地下水污染风险识别与修复治理关键技术丛书--地下水在线监测、模型应用与污染预警

地下水是我国水资源的重要组成部分。在北方地区尤其是京津冀地区，地下水更是重要的工农业生产和生活的供水水源。然而随着我国工业化和城镇化发展，地下水水质状况不容乐观。《国家十三五规划纲要》《水污染防治行动计划》等国家战略均在着力布局保障京津冀地下水安全。近年来，尽管有“南水北调工程”大幅度缓解了京津冀的缺水状况，但是客水资源的调入及地面人为活动的增强，也造成了潜在污染风险，对地下水质安全构成严重威胁，地下水污染防治工作面临着水质型缺水的困境。而地下水“易污难治”的特性，决定了监测预警是实现区域地下水污染高效防治、开展地下水资源科学管理的基础工作。
长期以来，地下水污染监测预警着重于研究水质模型优化和监测井优化等细分领域，缺乏从监测技术、监测数据传输、阈值构建、预警模型方法到示范应用一条龙介绍的专业书籍。为此，南方科技大学课题组依托“水体污染控制与治理科技重大专项”“京津冀地下水污染防治关键技术研究与综合示范项目”（No. 2018ZX07109-002）组织编著此书。
本书以地下水污染监测预警为主线，系统介绍了从20世纪70年代至今国内外主流地下水污染监测技术方法和装备、常见水质预警模型构建方法等监测预警领域新方法，并讨论了区域预警体系建立方法以及示范案例应用情况。本书在编著方式上采用时间顺序对国内外现有主流技术进行了归纳，并按照监测预警的业务逻辑顺序排列章节体例。全书新旧结合，覆盖全面，既涵盖了地下水污染监测领域水质分析方法、数据传输方式、水质预警模型和预警体系建立等传统内容，也涵盖了基于物联网和区块链的地下水污染监测可信计算、地下水污染预警模型等新兴技术方法。同时，本书也在地下水污染监测预警领域提出了重金属和有机污染物在线监测的概念，并予以落地实践。
本书分别由来自南方科技大学、中国地质大学（北京）、成都理工大学、中国地质调查局水文地质环境地质调查中心、北京市地质矿产勘查院（原北京地质矿产勘查开发局）等长期从事地下水污染防治的一线技术工作者共同编著而成。其中第1章、第3章、第4章、第5章由南方科技大学的胡清、齐永强、林斯杰、汪安宁、吕广丰、黄燕鹏编著；第2章由中国地质大学（北京）的刘明柱编著；第6章由成都理工大学的许模编著；第7章由北京市地质矿产勘查院的杨庆编著。全书最后由胡清统稿并定稿。中国地质大学（北京）的史浙明，成都理工大学的蒲生彦，中国地质调查局水文地质环境地质调查中心的史云、赵学亮、张建伟、王明明等也参与了本书部分内容的编著，在此表示感谢。中国环境科学研究院的席北斗、清华大学的李广贺等对本书的策划组织和编著提出了宝贵意见和建议。另外，本书编著过程中，南方科技大学的杨梦曦、李俊辰、江宏川等参与了书稿的校对等工作，在此一并表示感谢。
限于编著者水平和编著时间，书中不足或疏漏之处在所难免，敬请各位读者批评指正。

编著者　
2020年12月

胡清，南方科技大学/南科大工程技术创新中心（北京），教授/主任，英国帝国理工大学环境污染和水文学专业博士。现任南方科技大学教授，南科大工程技术创新中心（北京）主任，环丁联盟（NPO）院长。2017年荣获国家科学技术进步奖二等奖，2016年荣获IBM全球杰出学者奖，2013年被授予“国务院政府特殊津贴专家”称号，2012年获教育部科技进步一等奖，2011年获得人保部高层次留学人才回国资助人才（全国十人）。现任或曾担任国家科技部中长期战略规划特聘专家，国家重点研发计划“土专项”长期跟踪专家，新加坡李光耀水源荣誉大奖提名委员会委员，国际水领域奖—瑞典斯德哥尔摩水奖技术委员会评委会委员， IWA国际水协年会理事、评委会主席，环境保护部环境损害鉴定评估专家委员会委员，中国环境科学学会土壤与地下水专业委员会委员。在生态环境保护领域拥有30多年的研究和工作经历，在大数据与环境、城市环境工程、污染场地绿色可持续修复与管理、生态环保发展战略与政策标准研究、绿色技术及清洁生产、循环经济及水处理工程等多个专业领域积累了深厚的理论知识和丰富的国内外实践经验。主要研究成果发表在Nature, Science, Environmental International, Environmental Management等国际学术期刊，拥有二十余项专利成果。主持并参与十余项国家及省部级科研课题，包括国家863计划、国家“水体污染控制与治理科技重大专项”、“固废资源化重点专项”、“场地土壤污染成因与治理技术重点专项”、环境保护公益项目等；负责完成数十项场地调查与修复项目，涉及化工、农药、印染、石油及电镀等多个行业的复杂场地；具有丰富的国际合作经验，包括作为中方牵头专家参与科技部“中英土壤及地下水修复科技合作”项目 ，作为项目负责人组织完成多个世行、亚行项目；协助国家发改委、科技部、环保部、住建部等部委对我国污染场地修复行业进行顶层设计，主持并参与“十三五”土壤领域技术路线、国家环境保护标准项目“污染地块风险管控与土壤修复效果评估技术导则”及“污染地块土壤和地下水中挥发性有机物采样技术导则”等多项行业政策、标准规范与技术指南的编制工作。

