甄立達 胡成

(沈陽建筑大學(xué)，遼寧 沈陽 110623)

改革開放以來，由于重工業(yè)的蓬勃發(fā)展，水資源遭到嚴重污染。其中淡水緊缺一直是困擾我國的一大問題。地下水資源具有埋藏深、不容易受到污染、開采容易等優(yōu)點。我國絕大部分飲用水來自于地下水。但是地下水一旦受到污染,極難修復(fù)。因此設(shè)立保護區(qū)是飲用水不受破壞的強有力的有效手段[1]。

設(shè)立水源保護區(qū)以國家的規(guī)章條文為基礎(chǔ)[2]。歐美發(fā)達國家對水資源的保護意識較早，也制定了一些規(guī)章制度體系作為劃分依據(jù)[3]，我國雖然起步較晚，但在近些年已經(jīng)追趕上了發(fā)達國家，使地下飲用水的保護系統(tǒng)更加完善。

1 水資源保護區(qū)劃分的研究歷程

一些發(fā)達國家對地下水保護區(qū)劃分的研究有超過300a的經(jīng)驗，根據(jù)劃分原則一般采用3級劃分方法。早在18世紀中葉，德國就頒布了對于地下飲用水保護的相關(guān)法律條文《水法》，并于18世紀末建立了第1個水質(zhì)保護區(qū)。經(jīng)過上百年的實踐總結(jié)，對水源保護區(qū)的劃分研究已經(jīng)相對成熟，建立約2萬個飲用水水源保護區(qū)[4]，并建立國際上著名的50日流程等直線[7]。

英國在20世紀中葉頒布《1963年水法》，標志著其對水源保護的重視。地下水源保護區(qū)的建立到現(xiàn)在有大約100a多[5]。經(jīng)過半個多世紀的研究，英國已經(jīng)建立了近1000個水資源保護區(qū)[2]。

美國至今沒有設(shè)立關(guān)于水源地保護的法律，其水資源的技術(shù)手段多以相關(guān)法律《安全飲用水法案》等作為支撐建立一系列保護體系，如WHPP(Well Head Protection Preogram)[6]。20世紀末，美國環(huán)境部門(EPA)建立了WHPAs來維護水資源，從而總結(jié)出了相對完整的水源保護法則。

我國在這方面的起步較晚。1984年頒布《水污染防治法》[10]經(jīng)過2008年和2017年修正更新，提出了建立水源保護區(qū)的規(guī)則，明確根據(jù)實際要求，重新微調(diào)保護區(qū)的半徑，保障水資源不受污染。在2005年發(fā)布的《加強環(huán)境保護的決定》[11]中強調(diào)，要實際與理論相結(jié)合，使劃分的理由更具有科學(xué)性，切實增強水源保護。2012年提出要合理規(guī)劃與布局水源地，在科學(xué)的基礎(chǔ)上合理劃定水源保護區(qū)，對不符合標準的及時進行調(diào)整。2016年頒布的水污染防治措施中強調(diào)，排除保護區(qū)內(nèi)不合理的構(gòu)筑物和污染源頭。綜合來看，我國雖然起步晚，但發(fā)展較快，目前已經(jīng)建立了適合我國地下飲用水保護的體系法規(guī)。

2 地下水源保護區(qū)的劃分方法

劃分飲用水保護區(qū)是為了保障水質(zhì)安全，防止水質(zhì)受到破壞。設(shè)立保護區(qū)要根據(jù)當?shù)厮牡刭|(zhì)條件和不同物質(zhì)造成水資源破壞為基礎(chǔ)，結(jié)合理論與實際應(yīng)用，并且能夠?qū)?yīng)急性事件采用強有力措施的原則來劃分保護區(qū)。劃分地下水保護區(qū)的方法有很多種，如經(jīng)驗值法、計算半徑法、解析解法和數(shù)值模擬法等[9]。

