基于解析單元法的地下水源地保護區劃定方法與應用

田文英

（遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）

基于解析單元法的地下水源地保護區劃定方法與應用

田文英

（遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）

目前國內地下水水源保護區的劃分較粗放，沒有一套專門用于地下水水源保護區劃分的軟件。本文通過實例介紹解析單元法軟件WhAEM 2000在水源地保護區劃分的應用，結果表明，該方法在滿足一定精度的前提下提高了工作效率。

解析單元法；WhAEM 2000；水源地；水源保護區

地下水是人類寶貴的自然資源，由于地下水污染具有隱蔽性、埋藏分布的復雜性以及具有流速慢、稀釋能力差的特點，地下水水源地的保護通常以“預防為主”，根據水文地質條件與工農業生產布局，科學劃分地下水保護區的范圍，至關重要。

1 目前國內外保護區范圍確定原則

目前我國與大多數發達國家都將保護區分為3個等級類型。只是各國保護區劃分的具體時間及距離指標略有不同，但原則上都采用了三級劃分的體系。

2007年1月9日，國家環?？偩职l布了《飲用水水源保護區劃分技術規范》HJ/T338-2007，根據《規范》，一級保護區是以地下水取水井為中心，溶質質點遷移100天的距離為半徑所圈定的范圍。一級保護區位于水源地開采井周圍，其功能主要是保證集水有一定的滯后時間，以防止細菌類和污染物直接進入開采井中，防止有害物質滲入，消除水源污染的可能性，保證水源地出水安全。二級保護區位于一級保護區之外，溶質質點遷移1000天的距離為半徑所圈定的范圍。補給區和徑流區為準保護區［1］。

2 目前保護區范圍圈定的技術方法及適用條件

根據目前國內外保護區劃分體系，圈定地下水水源地保護區范圍的方法很多，每種方法及適用條件如下。

2.1 經驗公式法

本方法主要是將距離取水井或者取水井群固定距離的范圍劃定為保護區，距離水源井的距離采用固定值或者通過多年時間總結出來的分區標準，或通過調查水源地地理位置、水文、氣象、含水層覆蓋層的保護能力，水動力特征、水源地類型及規模和研究區其他水文地質特征，選取構建經驗公式，求出各級保護區半徑。此種方法確定保護區范圍簡單，但沒有考慮水流系統的自身特征。

2.2 解析模型法

本方法是對水源地所在地的地質、水文地質條件加以簡化和概化，構建只保留天然地質體的主要影響因素的物理模型，從模型出發，用簡潔的解析公式刻畫模型的水流關系、地質特征，然后根據保護區劃分標準，求出各級保護區范圍。解析模型法劃分保護區，所需數據少，精度較通過經驗計算保護區半徑的方法好。但是此方法對含水層做了很多假設，實際情況要比概化過的模型復雜的多，因此對于水文地質條件比較復雜的地區不適用此方法。

2.3 數值模型法

此方法通常借助專業地下水數值模型軟件來完成，對天然地質體進行概化并通過數學模型模擬，力求達到復制實際水流系統基本狀態的目的，在流場求解的基礎上，選擇合適的保護區劃分技術標準圈定保護區范圍。

3 國內地下水保護區劃分技術方法

由于國內地下水水源地多，保護區劃定的工作量大，目前國內地下水保護區的劃定普遍采用的方法是經驗公式法與簡單的解析公式分析的方法，基本上都是按照一定的假設或經驗建立方程，通過方程計算得到半徑值，或者根據經驗估算半徑值，其間不考慮水流系統的自身特征，將這個固定半徑值的范圍作為水源地保護區范圍。

目前國內地下水數值模型的逐漸發展也有很多研究人員嘗試通過各種地下水數值模型軟件來計算保護區范圍，但是數值模型數據需求量大，模型搭建周期長，而地下水水源地又很多，每個水源地都搭建數值模型不太現實。因此需要一種方法，既能保證時間周期短、且考慮到水文、氣象、水文地質、地下水流場等多種影響因素條件下的保護區劃定方法。美國應用較多的WhAEM2000模型軟件就是為了劃定保護區特別開發的一套解析模型法軟件，兼顧了效率與物理因素。

