文/王明玉

中國科學院研究生院水系統(tǒng)安全研究中心 北京 10 0 0 49

中國地下水污染有效防控探析*

文/王明玉

中國科學院研究生院水系統(tǒng)安全研究中心 北京 10 0 0 49

中國等發(fā)展中國家因現(xiàn)階段財力資源有限，在進行地下水保護時通常只能對部分已污染場地和預計污染場地采取有限的防治措施。而經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略則要求當前的經(jīng)濟發(fā)展不能給未來社會、經(jīng)濟發(fā)展及生態(tài)環(huán)境帶來巨大負擔。為妥善解決上述矛盾并有效地保護地下水資源，本文提出了主要針對中國等發(fā)展中國家的地下水污染有效防控方法與對策，其中包括地下水保護優(yōu)化管理模型，經(jīng)濟有效的地下水污染修復方法，地下水污染的環(huán)境影響評價策略，并對地下水保護管理機制建設，法律和政策的制定與實施提出了一些建議。

發(fā)展中國家，地下水保護，可持續(xù)發(fā)展，污染修復，優(yōu)化管理模型，環(huán)境影響評價，管理機制

1 引言

地下水是重要的供水水源和生態(tài)系統(tǒng)要素，但令人擔憂的是，我國地下水污染已比較嚴重，且有不斷惡化趨勢。地下水污染不僅對地下水資源本身直接構成危害，而且將嚴重影響整個水系統(tǒng)的水質(zhì)安全。國家對此尤為重視，2011年10月國務院正式批復實施《全國地下水污染防治規(guī)劃(2011—2020年)》，明確提出要本著保護優(yōu)先、預防為主、防治結合、落實責任、強化監(jiān)管的原則，全面實施好《全國地下水污染防治規(guī)劃》，切實保障地下水環(huán)境安全。

不同來源的污染物會直接或間接地污染地下水。一旦地下水受到污染，其修復將要花費大量的金錢和時間。據(jù)報道，在美國修復一個超級基金污染場地（列入國家優(yōu)先控制名錄中的污染場地）所需的平均費用是3 000萬美元[1]，在未來30年清理美國現(xiàn)已污染場地的費用估計將高達1萬億美元[2]。包括中國在內(nèi)的發(fā)展中國家現(xiàn)階段的財力，在進行地下水保護時通常只能對部分已污染場地和預計污染場地采取有限的防控措施。因此，在發(fā)展中國家要真正實現(xiàn)地下水保護目標還需長期不懈的努力。而經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略則要求當前的經(jīng)濟發(fā)展不能給未來社會的經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境帶來巨大負擔。為妥善解決上述矛盾并有效地進行地下水保護，筆者認為，實施以環(huán)境、生態(tài)與人類健康為目標的環(huán)境管理對策勢在必行，以最大限度地利用已有財政與人力資源，優(yōu)化分配有限的資金，最大限度地減少對環(huán)境的不利影響，并謀求可持續(xù)發(fā)展。同時，進行地下水污染防治時應盡可能地采用經(jīng)濟有效的方法。此外，發(fā)展中國家有限的資金必然僅允許獲得有限可利用的野外數(shù)據(jù)，因此研究相應行之有效的地下水污染環(huán)境風險評價方法勢在必行。

本文主要針對中國等發(fā)展中國家的地下水污染問題探討如何有效防控，包括提出優(yōu)化管理模型，簡要說明如何選取經(jīng)濟有效的地下水污染修復方法，闡釋地下水污染的環(huán)境影響評價策略和方法，并對地下水保護管理機制、法律和政策的制定與實施提出一些建議。

2 地下水保護優(yōu)化管理模型

選取哪些地下水污染場地優(yōu)先進行修復或采取預防措施是關系到能否優(yōu)化資金配置、獲取最大效益的根本。對此筆者提出了多目標地下水保護優(yōu)化管理模型[3]。

該優(yōu)化管理模型強調(diào)4個關鍵組成部分，即：（1）地下水污染的環(huán)境影響，包括人類健康風險和生態(tài)風險；（2）可利用的財力資源；（3）地下水保護價值，包括供水價值、生態(tài)價值和社會價值；（4）經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。進行地下水污染暴露與風險評價以及正確估算地下水保護措施成本是實施這一管理模型與對策的關鍵所在。還應當指出的是在進行與風險評價相關的地下水污染物暴露評價及成本估計時，還需要了解地下水流動特征并建立污染物運移模型。

