地下水水源地保護區劃分方法研究

江廣長,馬　騰

(1.中國地質大學(武漢)工程學院,湖北 武漢 430074;2.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430074)

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地下水水源地保護區劃分方法研究

江廣長1,馬騰2

(1.中國地質大學(武漢)工程學院,湖北 武漢 430074;2.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢 430074)

摘要：科學地劃分和建立地下水水源地保護區是保護地下水水源地的有效手段。發達國家對地下水資源的保護工作已有百余年的歷史，而我國尚處于發展階段。重點對地下水水源地保護區的劃分方法即經驗值法、公式計算法、解析模型法和數值模擬法的基本原理和適用特征進行了介紹。數值模擬法是近年來國內外多選用的定量劃分地下水水源地保護區的方法，該法通過引入不確定性分析綜合確定各水文地質參數對保護區劃分結果的影響，并與其他劃分方法相結合可以得到更為合理的劃分結果。將地下水防污性能研究引入到地下水水源地保護區劃分工作中，在快速發展的高性能計算機技術支撐下，可使地下水水源地保護區的劃分方法得到進一步發展與完善。關鍵詞：地下水；水源地；保護區；劃分方法；數值模擬

地下水資源既是重要的供水水源，也是生態系統的重要支撐，是維持水系統良性循環的重要保障。地下水的持續開發利用以及地表水嚴重污染所造成的地下水污染問題己成為普遍現象。因此，進行地下水水源地保護區的劃分，將其納入決策者實施地下水管理及保護措施的重要環節，對防止地下水水源地污染，保護水源地環境質量具有重要作用[1-2]。

發達國家對地下水資源的保護工作已有100多年的歷史，比較有代表性的國家如德國、英國和美國等均建立了較完備的地下水水源地保護區劃分體制以及法規法律技術框架體系。例如德國已建立地下水水源地保護區2萬余個，并將地下水水源地保護區劃分為三個帶，分別對其范圍和水源利用做了詳細規定[3]；英國目前已劃定的井源保護區達數千個，并將保護區分為內區、外區和流域區三個部分[4]；美國在1986年通過了《聯邦安全飲用水法案修正案》后，在全國范圍內開展井源保護計劃WHPP(WellHeadProtectionPreogram)，旨在保護水井免受人類活動污染[5]。而我國地下水水源地保護區的劃分研究相比發達國家起步較晚，1984年頒布的《中華人民共和國水污染防治法》中規定了建立飲用水水源保護區制度[6]；1989年國家環保局等多部門聯合頒布的《飲用水水源保護區污染防治管理規定》，對地表水和地下水水源地保護區的劃分做了原則性規定[7]；2007年國家環?？偩职l布的《飲用水水源地保護區劃分技術規范》是我國針對飲用水水源地保護區劃分最為系統的規范，其中對劃分標準、方法和要求等做了系統規定[8]。

在地下水水源地各級保護區劃分過程中，既要遵循地下水保護的一般要求與原則，又要針對不同水源地特有的地質及水文等條件、井源類型、供水數量和污染源分布等環境特征，因地制宜地確定劃分原則并合理選取保護區劃分方法[9-10]。在實際工作中，受上述差異性因素影響，地下水水源地保護區劃分存在一定的不確定性[11-12]，但隨著人們對地下水水源地保護區劃分研究的不斷深入，其劃分原則和劃分方法也正在得到優化和逐步改進。本文將對地下水源地保護區的劃分原則及其主要劃分方法的基本原理、步驟和適用條件等進行介紹和總結，并探討其發展趨勢。

1地下水水源地保護區的劃分原則

地下水水源地保護區是為防治地下水水源地污染、保證水源地環境質量而劃定的，在我國主要采用三級控制。由于地下水水源地水文地質條件的復雜性和污染物質的多樣性，在劃分地下水水源地保護區時，需要考慮地下水水源地劃分的理論原則和相關實際應用原則。因此，地下水水源地保護區的劃分應遵循以下幾項原則：

