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  北京开启生态管护新时代——聚焦“973”项目《首都北京及周边地区水、土环境污染机理与调控原理》
   
             作者:周飞飞,刘善轩      文章来源:国土资源网      点击数:18662      更新时间:2010-12-23
   
 

空气中的铅、污水里的砷、烟草中来自土壤的重金属,一个个与污染相关的报道总是最能牵动公众的神经。就在这个环境污染社会关注度日益飙升的时期,一个旨在既摸清首都环境污染现状,又要认知环境、保护环境、修复环境的国家科研项目进入人们的视野——《首都北京及周边地区水、土环境污染机理与调控原理》获得2010年度国土资源科学技术奖一等奖。

北京目前的环境状况如何?人们很难不去关注这个问题。

活性磷是水库富营养化的主要元凶。运用微生物吸收活性磷并阻断活性磷循环、降低水中活性磷浓度的技术方法,为治理湖泊富营养化污染提供了一个有效的新途径。

首次获取了北京大气、土壤、地表水、地下水的环境污染综合数据,部分成果已被北京市政府和有关部门采纳,为北京的碧水蓝天工程作出了贡献。


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绿色奥运背景下,北京地区环境呼唤全面体检

 科技部为什么设立这样内容的国家973’项目,难道北京的环境污染问题已经十分突出,其治理如箭在弦了吗?见到项目首席科学家黄怀曾,记者迫不及待地抛出了疑问。
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这个项目的实施时间是2000年到2005年,设立的背景是北京正在全力申办2008年奥运会。众所周知,为了成功举办奥运会这一世界盛会,我国不仅下大力气完善北京的基础设施、改善城市风貌,而且对北京的环境提出了更高的要求。我们这个项目就是围绕绿色奥运、科技奥运、人文奥运做的一项基础性科学研究工作。黄怀曾的回答,让记者松了口气。
   
黄怀曾,国家地质试验测试中心研究员,长期从事地球化学、区域地质、构造地质等方面的研究工作。对于多年前主持的这项国家重点基础研究发展规划项目,他的记忆和描述都格外清晰。
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其实,这个项目不仅包括水、土,还包括大气,是由国家地质试验测试中心和中国气象科学研究院等多家单位共同承担的。整个项目分11个子课题,分别对北京城区主要大气污染,官厅水库、密云水库的磷污染造成的富营养化,地下水的有机污染现状及来源,土壤的有机和重金属污染等情况及原理进行了调查和研究,并针对环境的防护综合治理和修复提出了一系列建议。黄怀曾认为,这一项目最可贵的地方是,首次集中了环境科学各个领域的学者,将大气、土壤、地表水、地下水作为一个整体系统来综合研究,改变了过去各个学科研究脱节的情况,这种相互的联系和融合,其实是还了环境研究一个应有的面貌
   
那么,研究的结果是什么?北京的环境状况到底怎样?为什么一个五年前完成的科研项目在今天仍然获得了学术界的关注,摘取了“2010年度国土资源科学技术奖一等奖的闪亮桂冠?
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通过这个项目,对北京及其周边地区的自然环境系统做了一次大扫描,首次获取了北京土壤不同深度、不同功能区地下水以及官厅、密云水库水体中重金属、有毒污染物类型及其组分的异常空间分布特征。需要说明的是,只要有人类活动存在,环境污染是不可避免的,尤其是经济快速增长期。重点并不在于有没有污染,而是找到污染源,明确污染物质的迁移途径、在生态系统中是如何演化的,污染物积累和衰减的过程与趋势,以及可以通过什么方法进行环境修复等等,这样,我们调控、改善环境就可以做到有的放矢,摒弃盲目和无序。
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我们首次以水气环境污染综合观测为基础,在北京近郊区开展了大面积、多介质样品采集、钻探试验和应用基础研究,建立了北京近郊区水、土、气环境污染综合数据库及各类城市地球化学环境污染评估、预警平台。如今,项目的部分成果已被北京市政府和有关部门采纳,为北京2008年奥运会期间的碧水蓝天工程作出了贡献,更重要的是,项目提出及应用的一些新理论、新方法、新模型、新思路,已被同类及相关科研领域广泛应用,成为当前的常规武器。这也是这一项目多方面价值体现。黄怀曾的语气中透出几分自豪。