在該優(yōu)化管理模型中，作者提出了6種不同種類的成本作為構建模型的基本組成。這6種成本包括：地下水已污染場地調(diào)查成本（ECSIC）、已污染場地修復成本（ECSRC）、地下水預計污染場地調(diào)查成本（PCSIC）、預計污染場地預防成本（PCSPC）、預計污染場地潛在調(diào)查成本（PCSPIC）、預計污染場地潛在修復成本（PCSPRC）。

對地下水進行系統(tǒng)分析并采用地下水建模工具能夠有助于完成不同成本的估算。例如，對于抽出-處理修復方法，應用可視化GMS等已廣泛應用的地下水模擬軟件包，可以模擬所需的抽、注井數(shù)目及強度、計算修復時間，從而估算出采取修復措施所需的成本。

該優(yōu)化管理模型的目標函數(shù)由兩部分組成。第一部分是人類健康與生態(tài)環(huán)境風險減少函數(shù)(RR)，其與選取哪些污染場地作為保護目標有關，并以分配到所有已污染場地和預計污染場地的成本為變量。第二部分是地下水保護帶來的新增地下水綜合價值(IIGV)。其形式可分別由式（1）與式（2）來表達：

其中，RRECS-i和RRPCS-j分別指第i個已污染場地和第j個預計污染場地的環(huán)境風險減少函數(shù)，這些函數(shù)相應表示由于場地的修復和采取的預防措施帶來的風險減少；CECSI-i與CECSR-i分別是第i個已污染場地的調(diào)查成本與修復費用；CPCSI-j及CPCSP-j分別是第j個預計污染場地的調(diào)查費用和保護費用；NECS是已污染場地的總數(shù)，NPCS是預計污染場地總數(shù)；RRECS-i-HCR，RRECS-i-HNCR，和RRECS-i-ER分別為第i個已污染場地對應于采取的修復方法的人類致癌風險函數(shù)，人類非致癌風險函數(shù)、生態(tài)風險減少函數(shù)；RRPCS-j-HCR，RRPCS-j-HNCR和RRPCS-j-ER分別代表第j個預計污染場地對應于采取的預防措施的人類致癌風險減少函數(shù)、人類非致癌風險減少函數(shù)、生態(tài)風險減少函數(shù)。最后，a1[i]，a2[i]和a3[i]是對應于第i個已污染場地的人類致癌風險、人類非致癌風險、生態(tài)風險的加權向量a1，a2和a3的第i個分量。而b1[j]，b2[j]和b3[j]是分別對應于第j個預計污染場地的人類致癌風險、人類非致癌風險、生態(tài)風險的加權向量b1，b2和b3的第j個分量。IGRVECS-i是針對第i個已污染場地所采取的修復措施獲得的地下水保護綜合價值(包括供水價值、生態(tài)價值和社會價值等)。同樣地，IGPVPCS-j代表針對第j個預計污染場地所采取的預防措施獲得的地下水保護綜合價值。

管理優(yōu)化模型除了必須考慮費用約束外，還應考慮如下(3)和(4)兩個約束條件：

其中 IGRVECS-cut-off和IGPVPCS-cut-off分別是選定已經(jīng)污染場地和預計污染場地作為保護目標時，地下水保護綜合價值設定的臨界值。

為追求可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，對通過上面程序未能入選的剩余預計污染場地應進一步建立相應標準來判斷是否將它們列入優(yōu)先保護名單中。相應選擇標準可給出如下:

在這里，CPCSPI-j和CPCSPR-j分別為第j個預計污染場地的PCSPIC和PCSPRC，λ為污染控制松馳因子，其大小反映了可持續(xù)發(fā)展政策執(zhí)行的力度。另外，RRSD-cut-off是風險減少的臨界值，IGPVSD-cut-off是考慮可持續(xù)發(fā)展的地下水保護綜合價值增值臨界值。應當指出，因子λ的值應大于或等于零，并由相應的社會、經(jīng)濟和環(huán)境保護發(fā)展階段來決定。

另外，模型中還可以加入更多約束條件以強調(diào)各類風險減少的優(yōu)先順序。如人類致癌風險減少應優(yōu)先或等于人類非致癌風險，而人類非致癌風險減少優(yōu)先于生態(tài)風險降低。

上述加權向量、臨界值和污染控制松馳因子將影響地下水污染場地的選擇，應慎重確定。事實上，還可通過這里所提出的模型對這些參數(shù)的影響以及參數(shù)敏感性進行測試和評價，進而確定其在研究區(qū)可接受的波動范圍。需要指出的是對于這種多目標優(yōu)化問題存在不同的求解方法。同時，場地地下水風險模擬與污染控制決策支持系統(tǒng)的研發(fā)與應用應給予足夠的重視，該系統(tǒng)可整合所提出的模型，為地下水優(yōu)化控制提供有力的工具。

