【作者機構】 | 生態環境部土壤與農業農村生態環境監管技術中心 |
【來 源】 | 《環境科學研究》 2024年第2期 P371-378 |
【作 者】 | 李海祥， 郇環， 周愛霞， 楊洋， 胡尊芳， 宋宗中 |
摘要： 地下水環境監測是地下水污染防治的重要環節，我國地下水環境監測網建設基礎較為薄弱. 對比歐美發達國家地下水監測網建設和運行模式，分析國家地下水監測工程、“十四五”國家地下水質量考核點位、國家級化工園區和北京市地下水環境監測網的建設情況，歸納出監測網在區域背景值點位布設，在線監測設備研發，以及監管平臺建設、數據共享和應用服務等方面存在的問題. 基于監測網建設現狀，依托新興技術在水質監測領域的應用，總結其發展趨勢集中于在線監測設備換代升級、監測點位物聯互通、多樣數據解析可視、信息傳輸安全保真四個方面. 最后結合我國監測井建設現狀與管理模式提出以下發展建議：①整合現有點位，銜接國家地下水監測工程和“十四五”地下水考核點位，統籌構建國家級、省級地下水環境監測網絡體系.②加快新一代水質在線監測設備研發，降低故障率，提高監測精度；探索基于地球物理探測、衛星遙感解譯、無人機航測和埋設傳感器等技術的新型監測方式. ③國家級地下水環境監測網與地表水監測網、大氣污染監測網、土壤監測網等進行多網融合. 這為我國地下水環境監測網建設奠定了基礎.
關鍵詞： 地下水環境監測網；地下水污染防治；地下水環境監管平臺；國家地下水監測工程
地下水是最豐富的淡水資源，提供了全世界約1/2的飲用水、1/4的灌溉用水和1/3的工業用水[1-2].由于環境變化和人類活動影響，地下水不斷發生時空演變，如果含水層信息不掌握，便不能對地下水開展有效評估和管理. 目前全球已有81個國家和地區建立地下水監測網，有41個國家和地區擁有地下水監測信息系統[3]. 相比以物理特征為目標的監測網，地下水環境監測網則專注水質對環境和人類健康產生的影響. 地下水環境監測網的目標是保護環境和公共健康，預防和解決地下水污染問題，其覆蓋面更具有地域性.
我國地下水資源量為8.195 7×1011 m3，地下水源供水量為8.538×1010m3，占供水總量的14.5%[4]. 《2021年中國生態環境狀況公報》[5]和“十四五”國家地下水環境質量考核點位監測數據顯示，地下水Ⅴ類水(GB/T 14848-2017《地下水質量標準》)點位占20.6%.地下水污染具有隱蔽性和持久性，污染物可在不易被察覺的情況下對人居安全和飲水安全造成影響，因此開展地下水環境監測是污染防治的重要環節[6]. 《地下水污染防治實施方案》[7]強調建立全國地下水環境監測體系，提出要完善地下水環境監測網，整合現有地下水環境監測井，加強運行維護和管理，完善地下水監測數據報送制度. 到2025年底，構建全國地下水環境監測網. 《生態環境監測規劃綱要(2020-2035年)》[8]提出，構建重點區域質量監管和“雙源”(地下水型飲用水水源地和重點地下水污染源)監控相結合的全國地下水環境監測體系. 《地下水管理條例》[9]要求強化對污染地下水行為的管控，建設地下水水質監測井. 生態環境部等七部委聯合印發《“十四五”土壤、地下水和農村生態環境保護規劃》[10]，明確建立地下水污染防治管理體系，提升生態環境監管能力.
