环境工程课题申报书

环境工程课题申报书一、封面内容

项目名称：基于多尺度模拟与原位观测的复杂工业污染场地土壤-地下水耦合修复关键技术研究

申请人姓名及联系方式：张明，高级研究员，研究邮箱：zhangming@

所属单位：国家环境保护工业污染场地修复技术中心

申报日期：2023年10月26日

项目类别：应用基础研究

二．项目摘要

本项目聚焦于典型化工园区多相流污染场地的土壤-地下水耦合修复难题，旨在建立多尺度模拟与原位观测相结合的技术体系，突破传统修复技术的局限性。项目以某石化企业污染场地为研究对象，采用多物理场耦合数值模拟方法，结合高精度原位检测技术，系统揭示重金属、挥发性有机物（VOCs）在土-水界面处的迁移转化规律及空间分布特征。研究将重点开发基于多场耦合的污染羽动态模拟平台，集成电化学修复、植物-微生物协同修复等新型修复技术，通过实验验证与数值模拟互证，优化修复工艺参数。预期形成一套包含污染诊断、修复设计、效果评估的全链条技术方案，并开发可视化修复决策支持系统。项目成果将为复杂污染场地的精准修复提供理论依据和技术支撑，推动环境工程领域向精细化、智能化方向发展，同时为《土壤污染防治法》的落地实施提供关键技术储备。

三.项目背景与研究意义

1.研究领域现状、存在问题及研究必要性

当前，全球范围内由工业活动引发的土壤-地下水复合污染问题日益严峻，特别是在化工、冶金、电镀等重污染行业聚集区，长期累积的污染物通过自然淋滤或人为活动释放，形成了规模庞大、成分复杂的污染场域。据国家土壤污染防治公报及多项环境调查数据显示，我国受重金属、石油烃、有机氯等污染物影响的土壤面积超过200万公顷，其中超过60%存在地下水污染叠加现象，对生态环境安全和人体健康构成了严重威胁。土壤与地下水作为相互关联的二元介质系统，其污染具有典型的空间异质性、成分复杂性和迁移转化动态性特征，传统“割裂式”的单一介质修复策略（如仅关注土壤修复或仅关注地下水修复）已难以满足现代环境治理对高效性、经济性和彻底性的要求。

在技术层面，现有土壤-地下水耦合修复技术体系仍存在诸多瓶颈。首先，污染机理认知不足制约了修复方案的科学性。多相流环境下，重金属离子与土壤颗粒的吸附-解吸行为、VOCs在非饱和带的水力弥散与挥发-萃取过程、以及微生物介导的污染物降解反应等复杂相互作用机制尚未完全阐明，导致难以准确预测污染物迁移路径和修复效果。其次，修复技术集成度低限制了修复效率。电化学修复、热脱附、植物修复等单一技术往往面临能耗高、适用性差、修复不彻底等问题，而现有技术耦合方案缺乏系统性的匹配理论与优化方法。再次，原位修复技术的监测技术滞后于修复进程，难以实现动态反馈与精准调控。传统修复效果评价多依赖修复后抽提监测，存在监测周期长、代表性不足、无法实时反映污染带形态变化等缺陷，增加了修复风险和成本。

本领域研究的必要性主要体现在以下几个方面：一是保障国家生态安全的迫切需求。土壤-地下水污染具有长期性和隐蔽性，一旦形成污染羽，往往需要数十年甚至上百年才能自然净化，修复成本极高。随着《土壤污染防治法》《地下水污染防治条例》等法规的深入实施，亟需突破关键技术瓶颈，为污染场地修复提供科学依据和技术支撑。二是推动绿色高质量发展的现实需求。传统修复技术的高能耗、高污染问题与可持续发展理念相悖，开发高效、低碳、智能的修复技术体系是实现“双碳”目标的重要组成部分。三是填补学术研究空白的创新需求。当前多尺度模拟与原位观测技术在土壤-地下水耦合修复领域的交叉应用仍处于起步阶段，缺乏系统性整合和理论升华，亟待通过本项目形成原创性研究成果。

2.项目研究的社会、经济或学术价值

本项目的实施具有显著的社会效益、经济效益和学术价值。

社会价值方面，项目成果将直接服务于土壤污染防治攻坚战，为保障人民群众“舌尖上的安全”和“脚底下的健康”提供技术保障。通过建立土壤-地下水耦合修复技术体系，能够有效降低污染场地的环境风险，改善区域生态环境质量，提升人居环境安全水平。特别是在化工园区等重污染区，项目的实施将有助于修复受损的生态系统功能，促进区域产业结构调整和绿色转型，为生态文明建设提供有力支撑。此外，项目研发的可视化修复决策支持系统，能够提升环境管理部门的监管能力，推动污染场地修复治理的规范化、智能化进程。

经济效益方面，项目成果将具有广阔的推广应用前景。通过优化修复工艺参数，降低修复成本，提高修复效率，能够为污染场地治理企业带来直接的经济效益。例如，电化学修复技术的精细化调控能够显著降低能耗，植物-微生物协同修复技术可以利用低成本的自然力实现污染物的原位降解，这些技术若能实现规模化应用，将大幅降低修复成本，提升市场竞争力。同时，项目成果的推广应用也将带动相关设备制造、环境监测、修复服务等产业的发展，形成新的经济增长点，促进环保产业集群的升级。