本书为“地下水污染风险识别与修复治理关键技术丛书”的一个分册，全书以地下水污染监测预警相关技术环节为主线，系统介绍了从20世纪70年代至今国内外主流地下水污染监测技术方法和装备、常见水质预警模型构建方法、区块链等新型水质预测方法，并讨论了建立区域预警体系的方法，以及在示范区应用情况。该书既涵盖了地下水污染监测领域水质分析方法、数据传输方式、水质预警模型和预警体系建立等传统内容，也涵盖了基于物联网和区块链的地下水污染监测可信计算、地下水污染预警概率模型等新兴技术方法。
本书理论与实践有效结合，具有较强的技术应用性和针对性，可供从事地下水污染监测预警与防控等的工程技术人员、科研人员和管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、生态工程及相关专业师生参阅。

第1章 绪论  001
1.1　地下水污染在线监测预警概述  002
1.2　国内外研究现状及发展趋势  004
1.2.1　地下水污染预警模型研究进展  004
1.2.2　地下水污染预警阈值体系方法进展  006
1.2.3　观测-预警与大数据方法  006
1.2.4　大数据技术的不足与挑战  010
参考文献 011

第2章 监测井网优化  015
2.1　研究现状  017
2.2　异常值识别  019
2.3　区域监测井网采样频率优化  020
2.3.1　时间变异函数法  020
2.3.2　迭代细化法  022
2.4　区域监测井网空间冗余优化  023
2.4.1　绘制指标浓度等值线图  023
2.4.2　识别监测井网冗余井  023
2.4.3　新加监测井  025
2.5　污染区监测井网优化  026
2.5.1　趋势分析方法  026
2.5.2　采样优化方法  027
2.5.3　优化流程总结  030
参考文献  030

第3章 地下水污染在线监测和数据传输技术  033
3.1　地下水污染在线监测技术概述  034
3.2　地下水污染在线监测方法与设备  034
3.3　分层监测  037
3.4　采样数据可信传输  038
3.4.1　数据传输安全可靠  043
3.4.2　防止数据被篡改  044
3.4.3　采样业务流程监管  044
参考文献  046

第4章 水流模型建立  049
4.1　模型规划  050
4.1.1　模型用途  050
4.1.2　模拟目标  051
4.1.3　时空尺度问题  051
4.1.4　资料收集  052
4.2　水流模型概化  055
4.2.1　模型区域  056
4.2.2　水文地质结构概化  059
4.2.3　地下水补给、径流与排泄条件  067
4.2.4　地下水开采利用  076
4.2.5　地下水动态特征  077
4.2.6　模型边界条件及其概化依据  080
4.2.7　水流模拟参数概化  093
4.3　水流模型构建  103
4.3.1　地下水流概念模型的数学表达  104
4.3.2　模拟界面软件选择  107
4.3.3　模型建立步骤  108
4.3.4　边界条件处理  110
4.3.5　水流模型特征参数设置  120
4.4　水流模型校准  123
4.4.1　校准目标  124
4.4.2　校准方法  129
4.4.3　校准结果评价  134
4.4.4　模型检查与验证  136
参考文献  149

第5章 溶质运移模型建立  151
5.1　溶质运移模型概化  152
5.1.1　工作流程  152
5.1.2　污染源识别  152
5.1.3　迁移途径识别  159
5.1.4　污染物迁移转化过程  164
5.1.5　运移模型特征参数资料汇总  173
5.1.6　受体分析  173
5.1.7　预测情景概化  174
5.2　溶质运移模型构建  175
5.2.1　溶质运移概念模型的数学表达  175
5.2.2　基于水流模型的结构更改  179
5.2.3　运移模型特征参数设置  180
5.2.4　源项设置  181
5.2.5　溶质运移模拟期划定  182
参考文献  183

第6章 预警体系建立  185
6.1　地下水污染预警概述  186
6.2　地下水污染指示性因子筛选方法  186
6.2.1　地下水污染指示性因子概念厘定  187
6.2.2　地下水污染指示性因子指标体系构建  190
6.2.3　地下水污染指示性因子筛选思路  195
6.2.4　区域尺度地下水污染指示性因子筛选方法  196
6.2.5　场地尺度地下水污染指示性因子筛选  205
6.3　地下水污染预警指标体系  208
6.3.1　区域尺度地下水污染预警指标体系  209
6.3.2　场地尺度（重点污染区）地下水污染预警指标体系  211
6.3.3　多尺度地下水监测预警通用指标体系  211
6.4　多时空尺度地下水监测因子预测模型  213
6.4.1　理论解析模型  213
6.4.2　数值计算模型  215
6.4.3　统计预测模型  218
6.5　预警模型的建立  219
6.5.1　影响因素的计算  219
6.5.2　区域尺度地下水污染预警等级的划分  223
6.5.3　场地尺度（重点污染区）地下水污染预警等级的划分  225
参考文献  226

第7章 典型区域地下水污染监测预警应用案例  227
7.1　地下水污染监测预警与数字化平台介绍  228
7.1.1　系统概述  228
7.1.2　业务化运行模块  229
7.1.3　趋势预警模块  231
7.1.4　应急模拟模块  234
7.2　地下水监测数据异常值识别与优化指标筛选  237
7.3　地下水污染趋势预警与应急预警  244
7.3.1　基于时间序列的地下水水质预测模型  244
7.3.2　基于水质模型的事故应急预警  250
参考文献  254

附录  255
附录1　常用水文地质参数确定方法的标准及指南  256
附录2　常用模型参数选取表  258

索引  261