高風險飲用水水源保護區兩種劃分方法對比研究

賈海鋒 王萬賓 管堂珍 劉芳

摘 要：以山區某水庫為例，分別采用應急響應時間法和數值模型計算法劃定某水庫飲用水水源保護區，對比分析兩種方法劃定的保護區格局差異，以期為高風險飲用水水源地保護區的劃分和調整提供案例和方法參考。結果表明，應急響應時間法和數值模型計算法劃定的保護區格局相似，但兩種方法在水源保護區二級區和準保護區劃定范圍上有所不同。針對某水庫環境風險現狀，提出水源保護區風險應急體系建設建議。

關鍵詞：高風險；應急響應；數值模型；仿真模擬；水質模型

中圖分類號：X52文獻標志碼：A文章編號：1673-9655（2024）01-00-05

0 引言

據有關研究統計，20世紀80年代以來，我國飲用水水源地發生突發環境污染事件的次數呈增加趨勢[1， 2]。為適應當前水源地環境保護新形勢，2018年3月，生態環境部印發了《HJ 338—2018飲用水水源保護區劃分技術規范》（以下簡稱新《規范》）。新《規范》相比舊規范對水源保護區劃定的技術要求更為規范和嚴格，且由過去的推薦規范升格為管理標準。值得注意的是，針對當前我國飲用水水源地突發環境事件高發的態勢，新《規范》新增了應急響應時間法，在風險理念、風險控制思路和管控技術方面進行了細化[3]。

新《規范》中地表水飲用水水源保護區水域劃定方法主要有類比經驗法、應急響應時間法、數值模型計算法，陸域劃定有類比經驗法、地形邊界法、緩沖區法。地表水水源地一級保護區以衛生防護為主，可采用類比經驗法劃定，二級保護區劃定則需綜合考慮稀釋降解所需距離和應急響應時間內污染物遷移距離[3]。飲水安全事關人民生命安全和社會穩定，科學劃定水源保護區是落實飲用水水源保護區制度的重要前提[4]。采用何種劃定方法直接決定劃定結果的科學性和實用性，且從根源上決定飲用水水源地各級保護區空間格局，進而影響水源地保護、管理、污染防治和規范化建設等各個方面。王民等調研分析了全國16個省市119個大中型水庫水源保護的劃定方法，發現國內水源保護區劃定多采用類比經驗法，而未采用應急響應時間法和數值模型計算法[5]。通過在中國知網檢索“數值模型計算法”和“應急響應時間法”關鍵字，未見水源保護區劃定的相關文獻。

當前，全國飲用水水源地保護區劃定基本完成，但仍存在一些問題。如劃定方法上照搬規范，沒有根據區域實際情況，重視水質達標，而忽視風險防范，特別是高風險水源地在劃定保護區時對環境風險和應急響應考慮不足，可能導致城市飲水安全面臨潛在威脅。本研究以山區某高風險水源地為例，選取化學需氧量COD（Chemical Oxygen Demand）作為特征污染物，分別采用應急響應時間法和數值模型計算法開展水源地保護區劃定，對劃定結果進行對比分析，提出風險防范措施，以期為高風險飲用水水源地保護區劃定或調整提供案例和方法參考。

1 水源地基本信息

某水庫位于云貴高原山區，屬中型水庫，流域總體地勢西高東低，入庫河流為R，水質現狀為Ⅱ類。水庫徑流區內風險源有固定源、流動源、非點源三種類型，固定源主要集中分布于河流R上游的工業園區，園區內現有工業企業35家，涉及焦化、冶金、煤電，企業在原料輸送、貯運、生產等過程中存在有毒有機物泄漏等環境風險。

2 劃定方法及數據來源

2.1 應急響應時間法

應急響應時間法是以應急響應時間為硬約束，以污染物擴散到取水口的流程距離作為保護區的長度的一種計算方法，適用于河流型水源、水庫型水源入湖（庫）支流的水域保護區劃分，特別是上游污染源密集分布和環境風險高的水源地[3]。飲用水水源保護區上邊界的水域距離計算公式為：

