编者按
国家水专项“南水北调中线总干渠水质安全保障关键技术与工程示范”（2009ZX07212-003）课题立足南水北调中线总干渠工程内排段地下水水质污染风险防控防范技术的需求，经过4年多的科技攻关取得重大突破与进展。针对中线总干渠内排段地下水污染的潜在风险，建立了典型区地下水风险污染源清单，突破了地下水风险污染源水力截获和“漏斗-门”PRB组合关键技术，提供了总干渠内排段地下水风险污染源阻控的有效手段；针对总干渠内排段地下水风险监控需求，突破了地下水水质联动监控与预报关键技术，完善了南水北调中线总干渠水质安全监测预警技术体系。上述技术得到了南水北调中线建设工程管理局的高度重视，并在中线工程建设过程中得到有效应用，为确保南水北调中线输水水质安全发挥了重要作用，支撑并促进了《国务院关于南水北调工程总体规划批复》（国函〔2002〕117号）目标实现。
一、研究背景
南水北调中线总干渠全长1432公里，明渠段约1100余公里，地下水位高于渠底的地段约442公里，其中403公里为地下水位高于渠底标高的内排段。在工程建设过程中，虽然采取了全线立交、局部土工膜防渗等工程保障措施，在一定程度上解决了地表水污染物直接进入总干渠的问题。但是，在总干渠内排段，地下水能够通过总干渠逆止阀门进入总干渠，总干渠水质存在着受地下水污染的影响和潜在的污染风险。
按照党中央和国务院要求，南水北调中线工程于2014年全线实现通水。南水北调中线总干渠穿越53个市县，500多个乡镇（村），沿线工业废水、废渣、生活污水、生活垃圾及农业面源直接影响沿线约百余公里地段地下水水质；总干渠两侧是沿线城市的重点发展区，很快将形成工业走廊和居民生活走廊，对干渠水质安全威胁日益加重，尤其处于内排段输水干渠沿线受污染的地下水，直接威胁干渠的水质安全。
为落实党中央和国务院部署，针对南水北调中线总干渠工程内排段地下水水质污染风险防控技术的需求，水体污染控制与治理重大专项设置了“南水北调中线总干渠水质安全保障关键技术与工程示范”课题，揭示了沿线复杂地质和水文地质下风险污染源类型特征和风险形成过程，构建了典型区地下水风险污染源清单，突破地下水污染阻断与修复防控关键技术和地下水水质联动监控与预报关键技术，建立了总干渠典型区地下水风险污染源防控防范示范工程，为南水北调中线水质安全保障提供关键技术支撑。
二、研究成果
课题以“以防为主，防治结合”为基本思路，针对总干渠沿线复杂地质、水文地质条件和风险污染源类型、强度多变的特点，以风险污染源解析为基础，自主研发地下水污染阻控关键技术和总干渠水与两侧地下水水质联动监控与预报技术，并建设关键技术示范工程，构建一套适用重大输水工程水质安全保障的关键技术体系。目前，课题主要研究成果已应用于南水北调总干渠工程建设，也为《全国地下水污染防治规划》实施提供了技术支持。
成果一：突破了地下水风险污染源水力截获和“漏斗-门”PRB组合关键技术，提供了总干渠内排段地下水风险污染源阻控的有效手段
针对中线总干渠内排段地下水污染的潜在风险，建立了典型区地下水风险污染源清单。通过对总干渠内排段两侧3×638 km2的范围内进行风险源识别，确定了硝酸盐、硫酸盐、六价铬、氨氮等主要风险污染物。总干渠沿线有机污染物有不同程度检出，检出较高和较普遍的有萘、三氯乙烯、乙苯、邻氯甲苯等10余种。根据典型风险源特征及污染物迁移规律，突破了地下水风险污染源水力截获和“漏斗-门”PRB组合关键技术，在此基础上，针对不同地段、不同水质保护目标或功能，构建了总干渠沿线典型地下水污染综合防控技术工程示范；编制完成《可渗透反应格栅（渗透反应格栅）地下水修复技术规范》（建议稿），申报国家发明专利6项。为总干渠内排段地下水风险污染源阻控提供了有效手段。
1、总干渠两侧风险污染源清单
在风险污染源调查基础上，建立了风险污染源清单及数据库。涵盖郑州、焦作、许昌、鹤壁、安阳、新乡沿线共调查风险源2406个，包括化工、制药、印染、造纸、养殖等企业。其中郑州段企业1094家, 村镇247个。
总干渠两侧风险污染源数据库操作界面
2、地下水风险污染源水力截获技术
根据风险污染物在总干渠内排段污染源-包气带-含水层-总干渠水中的迁移途径与运动规律，通过在天然流场上叠加人工流场，研发了高效低耗、有效控制污染物运移的地下水风险污染源水力截获技术。
在河南省焦作市大家作村粉煤灰场附近开展了地下水风险污染源水力截获技术设施化试验示范工程建设。示范区范围108hm2，形成水力截获带长度1012m，宽度772m，干扰井总降深值3.0-8.1m。对地下水风险污染物Cr6+、NO2--N和NO3--N最终截获率分别为95.11%、90.23%和90.19%。该技术具有费用少、易于施工、操作灵活等优点。在南水北调中线总干渠两侧内排段地下水受到突发性污染应急状态下，采用水力截获技术可有效地消除对南水北调中线干渠的污染隐患。
3、地下水复配介质“漏斗-门”PRB/介质阻断组合技术
针对总干渠两侧地下水污染区段的典型污染特征和总干渠内排段结构设计特点，采用渗透反应格栅、污染物地下反应带及原位生物修复等技术有机组合的方式，因地制宜地构建了地下水复配介质“漏斗-门”PRB/介质阻断组合技术。
