中国典型地下水污染问题的形成、演变机制及其调控研究
─香山科学会议第408次学术讨论会综述
地下水资源对中国社会经济的可持续发展起着举足轻重的作用。而地下水污染所引起的生态环境破坏和人体健康的危害是社会经济可持续发展的重大挑战。由于地下水赋存环境表现出的隐蔽性、延迟性和系统复杂性，致使地下水的污染修复极其困难和昂贵。针对以上情况，迫切需要开展地下水污染物迁移规律与演变机制、以及地下水污染防治与修复的研究，为保障地下饮用水安全及合理调配水资源提供研究依据。这不仅对地下水污染物反应运移机理这一前沿问题研究有着重要的理论意义，而且对探讨地下水污染的预防、治理及调控有着重要的指导意义。
中国地下水资源占水资源总量的1/3，总供水量的近20%，饮用供水的70%，农田灌溉用水的40%，然而却正遭受越来越严重的污染。由于中国地下水污染的严重性，国务院颁发的国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）把包括地下水在内的水资源研究列为重点领域及优先主题。2011年8月24日国务院常务会议讨论通过的《全国地下水污染防治规划（2011—2020年）》，对保障我国地下水水质安全、全面提高地下水质等提出了更高的要求。如何保护地下水水质，保证公众饮水安全，将是中国未来几十年可持续发展所面临的巨大挑战。
为总结梳理中国典型的地下水污染问题，学习国际地下水污染机理研究经验及含水层修复先进技术，探讨复杂地质介质对污染物迁移过程和修复的控制作用，以及地下水污染的调控原理，为国家地下水保护政策的制定提供科学依据，提升我国在地下水研究领域的国际地位，香山科学会议于2011年9月27~29日在北京召开以“中国典型地下水污染问题的形成、演变机制及其调控研究”为主题的国际学术讨论会，会议由孙鸿烈研究员、林学钰教授、Tissa Illangasekare教授、郑春苗教授担任执行主席。来自高等院校、科研院所和管理部门包括美国、德国、澳大利亚、丹麦，以及香港、台湾地区的国内外50多位专家学者应邀参加了讨论会。与会专家围绕（1）地下水污染物反应迁移的多尺度机理与新一代预测模型；（2）地下水污染治理的新理论、新技术；（3）快速变化环境下的中国地下水污染调控策略等中心议题进行深入讨论，并提出了建议。
一、 地下水污染与修复
林学钰教授作了题为“中国典型地下水污染问题及研究现状”的主题评述报告。她指出，中国地下水资源的长期过量开采，导致区域地下水水位持续下降，产生了诸如区域地下水位降落漏斗、地面沉降、岩溶塌陷、地裂缝、海水入侵和地下水污染等环境地质问题。中国地下水质量总体较好，具有南方优于北方、山区优于平原、深层地下水优于浅层地下水的特点。近年来，在广大平原地区，由于废、污水的排放，大面积、超量化肥和农药的使用，垃圾场的淋滤和地下油罐的渗漏等原因，地下水正遭受着越来越严重的污染，水质超标主要因子为三氮和溶解性总固体物。在京津地区、长江三角洲、珠江三角洲等地区部分城市地下水水质超标因子除常规化学指标外，甚至出现了“三致”（致癌、致畸、致突变）有机污染物。全国2150个大中城市的集中式地下水水源地中，有近20%水源地水质劣于III类。总之，我国（1）区域性地下水污染日益突出；（2）重点地区地下水污染日趋严重；（3）典型污染场地对地下水质的影响明显增强。20世纪80年代以来，我国在地下水污染和含水层修复的理论研究和技术研发方面，虽然取得了一些发展，但与发达国家相比，在研究的深度、广度上均明显存在差距，尤其缺乏单个场地的详细调查和多种手段的综合运用。未来中国地下水污染需要：（1）健全和完善地下水污染防治的法律法规；（2）尽快开展全国地下水污染调查工作；（3）完善地下水污染监测体系；（4）加强地下水污染风险评估与控制技术体系建设；（5）研发高效安全且能适用于不同特征污染物的地下水污染原位修复技术体系；（6）加强地下水污染应急系统建设。