3 地下水污染修復方法的選取

在發(fā)達國家，地下水污染修復的研究和實踐已開展多年，并積累了大量的研究成果和豐富經(jīng)驗，也汲取了許多教訓。我國在進行地下水污染修復時應借鑒這些成果與經(jīng)驗，同時尋求適合我國具體條件的經(jīng)濟有效修復方法。

3.1 優(yōu)先考慮經(jīng)濟有效的新興修復方法

新興的修復方法尚不成熟，還需要進一步研發(fā)并在應用中確定其適用范圍，有些方法可能還要求高級專業(yè)人員的正確實施，但這些方法可能是經(jīng)濟有效的。因此如果能證明這些方法在理論、材料設備和操作上可行，應優(yōu)先考慮采用這些新興修復方法。

3.2 優(yōu)先考慮自然衰減監(jiān)測法

自然衰減監(jiān)測法(MNA)作為一種被動的修復方法，對于某些污染場地可行且經(jīng)濟有效[4]。選取該修復方法，會涉及到地下水污染物暴露與風險評估及成本估算等問題。對于已污染場地和預計污染場地，應首先評價其可行性及影響因素[5]。從石油碳氫化合物和氯化烴類溶劑污染場地的現(xiàn)場數(shù)據(jù)中，已經(jīng)顯示出污染物自然衰減作為可選修復辦法的潛力。為了確認自然衰減法的可行性并能夠在預計時間段內(nèi)修復目標污染物，還應當采用適當?shù)谋O(jiān)測系統(tǒng)與這類修復方法相結合。

如果自然衰減監(jiān)測法不能完全修復地下水污染，或其修復進程太慢，無法在給定的時間內(nèi)完成修復任務，就應當考慮采用人工強化的自然衰減監(jiān)測法與其他修復方法結合使用。

3.3 抽出-處理方法與自然衰減監(jiān)測法的結合

抽出-處理方法（Pump and Treat）是一種傳統(tǒng)的地下水修復方法，這種方法已經(jīng)被證明在修復的初期階段是非常有效的，但要徹底達到預期修復水平需花費較多的時間和資金[6]。由于污染物具有不可逆吸附性或慢解吸附作用，解析過程可大大增加修復的時間和成本[7-10]。充分認識這一過程對于選擇合適的地下水修復預報模型及對修復效果的評價非常重要?；诔槌?處理方法這一局限性，在實施該方法一段時間后，可考慮采取自然衰減監(jiān)測法使殘余的污染物濃度達到可接受的水平。

3.4 考慮污染源局部原位移除技術與自然衰減監(jiān)測的綜合修復方法

污染源局部原位移除技術是一種新的污染場地修復技術[11]。相對于移除場地內(nèi)所有污染物方法來說，其成本較高，對發(fā)展中國家具有很大的可行性。事實上，殘留污染物可通過自然衰減作用逐步衰減到可接受的程度，完全清除并非必要。因此，將污染源局部原位移除技術與自然衰減監(jiān)測方法結合應用，可達到經(jīng)濟有效的地下水保護與應用目標。污染源局部原位移除的主要任務是確定污染源應該清除的程度。通過數(shù)值模擬技術量化污染源處污染物釋放過程和污染羽遷移擴散將有助于確定污染源區(qū)域污染物無害殘余程度。

3.5 應用與進一步認識PRB技術

滲透反應格柵方法（PRB）適用于一定埋藏深度的地下水污染修復。當污染的地下水通過滲透反應格柵時污染物能被吸附并降解。經(jīng)過多年的研究與應用，滲透反應格柵技術已成為一項迅速成熟的實用修復技術。

PRB技術可以處理多種有機氯和無機化合物，被廣泛認為是一種有效的地下水修復技術，并且操作相對比較簡單，在全世界范圍內(nèi)有較多應用。然而實例證明，PRB技術在修復各種不同污染化合物時效果很好，但是缺少對其長期修復效果的評估與研究，尤其是對其長期污染物去除效率、化合物沉淀影響及反應格柵滲透性隨時間變化等需進一步研究。

3.6 充分利用模型模擬技術選取合適的修復方法

充分利用模型模擬技術（包括簡單或復雜模型應用），來選取合適的修復方法并進行有效的設計和實施非常必要。模型模擬技術，尤其是數(shù)值模擬方法，可用來研究MNA修復的可行性、輔助PRB的設計（包括位置、尺度及填充材料選取等）以及幫助理解其他許多修復方法的有效實施。需要指出的是，在應用模型模擬技術時對模型的不確定性應同時考慮。