在河南省焦作市府城村总干渠内排段建设了地下水复配介质“漏斗-门”PRB/介质阻断组合技术设施化试验示范工程，占地7000m2，主体构筑物长105m，使硝酸盐、重金属及有机物等地下水典型污染修复率可达90％以上。此技术适用范围广、运行费用低、无能耗，且无需占用耕地资源，在含水层渗透系数大于0.01m/d，NO3--N浓度＜300mg/L的条件下，修复的地下水水质稳定达标，其推广应用对南水北调中线总干渠水质安全保障具有重要意义。
成果二：突破了地下水水质联动监控与预报关键技术，完善了南水北调中线总干渠水质安全监测预警技术体系
针对中线总干渠内排段地下水风险监控需求，研究沿线复杂地质和水文地质下风险污染源类型特征和风险形成过程，重点解决总干渠两侧地下水监测网优化布控技术和地下水在线监测技术，突破了地下水水质在线监测设备的多指标、高精度小型化技术难点，研发了总干渠两侧地下水自动在线监测控制系统和污染预报建模技术及模拟系统。在此基础上，构建了总干渠水与两侧地下水水质联动监控和预报技术工程示范。完善了南水北调中线总干渠水质安全监测预警技术体系。申报国家发明专利4项，获得计算机软件著作权2项。
1、总干渠两侧地下水与总干渠水的检测—传输—数据处理-反馈设备组成的联动监测和控制系统
集成了投入式水质检测设备，实现地下水检测的小型化和高精度，研制了基于GPRS、互联网、Web和GIS的水质监测预测决策支持平台。
在焦作段示范工程现场建成由4个监测井组成监测网。采用自主研发的XHUV在线CODMn传感器（直径7cm）、XHNN在线NO3-传感器（直径7cm）和进口Manta 2-4.0多参数（pH、电导率、DO、温度、Cl-）传感器（直径10.2cm）串联悬置井中，检测范围NO3-是0~100mg/l-N、CODMn是0~100mg/l并可定制，精度到达国家规范（HJ/T164－2004）要求。现场PLC控制和无线传输设备集成并地埋构筑物内，太阳能和风能互补供电，经GPRS无线发送数据，时间间隔最小3min。北京监测预警支持平台远程接受无线数据，储存本地服务器的数据库，水质模拟系统通过100M/1000M宽带读取数据运算，在B/S、J2EE架构的水质可视化支持平台实现水量水质动态界面展示。本成果为总干渠输水安全提供了科技支撑。
地下水现场检测装置 决策支持平台显示界面
2、总干渠两侧复杂介质地下水污染综合建模与模拟预报技术
通过计算机模拟系统界面操作，实现污染物包气带入渗和饱水带迁移的同步建模与耦合模拟，模拟系统集成了课题所建立的复杂介质地下水溶质迁移的弥散参数统计模型及裂隙网络等效渗流模型，同时包含应用广泛的其他渗流与溶质运移模型，特别是能够综合GIS、数据库、可视化、多源信息融合、数值模拟等多方面技术，可实现对沿线不同污染源、信息源及不同复杂介质条件与建模方法等自动耦合与高效处理，由此构建出总干渠两侧复杂介质地下水污染综合建模与模拟预报技术，具有原始创新与集成创新及其针对性强与实用方便的特点。
分布计算机模拟系统界面与3D模拟结果
三、成果应用
课题具体体现了国务院领导关于“发挥南水北调的辐射全国水污染防治的带动作用”的指示精神。课题构建了防控输水总干渠内排段两侧地下水污染总干渠水质的技术支撑体系，研究成果达到国际先进水平，不仅为南水北调中线输水工程水质安全保障提供了技术支撑，也可为我国其他重大跨流域调水工程及远距离输水工程的水质安全保障提供示范，其意义重大，应用前景广阔。
应用一：地下水风险污染源水力截获和“漏斗-门”PRB组合关键技术已纳入南水北调中线总干渠两侧生态带建设规划
根据李克强副总理和回良玉副总理在经济日报《经济内参》中“建议建设南水北调中线生态城市带”一文批示精神，国务院南水北调办组织编制了南水北调中线总干渠两侧生态带建设规划，并已将课题地下水污染渗透反应格栅修复和水力截获关键技术纳入优选技术之一，用于总干渠两侧地下水风险源的污染防控。制定的《渗透反应格栅（PRB）地下水修复技术规范》适用于采用渗透反应格栅技术的地下水修复工程，可作为地下水污染修复工程的设计、施工、环境保护验收及实施运行管理的技术依据。环保部、国土资源部与水利部2011年10月28日发布的《全国地下水污染防治规划（2011—2020）》，明确未来将安排6类项目总投资346.6亿元用于地下水污染防治，地下水修复任务繁重，渗透反应格栅（PRB）地下水修复技术应用前景良好。
应用二：地下水水质联动监控与预报系统实现了与南水北调中线工程水质自动化调控系统的对接，促进地下水水质在线监测仪器产业化
突破了地下水水质在线监测设备的多指标、高精度小型化技术，开发了适于地下水安装的小型化、高精度的地下水水质联动监测系统，实现了地下水水质联动监控与预报系统与南水北调中线工程水质自动化调控系统的对接。完成了国产地下水监测设备产品试验、定型，并已投放市场。
课题有关专利技术及相关设备应用于南水北调总干渠水质安全保障工程，将促进地下水污染风险防控技术和监控预警技术体系的专业化设计、制造、施工、安装及运营，提升我国地下水环境污染风险识别与评价、监测与预报、污染控制与修复的技术水平，提高水环境污染防范和应急能力以及水环境管理水平。
课题承担单位：中国地质大学（北京）
课题负责人：陈鸿汉
