地下水水源地保護區劃分方法淺議

侯偉男，劉來勝，李志萍，李 琪

(1.華北水利水電大學測繪與地理信息學院，鄭州 450046；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

0 引 言

水源地保護區是指國家為防止水源地(多為飲用水)污染、保護水源地環境質量而劃定并要求加以特殊保護的一定面積的水域或陸域，它分為地表和地下水飲用水水源地保護區[1]。由于社會經濟的不斷發展，人口數量和人類生活水平日益增高，使得地下水的開發利用逐漸增加，水資源開發利用過程中造成的水質污染的現象較為普遍，甚至有些地區出現了地下水降落漏斗的現象。因此，為了防止地下水源地的污染，進行地下水水源地保護區劃分是今后一個時期的重要措施，也是影響人類長期生存和發展的重要因素[2,3]。

發達國家對水源地建設保護區方面走在了世界前列，早在18世紀末期，德國就建立了世界上第一個水源地保護區[4]，19世紀中葉，西德聯邦頒布《水法》，經過長期的探索與改進，目前被認為最全面的地下水水源保護區條例是1994年頒布的《地下水水源保護區條例(第4版)》。德國將水源地保護區劃分為3個分區，實施分級保護。經過長達一個多世紀的發展，德國已經建立了大約兩萬個飲用水水源地保護區[5]。英國在1902年對取水口附近大約1500碼內范圍進行水源地保護區的建設[6]。盡管美國的水源地保護區劃分開始的時間比較晚，但是發展的速度很快，先后制定并修改完善了《安全飲用水法》[7]，為了保護地下水免受一些人為因素的影響而污染，美國在各州開展了井源保護區的劃定和污染物運移規律等研究[8]。

相比于發達國家，我國地下水水源地保護區劃分起步相對較晚，20世紀80年代初，我國頒布了《中華人民共和國水污染防治法》，但法規并未強調劃分地下水水源地保護區，只是針對地表水水源地保護區進行相關說明。2002年10月1日實行的《中華人民共和國水法》中提出了建立飲用水源保護區制度的明確規定。2007年1月9日原國家環保總局頒布了我國第一部飲用水水源地的規范，《飲用水水源地保護區劃分技術規范》給出了對于不同規模和類型的地下水水源地保護區的劃分原則和方法。2018年3月對規范進行第一次修正，明確了飲用水水源地保護區劃分的基本方法和定義保護區邊界的技術要求[8]。

雖然技術規范指出地下水水源地保護區劃分應根據水源地所處的地理位置、開采方式、供水水量、井源類型、水文地質條件和污染來源分布等特征，確定劃分保護區的原則并選擇最適宜的劃分方法[9,10]。但是，在實際的保護區劃分中，由于水文地質條件復雜性，導致地下水水源地保護區劃分存在不確定性[11,12]。通過對現行地下水水源地保護區劃分的主要技術方法進行梳理分析，針對不同的技術方法的局限性提出了改進建議，為今后地下水源地保護區劃分方法研究提供借鑒。

1 地下水水源地保護區劃分方法

目前，世界上絕大多數國家都參考德國的水源地保護區劃分方法，制定了相應的水源地保護區劃分方法和標準，如加拿大、瑞典、荷蘭、法國等。雖然每個國家的方法有所不同，但都是基于三分法的原理進行保護區的劃分，即以取水口為中心，按照保護程度逐級劃分一、二、三級保護區[13]。各國保護區劃分范圍見表1。

表1 世界部分國家地下水水源地保護區劃分范圍[13]

由于我國對地下水源地保護區劃分研究起步較晚，早期許多城市在劃分地下水水源地保護區的方法也各不相同，大多時候依靠各自的經驗規定固定的半徑或者固定的邊界作為水源地保護區的范圍，亦或者借鑒國外的經驗值進行水源地保護區劃分，因此，不同地方所劃定的保護區范圍差距很大[14]。早期各城市保護區劃分范圍見表2。

表2 早期國內部分城市水源地保護區劃分范圍

隨著研究的不斷深入，目前國內外地下水水源地保護區的劃分方法常用經驗值法、公式計算法、解析模型法、數值模擬法。

1.1 經驗值法

經驗值法就是將水源井水質作為保護對象，根據經驗值確定保護區半徑，并根據保護區水質狀況對劃分的準確性進行判斷[15]。

經驗值法的代表是著名的“50日流程等值線”理論[16]。德國研究學者Knorr通過實驗發現，地下飲用水中的病菌病原體最長存活時間不超過50 d，因此提出了“50日流程等值線”這個概念，一些發達國家在制定地下水水源保護區劃分技術規范時充分應用此概念。英國衛生部于1948年提出了水源地保護范圍的經驗值是半徑應為3 km的圓形區域，該經驗值也被其他國家廣泛使用[17]。

