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本書為地下水污染風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與修復(fù)治理關(guān)鍵技術(shù)叢書的一個(gè)分冊(cè)，全書以地下水污染監(jiān)測(cè)預(yù)警相關(guān)技術(shù)環(huán)節(jié)為主線，系統(tǒng)介紹了從20世紀(jì)70年代至今國(guó)內(nèi)外主流地下水污染監(jiān)測(cè)技術(shù)方法和裝備、常見(jiàn)水質(zhì)預(yù)警模型構(gòu)建方法、區(qū)塊鏈等新型水質(zhì)預(yù)測(cè)方法，并討論了建立區(qū)域預(yù)警體系的方法，以及在示范區(qū)應(yīng)用情況。該書既涵蓋了地下水污染監(jiān)測(cè)領(lǐng)域水質(zhì)分析方法、數(shù)據(jù)傳輸方式、水質(zhì)預(yù)警模型和預(yù)警體系建立等傳統(tǒng)內(nèi)容，也涵蓋了基于物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈的地下水污染監(jiān)測(cè)可信計(jì)算、地下水污染預(yù)警概率模型等新興技術(shù)方法。

本書理論與實(shí)踐有效結(jié)合，具有較強(qiáng)的技術(shù)應(yīng)用性和針對(duì)性，可供從事地下水污染監(jiān)測(cè)預(yù)警與防控等的工程技術(shù)人員、科研人員和管理人員參考，也可供高等學(xué)校環(huán)境科學(xué)與工程、生態(tài)工程及相關(guān)專業(yè)師生參閱。

十三五國(guó)家重點(diǎn)出版物出版規(guī)劃項(xiàng)目，地下水在線監(jiān)測(cè)、模型應(yīng)用與污染預(yù)警技術(shù)，助力地下水污染綜合防治，行業(yè)專家領(lǐng)銜

地下水是我國(guó)水資源的重要組成部分。在北方地區(qū)尤其是京津冀地區(qū)，地下水更是重要的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活的供水水源。然而隨著我國(guó)工業(yè)化和城鎮(zhèn)化發(fā)展，地下水水質(zhì)狀況不容樂(lè)觀。《國(guó)家十三五規(guī)劃綱要》《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》等國(guó)家戰(zhàn)略均在著力布局保障京津冀地下水安全。近年來(lái)，盡管有南水北調(diào)工程大幅度緩解了京津冀的缺水狀況，但是客水資源的調(diào)入及地面人為活動(dòng)的增強(qiáng)，也造成了潛在污染風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)地下水質(zhì)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，地下水污染防治工作面臨著水質(zhì)型缺水的困境。而地下水易污難治的特性，決定了監(jiān)測(cè)預(yù)警是實(shí)現(xiàn)區(qū)域地下水污染高效防治、開(kāi)展地下水資源科學(xué)管理的基礎(chǔ)工作。

長(zhǎng)期以來(lái)，地下水污染監(jiān)測(cè)預(yù)警著重于研究水質(zhì)模型優(yōu)化和監(jiān)測(cè)井優(yōu)化等細(xì)分領(lǐng)域，缺乏從監(jiān)測(cè)技術(shù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸、閾值構(gòu)建、預(yù)警模型方法到示范應(yīng)用一條龍介紹的專業(yè)書籍。為此，南方科技大學(xué)課題組依托水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)京津冀地下水污染防治關(guān)鍵技術(shù)研究與綜合示范項(xiàng)目（No. 2018ZX07109-002）組織編著此書。