4 地下水污染的環(huán)境影響評價策略和方法

4.1 地下水污染評價策略

實現(xiàn)本文提出的優(yōu)化綜合管理目標，需應用地下水污染暴露與環(huán)境風險評估模型，對地下水的環(huán)境影響進行定量評價。這意味著若想進行經(jīng)濟有效的地下水優(yōu)化管理與保護，可靠的評估是成功的關鍵之一。為使地下水得到有效保護，實現(xiàn)優(yōu)化管理目標，地下水污染的環(huán)境影響評價應考慮以下策略：（1）充分考慮模型模擬目標，在調(diào)查階段盡可能為后續(xù)階段多取得所需資料；（2）對監(jiān)測、測量、取樣點等進行優(yōu)化設計；（3）充分考慮多目標優(yōu)化管理需求，如成本最低、風險減少最大，獲得最高地下水保護綜合價值；（4）充分考慮地下水污染的復雜性、延遲反應和長期的環(huán)境影響；（5）了解并結合生態(tài)系統(tǒng)對于環(huán)境負載變化下的非線性反應過程，以及在此過程中，當環(huán)境負載改變迅速并超過閾值時，生態(tài)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的延遲反應[12,13]。

4.2 通過地下水模型進行定量評價

地下水污染物暴露途徑有多種，如排泄到江河或湖泊等地表水體中，揮發(fā)至地表大氣中，補給排泄到水井中等途徑被人體直接或間接吸收。這些途徑應被查明并對其風險量化，可應用地下水數(shù)值模型模擬估算。例如，通過構建污染場地的地下水流動與污染物運移過程模型，可模擬預報地下水排放到被調(diào)查河流的污染物濃度與總量。此外，地下水保護措施的成本估計與當前污染羽現(xiàn)狀和未來變化有關，而未來變化又取決于地下水滲流與污染物運移參數(shù)，如水力傳導系數(shù)和彌散系數(shù)等。通過地下水模型模擬技術可以有效反演這些參數(shù)。因此，地下水模型應充分有效地用于地下水保護決策中的風險評估及成本估算。

4.3 地下水污染綜合建模與評價方法

地下水污染環(huán)境影響定量評價面臨的困難主要是由于以下因素：（1）有限的野外數(shù)據(jù)；（2）地下水系統(tǒng)的復雜性；（3）模型參數(shù)的不確定性；（4）邊界條件逼近的不易性。事實上，通過應用綜合的地下水建模方法，能夠明顯減少模型識別和預測的不確定性。綜合建模方法能有機集成模型的不同要素與屬性，對地下水污染的影響進行客觀評價。這些要素與屬性包括模型水文地質(zhì)構架、各種不同影響因素、不同系統(tǒng)狀態(tài)、不同建模方法等。

5 建立基于地下水風險評估的環(huán)境污染責任保險管理體系制約機制

中國目前環(huán)境責任保險制度還處在探索階段，開展環(huán)境責任保險制度的研究和實踐具有重要意義。而實施環(huán)境責任保險制度的關鍵在于建立良性循環(huán)機制，達到系統(tǒng)的一致性、有效性、可行性和持久性。

環(huán)境污染責任保險制度是環(huán)境保護內(nèi)約機制的重要一環(huán)，而建立各要素之間的良性循環(huán)機制是保障環(huán)境污染責任保險制度健康發(fā)展的根本（圖1）。在實現(xiàn)環(huán)境污染責任保險制度時，應充分認識地下水環(huán)境污染的系統(tǒng)性、復雜性、長期性及修復的艱難性，地下水污染超前預防與控制應是環(huán)境污染責任保險管理體系構建與實施中的重要目標。同時，環(huán)境風險評估對環(huán)境污染責任保險管理體系的構建與實施非常重要，環(huán)境風險評估的量化是該制度穩(wěn)定發(fā)展的關鍵。應當指出的是，應用綜合建模方法，能夠為地下水污染環(huán)境風險評估提供理論基礎和技術可行性。地下水污染環(huán)境風險的可靠評估是地下水保護中環(huán)境責任保險制度穩(wěn)步發(fā)展的關鍵。

