瑪納斯河河谷水源地保護區技術劃分方案分析

江有成 高慶國

(1.新疆瑪納斯河流域管理局，新疆 石河子 832000；2.新疆環境保護科學研究院，新疆 烏魯木齊 830001)

水是人類生存最基本的要素之一，飲水安全關系到廣大人民群眾的根本利益和社會的可持續發展。國家建立飲用水水源保護區制度，是保護飲用水水源地免受人為活動影響，保證飲水安全的重要措施。飲用水水源保護區劃分是實現飲用水安全的基礎，原環境保護部在《關于進一步加強飲用水水源安全保障工作的通知》(環辦〔2009〕30號)中提出“按照《飲用水水源保護區劃分技術規范》及《飲用水水源保護區標志技術要求》，全面開展飲用水水源保護區劃分與調整工作”。地下水飲用水水源保護區劃分的技術方法主要有經驗值法、經驗公式法和數值模型計算法3種[1]，3種方法劃分的保護區范圍有所差別，采用科學合理的方法進行劃分，對保護飲用水水水源地和降低經濟成本非常重要。

1 水源地概況

瑪納斯河河谷水源地位于瑪納斯河流域瑪納斯河谷南山洼地內，地理坐標為東經86°03′～86°08′，北緯44°05′～44°16′。水源地處于瑪河紅山嘴引水樞紐上游4～11km河段。南山洼地位于瑪納斯河紅山嘴出山口以南20km的低山丘陵區(又稱南山洼地)，洼地范圍東起呼圖壁河，西至金溝河，東西長100km；南是天山的南瑪納斯山和南安集海山，北為吐谷魯山、瑪納斯山、霍爾果斯山，南北寬11km，面積約為1000km2。其中霍爾果斯山在西部與天山主脈圈閉，僅在東部有一狹窄出口。洼地內部地形南高北低，高差約100m；東西兩端高而中部低，高差約100m。南山洼地內沉積著巨厚的第四系砂卵礫石層，滲透性良好，河流通過此帶時大量滲漏，在紅山嘴第三系隆起低山地帶形成天然地下水庫大壩，洼地地下水只在瑪納斯河谷紅山嘴出山口以南沿河道8km左右范圍內以泉水形式出露地面，進入北部沖洪積平原區，故南山洼地成為天然的地下水庫。據研究，地下水庫靜儲量300億m3，動儲量30億m3，可動用動儲量3億m3。

由于瑪納斯河河床高程低于東西兩邊塔西河、寧家河等河床高程，含水層底板高程亦低于東西兩邊底板高程，加之北部受第二排構造的阻隔，區內地下水流在水平方向上存在兩個流向：由南向北(由上游向下游)的縱向水流，以及東西兩側向瑪納斯河河谷的橫向水流，其中縱向水力坡度為2.0‰～3.0‰，橫向水力坡度為1.3‰～1.7‰，因為泉水溢出帶段瑪納斯河兩岸陡壁地下水形成跌水，該段河谷中地下水水力坡度大約在1.0%～1.5%。泉水溢出帶多年平均年溢出水量約1.1億m3。

根據鑿井資料分析，瑪納斯河河谷水源地所處區域內局部地帶地面以下28～32m分布有不連續的黏性土夾層，形成弱透水層，表現出承壓-自流的特征。水源地采用管井結合取水方式,井深90m，36眼機電井群由南向北依次分布在瑪納斯河東西兩岸，年設計地下水取水量為7400萬m3，是瑪納斯河流域內石河子市和瑪納斯縣城市用水的主要水源。

2 保護區劃分過程

地下水飲用水水源保護區劃分的技術方法主要有經驗值法、經驗公式法和數值模型計算法3種。

2.1 經驗值法

潛水型水源地保護區范圍的經驗值見表1。

瑪納斯河谷水源地類型為地下水，地下水埋藏條件為潛水，水源為孔隙水，含水層介質為卵礫石。由經驗值法可知，一級保護區為不得小于500m半徑的圓形區域，二級保護區為不得小于5000m半徑的圓形區域。

2.2 經驗公式法

a.保護區半徑計算經驗公式為

(1)

式中：R為保護區半徑，m；α為安全系數，一般取150%(為了安全起見，在理論計算的基礎上加上一定量，以防未來用水量的增加以及干旱期影響造成半徑的擴大)；K為含水層滲透系數，m/d；I為水力坡度(為漏斗范圍內的水力平均坡度)；T為污染物水平遷移時間，d；n為有效孔隙度，采用水井所在區域具有代表性的n值。

b.一級保護區為以開采井為中心，按式(1)計算的結果為半徑的圓形區域。公式中，一級保護區T取100天。群井內單井之間的間距大于一級保護區半徑的2倍時，可以分別對每口井進行一級保護區劃分；井群內的井間距小于等于一級保護區半徑的2倍時，則以外圍井的外接多邊形為邊界，以外徑向距離為一級保護區半徑的多邊形區域作為一級保護區。

c.二級保護區為以開采井為中心，按式(1)計算的結果為半徑的圓形區域。公式中，二級保護區T取1000天。群井內單井之間的間距大于二級保護區半徑的2倍時，可以分別對每口井進行二級保護區劃分；群井內的井間距小于等于二級保護區半徑的2倍時，則以外圍井的外接多邊形為邊界，以外徑向距離為二級保護區半徑的多邊形區域作為二級保護區。

d.根據水文地質勘察報告，水源地區域含水層滲透系數為15.60～61.74m/d，水源地整體水力坡度為2.0‰～3.0‰，局部水力坡度為1.0%～1.5%。保護區劃分按照保守參數進行計算，則滲透系數取61.74m/d，水力坡度取1.5%，有效孔隙度取0.25。經計算，一級保護區范圍為556m，二級保護區范圍為5557m。