1 國外地下水監測網建設現狀
1.1 美國
1991年美國啟動國家水質評價計劃(NAWQA)[12]，共布設監測點42 000個，布設密度為3.76個/(103 km2)，其中水質監測點6 800個. 2009年美國組建國家地下水監測網(NGWMN)[13]對水位、水質進行長期監測，監測點數量17 852個，布設密度為1.9個/(103 km2)，水質監測井數量4 042個. 監測網覆蓋美國67個主要含水層，采用隨機抽樣和網格抽樣方法對各水文地質單元進行布點，其中包括未固結砂礫含水層點位11 803個，半固結砂含水層點位1 919個，砂巖含水層點位805個，砂巖碳酸鹽巖含水層點位417個，碳酸鹽巖含水層點位920個，火成巖和變質巖含水層點位334個，其他巖石含水層點位1 654個. 監測點數量每年都會有所調整，2020年國家地下水監測網水位監測點降至14 378個，水質監測點降至3 408個[3].
國家地下水監測網分為地下水背景網、疑似變化網和已變化網3個子網絡[14]，如圖1所示. 背景網用于監測未受人類活動影響的含水層；疑似變化網監測可能受到影響的含水層；已變化網監測受到影響的含水層. 每個子網再細分為趨勢井、監控井和專題井，趨勢井監測多年水位水質變化，其中又提取出骨干監測井；監控井定期報告水資源整體水位和水質狀況，起普查作用；此外，美國地質調查局開展了地下水的各種專題研究，并根據研究需求選取部分監測井組成專題網. 監測頻次和監測指標依據子網和含水層類型設定[14]. 監測頻次方面，趨勢井不低于1次/a，監控井潛水含水層1～4次/a，監控井承壓水1次/(2～5 a). 趨勢井基礎監測指標為水位、水溫、pH和電導率，監控井監測指標為八大離子、氨氮、硝酸鹽、溶解氧、溶解性總固體、氧化還原電位、錳以及美國飲用水標準中的其他檢測指標，此外趨勢井和監控井可加選微量金屬、有機物、新污染物和放射性同位素，專題網監測頻次和指標取決于專題工作需求.
國家地下水監測網識別生態系統所需的地下水資源量，為國家級決策提供地下水管理和開發所需的信息，相比地方監測系統對污染場地的監管，其主要用于評估主要含水層水位、水質基線和長期趨勢. 作為最成熟的多流域地下水監測網，其優勢是應用物聯網技術，連接監測設備和平臺，并通過NGWMN數據系統收集長期的水位、水質、鉆孔和巖性等數據. 同時監測網也面臨覆蓋范圍有限、監測點數量不足、設備故障率高、運行維護資金人力短缺的問題.
1.2 歐盟
歐盟國家地下水監測點密度高. 《歐洲淡水監測網絡設計(1996年)》[15]建議將地下水監測點密度控制在40～50個/(103 km2)之間. 荷蘭建立了49 000個監測點組成的網絡，密度高達1 176.47個/(103 km2)[16].法國地下水監測網(RNESP)布點方案為潛水含水層2個/(103 km2)、小型承壓含水層1個/(103 km2)、大型承壓含水層0.33個/(103 km2)、深層含水層0.14個/(103 km2). 目前法國國家地下水監測網監測點數量為5 049個，密度為9.18個/(103 km2)[3,17]. 此外，希臘國家監測網監測點1 392個，密度10.53個/(103 km2)；意大利皮埃蒙特地區地下水監測網(RMRAS)監測點605個，密度23.81個/(103 km2)；德國巴伐利亞地區地下水監測網監測點約3 000個，密度約41.67個/(103 km2)[3,18].
歐盟國家地下水在線監測占比接近100%，監測頻次也高于美國(見表1). 荷蘭國家地下水監測網和德國巴伐利亞地下水監測網全部使用在線監測設備，能夠實時傳輸數據. 法國國家地下水監測網有1 450個監測點使用在線監測設備，占比為79%.荷蘭地下水監測網監測頻次為1次/h，德國和法國監測頻次能達到1次/d，但是在線監測指標為水位、水溫、pH、礦化度等基礎指標[16-18]. 荷蘭、法國、德國等國家已建立從監測網到監測設備、數據庫、門戶網站和地下水應用工具等一體化的信息系統. 荷蘭地下水信息網、法國地下水數據的國家門戶網站(ADES)，德國巴伐利亞環境署網站能夠實時共享監測數據，并且匹配地下水應用工具. 以荷蘭為例，地下水應用工具能夠進行場地地下水流場插值、水位特征曲線擬合，地下水與降雨、蒸發、潮汐的相關性分析.
