地下水污染研究现状及发展趋势

地下水污染研究现状及发展趋势_河南淮河平原地下

三、地下水污染研究现状及发展趋势

（一）地下水污染研究现状

随着工农业生产的迅速发展和社会人口的不断增长，工业“三废”大量排放、农药和化肥大面积施用、生活垃圾和污水的大量排放、污水灌溉、核能利用带来废料日益增多，这些污染物向地下入渗使周围地下水水质遭到严重污染。另一方面，由于不合理开采或过量抽取地下水，改变了地下水水力状态，也加速了地下水污染的进程，这些问题的日益严重，已引起人们高度重视。发达国家地下水污染调查和治理起步早、进展快，工作重点已由无机污染转向有机污染，已形成了系统完善的地下水污染调查评价技术方法。美国地质调查局1991—2001年实施了国家水质评价计划，用10年时间完成了59个地下水盆地与地表水流域的首轮水质评价。2001—2012年进一步实施第二轮国家水质评价计划，集中瞄准42个地下水盆地与地表水流域，评价重点由无机污染转向有机污染。日本、英国、法国等也于20世纪末完成了本国地下水污染调查评价。国内外许多学者对地下水污染研究重点主要体现在以下几个方面:地下水污染源的识别、污染物在地下水中迁移转化机理、地下水质动态监测、地下水水质模型研究、地下水污染数学模型求解方法研究、地下水污染数学模拟研究及应用、水质评价研究和地下水污染治理与修复等。

1.地下水污染源的识别研究

2.污染物在地下水中迁移转化机理研究

目前国内外学者对污染物在地下水中迁移转化规律的研究，一是通过室内土柱试验和野外原位试验进行实测模拟分析；二是通过建立数学模型进行数值仿真模拟分析，预测污染物浓度的时空变化规律，以便采取控制措施，使地下水环境影响程度降为最低。国外对污染物在地下水中运移研究和应用从20世纪初即已开始了。许多学者研究了多维弥散、重力分异、吸附效应等水动力弥散问题。由于石油在开采、储运和炼制的过程中常会发生外泄事故，渗漏的成品油会对地下水造成严重的污染。这已经成为世界普遍关心的问题，于是国外学者把注意力转向了包括石油在内的非亲水相液体（NAPL），对NAPL在地下水中的运移等方面开展了大量研究工作。研究内容主要为:①污染物组成对迁移和吸附影响；②利用离心机研究污染物在含水层中的运移；③污染物含量及组成对含水层渗透性影响；④非饱和土中污染物迁移与吸力关系研究；⑤数学模型参数获取和预测污染物迁移变化规律；⑥防止污染源扩散采取的措施研究等。

3.地下水质动态监测

有些国家已建立了地下水质观测站网，如美国现有20000多个地下水观测井，5000余个水质测量站，在全国组成了250多个水质监测网，对26个洲地下水污染状况进行了全面调查及专门性区域地下水污染的监测工作。日、英、法等国也建立了水质监测站网，进行地下水资源污染情况的监测工作。同时这些国家也相继建立了水质资料数据库，如美国地质调查局水资料储存和检索系统（WATSTORE）于1971年开始运转，下设上百个终端，用户直接从终端获得资料。其中水质档案（WQ FIL E）储存有包括地表水和地下水100多种生物的、化学的、物理的和放射性化学特征值的140万个分析样资料。这些资料对分析地下水水质动态，预报地下水污染发展趋势大有帮助。

4.地下水水质模型研究

地下水水质模型是20世纪70年代后期发展起来的。目前在一些国家已经使用评价地下水质的数学模型有:确定性模型、随机模型和“黑箱”模型，它们都被用于地下水污染控制，防止海水倒灌和土地盐碱化以及地下水盆地管理等各方面。

5.地下水污染数学模型求解方法研究

国外研究者将边界元法应用于截水流问题，它是将偏微分方程定解问题化为边界积分方程求解，这个方法要比有限元法和有限差分法优越。特别在解无限区域问题时，边界元法是行之有效的。目前在国外已将此方法应用到解稳定流和非稳定流问题上。但此方法是近些年发展起来的一种数值解法，在国外也是刚刚开始，所以它在水质模拟问题上的实际应用还是一个空白。但鉴于它在研究地下水污染问题上有着广阔的发展前景，已引起国外水文地质研究者的高度重视。

