水源地水質(zhì)安全保障綜合管理平臺  

密云水庫智能化綜合集成生物預(yù)警監(jiān)測站  

潮白河再生水補給河段生態(tài)恢復(fù)  

近一年來，北京市各種媒體上爭先恐后地報道著密云水庫蓄水增長好消息，畢竟素有著首都“大水盆”之稱的密云水庫，從上游來水量銳減造成入不敷出，到今日水面持續(xù)上升已有近20年。從2017年7月17日，密云水庫蓄水量突破18億立方米，到今年8月9日,密云水庫蓄水量超過25億立方米，這一系列振奮人心的消息的背后，有著一大批科技工作者的貢獻。  

據(jù)國家水專項“海河流域水資源調(diào)蓄區(qū)水質(zhì)保障及生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”課題負責人、北京市水科學(xué)技術(shù)研究院孟慶義教授級高工介紹，隨著2014年底南水北調(diào)中線工程的建成通水，海河流域的水資源格局正悄然發(fā)生變化。海河流域水資源調(diào)蓄區(qū)的水資源優(yōu)化配置、不同類型調(diào)蓄區(qū)的水質(zhì)安全保障、調(diào)蓄區(qū)所在河流水系的水環(huán)境改善等已成為未來海河流域水污染防治和水安全保障的重要任務(wù)。  

潮白河流域密云水庫及其下游的密云、懷柔、順義等區(qū)是北京城市集中供水的重要水源地,承擔著保障城市安全供水的重要功能，戰(zhàn)略地位十分重要。自1999年以來，遭遇連續(xù)干旱，潮白河流域水庫蓄水量下降，地下水超采嚴重，河道斷流，水污染態(tài)勢加劇。為最大限度用好南水、充分發(fā)揮工程效益，研究確立了“喝、存、補”用水原則。按照《北京市南水北調(diào)配套工程總體規(guī)劃》，密云水庫及其下游的密云、懷柔、順義等區(qū)地下水源地將作為南水北調(diào)來水的調(diào)蓄庫，這將有效緩解北京市多年連續(xù)干旱造成水庫蓄水不足、地下水源超采嚴重的現(xiàn)狀，同時由于跨流域調(diào)水帶來地表、地下蓄水條件變化可能引起水質(zhì)及水生態(tài)變化，引起了社會各界的廣泛關(guān)注。  

面對這一需求，孟慶義表示：這確實是一個重大科學(xué)技術(shù)問題。因為水源地水質(zhì)安全保障不能簡單套用水質(zhì)目標管理的技術(shù)方法。因為水源地水質(zhì)安全是區(qū)域生態(tài)環(huán)境圈內(nèi)各類要素，如庫容、大氣、風場、陽光、食物鏈等變動帶來的水質(zhì)波動，超過風險閾值的情況屬于小概率事件，這里面要做的是風險識別、監(jiān)測預(yù)警，通過模擬進行過程分析和結(jié)果預(yù)測，相應(yīng)地實施各類保護措施；而我們常說的水質(zhì)目標管理是針對受損水體的以水環(huán)境容量總量為核心的管理技術(shù)體系。即是針對常態(tài)化超標的大概率事件，需要算清容量總量和排放總量，通過負荷分配，制定削減方案，實施污染精準治理。  

確定了這樣一條技術(shù)路線，課題組隨即投入大量人力物力，圍繞庫區(qū)水質(zhì)安全，開展了庫區(qū)周邊土地利用、植被特性、土壤有機和無機組分分析，以及外調(diào)水、上游來水、底泥釋放、大氣干濕沉降等水庫氮磷輸入監(jiān)測及分析，取得了大量的基礎(chǔ)資料。同時，課題組加強了對密云水庫歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理分析，明確了密云水庫水質(zhì)變化的基本規(guī)律。這些工作為南水北調(diào)來水和上游流域來水疊加影響下的水質(zhì)變化趨勢分析奠定了基礎(chǔ)。  