2.1 經(jīng)驗值法

經(jīng)驗值法是把觀測井中的水看作研究的主體，由經(jīng)驗參數(shù)當作基礎(chǔ)，劃分各級保護區(qū)(形狀大都是圓形)。M.Knorr等發(fā)明的“50日流程等時線”就是典型的經(jīng)驗值法，即水中的病原菌在地下水層的存活周期≤50d的范圍，作為一級保護區(qū)的界限。早期大多數(shù)國家都采用經(jīng)驗法，我國早期也采用經(jīng)驗值的方法，并在1989年采用國際上的3級劃分法[8]。該方法因為沒有考慮到水文地質(zhì)參數(shù)等問題，所以得出的結(jié)果可靠性差、準確性較低。該方法適用于資料嚴重缺乏的水源地。

2.2 計算半徑法

此方法是上一種方法的升級，即根據(jù)水文地質(zhì)參數(shù)為前提，選取適當?shù)膮?shù)，通過計算公式求得其半徑(一般是圓形)。該方法因考慮其所在區(qū)域的各種參數(shù)，所以比上一種方法更加準確。本方法適用于中小型水源地保護區(qū)。

水源地保護區(qū)半徑計算常采用美國CFR(Calculated Fixed Radius)計算法[12]。該方法是假設(shè)保護區(qū)近似看成圓柱形，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在一定時間內(nèi)抽出水與流入水相等下，計算出其半徑，計算公式：

式中，Q為抽水量；t為遷移時間；b為抽水井中含水層厚度；n為有效孔隙度；rt為保護區(qū)半徑。

2.3 解析法

地下水流動解析法是將水文地質(zhì)條件理想化，即含水層等厚，各項介質(zhì)均質(zhì)，不考慮地質(zhì)類型或不考慮地下含水層類別及形態(tài)且滲流區(qū)是圓形等。在此基礎(chǔ)上建立方程求解，根據(jù)具體的標準來設(shè)立保護區(qū)，確定其范圍。這種方式適用于穩(wěn)定流方程求解，適合用在不太復(fù)雜的水文地質(zhì)水源地區(qū)域。穩(wěn)定流方程：

式中，Q為開采量；i為水力梯度；T為導(dǎo)水系數(shù)。

20世紀末，主要用該方式劃分保護區(qū)。Bair[13]等研究出了CAPZONE模型；Shafer[14]開發(fā)出GWPATH模型。Bair等[15]用這2種模型相互結(jié)合得到了更加理想的結(jié)果。

2.4 數(shù)值模型法

數(shù)值模型法現(xiàn)已經(jīng)作為國際上劃分保護區(qū)的首選方法。2007年，我國頒布的《規(guī)范》(HJ/T338—2007)里強調(diào)對于日供水量大于5×104m3的大型水源保護區(qū)，其保護半徑需通過數(shù)值模型法求得。其核心內(nèi)容是把所在區(qū)域重新劃分成很多小的單位單元，每個單元看成均質(zhì)的，選擇合適的參數(shù)，得到合理的水文地質(zhì)概念模型，將變量離散化建立方程。用數(shù)值法求解，并模擬研究區(qū)內(nèi)的水流狀態(tài)；最終根據(jù)質(zhì)點在地下水層的路徑與在地下水層停留的時間等前提規(guī)劃各級保護區(qū)。

此方法的實施需要與計算機相配合，使其結(jié)果更加準確。其中，最具有代表性的是地下水模擬系統(tǒng)(Groundwater Modeling System)，簡稱GMS。包含MODFLOW、MT3DMS、RT3D等主要計算模塊。由于GMS軟件具有清晰直觀的三維立體視圖，為當下各國首選的、最代表性的地下水模擬軟件。

肖杰等[15]采用MODFLOW軟件建立地下水滲流場，由運移時間的長短不同確定了各級保護區(qū)范圍。

3 劃分水源保護半徑——以勝科水務(wù)為例

沈陽勝科水務(wù)有限公司(簡稱勝科)主要從事自來水的生產(chǎn)、供應(yīng)、銷售，水廠、取水設(shè)備及供水管網(wǎng)建設(shè)、維修、維護的生產(chǎn)經(jīng)營活動。每天供水量最高可達11萬t。供水對象為經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)的企業(yè)及居民，服務(wù)居民約為10萬人，服務(wù)企業(yè)超過1000家，包括可口可樂、采埃孚、沈陽機床、米其林、貝卡爾特、東北制藥、康師傅、NSK、特變電工、沈陽鼓風(fēng)、遠大博林特、三一重工、北方重工、統(tǒng)一食品等中外知名企業(yè)。