学术价值方面，本项目将推动环境工程学科的理论创新和技术进步。在理论层面，通过多尺度模拟与原位观测的结合，能够深化对土壤-地下水耦合系统污染物迁移转化规律的认识，完善多相流污染机理理论，为环境科学领域的交叉研究提供新范式。在技术层面，项目将开发一系列具有自主知识产权的修复技术和监测方法，如基于机器学习的污染羽动态预测模型、高精度原位生物修复监测技术等，提升我国在污染场地修复领域的国际竞争力。此外，项目形成的修复技术数据库和案例集，将为后续相关研究提供宝贵资源，促进环境工程学科的知识积累和技术传承。

四.国内外研究现状

1.国外研究现状

国外对土壤-地下水耦合污染修复的研究起步较早，尤其在欧美发达国家，已形成较为完善的理论体系和技术框架。在基础研究方面，美国环保署（EPA）通过Superfund项目积累了大量污染场地修复数据，建立了如CERCLIS、TCEPIC等污染物数据库，并开发了多介质环境模型（如MT3DMS、PHAST）用于模拟污染物在土壤-地下水中的迁移转化过程。欧洲学术界在自然衰减修复（NAP）技术方面成果显著，英国、德国等针对氯代烃、重金属等污染物的生物降解机制开展了深入研究，开发了基于微生物强化（MEB）和自然衰减（NEB）的原位修复技术。日本在挥发性有机物（VOCs）修复领域处于国际领先地位，其开发的吹脱-吸附、热脱附等技术组合应用较为成熟，并注重低温等离子体等新型高级氧化技术（AOPs）的研究。

技术研发方面，欧美国家在土壤-地下水耦合修复技术集成方面具有丰富经验。美国环保署推荐的修复技术手册（ETG系列）涵盖了物理、化学、生物等多种修复技术，并强调了技术组合的必要性。欧洲国家在植物修复和电动修复技术领域投入较多，如荷兰、比利时等开发了基于植物提取（Phytoremediation）和电动力学修复（Electroremediation）的工业化应用案例。在监测技术方面，国外已广泛应用脉冲场梯度磁共振（PG-MRI）、同位素示踪、微生物燃料电池（MFC）等原位监测手段，实现了对修复进程的实时跟踪。然而，现有研究仍存在若干局限：一是多尺度模拟与原位观测的融合度不足，多数模型仍基于均质化假设，难以准确反映复杂非均质污染场地的时空异质性；二是修复技术的普适性有待提高，现有技术多针对特定污染物或特定场地条件开发，缺乏适用于多种污染类型和复杂地质条件的通用性解决方案；三是修复过程的环境风险评估体系不完善，对二次污染、修复效果持久性等长期影响关注不足。

2.国内研究现状

我国土壤-地下水耦合修复研究起步于21世纪初，经过十余年发展，已在理论研究和技术应用方面取得一定进展。在基础研究层面，国内学者围绕重金属、石油烃、多环芳烃（PAHs）等典型污染物的迁移转化机制开展了系统研究。例如，中国科学院南京土壤研究所、清华大学、中国环境科学研究院等机构建立了多相流污染场地的数值模拟平台，开发了基于地理信息系统（GIS）和人工智能（AI）的污染溯源模型。在修复技术方面，国内已初步形成以原位修复为主、异位修复为辅的技术体系。原位修复技术中，电化学修复、植物修复、生物修复等技术在实验室和试点工程中得到应用，如天津某石化场地采用植物-微生物协同修复技术成功降低了土壤中苯并[a]芘的残留浓度；异位修复技术中，土壤洗脱-吸附技术、固化/稳定化技术等在重金属污染场地修复中取得了一定成效。在监测技术方面，国内开发了基于纳米传感器、光纤传感等技术的原位监测装置，提升了修复过程的可操作性。

尽管取得了一定进展，但国内研究仍存在明显不足：一是理论研究的深度和系统性有待加强，多数研究仍停留在宏观层面，对微观尺度污染物-土壤-微生物相互作用机制的解析不足；二是修复技术的集成优化缺乏系统性，现有技术组合方案多基于经验而非理论指导，难以实现资源的最优配置；三是原位监测技术的精度和实时性有待提升，多数监测手段仍以抽提检测为主，难以满足动态修复的需求；四是修复技术的工程化应用水平不高，实验室研究成果向产业化转化的案例较少，特别是在复杂污染场地修复方面缺乏成熟的技术方案。此外，国内在修复效果长期监测和风险评估方面的研究也相对薄弱，难以有效评估修复的持久性和环境风险。

3.研究空白与挑战

综合国内外研究现状，当前土壤-地下水耦合修复领域仍存在以下研究空白和挑战：

第一，多尺度模拟与原位观测的融合机制不完善。现有数值模型多基于连续介质假设，难以准确模拟非饱和带污染物迁移的复杂过程；原位监测技术多依赖抽提检测，存在监测滞后、代表性不足等问题，无法为模型参数更新提供实时数据支撑。

第二，修复技术的集成优化理论缺乏突破。现有技术组合方案多基于经验而非理论指导，难以实现不同修复技术的协同增效；对于复杂污染场地，缺乏系统性的技术筛选和参数优化方法。

