侯長鴻，楊 柳，黃一恒，高潤禧，劉炯弘，圣 振，齊 媛，陳志金

(中國礦業(yè)大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

1 引言

近年來，隨著工業(yè)化和城市化建設的不斷推進，我國諸多城市的飲用水安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)[1, 2]。原環(huán)境保護部調(diào)度處理的重大及敏感突發(fā)環(huán)境事件中，60%以上涉及地表水飲用水水源地[3]。飲用水污染問題嚴重影響人民的生命健康，保障飲用水安全，成為生態(tài)治理工作的重中之重。劃分飲用水水源保護區(qū)是保障飲用水安全最有效的措施[4]。截至2018年，全國大部分飲用水水源地已依法完成了保護區(qū)劃定工作[5]，但存在劃分方案以舊版水源地劃分規(guī)范為技術(shù)指導標準，劃分的保護區(qū)范圍過大導致整治困難、無法有效應對突發(fā)性水污染事件等問題[1, 4～7]。舊版規(guī)范已難以適應當前飲用水水源監(jiān)管需求[5]。2018年3月，生態(tài)環(huán)境部對舊版規(guī)范進行修訂，印發(fā)了《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(HJ-338-2018)(以下簡稱“新規(guī)范”)[5]。新規(guī)范立足“風險防控”理念，強調(diào)風險管理和應對突發(fā)事件的管理能力，劃分方法中增加了應急響應時間法；強調(diào)利用地理信息系統(tǒng)等技術(shù)對保護區(qū)進行科學合理的劃分[1, 5]。本研究結(jié)合新規(guī)范及相關政策要求，以廣西壯族自治區(qū)某市為例，開展河流型集中式飲用水水源地保護區(qū)進行重新劃分，旨在科學劃分保護區(qū)范圍、建立應急響應機制，為該市集中式飲用水水源地的污染防治工作與保護積極跟進國家政策與標準，提供技術(shù)支持和理論依據(jù)，同時為其他城市的集中式飲用水水源地保護工作提供借鑒。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)水源地屬于河流型集中式飲用水水源地，分布了4個供水水廠，分別是A水廠、B水廠、C水廠和D水廠，均取水于某河流干流。水文資料顯示，該河流平均流量1250 m3/s，年徑流量為395億m3，汛期為4～9月份，枯水期為10月至次年3月份，歷史最大流量33700 m3/s，最小流量為70 m3/s，多年平均水位70.94 m，最高水位92.43 m，最低水位68.48 m。目前，該市飲用水水源地重點影響區(qū)內(nèi)無工業(yè)企業(yè)、無規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場、網(wǎng)箱養(yǎng)殖及其他較大的污染源和風險源。所有的排污口已全部截流，城市污水均通過污水截污收集系統(tǒng)輸送至污水處理廠。截至2018年，該河流沿岸仍存在潛在的污染隱患，如農(nóng)村地區(qū)產(chǎn)生的污水沒有經(jīng)過特殊處理，傾倒在河流附近地區(qū)，垃圾等廢棄物也存在沿河隨意堆放現(xiàn)象，如果沒有防滲處理，經(jīng)雨水沖刷，污染廢棄物會隨水流直接進入水體。水源地上游小規(guī)模水產(chǎn)養(yǎng)殖以及水上垂釣等人類活動也會對水體造成潛在的污染威脅。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.2.1 DEM數(shù)據(jù)

數(shù)字高程數(shù)據(jù)(Digital Elevation Model，DEM)是水文分析的基礎。研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)是在全球ASTER GDEM 第一版DEM數(shù)據(jù)中選取的研究區(qū)范圍的分幅圖像，利用該市行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)，通過ArcMap裁剪獲得，UTM/WGS84投影，空間分辨率為30m。該市行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)來源于國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心。

2.2.2 各取水口基本數(shù)據(jù)

