數(shù)值法在磐石市地下水水源地保護區(qū)劃分的應用

韓京龍，黃麗麗，劉春玲，李立軍，馬 靜

（1.吉林省水文水資源局延邊分局，吉林 延吉133000；2.大連理工大學 土木水利學院，遼寧 大連116024；3.吉林省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，吉林 長春130000）

磐石市地處吉林省中南部，位于松嫩平原向長白山過渡地帶。區(qū)內(nèi)地表水資源量較少，并且多由地下水補給，城鎮(zhèn)供水目前全部依賴地下水。地下水水源地分布區(qū)位于人類活動強度較大的河谷區(qū)，人類生活及生產(chǎn)活動易直接或間接造成地下水的污染。近年來隨著城市規(guī)模的逐步擴大，人口的不斷增加，工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，對水資源的需求量逐漸增加，水資源供需矛盾日益突出。由于對地下水的大量開采，已呈現(xiàn)出市區(qū)地下水水質(zhì)惡化和開采水位降落漏斗擴展的趨勢。特別是磐石市城市供水采用直供方式，沒有凈水廠，保護水源地不受污染尤為重要。為了確保磐石市地下水資源的可持續(xù)利用，加強對磐石市生活飲用水水源地的保護和污染防治工作的監(jiān)督和管理，使有限的地下水資源發(fā)揮其最大的社會經(jīng)濟效益和生態(tài)環(huán)境效益，劃分地下水水源地的保護區(qū)并采取相應的防護措施具有重要的現(xiàn)實意義。

1 磐石市飲用水源地概況

磐石市市政供水水源地分布在城區(qū)的北部及西部,主要用于磐石市市區(qū)居民的生活用水及郊區(qū)農(nóng)村生活用水，共有3個水源地，供水井20眼，日平均開采地下水13 400 m3，供水人口6.8萬。

1）三水源地位于松散巖類孔隙潛水區(qū)，沿河谷分布。補給來源主要為大氣降水補給及開采條件下河流入滲補給。包氣帶巖性為為亞粘土或亞砂土，厚度小，枯水期為3～10 m，抗污染能力較弱，農(nóng)業(yè)用水和生活污水易通過包氣帶入滲污染地下水；同時該水源地含水層與擋石河水力聯(lián)系密切，污染物也可能隨著河水滲漏污染地下水。

2）水源地位于裂隙巖溶富水帶，是承壓水水源地，現(xiàn)有供水井5口，已超量開采，造成地下水位持續(xù)下降，處于以市區(qū)為中心的水位降落漏斗區(qū)，主要補給來源為降水入滲補給和低山丘陵區(qū)側(cè)向徑流補給。包氣帶巖性為亞粘土，厚度約為13～18 m，但該水源地位于農(nóng)業(yè)區(qū)，污染物易隨大氣降水和灌溉水入滲進入包氣帶，污染地下水。

2 飲用水地下水水源地保護區(qū)劃分的技術(shù)指標

1）時間標準。運移時間，即污染物在地下水中運移，到達開采井位或某一邊界所經(jīng)歷的時間。一般情況要考慮3種情況：

a）一般病原菌衰減至允許濃度水平的時間。參考相關(guān)資料，以沙門氏桿菌為代表，沙門氏桿菌的存活期為44～55 d，喪失其病原影響需要60 d[1,2]，為確保安全，使水源地劃分符合國家標準，參照《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》，取100 d。

b）病原菌以外的污染物在地下運移降解到滿足水源地水質(zhì)標準的時間。地下水水源地二級保護區(qū)是為防止病原菌以外的其他污染。地下水開采會形成一定范圍的降落漏斗，漏斗區(qū)的污染物進入含水層會最大限度地影響供水水質(zhì)，并且漏斗區(qū)地下水流速較大，進入含水層的超標物質(zhì)會很快遷移到供水井。一般情況下，污染物從漏斗遷移至水源井的時間長短不等，并且土壤對不同污染物的凈化能力不同，為了保證所有水源井二級保護區(qū)劃分的一致性，也為了便于統(tǒng)計和管理，參照《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》和國內(nèi)外劃分經(jīng)驗[3]，取病原菌以外污染物在地下運移降解到滿足水源水質(zhì)標準的時間為1 000 d。

c）水源地運行時間。二級保護區(qū)外的補給區(qū)和徑流區(qū)為準保護區(qū)。但這樣劃分存在以下問題：1）若補給邊界離水源井很遠時，則準保護區(qū)劃分的范圍太大，不利于開發(fā)自然資源，沒有必要；2）若水源補給邊界離水源井非常近，且規(guī)范中沒有涉及對河流水質(zhì)的要求及河流屬于何類保護區(qū)的范圍。我國有許多學者[4]提出采用25年的遷移距離作為準保護區(qū)半徑，原因是一般認為水源井的開采期限，即運行時間為25年。因此本文認定，在水源地補給邊界離水源地非常近時，以水源地補給邊界作為準保護區(qū)范圍，同時考慮河流水質(zhì)的影響；在水源地補給邊界離水源地非常遠時，以25年的遷移距離作為準保護區(qū)半徑。