第三，原位修复技术的环境风险控制不足。多数原位修复技术对修复过程中的二次污染、修复效果持久性等长期影响缺乏系统评估；对于修复过程中产生的副产物（如电化学修复产生的金属离子、AOPs产生的自由基等）的迁移转化规律研究不足。

第四，修复技术的工程化应用水平不高。实验室研究成果向产业化转化的案例较少，特别是在复杂污染场地修复方面缺乏成熟的技术方案；修复技术的成本效益分析不完善，难以满足不同污染场地的经济性需求。

针对上述问题，本项目拟通过多尺度模拟与原位观测的结合，构建土壤-地下水耦合修复的理论体系和技术平台，为复杂污染场地的科学修复提供技术支撑。

五.研究目标与内容

1.研究目标

本项目旨在针对复杂工业污染场地土壤-地下水耦合修复中的关键科学问题和技术瓶颈，通过多尺度模拟与原位观测技术的深度融合，系统揭示污染物在土-水界面处的迁移转化规律及空间分布特征，开发基于多场耦合的污染羽动态模拟平台，集成电化学修复、植物-微生物协同修复等新型修复技术，实现修复工艺参数的优化与修复效果的精准评估，最终形成一套包含污染诊断、修复设计、效果评估的全链条技术方案，为复杂污染场地的科学修复提供理论依据和技术支撑。具体研究目标包括：

（1）建立土壤-地下水耦合系统污染物多尺度迁移转化机理模型。揭示重金属、挥发性有机物（VOCs）及其混合污染在多相流环境下的吸附-解吸、水力弥散、挥发-萃取、生物降解等关键过程的相互作用机制，以及不同介质界面处的污染物交换规律。

（2）开发基于多场耦合的污染羽动态模拟平台。集成电化学场、生物场、温度场等多物理场耦合数值模拟方法，构建考虑空间异质性和时间动态性的污染羽迁移转化模拟平台，实现污染羽形态、浓度分布的精准预测。

（3）研制高精度土壤-地下水耦合系统原位监测技术与设备。开发基于纳米传感器、光纤传感、微生物燃料电池等技术的原位监测装置，实现对污染物浓度、土壤理化性质、微生物活性等参数的实时、连续、高精度监测。

（4）优化电化学修复、植物-微生物协同修复等新型修复技术。通过室内实验和现场试验，系统集成优化修复工艺参数，实现污染物的有效去除和修复过程的精准调控。

（5）构建可视化修复决策支持系统。整合多尺度模拟结果、原位监测数据、修复效果评价信息，开发可视化修复决策支持系统，为污染场地的修复方案设计和效果评估提供技术支撑。

2.研究内容

本项目围绕上述研究目标，开展以下五个方面的研究内容：

（1）土壤-地下水耦合系统污染物多尺度迁移转化机理研究

具体研究问题：①重金属（如Cu,Pb,Cd）和挥发性有机物（如TCE,PCE）在土-水界面处的吸附-解吸行为及其影响因素；②非饱和带条件下污染物的水力弥散、挥发-萃取过程的耦合机制；③微生物介导的污染物降解反应动力学及其与理化过程的相互作用；④不同介质（土壤、砂层、含水层）界面处的污染物交换规律。

研究假设：重金属离子在土-水界面处的吸附-解吸行为符合非线性吸附等温线模型，其动力学过程受溶液pH值、离子强度、竞争离子等因素影响；VOCs在非饱和带中的迁移转化受水力弥散、挥发通量和生物降解过程的共同控制，其中挥发通量是影响浅层污染羽迁移的关键因素；微生物介导的污染物降解反应动力学符合一级或二级动力学模型，其速率受微生物活性、营养物质供应等因素影响；不同介质界面处的污染物交换过程存在明显的滞后效应，其交换系数与界面两侧介质的理化性质差异相关。

研究方法：采用批次实验、柱实验、同位素示踪等技术，结合X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等表征手段，研究污染物在土-水界面处的吸附-解吸行为；利用室内风洞实验、土柱实验等，研究非饱和带条件下污染物的水力弥散、挥发-萃取过程；通过微宇宙实验、高通量测序等技术，研究微生物介导的污染物降解反应动力学；利用数值模拟方法，研究不同介质界面处的污染物交换规律。

（2）基于多场耦合的污染羽动态模拟平台开发

具体研究问题：①如何构建考虑空间异质性和时间动态性的污染羽迁移转化模拟平台；②如何集成电化学场、生物场、温度场等多物理场耦合数值模拟方法；③如何利用原位监测数据进行模型参数更新和模型验证。

研究假设：污染羽的迁移转化过程受多种物理、化学、生物过程的耦合控制，其时空分布特征可以用多场耦合数值模型进行有效模拟；电化学场、生物场、温度场等不同物理场之间存在明显的相互作用，可以通过建立耦合模型实现协同模拟；原位监测数据可以提供模型参数更新的有效信息，通过数据同化技术可以提高模型的预测精度。

研究方法：基于有限元法、有限差分法等数值方法，开发考虑空间异质性和时间动态性的污染羽迁移转化模拟平台；集成电化学场、生物场、温度场等多物理场耦合数值模拟方法，建立多场耦合模型；利用粒子追踪技术（如PEST）和卡尔曼滤波等技术，实现原位监测数据的模型参数更新和模型验证。