依據(jù)實地不同情況選擇適宜當?shù)氐膭澐旨夹g(shù)方法，是新規(guī)范著重體現(xiàn)的思想原則，因此收集詳細的取水口附近基本資料是正確劃分保護區(qū)范圍的前提。該市生態(tài)環(huán)境局提供了各取水口的經(jīng)緯度坐標及其附近的防洪堤壩現(xiàn)狀、枯水期水面寬度、兩岸地形地貌類型、通航情況等基礎數(shù)據(jù)(表1)。同時根據(jù)該市生態(tài)環(huán)境局提供的水質(zhì)監(jiān)測報告，2018年全年該市地表飲用水源水質(zhì)均滿足GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅱ類水質(zhì)要求。

表1 研究區(qū)水源地基礎數(shù)據(jù)

3 水源地保護區(qū)劃分依據(jù)與方法

3.1 劃分依據(jù)

依據(jù)《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(HJ 338-2018)和《廣西壯族自治區(qū)飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)方法》(桂環(huán)函〔2015〕918號)[8, 9]，確定本研究采用類比經(jīng)驗法開展一級保護區(qū)范圍劃分研究，采用應急響應時間法和地形邊界法開展二級保護區(qū)范圍劃分研究，其中應急響應時間法應用于二級保護區(qū)水域范圍劃分，地形邊界法應用于二級保護區(qū)陸域范圍劃分。

3.2 一級保護區(qū)劃分方法

類比經(jīng)驗法是指按照相關法規(guī)、文件規(guī)定、依據(jù)統(tǒng)計結(jié)果和管理者的實踐經(jīng)驗，確定保護區(qū)范圍的一種方法[9]。該方法應用相對簡單，具有較強的可操作性，但該方法適用的水源地條件較高，要求取水口附近地形地貌相對簡單、流域范圍較小、污染源分布較為簡單或無污染源[5]。由于該市水源地各取水口附近地形都為平原，河流水質(zhì)狀況良好，且上游無重大風險源。因此本文采用類比經(jīng)驗法對該市水源地一級保護區(qū)陸域和水域范圍進行劃分具有科學合理性(表2)。

表2 研究區(qū)一級保護區(qū)劃分

3.3 二級保護區(qū)劃分方法

3.3.1 水域范圍劃分

針對當前我國飲用水水源地突發(fā)環(huán)境事件高發(fā)的態(tài)勢，新規(guī)范借鑒歐美國家流程時間的劃分理念，提出了應急響應時間法確定地表水源水域保護區(qū)的劃分方法[5, 10]。應急響應時間法是指應急響應時段內(nèi)，污染物到取水口的流程間距作為保護區(qū)水域長度的一種計算方式[9]。新規(guī)范對水源地保護工作提出了更高要求。由于該市集中式飲用水水源地均為河流型水源地，且河流沿岸仍存在農(nóng)業(yè)、漁業(yè)等生產(chǎn)活動，為應對突發(fā)性水污染事件，建立保護區(qū)應急響應機制，因此選用該方法進行水源地二級保護區(qū)水域范圍的劃分。保護區(qū)上界限的水域間距的具體計算公式為：

(1)

式(1)中：S為保護區(qū)水域長度，m；Ti為從取水口上游推算第i河段物質(zhì)遷移的時間，s；Vi為第i河段平水期多年平均徑流量下的流速，m/s。

應急響應時間的制定目前國內(nèi)還沒有統(tǒng)一標準[5]，主要依據(jù)各地方政府應對突發(fā)事故的能力確定，應急響應時間一般要超過2 h[9]。瑞典以24 h流程內(nèi)的河段作為河流型水源地二級保護區(qū)水域的長度[5]；美國同樣有類似的劃分方法，確保一旦發(fā)生事故，水廠有足夠的時間關閉取水口[5, 10]。鑒于河流沿岸仍存在潛在污染源，以及我國正處于突發(fā)性水污染事件頻發(fā)階段，本文將處于河流上游的A水廠的應急響應時間取48 h，其他水廠取8 h。其計算公式為：

T=T0+∑Ti

(2)

