科技讓北京城“喝上”干凈水

上圖項目組在某非正規(guī)垃圾填埋場修復試驗現(xiàn)場工作

下圖北京市應急水源地分布圖

你知道嗎？北京市的供水有60%以上是來自于地下水，也就是說，北京市居民喝的每三杯水中，就有兩杯取自地下。

作為一座以地下水為主要供水水源的特大型城市，北京的地下水資源保護和開發(fā)，關系著首都社會、經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，與每一位老百姓的生活息息相關。

然而，地下水看不見、摸不著，可謂“深藏不露”。尤其是地下水污染與地表水污染有著明顯不同，具有長期性、復雜性、隱蔽性和難治理等特點。為此，在北京市科委、市發(fā)改委、市財政局的支持下，市水務局組織，北京市水利規(guī)劃設計研究院主持承擔了“北京市地下水資源安全及污染防控修復技術(shù)研究與應用”項目，聯(lián)合清華大學、市水文總站、市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊等20多家科研院所300余人開展攻關研究，歷經(jīng)十載，取得了多項創(chuàng)新性成果。

據(jù)了解，該項目創(chuàng)建了水文地質(zhì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)理論，指導建設了平谷、張坊等4個應急地下水水源地，確保了特殊干旱期首都供水安全。在國內(nèi)率先建立了地下水管理信息系統(tǒng)，提出了“生態(tài)清潔小流域”水源保護新模式。同時，項目還研發(fā)了地下水資源安全評價方法和多項水土污染修復新技術(shù)，推動了該學科領域的技術(shù)進步。該項目榮獲2014年北京市科學技術(shù)獎一等獎。

地下水是北京供水安全的根本依靠

玉泉山、海淀、積水潭、陶然湖、前海、后海……一個個與水相關的地名背后，告訴我們北京也曾是水源豐沛、河湖密布的“江南水鄉(xiāng)”。

但如今，北京已經(jīng)是座干渴的城市。統(tǒng)計資料顯示，近年來北京的人均水資源占有量僅100立方米，僅為全國人均值的八分之一，世界人均值的三十分之一，遠遠低于國際公認的人均1000立方米這一缺水下限。

“北京的人均水資源量，甚至不如沙漠地區(qū)的以色列。”課題技術(shù)負責人、北京市水利規(guī)劃設計研究院黨委書記劉培斌告訴記者。

1999年以來，北京遭遇連續(xù)13年的干旱，地表水來水量銳減，密云水庫蓄水量在2002年降至15億立方米的警戒線以下，2004年一度降至6.5億立方米，供水安全面臨前所未有的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)實讓北京只能立足自身，深度挖潛。劉培斌告訴記者，在北京近年來年均用水36億立方米中，地下水供水份額一度占到供水總量的75%以上。即使在南水北調(diào)中線工程正式通水后，單靠每年10億立方米的外調(diào)水，仍難以徹底解決北京水資源緊缺狀況。

“今后地下水仍將是北京的主要供水水源，供水份額仍將占供水總量的一半”，劉培斌說。

“看看北京的這口鍋里到底還有多少水”

隨著地下水開采量的增大，帶來了一系列的問題。自上世紀九十年代以來，地下水超采、水質(zhì)污染威脅著首都的水安全。

監(jiān)測顯示，上個世紀60年代，平原區(qū)淺層地下水埋深一般不超過5米，近十年地下水位年均降幅達到1.1米。截至2014年1月底，平原區(qū)地下水位平均埋深達到24.5米，局部地區(qū)淺層含水層已疏干。

與地下水位下降相對應的是地下水儲存量的不斷減少。2014年與1998年、1960年同期相比，地下水儲存量分別減少了65億立方米、100億立方米。

“由于持續(xù)超采，地下水源地出水能力下降，形成了五個地下水降落漏斗，安全開發(fā)亟待評價。”北京市水利規(guī)劃設計研究院規(guī)劃所副所長賀國平說。

“地下水是北京水資源的重要組成部分，是首都供水安全的基石。”劉培斌說。2004年底，時任北京市市長王岐山指示，要迅速摸清北京地下水的“家底”，“看看北京的這口鍋里還有多少水”？

為此，項目組開展了立體式普查，為了研究地下水變化規(guī)律，科研人員行車10余萬公里，取樣數(shù)千個，甚至在隆冬季節(jié)，還冒雪赴郊野深山現(xiàn)場勘探。

科研人員系統(tǒng)研發(fā)了地下水評價和模擬技術(shù)，用于北京地下水安全開采量評價、水源地保護區(qū)劃分、地下水開采控制總量與承載能力評價，豐富了地下水資源評價技術(shù)體系。依據(jù)上述研究方法，查清了地下水儲量及其分布，為地下水的開發(fā)和利用提供了科學支撐。

更為重要的是，項目組創(chuàng)建了水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)理論，并利用該理論指導建設了懷柔、平谷、張坊、昌平等4個應急地下水水源地，自2003年開始至今，累計增加供水約30億方，每年解決300萬人生活用水。以南水北調(diào)中線從河北省調(diào)水水價核算，相當于節(jié)省調(diào)水費用81.6億元。著名水文地質(zhì)學家陳夢熊院士對此評價：該理論推動了中國地下水系統(tǒng)理論研究的進展。