（1）

式中：S—保護區水域長度，m；Ti—從取水口向上游推算第i河段污染物遷移的時間，s；ui—第i河段平水期多年平均徑流量下的流速，m/s。

應急響應時間確定應根據當地應對突發環境事件的能力而確定，一般不小于2 h，計算公式為：

（2）

式中：T—應急響應時間，s；T0—污染物流入最近河段的時間，s。

2.2 數值模型計算法

水質模型是水質變化規律的數學描述，主要用于研究水體污染物擴散規律，是水環境污染防治決策的重要工具。根據參數空間分布特性，水質模型可分為零維、一維、二維和三維模型[6]。河流長度較長的中小河流，可忽略污染物在橫向和縱向上的濃度梯度變化，直接采用一維水質模型進行水質預測[7-9]。河流R為山區典型中小河流，其寬深比不大，污染物短時間內能在斷面內均勻混合，因此可采用一維水質模型進行污染物水質分析，一維水質模型如下：

（3）

式中：C—下游斷面污染物濃度，mg/L；C0—基準斷面污染物濃度，mg/L；K—污染物綜合降解系數，d-1，有關研究表明，降解系數與流速之間存在冪函數的關系[10]；x—沿程距離，m；u—河流平均流速，m/s。

某水庫水質現狀為Ⅱ類，按照《GB 3838—2002地表水環境質量標準》中水域功能和標準分類方法，集中式生活飲用地表水源地二級保護區水質執行Ⅲ類標準，一級保護區水質執行Ⅱ類標準，則可假定主要污染物從二級區擴散至一級區，其濃度必須從Ⅲ類衰減至Ⅱ類水平，本文選取COD作為特征污染物，以表征河流R不同斷面間濃度變化。

2.3 水文參數確定

無常規水文監測或水文參數不足是制約水質模型構建的重要因素，特別是我國中西部大部分地區的中小河流[9]。根據現場踏查，河流R河道斷面可概化為半圓形，根據《某水庫除險加固工程可行性研究報告》可確定河流R流量范圍為0.20～5.52 m3/s，

因此流量和河道斷面存在以下數值關系：

（4）

式中：Q—流量，m3/s；R—河道斷面半徑，m；u—流速，m/s。

因河流R無常規水文監測，因此，采用速度經驗公式計算流速，曼寧公式如下：

（5）

式中：u—河流平均流速，m/s；k—轉換常數，取值為1；n—糙率，也稱曼寧系數，根據實地踏查和用戶手冊推薦值（見表1）取值0.040；Rh—水力半徑，即流體截面積與濕周長的比值，濕周長為流體與明渠斷面接觸的周長；S—明渠坡度。

2.4 模型參數率定

水質水動力模擬涉及參數較多，模型參數取值直接影響某水庫水源保護區二級區水域長度和應急響應時間的確定，因此需要進行參數率定。參數率定分為人工率定和自動率定，人工率定主要依賴于研究者的經驗，主觀性強且費時費力，而自動率定可有效提高模型求參準確性和效率。通常，水質水動力模型參數自動率定多借助Python和Matlab軟件[12-14]，主要方法有粒子群算法、遺傳算法、協方差矩陣自適進化、貝葉斯估計等[15-18]。利用Matlab軟件進行仿真計算，根據公式（3）～（5），設置流量步長為0.5，在0.20～5.52的范圍內進行流速u的循環求解，進而計算特征污染物COD濃度從Ⅲ類衰減至Ⅱ類所需流程。

3 結果分析

3.1 應急響應時間法劃定結果

某水庫為中型水庫，按照《規范》水庫型飲用水水源保護區的劃分技術要求，其一級保護區水域范圍確定采用類比經驗法，一級區水域為取水口半徑300 m范圍內的區域（見圖2）；一級區陸域范圍確定可采用地形邊界法、緩沖區法或類比經驗法，本文采用類比經驗法，以一級區水域外200 m范圍內的區域作為一級區陸域。采用應急響應時間法確定二級區水域范圍，對當地應對突發環境事件提出更高要求，要求應急響應時間必須≥2 h。因R河上游企業（點源）分布較為密集，且最近的企業距河直線距離為113 m，因此，可假設污染物泄漏即入河，即T0=1 s，可根據公式（1）～（4）計算得到保護區上邊界的水域最小距離為10.80 km。二級保護區陸域范圍確定采用地形邊界法，為入庫河流R上溯10.80 km的匯水區域，二級保護區陸域范圍不超過相應的流域分水嶺。準保護區范圍確定采用地形邊界法，即除一級保護區和二級保護區以外的流域范圍。