官厅、密云水库活性磷研究,激活湖泊富营养化治理新思路

水,生命之源。
   
尽管北京缺水早已众所周知,但黄怀曾提供的数据还是重重地敲在了记者心上:北京的人均水资源占有量不足300立方米,只有全国人均水资源占有量的1/7、世界人均水资源占有量的1/30,远远低于国际公认的人均1000立方米的下限。然而,水资源珍贵如此的北京,水环境、水质量却并不乐观。
   
展开北京地图,城区西北、东北那两片遥遥相对的蓝色格外引人注目——它们就是承担了北京地表水供水重任的官厅水库和密云水库。
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早在1997年,由于上游污染严重,水质不符合国家饮用水源标准,官厅水库就被迫退出了首都饮用水源系统。之后,密云水库成为北京城市供水的主力军,但问题是,密云水库的水环境也在不断恶化。为了掌握这两大水库的污染情况,为《21世纪初期首都水资源可持续利用规划》中提出的稳定密云、改善官厅等措施提供实施依据,我们在《首都北京及周边地区水、土环境污染机理与调控原理》项目中安排了两个与此有关的子课题。黄怀曾介绍说。
   
在国家地质试验测试中心,记者找到了其中一个子课题《密云水库及上游水环境污染形成、输送机理及其环境效应》课题的主要负责人刘晓端研究员。她告诉记者,其科研团队通过5年的监测和研究,不仅查明了影响密云水库水质的污染源、污染的种类和构成,而且从沉积物中元素的赋存形态研究了污染物的来源和环境因子对污染物迁移转化的影响,同时,首次利用三维数学模型研究库区水体的营养物质和污染物的分布以及不同地域、不同时间、不同来源的排放量和有效释放量,为掌握水库水质的现状和预报、预警提供了技术支撑。
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大量观测研究得出了许多具有重要价值的结论,比如:密云水库上游流域水土流失及营养元素和重金属流失总量受上游来水量的影响极大,主要集中在汛期,由暴雨引起的短时重度水土流失较为严重;畜禽养殖和生活污水的任意排放是造成密云水库上游污染的主要原因;水库上游重金属流失分布与上游小型工矿企业分布密切相关,工厂排污对周边土壤造成污染,通过降雨径流影响水库水质已经成为不可忽视的环境问题等等。20073月,北京市委研究室根据我们的研究成果向北京市政府提出了密云水库水、土、气环境污染综合监测、调控决策建议,并很快便获得北京市政府的高度重视。说着,刘晓端拿出了一份北京市委内部的《决策参考》,时任北京市长的王岐山,副市长吉林、牛有成等三位领导高度关注密云水库水质变化,研究措施加大保护和改善水质力度的批示赫然在目。
   
在科学家针对密云水库和官厅水库污染状况的研究中,水体的富营养化都是一个相当突出的关键词,而这恰恰是目前我国许多湖泊、水库的通病。
   
至今,项目首席科学家黄怀曾仍然对湖泊富营养化这一课题极为关注,他一再强调:富营养化已使我国大陆的许多湖泊、水库的水质恶化,其中相当一部分已丧失或正在丧失其作为生活水源和生产水源的功能,这对于中国这样一个水资源匮乏的人口大国无疑是雪上加霜。
   
黄怀曾告诉记者,水体富营养化现象主要由氮和磷引起。大量分析数据表明,官厅水库水体属典型的磷控型富营养化水体。而引起富营养化的元凶——哺育着藻类生物的磷,并非来自上游水土流失中大量稳定态的磷,上世纪70~90年代中期,主要是工业污染,而现今主要来自于看似微乎其微的城市污水中微量的活性磷。
   
长期以来,人们没有找到有效的治理水体富营养化的方法,出现了投资巨大效果不佳的实例,问题的关键就在于没有搞清楚污染源究竟是什么?其实,抓住能被生物利用的活性磷并使其浓度降到富营养化的临界值以下,才是治理的根本。
   
黄怀曾介绍说,以5年前完成的这个国家项目为基础,他所带领的科研团队在治理水体富营养化方面已经取得了重要的进展和突破,探讨了单一与复合因素作用下的固液相界面上磷素交换、活化方式及其浓度水平与物理化学平衡因素之间的关系,提出了用生物方法治愈富营养化顽疾的新思路。目前,该方法几个关键技术问题已一一突破,筛选、驯化、培育出强吸收活性磷的微生物,能将源头污水中活性磷浓度降到富营养化的临界值以下,同时又有效阻断生物内磷的释放和活性磷循环。当然,除了堵源外,同时还要结合治汇、截流、清淤、科学管理和调节水资源等多种手段,方能达到有效治理的目的。黄怀曾强调说。