集成風險源模擬、水生生物行為與水質(zhì)實時監(jiān)控，建立調(diào)蓄區(qū)水質(zhì)演變預(yù)測預(yù)警技術(shù)，為密云水庫水質(zhì)安全提供技術(shù)保障  

針對南水北調(diào)對密云水庫調(diào)蓄區(qū)水環(huán)境可能產(chǎn)生的影響，開展調(diào)水前后受水區(qū)氮磷平衡及風險源分析，得出影響受水區(qū)水質(zhì)的主要因素包括：上游營養(yǎng)物質(zhì)輸入，調(diào)水入流的水量、營養(yǎng)鹽濃度及入流時間，庫容及庫區(qū)水位等�；诖耍瑯�(gòu)建基于EFDC的水動力——水質(zhì)模型，通過設(shè)計不同水文年型，不同調(diào)水入庫水量及入庫時間，不同入流氮磷濃度等情景，來預(yù)測一系列調(diào)水情景下密云水庫的氮磷營養(yǎng)鹽及葉綠素a濃度的變化情況。各種情景下的模型模擬表明：密云水庫水質(zhì)及水生態(tài)演變主要受上游來水的影響，外調(diào)水影響輕微。調(diào)水后密云水庫總氮濃度略有上升，而總磷、葉綠素濃度略有降低，夏秋兩季藍藻在藻類總生物量的比例下降1%~6%、硅藻上升5%~8%。  

在掌握了不同情景下水庫水質(zhì)及水生態(tài)衍變的總體態(tài)勢后，課題組還結(jié)合當今水源地水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)發(fā)展趨勢，開展了生物在線監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究，以應(yīng)對突發(fā)性水質(zhì)變化。該技術(shù)以各類有毒污染物對水生生物（魚）的生物行為響應(yīng)、生態(tài)毒理效應(yīng)乃至環(huán)境風險的綜合預(yù)警為目標，從群落水平及多營養(yǎng)級生物交互作用模式出發(fā)，構(gòu)建了針對水生脊椎動物（魚）敏感性污染物的生物預(yù)警模型，確定受水區(qū)水質(zhì)安全風險源的相關(guān)污染物暴露下生物行為變化的反應(yīng)閾值。針對水源地水質(zhì)安全保障，課題組開發(fā)出多參數(shù)水質(zhì)變化對生物行為影響的污染物風險預(yù)警模型和數(shù)據(jù)庫；特別是開發(fā)出富營養(yǎng)化初級生產(chǎn)力預(yù)警模型，并確定了受水區(qū)營養(yǎng)物脅迫因子對藻類初級生產(chǎn)力的生態(tài)響應(yīng)閾值，可以實現(xiàn)水體富營養(yǎng)化預(yù)警；在上述化學(xué)——生物——生態(tài)響應(yīng)模型構(gòu)建基礎(chǔ)上，集成各預(yù)警模塊開發(fā)污染物生物預(yù)警軟件系統(tǒng)。  

模型是給人用的，生物在線監(jiān)測預(yù)警是要有人管理。為進一步與密云水庫水環(huán)境管理工作相結(jié)合，課題組搭建了密云水庫水質(zhì)安全保障綜合管理平臺。平臺可以進行水污染源信息和環(huán)境質(zhì)量信息的數(shù)據(jù)維護存儲、信息查詢，實現(xiàn)密云水庫水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評價、水環(huán)境污染模擬預(yù)測的綜合性可視化，直觀、形象和動態(tài)地跟蹤顯示密云水庫水環(huán)境質(zhì)量的時空變化和未來的發(fā)展趨勢。目前平臺已實現(xiàn)業(yè)務(wù)化穩(wěn)定運行，為水庫水環(huán)境系統(tǒng)的評價和管理提供相應(yīng)的數(shù)字化管理工具，為首都供水安全提供保障。  