3.2 數值模型計算法劃定結果

按照《規范》中型水庫型飲用水水源保護區的劃分技術要求，某水庫一級保護區水域和陸域范圍確定采用類比經驗法，劃定結果見圖3。采用數值模型計算法確定二級保護區水域范圍，則二級保護區水域范圍應大于主要污染物從現狀水質濃度水平衰減到《GB 3838—2002地表水環境質量標準》相關水質標準要求的濃度水平所需的距離。以公式（4）和（5）為基礎，在Matlab軟件采用一維水質模型（公式（1））設置不同參數范圍，進行不同COD濃度水平下流速模擬（圖4），求得主要污染物（COD）從二級保護區邊界控制的Ⅲ類濃度水平衰減到《GB 3838—2002地表水環境質量標準》Ⅱ類水質標準濃度所需的最小距離為11.83 km，即二級保護區水域范圍為一級區水域外入庫河流R上溯11.83 km的河流水域。二級保護區陸域范圍確定采用地形邊界法，為入庫河流R上溯11.83 km的匯水區域，二級保護區陸域范圍不超過相應的流域分水嶺。準保護區范圍確定采用地形邊界法，即除一級保護區和二級保護區以外的流域范圍。

3.3 劃定結果對比分析

采用應急響應時間法和數值模型計算法劃定的飲用水水源保護區總體格局較為相似（圖2和圖3），

兩種方法劃定的一級保護區范圍一致，二級區保護區和準保護區有所不同，見表2。數值模型計算法較應急響應法劃定的二級保護區水域面積大0.01 km2，二級保護區陸域面積大9.42 km2，準保護區面積少9.43 km2。

4 結論與討論

（1）應急響應時間法和數值模型計算法分別從應對突發環境事件和水質目標達標的角度進行了系統設計，從方法源頭考慮環境風險和污染排放，為集中式飲用水水源保護區劃定提供了科學方法，兩種方法在水源保護區二級區和準保護區劃定范圍上有所不同。應急響應時間法對地方政府應急管理能力提出更高要求，特別是水源地上游點源污染分布密集或主要污染物為有毒有機物或重金屬的地區。

（2）因某水庫上游分布工業園區，環境風險等級較高，應系統構建應集應急準備、監測預警、事中應急處置和救援、事后恢復與重建、生態環境損害與鑒定、法律追責與問責為一體的全鏈條的風險應急體系，確保環境風險得到有效防控，飲用水水質穩定持續達標。

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The Application of Two Methods in the Classification of High Risk Drinking Water Source Protection Areas： Taking a Reservoir in the Mountain Area as an Example

JIA Hai-feng， WANG Wan-bin， GUAN Tang-zhen， LIU Fang

（Yunnan Academy of Ecological and Environmental Sciences， Kunming International Research Center for Plateau Lakes， Kunming Yunnan 650034， China）

Abstract： Taking a reservoir in the mountainous area as an example， the emergency response time method and numerical model calculation method were used to delineate the drinking water source protection area of a reservoir， respectively. The differences in the pattern of the protection areas delineated by the two methods were compared and analyzed in order to provide case studies and method references for the division and adjustment of high-risk drinking water source protection areas. The results indicated that the pattern of protected areas designated by the emergency response time method and numerical model calculation method was similar， but the two methods differ in the scope of secondary and quasi protected areas in the water source protection area. The suggestions for the construction of a risk emergency system for water source protection zones in response to the current environmental risk situation of the reservoir were proposed.

Key words： high risk; emergency response; numerical model; simulation; water quality model

收稿日期：2023-05-17

基金項目：云南省科技計劃項目重點研發計劃（202203AC1 00001）。

作者簡介：賈海鋒（1987- ），男，甘肅慶陽人，碩士，工程師，主要從事生態環境空間規劃研究。