4 軟件介紹

4.1 軟件介紹

WhAEM2000是基于解析單元法的地下水單層含水層Dupuit-Forchheimer模型，是解析模型法的一種，由美國環境保護署完成開發，該模型軟件利用解析單元法對均值含水層抽水進行求解，包括水文邊界的影響，如河流、補給、隔水邊界及非均質體等。該方法在地下水數值計算領域得到迅速應用，它避免了利用網格或單元對含水層系統的離散化，對復雜的區域地下水問題主要依靠模型中解析單元的疊加來解決。該方法對非均值承壓與潛水含水層都適用［2］。

4.2 基本原理

解析單元法（Analytic Element Method，簡稱AEM）是美國明尼蘇達大學Otto Strack教授于上世紀70年代末創立的一種地下水運動分析方法，應用復變函數理論的奇點法構造地下水流動的數學模型，在該方法中與地下水流動有關的特征元素被稱為單元，他們包括：自然或人工地表水體，如河流、湖泊、運河等；抽水井及水源地；入滲或越流補給含水層；含水層參數，如滲透系數、厚度等［3］。

此方法來源于解析模型法，但是對計算區進行了單元劃分，避免了一般解析模型法將整個計算區概化成一個獨立水文地質體，不能真實反應復雜水文地質條件的弊端，相較數值模型法又避免搭建數值模型需要大量的地質、水文、地下水等數據，模型搭建周期長的問題。

4.3 應用步驟

查明研究區地質及水文地質條件，地下水開發利用條件，水文及氣象條件，地下水補徑排關系。

（1）構建水文地質概念模型，為了便于對地下水系統進行分析，通過對野外實際問題的簡化，建立數學模型，組織相關數據。具體內容包括識別模型邊界條件、確定含水巖組，形成接近現實的地下水流動系統。

（2）模型的識別與調參，通過對模型的水文地質參數進行識別，使得模型地下水動態特征與實測的動態特征相一致。

（3）根據保護區范圍劃分要求，通過模型計算不同歷時情況下，粒子俘獲區的范圍，即地下水保護區范圍。

4.4 軟件應用相關問題

（1）WhAEM 2000只能模擬穩定流，非穩定流不能模擬；只能模擬二維流，三維流不能模擬；只能模擬固定開采量條件下的模擬；含水層底板厚度不能變化；只用于水文地質條件較均一，地形變化不大的地區。

（2）概念模型是本模型軟件模型設計的的核心。本軟件的水文地質概念模型設計與分布式的地下水模型軟件一樣重要，是模型設計的核心，也是最困難的一步。主要內容包括模型空間范圍的劃定、邊界條件的確定、提出源匯項、各水文地質模擬元素的模擬方法。

（3）一般條件下水源地水源井間的距離在整個保護區尺度上來看是相當小的，因此在概念模型搭建過程中，最好將距離較近的水源井概化成“大井”來考慮，這樣即增加了軟件運算速度又不會對計算精度造成影響。

5 實例分析

5.1 研究區概況

研究區位于遼寧北部柳河平原區，地勢北高南低，東西丘陵，北部沙荒，中、南部為平原，研究區中部有河流穿過，海拔最高（西北部）為313.1m，最低（南部）為59.3m。屬于東北平原，內蒙古高原與遼河平原的過渡段。

本次研究的水源地，有開采井13眼，地下水開采量3.5萬m3/d，開采井井深60m，井徑450mm。開采層位為第四系孔隙含水層。

具體井位見圖1。

圖1 項目區位置圖

5.2 水文地質條件

研究區地下水為淺層孔隙水，基本上是西北山地丘陵區洪水搬運的第四系松散堆積物，以洪積、坡洪積、沖積為主，形成了扇、裙、裾及沖積平原。含水層厚度在20～145m，含水層巖性主要為粉細砂，單井出水量為1000～5000m3/d。