地下水有机污染对人体危害巨大,虽然调查显示北京市地下水水质整体较好,但局部地区有机污染严重,需要进一步加大防治力度。

,全国地下水有机污染调查研究由此开启

1119,《北京市水污染防治条例》在北京市13届人大常委会第21次会议上获表决通过。就在同一天,记者走访了中国地质大学(北京)水资源与环境工程实验室主任陈鸿汉教授,与他谈起了北京的地下水污染问题。
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年前,陈鸿汉接手了《首都北京及周边地区水、土环境污染机理与调控原理》中的一个子课题《北京城近郊区浅层地下水水质变化和污染的动力学过程》。几乎是在同时,他还获得了中国地质调查局国土资源大调查项目《北京地下水有机污染调查》。
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这两个项目,一个偏重理论,一个偏重调查,可谓相互补充,相互促进。两者的目标是一致的,都是在查明北京城近郊区浅层地下水环境系统污染现状、污染物来源、污染途径的基础上,为当地土壤和地下水污染的恢复治理工作提供依据,也为北京市供水安全、城市规划提供科学的背景资料。
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这两个项目对我产生了很大吸引力。一是地下水污染问题已成为制约经济发展的首要问题之一,可当时,全国对地下水中的有机污染的系统调查仍属空白;二是大气、土壤、地下水都是自然环境系统的一部分,各种物质都处在不断循环的过程中,地下水作为一个循环的最后环节尤其不能孤立地进行研究,而这一项目的一大亮点就是关照到了自然系统的整体性。
   
采访中,陈鸿汉说得最多的一个词就是有机污染。他认为,该项目最重要的意义,就是为国内首次系统开展的地下水有机污染调查研究。通过该项目的实施,不仅基本查明了北京市城近郊区地下水中有机污染状况,而且成功了探索出一套开展地下水有机污染调查的技术方法和较完善的工作流程和质量监控体系,先后将研究成果推广到全国地下水有机污染调查中。
   
那么,什么是有机污染?它难道比我们经常听到的重金属污染更加可怖?
   
陈鸿汉告诉记者,许多有机污染物对人体健康有严重影响,具有三致(致畸、致癌、致突变)作用,而且不同的有机化合物还对人体各器官及系统有不同的危害。国外大量研究表明,地下水有机污染常常具有种类多、含量低、危害大、难治理等特点。就污染物的种类、污染的范围以及对人类健康的危害而言,地下水中有机污染物排在所有污染物的首位。近年来,地下水有机污染给公众所造成巨大的健康风险,已经引起一些国家政府的高度重视。美国环保局从7万种化合物中筛选出必须要优先控制的129种有毒物质,其中有机物就有114种。美国2004年的饮用水标准中,207个指标中有机指标数就占到了171个,而中国2006年应用的饮用水标准中,106个总指标里只有53个是有机指标。
   
在美国,大城市和小城镇地下水都普遍发现有机污染。在我国,地下水有机污染更具有多样性及普遍性,然而,目前我国对地下水水质长期监测中还很少对有机污染物进行单独分析,对地下水影响较大的有毒有机污染质的时空分布特征及其在地下环境中的运移性能了解的远远不够。此种情况下,进行北京市地下水有机污染调查对全国地下水有机污染工作从无到有地开展,具有非常重要的理论和实际意义。
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据检测,北京市地下水水质整体较好,绝大部分为合格水,占82.8%,只有局部地区有机污染严重,极不合格水占总水点的6.99%,最大超标96.51倍;很不合格水点占2.61%,不合格水占7.53%。北京地区地下水的污染物主要为三氯甲烷、四氯化碳、三氯乙烯和四氯乙烯,其他有机污染物单环芳烃、多环芳烃及有机农药有部分检出,浓度不高,污染呈点状分布。针对工作区地下水有机污染现状及特征,结合包气带防污性能,我们提出了一系列防治对策,特别是通过污染源辨析和污染物迁移转化规律的系统研究,建立了生物降解有机污染物迁移转化模型,以便合理选择治理技术,有效修复被污染的地下水。同时,建立了北京市地下水有机污染地理信息系统,实现了数据资料的高效管理,并开发出一套地下水挥发半挥发性微量有机污染物的测试技术,为地下水中微量有机物的测试奠定了基础。
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从这一课题开始,中国地下水的有机污染调查评价进入了一个全面推进的新阶段。
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地下水是北京的生命线,目前已占了北京城市用水的82%。北京地区地下水有机污染状况的基本查明和监测技术体系的建立,为首都的供水安全筑起了一道科技防线。陈鸿汉强调。