歐盟國家地下水監測網建設目的并不一致，法國和德國監測網多用于水資源管理、農業灌溉和硝酸鹽污染監管等，荷蘭監測網則是側重于海水入侵治理和氣候變化研究. 歐盟國家地下水監測網優勢在于監測點密度大，在線監測占比高，能夠獲得更精準的實時數據. 監測網監管區域含水層結構簡單，具有成熟的地下水模型，可預測地下水的變化趨勢和影響，但存在監測指標簡單、缺少長期監測水質的計劃和運行成本過高的問題.
2 國內地下水監測網建設現狀
2.1 國家地下水監測工程
國家地下水監測工程共建站點20 469個，其中自然資源部門10 171個，水利部門10 298個，監控面積350×104 km2，站點密度為5.8個/(103 km2)[11]. 自然資源部門監測點包括孔隙水監測點8 024個，裂隙水監測點1 245個，巖溶水監測點902個，覆蓋8個流域、3個盆地、2個高原、1個山地區域，共14個地下水資源一級區，如表2所示. 國家地下水監測工程初步形成了全國性的地下水監測網絡，實現對我國大型平原區、盆地及巖溶區地下水動態的區域性監控.
國家地下水監測工程全部安裝了自動在線監測設備. 自然資源部門在線監測頻次采用“24采1發”模式，即每小時采集信息1條、每日傳輸1次，共24條數據. 監測指標為地下水位、水溫、大氣壓、氣溫等. 自然資源部門研發了平臺和數據庫在內的信息應用服務系統，能夠實現多源數據接入和多層級數據與信息管理，具備動態分析、水均衡分析、水質評價、污染評價、水位預警分析及水化學模擬等監測數據的快速分析功能. 國家地下水監測工程是目前國內規模最大、技術最成熟的地下水監測網絡，其實現了地下水監測信息自動采集與傳輸，提高了地下水監測頻次和時效性，實現了監測平臺信息接收處理、共享交換、分析評價、資料整編等自動化處理，提高了全國地下水監管能力.
2.2 “十四五”國家地下水環境質量考核點位
生態環境部在“十三五”地下水考核點位基礎上進行優化補充，確定了“十四五”國家地下水環境質量考核點位. “十四五”地下水考核點位共布設1 912個[5,19]，其中區域點位1 294個，污染風險監控點位348個，飲用水源點位270個. 監測指標方面，區域點位為《地下水質量標準》(GB/T 14848-2017)中的29項常規指標；污染風險監控點位為29項常規指標附加5項特征指標；飲用水源點位則為29項常規指標或93項全部指標，93項指標每2～3年監測一次. 監測點每年至少監測1次，一個水文年內完成2次監測，需至少包括豐水期、枯水期各一次. 地下水考核點位的布設科學、全面反映了重點區域地下水環境質量狀況和變化趨勢，支撐了生態環境保護工作，但相比國家級地下水環境監測網絡，仍存在監測點數量不足的問題.