勝科水源所處的沈陽經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)位于陰山東西復(fù)雜構(gòu)造帶東延部位，與新華夏系第2個一級隆起帶和第2個一級沉降帶的交接部位。隱伏構(gòu)造有東西向構(gòu)造、新華夏系構(gòu)造、華夏系構(gòu)造、北西向構(gòu)造及南北向構(gòu)造，被大厚度第4紀松散堆積物所掩埋。東西向構(gòu)造、新華夏系構(gòu)造均為壓性斷裂。華夏系構(gòu)造有壓性斷裂和褶皺。勝科水源所在區(qū)域處于沈陽凸起之上。

2016年中央環(huán)保督查組對勝科水源進行了督查，發(fā)現(xiàn)部分水源井保護區(qū)內(nèi)存在違規(guī)問題，提出了整改要求。為此沈陽經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)管委會、勝科公司積極開展整改，對問題水源井進行整改并重新劃分保護區(qū)。

2010年原遼寧省環(huán)境保護廳遼環(huán)發(fā)〔2010〕56號及2018年遼寧省政府遼政〔2018〕163號，對勝科的水源井保護區(qū)范圍進行了批復(fù)。第1次劃分即以水井為圓心，以30m為半徑的地區(qū)劃為一級保護區(qū)，將一級區(qū)外徑300m距離當作二級保護區(qū)。2010年勝科水源保護區(qū)劃定時因技術(shù)、時間限制，對水源井的承壓性未得出明確結(jié)論，故此在劃定過程中采用了更為嚴格的標準。

2017年勝科委托沈陽中惠工程勘察有限公司編制了《沈陽勝科水務(wù)有限公司地下水給水工程水文地質(zhì)調(diào)查分析報告》，報告明確，根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件調(diào)查及成井結(jié)構(gòu)分析，沈陽勝科水務(wù)有限公司地下水源井成井結(jié)構(gòu)為承壓井，取水層位為上更新統(tǒng)(Q3)松散巖類孔隙承壓水含水層和中下更新統(tǒng)(Q1)松散巖類孔隙承壓水含水層。

2018年修訂版《規(guī)范》中強調(diào)，在設(shè)定保護區(qū)時需結(jié)合本地區(qū)域的實際情況來劃定保護區(qū)，并對此提出了新的標準。需要結(jié)合勝科水務(wù)地下井為承壓水型地下水源井的實際情況，對水源保護區(qū)實行優(yōu)化。承壓型飲用水保護區(qū)只設(shè)一級，不設(shè)二級保護區(qū)；有要求時，將補給區(qū)劃為準保護區(qū)[16]承壓水含水層的補給源為多向補給，主要為區(qū)域側(cè)向徑流補給[17]。

近年為切實解決中央環(huán)保督查提出的勝科水源保護區(qū)環(huán)境問題，在綜合考慮環(huán)境、經(jīng)濟、社會效益后，經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)及勝科新建水源井(新建水源井38眼)，在解決環(huán)保問題同時保障區(qū)域居民、企業(yè)用水需求，維護社會穩(wěn)定。故此需要對新建的38眼水源井劃定保護區(qū)。

由于本區(qū)域的水文地質(zhì)參數(shù)等相關(guān)資料收集相對比較全面，故此采用數(shù)值模型法。對于模型計算結(jié)果，構(gòu)建溶質(zhì)遷移數(shù)值模型，逐步計算100d溶質(zhì)遷移距離，同時利用經(jīng)驗公式校核；將模型計算結(jié)果、經(jīng)驗公式計算結(jié)果、經(jīng)驗值中的最大值作為本方案水源井一級保護區(qū)劃定依據(jù)。

