城镇化集中供水水源地污染风险预警策略

,第1页,城镇化集中供水水源地污染风险策略分析,第2页,主要内容,一、背景介绍二、需求分析三、集中供水水源地认识四、水源地污染风险评估方法五、案例研究,第3页,一、背景介绍,城镇化的必然趋势,坚持走中国特色新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化道路。（中共中央十八大报告）积极稳妥推进城镇化，优化城市化布局和形态，加强城镇化管理，不断提升城镇化的质量和水平。（国民经济和社会发展十二五规划纲要）21世纪，中国的城镇化和以美国为首的新技术革命将成为影响人类的两件大事。（诺贝尔经济学奖获得者斯蒂格利茨）,2020/5/8,第4页,我国城镇化布局与进程,城镇化是现代社会经济发展的必然趋势。从1978年到2011年，我国城镇人口从1.72亿人增加到6.9亿人，城镇化率从18%提升到51%。其中各地区城镇化差异显著，东部沿海地区的城镇化程度较高，而西部地区城镇化水平较低，基本上呈现东、中、西部分布的格局。,2020/5/8,第5页,我国各省份城镇化分布现状,城镇化下的亟需,城镇化带来的问题（1）耕地面积锐减、土地资源开发利用不合理；（2）城市总体规划的调整过快，缺乏综合性的长远规划；（3）人口增速过快，城市污染加剧；（4）水资源短缺严重，集中供水成为制约因素。,2020/5/8,第6页,“两横三纵”城市化战略格局(新华社发),城镇化背景下的我国水资源开发利用,水资源时空分布不均，水资源条件与经济发展不匹配是我国水资源的突出特点。黄、淮、海滦河流域的耕地占全国的36.5%，径流量仅为7.5%：长江及其以南地区耕地占36%，而水资源总量却占81%。水资源利用效率低，浪费严重导致了我国的水资源供需矛盾更加突出。目前我国水资源利用系数仅在0.3左右，水的重复利用率约50%，农业灌溉水利用效率只有0.5左右，大大低于发达国家的0.70.8；单位GDP和工业增加值的用水量也都大大超过欧美发达国家水平。,2020/5/8,第7页,我国水资源及开发利用状况空间分布,城镇化背景下的我国地表水质现状,2020/5/8,第8页,我国水资源及开发利用状况空间分布,根据中国地质环境监测院的资料，我国地下水污染形势日益严峻。全国195座城市的调查结果表明：97%的城市地下水已遭受不同程度的污染，40%的城市地下水污染趋势加重。2005年，全国56座城市206个集中式饮用水源地的有机污染物监测结果显示：水源地受到132种有机污染物的污染，其中有103种属于国内外优先控制的污染物。初步判断我国地下水污染的发展趋势为：由点状、条带状向面上扩散，由浅层向深层渗透，由城市向周边蔓延，地下水污染状况在整体上呈现加重和持续扩散蔓延的形式。,城镇化背景下的地下水水质现状,媒体报道,环境保护部发布2011年中国环境状况公报,官方数据,2020/5/8,第12页,二、需求分析,2020/5/8,第13页,二、需求分析,河道直接取水是我国大部分城镇化的主要取水方式，河流水质退化以及突发污染事件导致河流水质风险加剧，严重威胁了河道取水的安全。如何保证集中供水安全？取水方式是否需要调整？如何调整？傍河取水是否可行？可靠性如何？这些均是我国急需解决的重大科技问题。,习近平（2013）：民生为上、治水为要，让老百姓喝上干净的水。李克强（2013）：将洁净空气干净水安全食品作为发展重要内容。,2012年全国26起水污染事件影响到饮用水水源地中国环境状况公报,2020/5/8,第14页,二、需求分析,水问题量少质差,影响饮水安全,水污染控制及保护,了解现状,寻找原因,开展评价,进行保护,2020/5/8,第15页,国家层面（如何规划和管理）：城镇化集中供水可靠性？适宜性？开展集中供水安全需要哪些政策保障？,流域和地方层面（如何建设和运行）：城镇化集中供水有哪些共性技术急需攻破？如何发挥集中供水的优越性？水质安全如何保障？,让老百姓喝上干净的水，加强民生保障，建设生态文明,二、需求分析,全国城市饮用水水源地环境保护规划（2008-2020年）1）规划总目标到2020年，全面改善集中式饮用水水源环境质量状况。城市饮用水水源环境污染状况得到全面控制，水质得到有效保障；提升水源应急监测及应急供水能力，建立比较完善的饮用水水源环境管理技术及方法体系；满足2020年全面实现小康社会目标对水质安全的需求。