（3）高精度土壤-地下水耦合系统原位监测技术与设备研制

具体研究问题：①如何研制高精度、实时、连续的污染物浓度监测装置；②如何研制原位监测土壤理化性质、微生物活性的装置；③如何实现原位监测数据的无线传输和远程监控。

研究假设：基于纳米材料、光纤传感、微生物燃料电池等技术的原位监测装置可以实现高精度、实时、连续的污染物浓度监测；原位监测土壤理化性质、微生物活性的装置可以提供修复过程的重要信息；通过无线通信技术和物联网技术，可以实现原位监测数据的无线传输和远程监控。

研究方法：基于纳米材料（如碳纳米管、石墨烯）的电化学传感器，研制高灵敏度、高选择性的污染物浓度监测装置；基于光纤传感技术的分布式监测系统，实现土壤理化性质、微生物活性等的原位监测；通过无线通信技术和物联网技术，实现原位监测数据的无线传输和远程监控。

（4）电化学修复、植物-微生物协同修复等新型修复技术优化

具体研究问题：①如何优化电化学修复的电极材料、电解液浓度、电场强度等工艺参数；②如何筛选高效的植物和微生物，并优化植物-微生物协同修复的种植模式和微生物投加方式；③如何实现电化学修复、植物-微生物协同修复等新型修复技术的集成优化。

研究假设：电化学修复的效率受电极材料、电解液浓度、电场强度等因素的影响，通过优化这些工艺参数可以提高修复效率；植物-微生物协同修复的效率受植物种类、微生物种类、种植模式和微生物投加方式等因素的影响，通过优化这些参数可以提高修复效率；电化学修复、植物-微生物协同修复等新型修复技术可以相互促进，实现协同增效。

研究方法：通过室内批次实验、柱实验等，研究电化学修复的电极材料、电解液浓度、电场强度等工艺参数对修复效率的影响；通过室内盆栽实验、微宇宙实验等，研究植物-微生物协同修复的种植模式和微生物投加方式对修复效率的影响；通过现场试验，实现电化学修复、植物-微生物协同修复等新型修复技术的集成优化。

（5）可视化修复决策支持系统构建

具体研究问题：①如何整合多尺度模拟结果、原位监测数据、修复效果评价信息；②如何开发可视化修复决策支持系统；③如何实现修复方案的设计、效果评估和动态调整。

研究假设：通过整合多尺度模拟结果、原位监测数据、修复效果评价信息，可以构建可视化修复决策支持系统；该系统可以实现修复方案的设计、效果评估和动态调整，为污染场地的修复提供技术支撑。

研究方法：基于地理信息系统（GIS）和人工智能（AI）技术，开发可视化修复决策支持系统；整合多尺度模拟结果、原位监测数据、修复效果评价信息，实现修复方案的设计、效果评估和动态调整。

六.研究方法与技术路线

1.研究方法、实验设计、数据收集与分析方法

本项目将采用多学科交叉的研究方法，结合室内实验、现场试验、数值模拟和数据分析等技术手段，系统开展土壤-地下水耦合修复关键技术研究。具体研究方法、实验设计、数据收集与分析方法如下：

（1）研究方法

①多尺度模拟方法：采用基于有限元法、有限差分法的数值模拟软件（如COMSOLMultiphysics、Fluent等），构建考虑空间异质性和时间动态性的污染羽迁移转化模型。模型将集成电化学场、生物场、温度场等多物理场耦合模块，实现污染物的迁移转化、吸附-解吸、挥发-萃取、生物降解等过程的耦合模拟。

②原位监测技术：开发基于纳米材料、光纤传感、微生物燃料电池等技术的原位监测装置，实现对污染物浓度、土壤理化性质（如pH值、电导率、含水率等）、微生物活性（如微生物数量、酶活性等）的实时、连续、高精度监测。通过无线通信技术和物联网技术，实现原位监测数据的无线传输和远程监控。

③室内实验方法：通过批次实验、柱实验、风洞实验等，研究污染物在土-水界面处的吸附-解吸行为、非饱和带条件下污染物的水力弥散、挥发-萃取过程、微生物介导的污染物降解反应动力学等。实验将采用不同类型的土壤、地下水样品，以及不同浓度的污染物，系统研究污染物迁移转化的影响因素。

④现场试验方法：在典型工业污染场地开展现场试验，验证室内实验结果和数值模拟结果的准确性，并优化电化学修复、植物-微生物协同修复等新型修复技术。现场试验将包括电化学修复试验、植物修复试验、微生物修复试验等，以及修复效果的长期监测。

⑤数据分析方法：采用统计分析、机器学习、数据挖掘等数据分析方法，对多尺度模拟结果、原位监测数据、修复效果评价信息进行整合和分析。通过数据同化技术，实现原位监测数据的模型参数更新和模型验证；通过机器学习算法，构建可视化修复决策支持系统。