本書以地下水污染監(jiān)測(cè)預(yù)警為主線，系統(tǒng)介紹了從20世紀(jì)70年代至今國(guó)內(nèi)外主流地下水污染監(jiān)測(cè)技術(shù)方法和裝備、常見(jiàn)水質(zhì)預(yù)警模型構(gòu)建方法等監(jiān)測(cè)預(yù)警領(lǐng)域新方法，并討論了區(qū)域預(yù)警體系建立方法以及示范案例應(yīng)用情況。本書在編著方式上采用時(shí)間順序?qū)?guó)內(nèi)外現(xiàn)有主流技術(shù)進(jìn)行了歸納，并按照監(jiān)測(cè)預(yù)警的業(yè)務(wù)邏輯順序排列章節(jié)體例。全書新舊結(jié)合，覆蓋全面，既涵蓋了地下水污染監(jiān)測(cè)領(lǐng)域水質(zhì)分析方法、數(shù)據(jù)傳輸方式、水質(zhì)預(yù)警模型和預(yù)警體系建立等傳統(tǒng)內(nèi)容，也涵蓋了基于物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈的地下水污染監(jiān)測(cè)可信計(jì)算、地下水污染預(yù)警模型等新興技術(shù)方法。同時(shí)，本書也在地下水污染監(jiān)測(cè)預(yù)警領(lǐng)域提出了重金屬和有機(jī)污染物在線監(jiān)測(cè)的概念，并予以落地實(shí)踐。

本書分別由來(lái)自南方科技大學(xué)、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）、成都理工大學(xué)、中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心、北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院（原北京地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局）等長(zhǎng)期從事地下水污染防治的一線技術(shù)工作者共同編著而成。其中第1章、第3章、第4章、第5章由南方科技大學(xué)的胡清、齊永強(qiáng)、林斯杰、汪安寧、呂廣豐、黃燕鵬編著；第2章由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）的劉明柱編著；第6章由成都理工大學(xué)的許模編著；第7章由北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院的楊慶編著。全書后由胡清統(tǒng)稿并定稿。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）的史浙明，成都理工大學(xué)的蒲生彥，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心的史云、趙學(xué)亮、張建偉、王明明等也參與了本書部分內(nèi)容的編著，在此表示感謝。中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院的席北斗、清華大學(xué)的李廣賀等對(duì)本書的策劃組織和編著提出了寶貴意見(jiàn)和建議。另外，本書編著過(guò)程中，南方科技大學(xué)的楊夢(mèng)曦、李俊辰、江宏川等參與了書稿的校對(duì)等工作，在此一并表示感謝。

限于編著者水平和編著時(shí)間，書中不足或疏漏之處在所難免，敬請(qǐng)各位讀者批評(píng)指正。



編著者　

2020年12月

胡清，南方科技大學(xué)/南科大工程技術(shù)創(chuàng)新中心（北京），教授/主任，英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)環(huán)境污染和水文學(xué)專業(yè)博士。現(xiàn)任南方科技大學(xué)教授，南科大工程技術(shù)創(chuàng)新中心（北京）主任，環(huán)丁聯(lián)盟（NPO）院長(zhǎng)。2017年榮獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，2016年榮獲IBM全球杰出學(xué)者獎(jiǎng)，2013年被授予國(guó)務(wù)院政府特殊津貼專家稱號(hào)，2012年獲教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，2011年獲得人保部高層次留學(xué)人才回國(guó)資助人才（全國(guó)十人）。現(xiàn)任或曾擔(dān)任國(guó)家科技部中長(zhǎng)期戰(zhàn)略規(guī)劃特聘專家，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃土專項(xiàng)長(zhǎng)期跟蹤專家，新加坡李光耀水源榮譽(yù)大獎(jiǎng)提名委員會(huì)委員，國(guó)際水領(lǐng)域獎(jiǎng)瑞典斯德哥爾摩水獎(jiǎng)技術(shù)委員會(huì)評(píng)委會(huì)委員， IWA國(guó)際水協(xié)年會(huì)理事、評(píng)委會(huì)主席，環(huán)境保護(hù)部環(huán)境損害鑒定評(píng)估專家委員會(huì)委員，中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)土壤與地下水專業(yè)委員會(huì)委員。在生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域擁有30多年的研究和工作經(jīng)歷，在大數(shù)據(jù)與環(huán)境、城市環(huán)境工程、污染場(chǎng)地綠色可持續(xù)修復(fù)與管理、生態(tài)環(huán)保發(fā)展戰(zhàn)略與政策標(biāo)準(zhǔn)研究、綠色技術(shù)及清潔生產(chǎn)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)及水處理工程等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域積累了深厚的理論知識(shí)和豐富的國(guó)內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。主要研究成果發(fā)表在Nature, Science, Environmental International, Environmental Management等國(guó)際學(xué)術(shù)期刊，擁有二十余項(xiàng)專利成果。主持并參與十余項(xiàng)國(guó)家及省部級(jí)科研課題，包括國(guó)家863計(jì)劃、國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)、固廢資源化重點(diǎn)專項(xiàng)、場(chǎng)地土壤污染成因與治理技術(shù)重點(diǎn)專項(xiàng)、環(huán)境保護(hù)公益項(xiàng)目等；負(fù)責(zé)完成數(shù)十項(xiàng)場(chǎng)地調(diào)查與修復(fù)項(xiàng)目，涉及化工、農(nóng)藥、印染、石油及電鍍等多個(gè)行業(yè)的復(fù)雜場(chǎng)地；具有豐富的國(guó)際合作經(jīng)驗(yàn)，包括作為中方牽頭專家參與科技部中英土壤及地下水修復(fù)科技合作項(xiàng)目 ，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人組織完成多個(gè)世行、亞行項(xiàng)目；協(xié)助國(guó)家發(fā)改委、科技部、環(huán)保部、住建部等部委對(duì)我國(guó)污染場(chǎng)地修復(fù)行業(yè)進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，主持并參與十三五土壤領(lǐng)域技術(shù)路線、國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目污染地塊風(fēng)險(xiǎn)管控與土壤修復(fù)效果評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則及污染地塊土壤和地下水中揮發(fā)性有機(jī)物采樣技術(shù)導(dǎo)則等多項(xiàng)行業(yè)政策、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與技術(shù)指南的編制工作。