2.3 數值模擬法

2.3.1 數值模型方程

根據地下水位流場特征，含水層厚度較大，為200m左右，地下水的水力坡度小，為2.0‰～3.0‰，抽水不會導致地下水一側有水，而另一側被抽干，井群開采單井疊加水位下降一般小于10m，不會導致井群內地下水被抽干，加之抽水試驗控制參數均為Kxy，因此將計算區地下水流設定為二維非均質各向異性層流。由鉆孔資料可知區內地層結構基本為單一的卵礫石層或砂礫石層，為孔隙潛水性質，局部地帶由于底板隆起及存在不連續的黏性土夾層，表現出承壓-自流的特征。根據水文地質勘查報告中非穩定流s-t曲線形態、單井疊加水位與含水層厚度比值(遠小于1/10)，將計算區含水層視為單一潛水層，故將計算區內地下水水流運移可概化為一層二維非均質各向異性的潛水非穩定水流。

地下水運動數學方程式表示為

(2)

式中：Kxx、Kyy為指定方向的滲透系數；h為水頭高程；B為模型含水層底板高程；W為單位時間單位面積垂向補給與排泄的代數和；S為含水層的給水度(或儲水系數)。

2.3.2 邊界及初始條件

含水層頂板采用12m精度DEM數據，再采用各控制性水位的地面標高進行加密修正。含水層的底界為Q1-2的膠結或半膠結砂礫巖，滲透性相對較差，視為隔水底板，無水量交換。根據初始流場的流向與計算區邊界的關系，將計算區4個側向徑流邊界全部設定為二類流量邊界(達西邊界)。

計算中，將水文地質勘查報告中的水位統測流場視為數值模型計算條件的初始流場，將模型計算區的水文地質參數(K、μ)按照特征差異情況劃分為5個參數區，將河渠入滲量處理成線狀的流量，潛水蒸發處理成面狀流量(采用潛水4m埋深為零通量)，開采井視為點狀流量輸入。

2.3.3 計算結果

經數值模型計算，T=100天時的質點運移距離為160～320m，T=1000天時的質點運移距離為320～1085m。上游運移距離較下游運移距離明顯較遠(詳見表2)。

表2 水質運移距離 單位：m

3 不同劃分方法結果分析

采用3種不同的方法，從保護區劃分范圍情況可看出(見表3)，經驗公式法計算出的一級保護區范圍和二級保護區范圍最大，經驗值法次之，數值模型法最小。主要原因為經驗公式法在計算中采取最為保守的計算參數，而瑪納斯河河谷地存在水力坡度非常大的地下水跌水情況，導致計算范圍較大。在一般的地下水水文地質條件下經驗公式法計算結果應較經驗值法小。數值模型法計算結果最小，這是因為數值模型法采取更加精確的參數，所以計算出的保護區范圍更加合理。

表3 不用劃分方法保護區范圍對比

從保護區不同邊界來看，經驗值法和經驗公式法4個方向邊界保護區范圍是不變的，但數值模型法保護區范圍不同方向邊界有所不同。這主要是因為經驗值法和經驗公式法不對各邊界范圍進行區分，采取統一的值，但實際上水流由上游向下游流動，抽水井抽取地下水時抽取的上游的水最多，兩側的水次之，下游的水最少，地下水運移至抽水井的距離也是上游最遠、兩側次之、下游最近，因此保護區范圍應在上下游之間有所區別，這對滲透系數較大的砂礫石、卵礫石影響很大。

從一級保護區范圍與二級保護區范圍關系上看，經驗值法和經驗公式法二級保護區范圍均是一級保護區范圍的10倍，但數值模型法二級保護區范圍不同邊界不同，最大的東側邊界為5.7倍，最小的北側邊界為2倍。這主要是因為抽水井在抽水時會導致抽水井周邊形成漏斗，漏斗范圍內地下水流速加快，單位時間內運移距離遠，但一般形成的漏斗范圍不會覆蓋整個二級保護區，而經驗值法和經驗公式法二級保護區范圍是按照漏斗范圍內的水力坡度進行計算的，數值模型法是按照實際水力坡度進行計算的，因此導致經驗值法和經驗公式法二級保護區范圍較數值模型法明顯偏大。

水源地保護區范圍劃定的原則，是在保證飲用水水質的同時保護區范圍盡量要小，從而降低保護成本。瑪納斯河河谷地下水水源地周邊一定范圍內有村莊、工業企業等，如果采用經驗值法或經驗公式法，則需要對水源井下游的工業企業進行拆遷，造成保護成本過高。根據3種劃分方法得出的結果，水源地保護區的劃定宜采用數值模型法計算結果，即一級保護區范圍為水源井往上游320m、下游160m、左岸160m、右岸192m，二級保護區范圍為水源井往上游800m、下游320m、左岸700m、右岸1085m。

4 結 論

經驗值法和經驗公式法是基于保守參數計算得到的范圍，數值模型法是按照實際參數計算得到的計算范圍，因此，數值模型法較經驗值法和經驗公式法保護區范圍一般要小；數值模型法保護區范圍上游最大，兩側次之，下游最小，但經驗公式法和經驗值法在上下游及兩側均采用一個范圍；經驗公式法和經驗值法二級保護區距離范圍是一級保護區距離范圍的10倍，數值模型法二級保護區距離范圍一般小于一級保護區距離范圍的10倍。在有條件的地區應采取數值模型法計算保護區范圍，尤其是滲透系數較大的砂礫石和卵礫石地下水水源地，否則，劃分的保護區范圍一般會偏大較多。

瑪納斯河河谷水源地周邊有村莊和工業企業等，在保護地下水水質的前提下保護區范圍應盡量小，因此宜采用數值模型法計算結果作為保護區范圍劃定結果。