基于庫濱帶分區(qū)風險識別，同步實施庫濱帶外源污染控制和淺水區(qū)內(nèi)源凈化，保障水源地水質(zhì)安全  

隨著南水調(diào)入密云水庫調(diào)蓄，水庫水位將持續(xù)上升，水位變化條件下的庫濱帶土壤及植被等因子對水庫水質(zhì)變化起著重要作用。為此課題組建立了基于庫濱帶分區(qū)的風險識別技術(shù)。一是針對南水北調(diào)來水造成的新增淹沒區(qū)，監(jiān)測分析不同剖層污染物的含量、形態(tài)分布及釋放，構(gòu)建污染物——釋放通量模型，計算出新增淹沒區(qū)氮磷的釋放總量。構(gòu)建庫區(qū)水質(zhì)模型，預(yù)測干濕交替和南水北調(diào)來水后的水位變幅帶污染物釋放對庫區(qū)水環(huán)境的影響。結(jié)果表明，在最不利情景下，水庫來水后新增淹沒面積土壤釋放對密云水庫庫區(qū)水質(zhì)的影響范圍小、程度低。二是針對新增淹沒區(qū)以上的陸向保護區(qū)，開展降雨徑流實驗，觀測土壤侵蝕過程及入庫氮磷負荷，弄清外源入庫的環(huán)境風險。  

明確了環(huán)境風險，接下來就需要開發(fā)相應(yīng)的工程技術(shù)。針對易發(fā)生水華的水庫淺水區(qū)，通過生物載體材料特征識別、適宜條件及水質(zhì)凈化效果試驗，比選出人工凈水草新型生物載體，完成2.6萬平方米的工程示范；同時，針對水庫調(diào)蓄區(qū)外源風險防控，研發(fā)不同植物品種及配置方案的陸向保護區(qū)林草緩沖帶外源污染防控技術(shù)，并建設(shè)完成3公里示范區(qū)。第三方監(jiān)測表明，示范區(qū)內(nèi)泥沙平均削減率可達48%~61%、TP平均削減率可達36%~66%。同時在水庫二級保護區(qū)內(nèi)，建設(shè)小流域生態(tài)恢復(fù)示范工程5個，實現(xiàn)了示范區(qū)“清水下山、凈水入庫”的生態(tài)目標。  

“問渠哪得清如許，為有源頭活水來。”有了扎實的科技保障、政府工程的保駕護航，加上一批保水護水人的擔當，才有了今天的密云水庫風清氣爽、微波蕩漾。可以想象，將來密云水庫的水面會更加寬闊，水質(zhì)也將更加的清澈。  

數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗相結(jié)合，確定地下水回補方案，實現(xiàn)南水北調(diào)涵養(yǎng)地下水水源地、多水源聯(lián)合調(diào)控改善地下水水質(zhì)  

與地表水系統(tǒng)相比，地下水系統(tǒng)顯得更為復(fù)雜多樣，并表現(xiàn)出立體結(jié)構(gòu)的特點。南水北調(diào)來水不僅可以增加密云水庫的水源儲備，還可對北京市的地下水進行回補，有效遏制地下水水位下降趨勢。這里面又有什么科技問題呢？基于地下水調(diào)蓄區(qū)內(nèi)再生水利用的現(xiàn)狀及水文地質(zhì)條件，課題組圍繞“能不能補？在哪兒補，怎么補？”等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)開展室內(nèi)模擬試驗及現(xiàn)場試驗，并運用數(shù)學(xué)模型進行跨流域調(diào)水回補的情景分析。第一，“能不能補？”是個機理性問題。課題組初步查清了南水北調(diào)水源經(jīng)過包氣帶入滲過程中陽離子交換吸附以及氨氮解吸、硝化反應(yīng)等復(fù)雜的水巖相互作用機理，明確了南水北調(diào)水源對地下水的稀釋作用占主導(dǎo)地位。試驗表明，南水北調(diào)水源為優(yōu)質(zhì)水源，其中的化學(xué)組分濃度較低，南水北調(diào)水源入滲過程中，地下水的硬度和鹽分呈降低的變化趨勢，地下水水質(zhì)得到稀釋淡化，水質(zhì)改善效果較為顯著。第二，“在哪兒補，怎么補？”是個工程技術(shù)問題。課題結(jié)合南水北調(diào)水源狀況、調(diào)水路由和再生利用河段，制定了4種南水北調(diào)水源回補與再生水利用調(diào)控方案，利用數(shù)學(xué)模型預(yù)測了各種調(diào)控方案下的地下水流場和水化學(xué)場的變化狀況，以地下水資源涵養(yǎng)和地下水水質(zhì)改善為目標，對各種調(diào)控方案進行了比較遴選，確定出最優(yōu)的調(diào)控方案。  