（2）实验设计

①土壤-地下水耦合系统污染物多尺度迁移转化机理研究实验设计：

a.吸附-解吸实验：采用不同类型的土壤样品和不同浓度的污染物溶液，进行批次实验和柱实验，研究污染物在土-水界面处的吸附-解吸行为。实验将测定不同时间点的污染物浓度，并通过XPS、FTIR等表征手段，分析污染物在土壤样品中的存在形态。

b.非饱和带条件下污染物迁移转化实验：利用室内风洞实验和土柱实验，研究非饱和带条件下污染物的水力弥散、挥发-萃取过程。实验将设置不同的进气流量、初始污染物浓度和土壤类型，系统研究污染物迁移转化的影响因素。

c.微生物降解实验：通过微宇宙实验和高通量测序技术，研究微生物介导的污染物降解反应动力学。实验将采用不同类型的土壤样品和不同浓度的污染物，研究微生物活性对污染物降解的影响。

②高精度土壤-地下水耦合系统原位监测技术与设备研制实验设计：

a.基于纳米材料的电化学传感器研制：利用碳纳米管、石墨烯等纳米材料，研制高灵敏度、高选择性的污染物浓度监测装置。通过电化学方法，测定不同时间点的污染物浓度。

b.基于光纤传感技术的分布式监测系统研制：利用光纤传感技术，研制原位监测土壤理化性质、微生物活性的装置。通过光纤传感方法，实时监测土壤pH值、电导率、含水率、微生物活性等参数。

③电化学修复、植物-微生物协同修复等新型修复技术优化实验设计：

a.电化学修复试验：在实验室和现场开展电化学修复试验，研究电极材料、电解液浓度、电场强度等工艺参数对修复效率的影响。通过测定不同时间点的污染物浓度，评估电化学修复的效果。

b.植物修复试验：通过室内盆栽实验和现场试验，研究植物修复的效果。实验将采用不同类型的植物和不同污染程度的土壤，系统研究植物修复的影响因素。

c.微生物修复试验：通过室内微宇宙实验和现场试验，研究微生物修复的效果。实验将采用不同类型的微生物和不同污染程度的土壤，系统研究微生物修复的影响因素。

（3）数据收集与分析方法

①数据收集：通过室内实验、现场试验、数值模拟和原位监测，收集污染物浓度、土壤理化性质、微生物活性、电化学场、生物场、温度场等数据。通过无线通信技术和物联网技术，实现数据的实时收集和传输。

②数据分析：采用统计分析、机器学习、数据挖掘等数据分析方法，对收集到的数据进行处理和分析。具体方法包括：

a.统计分析：采用回归分析、方差分析等方法，分析污染物迁移转化的影响因素。

b.机器学习：采用支持向量机、神经网络等机器学习算法，构建可视化修复决策支持系统。

c.数据挖掘：采用聚类分析、关联规则挖掘等方法，发现数据中的隐藏规律。

d.数据同化：采用粒子追踪技术（如PEST）和卡尔曼滤波等技术，实现原位监测数据的模型参数更新和模型验证。

2.技术路线

本项目将按照以下技术路线开展研究工作：

（1）第一阶段：文献调研与方案设计（1-6个月）

①文献调研：系统调研国内外土壤-地下水耦合修复领域的最新研究成果，分析现有技术的优缺点和研究空白。

②方案设计：根据文献调研结果，制定详细的研究方案，包括研究目标、研究内容、研究方法、实验设计、技术路线等。

（2）第二阶段：土壤-地下水耦合系统污染物多尺度迁移转化机理研究（7-18个月）

①开展吸附-解吸实验、非饱和带条件下污染物迁移转化实验、微生物降解实验，研究污染物在土-水界面处的迁移转化规律。

②基于实验结果，建立污染物迁移转化机理模型。

（3）第三阶段：高精度土壤-地下水耦合系统原位监测技术与设备研制（9-24个月）

①研制基于纳米材料、光纤传感等技术的原位监测装置。

②在实验室和现场进行原位监测试验，验证监测装置的性能。

（4）第四阶段：电化学修复、植物-微生物协同修复等新型修复技术优化（19-30个月）

①开展电化学修复试验、植物修复试验、微生物修复试验，优化修复工艺参数。

②集成优化电化学修复、植物-微生物协同修复等新型修复技术。

（5）第五阶段：可视化修复决策支持系统构建与应用（25-36个月）

①基于多尺度模拟结果、原位监测数据、修复效果评价信息，开发可视化修复决策支持系统。

②在典型工业污染场地应用该系统，验证其有效性和实用性。

（6）第六阶段：项目总结与成果推广（37-42个月）

①总结项目研究成果，撰写研究报告和学术论文。

②推广项目成果，为污染场地的修复提供技术支撑。

关键步骤包括：

①文献调研与方案设计；

②土壤-地下水耦合系统污染物多尺度迁移转化机理研究；

③高精度土壤-地下水耦合系统原位监测技术与设备研制；

④电化学修复、植物-微生物协同修复等新型修复技术优化；

⑤可视化修复决策支持系统构建与应用；

⑥项目总结与成果推广。

通过以上技术路线，本项目将系统开展土壤-地下水耦合修复关键技术研究，为复杂污染场地的科学修复提供理论依据和技术支撑。

七．创新点

本项目针对复杂工业污染场地土壤-地下水耦合修复中的关键科学问题和技术瓶颈，提出了一系列创新性研究思路和技术方法，主要包括以下几个方面：

1.理论层面的创新：构建土壤-地下水耦合系统多尺度迁移转化机理模型

传统土壤-地下水污染修复研究多关注单一介质或单一过程的机理，缺乏对土-水界面复杂相互作用和多尺度时空过程的系统性认知。本项目创新性地提出构建考虑空间异质性和时间动态性的土壤-地下水耦合系统多尺度迁移转化机理模型，突破传统均质化假设的局限，实现对污染物在土-水界面处吸附-解吸、水力弥散、挥发-萃取、生物降解等关键过程的精细刻画及其相互作用机制的深入解析。具体创新点包括：

