摘要：地下水污染成為我國(guó)水資源保護(hù)的重大挑戰(zhàn)。復(fù)合膜阻隔技術(shù)作為一種新興的污染防控手段，在地下水污染防治中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。從復(fù)合膜阻隔技術(shù)的定義、原理及適用范圍入手，分析其在地下水污染防控中的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的難點(diǎn)，并提出了針對(duì)性的應(yīng)用建議，以期為我國(guó)地下水污染防控提供理論參考和實(shí)踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：地下水污染；復(fù)合膜阻隔技術(shù)；污染防控

中圖分類號(hào)：X523；TB383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）02-00-03

Research on the Application of Composite Membrane Barrier Technology in the Prevention and Control of Groundwater Pollution

LUO Mingli， FU Hongsha， ZHANG Biao

（Binzhou Ecological Environment Service Center， Binzhou 256600， China）

Abstract： Groundwater pollution has become a major challenge for water resource protection in China. Composite membrane barrier technology， as an emerging means of pollution prevention and control， has shown broad application prospects in the prevention and control of groundwater pollution. Starting from the definition， principle， and scope of application of composite membrane barrier technology， this paper analyzes its current application status and existing difficulties in groundwater pollution prevention and control， and puts forward targeted application suggestions， in order to provide theoretical reference and practical guidance for groundwater pollution prevention and control in China.

Keywords： groundwater pollution; composite membrane barrier technology; pollution prevention and control

地下水是我國(guó)重要的水資源，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。然而，隨著工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，地下水污染日益嚴(yán)重，成為制約我國(guó)水資源可持續(xù)利用的重要因素。我國(guó)相繼出臺(tái)了一系列政策法規(guī)，如《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》《地下水管理?xiàng)l例》等，為地下水污染防控工作提供了政策保障和行動(dòng)指南[1]。在此背景下，急需加強(qiáng)地下水污染防控關(guān)鍵技術(shù)研究，為地下水污染防治提供有力的支撐。

1 復(fù)合膜阻隔技術(shù)概述

1.1 復(fù)合膜阻隔技術(shù)的定義

復(fù)合膜阻隔技術(shù)是當(dāng)前地下水污染防控領(lǐng)域的主要技術(shù)。復(fù)合膜阻隔技術(shù)是在污染源與含水層之間構(gòu)筑由多種功能材料復(fù)合而成的阻隔層，阻斷污染物向地下水遷移擴(kuò)散的過(guò)程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水資源的有效保護(hù)[2]。

1.2 基本原理與機(jī)制

復(fù)合膜阻隔技術(shù)的原理在于發(fā)揮復(fù)合材料的協(xié)同增效作用，設(shè)計(jì)構(gòu)建具有優(yōu)異阻隔性能的復(fù)合型多功能阻隔層。復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料通過(guò)物理或化學(xué)方法復(fù)合而成的一種多相非均質(zhì)材料，能夠集各組分材料的優(yōu)勢(shì)于一體，展現(xiàn)出單一材料所不具備的綜合性能。復(fù)合膜阻隔技術(shù)所采用的復(fù)合膜材料通常由高分子合成材料和天然礦物材料復(fù)合而成。高分子合成材料具有優(yōu)異的耐化學(xué)性、抗老化性、高強(qiáng)度等特性，能夠?yàn)樽韪魧犹峁╅L(zhǎng)期穩(wěn)定的物理隔離和支撐作用。而天然礦物材料具有比表面積大、吸附性強(qiáng)、滲透系數(shù)低等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠通過(guò)物理吸附、化學(xué)絡(luò)合、離子交換等作用有效去除污染物[3]。

復(fù)合膜阻隔技術(shù)對(duì)污染物的阻隔機(jī)制主要包括3個(gè)方面。一是物理阻滯作用。復(fù)合膜材料對(duì)污染物具有優(yōu)異的物理隔離效應(yīng)，能夠顯著延緩污染物的滲透和擴(kuò)散速率。二是吸附截留作用。復(fù)合膜材料的比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，對(duì)污染物的吸附截留能力強(qiáng)，能夠有效降低污染物濃度。三是化學(xué)降解作用。部分復(fù)合膜材料具有催化降解污染物的功能，可通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將污染物轉(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)。多重阻隔機(jī)制的耦合協(xié)同，使得復(fù)合膜阻隔技術(shù)對(duì)污染物的阻控效果遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)單一阻隔材料，成為當(dāng)前地下水污染防治的優(yōu)選技術(shù)之一。