(2)全省17市元素基準值變幅較大的元素主要為B，Br，C，Cl，Co，I，P，Sr，CaO，MgO，Na2O，Corg，其變異系數大于或等于0.40，東營市Cl元素變異系數為0.89，Br元素的變異系數為0.67，濟寧市、萊蕪市C元素的變異系數分別為0.69,0.66；一般來說元素基準含量的變化主要受成土母質及各成土因素的影響。東營市Cl，Br元素含量不但變化大，而基準值也是全省基準值的23.5和2.56倍，這與東營市所處的地理位置密切相關，具有明顯的地域特征。
2.3 國家級化工園區監測網
國家級化工園區地下水環境監測網是針對68個國家級化工園區組建的，用于監測園區及周邊地下水環境，目前共布設監測點1 554個，其中新建點1 011個，利用已有點543個. 監測網可分上游對照點131個，內部監測點856個，污染擴散點567個. 監測指標兼顧常規指標和園區特征指標，以“35+N”的原則確定，其中 “35”為GB/T 14848-2017《地下水質量標準》中的39項常規指標扣除微生物指標和放射性指標；“N”為園區特征指標. 對照點每年監測頻次不少于1次，其他監測點每年監測頻次不少于2次. 當出現地下水污染時，監測頻次加倍. 該監測網能夠反映化工園區地下水環境狀況，協助開展修復或管控工作，加強了重點污染源地區的監管，但由于缺少在線監測設備，無法及時發現污染事故，預警和應急處置能力較弱.
2.4 北京市地下水監測網
在省級監測網中，北京市地下水監測網系統處于領先地位，監測點有1 786個，密度為108.8個/(103 km2).在整合264個已有監測點的基礎上，在水源地、污染區、地下水限采區及山區新建240個監測點，形成北京市地下水環境監測站網系統〔密度30.71個/(103 km2)〕[20]. 新建監測點中，有平原區監測井64眼、山區監測井30眼、污染源監測井136眼，泉水監測點10處. 北京市有地下水自動監測站1 241個，占監測網系統的69%. 自動監測站每天6次自動采集、傳輸、存儲地下水數據，實現了國家級、市級監測信息聯動管理. 地下水環境監測站網系統實現了全市范圍整體化、含水層組立體化、各區域系統化的監測方式，監測精度達到國內最高水平，但后期運行維護對資金和人員技術要求較高.
3 地下水環境監測網建設存在的問題
國內地下水環境監測網已初具規模，但仍面臨以下問題：一是區域地下水環境背景值監測點欠缺. 地下水環境監測點多圍繞“雙源”布設，復雜的地質環境會導致地下水超標，因此需對區域地下水環境背景值進行監測. 當前上游井多位于“雙源”區上游50 m以內，考慮到“雙源”周邊人類活動、歷史遺留污染物和污染物擴散的影響[21]，上游井水質只能代表特定范圍的對照值，無法滿足監測區域背景值的要求. 二是環境監測井設計前瞻性不足. 相比國家地下水監測工程，新建監測井功能提升不明顯. 監測井結構和保護裝置未預留新型傳感器、物聯網存儲設備和傳輸設備的空間，井牌設計未預留二維碼等信息載體區域；其次點位周邊條件考慮不足，布點時未統籌考慮周邊供電供網；最后是缺乏綜合性規劃，地下水監測應與生態環境監測協同，與土壤、地表水、大氣等監測點統籌布設，現有監測點位不具備同時監測土壤水、植被、大氣等多功能監測的設計. 三是水質在線監測設備不成熟，在線監測點位占比低. 目前在線監測設備檢測指標主要為物理指標，監控污染物種類和數量有限，相比室內檢測，精度低且易受干擾. 監測指標單一難以解決多源污染問題，需要結合多種監測技術同步進行. 目前在線監測設備昂貴，損壞率較高，后期維護和管理也十分困難. 與水質檢測配套的自動洗井、取樣、廢水處理等設備也有待升級. 四是地下水環境監管平臺建設薄弱，數據共享和應用服務相對較差. 監管平臺的應用使信息傳輸和分析效率得到提升，但仍存在以下問題：①平臺建設未標準化，地下水監測涉及不同的行業和地區，監測數據具有多樣性、復雜性，缺乏標準化數據格式、共享協議和接口等方案，會導致數據難以整合和交換，使得數據共享的質量和效率受到限制；②當數據共享面臨各種安全和隱私風險時，缺乏安全性保障；③數據分析結果與應用小工具不匹配，不利于結果可視性，擴大受眾范圍. 五是監測網資金來源單一. 相比水位監測，地下水環境監測網的運行和維護需要更高的資金和人力成本，管理和運維人員所需的專業技術要求也更高. 現有監測網資金模式多為單一來源，增大了運營風險，致使持續監測出現間斷的可能性增大，同時單一資金來源也會使監測數據挖掘不充分，多方數據難以整合，數據可利用性低.