    课题提出的区域生态地球化学预警新概念,已从城市生态系统推广到江河流域生态系统、农田生态系统、湖泊生态系统、草原生态系统,并在全国得到广泛运用。

用地球化学手段关注土壤健康,一系列原创技术方法已在全国广泛应用

    上月闭幕的中国环境与发展国际合作委员会2010年年会发出警示:中国的土壤污染已经达到了一个被国家严重关注的关键点,需要立即采取紧急和长期的行动。以这样的声音为背景,人们不禁要问:北京的土壤健康状况如何?
   
作为自然系统,地下水的污染必然与土壤污染密切相关。黄怀曾告诉记者,该项目发现了城市地下水与土壤环境相关污染链及其相互转化的潜在危险。也就是说,地下水中的有机污染,我们同样会在土壤中有所发现,而土壤中还有一个可怕的健康杀手绝不能忽视,它就是重金属。随即,黄怀曾简单介绍了项目的另一个课题《北京城近郊松散沉积物环境污染时空演化、自净能力和累积效应》。
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这一课题主要由中国地质科学院物化探所承担,成杭新研究员牵头。通过对北京地区1100平方公里范围内的土壤系统采样及检测,查明北京地区土壤重金属污染以汞为主,其次为铅和镉;查明土壤重金属元素污染的空间分布范围和存在形式;首次对北京市65种有机污染物进行了系统调查,获得了北京地区土壤中有机氯农药、多环芳烃、正构烷烃、酞酸酯等主要持久性有机污染物的化学组成和空间分布特征,发现局部地区石油烃和多环芳烃的污染问题突出。此外,还着重了解重金属元素活动态与总量的关系,以及环境要素对元素活动态变化的影响。
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这些结论固然重要,但我认为,该课题的最大价值还在于创新性地建立了一系列为土壤体检的技术方法。比如,在部分有机氯农药异常中追踪到异常源,为今后其他地区开展区域性有机污染物调查和有机污染物异常的查证提供了方法技术;尝试运用树木年轮作为时间标尺,探讨北京地区土壤重金属污染的演化趋势;参照美国环境保护局有关方法,建立了多环芳烃、有机氯农药、酞酸酯、正构烷烃等四类半挥发性有机污染物的超声波萃取,硅胶柱和弗罗里土柱净化分离,气相色谱以及气质谱联用技术测定土壤中的痕量半挥发性有机污染物的分析方法。不仅如此,课题还提出了区域生态地球化学预警的新概念,近年来,这一概念已从城市生态系统推广到江河流域生态系统、农田生态系统、湖泊生态系统、草原生态系统,并已在全国20个省(区、市)得到广泛运用。
   
此外,由国家地质实验测试中心陈明研究员负责的子课题《北京市水土环境污染的信息集成与分析决策系统研究》,在上述调查和研究的基础上,对北京市水土环境污染的信息进行了集成和分析,建立了环境分析决策系统、环境污染精细结构剖析技术、质量评价和预测模式,并将地球化学定时炸弹延伸和拓展到缓变型地球化学灾害,且对灾害的成因、爆发机制作了探讨,为预警奠定了基础。
   
黄怀曾告诉记者,项目还针对北京地区土壤重金属、地下水有机污染等环境问题提出了许多具体的建议及环境修复措施。更值得一提的是,发现了水、土环境污染新毒素及生物降解污染治理新菌种,提出烃类持久性污染控制,生物基因、微生物修复和光降解原理,其中,发现若干新降解菌株已在国际生物网站GenBank命名与登录,而从下辽河油田油泥和大庆油田驱油水中自行筛选、培育和驯化的8种菌株,可以针对污染物中的不同石油烃类组分,快速促成石油烃类的降解;另筛选出一些对镉等元素具有强吸附能力的菌株,还通过降解和吸附机理的研究,提高了清污能力。
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虽然这个973’项目已经完成了5年之久,但从中得出的许多技术方法和基础研究,却始终活跃在环境地质工作的大舞台上,已经成为相关科研继续推广和深化的宝贵财富,或许,这也是2010年度国土资源科学技术奖青睐这个项目的一个重要原因。黄怀曾说。

   
 
文章录入:张梅    责任编辑:刘学清    
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