江廣長(zhǎng),馬　騰

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

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地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分方法研究

江廣長(zhǎng)1,馬騰2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074)

摘要：科學(xué)地劃分和建立地下水水源地保護(hù)區(qū)是保護(hù)地下水水源地的有效手段。發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)地下水資源的保護(hù)工作已有百余年的歷史，而我國(guó)尚處于發(fā)展階段。重點(diǎn)對(duì)地下水水源地保護(hù)區(qū)的劃分方法即經(jīng)驗(yàn)值法、公式計(jì)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(jìn)行了介紹。數(shù)值模擬法是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外多選用的定量劃分地下水水源地保護(hù)區(qū)的方法，該法通過(guò)引入不確定性分析綜合確定各水文地質(zhì)參數(shù)對(duì)保護(hù)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(hù)區(qū)劃分工作中，在快速發(fā)展的高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)支撐下，可使地下水水源地保護(hù)區(qū)的劃分方法得到進(jìn)一步發(fā)展與完善。關(guān)鍵詞：地下水；水源地；保護(hù)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(yán)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(jìn)行地下水水源地保護(hù)區(qū)的劃分，將其納入決策者實(shí)施地下水管理及保護(hù)措施的重要環(huán)節(jié)，對(duì)防止地下水水源地污染，保護(hù)水源地環(huán)境質(zhì)量具有重要作用[1-2]。

發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)地下水資源的保護(hù)工作已有100多年的歷史，比較有代表性的國(guó)家如德國(guó)、英國(guó)和美國(guó)等均建立了較完備的地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分體制以及法規(guī)法律技術(shù)框架體系。例如德國(guó)已建立地下水水源地保護(hù)區(qū)2萬(wàn)余個(gè)，并將地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分為三個(gè)帶，分別對(duì)其范圍和水源利用做了詳細(xì)規(guī)定[3]；英國(guó)目前已劃定的井源保護(hù)區(qū)達(dá)數(shù)千個(gè)，并將保護(hù)區(qū)分為內(nèi)區(qū)、外區(qū)和流域區(qū)三個(gè)部分[4]；美國(guó)在1986年通過(guò)了《聯(lián)邦安全飲用水法案修正案》后，在全國(guó)范圍內(nèi)開展井源保護(hù)計(jì)劃WHPP(WellHeadProtectionPreogram)，旨在保護(hù)水井免受人類活動(dòng)污染[5]。而我國(guó)地下水水源地保護(hù)區(qū)的劃分研究相比發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚，1984年頒布的《中華人民共和國(guó)水污染防治法》中規(guī)定了建立飲用水水源保護(hù)區(qū)制度[6]；1989年國(guó)家環(huán)保局等多部門聯(lián)合頒布的《飲用水水源保護(hù)區(qū)污染防治管理規(guī)定》，對(duì)地表水和地下水水源地保護(hù)區(qū)的劃分做了原則性規(guī)定[7]；2007年國(guó)家環(huán)?？偩职l(fā)布的《飲用水水源地保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》是我國(guó)針對(duì)飲用水水源地保護(hù)區(qū)劃分最為系統(tǒng)的規(guī)范，其中對(duì)劃分標(biāo)準(zhǔn)、方法和要求等做了系統(tǒng)規(guī)定[8]。

在地下水水源地各級(jí)保護(hù)區(qū)劃分過(guò)程中，既要遵循地下水保護(hù)的一般要求與原則，又要針對(duì)不同水源地特有的地質(zhì)及水文等條件、井源類型、供水?dāng)?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(hù)區(qū)劃分方法[9-10]。在實(shí)際工作中，受上述差異性因素影響，地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分存在一定的不確定性[11-12]，但隨著人們對(duì)地下水水源地保護(hù)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(jìn)。本文將對(duì)地下水源地保護(hù)區(qū)的劃分原則及其主要?jiǎng)澐址椒ǖ幕驹怼⒉襟E和適用條件等進(jìn)行介紹和總結(jié)，并探討其發(fā)展趨勢(shì)。

1地下水水源地保護(hù)區(qū)的劃分原則

地下水水源地保護(hù)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(guó)主要采用三級(jí)控制。由于地下水水源地水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性和污染物質(zhì)的多樣性，在劃分地下水水源地保護(hù)區(qū)時(shí)，需要考慮地下水水源地劃分的理論原則和相關(guān)實(shí)際應(yīng)用原則。因此，地下水水源地保護(hù)區(qū)的劃分應(yīng)遵循以下幾項(xiàng)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?dāng)?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(hù)區(qū)劃分技術(shù)指標(biāo)和合理的劃分方法。

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

(3) 根據(jù)不同的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和保護(hù)要求劃分地下水水源地保護(hù)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(hù)區(qū)范圍應(yīng)盡可能小。

