科技让北京城“喝上”干净水

你知道吗?北京市的供水有60%以上是来自于地下水，也就是说，北京市居民喝的每三杯水中，就有两杯取自地下。

作为一座以地下水为主要供水水源的特大型城市，北京的地下水资源保护和开发，关系着首都社会、经济的可持续发展，与每一位老百姓的生活息息相关。

然而，地下水看不见、摸不着，可谓“深藏不露”。尤其是地下水污染与地表水污染有着明显不同，具有长期性、复杂性、隐蔽性和难治理等特点。为此，在北京市科委、市发改委、市财政局的支持下，市水务局组织，北京市水利规划设计研究院主持承担了“北京市地下水资源安全及污染防控修复技术研究与应用”项目，联合清华大学、市水文总站、市水文地质工程地质大队等20多家科研院所300余人开展攻关研究，历经十载，取得了多项创新性成果。

据了解，该项目创建了水文地质系统结构理论，指导建设了平谷、张坊等4个应急地下水水源地，确保了特殊干旱期首都供水安全。在国内率先建立了地下水管理信息系统，提出了“生态清洁小流域”水源保护新模式。同时，项目还研发了地下水资源安全评价方法和多项水土污染修复新技术，推动了该学科领域的技术进步。该项目荣获2014年北京市科学技术奖一等奖。

地下水是北京供水安全的根本依靠

玉泉山、海淀、积水潭、陶然湖、前海、后海……一个个与水相关的地名背后，告诉我们北京也曾是水源丰沛、河湖密布的“江南水乡”。

但如今，北京已经是座干渴的城市。统计资料显示，近年来北京的人均水资源占有量仅100立方米，仅为全国人均值的八分之一，世界人均值的三十分之一，远远低于国际公认的人均1000立方米这一缺水下限。

“北京的人均水资源量，甚至不如沙漠地区的以色列。”课题技术负责人、北京市水利规划设计研究院党委书记刘培斌告诉记者。

1999年以来，北京遭遇连续13年的干旱，地表水来水量锐减，密云水库蓄水量在2002年降至15亿立方米的警戒线以下，2004年一度降至6.5亿立方米，供水安全面临前所未有的挑战。

现实让北京只能立足自身，深度挖潜。刘培斌告诉记者，在北京近年来年均用水36亿立方米中，地下水供水份额一度占到供水总量的75%以上。即使在南水北调中线工程正式通水后，单靠每年10亿立方米的外调水，仍难以彻底解决北京水资源紧缺状况。

“今后地下水仍将是北京的主要供水水源，供水份额仍将占供水总量的一半”，刘培斌说。

“看看北京的这口锅里到底还有多少水”

随着地下水开采量的增大，带来了一系列的问题。自上世纪九十年代以来，地下水超采、水质污染威胁着首都的水安全。

监测显示，上个世纪60年代，平原区浅层地下水埋深一般不超过5米，近十年地下水位年均降幅达到1.1米。截至2014年1月底，平原区地下水位平均埋深达到24.5米，局部地区浅层含水层已疏干。

与地下水位下降相对应的是地下水储存量的不断减少。2014年与1998年、1960年同期相比，地下水储存量分别减少了65亿立方米、100亿立方米。

“由于持续超采，地下水源地出水能力下降，形成了五个地下水降落漏斗，安全开发亟待评价。”北京市水利规划设计研究院规划所副所长贺国平说。

“地下水是北京水资源的重要组成部分，是首都供水安全的基石。”刘培斌说。2004年底，时任北京市市长王岐山指示，要迅速摸清北京地下水的“家底”，“看看北京的这口锅里还有多少水”?

为此，项目组开展了立体式普查，为了研究地下水变化规律，科研人员行车10余万公里，取样数千个，甚至在隆冬季节，还冒雪赴郊野深山现场勘探。

科研人员系统研发了地下水评价和模拟技术，用于北京地下水安全开采量评价、水源地保护区划分、地下水开采控制总量与承载能力评价，丰富了地下水资源评价技术体系。依据上述研究方法，查清了地下水储量及其分布，为地下水的开发和利用提供了科学支撑。

更为重要的是，项目组创建了水文地质结构系统理论，并利用该理论指导建设了怀柔、平谷、张坊、昌平等4个应急地下水水源地，自2003年开始至今，累计增加供水约30亿方，每年解决300万人生活用水。以南水北调中线从河北省调水水价核算，相当于节省调水费用81.6亿元。著名水文地质学家陈梦熊院士对此评价：该理论推动了中国地下水系统理论研究的进展。