美国西北太平洋国家实验室John Zachara研究员作了题为“复杂地下水系统污染修复的经验教训”的主题评述报告，他介绍了美国能源部最大的历史遗留污染场地Hanford地下水污染修复中所作的基础研究工作。Hanford场地中存在如U, Cr, 99Tc, 129I, 90Sr, NO3, CCl4等多种污染物，污染物排放量达5000多万加仑。美国能源部投入大量人力物力和财力（每年几十亿美元），采取多种手段进行该场地的污染修复研究工作，如生物降解、反应墙、抽取治理、原位修复等，但是因为反应速率过慢、随时间修复效果减弱、解吸过慢以及对含水层系统和污染源缺乏全面了解、存在不确定性等种种原因，修复效果都不尽人意。地下水系统的动态变化、非饱和带对污染物迁移过程的影响、含水层复杂的地质结构都为地下水污染修复效果带来挑战，都要求对修复场地进行详细勘查，全面了解污染物迁移过程，构建牢靠的数值模型。他指出，Hanford场地大量研究集中在地下环境勘查和污染修复技术方面，修复效果取得部分成功。从该场地修复的经验和教训来看，了解不同尺度地下水污染物运移规律是关键。含水层非均质性、扩散导致的污染物浓度反弹、污染物迁移过程理解的不充分以及复杂的水文地质条件是导致修复失败的主要原因。厚非饱和带的存在为地下水污染修复带来很大挑战，将来需要进行更多严格的不确定性分析和随机模型的研究。他通过Hanford例子说明基础研究如何积极影响场地修复，强调预防地下水资源遭到污染要比修复污染成本低得多，也有效得多。
讨论中，与会专家认为，《全国地下水污染防治规划（2011—2020年）》的实施面临很大挑战，需要执法保障以及方案的科学设计。地下水水质问题（如氮素污染）是自然成因和人为成因共同造成的，区分两类成因是一项重要的工作。在监测污染物浓度的同时，应同时监测地球化学背景，更好地研究污染物的迁移转化过程。地下水采样方案的科学设计十分关键，不合理的设计将导致对地下水污染情况的错误判断。针对国外专家介绍的西方国家地下水污染修复实例，有专家认为美国的关于地下水水质的标准过于严厉。对于中国，制定合理的标准很重要。应该研究制定基于健康风险的地下水水质管理标准，仔细研究哪些污染问题应该得到优先解决。有可能是传统的、一直没有很好解决的问题，如大肠杆菌污染等。与会专家普遍认为在中国开展地下水修复工作应当慎重，西方国家先污染再治理（修复）的成本太高，因此必须强调污染的预防工作。
二、 地下水污染物反应迁移的多尺度机理与新一代预测模型
与会专家在报告中，认为在我国，地下水有机污染研究总体处于起步阶段，在地下水有机污染控制与修复领域与世界水平差距很大。
美国俄亥俄州立大学的Frank Schwartz认为，在发展中国家地下水污染问题突出，研究和防治的工作起步较晚，对相关人才的需求十分迫切。除了高校外，还应当通过企业研发部门、国家实验室等组织形式多途径培养人才。对层出不穷的新问题应保持警醒，并不断进行自我调整，以有效应对。科研需要正确的导向，发表论文不应成为主要目的，人才培养、关键科学问题的解答、实际污染问题的解决应成为科研工作的主要目标。问题的多样性和复杂性为科研工作者提供了大量创新的机遇，而广泛的国际交流与合作促成了知识的共享的机遇。
美国西北太平洋国家实验室刘崇炫研究员指出，需要通过尺度效应研究，掌握微观机理的宏观表征方式，从而提高地下水污染模拟和预测的精度。
香港大学焦赳赳教授认为，掌握弱透水层的物理、化学属性，对于理解地下水环境中化学物质的产生和迁移转化过程至关重要。目前，中国尚有大量的弱透水层亟待研究，未来的水文地质研究必须重视对弱透水层的研究。
三、 地下水污染治理的新理论、新技术
在报告中，美国科罗拉多矿业学院Tissa Illangasekare教授对中国即将开展的地下水污染防治工作，提出如下建议：实践证明地下水污染物的彻底去除基本不可行，所以要为未来的地下水修复工作制订切实可行的修复目标；对场地和污染物行为的刻画越精确，修复系统就越有效；尽管实验室尺度的观测和研究已经较为成熟，但是在实际应用时普遍出现尺度提升造成的困难，仍然存在值得深入研究的课题；重视机构建设和能力建设，迅速扩大从业人员队伍，并提高素质。
美国SSPA环境与水资源咨询公司Charles Andrews博士认为，三十多年来，美国积累了许多地下水污染修复的经验教训，这对刚起步的中国具有十分重要的借鉴意义。地下水污染管理项目需要：强大的财政支持和强制政策措施以避免未来发生地下水污染；物质保障及社会响应政策来修复、控制已被污染的地下水；为启动“修复工程”设定切实可行的门槛。