(1) 根據地下水類型、地下水水源地所處的地理位置、水文地質條件、井源類型、供水數量和污染源分布特征等基礎資料條件，因地制宜地選擇地下水水源地保護區劃分技術指標和合理的劃分方法。

(2) 充分利用地下水監測資料，研究污染物濃度等值線圖，掌握其時空變化規律，確定劃分保護區的污染物參數。

(3) 根據不同的水質標準和保護要求劃分地下水水源地保護區。

(4) 在確定地下水水源地水質的前提下，劃定的地下水水源地保護區范圍應盡可能小。

(5) 充分利用地下水水源地的環境特征進行保護區劃分，既能防止地下水水源地附近地區對水源的直接污染，又能對突發性環境污染事件有采取緊急補救措施的時間和緩沖地帶。

(6) 劃分方案應有利于強化目標管理，確保本行政區內管理得力，相鄰行政區監督有效。

2地下水水源地保護區的劃分方法

目前地下水水源地保護區的劃分方法主要有經驗值法、公式計算法、解析模型法、數值模擬法等。

2.1經驗值法

經驗值法是以井中水質為保護對象，根據多年實踐得到的經驗值作為保護區半徑，以水源地開采井為中心，以該半徑直接劃定各級保護區的方法。

對于早期的水源地保護區劃分研究，經驗值法得到廣泛應用，包括以時間為標準的經驗值法和以距離為標準的經驗值法。以時間為標準的經驗值法最早起源于20世紀30年代，德國研究學者Knorr根據飲用水中病菌病原體在地下水層中的隨流生存時間不超過50d，建立了“50日流程等值線”理論，并將其設為一級保護區范圍[13]。英國則于1984年提出以距離為標準，建立半徑3km圓形保護區，該經驗值也被廣泛采用[14]。

我國的地下水水源地保護區劃分工作和研究始于對發達國家經驗值法的參考與借鑒。根據我國地下水水源地的特征，在《飲用水水源保護區劃分技術規范》中對地下水水源地保護區范圍經驗取值提出了建議，詳見表1。該規范中主要針對平原地區地下水水源地保護區提出了具體的劃分細則，而根據水源地賦存地點類型不同，對于特殊地質環境，如山前沖洪積扇水源地、傍河水源地、地下水溢出帶水源地和沿海地區水源地的保護區范圍等則需要進行相應的調整[15]。

表1　孔隙水潛水型水源地保護區范圍經驗值[7]

經驗值法由于經濟成本低，僅需較少的技術經驗就可以在短時間內完成大量的水源井保護區劃分工作，適用于地質條件單一、小型潛水水源地保護區的劃分和其他保護區的初期劃分。隨著資料和技術的補充以及對劃分精度要求的提高，則需要采用相對復雜的方法對其劃分結果進行核實。

2.2公式計算法

在單純依靠經驗取值確定保護區半徑的基礎上，結合不同地區地質條件差異，依據水文學原理，選取典型水文地質參數，通過公式計算得到分區半徑的方法得到發展。該方法可根據不同含水層、不同水源地類型的保護區特點，在適當調整保護區形狀、中心和延伸方向等因素的基礎上，最終確定保護區范圍。

中小型孔隙水潛水型水源地保護區，常采用《飲用水水源保護區劃分技術規范》中標準化公式來計算保護區半徑，其計算公式為

R=αKIT/n

(1)

式中:R為保護區半徑(m)；α為安全系數，一般取150%；K為含水層滲透系數(m/d)；I為地下水水位降落漏斗范圍內的平均水力梯度；T污染物水平遷移時間(d)；n為含水層有效孔隙度。

與圓形半徑計算法相似，對于無越流發生的承壓型水源地保護區半徑計算常采用美國CFR(CalculatedFixedRadius)計算法[16]。該方法的原理是假定保護區呈圓柱形，根據水量守恒原理，考慮抽水井濾管長度，在假定一定時間內流入保護區體積內的補給量等于抽水量的前提下，計算保護區半徑，其計算公式為

(2)

即

(3)