(5) 充分利用地下水水源地的環(huán)境特征進(jìn)行保護(hù)區(qū)劃分，既能防止地下水水源地附近地區(qū)對(duì)水源的直接污染，又能對(duì)突發(fā)性環(huán)境污染事件有采取緊急補(bǔ)救措施的時(shí)間和緩沖地帶。

(6) 劃分方案應(yīng)有利于強(qiáng)化目標(biāo)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(hù)區(qū)的劃分方法

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

2.1經(jīng)驗(yàn)值法

經(jīng)驗(yàn)值法是以井中水質(zhì)為保護(hù)對(duì)象，根據(jù)多年實(shí)踐得到的經(jīng)驗(yàn)值作為保護(hù)區(qū)半徑，以水源地開采井為中心，以該半徑直接劃定各級(jí)保護(hù)區(qū)的方法。

對(duì)于早期的水源地保護(hù)區(qū)劃分研究，經(jīng)驗(yàn)值法得到廣泛應(yīng)用，包括以時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)值法和以距離為標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)值法。以時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)驗(yàn)值法最早起源于20世紀(jì)30年代，德國(guó)研究學(xué)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(shí)間不超過(guò)50d，建立了“50日流程等值線”理論，并將其設(shè)為一級(jí)保護(hù)區(qū)范圍[13]。英國(guó)則于1984年提出以距離為標(biāo)準(zhǔn)，建立半徑3km圓形保護(hù)區(qū)，該經(jīng)驗(yàn)值也被廣泛采用[14]。

我國(guó)的地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分工作和研究始于對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)驗(yàn)值法的參考與借鑒。根據(jù)我國(guó)地下水水源地的特征，在《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》中對(duì)地下水水源地保護(hù)區(qū)范圍經(jīng)驗(yàn)取值提出了建議，詳見表1。該規(guī)范中主要針對(duì)平原地區(qū)地下水水源地保護(hù)區(qū)提出了具體的劃分細(xì)則，而根據(jù)水源地賦存地點(diǎn)類型不同，對(duì)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(hù)區(qū)范圍等則需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整[15]。

表1　孔隙水潛水型水源地保護(hù)區(qū)范圍經(jīng)驗(yàn)值[7]

經(jīng)驗(yàn)值法由于經(jīng)濟(jì)成本低，僅需較少的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)就可以在短時(shí)間內(nèi)完成大量的水源井保護(hù)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(hù)區(qū)的劃分和其他保護(hù)區(qū)的初期劃分。隨著資料和技術(shù)的補(bǔ)充以及對(duì)劃分精度要求的提高，則需要采用相對(duì)復(fù)雜的方法對(duì)其劃分結(jié)果進(jìn)行核實(shí)。

2.2公式計(jì)算法

在單純依靠經(jīng)驗(yàn)取值確定保護(hù)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(xué)原理，選取典型水文地質(zhì)參數(shù)，通過(guò)公式計(jì)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(hù)區(qū)特點(diǎn)，在適當(dāng)調(diào)整保護(hù)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(hù)區(qū)范圍。

中小型孔隙水潛水型水源地保護(hù)區(qū)，常采用《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》中標(biāo)準(zhǔn)化公式來(lái)計(jì)算保護(hù)區(qū)半徑，其計(jì)算公式為

R=αKIT/n

(1)

式中:R為保護(hù)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(shí)間(d)；n為含水層有效孔隙度。

與圓形半徑計(jì)算法相似，對(duì)于無(wú)越流發(fā)生的承壓型水源地保護(hù)區(qū)半徑計(jì)算常采用美國(guó)CFR(CalculatedFixedRadius)計(jì)算法[16]。該方法的原理是假定保護(hù)區(qū)呈圓柱形，根據(jù)水量守恒原理，考慮抽水井濾管長(zhǎng)度，在假定一定時(shí)間內(nèi)流入保護(hù)區(qū)體積內(nèi)的補(bǔ)給量等于抽水量的前提下，計(jì)算保護(hù)區(qū)半徑，其計(jì)算公式為

(2)

即

(3)

式中:rt為對(duì)應(yīng)時(shí)間t的保護(hù)區(qū)半徑(m)；Q為抽水速率(m3/s)；t為各級(jí)保護(hù)區(qū)的運(yùn)移時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)(s)；n為含水層孔隙度；b為抽水井濾管長(zhǎng)度(m)。

公式計(jì)算法簡(jiǎn)單易行，需要的數(shù)據(jù)量較少，但由于主觀性較強(qiáng)，難以滿足實(shí)際地質(zhì)條件，且忽略了影響污染物運(yùn)移的部分因素條件，使其精度不高，常導(dǎo)致劃分保護(hù)區(qū)強(qiáng)度過(guò)高或過(guò)低，難以解決復(fù)雜水源地保護(hù)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(jìn)行簡(jiǎn)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(xué)方程在求解過(guò)程中的困難。即將含水系統(tǒng)簡(jiǎn)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(wú)限，邊界條件簡(jiǎn)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(shí)刻或地點(diǎn)所求量的數(shù)值，然后根據(jù)所選技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)劃分保護(hù)區(qū)范圍，可以較好地解決水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的水源地保護(hù)區(qū)劃分。在20世紀(jì)80年代末到90年代初，該方法成為劃分地下水水源地保護(hù)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(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)解析模型法進(jìn)行了大量的實(shí)例研究和論證，如對(duì)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(dǎo)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(yīng)用于水源地保護(hù)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(gè)滲流區(qū)域剖分成若干個(gè)小的單元，各單元近似認(rèn)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(gè)單元流動(dòng)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(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡與時(shí)間等條件劃定各級(jí)保護(hù)區(qū)[23]。