（1）首次系统揭示重金属与VOCs混合污染在土-水界面处的协同/拮抗效应及其多尺度迁移转化规律，为复杂混合污染场地的修复提供理论依据。

（2）创新性地将微生物活性、酶活性等生物过程纳入多尺度迁移转化机理模型，揭示生物过程对污染物迁移转化的调控机制，突破传统物理化学主导的修复机理认知。

（3）发展考虑温度场、电化学场等多物理场耦合影响下的污染物迁移转化动力学模型，为电化学修复等新型修复技术的理论指导提供创新性方法。

2.方法层面的创新：开发基于多场耦合的污染羽动态模拟平台与高精度原位监测技术

现有污染羽模拟平台多基于单一物理场或简化假设，难以准确预测复杂污染场地的污染羽动态变化；原位监测技术多依赖抽提检测，存在监测滞后、代表性不足等问题，无法满足动态修复的需求。本项目在方法层面提出了一系列创新性技术方案：

（1）创新性地集成电化学场、生物场、温度场等多物理场耦合数值模拟方法，构建考虑空间异质性和时间动态性的污染羽动态模拟平台，实现污染羽形态、浓度分布的精准预测，突破传统单一场模拟的局限。

（2）研制基于纳米材料（如碳纳米管、石墨烯）、光纤传感、微生物燃料电池等技术的原位监测装置，实现对污染物浓度、土壤理化性质（pH值、电导率、含水率等）、微生物活性（微生物数量、酶活性等）的实时、连续、高精度监测，解决现有原位监测技术精度低、响应慢的问题。

（3）开发基于无线通信技术和物联网技术的原位监测数据无线传输和远程监控系统，实现修复过程的实时监控和动态反馈，为修复方案的实施提供技术支撑。

3.应用层面的创新：优化电化学修复、植物-微生物协同修复等新型修复技术并构建可视化修复决策支持系统

现有修复技术存在效率低、成本高、适用性差等问题，缺乏系统性的技术筛选和参数优化方法；修复效果评价多依赖抽提检测，难以满足动态修复的需求。本项目在应用层面提出了一系列创新性技术方案：

（1）创新性地优化电化学修复的电极材料、电解液浓度、电场强度等工艺参数，提高修复效率并降低能耗，为电化学修复技术的工程化应用提供技术支撑。

（2）创新性地筛选高效的植物和微生物，并优化植物-微生物协同修复的种植模式和微生物投加方式，提高修复效率并降低修复成本，为植物-微生物协同修复技术的工程化应用提供技术支撑。

（3）创新性地集成优化电化学修复、植物-微生物协同修复等新型修复技术，实现修复过程的协同增效，为复杂污染场地的修复提供技术解决方案。

（4）开发基于地理信息系统（GIS）和人工智能（AI）技术的可视化修复决策支持系统，整合多尺度模拟结果、原位监测数据、修复效果评价信息，实现修复方案的设计、效果评估和动态调整，为污染场地的修复提供智能化技术支撑。

4.跨学科融合的创新：多学科交叉融合推动环境工程领域的技术进步

本项目创新性地将环境科学、环境工程、材料科学、计算机科学等多学科交叉融合，推动环境工程领域的技术进步。具体创新点包括：

（1）将纳米材料、光纤传感、微生物燃料电池等前沿技术应用于土壤-地下水耦合修复领域，推动环境监测和修复技术的创新发展。

（2）将机器学习、人工智能等先进信息技术应用于污染羽模拟和修复效果评价，推动环境工程领域的智能化发展。

（3）将理论模拟、室内实验、现场试验相结合，实现多学科交叉融合，推动环境工程领域的技术进步。

综上所述，本项目在理论、方法、应用和跨学科融合等方面均具有显著的创新性，有望为复杂工业污染场地土壤-地下水耦合修复提供一套系统性的技术解决方案，推动环境工程领域的技术进步，具有重要的学术价值和社会意义。

八．预期成果

本项目旨在通过系统研究复杂工业污染场地土壤-地下水耦合修复的关键科学问题和技术瓶颈，预期在理论认知、技术创新、人才培养和成果转化等方面取得一系列高水平成果，具体包括：

1.理论贡献方面

（1）建立一套系统完整的土壤-地下水耦合系统污染物多尺度迁移转化机理理论体系。预期揭示重金属、挥发性有机物（VOCs）及其混合污染在土-水界面处的吸附-解吸、水力弥散、挥发-萃取、生物降解等关键过程的相互作用机制，以及不同介质界面处的污染物交换规律，为复杂污染场地的修复提供科学的理论指导。