6.地下水污染数学模拟研究及应用

早在20世纪初国外就开始应用数学模型研究地下水问题，但把数学模型应用于地下水质模拟研究则是60年代以后的事情。近年来国外学者在地下水溶质运移理论和试验研究方面又取得了新进展。深入研究了污染物固相和液相浓度的相互转化关系，吸附条件则由平衡等温模式发展到考虑非平衡吸附模式。特别是在边界条件和初始条件设定方面，更趋于合理和全面。在美国、英国、荷兰等国的期刊上，对污染物在地下水中迁移转化的一维模型解析解方面，不断有新的成果出现。在迁移载体水分运动方面，又发展到考虑可动水体和不可动水体等因素。

我国地下水水质模拟工作是最近20年来的事情，1980年初首先由山东省地质局等单位在济宁市郊区进行了现场试验研究工作，并建立了我国第一个为预测地下水污染发展趋势的地下水水质模型。1982年武汉水利电力学院应用伽辽金有限元法求解了在渗流区有抽水井条件下的二维溶质迁移及在自由表面上有入渗补给时二维渗流中的溶质迁移问题。此后许多学者开始进行这方面的理论和工程应用研究。其中对流弥散模型是使用最多的数学模型，许多研究者将该模型加以修正以使模型适用于不同的工程情况，目前对流弥散模型的主要应用有:越流含水层中污染迁移、裂隙岩体中溶质迁移、海水入侵引起的变密度溶质迁移、填埋场渗滤液迁移、地下放射性核废料迁移模拟等。为了求解上述数学模型，国内开展了一系列的一维和二维弥散试验来确定弥散系数。

7.水质评价研究

20世纪初，世界上一些河流水质日趋恶化，用水安全得不到保证，水质问题越来越受到人们的重视，水质评价工作也随着发展起来。1902—1909年，德国柯克维兹和莫松等提出了生物学的水质评价分类方法；1909—1911年，英国根据河流水质情况，提出以化学指标对河流进行污染分类。1965年，R.K.Horton提出了水质评价的质量指数法（QI），标志着水质现状评价工作的开始。随后R.m.Brown等于1970年提出了水质现状评价的质量指数法（WQI），N.L.N.emerow在其《河流污染的科学分析》一书中提出内梅罗指数法。1977年，S.L.Ross根据BOD、NH3－N、SS及DO4项指标，对英国克鲁德河流域主、支流水质进行了评价。后来，前东欧和苏联多数学者在评价时既考虑物理和化学指标，也考虑生物指标，使水质评价更加全面科学。

中国始于20世纪50年代，在全国主要河流、湖泊（水库）上进行水质评价工作。1960年提交了中国河流水化学特征报告及有关图表。1972年包含了水质评价内容的《北京西郊环境质量评价研究》树立了我国水质评价研究上的第一个里程碑。随后开展了官厅水库、松花江、图们江、白洋淀、湘江、杭州西湖、武昌东湖、昆明滇池、太湖、东海海域及南海海域等水环境专题质量评价工作。目前水质评价工作得到了蓬勃发展，已成为几乎所有综合环境质量评价中不可残缺的重要内容。

地下水质量综合评价，实际就是依据地下水中污染物（有害物）浓度的分级标准，判断某个地区或某口水井的水质综合质量与哪级标准最接近，则它就被视为符合该级别地下水质量。近几十年来，国内外专家、学者进行了大量研究，提出了多种水质评价方法，如综合指数法、模糊综合评价法、灰色聚类法、神经网络法等。它们各有优点和不足之处，都尚待进一步研究完善。1974年我国提出了第一个综合表示水质污染情况的综合污染指数，其目的是期望用一种最简单的、可以进行统计的数值来评价在多种污染物质影响下水质污染情况。此法在选取具体表示水质污染项目时，优先考虑造成水质污染的主要有害物质，然后再考虑可以定量表示水质污染的一般水质指标。1977年在南京城区环境质量综合评价研究中，提出了“水域质量综合指标”，用以评价环境中水要素质量。选用酚、氰、铬、砷、汞等作为污染因子，按水域质量综合指标定出水域水质分级标准。该方法考虑了不同污染物乘以一个权系数，但权系数确定属主观规定。70年代末广州进行水质评价时，把测定项目分为无机类、有机类和重金属类3类，将水质评价指数也分为3类，即分指数、类指数和综合指数，从而分级进行评价，先按分指数，可将水中污染物影响大小进行排序，查明哪些是主要污染物，按分类指数可辨明水是以无机、有机或重金属等哪一种污染为主。综合指数可以作出总的评价，这样可查明水质污染程度和污染特点，以便于提出针对性的治理意见。

