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本書為地下水污染風險識別與修復治理關鍵技術叢書的一個分冊，全書以地下水污染監測預警相關技術環節為主線，系統介紹了從20世紀70年代至今國內外主流地下水污染監測技術方法和裝備、常見水質預警模型構建方法、區塊鏈等新型水質預測方法，并討論了建立區域預警體系的方法，以及在示范區應用情況。該書既涵蓋了地下水污染監測領域水質分析方法、數據傳輸方式、水質預警模型和預警體系建立等傳統內容，也涵蓋了基于物聯網和區塊鏈的地下水污染監測可信計算、地下水污染預警概率模型等新興技術方法。

本書理論與實踐有效結合，具有較強的技術應用性和針對性，可供從事地下水污染監測預警與防控等的工程技術人員、科研人員和管理人員參考，也可供高等學校環境科學與工程、生態工程及相關專業師生參閱。

十三五國家重點出版物出版規劃項目，地下水在線監測、模型應用與污染預警技術，助力地下水污染綜合防治，行業專家領銜

地下水是我國水資源的重要組成部分。在北方地區尤其是京津冀地區，地下水更是重要的工農業生產和生活的供水水源。然而隨著我國工業化和城鎮化發展，地下水水質狀況不容樂觀。《國家十三五規劃綱要》《水污染防治行動計劃》等國家戰略均在著力布局保障京津冀地下水安全。近年來，盡管有南水北調工程大幅度緩解了京津冀的缺水狀況，但是客水資源的調入及地面人為活動的增強，也造成了潛在污染風險，對地下水質安全構成嚴重威脅，地下水污染防治工作面臨著水質型缺水的困境。而地下水易污難治的特性，決定了監測預警是實現區域地下水污染高效防治、開展地下水資源科學管理的基礎工作。

長期以來，地下水污染監測預警著重于研究水質模型優化和監測井優化等細分領域，缺乏從監測技術、監測數據傳輸、閾值構建、預警模型方法到示范應用一條龍介紹的專業書籍。為此，南方科技大學課題組依托水體污染控制與治理科技重大專項京津冀地下水污染防治關鍵技術研究與綜合示范項目（No. 2018ZX07109-002）組織編著此書。

本書以地下水污染監測預警為主線，系統介紹了從20世紀70年代至今國內外主流地下水污染監測技術方法和裝備、常見水質預警模型構建方法等監測預警領域新方法，并討論了區域預警體系建立方法以及示范案例應用情況。本書在編著方式上采用時間順序對國內外現有主流技術進行了歸納，并按照監測預警的業務邏輯順序排列章節體例。全書新舊結合，覆蓋全面，既涵蓋了地下水污染監測領域水質分析方法、數據傳輸方式、水質預警模型和預警體系建立等傳統內容，也涵蓋了基于物聯網和區塊鏈的地下水污染監測可信計算、地下水污染預警模型等新興技術方法。同時，本書也在地下水污染監測預警領域提出了重金屬和有機污染物在線監測的概念，并予以落地實踐。

本書分別由來自南方科技大學、中國地質大學（北京）、成都理工大學、中國地質調查局水文地質環境地質調查中心、北京市地質礦產勘查院（原北京地質礦產勘查開發局）等長期從事地下水污染防治的一線技術工作者共同編著而成。其中第1章、第3章、第4章、第5章由南方科技大學的胡清、齊永強、林斯杰、汪安寧、呂廣豐、黃燕鵬編著；第2章由中國地質大學（北京）的劉明柱編著；第6章由成都理工大學的許模編著；第7章由北京市地質礦產勘查院的楊慶編著。全書后由胡清統稿并定稿。中國地質大學（北京）的史浙明，成都理工大學的蒲生彥，中國地質調查局水文地質環境地質調查中心的史云、趙學亮、張建偉、王明明等也參與了本書部分內容的編著，在此表示感謝。中國環境科學研究院的席北斗、清華大學的李廣賀等對本書的策劃組織和編著提出了寶貴意見和建議。另外，本書編著過程中，南方科技大學的楊夢曦、李俊辰、江宏川等參與了書稿的校對等工作，在此一并表示感謝。

限于編著者水平和編著時間，書中不足或疏漏之處在所難免，敬請各位讀者批評指正。



編著者　

2020年12月

胡清，南方科技大學/南科大工程技術創新中心（北京），教授/主任，英國帝國理工大學環境污染和水文學專業博士。現任南方科技大學教授，南科大工程技術創新中心（北京）主任，環丁聯盟（NPO）院長。2017年榮獲國家科學技術進步獎二等獎，2016年榮獲IBM全球杰出學者獎，2013年被授予國務院政府特殊津貼專家稱號，2012年獲教育部科技進步一等獎，2011年獲得人保部高層次留學人才回國資助人才（全國十人）。現任或曾擔任國家科技部中長期戰略規劃特聘專家，國家重點研發計劃土專項長期跟蹤專家，新加坡李光耀水源榮譽大獎提名委員會委員，國際水領域獎瑞典斯德哥爾摩水獎技術委員會評委會委員， IWA國際水協年會理事、評委會主席，環境保護部環境損害鑒定評估專家委員會委員，中國環境科學學會土壤與地下水專業委員會委員。在生態環境保護領域擁有30多年的研究和工作經歷，在大數據與環境、城市環境工程、污染場地綠色可持續修復與管理、生態環保發展戰略與政策標準研究、綠色技術及清潔生產、循環經濟及水處理工程等多個專業領域積累了深厚的理論知識和豐富的國內外實踐經驗。主要研究成果發表在Nature, Science, Environmental International, Environmental Management等國際學術期刊，擁有二十余項專利成果。主持并參與十余項國家及省部級科研課題，包括國家863計劃、國家水體污染控制與治理科技重大專項、固廢資源化重點專項、場地土壤污染成因與治理技術重點專項、環境保護公益項目等；負責完成數十項場地調查與修復項目，涉及化工、農藥、印染、石油及電鍍等多個行業的復雜場地；具有豐富的國際合作經驗，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科技合作項目 ，作為項目負責人組織完成多個世行、亞行項目；協助國家發改委、科技部、環保部、住建部等部委對我國污染場地修復行業進行頂層設計，主持并參與十三五土壤領域技術路線、國家環境保護標準項目污染地塊風險管控與土壤修復效果評估技術導則及污染地塊土壤和地下水中揮發性有機物采樣技術導則等多項行業政策、標準規范與技術指南的編制工作。