數(shù)值模擬法常借助計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)的模擬和計(jì)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(yù)測(cè)其海水入侵問題；盧曉華[26]采用FEFLOW模型預(yù)測(cè)了某企業(yè)地下水重金屬污染物的時(shí)空遷移與擴(kuò)散規(guī)律；李星宇等[27]采用MODPATH模型對(duì)隱伏巖溶地下水水源地保護(hù)區(qū)進(jìn)行了一級(jí)和二級(jí)保護(hù)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(duì)磐石市地下水水源地保護(hù)區(qū)的范圍進(jìn)行了劃分;肖杰等[29]采用MODFLOW軟件建立地下水滲流場(chǎng)，并應(yīng)用MODPATH模型對(duì)地下水水源地抽水井進(jìn)行粒子逆向示蹤模擬，根據(jù)不同的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)確定一級(jí)和二級(jí)保護(hù)區(qū)范圍。

采用數(shù)值模擬法計(jì)算地下水水源地保護(hù)區(qū)范圍，可以客觀并較為詳細(xì)地刻畫實(shí)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(fù)雜的地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分，尤其對(duì)于大型地下水水源地保護(hù)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(guò)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(duì)保護(hù)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(guó)對(duì)地下水水源地保護(hù)區(qū)研究起步較晚，雖然頒布了《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》，使得地下水資源保護(hù)有法可依，并對(duì)地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，但是對(duì)其還需要進(jìn)一步加以完善，對(duì)不同類型水源地進(jìn)行保護(hù)區(qū)劃分時(shí)應(yīng)當(dāng)因地制宜，尤其對(duì)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(hù)區(qū)范圍則需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

通過(guò)對(duì)地下水水源地保護(hù)區(qū)的多種劃分方法進(jìn)行對(duì)比分析顯示，現(xiàn)階段地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分研究的主要特點(diǎn)是逐步向應(yīng)用數(shù)學(xué)模型方向發(fā)展。數(shù)值模擬法是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外多選用的定量劃分保護(hù)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(jì)算機(jī)軟件模擬技術(shù)的迅猛發(fā)展，該法能較準(zhǔn)確地劃分水源地保護(hù)區(qū)。盡管如此，數(shù)值模型在建立過(guò)程中仍然存在參數(shù)及條件刻畫的不確定性，尤其對(duì)于復(fù)雜水文地質(zhì)條件的水源地，其模型概化過(guò)程中存在一定的誤差，使得劃分的保護(hù)區(qū)與實(shí)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(duì)保護(hù)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(jì)算法與數(shù)值模擬法相結(jié)合，先利用公式計(jì)算法對(duì)區(qū)域條件控制的優(yōu)勢(shì)，粗略地確定保護(hù)區(qū)范圍，使得數(shù)值模擬調(diào)整參數(shù)時(shí)不至于脫離實(shí)際，然后利用數(shù)值模擬法，對(duì)已劃定的保護(hù)區(qū)域進(jìn)行校正，以此得到更為準(zhǔn)確的劃分結(jié)果。

(3) 按研究對(duì)象水文地質(zhì)條件等的復(fù)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(hù)區(qū)的劃分研究。對(duì)于地下水非均質(zhì)、不確定性、各向異性等問題，可通過(guò)優(yōu)化數(shù)值模型加以解決。

開展地下水源地保護(hù)區(qū)劃分工作應(yīng)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(jìn)行,并將地下水防污性能研究[30]引入到地下水源地保護(hù)區(qū)劃分工作中，結(jié)合研究區(qū)地下水防污性能特征，進(jìn)一步完善該區(qū)域地下水保護(hù)區(qū)范圍的劃分工作，綜合評(píng)估地下水的污染風(fēng)險(xiǎn)，制定相應(yīng)的污染控制措施，對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)的土地利用、設(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)等做出相關(guān)規(guī)定，可更好地實(shí)現(xiàn)地下水資源的保護(hù)。

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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(hào)：1671-1556(2016)03-0036-04

收稿日期：2016-01-21修回日期：2016-02-18

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40872157)

作者簡(jiǎn)介：江廣長(zhǎng)(1981—)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)樗牡厍蚧瘜W(xué)、地下水污染與防治。E-mail:gcjiang@cug.edu.cn

中圖分類號(hào)：X3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(dǎo)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