式(2)中：T0為應急響應時間，s；Ti為污染物流入最近河段的時間，s。

河流流量依據(jù)水動力學公式：

Q=A×V

(3)

式(3)中：Q為河流流量，m3/s；A為橫截面積，m2；V為河流流速，m/s。

為了便于計算，在實際計算過程中，可將河流橫截面積概化為矩形，取每個取水點附近多個河流寬度求平均值，計算出取水點附近河段的平均流速。進而代入公式(1)，得到各取水點所需應急響應時間與水域長度(表3)。

表3 應急響應時間法計算的水域長度

3.3.2 地形邊界法

目前,我國水源地保護區(qū)陸域劃分較多采用類比經(jīng)驗法[2]。但在二級保護區(qū)劃分中，該方法劃定的保護區(qū)范圍缺乏整體流域保護思想[5]。新規(guī)范在地表水源陸域劃分方法中，借鑒歐美國家全流域保護理念，增加了地形邊界法[5]。地形邊界法是指以飲用水水源周邊的分水嶺作為各級保護區(qū)邊界的方法[9]。采用地形邊界法是為了從流域范圍控制突發(fā)環(huán)境事件產(chǎn)生的污染物和非點源匯入水體[5]，但往往依據(jù)此方法劃分的范圍過大，導致難以進行嚴格監(jiān)管[11～13]。

鑒于河流沿岸仍存在潛在污染源，且周圍地形多為丘陵和洼地，本文利用ArcGIS水文分析模塊，通過分析水源地地形特征，提取水源地集水區(qū)域，以最鄰近河流的集水區(qū)域邊界作為地形邊界。相比以分水嶺作為地形邊界，該方法將大大減小保護區(qū)范圍，同時可以對河流周邊環(huán)境污染風險進行有效管控。因此，本文將急響應時間法應用于二級保護區(qū)水域范圍劃分，地形邊界法應用于二級保護區(qū)陸域范圍劃分(表4)，以確保劃分范圍更加科學有效。

表4 研究區(qū)二級保護區(qū)劃分方案

4 基于ArcGIS的飲用水水源地子流域提取

隨著精確詳細的DEM數(shù)據(jù)的方便獲取和ArcGIS軟件的應用，ArcGIS水文分析模塊憑借處理時間短、處理結(jié)果精確等特點在提取河網(wǎng)和提取匯水流域中得到了廣泛應用，可以快速精準地提取匯水范圍。流域是指具有共同出水口的地表水所流經(jīng)的集水區(qū)域，是最基本的水文單元。流域邊界即分水嶺，是將2個不同流域分隔的地理邊界[14]。ArcGIS水文分析就是從DEM數(shù)據(jù)中提取地形要素特征從而生成流域范圍和河網(wǎng)分布情況[15]。本研究基于ArcGIS水文分析模塊，提取子流域范圍，開展二級陸域保護區(qū)劃分。具體過程主要為無洼地DEM計算、水流方向確認、累積量計算、提取河流網(wǎng)絡、提取子流域[16]。

4.1 無洼地DEM計算

洼地是指柵格單元被周圍其他較高高程的柵格單元環(huán)繞，形成一個內(nèi)排水范圍[17]。雖然有些地方是真實的洼地，但絕大部分的洼地是由生成DEM時，計算錯誤所導致的。因此，在水文分析之前，必須去除這些洼地。無洼地DEM計算最常用的方法是將像元值加高到周圍最像元值[18]。利用FillSinks功能獲得研究區(qū)無洼地DEM計算結(jié)果。

4.2 水流方向確認

柵格單元的水流指向是指水流流經(jīng)次此網(wǎng)格時的方向[19]。水流方向決定了徑流路徑，之后進行的河網(wǎng)和匯水區(qū)域的提取，都是以此為基礎的[15]。流向確認中，ArcGIS使用的方法是八方向法，通過將中心柵格的8個鄰域柵格編碼，中心柵格的水流方向便可由其中的某一值來確定，即通過計算中央柵格與鄰域柵格的最大間距權(quán)落差來確定[20]。間距權(quán)落差是指中央柵格與鄰域柵格的海拔差除以兩柵格之間的間距，柵格間的間距與方向有關[21]。利用Flow Direction功能獲得水流方向的結(jié)果。