在《飲用水水源地保護區劃分技術規范》頒布以前，國內一些城市已經開始采用經驗值法劃定地下水水源地保護區。由于經驗值法易受制定者主觀因素的影響，導致劃定的范圍與實際情況差距較大[18]。直到《飲用水水源地保護區劃分技術規范》頒布，提出了地下水水源地保護區半徑經驗取值范圍(見表3)。但是，此經驗值不具有普遍適應性，這是由于我國國土面積較大，地質環境較為復雜，導致水源地差異性較大，對于一些特殊的水源地的保護區范圍值應進行相應的調整[19]。

表3 孔隙水潛水型水源地保護區范圍經驗值

1.2 公式計算法

公式計算法的原理是根據不同地區地質條件存在差異性，并融合相關的水文學知識，選取合適的水文地質參數進行計算得出保護區半徑，該方法在經驗值法的基礎上做了進一步優化提升[20]。公式計算法可根據不同類型水源地的特點，對水源地保護區形狀、中心和延伸方向做出適當調整。蘇聯Е·Л·Минкин將復雜的彌散方程進行簡化得到流體動力學方程，從而得出了用于計算水源污染的近似值公式，該公式為計算水源地保護區面積范圍起到了指導借鑒意義[21]。高秀娟等[22]通過結合國外的方法基于地下水水動力滲流理論推導得出了適用于我國的預測水源地污染的計算公式，對于我國開展利用公式計算法劃分地下水水源地保護區范圍具有很大的指導意義。

美國在計算無越流發生的承壓型水源地保護區半徑時，通常假設保護區為圓形，并假定抽水井內流入和抽出水量體積相同，根據抽水井中濾管的長度，計算得出水源地保護區相應時間所對應的半徑，這種方法稱為CFR(Calculated Fixed Radius)[23]。其計算公式為：

(1)

整理得：

(2)

式中：rt為t時間內的保護區半徑，m；Q為抽水速率，m3/s；t為運移時間，s；n為含水層孔隙度；b為抽水井濾管長度，m。

20世紀70年代，英國在劃定水源地保護區范圍時，常常運用簡單的地下水動力學公式來計算保護區的半徑。我國將該計算方法標準化，應用于中小型孔隙水潛水型水源地保護區的劃分，其計算公式為：

R=αKIT/n

(3)

式中：R為保護區半徑，m；α為安全系數，一般取150%；K為含水層滲透系數，m/d；I為水力梯度；T為污染物水平遷移時間，d；n為有效孔隙度。

1.3 解析模型法

解析模型法是指將研究區域內水文地質條件進行概化，包括水源井分布，含水層邊界條件，含水層類型等，在給定假設條件下得到物理模型，不考慮復雜的數學方程在求解過程中的困難。解析模型法以勢函數為理論基礎，將含水層中速度勢函數轉化為流量勢函數，得出承壓與非承壓含水層共同具有相同形式的拉普拉斯方程[24]。

流量勢在x和y方向上的分量由下式給出：

(4)

流量勢：

(5)

將水平含水層基底作為參考面z1=0、垂向滲透系數取平均值kz=kave，潛水含水層z2=φ,承壓含水層z2=H,流量勢為：

(6)

得到勢函數的拉普拉斯方程：

(7)

20世紀90年代初，人們開始廣泛使用解析模型法來進行地下水水源地保護區的劃分。大量學者在該方法上進行了長期系統的研究，開發出的解析模型包括CAPZONE[25]和GWPATH[26]等模型，用來計算抽水井周圍各節點的降深，描繪質點在流場中的運動軌跡，判斷水力傳導系數和有效孔隙度等參數對計算結果的影響。Baire等[27]用CAPZONE和GWPATH模型對俄亥俄州的典型研究區完整井問題進行了處理，其計算結果較為理想。Bhatt[28]通過建立地下水流解析模型依次對一系列水文地質參數(有效孔隙度、水力傳導系數等)進行分析，并總結出各水文地質參數取值對水源地保護區范圍的影響程度。

隨著解析模型法的發展，后期還出現了RESSQC[29]和DREAM[30]等半解析模型，通常聯合使用兩種模型來確定保護區范圍。Evers等[31]通過利用開發的準解析模型軟件，經過計算得出水井捕獲區內的補給量的多少對保護區范圍有著重要的影響。近年來，國內外研究利用Hankel轉換和Fourier變形對解析模型法進行了大量的論證，但是由于種種原因，導致論證結果始終沒有運用到實際水源地保護區中[32]。