式中:rt為對應時間t的保護區半徑(m)；Q為抽水速率(m3/s)；t為各級保護區的運移時間標準(s)；n為含水層孔隙度；b為抽水井濾管長度(m)。

公式計算法簡單易行，需要的數據量較少，但由于主觀性較強，難以滿足實際地質條件，且忽略了影響污染物運移的部分因素條件，使其精度不高，常導致劃分保護區強度過高或過低，難以解決復雜水源地保護區問題[16]。

2.3解析模型法

解析模型法的前提是將水文地質條件進行簡化，包括抽水井分布、含水層邊界條件、承壓或潛水含水層類別及形態等，不考慮數學方程在求解過程中的困難。即將含水系統簡化為理想含水層模型，如假設含水層均質各向同性、等厚，滲流區是圓形、矩形或無限，邊界條件簡單等，在這些假設條件下，采用連續變量建立水流方程，并用解析法求得未知量，得到區域內任意時刻或地點所求量的數值，然后根據所選技術標準劃分保護區范圍，可以較好地解決水文地質條件簡單的水源地保護區劃分。在20世紀80年代末到90年代初，該方法成為劃分地下水水源地保護區的主要方法，開發出的解析模型包括CAPZONE[17]和GWPATH[18]等模型，以及RESSQC[19]和DREAM[20]等半解析模型。近年來，國內外對解析模型法進行了大量的實例研究和論證，如對變邊界滲流模型的初步解析解與數值解[21]，以及利用Fourier變形和Hankel變換推導不同邊界條件下地下水非穩定流解析解[22]的研究等，但并未應用于水源地保護區的劃分中，僅是單純的井流求解問題。

2.4數值模擬法

數值模擬法是將整個滲流區域剖分成若干個小的單元，各單元近似認為是均質的，并結合地質條件選擇合適的水文地質參數，得到合理的水文地質概念模型；然后將變量離散化并建立方程，用數值法求解每個單元流動方程，并模擬研究區內的水流狀態；最后結合質點運動軌跡與時間等條件劃定各級保護區[23]。

數值模擬法常借助計算機軟件實現實際系統的模擬和計算，常用軟件包括VisualMODFLOW、MODPATH、ProcessingMODFLOWforWindows和FiniteElementSubsurfaceFlowSystem(FEFLOW)等[9]。Panagopoulos[24]采用MODFLOW方法建立了希臘某地區巖溶裂隙含水層的等效多孔介質模型；Giudici等[25]構建了意大利南部地中海盆地的巖溶地下水流模型，預測其海水入侵問題；盧曉華[26]采用FEFLOW模型預測了某企業地下水重金屬污染物的時空遷移與擴散規律；李星宇等[27]采用MODPATH模型對隱伏巖溶地下水水源地保護區進行了一級和二級保護區的劃分;韓京龍等[28]結合MODFLOW和MODPATH模型，用示蹤粒子的逆向軌跡，對磐石市地下水水源地保護區的范圍進行了劃分;肖杰等[29]采用MODFLOW軟件建立地下水滲流場，并應用MODPATH模型對地下水水源地抽水井進行粒子逆向示蹤模擬，根據不同的時間標準確定一級和二級保護區范圍。

采用數值模擬法計算地下水水源地保護區范圍，可以客觀并較為詳細地刻畫實際含水層的結構和水文地質條件，綜合考慮了滲透系數、孔隙度、釋水度、含水層厚度、含水層幾何形態等多種影響因素，適用于邊界和水文地質條件復雜的地下水水源地保護區劃分，尤其對于大型地下水水源地保護區的劃分，其結果可靠性較其他方法更高。鑒于該方法在數值模型建立過程中仍然存在參數及條件刻畫不確定性的問題，可以考慮在數值模擬法中引入不確定性分析，綜合確定各水文地質參數對保護區劃分結果的影響,以得到更為合理的結果。