第1章 緒論 001

1.1　地下水污染在線監(jiān)測(cè)預(yù)警概述 002

1.2　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 004

1.2.1　地下水污染預(yù)警模型研究進(jìn)展 004

1.2.2　地下水污染預(yù)警閾值體系方法進(jìn)展 006

1.2.3　觀測(cè)-預(yù)警與大數(shù)據(jù)方法 006

1.2.4　大數(shù)據(jù)技術(shù)的不足與挑戰(zhàn) 010

參考文獻(xiàn) 011



第2章 監(jiān)測(cè)井網(wǎng)優(yōu)化 015

2.1　研究現(xiàn)狀 017

2.2　異常值識(shí)別 019

2.3　區(qū)域監(jiān)測(cè)井網(wǎng)采樣頻率優(yōu)化 020

2.3.1　時(shí)間變異函數(shù)法 020

2.3.2　迭代細(xì)化法 022

2.4　區(qū)域監(jiān)測(cè)井網(wǎng)空間冗余優(yōu)化 023

2.4.1　繪制指標(biāo)濃度等值線圖 023

2.4.2　識(shí)別監(jiān)測(cè)井網(wǎng)冗余井 023

2.4.3　新加監(jiān)測(cè)井 025

2.5　污染區(qū)監(jiān)測(cè)井網(wǎng)優(yōu)化 026

2.5.1　趨勢(shì)分析方法 026

2.5.2　采樣優(yōu)化方法 027

2.5.3　優(yōu)化流程總結(jié) 030

參考文獻(xiàn) 030



第3章 地下水污染在線監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) 033

3.1　地下水污染在線監(jiān)測(cè)技術(shù)概述 034

3.2　地下水污染在線監(jiān)測(cè)方法與設(shè)備 034

3.3　分層監(jiān)測(cè) 037

3.4　采樣數(shù)據(jù)可信傳輸 038

3.4.1　數(shù)據(jù)傳輸安全可靠 043

3.4.2　防止數(shù)據(jù)被篡改 044

3.4.3　采樣業(yè)務(wù)流程監(jiān)管 044

參考文獻(xiàn) 046



第4章 水流模型建立 049

4.1　模型規(guī)劃 050

4.1.1　模型用途 050

4.1.2　模擬目標(biāo) 051

4.1.3　時(shí)空尺度問(wèn)題 051

4.1.4　資料收集 052

4.2　水流模型概化 055

4.2.1　模型區(qū)域 056

4.2.2　水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)概化 059

4.2.3　地下水補(bǔ)給、徑流與排泄條件 067

4.2.4　地下水開(kāi)采利用 076

4.2.5　地下水動(dòng)態(tài)特征 077

4.2.6　模型邊界條件及其概化依據(jù) 080

4.2.7　水流模擬參數(shù)概化 093

4.3　水流模型構(gòu)建 103

4.3.1　地下水流概念模型的數(shù)學(xué)表達(dá) 104

4.3.2　模擬界面軟件選擇 107

4.3.3　模型建立步驟 108

4.3.4　邊界條件處理 110

4.3.5　水流模型特征參數(shù)設(shè)置 120

4.4　水流模型校準(zhǔn) 123

4.4.1　校準(zhǔn)目標(biāo) 124

4.4.2　校準(zhǔn)方法 129

4.4.3　校準(zhǔn)結(jié)果評(píng)價(jià) 134

4.4.4　模型檢查與驗(yàn)證 136

參考文獻(xiàn) 149



第5章 溶質(zhì)運(yùn)移模型建立 151

5.1　溶質(zhì)運(yùn)移模型概化 152