2）距離標準。

a）防治一般病原菌的有效距離。100 d的時間用于病原菌自地表經(jīng)包氣帶進入地下水的時間和水平徑流到集水井的時間，有效距離按水平徑流到集水井的最大距離確定。其距離大小由60 d中扣去垂直入滲時間，即剩余時間乘以攜帶病原菌的地下水流速來決定。

b）防止病原菌以外的污染物的有效距離為1 000 d內(nèi)一般污染物的污染距離。

c）保護水源地水量和水質(zhì)的有效半徑為水源地二級保護區(qū)以外的主要補給區(qū)。本文提出保護水源地水量和水質(zhì)的有效半徑為水源地運行時間25年內(nèi)污染物在地下水中遷移的距離。

3）地下水流邊界。已知地下水流動分界線和含水層邊界。

4）凈化能力。污染物在地下水中遷移，經(jīng)過一定時間或距離衰減到某一濃度水平。

5）污染事故。已發(fā)生的污染事件。

3 地下水水源地保護區(qū)劃分

本文采用加拿大WHI開發(fā)的有限差分法數(shù)值模擬軟件Visual MODFLOW中的MODFLOW和MODPATH進行計算。在地下水流場模擬的基礎(chǔ)上，根據(jù)地下水水源地各級保護區(qū)的時間標準，運行MODPATH，用示蹤粒子的逆向軌跡，劃定各級保護區(qū)的范圍。

3.1 模擬地下水流場

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件確定磐石市周邊河谷區(qū)（60 km2）為數(shù)值模擬計算區(qū)，將具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的松散巖類孔隙含水介質(zhì)及裂隙巖溶、花崗巖風化裂隙含水介質(zhì)作為計算目的層。

計算區(qū)頂部邊界為潛水面，底部以裂隙巖溶發(fā)育帶和花崗巖風化裂隙帶的底界作為隔水邊界。將該區(qū)地下水流動的模型概化為非均值、各個同性、二維、潛水非穩(wěn)定地下水流數(shù)學模型，并采用Visual MODFLOW求解。

3.2 劃分地下水水源地保護區(qū)

根據(jù)已建模型和水源地保護區(qū)劃分的時間標準，預測地下水流場，然后對水源地開采井設(shè)置示蹤粒子、粒子追蹤方向、質(zhì)點釋放時間和MODPATH的Reference Time，運行MODPATH，得各級保護區(qū)的范圍。

1）一級保護區(qū)的確定。一級保護區(qū)的時間標準為100 d，根據(jù)預測的地下水流場，在水源地各個開采井所在的單元中心設(shè)置示蹤質(zhì)點環(huán)，由于MODFLOW中的地下水開采井為面狀開采，即開采井的開采量加在了其所在單元上，因此把整個單元作為開采井，設(shè)定的示蹤環(huán)盡可能覆蓋在整個單元上，即環(huán)在單元內(nèi)盡可能大，環(huán)上設(shè)100個質(zhì)點，在模擬流場的基礎(chǔ)上，運行MODPATH，用反向示蹤法（將示蹤水質(zhì)點定義在地下水的排泄區(qū)，水質(zhì)點由排泄區(qū)示蹤追溯返回到補給區(qū)）確定示蹤粒子在100 d內(nèi)的逆向軌跡。

連接示蹤粒子的逆向跡線的起點構(gòu)成示蹤粒子100流程等值線。然后對環(huán)和等值線在Auto cad里同時同距進行偏移，使環(huán)半徑盡可能小，環(huán)與等值線間的相對距離不變，即流線的形狀、長度、流向不變。平移偏移后的環(huán)與等值線至開采井處，可得井內(nèi)質(zhì)點的100 d流程的等值線，即地下水水源地開采井的一級保護區(qū)邊界。本文對3個水源地開采井的最長100 d流線長度進行了統(tǒng)計：一水源地開采井的最長100 d流線平均值約為63 m；二水源地開采井的最長100 d流線平均值約為68 m；三水源地開采井的最長100 d流線平均值約為50 m。

根據(jù)所得的流線，可看出水源地的補給來源。開采井從某個方向獲得地下水補給越多，該方向上流線就越長，否則較短。從3個水源地所有開采井的100 d流線看出，在對開采井不存在補給或補給較小的方向，開采井的流線中有很多幾乎為零，即該方向上的污染源在一級保護區(qū)的時間標準內(nèi)，不會對水源地造成污染。但為了確保安全，從保護井口的安全、衛(wèi)生，防止人為污染物通過井口或井壁濾層污染水源地的目的出發(fā)，根據(jù)生活飲用水衛(wèi)生標準規(guī)定的地下水衛(wèi)生防護帶半徑確定，一級保護區(qū)邊界到開采井的距離不得小于30 m。

2）二級保護區(qū)的確定。利用數(shù)值模擬的1 000 d預測模型，按上述求100 d流程等值線的方法，獲得各個開采井的1 000 d流程等值線，且對3個水源地開采井的最長1 000 d流線長度進行了統(tǒng)計：一水源地開采井的最長1 000 d流線平均值約為630 m；二水源地開采井的最長1 000 d流線平均值約為470 m；三水源地開采井的最長1 000 d流線平均值約為300 m。