此外，項目組研發(fā)了MODFLOW并行版軟件，通過美國地調(diào)局測試，發(fā)展了TOUGH2-EOS3的力學耦合模塊并通過美國能源部測試，這些軟件在國內(nèi)外得到廣泛應用，提升了地下水模擬評價水平?；诘叵滤Y源安全評價成果，提出了水源地的續(xù)采與涵養(yǎng)方案，及南水北調(diào)來水后城區(qū)地下水水廠的可持續(xù)利用方案。相關論文發(fā)表在Environment Science Technology等國際知名期刊上，影響因子高達5.6。

摸清地下水的污染規(guī)律

北京的地下水污染情況如何？污染源在哪？分布在哪些地區(qū)？“以前都是兩眼一抹黑。”賀國平說。

項目組在國內(nèi)率先開展全市地下水污染調(diào)查，應用單體同位素有機污染源辨識技術(shù)、雙同位素硝酸鹽源定量辨識技術(shù)、地下水多因素污染源綜合辨識技術(shù)，探明了地下水污染的時空分布規(guī)律及與地下水水質(zhì)的響應關系，建立了污染源數(shù)據(jù)庫，編制了《北京市地下水資源普查及水環(huán)境評價圖集》，成果受到北京市委市政府高度重視。

依據(jù)項目成果，市水務局實施了農(nóng)村安全飲水工程，保障了分布在“四高”（高氨氮、高硝酸鹽、高氟、高砷）水地區(qū)30萬農(nóng)村人口的飲用水達標。

在北京大約有4千多眼廢棄機井，大多開鑿于上世紀六七十年代，井深從幾十米到百余米不等，解決了當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)灌溉和農(nóng)民飲水問題。近年來，由于地下水位下降等原因，這些井出水量衰減嚴重，有的井已經(jīng)干涸，逐漸被廢棄。賀國平告訴記者，一旦污水、垃圾進入機井，就會污染地下水。

為此，項目組提出廢棄機井的封填和自備井水質(zhì)改善工程方案，保障了地下水源安全。依據(jù)項目成果，制定的《北京市地下水保護和污染防控行動方案》，2013年經(jīng)北京市政府批準發(fā)布實施。

迎難而上 治理污染

“地下水作為可再生資源，其更新頻率和自凈過程非常緩慢，一旦被污染，所造成的環(huán)境與生態(tài)破壞，往往長時間難以逆轉(zhuǎn)。”劉培斌告訴記者。

有研究機構(gòu)公布數(shù)據(jù)顯示，一根普通燈管如果碎裂被埋入土中，其汞含量僅能沾滿一根圓珠筆筆頭，卻可以污染1800噸地下水。

“在技術(shù)上，想要完全凈化已被污染的地下水極其困難。治理過程也極其漫長，治理成本也相當高昂。”劉培斌說。

項目組迎難而上，于2009年在北天堂垃圾填埋場開展了生態(tài)修復工程示范研究。在垃圾場修復工程的施工、運行、監(jiān)測中，研究人員克服沼氣、重度污染等危害開展了3年的試驗，研發(fā)了多項污染修復技術(shù)，并建立了示范工程。據(jù)監(jiān)測，北天堂非正規(guī)垃圾填埋場區(qū)域地下水監(jiān)測點“三氮”濃度顯著降低，試驗區(qū)域地下水水質(zhì)得到明顯改善。項目還實施了多因素影響下地下水氮污染修復、典型地區(qū)地下水有機污染等多處示范工程，均取得良好的效果。

項目組研發(fā)了土壤石油烴污染場地的監(jiān)測、試驗、模擬與評價成套技術(shù)方法，提升了我國石油烴污染研究與修復的技術(shù)水平。研發(fā)了受污染地下水深度凈化組合脫氮系統(tǒng)及工藝方法、再生水抗生素去除技術(shù)、污染土壤深層攪拌—熱空氣注入的原位修復系統(tǒng)及方法等近20項國家發(fā)明專利，為我市地下水污染防控與修復提供了重要的技術(shù)支撐。項目組還在全國其他地區(qū)承攬了10項水土污染修復工程，合同額13.5億元，有力推動了我國地下水污染防控與修復領域的技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

創(chuàng)建水源保護新模式

作為首都的生態(tài)屏障，山區(qū)小流域承擔著涵養(yǎng)水源、保護美麗家園的責任，更擔負著保障2000余萬居民清潔生活用水的重任。

為此，項目組創(chuàng)立了“生態(tài)清潔小流域”水源保護新模式，提出了構(gòu)筑“生態(tài)修復、生態(tài)治理、生態(tài)保護”三道防線，堅持污水、垃圾、廁所、河道、環(huán)境同步治理，建設生態(tài)清潔小流域的思路，并編制了全國第一部《生態(tài)清潔小流域技術(shù)規(guī)范》。生態(tài)清潔小流域建設于2010年寫入中央一號文件，在全國推廣。

在水源保護區(qū)，北京市堅持溯源治污，源頭護水，建設生態(tài)防護壩、河岸庫濱植被過濾帶，改造排洪渠，恢復濕地，有效攔截了隨徑流、泥沙進入水體的各種面源污染，涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)，保護了飲用水源。

據(jù)了解，北京目前已建成生態(tài)清潔小流域285條。“實施生態(tài)清潔小流域建設，使水源區(qū)基礎設施和人居環(huán)境得到明顯改善，既減少了面源污染對地表水的影響，也有效保護了地下水資源。”劉培斌說。來源：中國科技網(wǎng)