5.3 建立水文地質概念模型

側向邊界條件的概化：根據研究區地下水流場、地形地貌及水文地質條件，模型上邊界linesink 1為地下水流入邊界，確定為定流量（Discharge-specified）邊界；模型下邊界line-sink 2為地下水流出邊界，確定為定流量（Discharge-specified）邊界；柳河line-sink 3確定為定水位（Head-specified）邊界；研究區兩側為山丘區，確定為隔水邊界。圖2即為模型邊界條件圖。

圖2 模型邊界條件圖

垂向邊界條件概化：含水層頂部邊界，以潛水面為界，大氣降水與地表水與潛水有密切的水力聯系。底部邊界為滲透性極差的粘性土層，確定為隔水邊界。

5.4 水文地質參數確定

由于研究區范圍內水文地質條件相似，因此，將模型區作為均一地質體，水文地質參數確定為：含水層厚度60m，滲透系數58m/d，孔隙度0.2，降水入滲系數0.18。

5.5 保護區范圍的劃定

在模型中通過已知地下水長期觀測資料多模型計算結果進行檢驗，通過計算水位與已知水位進行比較，調整參數，使得模型能很好的模擬水源地系統對不同激勵所做出的相應。然后通過率定后的模型對水源地流場、示蹤粒子俘獲區進行計算，最終結算結果為：一級保護區為溶質質點運移100天的范圍，計算結果面積為1.3 km2，保護區邊界距離水源井最大距離750m，具體地下水流場及示蹤粒子俘獲區見圖3；二級保護區為溶質質點運移1000天的范圍，計算結果面積為21.2km2，保護區邊界距離水源井最大距離3200m，具體地下水流場及示蹤粒子俘獲區見圖4；準保護區為溶質質點運移25年的范圍，計算結果面積為201.0km2，保護區邊界距離水源井最大距離16172m，具體地下水流場及示蹤粒子俘獲區見圖5。最終劃定的保護區范圍見圖6。

圖3 連續開采100天抽水影響范圍（粒子追蹤跡線范圍）

圖4 連續開采1000天抽水影響范圍（粒子追蹤跡線范圍）

圖5 連續開采25年抽水影響范圍（粒子追蹤跡線范圍）

圖6 保護區范圍圖

6 結語

（1）本文通過解析單元法模型WhAEM2000對遼寧省柳河平原區水源地進行了保護區的劃分，該方法較固定半徑保護區劃分方法更合理，較地下水數值模擬方法操作簡便，效率高。

（2）該方法適用于水文地質條件簡單的水源地保護區劃分，對孔隙型水源地應用效果較好，劃分結果可信度高。對于水文地質條件比較復雜的或裂隙水、巖溶水水源地不宜采用本方法。

（3）本論文是將研究區作為均一介質進行分析研究，實際上需要進行不同類型介質參數分區，WhAEM2000具有分區功能，對于水文地質情況復雜的地區建議進行分區計算，保證保護區劃分的合理。

［1］HJ/T338-2007.飲用水水源保護區劃分技術規范［S］.

［2］Stephen R.Kraemer.W orkingwith WhAEM 2000 Capture Zone Delineation for a City Supporting Wellhead Protection［A］.Office of Research and Development U.S.Environmental Protection Agency Washington［C］.

［3］方華山.銀川地區水文地質條件分析及地下水水源地保護區劃分［D］.長安大學，2009.

［4］李國敏，徐海珍.地下水源地保護區劃分方法與應用［M］.中國環境科學出版社，2011.

［5］Strack.O.D.L.Principles of the analytic element method［J］. Jou rnal of Hydrology，1999.

［6］Working with WhAEM2000：Cap ture Zone Delineation for a City Wellfield in a Valley Fill Glacial Outwash Aquifer Supporting Wellhead Protection［A］，2007.

X3

A

1008-1305（2017）01-0081-04

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.025

2016-05-03

田文英（1979年—），男，高級工程師。