地下水水源地保護區(qū)劃分方法研究

江廣長,馬　騰

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院,湖北 武漢 430074;2.中國地質(zhì)大學(武漢)環(huán)境學院，湖北 武漢 430074)

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地下水水源地保護區(qū)劃分方法研究

江廣長1,馬騰2

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院,湖北 武漢 430074;2.中國地質(zhì)大學(武漢)環(huán)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(qū)是保護地下水水源地的有效手段。發(fā)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(fā)展階段。重點對地下水水源地保護區(qū)的劃分方法即經(jīng)驗值法、公式計算法、解析模型法和數(shù)值模擬法的基本原理和適用特征進行了介紹。數(shù)值模擬法是近年來國內(nèi)外多選用的定量劃分地下水水源地保護區(qū)的方法，該法通過引入不確定性分析綜合確定各水文地質(zhì)參數(shù)對保護區(qū)劃分結(jié)果的影響，并與其他劃分方法相結(jié)合可以得到更為合理的劃分結(jié)果。將地下水防污性能研究引入到地下水水源地保護區(qū)劃分工作中，在快速發(fā)展的高性能計算機技術(shù)支撐下，可使地下水水源地保護區(qū)的劃分方法得到進一步發(fā)展與完善。關(guān)鍵詞：地下水；水源地；保護區(qū)；劃分方法；數(shù)值模擬

地下水資源既是重要的供水水源，也是生態(tài)系統(tǒng)的重要支撐，是維持水系統(tǒng)良性循環(huán)的重要保障。地下水的持續(xù)開發(fā)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(xiàn)象。因此，進行地下水水源地保護區(qū)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(huán)節(jié)，對防止地下水水源地污染，保護水源地環(huán)境質(zhì)量具有重要作用[1-2]。

發(fā)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(qū)劃分體制以及法規(guī)法律技術(shù)框架體系。例如德國已建立地下水水源地保護區(qū)2萬余個，并將地下水水源地保護區(qū)劃分為三個帶，分別對其范圍和水源利用做了詳細規(guī)定[3]；英國目前已劃定的井源保護區(qū)達數(shù)千個，并將保護區(qū)分為內(nèi)區(qū)、外區(qū)和流域區(qū)三個部分[4]；美國在1986年通過了《聯(lián)邦安全飲用水法案修正案》后，在全國范圍內(nèi)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(qū)的劃分研究相比發(fā)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(guī)定了建立飲用水水源保護區(qū)制度[6]；1989年國家環(huán)保局等多部門聯(lián)合頒布的《飲用水水源保護區(qū)污染防治管理規(guī)定》，對地表水和地下水水源地保護區(qū)的劃分做了原則性規(guī)定[7]；2007年國家環(huán)?？偩职l(fā)布的《飲用水水源地保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》是我國針對飲用水水源地保護區(qū)劃分最為系統(tǒng)的規(guī)范，其中對劃分標準、方法和要求等做了系統(tǒng)規(guī)定[8]。

在地下水水源地各級保護區(qū)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(zhì)及水文等條件、井源類型、供水數(shù)量和污染源分布等環(huán)境特征，因地制宜地確定劃分原則并合理選取保護區(qū)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(qū)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(qū)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(yōu)化和逐步改進。本文將對地下水源地保護區(qū)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(jié)，并探討其發(fā)展趨勢。

1地下水水源地保護區(qū)的劃分原則

地下水水源地保護區(qū)是為防治地下水水源地污染、保證水源地環(huán)境質(zhì)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(zhì)條件的復雜性和污染物質(zhì)的多樣性，在劃分地下水水源地保護區(qū)時，需要考慮地下水水源地劃分的理論原則和相關(guān)實際應用原則。因此，地下水水源地保護區(qū)的劃分應遵循以下幾項原則：

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

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

(3) 根據(jù)不同的水質(zhì)標準和保護要求劃分地下水水源地保護區(qū)。

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

(5) 充分利用地下水水源地的環(huán)境特征進行保護區(qū)劃分，既能防止地下水水源地附近地區(qū)對水源的直接污染，又能對突發(fā)性環(huán)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(qū)內(nèi)管理得力，相鄰行政區(qū)監(jiān)督有效。

2地下水水源地保護區(qū)的劃分方法

目前地下水水源地保護區(qū)的劃分方法主要有經(jīng)驗值法、公式計算法、解析模型法、數(shù)值模擬法等。

2.1經(jīng)驗值法

經(jīng)驗值法是以井中水質(zhì)為保護對象，根據(jù)多年實踐得到的經(jīng)驗值作為保護區(qū)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(qū)的方法。

對于早期的水源地保護區(qū)劃分研究，經(jīng)驗值法得到廣泛應用，包括以時間為標準的經(jīng)驗值法和以距離為標準的經(jīng)驗值法。以時間為標準的經(jīng)驗值法最早起源于20世紀30年代，德國研究學者Knorr根據(jù)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(shè)為一級保護區(qū)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(qū)，該經(jīng)驗值也被廣泛采用[14]。

我國的地下水水源地保護區(qū)劃分工作和研究始于對發(fā)達國家經(jīng)驗值法的參考與借鑒。根據(jù)我國地下水水源地的特征，在《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》中對地下水水源地保護區(qū)范圍經(jīng)驗取值提出了建議，詳見表1。該規(guī)范中主要針對平原地區(qū)地下水水源地保護區(qū)提出了具體的劃分細則，而根據(jù)水源地賦存地點類型不同，對于特殊地質(zhì)環(huán)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(qū)水源地的保護區(qū)范圍等則需要進行相應的調(diào)整[15]。