4 監測網建設趨勢
4.1 水質監測設備升級
傳統的人工采樣和檢測方法存在一定滯后性. 在線監測的優勢在于可根據預設參數自動采集并傳輸數據，具有高效性和低成本性. Floury等[22]研發了用于在線檢測的IC芯片，能夠實現水體陰陽離子的在線檢測. 用于檢測鉛、鎘、鋅、銅、汞等重金屬的檢測芯片被研發并用3D打印技術制造[23]. 電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)被用于在線水質微量元素的單次多元素分析，單次可進行20～70種微量元素檢測[24].Von-Freyberg等[25]首次進行氘氧同位素的高頻分析的在線應用. 根據美國地下水和溪流信息計劃(GWSIP)的2021年預算(不含其他基金配套費用)，用于國家地下水監測網絡的維護費用為153.4×104美元，占比為19.06%，用于新一代監測系統研發的費用高達554×104美元，占比為68.82%[26]. 新一代在線監測設備是水質監測領域的研發焦點，具備物聯化和智能化特點，能夠使檢測和傳輸更精準[27]. 新設備更自主地監測和運維功能，是推動水質監測技術革新、提升地下水環境監測網價值的基礎.
4.2 監測點物聯互通
物聯網技術可實現各監測點之間通過互聯網傳輸和共享監測數據，避免手動傳輸和維護的繁瑣過程. 通過物聯互通模式，德克薩斯州地下水監測網采用了WiFi、ZigBee和藍牙等技術實現設備間的無線通信. 這種技術能夠集成多種傳感器數據，降低傳輸噪聲和誤差，并提高數據的準確性[28]. 此外，監測點之間的物聯互通還可以將地下水監測與智慧城市的發展有機結合，共享各類行業的數據，為智慧城市的建設提供可靠的數據支撐[29]. 物聯網技術還可以降低不必要的監測點建設和人工數據傳輸，從而降低運維成本[30-32].
4.3 數據分析可視
隨著監測井數量和監測頻次的增加，大數據技術可以通過多維度、深度分析地下水環境數據，更準確地評估地下水環境質量和污染擴散過程. 數據分析和可視化技術已經在監測網數據分析中得到應用. 人工智能技術可以利用數據挖掘和機器學習從大量數據中提取有助于地下水環境監測和管理的信息，實現自動化和快速化的數據分析. 通過分析數據集，人工智能可以預測地下水環境的潛在風險，并計算解決方案. 以數據為中心的機器學習方法可以收集地下水關鍵參數來訓練機器學習模型，并利用訓練好的模型進行地下水質量分析或預測[33]. 人工智能算法如神經網絡(ANN)、模糊推理系統(ANFIS)、遺傳算法(GA)和支持向量機(SVM)等已經成功應用于水質預測模擬和監測網點位優化，并取得了良好的效果[34-38]. 數字孿生作為一種數據可視化技術，可以實時模擬地下水環境的變化，并利用預測模型計算未來的地下水環境狀況. 數字孿生還可以減少一部分實地測繪工作，將監測數據和模擬結果以可視化形式展示，幫助用戶更直觀地理解和做出決策. 德國北萊茵威斯特法倫州利用數字孿生技術監測地下水流動和水化學特征，能夠實時展現地下水環境中的水質變化和潛在風險[39].