美国纽约城市大学及哥伦比亚大学的郑焰教授指出，如果对饮用水中污染物尤其是剧毒污染物问题的解决不及时，将导致显著的经济损失和大量的人员死亡。原生的地下水污染修复的可能性很小，费用巨大，可以考虑不修复，但需要加强监测以保证污染不加剧不扩散，监督部门以保障人体和生态系统健康为目的，实施因地置宜的管理方案。
美国雪城大学Don Siegel教授，认为中国需要对当前污染的严重性进行权衡，抓大放小，关注饮用水安全问题。在调查饮用水源时，应该考虑对水中常见化学组分进行全面评估，而不是仅仅关注污染物。
四、快速变化环境下的中国地下水污染调控策略
与会专家在报告中，认为中国的地下水科技人员应着重进行以下几方面的工作：提高公众和政府对地下水问题的关注；加快和改善关于地下水污染的法律和法规的制定；加快关于地下水污染的科技创新；加强地下水防治的能力建设，包括人才培养，基础设施建设、促进技术转化和市场化等。特别强调应采用综合性方式应对中国的地下水污染问题，即产学研结合、地下水和地表水结合、技术与法规和标准结合、多种学科结合、多种技术结合。中国目前在地下水修复方面存在的瓶颈问题：现有技术存在高投入、高能耗，处置方式较为粗放；缺乏相应的成套设备，以及大型修复工程的运行和管理经验；过度重视工程，轻视规范性的场地调查、评价与科学的修复决策程序；难以实现快速、高效、绿色修复等。建议通过过程模拟方法来识别污染物赋存与运移状态；基于暴露过程与风险评价来制订修复目标；通过技术创新和集成突破修复技术瓶颈；开发新材料和新型生物技术提高修复的有效性；通过功能耦合与协同来降低修复成本；建立修复技术的可实施性评估体系。
德国图宾根大学Peter Grathwohl教授指出，欧盟通过流域尺度的模拟、长期观测、多介质数据的获取、指标物的监测等手段对水质进行综合性评估；通过能够耦合水流、污染物反应和迁移并包括土壤、包气带和地下水的三维模型来对各种管理模式下的污染状况进行评估；开发水处理技术以去除废水、城市径流和地下水中的污染物；设立水源地保护区；对已知可能进入地下水的有毒、可溶、持久性的污染物的使用进行预防和限制。
五、会议总结与专家建议
在经过广泛交流和深入讨论后，取得一些共识，并提出了相关问题和建议。
1． 与会专家一致认为：
（1）西方发达国家在过去30多年进行的地下水污染研究中取得了丰硕的成果，同时也留下了许多地下水污染修复不成功的教训；
（2）中国目前面临严峻的地下水污染挑战，必须立即集中精力开展相关研究，为地下水污染防治工作提供理论基础，否则将造成巨大的经济损失和人民健康风险；
（3）根据以往经验，地下水污染很难彻底清除，所以整体上地下水污染应以防为主，以治为辅。对于修复目标和数据精度要求要谨慎考虑；
（4）将污染系统拆分研究以获取系统整体特征的研究方法已经比较成熟，但还存在进步空间。以整体的眼光研究复杂系统应成为下一阶段研究的重点，尤其对于快速变化环境下的中国；
（5）不应把地下水看做独立的环境要素，而应考虑水资源的整体循环过程。
2．地下水污染及修复相关的问题：
（1）优先研究领域：研究不同气候、水文和地质条件下污染物在非均质介质中多尺度反应运移机理及修复原理；
（2）关键科学问题：污染物在地下水系统中的反应运移行为与毒理性表征；地表水－土壤－地下水复合界面污染物运移与转换的动力学过程；非均质地下介质对污染物运移与修复过程的控制作用及其尺度效应；地下水污染风险识别模式与防控机制；
（3）高效修复技术问题：研究符合中国需求的生物修复、植物修复、渗透反应墙以及其它结合物理、化学和生物要素的原位处理技术。
3．与会专家建议：
（1）发展与地下水污染、修复有关的行政管理与法律框架。有关部门应健全和完善地下水污染防治的法律法规，明确监管责任；
（2）尽快开展全国地下水污染调查工作，完善地下水污染监测体系，加强地下水污染风险评估与控制技术体系建设，研发高效安全且能适用于不同地质环境、不同污染物特征的地下水污染原位修复技术体系，加强地下水污染应急系统建设；
（3）建议国家科技管理部门和科学基金加大对地下水污染研究的资助力度，加强地下水污染应用性基础研究，提出典型地下水污染的调控模式，为我国地下水污染防治提供理论基础与科学支撑，提升我国在地下水研究领域的国际地位；
（4）高等院校和政府有关部门应该大力培养熟悉地下水污染过程和修复方法的技术及管理人才。
http://www.xssc.ac.cn/ReadBrief.aspx?ItemID=163