表1　孔隙水潛水型水源地保護區(qū)范圍經(jīng)驗值[7]

經(jīng)驗值法由于經(jīng)濟成本低，僅需較少的技術(shù)經(jīng)驗就可以在短時間內(nèi)完成大量的水源井保護區(qū)劃分工作，適用于地質(zhì)條件單一、小型潛水水源地保護區(qū)的劃分和其他保護區(qū)的初期劃分。隨著資料和技術(shù)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(jié)果進行核實。

2.2公式計算法

在單純依靠經(jīng)驗取值確定保護區(qū)半徑的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同地區(qū)地質(zhì)條件差異，依據(jù)水文學原理，選取典型水文地質(zhì)參數(shù)，通過公式計算得到分區(qū)半徑的方法得到發(fā)展。該方法可根據(jù)不同含水層、不同水源地類型的保護區(qū)特點，在適當調(diào)整保護區(qū)形狀、中心和延伸方向等因素的基礎(chǔ)上，最終確定保護區(qū)范圍。

中小型孔隙水潛水型水源地保護區(qū)，常采用《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》中標準化公式來計算保護區(qū)半徑，其計算公式為

R=αKIT/n

(1)

式中:R為保護區(qū)半徑(m)；α為安全系數(shù)，一般取150%；K為含水層滲透系數(shù)(m/d)；I為地下水水位降落漏斗范圍內(nèi)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(fā)生的承壓型水源地保護區(qū)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(qū)呈圓柱形，根據(jù)水量守恒原理，考慮抽水井濾管長度，在假定一定時間內(nèi)流入保護區(qū)體積內(nèi)的補給量等于抽水量的前提下，計算保護區(qū)半徑，其計算公式為

(2)

即

(3)

式中:rt為對應時間t的保護區(qū)半徑(m)；Q為抽水速率(m3/s)；t為各級保護區(qū)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(shù)據(jù)量較少，但由于主觀性較強，難以滿足實際地質(zhì)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(qū)強度過高或過低，難以解決復雜水源地保護區(qū)問題[16]。

2.3解析模型法

解析模型法的前提是將水文地質(zhì)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(tài)等，不考慮數(shù)學方程在求解過程中的困難。即將含水系統(tǒng)簡化為理想含水層模型，如假設(shè)含水層均質(zhì)各向同性、等厚，滲流區(qū)是圓形、矩形或無限，邊界條件簡單等，在這些假設(shè)條件下，采用連續(xù)變量建立水流方程，并用解析法求得未知量，得到區(qū)域內(nèi)任意時刻或地點所求量的數(shù)值，然后根據(jù)所選技術(shù)標準劃分保護區(qū)范圍，可以較好地解決水文地質(zhì)條件簡單的水源地保護區(qū)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(qū)的主要方法，開發(fā)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(nèi)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(shù)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(wěn)定流解析解[22]的研究等，但并未應用于水源地保護區(qū)的劃分中，僅是單純的井流求解問題。

2.4數(shù)值模擬法

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

數(shù)值模擬法常借助計算機軟件實現(xiàn)實際系統(tǒng)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(qū)巖溶裂隙含水層的等效多孔介質(zhì)模型；Giudici等[25]構(gòu)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(yè)地下水重金屬污染物的時空遷移與擴散規(guī)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(qū)進行了一級和二級保護區(qū)的劃分;韓京龍等[28]結(jié)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(qū)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(jù)不同的時間標準確定一級和二級保護區(qū)范圍。

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

3存在的問題與展望

我國對地下水水源地保護區(qū)研究起步較晚，雖然頒布了《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)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(qū)劃分實現(xiàn)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(qū)劃分時應當因地制宜，尤其對于特殊地質(zhì)環(huán)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(qū)水源地的保護區(qū)范圍則需要進行相應的調(diào)整。

通過對地下水水源地保護區(qū)的多種劃分方法進行對比分析顯示，現(xiàn)階段地下水水源地保護區(qū)劃分研究的主要特點是逐步向應用數(shù)學模型方向發(fā)展。數(shù)值模擬法是近年來國內(nèi)外多選用的定量劃分保護區(qū)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(guī)律，并基于計算機軟件模擬技術(shù)的迅猛發(fā)展，該法能較準確地劃分水源地保護區(qū)。盡管如此，數(shù)值模型在建立過程中仍然存在參數(shù)及條件刻畫的不確定性，尤其對于復雜水文地質(zhì)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(qū)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(shù)值模擬法中引入不確定性分析，綜合確定各水文地質(zhì)參數(shù)對保護區(qū)劃分結(jié)果的影響，以得到更為可靠的結(jié)果。

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

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

開展地下水源地保護區(qū)劃分工作應在全面了解研究區(qū)環(huán)境水文地質(zhì)特征、污染源的空間分布和地下水的污染種類特征的基礎(chǔ)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(qū)劃分工作中，結(jié)合研究區(qū)地下水防污性能特征，進一步完善該區(qū)域地下水保護區(qū)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(qū)內(nèi)的土地利用、設(shè)施建設(shè)標準等做出相關(guān)規(guī)定，可更好地實現(xiàn)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(huán)境變化等方面的研究。E-mail：mateng@cug.edu.cn