據(jù)了解，為了進一步論證南水北調(diào)水源進入水源地回補的可行性，課題組還利用南水北調(diào)水源向潮白河試驗補水工程開展了現(xiàn)場監(jiān)測，結(jié)果表明補水效果良好。自2015年8月向潮白河試驗補水以來，至2017年11月，已累計向潮白河調(diào)水8865萬立方米，河道中的南水北調(diào)水源快速入滲補給地下水，補給地下水資源量8600萬立方米，河道周邊的地下水水位最大升幅為18米，地下水資源涵養(yǎng)效果極為顯著。  

為進一步做好密云、懷柔、順義等區(qū)地下水源地的保護和管理，課題組在200多平方公里的范圍內(nèi)，開展了工業(yè)、再生水、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)、垃圾填埋場、加油站和入河排污口等七類地下水污染風險源調(diào)查，確定不同地下水潛在污染源可能帶來的風險因子，形成地下水污染源及污染風險因子清單，通過野外采樣測試明確了區(qū)內(nèi)淺層地下水污染因子為氨氮、硝酸鹽和鄰苯二甲酸二正丁酯。  

作為技術(shù)儲備，課題組開展了污染場地健康風險評價，建立用于阻控技術(shù)篩選的評估指標體系，獲得適用于不同目標污染物的工程控制技術(shù)。針對區(qū)內(nèi)分布較廣泛的加油站風險源，以BTEX作為石油類污染場地典型污染物開展了土壤氣相抽提技術(shù)（SVE）修復(fù)技術(shù)研究，在-15℃至0℃低溫環(huán)境條件下，對苯的去除率達到90%。  

從管理方面來說，科學(xué)地劃分和建立地下水水源地保護區(qū)是保護地下水水源地的有效手段。課題組構(gòu)建三維地下水滲流數(shù)值模型，分析地下水水源地群影響效應(yīng)，基于質(zhì)點追蹤和GIS空間分析技術(shù)，對調(diào)蓄區(qū)內(nèi)第八水廠和懷柔應(yīng)急水源地進行保護區(qū)的科學(xué)劃分。為了最大程度地規(guī)避地下水污染風險，保護地下水資源環(huán)境，課題組還結(jié)合北京市地下水保護和污染防控行動方案，開展了多項工程示范和管理支撐：一是針對報廢機井，通過室內(nèi)的滲透試驗和強度試驗，篩選出以水泥砂漿為主料，以塑性混凝土、優(yōu)質(zhì)黏土、砂礫石為輔料的機井封填材料。制定了第四系松散土層報廢機井和基巖報廢機井的封填方案，對區(qū)域內(nèi)的183眼報廢機井進行了封填，有效阻止了地下水經(jīng)過井管的串層污染；二是充分利用調(diào)蓄區(qū)內(nèi)30眼地下水環(huán)境監(jiān)測井，構(gòu)建了調(diào)蓄區(qū)地下水監(jiān)測與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，直觀展示流域地下水的水位、水質(zhì)變化，直觀反映流域地下水的水質(zhì)質(zhì)量。  