（2）发展一套考虑空间异质性和时间动态性的污染羽动态模拟理论方法。预期突破传统单一场模拟的局限，建立电化学场、生物场、温度场等多物理场耦合的污染羽迁移转化模拟理论框架，为污染羽的精准预测和修复方案的设计提供理论依据。

（3）形成一套土壤-地下水耦合修复效果评价理论方法。预期提出基于多尺度模拟结果、原位监测数据、修复效果评价信息的综合评价体系，为修复效果的客观评价和修复方案的优化提供理论支撑。

2.技术创新方面

（1）开发一套高精度土壤-地下水耦合系统原位监测技术与设备。预期研制出基于纳米材料、光纤传感、微生物燃料电池等技术的原位监测装置，实现对污染物浓度、土壤理化性质、微生物活性等参数的实时、连续、高精度监测，为修复过程的动态监控提供技术保障。

（2）优化一套电化学修复、植物-微生物协同修复等新型修复技术。预期通过室内实验和现场试验，优化电化学修复的电极材料、电解液浓度、电场强度等工艺参数，筛选高效的植物和微生物，并优化植物-微生物协同修复的种植模式和微生物投加方式，提高修复效率并降低修复成本。

（3）构建一套可视化修复决策支持系统。预期开发基于地理信息系统（GIS）和人工智能（AI）技术的可视化修复决策支持系统，整合多尺度模拟结果、原位监测数据、修复效果评价信息，实现修复方案的设计、效果评估和动态调整，为污染场地的修复提供智能化技术支撑。

3.实践应用价值方面

（1）为复杂工业污染场地土壤-地下水耦合修复提供一套系统性的技术解决方案。预期形成的理论成果和技术方案将为复杂污染场地的修复提供科学指导和技术支撑，推动污染场地修复治理的规范化、智能化进程。

（2）降低污染场地修复成本，提高修复效率。预期优化的修复技术将降低修复成本，提高修复效率，为污染场地的修复提供经济可行的技术方案。

（3）提升环境管理部门的监管能力。预期开发的可视化修复决策支持系统将提升环境管理部门的监管能力，推动污染场地修复治理的智能化进程。

（4）促进环保产业集群的升级。预期形成的修复技术将带动相关设备制造、环境监测、修复服务等产业的发展，形成新的经济增长点，促进环保产业集群的升级。

4.人才培养方面

（1）培养一批具有国际视野和创新能力的环境工程领域高级人才。预期通过本项目的实施，培养一批具有国际视野和创新能力的环境工程领域高级人才，为我国环境工程领域的发展提供人才支撑。

（2）提升研究团队的整体科研水平。预期通过本项目的实施，提升研究团队的整体科研水平，使研究团队成为国内领先、国际一流的环境工程研究团队。

5.成果转化方面

（1）发表高水平学术论文。预期发表高水平学术论文30篇以上，其中SCI收录论文20篇以上，形成一批具有国际影响力的研究成果。

（2）申请发明专利。预期申请发明专利10项以上，形成一批具有自主知识产权的专利成果。

（3）推动成果转化应用。预期与相关企业合作，推动成果转化应用，为污染场地的修复提供技术支撑。

综上所述，本项目预期在理论认知、技术创新、人才培养和成果转化等方面取得一系列高水平成果，为复杂工业污染场地土壤-地下水耦合修复提供一套系统性的技术解决方案，推动环境工程领域的技术进步，具有重要的学术价值和社会意义。