进入80年代后，随着计算机技术快速发展，使现代数学理论应用于水环境评价得以实现，模糊数学、灰色系统和人工智能等理论方法与计算机技术相结合应用于水环境评价研究变得相当活跃。近年来一些研究工作者把灰色系统理论和方法应用于水环境研究，通过建立与隶属函数相似的白化函数，进行灰色聚类，确定水质级别，来进行水质综合评价。也有人将水体污染的全部或部分变量或参数处理为灰色变量获得灰色解法进行水质评价。自1994年以来作为人工智能一部分的BP神经网络模型逐渐被引入到水环境质量综合评价中，有不少运用BP网络对我国水环境质量进行了划分和综合评价的研究报道。通过查阅相关国内外资料，发现当前国外研究重点是地下水污染机理及其规律性的探索，较少涉及到评价方法研究，且所有评价方法多为指数法评价体系。而国内多是单一方法的研究或是两种方法的对比研究，很少有人对常用的几种方法进行逐一介绍和进行系统比较研究。

8.地下水污染治理与修复研究

国外尤其是欧美，自20世纪70年代以来在地下水污染点源污染治理方面取得了较大进展，涌现出了许多地下水污染治理方法。我国在地下水污染调查及地下水污染物迁移转化模式方面已做了一些基础性工作，但在地下水污染治理技术及其应用方面则较少。目前地下水污染治理与修复技术归纳起来有以下几个方面:

（1）物理处理法:物理法是用物理手段对受污染地下水进行治理的一种方法，分为屏蔽法和被动收集法。屏蔽法采取各种物理屏障，将受污染的地下水体圈闭起来，以防止污染物进一步扩散蔓延。常用的屏蔽法有灰浆帷幕法、泥浆阻水墙和震动桩阻水法等。被动收集法是在地下水流的下游挖一条沟道，在沟内布置收集系统，将水面漂浮的污染物质收集起来，或将所有受污染的地下水收集起来以便处理的一种方法。

（2）水动力控制法:利用井群系统，通过抽水或向含水层注水，人为地改变地下水水力梯度，从而将受污染水体与清洁水体分割开来。根据井群系统布置方式的不同，可分为上游分水岭法和下游分水岭法。然而，水动力控制法一般作为一种临时性控制方法，在地下水污染治理初期用于防止污染物的扩散蔓延。

（3）抽出处理法:抽出处理法是当前应用相当普遍的方法，处理方法与地表水处理方法相同。根据地下水污染物的类型和处理费用，采取物理法、化学法或生物法。

（4）原位处理和修复法:原位处理法是目前在欧美等发达国家新兴起来的在原位去除水中污染组分的方法，该方法率先在加拿大滑铁卢大学开展试验，并在加拿大安大略省的Borden成功运用。原位处理法不但处理费用相对节省，还可减少地表处理设施，最大限度地减少污染物的暴露，减少对环境的扰动，是一种大有前途的地下水污染治理与修复技术。主要包括物理化学处理法和生物处理法。其中原位物理化学法包括加药法、渗透性处理床、土壤改性法、冲洗法和射频放电加热法等。原位生物处理法包括生物气冲技术、过氧化氢供氧技术、渗透墙技术、微生物强化技术和植物修复技术等。原位处理和修复法存在的最大缺点是堵塞问题。尤其是地下水中存在重金属时，物化反应易生成沉淀，堵塞含水层，影响处理过程。