第1章 緒論 001

1.1　地下水污染在線監測預警概述 002

1.2　國內外研究現狀及發展趨勢 004

1.2.1　地下水污染預警模型研究進展 004

1.2.2　地下水污染預警閾值體系方法進展 006

1.2.3　觀測-預警與大數據方法 006

1.2.4　大數據技術的不足與挑戰 010

參考文獻 011



第2章 監測井網優化 015

2.1　研究現狀 017

2.2　異常值識別 019

2.3　區域監測井網采樣頻率優化 020

2.3.1　時間變異函數法 020

2.3.2　迭代細化法 022

2.4　區域監測井網空間冗余優化 023

2.4.1　繪制指標濃度等值線圖 023

2.4.2　識別監測井網冗余井 023

2.4.3　新加監測井 025

2.5　污染區監測井網優化 026

2.5.1　趨勢分析方法 026

2.5.2　采樣優化方法 027

2.5.3　優化流程總結 030

參考文獻 030



第3章 地下水污染在線監測和數據傳輸技術 033

3.1　地下水污染在線監測技術概述 034

3.2　地下水污染在線監測方法與設備 034

3.3　分層監測 037

3.4　采樣數據可信傳輸 038

3.4.1　數據傳輸安全可靠 043

3.4.2　防止數據被篡改 044

3.4.3　采樣業務流程監管 044

參考文獻 046



第4章 水流模型建立 049

4.1　模型規劃 050

4.1.1　模型用途 050

4.1.2　模擬目標 051

4.1.3　時空尺度問題 051

4.1.4　資料收集 052

4.2　水流模型概化 055

4.2.1　模型區域 056

4.2.2　水文地質結構概化 059

4.2.3　地下水補給、徑流與排泄條件 067

4.2.4　地下水開采利用 076

4.2.5　地下水動態特征 077

4.2.6　模型邊界條件及其概化依據 080

4.2.7　水流模擬參數概化 093

4.3　水流模型構建 103

4.3.1　地下水流概念模型的數學表達 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　水流模型特征參數設置 120

4.4　水流模型校準 123

4.4.1　校準目標 124

4.4.2　校準方法 129

4.4.3　校準結果評價 134

4.4.4　模型檢查與驗證 136

參考文獻 149



第5章 溶質運移模型建立 151

5.1　溶質運移模型概化 152

5.1.1　工作流程 152

5.1.2　污染源識別 152

5.1.3　遷移途徑識別 159

5.1.4　污染物遷移轉化過程 164

5.1.5　運移模型特征參數資料匯總 173

5.1.6　受體分析 173

5.1.7　預測情景概化 174

5.2　溶質運移模型構建 175

5.2.1　溶質運移概念模型的數學表達 175

5.2.2　基于水流模型的結構更改 179

5.2.3　運移模型特征參數設置 180

5.2.4　源項設置 181

5.2.5　溶質運移模擬期劃定 182

參考文獻 183



第6章 預警體系建立 185

6.1　地下水污染預警概述 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體系構建 190

6.2.3　地下水污染指示性因子篩選思路 195

6.2.4　區域尺度地下水污染指示性因子篩選方法 196

6.2.5　場地尺度地下水污染指示性因子篩選 205

6.3　地下水污染預警指標體系 208

6.3.1　區域尺度地下水污染預警指標體系 209

6.3.2　場地尺度（重點污染區）地下水污染預警指標體系 211

6.3.3　多尺度地下水監測預警通用指標體系 211

6.4　多時空尺度地下水監測因子預測模型 213

6.4.1　理論解析模型 213

6.4.2　數值計算模型 215

6.4.3　統計預測模型 218

6.5　預警模型的建立 219

6.5.1　影響因素的計算 219

6.5.2　區域尺度地下水污染預警等級的劃分 223

6.5.3　場地尺度（重點污染區）地下水污染預警等級的劃分 225

參考文獻 226



第7章 典型區域地下水污染監測預警應用案例 227

7.1　地下水污染監測預警與數字化平臺介紹 228

7.1.1　系統概述 228

7.1.2　業務化運行模塊 229

7.1.3　趨勢預警模塊 231

7.1.4　應急模擬模塊 234

7.2　地下水監測數據異常值識別與優化指標篩選 237

7.3　地下水污染趨勢預警與應急預警 244

7.3.1　基于時間序列的地下水水質預測模型 244

7.3.2　基于水質模型的事故應急預警 250

參考文獻 254



附錄 255

附錄1　常用水文地質參數確定方法的標準及指南 256

附錄2　常用模型參數選取表 258



索引 261