4.3 累積量計算

匯流累積量是基于流水方向數(shù)據(jù)計算獲得的[15]。流量累計柵格對每個像元列出經(jīng)過它的像元數(shù)[19]。匯流累積量的基本思想是：以規(guī)則格網(wǎng)表現(xiàn)的DEM模型每點處有一個單位的水量，按照自然水流從相對海拔高處流往相對海拔低處的自然規(guī)律，根據(jù)地區(qū)地形的流向數(shù)據(jù)獲取每點處流經(jīng)的水量數(shù)值，便獲取了該區(qū)域的匯流累積量[17]。利用Flow Accumulation功能獲得累積量的結(jié)果。

4.4 提取河流網(wǎng)絡

給定臨界累積閾值，流量累積柵格可導出河網(wǎng)[21]。首先，在無洼地DEM上計算水流方向，然后計算匯流累積量。給定一個集水面積閾值，凡是超過該閾值的網(wǎng)格均列為河網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)格，將這些網(wǎng)格拼接起來，就匯集成了流域河網(wǎng)。選用不同閾值會得到不同河網(wǎng)，具有很大不確定性[15]。利用地圖代數(shù)來進行河網(wǎng)提取，得到閾值10000的河流網(wǎng)絡。

4.5 提取子流域

集水區(qū)域是指流經(jīng)其中的河流從一個共同的出水口排泄從而形成的一個匯集的排水范圍。流域間的分界線即為分水嶺[16]。分水線閉合圈出的區(qū)域稱為一條水系的流域。集水流域的計算思路如下：先確定排泄點，即該集水區(qū)的相對高程最低點，綜合水流方向，分析尋找該排泄點上游所有流經(jīng)該出水口的網(wǎng)格，一直搜索到流域的邊界，也就是搜索到分水嶺的位置為止[19]。利用Watershed功能得到子流域的結(jié)果。根據(jù)以上河流網(wǎng)絡，運用ArcGIS水文分析模塊，進一步獲得該市集水區(qū)域劃分圖。

5 研究區(qū)飲用水水源地保護區(qū)劃分

5.1 研究區(qū)水源地一級保護區(qū)劃分結(jié)果

5.1.1 A水廠水源地一級保護區(qū)劃分

一級保護區(qū)水域范圍：A水廠取水口上游1.1 km至下游150 m，長度為1.25 km，寬度為中泓線到河岸300 m。

一級保護區(qū)陸域范圍：寬度為靠右側(cè)岸邊縱深50 m的河流沿岸,或有防洪堤的內(nèi)側(cè)臨江陸域，長度與水域長度相等，得到具體劃分結(jié)果(圖1)。

5.1.2 B水廠水源地一級保護區(qū)劃分

一級保護區(qū)水域范圍：B水廠取水口上游1.1 km至下游110 m，長度為1.21 km。寬度為左側(cè)岸邊到河面300 m。

一級保護區(qū)陸域范圍：寬度為靠左側(cè)岸邊縱深50 m的河流沿岸, 或有防洪堤的內(nèi)側(cè)臨江陸域，長度與水域相等，得到具體劃分結(jié)果(圖2)。

圖1 A水廠水源地一級保護區(qū)范圍

圖2 B水廠水源地一級保護區(qū)范圍

5.1.3 C水廠水源地一級保護區(qū)劃分

一級保護區(qū)水域范圍：C水廠取水口上游1.1 km至下游140 m。長度為2.24 km，寬度為右側(cè)岸邊到河面350 m。

一級保護區(qū)陸域范圍：靠右側(cè)岸邊縱深50 m的河流沿岸，或有防洪堤的內(nèi)側(cè)臨江陸域，長度與水域相等，得到具體劃分結(jié)果(圖3)。