由二級保護區(qū)流線等值線，可看出按現(xiàn)狀開采，運行1 000 d內(nèi)各個水源地的補給來源。

因為第一、二、三水源地均為集中式供水水源地，可分別劃分各水源地保護區(qū)，但由于水源地水井分布不集中，一水源地的1 014井即位于一、三水源地之間，同時也為了防止農(nóng)村生活生產(chǎn)對水源地造成面源污染，要將人口聚居地劃分到水源地二級保護區(qū)范圍內(nèi)。

綜上所述，為了便于管理，根據(jù)各個開采井的1 000 d流程等值線、補給范圍、河流影響及人口聚居地，同時考慮該區(qū)的水文地質(zhì)條件，綜合確定3個水源地二級保護區(qū)的范圍為：北至建設(shè)，南到喜安北，東以奶牛場、大榆樹、紅東土屯，西鄰東小甸子、瓦坊。

3）準保護區(qū)的確定。數(shù)值模擬法劃分地下水水源地保護區(qū)時，劃分的研究區(qū)一般均在流域補給邊界（分水嶺）以內(nèi)或以流域補給邊界為界，用MODPATH進行質(zhì)點示蹤，其流線起點不會超出研究區(qū)，最長延伸到研究區(qū)邊界，因此采用數(shù)值模擬法劃分地下水水源地準保護區(qū)時，引用時間標準25年，如果運算出來流線起點延伸到研究區(qū)邊界，地下水水源地保護區(qū)就要以水源地補給邊界為界，否則，則以各開采井的25年流程等值線為界。

利用數(shù)值模擬的25年預測模型，同時運行MODPATH的反向示蹤，按上述求100 d流程等值線的方法，獲得各個開采井的25年流程等值線，即地下水開采井的準保護區(qū)邊界。本文對3個水源地開采井的25年最長流線長度進行了統(tǒng)計：一水源地開采井的最長25年流線平均值約為3 600 m；二水源地開采井的最長25年流線平均值約為2 200 m；三水源地開采井的最長100 d流線平均值約為2 300 m。

由運行結(jié)果可知，3個水源地開采井的25年流程等值線的起點，雖未達研究區(qū)邊界，但部分地區(qū)已經(jīng)接近邊界：第一水源地在種畜場、多種經(jīng)營場、牟家、常家、北螞蟻一帶，第二水源地在干溝子、東小甸子、東紙坊、孤頂子、瓦坊一帶，第三水源地在紅東土附近，其開采井的25年流程等值線起點都靠近研究區(qū)邊界，可見3個水源地在運行25年后，均接受基巖裂隙水的側(cè)向徑流補給。

從運行結(jié)果還可看出，以現(xiàn)狀條件開采25年，第二水源地206號井要接受磐石市區(qū)地下水的補給，使地下水位降落漏斗擴大，水質(zhì)下降的可能增加。由水質(zhì)資料可知磐石市區(qū)一帶地下水為重污染區(qū)和嚴重高污染區(qū)，水質(zhì)差，因此要將該區(qū)劃為保護區(qū)，減少該區(qū)污染排放量，使其逐漸凈化，否則將會影響第二水源地水質(zhì)。

第一、三水源地均屬于傍河開采水源地，開采條件下襲奪河水補給地下水，河水已成為地下水的重要補給源之一，河水水質(zhì)嚴重影響一、三水源地的水質(zhì)。同時第一、二、三水源地均是集中供水式水源地，開采井之間互相干擾，以現(xiàn)狀開采條件運行25年后，從運行結(jié)果可看出，井之間的影響加大，25年流程等值線交錯分布，補給區(qū)重合，無法單獨對每個水源地進行保護區(qū)劃分。

綜上所述，為了保護水源地補給水源的水量和水質(zhì)，據(jù)水源地開采井的25年流線等值線和水源地的補給范圍，綜合確定3個水源地準保護區(qū)范圍為：北至團結(jié)、牟家一帶，南到西興立，西以研究區(qū)邊界為界，東鄰紅土屯。

4 結(jié)語

1）引用《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》，明確地下水水源地保護區(qū)劃分的時間標準：一級保護區(qū)為100 d，二級保護區(qū)為1 000 d，準保護區(qū)根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗和資料確定為25年。

2）數(shù)值模擬法劃分地下水水源地保護區(qū)可以詳細地刻畫含水層特征，劃分結(jié)果可信度較高。而結(jié)合粒子逆向運動跡線，可以按照不同的時間標準，達到定量劃分保護區(qū)范圍的目的。

［1］李立爭.劃分地下水水源地區(qū)的研究［J］.中國環(huán)境科學，1995，15（5）：338－341.

［2］孫景云，左犀.地下水飲用水源地的保護［J］.環(huán)境保護，1996（5）：20-24.

［3］崔建國,王俊嶺,何英華.試論地下水水源保護區(qū)劃分的時間標準［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2002，12（2）：68-69.

［4］高秀娟，王聰明，褚全家.飲用地下水源保護區(qū)劃分界線的探討［J］.山西水利科技（增刊），1996（12）：22-26.