1.3 適用范圍與應(yīng)用場(chǎng)景

復(fù)合膜阻隔技術(shù)具有廣泛的適用性，在多種地下水污染場(chǎng)景中均可發(fā)揮重要作用[4]。主要適用情形包括以下5點(diǎn)。一是工業(yè)區(qū)污染地下水防治。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排放的廢水、廢液等是地下水污染的主要來(lái)源之一。利用復(fù)合膜阻隔技術(shù)在工業(yè)區(qū)污染源周邊構(gòu)建阻隔層，能有效防范污染物入滲對(duì)地下水造成污染。二是農(nóng)田面源污染防控。農(nóng)田灌溉和農(nóng)藥化肥施用產(chǎn)生的面源污染是地下水污染的另一來(lái)源。采用復(fù)合膜阻隔技術(shù)在農(nóng)田底部鋪設(shè)阻隔層，能攔截農(nóng)藥化肥等污染物向地下水遷移，保護(hù)區(qū)域地下水環(huán)境。三是垃圾填埋場(chǎng)滲濾液污染防治。垃圾填埋場(chǎng)滲濾液含有大量有毒有害物質(zhì)，是地下水污染的高風(fēng)險(xiǎn)源。在垃圾填埋場(chǎng)底部和側(cè)壁構(gòu)筑復(fù)合膜阻隔技術(shù)阻隔層，可防止?jié)B濾液污染地下水系統(tǒng)。四是飲用水水源地保護(hù)。在飲用水源保護(hù)區(qū)內(nèi)采用復(fù)合膜阻隔技術(shù)布控關(guān)鍵污染路徑，能夠切實(shí)保障水源地地下水水質(zhì)安全，防范污染風(fēng)險(xiǎn)。五是地下水人工回灌防護(hù)。在再生水、雨水等非常規(guī)水源回灌過(guò)程中，采用復(fù)合膜阻隔技術(shù)凈化處理入滲水，能有效降低污染風(fēng)險(xiǎn)，確保含水層水質(zhì)安全。除上述典型場(chǎng)景外，復(fù)合膜阻隔技術(shù)在礦山污染防控、頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)污染防護(hù)、土壤地下水協(xié)同修復(fù)等領(lǐng)域也有廣闊應(yīng)用前景。

2 地下水污染防控中復(fù)合膜阻隔技術(shù)應(yīng)用的難點(diǎn)

2.1 復(fù)合膜材料耐久性不足

在實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)合膜材料長(zhǎng)期暴露于復(fù)雜多變的地下環(huán)境，面臨著物理、化學(xué)、生物等多重因素的侵蝕和破壞。部分復(fù)合膜材料抗老化性能較差，在使用過(guò)程中易發(fā)生開(kāi)裂、斷裂等失效現(xiàn)象，導(dǎo)致阻隔性能大幅下降。例如，某化工廠污染場(chǎng)地修復(fù)項(xiàng)目中，采用的高密度聚乙烯膜（High Density Polyethylene Impermeable membrane，HDPE）材料抗氧化性能不佳，在鋪設(shè)一年后出現(xiàn)大面積破損，致使污染物大量滲漏，污染了下游含水層。復(fù)合膜材料耐久性不足，嚴(yán)重制約了復(fù)合膜阻隔技術(shù)的應(yīng)用效果并縮短使用壽命。

2.2 阻隔層滲漏檢測(cè)難度大

復(fù)合膜阻隔層埋設(shè)于地下，一旦發(fā)生污染物滲漏，很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位。傳統(tǒng)的人工巡檢方法受制于監(jiān)測(cè)密度和頻次，通常存在漏檢、誤檢的風(fēng)險(xiǎn)。而采用物探等儀器監(jiān)測(cè)方法，雖然可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)，但是受限于分辨率和信噪比，不能精準(zhǔn)識(shí)別微小滲漏。復(fù)合膜阻隔層的滲漏檢測(cè)難度大，一旦滲漏得不到及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，極易造成污染物大范圍擴(kuò)散，后果不堪設(shè)想。