5.1.1　工作流程 152

5.1.2　污染源識(shí)別 152

5.1.3　遷移途徑識(shí)別 159

5.1.4　污染物遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程 164

5.1.5　運(yùn)移模型特征參數(shù)資料匯總 173

5.1.6　受體分析 173

5.1.7　預(yù)測(cè)情景概化 174

5.2　溶質(zhì)運(yùn)移模型構(gòu)建 175

5.2.1　溶質(zhì)運(yùn)移概念模型的數(shù)學(xué)表達(dá) 175

5.2.2　基于水流模型的結(jié)構(gòu)更改 179

5.2.3　運(yùn)移模型特征參數(shù)設(shè)置 180

5.2.4　源項(xiàng)設(shè)置 181

5.2.5　溶質(zhì)運(yùn)移模擬期劃定 182

參考文獻(xiàn) 183



第6章 預(yù)警體系建立 185

6.1　地下水污染預(yù)警概述 186

6.2　地下水污染指示性因子篩選方法 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標(biāo)體系構(gòu)建 190

6.2.3　地下水污染指示性因子篩選思路 195

6.2.4　區(qū)域尺度地下水污染指示性因子篩選方法 196

6.2.5　場(chǎng)地尺度地下水污染指示性因子篩選 205

6.3　地下水污染預(yù)警指標(biāo)體系 208

6.3.1　區(qū)域尺度地下水污染預(yù)警指標(biāo)體系 209

6.3.2　場(chǎng)地尺度（重點(diǎn)污染區(qū)）地下水污染預(yù)警指標(biāo)體系 211

6.3.3　多尺度地下水監(jiān)測(cè)預(yù)警通用指標(biāo)體系 211

6.4　多時(shí)空尺度地下水監(jiān)測(cè)因子預(yù)測(cè)模型 213

6.4.1　理論解析模型 213

6.4.2　數(shù)值計(jì)算模型 215

6.4.3　統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型 218

6.5　預(yù)警模型的建立 219

6.5.1　影響因素的計(jì)算 219

6.5.2　區(qū)域尺度地下水污染預(yù)警等級(jí)的劃分 223

6.5.3　場(chǎng)地尺度（重點(diǎn)污染區(qū)）地下水污染預(yù)警等級(jí)的劃分 225

參考文獻(xiàn) 226



第7章 典型區(qū)域地下水污染監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)用案例 227

7.1　地下水污染監(jiān)測(cè)預(yù)警與數(shù)字化平臺(tái)介紹 228

7.1.1　系統(tǒng)概述 228

7.1.2　業(yè)務(wù)化運(yùn)行模塊 229

7.1.3　趨勢(shì)預(yù)警模塊 231

7.1.4　應(yīng)急模擬模塊 234

7.2　地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常值識(shí)別與優(yōu)化指標(biāo)篩選 237

7.3　地下水污染趨勢(shì)預(yù)警與應(yīng)急預(yù)警 244

7.3.1　基于時(shí)間序列的地下水水質(zhì)預(yù)測(cè)模型 244

7.3.2　基于水質(zhì)模型的事故應(yīng)急預(yù)警 250

參考文獻(xiàn) 254



附錄 255

附錄1　常用水文地質(zhì)參數(shù)確定方法的標(biāo)準(zhǔn)及指南 256

附錄2　常用模型參數(shù)選取表 258



索引 261