圖1 建立良性循環(huán)機制各要素組成及其作用關系

6 地下水保護法律和政策的制定與實施

為了實施如上所述地下水保護對策和方法，我國應制定相應的地下水保護法律和政策。其中包括：（1）確立民眾對地下水保護的責任和權利，提高公眾參與的積極性；（2）建立各種地下水污染物（如農(nóng)藥、石油產(chǎn)品等）的使用登記制度；（3）建立不同行政層次、代表不同方面的地下水污染應急組織；（4）明確地下水污染責任的行政處罰、直接損害的法律責任，同時還應強調(diào)現(xiàn)在或?qū)淼叵滤廴局卫泶鷥r的昂貴性，使地下水保護的法制性與自覺性結合起來；（5）國家建立?？睿ㄈ缋貌糠只ぁ⑹偷绕髽I(yè)稅收）用于處理緊急的污染事故、消除其嚴重危害，選擇危害重大的地下水污染場地優(yōu)先進行防治；（6）設立一定的款項研發(fā)符合發(fā)展中國家不同發(fā)展階段的地下水保護方法和技術；（7）實行從中央、省、市、縣多層管理與監(jiān)督機制；（8）積極發(fā)展與認證地下水生態(tài)環(huán)境風險評價組織機構與污染修復隊伍；（9）對潛在的地下水污染場地要求定期提交地下水環(huán)境監(jiān)測、評價報告；（10）作為一整體，不僅考慮環(huán)境惡化、人類健康影響，生態(tài)系統(tǒng)影響也應給予足夠關注，同時強調(diào)地下水、地表水及大氣圈環(huán)境相互影響，進行系統(tǒng)性的統(tǒng)一管理與部門協(xié)調(diào)；（11）強調(diào)重視廢水、廢物堆放及處理過程（如有害固體物填埋場）對地下水環(huán)境與生態(tài)的影響與評價，確保地下水水質(zhì)安全；（12）地下水的保護應遵循以防為主、治理與預防并舉、盡早入手、切實執(zhí)行可持續(xù)性發(fā)展及有限資金與人力資源優(yōu)化配置的方針。

7 結論

因國家財力資源有限，同時又必須遵循經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的國策，中國等發(fā)展中國家開展科學合理的地下水保護決策即實施多目標優(yōu)化的地下水保護綜合管理勢在必行。本文提出的地下水保護的優(yōu)化管理模型與對策包含了在國家層次或區(qū)域范圍內(nèi)綜合管理地下水的組成要素，其能夠最大限度地降低地下水污染帶來的人類健康和生態(tài)風險，并優(yōu)化配置用于地下水防治的有限資金，追求地下水保護利用效益的最大化與可持續(xù)發(fā)展目標的實現(xiàn)，同時滿足不同的約束條件。其可行性與有效性依賴于對其構成要素的理解與定量化、相應保護與評價方法的研發(fā)與合理應用，以及與之配套的基于地下水風險評估的環(huán)境污染責任保險管理體系及法律政策等管理制約機制的制定與有效實施。提出的有效實施方法與管理機制雖然主要針對中國，但對其他發(fā)展中國家及發(fā)達國家也具有一定的借鑒意義。

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AbstractAn innovative implementation framework and an integrated management mechanism are proposed for optimized and comprehensive environmental management for groundwater contamination prevention and restoration allied with consideration of sustainable development in China.The implementation framework accounts for availability of limited resources,human health and ecological risks from groundwater contamination,costs for groundwater protection measures,beneficial uses and values from groundwater protection,and sustainable development.In addition,the management mechanism integrates comprehensive risk assessment technologies,effective remediation approaches,environmental insurance systems,laws,regulations, and other measures to ensure groundwater to be practically and efficiently protected.

Keywordsdeveloping countries,groundwater protection,sustainable development,contamination remediation,optimal management model,environmental impact assessment,management mechanism

王明玉 中科院研究生院教授、博士生導師、水系統(tǒng)安全研究中心主任、資源與環(huán)境學院副院長。主要研究領域包括復雜介質(zhì)地下水環(huán)境綜合建模、地下水污染風險評價、地下水污染控制與修復、地下水保護優(yōu)化管理與決策支持系統(tǒng)等。曾在美國環(huán)保總署國家實驗室（地下水分部）地下環(huán)境模擬中心從事相關研究與應用工作6年。中科院“百人計劃”入選者。E-mail:mwang@gucas.ac.cn

Investigation of Effective Prevention and Remediation of Groundwater Contamination in China

Wang Mingyu
（Center for Water System Security,Graduate University of CAS 100049 Beijing）

10.3969/j.issn.1000-3045.2012.04.009

國家“973”項目（2010CB428804）、國家自然科學基金（40972166）、國家科技重大專項和中科院“百人計劃”擇優(yōu)項目

2012年7月3日