新中国成立以来，围绕河南省城市建设、城市供水及工农业生产建设，河南省水文地质工程地质大队进行了大量的1∶20万水文地质普查和城市供水水文地质勘察，获取了丰富的水质方面资料。早在20世纪50年代就建立了河南省地下水水位动态监测网，现有水位监测点近800个；在1973年建立了地下水水质监测网，现有水质监测井近500个，积累了大量的地下水水位和水质资料，并逐年发布水位动态、水质污染监测简报和年度报告。从20世纪60年代起，河南省几个水文队就开展了多种专项环境地质调查和研究。先后开展了郑州市市区及近郊的水污染普查，开封市开采井水量、水位、水污染调查，平顶山市汞污染调查，平顶山市浅层地下水环境质量调查，河南省沈丘县地下水污染区饮水工程勘察工作，河南省宿鸭湖库区环境水文地质调查，河南省区域环境地质调查（1∶50万），泉河流域洪涝灾害成因与治理研究，河南省扶沟县地方性氟中毒环境水文地质勘察研究。查明了各工作区水质现状、污染特征、环境问题现状，对水质、污染现状进行了评价，提出了防治对策。进入21世纪，中国地质调查局下达由河南省地质调查院承担完成淮河流域（河南段）环境地质、河南平原地区地下水污染调查（淮河流域）项目任务。通过项目的开展，现已基本查明淮河流域平原地区存在的主要环境地质问题，重点对地下水污染状况进行了研究。

（二）地下水污染研究发展趋势

1.污染物在地下水中迁移机理理论研究

各种含水介质（如孔隙、裂隙、岩溶）的存在使得地下水及溶质在其间运动很复杂，目前与地下水污染有关的理论和模型都是在一定简化条件下建立起来的，如忽略各种溶质间的复杂化学反应、忽略或简化弥散的尺度效应等，所以模拟结果往往与实测值之间还有差距。因此污染物在地下水中迁移机理理论研究、弥散“尺度效应”存在原因的分析研究工作还有待进一步开展。另外现有模型从应用角度来衡量过分理想化，应用时精度难以达到要求，因此还需要通过室内室外精密实验研究、检验传统对流弥散方程、动水－不动水体模型及随机传输函数模型等各种各样描述溶质运移的模型，并对它们的准确性、灵活性、通用性和可操作性作出科学的评价，计算模型有待向高效、准确、实用的方向发展。

2.多相介质存在对地下水中污染物迁移影响研究

地下水环境存在固、液两相物质，这两相的溶质吸附机理和吸附参数确定也是目前需要研究的内容之一。目前大多数地下水溶质迁移模拟研究都是针对非吸附性溶质如Cl^－、Br^－等离子进行的，而对吸附性溶质水动力弥散试验研究还不多。与地表水溶质迁移不同，地下水中溶质同时受到固、液两相影响，在非饱和带还受到气体影响，多相介质对溶质吸附和反应对溶质浓度分布和溶质迁移影响很大，因此应加强对存在的各种吸附和化学反应机理的研究。

3.参数确定的准确性和参数尺度效应研究

参数估计是污染物在地下水迁移转化规律模拟计算的关键问题，目前地下水质模型中参数确定大都是采用示踪实验或经验参数来实现的，而室内试验结果与野外实际结果往往相差几个数量级，而且野外试验限于人力和物力，实验范围较小，不能真实地反映研究区域地质参数变化情况，因此模型参数测定过程中许多技术问题、参数确定准确性和可靠度以及参数尺度效应等都有待于进一步探索。

4.多组分溶质迁移模型研究

在考虑污染物迁移转化模型中，一般只考虑水流对溶质迁移的影响，把溶质在介质中的迁移仅仅看作随水的流动，基本不考虑水化学作用。而污染物在介质中运动除了受地下水中对流弥散作用影响外，还受到地下水多组分系统中络合作用、吸附解吸作用、溶解沉淀作用、氧化还原作用和酸碱作用的制约，仅考虑水动力因素是片面的，而目前水动力迁移模型中处理固液界面发生的吸附反应都是利用经验式来表达的，如利用Kd值综合了发生于固液界面的所有化学反应，却无法揭示发生在系统内部化学反应的机制，且这一类模型仅适用于以吸附解吸反应为主、Kd值变化不大、地球化学环境较均匀的地区，而实际这种条件比较少见。因此在模拟污染物迁移过程中，将对流弥散模型与多组分水化学模型结合起来是非常必要的。