在采訪過程中了解到，潮白河流域地下水水質(zhì)保障綜合示范區(qū)的范圍達到210平方公里，地下水質(zhì)量維持在Ⅲ類水平，區(qū)內(nèi)一塊淺層地下水污染場地修復(fù)完全達到了既定目標：地下水中的氨氮削減率達到81%，修復(fù)后的氨氮濃度達到地下水質(zhì)量Ⅲ類標準；高錳酸鹽指數(shù)削減率為51%，修復(fù)后的濃度達到Ⅰ類標準；亞硝酸鹽氮削減率高達98%，修復(fù)后的濃度達到Ⅱ類標準。  

水質(zhì)改善與生境修復(fù)并舉，構(gòu)建魚類種群放養(yǎng)——棲息地環(huán)境改良——生境修復(fù)系統(tǒng)，改善再生水補給型河道生態(tài)  

針對水源地下游河道水資源短缺、新蓄水河段的水生態(tài)系統(tǒng)不完整、水生態(tài)功能不穩(wěn)定等難題，課題組基于多年再生水補給型河道水質(zhì)改善經(jīng)驗，篩選出“管用、好用、實用”的技術(shù)，并進行技術(shù)提升。一方面采用快速滲濾的技術(shù)原理，針對性研發(fā)河道濾井循環(huán)凈化技術(shù),對藻類具有良好的去除效果，有效抑制水華發(fā)生；研發(fā)了基于傳統(tǒng)生物浮床原理的懸浮式人工濕地�？疾炝颂盍项愋�、植物配置與生長狀況、曝氣量等參數(shù)下運行效果。以該技術(shù)為核心的河道水體旁路強化凈化生物塘技術(shù)非常適合處理合流制排水口及雨水口的排水。另一方面，研究魚類在再生水水質(zhì)條件下的生長變化，揭示魚類棲息環(huán)境、生態(tài)特征與調(diào)蓄區(qū)下游河道理化環(huán)境之間的關(guān)聯(lián)性，明確了影響調(diào)蓄區(qū)魚類生長的最主要理化因子為總氮和溶解氧。研究通過魚類先鋒種類、投放條件特點，提出了補水河道的魚類種群恢復(fù)原則，通過生態(tài)修復(fù)和生境改良措施，形成適于魚類恢復(fù)的生態(tài)環(huán)境；通過河岸水陸交錯帶進行跟蹤監(jiān)測并開展植物配置研究，掌握了不同植物配置方式的緩沖帶對污染物的去除率和沿程變化趨勢，對各類型岸邊帶水生植物配置提出合理化建議，為補水條件下的水陸交錯帶水生植物恢復(fù)及污染物凈化提供科學(xué)依據(jù)。  

基于以上水質(zhì)保障和生態(tài)修復(fù)成套技術(shù)，順義區(qū)在潮白河建設(shè)完成了水生植物恢復(fù)、懸浮式人工濕地旁路凈化、人工濾井凈化、魚類種群重建等多樣化生態(tài)工程建設(shè)，生態(tài)補水保障了干涸河道的生態(tài)基流，河道生態(tài)環(huán)境明顯改善。來到潮白河畔，當你在岸邊向遠處眺望，清清的河水與岸邊的叢林相互輝映，美景盡收眼底。  

潮白河流域只是海河流域特別是京津冀地區(qū)眾多河流流域中一個典型代表，面對京津冀地區(qū)共同的水安全關(guān)鍵問題與挑戰(zhàn)，課題以保障水源地水質(zhì)安全為核心目標，建立了集風險評價——監(jiān)控預(yù)警——保護與治理于一體的流域水質(zhì)維持及生態(tài)修復(fù)技術(shù)體系，支撐了水專項“從源頭到龍頭飲用水安全多級屏障與全過程監(jiān)管”重大標志性成果。研究成果將為京津冀受水區(qū)水安全保障和水生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供有力支撐。

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