圖3 C水廠水源地一級保護區(qū)范圍

5.1.4 D水廠水源地一級保護區(qū)劃分

一級保護區(qū)水域范圍：D水廠取水口上游1.1 km至下游130 m。長度為1.23 km，寬度為右側(cè)岸邊到河面350 m。

一級保護區(qū)陸域范圍：靠右側(cè)岸邊縱深50 m的河流沿岸，或有防洪堤的內(nèi)側(cè)臨江陸域，長度與水域相等，得到具體劃分結(jié)果(圖4)。

圖4 D水廠水源地一級保護區(qū)范圍

5.2 研究區(qū)水源地二級保護區(qū)劃分結(jié)果

由于4個水廠分布較為集中，且位于同一條河流上下游，每個水源地的二級保護區(qū)上下游都有重疊。為了使地形邊界法表現(xiàn)得更加直觀，以及更能體現(xiàn)整體流域保護思想，因此將二級保護區(qū)劃分采用整體劃分的方法。

二級保護區(qū)水域范圍為：A水廠上游16.9 km至D水廠下游0.3 km，除一級保護區(qū)水域范圍，全長17.2 km的整個河段。

二級保護區(qū)陸域劃分方法采用地形邊界法，其長度為二級保護區(qū)長度，其陸域范圍為與二級保護區(qū)水域最鄰近的集水區(qū)域的范圍，得到具體劃分結(jié)果(圖5)。

對該市A、B、C、D 4個水源地一級保護區(qū)和二級保護區(qū)劃分結(jié)果進行整理和總結(jié)，計算出劃分參數(shù)及各保護區(qū)水域陸域面積(表5)。

6 結(jié)論

研究區(qū)城市水源地保護工作水平位于全國前列，基礎數(shù)據(jù)規(guī)范、全面，因此本文以該市飲用水水源地為例，圍繞河流型水源地保護區(qū)劃分展開探討，依據(jù)《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》(HJ-338-2018)等國家標準，探求有效落實水源地保護區(qū)“風險防控”理念的技術(shù)方法。研究結(jié)果主要有以下3點：一是將類比經(jīng)驗法應用于一級保護區(qū)水域陸域范圍劃分；二是將急響應時間法應用于二級保護區(qū)水域范圍劃分，并確定了48 h應急響應時間；三是利用ArcGIS水文分析模塊提取集水區(qū)域，將地形邊界法應用于二級保護區(qū)陸域范圍劃分。

圖5 研究區(qū)飲用水水源地二級保護區(qū)范圍

表5 研究區(qū)飲用水水源地保護區(qū)劃分情況

本文與前人相關研究[4,6,7,11]的結(jié)論一致，認為河流型水源地保護區(qū)劃分依舊采用分級劃分的方法，使得保護區(qū)管理更有層次性。與前人研究不同的是本文的水源地劃分思想立足于“風險防控”理念，將應急響應時間法和地形邊界法首次應用到研究區(qū)水源地保護區(qū)劃分中，并參照國內(nèi)外相關研究，確定了應急響應時間；將ArcGIS水文分析模塊應用于確定地形邊界，科學劃分了集水范圍，同時有效減少了保護區(qū)面積。本研究將風險防控理念落實于水源地保護區(qū)劃分，為我國各城市開展集中式飲用水水源地保護區(qū)劃分提供思路與方法借鑒。同時，本文也存在一定不足：第一，由于難以獲取城市規(guī)劃方面的數(shù)據(jù)，本文在水源地保護區(qū)劃分中忽略了該市整體土地規(guī)劃方案要求，水源地保護區(qū)劃分結(jié)果可能與城市土地規(guī)劃方案相沖突。第二，本文缺乏對已規(guī)劃好的水源地保護區(qū)進行環(huán)境評價，對水源地保護區(qū)污染防治工作沒有提出建設性意見。今后，亟需對水源地保護區(qū)劃分作進一步系統(tǒng)性的研究和探討。