3存在的問題與展望

我國對地下水水源地保護區研究起步較晚，雖然頒布了《飲用水水源保護區劃分技術規范》，使得地下水資源保護有法可依，并對地下水水源地保護區劃分實現了標準化，但是對其還需要進一步加以完善，對不同類型水源地進行保護區劃分時應當因地制宜，尤其對于特殊地質環境，如山前沖洪積扇水源地、傍河水源地、地下水溢出帶水源地和沿海地區水源地的保護區范圍則需要進行相應的調整。

通過對地下水水源地保護區的多種劃分方法進行對比分析顯示，現階段地下水水源地保護區劃分研究的主要特點是逐步向應用數學模型方向發展。數值模擬法是近年來國內外多選用的定量劃分保護區的方法，可以解決多種地下水流的問題，很好地反映污染物的遷移規律，并基于計算機軟件模擬技術的迅猛發展，該法能較準確地劃分水源地保護區。盡管如此，數值模型在建立過程中仍然存在參數及條件刻畫的不確定性，尤其對于復雜水文地質條件的水源地，其模型概化過程中存在一定的誤差，使得劃分的保護區與實際情況存在出入。為解決該問題，可采取以下方法：

(1) 在數值模擬法中引入不確定性分析，綜合確定各水文地質參數對保護區劃分結果的影響，以得到更為可靠的結果。

(2) 將數值模擬法與其他劃分方法相結合，減小劃分結果的偏差。如將公式計算法與數值模擬法相結合，先利用公式計算法對區域條件控制的優勢，粗略地確定保護區范圍，使得數值模擬調整參數時不至于脫離實際，然后利用數值模擬法，對已劃定的保護區域進行校正，以此得到更為準確的劃分結果。

(3) 按研究對象水文地質條件等的復雜程度，開展解析與數值模擬的二維和三維地下水流分析，以完善水源地保護區的劃分研究。對于地下水非均質、不確定性、各向異性等問題，可通過優化數值模型加以解決。

開展地下水源地保護區劃分工作應在全面了解研究區環境水文地質特征、污染源的空間分布和地下水的污染種類特征的基礎上進行,并將地下水防污性能研究[30]引入到地下水源地保護區劃分工作中，結合研究區地下水防污性能特征，進一步完善該區域地下水保護區范圍的劃分工作，綜合評估地下水的污染風險，制定相應的污染控制措施，對保護區內的土地利用、設施建設標準等做出相關規定，可更好地實現地下水資源的保護。

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Partitioning Method of the Groundwater Wellhead Protection Zone

JIANGGuangchang1,MATeng2

(1.Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China；2.School of Environmental Studies,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China)

Abstract:Partitioning and setting up groundwater wellhead protection zones are effective measures for groundwater protection.Developed countries have been protecting groundwater resources for more than one hundred years,whereas this work still stays in the developing stage in China.Among the methods of partition of the groundwater wellhead protection zone,this paper introduces and anatomizes the basic principles,characteristics and applicable conditions of them,including the empirical method,formulation calculation method,analytical model algorithm and numerical simulation method.In recent years,scholars prefer to use numerical simulation method in quantitative partition of groundwater wellhead protection zone,which can obtain a more reasonable outcome through introducing uncertainty analysis to comprehensively determine the influence of hydrogeological parameters on the partition of protection zone and combined with other partitioning methods.Moreover,partition method of groundwater wellhead protection zone will get further development with the help of introducing groundwater antifouling property study,and the rapid development of high-performance computer technique.

Key words:groundwater;wellhead;protection zone;partitioning method;numerical simulation

文章編號：1671-1556(2016)03-0036-04

收稿日期：2016-01-21修回日期：2016-02-18

基金項目：國家自然科學基金項目(40872157)

作者簡介：江廣長(1981—)，男，博士研究生，主要研究方向為水文地球化學、地下水污染與防治。E-mail:gcjiang@cug.edu.cn

中圖分類號：X3

文獻標識碼：A

DOI：10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.03.006

通訊作者：馬騰(1972—)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事地下水污染與防治、地下水與環境變化等方面的研究。E-mail：mateng@cug.edu.cn