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)條件參數(shù)概念，建立地下水污染質(zhì)運移模型：

c(x,y,t)|t=0=0(x,y)∈D

c(x,y,t)|Г=c1(x,y,t) (x,y)∈Г1,Г2,Г3,Г4,t>0

式中，D為模擬區(qū)域；Г1，Г2，Г3，Г4為已知濃度邊界；n為含水層介質(zhì)的孔隙度，無量綱；c為污染質(zhì)濃度，mg·L-1；Dx，Dy為水動力彌散系數(shù)在x、y方向的分量，m2·d-1；vx、vy為滲透流速v在x、y方向上的分量，m·d-1；I單位為mg·m-2·d-1。

數(shù)學(xué)模擬模型建立之后，運用GMS軟件中的MODFLOW，MT3DMS工具箱對數(shù)學(xué)模型進行求解，計算得到各水源井的保護半徑。根據(jù)已有的水文參數(shù)水力坡度為0.00069，滲透系數(shù)為60m·d-1，有效孔隙度為0.28，以溶質(zhì)運移擴散的最大路徑當作一級保護半徑。計算出各水源井溶質(zhì)100d遷移距離15.13～18.61m。

運用經(jīng)驗公式計算溶質(zhì)100d遷移距離：

R=α×K×I×T/n

式中，R為保護半徑(即100d遷移距離)，m；α為安全系數(shù)，一般取150%；K為含水層滲透系數(shù)，m·d-1；I為水力梯度；T為溶質(zhì)水平遷移時間，取100d；n為有效孔隙度。利用經(jīng)驗公式法計算距離為9.54～20.7m。

4 結(jié)論

由于計算機具有解出一些復(fù)雜數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，對復(fù)雜的含水結(jié)構(gòu)層地質(zhì)構(gòu)造進行了剖析，以及數(shù)值模擬方法的科學(xué)性，建議多運用數(shù)值模擬模型結(jié)合經(jīng)驗公式科學(xué)地劃分保護半徑，使保護半徑更加合理，并適用于大型的地下水水源保護區(qū)的研究劃分。并且采用3級劃分的方法來劃分保護區(qū)域。

根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算各水源井溶質(zhì)100d遷移距離為15.13～18.61m，經(jīng)驗公式法計算距離為9.54～20.7m?？梢钥闯?，應(yīng)用經(jīng)驗公式法模擬計算得到的保護半徑，與運用地下水污染質(zhì)運移模型計算得到的保護半徑總體相對，結(jié)果基本吻合，計算結(jié)果較為可靠。

因模型計算、經(jīng)驗公式計算的保護區(qū)半徑均較小，為更好更有效地保護水源，則推薦按照《規(guī)范》中經(jīng)驗值確定最終一級保護區(qū)半徑。

表1

勝科水務(wù)的水源井為孔隙水承壓型井，以水源井為中心，半徑30m的圓形區(qū)劃定為一級保護區(qū)，通過對潛水與承壓水、地表水與承壓水水質(zhì)分析，區(qū)域內(nèi)潛水水質(zhì)、地表水系水質(zhì)與承壓水基本無關(guān)聯(lián)，以水源井為中心在一級保護區(qū)外徑向延伸一定范圍劃為準保護區(qū)基本不會對水源井起到保護作用。

借鑒《規(guī)范》發(fā)布后吉林省及河北省對承壓水水源井的批復(fù)，本方案建議暫不劃定準保護區(qū)，在日后技術(shù)、經(jīng)濟條件更為成熟、水文地質(zhì)調(diào)查資料更為細致充分或國家明晰補給區(qū)劃定方法后再進行劃定準保護區(qū)。

需要在水廠內(nèi)部對勝科水源地設(shè)置監(jiān)測點位，監(jiān)測頻次為每月2次。根據(jù)沈陽市城市集中式飲用水水源地保護水質(zhì)要求，水源地水質(zhì)應(yīng)達到或優(yōu)于《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848-2017)Ⅲ類標準。全年常規(guī)監(jiān)測中，地下水全指標監(jiān)測2次，每月必測指標11項。并進行預(yù)警監(jiān)控狀況，包括預(yù)警監(jiān)控完成率和視頻監(jiān)控完成率2項指標。