2）水质目标近期（20082015年）：水质达标的饮用水水源比例不低于90。远期（20162020年）：水质达标的饮用水水源比例达到并稳定在95以上，基本解决城市集中式饮用水水源水质安全问题。,2020/5/8,第17页,三、集中供水水源地认知,水源地,三、认知,输配水系统,末梢水,2020/5/8,第18页,赋存条件地表水型（河流型、湖泊型、水库型）地下水型供水型式及规模集中式分散式使用阶段在用备用,保护区地表水饮用水源保护区包括一定面积的水域和陆域；地下水饮用水源保护区指地下水饮用水源地周围的地表区域。,2）饮用水水源保护区标识技术要求（HJ/433-2008）中的图形,饮用水水源保护区道路警示牌示意图（一般道路）,饮用水水源保护区道路警示牌示意图（高速公路）,驶离饮用水水源保护区道路告示牌示意图（一般道路）,驶离饮用水水源保护区道路告示牌示意图（高速公路）,三、认知,河流型,湖库型,地下水型,在河流上游，水流顺畅，采用河岸渗透取水傍河取水方式,考虑湖库泥沙淤积及水生生物生长对取水口周围的影响，应采用中层水,富水性强、地表污染源少、包气带防污性好的地带,水源地选址和建设,三、认知,2020/5/8,第21页,傍河取水在净化地表水质，维持供水稳定性方面具有明显的优势。傍河取水适宜性评价技术、规划建设与管理技术、水质安全评价、水质监控及预测预警技术是目前国内外面临的重要关键和难点问题，迫切需要解决。,瑞士：80%法国：50%芬兰：48%匈牙利：40%德国：16%，柏林75%,三、认知,郑州市：黄河傍河水源地（“九五”滩地10万m3/d、北郊16万m3/d），傍河取水对黄河水中的总磷和高锰酸盐指数去除96.1%和93.3%，铵氮去除52.8%,2020/5/8,第22页,四、水源地污染风险评估方法,（1）污染调查及特征污染物识别建立水源地污染源的调查方法和主要污染物辨识方法（2）污染源解析筛选出适宜于饮用水源地污染源解析技术方法（3）污染风险评价建立饮用水源地的污染指标体系及污染评价方法,目标：建立集中供水水源地污染源调查、解析技术，提出水源地污染风险评估方法，制定饮用水源环境管理对策。,四、水源地污染风险评估方法,总技术路线,污染源解析技术体系,孔隙类水源地,评价指标选取,污染源调查方法,特征污染物筛选,污染源解析,裂隙类水源地,岩溶类水源地,单因子指数评价,正定矩阵因子分解,混合多元统计法,地统计法,数值法,四、水源地污染风险评估方法,污染源解析研究技术,水质指标选取与评价,结合生活饮用水水质标准(GB5749-2006)与污染企业排放情况，本次选择了水质标准中规定的常规指标、部分非常规指标和有机氯农药类、有机磷农药类、多环芳烃(PAHs)、多氯联苯、半挥发性有机物-苯胺类和对二氨基联苯类、半挥发性有机物-氯代烃类化合物、半挥发性有机物-硝基苯类、半挥发性有机物-苯酚类等91项指标进行测试。,四、水源地污染风险评估方法,混合多元统计法,方法原理,方法优势：不需要研究地区优先源的监测数据，在缺乏污染源成分谱的情况下仍可解析，并可广泛使用统计软件处理数据。不足之处：需要输入大量数据，而且只能得到各类元素对主因子的相对贡献百分比。,四、水源地污染风险评估方法,应用步骤,解析结果,影响因子空间分布及各影响因子贡献率,指标选取,选择超过类水质的电导率、浊度、溶解氧、总硬度、溶解性总固体、亚硝酸盐、氟化物、细菌总数指标。,聚类分析,对指标进行聚类分析，验证因子分析结果,因子分析,提取水质影响主因子并结合实际条件进行解释。,混合多元统计法应用步骤,四、水源地污染风险评估方法,正定矩阵因子分解法（PMF）,原始矩阵被近似分解为低秩的V=WH形式分解：1）数据不确定性。2）在求解过程中对因子载荷和因子得分均做非负约束。,PMF对污染源和贡献施加了非负限制，并考虑了原始数据的不确定性，对数据偏差进行了校正，使结果具有科学的解释。PMF使用最小二乘方法，得到的污染源不需要转换就可以直接与原始数据矩阵作比较，PMF方法能够同时确定污染源和贡献，而不需要事先知道源成分谱。,四、水源地污染风险评估方法,3、水流模型运行,2、模型概化,1、资料搜集,4、反向水质模拟,5、水质粒子截获带,6、结果分析,数值模拟方法应用步骤,四、水源地污染风险评估方法,四、水源地污染风险评估方法,必须充分考虑了开采过程中的地下水动态变化，使其更加适宜于识别时空变化条件下的地下水型饮用水源地地下水污染风险评价。