2.3 阻隔層失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不足

復(fù)合膜阻隔層的失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是確保其長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的重要舉措。但在實(shí)踐中，阻隔層失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估往往流于形式，缺乏針對(duì)性和有效性。主要原因在于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法不科學(xué)，評(píng)估指標(biāo)不全面，未能充分考慮材料老化、應(yīng)力開(kāi)裂、滲透腐蝕等多重失效機(jī)制的耦合效應(yīng)。此外，阻隔層失效后的環(huán)境影響評(píng)估存在不足，對(duì)污染物擴(kuò)散途徑、污染范圍、危害后果等缺乏定量分析，導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)管控措施的針對(duì)性和有效性不強(qiáng)。

3 地下水污染防控中的復(fù)合膜阻隔技術(shù)應(yīng)用建議

3.1 發(fā)展高性能復(fù)合膜防滲材料

針對(duì)復(fù)合膜材料耐久性不足的難題，急需加大高性能復(fù)合膜防滲材料的研發(fā)攻關(guān)力度。高性能復(fù)合膜防滲材料的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)應(yīng)遵循“安全性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性”的基本原則，著力提升材料的化學(xué)穩(wěn)定性、抗老化性、機(jī)械強(qiáng)度、環(huán)境適應(yīng)性等指標(biāo)。在材料選擇方面，應(yīng)優(yōu)先選用具有優(yōu)異抗氧化性、抗腐蝕性、抗降解性的新型高分子材料，如聚氨酯、全氟聚合物、環(huán)氧樹(shù)脂等。這些材料分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，化學(xué)惰性強(qiáng)，能夠長(zhǎng)期耐受復(fù)雜地下環(huán)境的侵蝕破壞。在材料改性方面，可采用共聚改性、接枝改性、納米增強(qiáng)等改性技術(shù)，從分子結(jié)構(gòu)層面優(yōu)化材料性能。共聚改性通過(guò)引入功能性單體，調(diào)控材料的結(jié)晶度、極性、親水性等，提升材料的柔韌性和環(huán)境相容性。接枝改性通過(guò)表面接枝功能基團(tuán)，賦予材料特殊的表面化學(xué)性質(zhì)，增強(qiáng)材料的界面結(jié)合力和污染物阻隔能力。納米增強(qiáng)則利用納米粒子的量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，顯著改善材料的力學(xué)性能、導(dǎo)電性、阻隔性等。多種改性技術(shù)的復(fù)合應(yīng)用能夠優(yōu)化材料的綜合性能[5]。

在材料復(fù)合方面，宜采用多層共擠出、納米層狀復(fù)合、界面分子嵌入等復(fù)合加工工藝，實(shí)現(xiàn)材料間的強(qiáng)化復(fù)合。多層共擠出工藝通過(guò)同步擠出不同性質(zhì)的熔體形成緊密貼合的多層結(jié)構(gòu)，顯著提升復(fù)合膜的阻隔性和機(jī)械強(qiáng)度。納米層狀復(fù)合工藝?yán)眉{米黏土等無(wú)機(jī)層狀材料，在高分子基體中形成納米級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)，大幅度提升材料的阻隔性和抗?jié)B透性。界面分子嵌入工藝通過(guò)在復(fù)合界面引入反應(yīng)性基團(tuán)，形成交聯(lián)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，防止層間脫離失效。復(fù)合工藝的應(yīng)用能夠最大限度地發(fā)揮各組分材料的增強(qiáng)協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合膜材料的性能達(dá)到最優(yōu)。