4.4 數據信息安全保真
在地下水環境監測網運行中，數據信息面臨篡改、泄漏、丟失等安全問題. 利用區塊鏈去中心化特性可保證監測數據不被篡改或竄改，從而增加數據的安全性和隱私性，也可以記錄數據來源、傳輸和使用過程，確保監測數據的真實性和透明度；智能合約能夠使事先編寫的條款自動執行，避免執行過程受人為因素干擾. 區塊鏈技術還可以授權數據使用權限，被授權者可了解數據被收集、處理和使用的情況，增強數據的可信度和追溯性. Sukrutha等[40]將地下水監測網數據加載到分布式數據存儲(DDS)和區塊鏈(BC)上，并通過Infura網關和智能契約實現了雙哈希過程. 智能合約可控制數據訪問和共享，數據質量和完整性得到了提高，實現數據安全傳輸和妥善管理.
5 建議
5.1 構建全國地下水環境監測網絡體系
整合現有地下水調查井、“雙源”地下水環境監測井，銜接國家地下水監測工程和“十四五”國考點，統籌構建國家級、省級地下水環境監測網絡體系. 美國國家監測網中水質長期監測井受設備損壞和運維成本的影響，數量由4 042降至3 408個，且每年還在減少. 我國國土面積和水文地質復雜程度與美國相近，國家級地下水環境監測網長期監測點數量可借鑒美國，建議初期布設3 000個左右. 國家級監測網主要用于監測大流域的水質狀況和變化趨勢，為區域度水資源開發和生態系統保護提供數據，為國家決策提供支撐. 省級監測網應在“雙源”地下水環境監測網基礎上，形成具備區域特點的地下水環境監測網，能夠具備“雙源”尺度上的水資源保護、污染評價、風險評估和污染預測預警等功能. 同時需完善后期維保體系，合理配置資金和人力資源，確?？沙掷m性監測. 全國地下水環境監測網絡體系，可根據監測網功能需求，細分子網絡，并進行差異化監測和管理.
5.2 推進新型設備研發和平臺迭代優化
加快新一代水質在線監測設備研發：一是制定新一代水質在線監測設備在功能性、準確性、穩定性、時效性等方面的標準；二是集中攻克傳感器研發、芯片設計與制作、抗干擾和數據處理等關鍵技術難題；三是開展多條件外場應用測試，實地考驗新設備的性能和穩定性. 同時搭建國家級地下水環境監測網平臺，實現從系統規劃、硬件配套、系統組裝、軟件開發和調試到平臺運行維護全過程管理，并定期根據應用反饋、政策導向、技術更新進行迭代優化.
5.3 探索新型監測方式
當前地下水監測網全部依賴于監測井或地下水露頭，可針對特定污染源或場地，探索基于地球物理探測、衛星遙感解譯、無人機航測和埋設傳感器等技術的新型監測方法. 電阻率層析成像技術(ERT)對地下水有機物和重金屬污染監測具有一定效果；重力衛星(GRACE)可探測區域地下水動態，也被用于大區域硝酸鹽濃度分析；無人機配合熱紅外成像技術(TIR)可監測地下水向地表水、海洋的排泄強度，進而計算地下水向其他水體輸入污染物的比例；隨著水平定向鉆井(HDD)及管線鋪設技術的提高，可直接在含水層水平埋設線狀分布的傳感器，進行水質監測.
5.4 進行多網融合，開展應用服務
將國家級地下水環境監測網與地表水監測網、大氣污染監測網、土壤監測網等進行多網融合. 地下水監測與地表水監測網絡的融合可以加強對地表水和地下水轉換和污染遷移的認識. 大氣中污染物的遷移、擴散和沉降會對地下水水質及保護產生重要影響，二者網絡融合，便于全面深入地了解地下水污染機理和影響. 借助地下水水質監測網開展生態系統產值研究，開發平臺地下水應用小程序，為公眾、企業提供可視化數據及分析結果. 在監測井建設中，可側重礦泉水水源地、溫泉水源、地熱能開發等，助力企業創收，關注名井、名泉、依賴地下水生態區等地下水相關景區，推動地方經濟發展.
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