河地表水與地下水水化學(xué)及硝酸鹽污染[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，28(5)：942-947.

[6] 魏靜文.華北平原地下水與地表水的水文地球化學(xué)及氫氧同位素特征分析[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，2012.

[7] 王俊杰.沈陽(yáng)渾河傍河區(qū)域地下水氮素污染研究[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，2013.

[8] 劉麗雅.渾河傍河區(qū)地下水氮污染來(lái)源貢獻(xiàn)識(shí)別[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，2013.

[9] 劉偉江，丁貞玉，文一，等.地下水污染防治之美國(guó)經(jīng)驗(yàn)[J].環(huán)境保護(hù)，2013(12)：33-35.

[10] 范宏喜.開(kāi)啟地下水監(jiān)測(cè)新紀(jì)元——聚焦國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程建設(shè)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2015，42(2)：161-162.

[11] 崔素芳.變化環(huán)境下大沽河流域地表水-地下水聯(lián)合模擬與預(yù)測(cè)[D].濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2015.

[12] 張多純，張幼寬.GSFLOW在沙潁河流域地表水與地下水聯(lián)合模擬的應(yīng)用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2015，42(2)：1-9.

[13] 王軍霞.江漢—洞庭平原流域水文模型與地下水?dāng)?shù)值模型耦合模擬研究[D].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2015.

[14] 王世忠.活性炭與膜技術(shù)對(duì)水中天然有機(jī)物去除中試研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[15] 張偉.曝氣吹脫去除水源水中揮發(fā)性有機(jī)物的應(yīng)急處理技術(shù)研究[D].北京：清華大學(xué)，2011.

[16] 相欣奕.氧化技術(shù)降解典型有機(jī)污染物研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2013.

[17] HACK N，REINWAND C，ABBT BRAUN G，et al.Biodegradation of phenol，salicylic acid，benzenesulfonic acid，and iomeprol byPseudomonasfluorescensin the capillary fringe[J].Journal of Contaminant Hydrology，2015，83(12)：40-54.

[18] GANESH KUMAR A，VIJAYAKUMAR L，JOSHI G，et al.Biodegradation of complex hydrocarbons in spent engine oil by novel bacterial consortium isolated from deep sea sediment[J].Bioresource Technology，2014，170(10)：556-564.

[19] 馬紅梅.微污染飲用水源中砷及幾種重金屬離子的吸附分離過(guò)程研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

[20] SHEN Licheng，NGUYEN X T，HANKINS N P.Removal of heavy metal ions from dilute aqueous solutions by polymer-surfactant aggregates：a novel effluent treatment process[J].Separation and Purification Technology，2015，152(9)：101-107.

[21] 張玉政.飲用水水源突發(fā)性重金屬污染應(yīng)急處理實(shí)驗(yàn)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2008.