九.项目实施计划

1.项目时间规划

本项目总研究周期为42个月，分为六个阶段，具体时间规划及任务分配如下：

（1）第一阶段：文献调研与方案设计（1-6个月）

任务分配：

①文献调研：项目团队对国内外土壤-地下水耦合修复领域的最新研究成果进行系统调研，梳理现有技术的优缺点和研究空白，形成文献综述报告。

②方案设计：根据文献调研结果，制定详细的研究方案，包括研究目标、研究内容、研究方法、实验设计、技术路线、预期成果等，并完成项目申报书的撰写。

进度安排：

①第1-2个月：完成文献调研，形成文献综述报告。

②第3-4个月：制定详细的研究方案，完成项目申报书的撰写。

③第5-6个月：项目申报书的修改和完善，完成项目立项。

（2）第二阶段：土壤-地下水耦合系统污染物多尺度迁移转化机理研究（7-18个月）

任务分配：

①吸附-解吸实验：开展不同类型土壤样品和不同浓度污染物溶液的批次实验和柱实验，研究污染物在土-水界面处的吸附-解吸行为。

②非饱和带条件下污染物迁移转化实验：利用室内风洞实验和土柱实验，研究非饱和带条件下污染物的水力弥散、挥发-萃取过程。

③微生物降解实验：通过微宇宙实验和高通量测序技术，研究微生物介导的污染物降解反应动力学。

④建立污染物迁移转化机理模型：基于实验结果，建立污染物迁移转化机理模型。

进度安排：

①第7-9个月：完成吸附-解吸实验，并进行分析。

②第10-12个月：完成非饱和带条件下污染物迁移转化实验，并进行分析。

③第13-15个月：完成微生物降解实验，并进行分析。

④第16-18个月：建立污染物迁移转化机理模型，并完成相关论文的撰写。

（3）第三阶段：高精度土壤-地下水耦合系统原位监测技术与设备研制（9-24个月）

任务分配：

①基于纳米材料的电化学传感器研制：利用碳纳米管、石墨烯等纳米材料，研制高灵敏度、高选择性的污染物浓度监测装置。

②基于光纤传感技术的分布式监测系统研制：利用光纤传感技术，研制原位监测土壤理化性质、微生物活性的装置。

③原位监测试验：在实验室和现场进行原位监测试验，验证监测装置的性能。

进度安排：

①第9-12个月：完成基于纳米材料的电化学传感器研制，并进行分析。

②第13-16个月：完成基于光纤传感技术的分布式监测系统研制，并进行分析。

③第17-20个月：在实验室进行原位监测试验，并进行分析。

④第21-24个月：在现场进行原位监测试验，并进行分析，完成相关论文的撰写。

（4）第四阶段：电化学修复、植物-微生物协同修复等新型修复技术优化（19-30个月）

任务分配：

①电化学修复试验：在实验室和现场开展电化学修复试验，研究电极材料、电解液浓度、电场强度等工艺参数对修复效率的影响。

②植物修复试验：通过室内盆栽实验和现场试验，研究植物修复的效果。

③微生物修复试验：通过室内微宇宙实验和现场试验，研究微生物修复的效果。

④集成优化电化学修复、植物-微生物协同修复等新型修复技术。

进度安排：

①第19-22个月：完成电化学修复试验，并进行分析。

②第23-26个月：完成植物修复试验，并进行分析。

③第27-30个月：完成微生物修复试验，并进行分析，集成优化电化学修复、植物-微生物协同修复等新型修复技术，完成相关论文的撰写。

（5）第五阶段：可视化修复决策支持系统构建与应用（25-36个月）

任务分配：

①开发可视化修复决策支持系统：基于多尺度模拟结果、原位监测数据、修复效果评价信息，开发可视化修复决策支持系统。

②应用该系统：在典型工业污染场地应用该系统，验证其有效性和实用性。

进度安排：

①第25-28个月：开发可视化修复决策支持系统。

②第29-32个月：在典型工业污染场地应用该系统，并进行测试和优化。

③第33-36个月：完成系统完善和应用推广，完成相关论文的撰写。

（6）第六阶段：项目总结与成果推广（37-42个月）

任务分配：

①总结项目研究成果：整理项目研究成果，撰写研究报告和学术论文。

②成果推广：推广项目成果，为污染场地的修复提供技术支撑。

进度安排：

①第37-39个月：总结项目研究成果，撰写研究报告和学术论文。

②第40-42个月：推广项目成果，并完成项目结题。

2.风险管理策略

本项目在实施过程中可能面临以下风险：

（1）技术风险：土壤-地下水耦合系统复杂性强，污染物迁移转化机制难以准确把握，原位监测技术精度和稳定性可能达不到预期要求。

策略：

①加强技术预研：在项目启动前，开展关键技术预研，降低技术风险。

②多学科交叉合作：组建跨学科研究团队，发挥多学科优势，共同解决技术难题。

③采用多种技术手段：采用多种实验方法和监测技术，相互验证，提高结果的可靠性。

（2）管理风险：项目周期长，涉及多个研究阶段和多个研究团队，管理难度大。

策略：

①建立完善的项目管理制度：制定详细的项目管理计划，明确各阶段任务、进度安排、责任分工等。

②定期召开项目会议：定期召开项目例会，及时沟通项目进展，协调解决项目实施过程中遇到的问题。

③引入信息化管理手段：采用项目管理软件，实现项目进度、任务、资源的数字化管理。

（3）资金风险：项目实施过程中可能面临资金不足的风险。

策略：

①积极争取项目资金：积极争取政府、企业等资金支持，确保项目资金充足。

②合理控制项目成本：加强项目成本管理，合理控制项目支出。

（4）外部环境风险：政策变化、市场需求变化等外部环境风险可能影响项目的实施。

策略：

①密切关注政策变化：密切关注相关政策变化，及时调整项目研究方向和实施方案。

②加强市场调研：加强市场调研，了解市场需求变化，及时调整项目成果的推广应用方向。

通过以上风险管理策略，本项目将有效识别、评估和控制项目实施过程中可能面临的风险，确保项目顺利实施，并取得预期成果。

十.项目团队

1.项目团队成员的专业背景、研究经验等

本项目团队由来自环境科学、环境工程、土壤学、地下水科学与工程、环境监测、计算机科学等领域的12名资深研究人员组成，其中教授3名、副教授5名、高级工程师4名，均具有博士学位，平均研究经验超过15年。团队负责人张明教授长期从事土壤-地下水耦合修复研究，在污染迁移转化机理、原位修复技术、修复效果评价等方面取得系列创新性成果，主持完成国家重点研发计划项目3项，发表SCI论文30余篇，授权发明专利10项。核心成员李强博士在电化学修复领域具有丰富的研究经验，开发了基于多场耦合的电化学修复模拟系统，相关成果发表于Nature子刊。王丽研究员在土壤-地下水污染原位监测技术方面具有突出贡献，研制了基于纳米材料的传感器，实现了多污染物的高精度实时监测。团队成员还包括在植物修复、微生物修复、数值模拟、数据处理等方向具有专长的专家，均具有相关领域的科研项目经验和技术积累。团队曾参