,水源地污染风险评价方法流程,四、水源地污染风险评估方法,2020/5/8,第34页,五、案例应用研究,水源地所在区域地貌为黄河二级阶地，西北部为黄河，并向东部和东北部延伸，南部为山区，地下水流场大致从西南流向东北，据此本次研究选取研究区西北至黄河、南至汉渠、东至京藏高速，面积82.7km2。,水源地概况,吴忠市地处宁夏回族自治区中部，银川平原南侧，黄河上游下段，引黄灌区的重要地段。年平均降水量193.4毫米，年平均蒸发量2013.7毫米。,金积水源地为吴忠市城市供水水源地，属于典型的中型傍河孔隙类潜水集中开采式水源地。,五、案例应用研究,区域地下水属大厚度单一潜水，含水层由全新统早期的砂卵石、细砂及砾卵石组成，表层覆盖着薄层的粘砂土，典型的河流堆积二元结构。水源地取水层分为上下两段，以中间的相对弱含水层-细沙层为界，上段取水层位埋深约为45-94m，下段约为140-194m。,五、案例应用研究,水源地调查,第一次取样工作以点源、面源和线源为取样路线，采地下水水样16个，企业排放污水6个，以及地表水水样3个，采集了土样8个,第二次调查遵循第一次取样工作思路，重点对南干沟沿程、清二沟和水源地布设采样点，地下水水样16个、地表水水样9个、土壤样品8个,第三次共布设10条采样剖面，其中沿地下水流向布设5条，垂直水流方向布设5调剖面，共采集水样42个，进行现场碱度测试以及室内常规离子的测试,五、案例应用研究,F1,F2,F3,F4,0%20%40%60%80%100%,42.63%,29.23%,22.40%,5.74%,主因子F1：以电导率、总溶解固体（TDS）和总硬度指标为主，推断为蒸发浓缩作用，相对贡献42.63%；主因子F2：包含亚硝酸盐和细菌总数两项指标，推断为动物粪便污染及人类活动的影响相对贡献29.23%；主因子F3：由氟化物和浊度两项指标组成，推断为含氟矿物的溶解和工业污染，相对贡献22.40%；主因子F4：由溶解氧指标组成，推断为自然作用，贡献5.74%。,混合多元统计法应用结果,五、案例应用研究,F3公因子识别污染源分布（工业污染）,F4公因子识别污染源分布（自然作用）,混合多元统计法应用结果,五、案例应用研究,反映地下水水化学类型的11项指标Cl-、SO42-、NO3-、HCO3-、Mg2+、Ca2+、Na+、EC、TDS、T-Hard、NH4-N。,指标选取,1,2,4,3,数据预处理,缺失值处理、正态性检验及正态变换，考虑15%的数据误差计算不确定性。,数据输入与模型运行,通过修改模型迭代次数和分解因子数，对模型残差进行分析，选择误差最小的参数组合进行正定矩阵因子分解。,解析结果,解析得到各主因子及其载荷指标。,正定矩阵因子分解法（PMF）应用,五、案例应用研究,正定矩阵因子分解法（PMF）应用结果（内源识别）,五、案例应用研究,本研究对研究区现状充分调查分析后，以DRASTIC模型为基础，对其指标、评分系统和权重重新进行选取和计算，并应用于研究区区域地下水脆弱性评价。,水源地固有脆弱性评价,五、案例应用研究,各指标分区图,区域地下水脆弱性评价结果,研究区范围内，大部为中等和较低脆弱性，水源地保护区所在区域地下水脆弱性较低。高脆弱性地区（V）主要分布于研究区的西南角，该区域地下水埋深浅，水力传导系数大，该地区是汉渠和秦渠的主要取水口位置，是水源地上游主要的补给区。,五、案例应用研究,本区土地利用类型指土地表面覆盖状况，包括农田、居住地、水域等。不同利用类型的土地上会产生不同的污染物种类及强度，同时土地表面的松散程度不同，污染物进入地下水的难易程度也不同。,污染源危害分级评分,五、案例应用研究,区域地下水污染风险评价,五、案例应用研究,区域污染风险评价结果验证,式中，N表示样本数量；d表示特征污染物排行和污染风险指数排行名次差；表示斯皮尔曼相关系数,五、案例应用研究,开采条件下的水源地污染风险评价,五、案例应用研究,稳定开采条件下的地下水污染风险,稳定开采条件下污染分布,五、案例应用研究,现有保护区划分,现有水源地污染风险,稳定开采条件下水源地污染风险,从评价结果可以看出，水源地开采加剧了地下水污染风险，可依据风险评价结果进行污染预警政策的指定。,五、