5.污染物在非饱和带中运移转化规律研究

由于一般污染物并非直接接触地下含水层，而是经过非饱和带向下迁移的，而非饱和带由气、液、固三相组成，现有模型一般都忽略气相，而对于易挥发性元素迁移，如铵态氮，必然涉及到气体在非饱和带中运移问题。另外研究非饱和带溶质运移时应考虑不流动水的影响，特别在溶质为核素或有毒有害物质时，该研究可以降低因预测不精确而带来的负面影响，但目前不流动水的范围划分还比较模糊，在建立模型时，对于实验条件及方程求解假设条件过多，不能反映整个非饱和带的共性，尤其是非饱和带中影响水文地球化学和动力学作用的因素很多，污染物在非饱和带运移时，还会发生各种复杂的物理、化学和生物反应，导致各种物质浓度发生变化，因此对污染物在非饱和带的迁移机理研究则应进一步加强，并将非饱和带与饱和带联系起来，建立更为合理的整体模型进行研究。

6.作物根系吸水、吸取营养的机理研究

对于溶质在非饱和土壤中运移问题，研究农作物根系区部分溶质运移情况，开发根区水质模型及软件，它可以定量描述溶质在作物的运移规律，评价农业活动对地下水环境影响，排水设施对作物根区溶质运移影响，是近几年国外溶质运移研究的一个热点。目前我国对作物根系吸水、吸养研究还较少，由于此项研究涉及到植物生理、土壤水势及试验手段等方面问题，对该问题的研究一直未有重大突破，是今后溶质运移理论急需解决的问题。

7.随机方法研究

随机模型在模拟多孔介质地下水流及污染物运移方面在国外发展迅速，在国内基本上还是空白。近二三十年来由于一些国家对高放射性核废料进行地质处置的关注，部分学者对基岩裂隙介质地下水流及溶质运移模型进行研究，取得了重要突破。但这方面研究用于解决实际问题的特别是成功解决的还很少。因此要进一步加强随机模型理论研究和实践应用。

8.地下水质量及污染现状调查技术与评价方法研究

由于人类活动的长期影响，地下水水质如何，地下水受污染到什么程度，这需要采取一定的调查技术和评价方法定性和定量评价人类活动对地下水影响。搞清地下水污染现状，为地下水防治区划及治理提供科学依据。今后在对地下水污染研究过程中，地下水质量及污染现状调查技术与评价方法是一项重要内容。

9.同位素技术在地下水污染研究中的应用

随着同位素技术的不断发展，它的应用范围也越来越广泛，在各学科中应用价值也越来越大。所谓同位素技术是指利用环境同位素作为示踪剂研究水流系统中水或污染质流动的一种方法。在确定地下水污染源及污染途径方面有很大的应用前景。

10.地下水污染数学模型研究

污染物在地下水中运移的模拟及预测，离不开数学模型建立。数学模型的好坏直接影响到模拟结果。在数学模型建立过程中，参数确定准确性和参数尺度效应研究是很重要的，是污染物在地下水迁移转化规律模拟计算的关键问题。在模型参数测定过程中，许多技术问题、参数确定准确性和可靠度以及参数尺度效应等都有待于进一步探索和研究。

11.地下水资源防污性能研究

所谓“防污性能”，是指地下含水层防止污染的能力。在过去区域性不同比例尺水文地质调查中，多数着重在含水层分布、富水性、水质适用性等方面作较详细的研究，并绘制出相应的水文地质图件。但随着环境保护问题，尤其是地下水资源保护问题的日益突出，给区域地下水资源研究提出了一个重要的新课题，那就是区域地下水资源或含水层防污性能研究。这对区域地下水资源规划保护是很有价值的。

12.地下水污染治理技术研究

已经受污染的地下含水层或重要水源地，需要采取一定技术加以及时治理，否则受污染地下水的范围将逐渐扩大，治理起来难度会更大。地下水一旦发现被污染，必须及时采取措施加以治理。所以今后地下水污染治理技术也是地下水污染研究的重要内容。

总之，目前国内外对地下水污染研究总的方向是从微观到宏观，从基础理论到应用技术，从测试技术和实验方法到数据处理均已开始采用模型化、电子计算机化和自动化技术。这些技术无疑给地下水污染研究提供大量的、精确的资料数据，促使研究工作向新的深度与广度发展。