此外，项目组研发了MODFLOW并行版软件，通过美国地调局测试，发展了TOUGH2-EOS3的力学耦合模块并通过美国能源部测试，这些软件在国内外得到广泛应用，提升了地下水模拟评价水平。基于地下水资源安全评价成果，提出了水源地的续采与涵养方案，及南水北调来水后城区地下水水厂的可持续利用方案。相关论文发表在Environment Science Technology等国际知名期刊上，影响因子高达5.6。

摸清地下水的污染规律

北京的地下水污染情况如何?污染源在哪?分布在哪些地区?“以前都是两眼一抹黑。”贺国平说。

项目组在国内率先开展全市地下水污染调查，应用单体同位素有机污染源辨识技术、双同位素硝酸盐源定量辨识技术、地下水多因素污染源综合辨识技术，探明了地下水污染的时空分布规律及与地下水水质的响应关系，建立了污染源数据库，编制了《北京市地下水资源普查及水环境评价图集》，成果受到北京市委市政府高度重视。

依据项目成果，市水务局实施了农村安全饮水工程，保障了分布在“四高”(高氨氮、高硝酸盐、高氟、高砷)水地区30万农村人口的饮用水达标。

在北京大约有4千多眼废弃机井，大多开凿于上世纪六七十年代，井深从几十米到百余米不等，解决了当地的农业灌溉和农民饮水问题。近年来，由于地下水位下降等原因，这些井出水量衰减严重，有的井已经干涸，逐渐被废弃。贺国平告诉记者，一旦污水、垃圾进入机井，就会污染地下水。

为此，项目组提出废弃机井的封填和自备井水质改善工程方案，保障了地下水源安全。依据项目成果，制定的《北京市地下水保护和污染防控行动方案》，2013年经北京市政府批准发布实施。

迎难而上 治理污染

“地下水作为可再生资源，其更新频率和自净过程非常缓慢，一旦被污染，所造成的环境与生态破坏，往往长时间难以逆转。”刘培斌告诉记者。

有研究机构公布数据显示，一根普通灯管如果碎裂被埋入土中，其汞含量仅能沾满一根圆珠笔笔头，却可以污染1800吨地下水。

“在技术上，想要完全净化已被污染的地下水极其困难。治理过程也极其漫长，治理成本也相当高昂。”刘培斌说。

项目组迎难而上，于2009年在北天堂垃圾填埋场开展了生态修复工程示范研究。在垃圾场修复工程的施工、运行、监测中，研究人员克服沼气、重度污染等危害开展了3年的试验，研发了多项污染修复技术，并建立了示范工程。据监测，北天堂非正规垃圾填埋场区域地下水监测点“三氮”浓度显著降低，试验区域地下水水质得到明显改善。项目还实施了多因素影响下地下水氮污染修复、典型地区地下水有机污染等多处示范工程，均取得良好的效果。

项目组研发了土壤石油烃污染场地的监测、试验、模拟与评价成套技术方法，提升了我国石油烃污染研究与修复的技术水平。研发了受污染地下水深度净化组合脱氮系统及工艺方法、再生水抗生素去除技术、污染土壤深层搅拌—热空气注入的原位修复系统及方法等近20项国家发明专利，为北京市地下水污染防控与修复提供了重要的技术支撑。项目组还在全国其他地区承揽了10项水土污染修复工程，合同额13.5亿元，有力推动了我国地下水污染防控与修复领域的技术进步和产业发展。

创建水源保护新模式

作为首都的生态屏障，山区小流域承担着涵养水源、保护美丽家园的责任，更担负着保障2000余万居民清洁生活用水的重任。

为此，项目组创立了“生态清洁小流域”水源保护新模式，提出了构筑“生态修复、生态治理、生态保护”三道防线，坚持污水、垃圾、厕所、河道、环境同步治理，建设生态清洁小流域的思路，并编制了全国第一部《生态清洁小流域技术规范》。生态清洁小流域建设于2010年写入中央一号文件，在全国推广。

在水源保护区，北京市坚持溯源治污，源头护水，建设生态防护坝、河岸库滨植被过滤带，改造排洪渠，恢复湿地，有效拦截了随径流、泥沙进入水体的各种面源污染，涵养水源、净化水质，保护了饮用水源。

据了解，北京目前已建成生态清洁小流域285条。“实施生态清洁小流域建设，使水源区基础设施和人居环境得到明显改善，既减少了面源污染对地表水的影响，也有效保护了地下水资源。”刘培斌说。

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