3.2 建立復(fù)合膜阻隔層滲漏智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

針對(duì)阻隔層滲漏檢測(cè)和識(shí)別難度大的痛點(diǎn)，應(yīng)著力建立復(fù)合膜阻隔層滲漏智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)集成傳感監(jiān)測(cè)、大數(shù)據(jù)分析、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等功能于一體，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合膜阻隔層滲漏的全天候、全方位及動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)和預(yù)警。在監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方面，應(yīng)在阻隔層內(nèi)外合理布控多種傳感器，構(gòu)建立體化和網(wǎng)格化的滲漏監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)。在阻隔層內(nèi)可布設(shè)光纖傳感器、電學(xué)傳感器、聲發(fā)射傳感器等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)阻隔層應(yīng)力應(yīng)變、破損開(kāi)裂、滲漏等危險(xiǎn)工況。在阻隔層外可布設(shè)地球物理傳感器、水質(zhì)傳感器、土壤氣傳感器等，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)污染物運(yùn)移擴(kuò)散、土壤氣異常、地下水水質(zhì)變化等滲漏污染信號(hào)。科學(xué)合理地布設(shè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，能夠全面感知阻隔系統(tǒng)的滲漏風(fēng)險(xiǎn)信息。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析應(yīng)充分運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，智能分析和挖掘海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)構(gòu)建滲漏特征參數(shù)庫(kù)，提取滲漏發(fā)生的先兆特征，建立多參數(shù)綜合判別模型，快速識(shí)別和定位滲漏位置、程度及范圍。同時(shí)，結(jié)合材料、結(jié)構(gòu)、環(huán)境等因素，開(kāi)展阻隔層動(dòng)態(tài)演化過(guò)程模擬，預(yù)判阻隔層服役性能和滲漏風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空分布規(guī)律。大數(shù)據(jù)智能分析能夠從海量數(shù)據(jù)中提取滲漏風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵信息，便于及時(shí)診斷和預(yù)警滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 構(gòu)建阻隔層失效風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估方法

針對(duì)阻隔層失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估缺乏系統(tǒng)性、全面性的短板，應(yīng)著力構(gòu)建阻隔層失效風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估方法。該方法應(yīng)立足于阻隔層全生命周期過(guò)程，考慮材料、結(jié)構(gòu)、施工、運(yùn)行及環(huán)境等多重因素的失效風(fēng)險(xiǎn)影響，定量評(píng)判阻隔層失效的可能性和危害性，為阻隔層系統(tǒng)的安全管控提供科學(xué)決策依據(jù)。在失效機(jī)理分析方面，應(yīng)深入研究阻隔層材料老化、破壞、滲漏等失效機(jī)制的機(jī)理，揭示材料性能退化、應(yīng)力應(yīng)變演化、環(huán)境因素作用等多因素耦合下的阻隔層失效規(guī)律。在材料失效機(jī)理研究中，應(yīng)重點(diǎn)分析高分子材料的氧化降解、疲勞開(kāi)裂、蠕變變形等化學(xué)和物理失效過(guò)程。在結(jié)構(gòu)失效機(jī)理研究中，應(yīng)系統(tǒng)考慮阻隔層自重應(yīng)力、滲流沖刷力、地震動(dòng)荷載等作用下的結(jié)構(gòu)變形、開(kāi)裂、滲漏失穩(wěn)等失效模式。在環(huán)境失效機(jī)理研究中，應(yīng)充分考慮溫度、濕度、pH值、氧化還原電位等環(huán)境因素的長(zhǎng)期影響效應(yīng)。系統(tǒng)全面的失效機(jī)理分析能夠?yàn)槭эL(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供科學(xué)基礎(chǔ)和理論支撐。

4 結(jié)論

復(fù)合膜阻隔技術(shù)在工業(yè)區(qū)污染地下水防治、農(nóng)田面源污染防控、垃圾填埋場(chǎng)滲濾液污染防治等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用。但在實(shí)際應(yīng)用中，該技術(shù)面臨著復(fù)合膜材料耐久性不足、阻隔層滲漏檢測(cè)難度大、失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不完善等難題。為充分發(fā)揮復(fù)合膜阻隔技術(shù)的污染防控效能，應(yīng)著力發(fā)展高性能復(fù)合膜防滲材料，建立復(fù)合膜阻隔層滲漏智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，并構(gòu)建覆蓋材料、結(jié)構(gòu)、環(huán)境等因素的阻隔層失效風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估方法，不斷提升復(fù)合膜阻隔技術(shù)的可靠性和長(zhǎng)效性，更好地服務(wù)于地下水污染防控工作。

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收稿日期：2024-12-18

作者簡(jiǎn)介：羅明麗（1991—），女，山東濱州人，碩士。研究方向：地下水。