1.4 數值模擬法

數值模擬法是將整個地下流場分割成許許多多的均質的小單元，根據地質條件確定相應的水文地質參數，最后采用數值法得到各個單元流動方程，從而得到一個較為合理的水文地質概念模型，為了模擬出研究區域內的地下水流狀態和確定各級保護區的范圍[33]。目前數值模擬法是針對大型水源地進行保護區范圍劃分的主要方法。

隨著計算機技術應用領域的不斷擴大，原始的物理模型(電模擬模型)被計算機所建立的數值模型替代，成為開始研究地下水運動的主要方法。常用的軟件包括Visual MODFLOW、MODPATH、Finite Element Subsurface Flow System(FEFLOW)和GMS等[34]。Georgios總結了數值模擬法劃定水源保護區的優點，并通過引入數值模擬法模擬了希臘Keritis河流域的水源井附近水文地質狀況完成了該區域的保護區劃分[35]。Gurwin通過使用MODFLOW軟件對波蘭西南部的水源地地下流場運動狀態進行模擬，并通過含水層中質子的運動距離劃定各級水源保護區范圍[36]。Sandip為了建立一個可以預測不同地質條件下，各水文地質參數存在差異的污染物軌跡概念模型，采用GMS軟件分析了含水層中污染物砷的運動情況，對減少地下水含水層的污染具有一定的指導意義[37]。kumar采用集成的地理信息系統(GIS)方法并結合地下水數值模擬軟件對印度柯達加納河進行了一系列的模擬研究，推薦了最佳的人工補給結構來適用于該流域排水類型，并應用到實際的建設工程中，證實其研究具有可行性[38]。王澎等[39]通過數值模擬的方法，綜合運用MODFLOW和MODPATH兩個軟件，模擬了污染物在保護區地下水流網內的運動軌跡并預測了污染物的臨界值，對指導地下水源地保護區的劃分具有現實的意義。肖杰等[40]建立崇州市飲用水源地地下水滲流場，并應用MODFLOW軟件下的MODPATH模塊，采用粒子逆向示蹤技術對各個水源井內粒子在不同時間內運移的距離并結合實際地界確定各級保護區范圍。李星宇等[41]基于GMS建立非穩定流地下水數值模型，并通過質點的移動距離，確定了各級保護區的范圍，提出了有針對性的防控措施。汪洋等[42]基于GMS軟件構建了巖溶水源地三維非穩定流地下水數值模型，采用質點追蹤技術，劃分了地下水水源地保護區并分析水文地質參數對于水源地保護區劃分結果的影響。肖傳寧等[43]通過建立地下水溶質運移模型，采用局部靈敏度分析的方法，研究水文地質參數對于模型的影響程度，大大提高了模型預測的準確程度。李華等[44]通過建立了地下水流場和運移模型，識別出了污染源分布，分析了污染物的擴散對周邊水庫建設的影響。由于我國地下水數值模擬開展較晚，基礎理論和具體地質條件的研究重視程度不夠，使得建立的數學模型存在一定誤差[45]。

2 地下水水源地保護區劃分方法的局限性分析

目前國內外大多采用的幾種劃分水源地保護區的方法各有利弊，具體見表4。

表4 水源地保護區劃分方法利弊

經驗值法簡單易行且實用性強，常用于規模較小的潛水水源地保護區的劃分，具有成本低、技術經驗要求不高和時間短等諸多優勢，但是隨著技術的發展，經驗的積累以及當下保護區劃分標準的提高，經驗值法已不能滿足人們對水源地保護區范圍精度的需求。

公式計算法實際上屬于經驗值法的范疇，從目前國內外對地下水水源地劃分的研究現狀來看，公式計算法的關鍵是選取合理的時間標準。隨著污染來源的日益復雜化，50日流程等值線已經不適用于當前的實際情況。此外，公式中參數的確定非常關鍵，我國還處于探索階段，目前廣泛應用的經驗公式和時間標準由于綜合了多地區的普遍情況，導致其得出的一般均值掩蓋了區域之間的差異性。公式計算法的優點是簡便易行，適用于缺少資料的地區。公式計算法具有較強的主觀性，劃分結果不夠準確，往往與實際情況大相徑庭，常常出現劃定的保護區范圍過大或者過小的現象，尤其對于地質條件復雜的水源地不能滿足劃分需求[46]。

解析模型法相比于經驗值法和公式計算法，其精確度有很大的提高，目前解析模型法廣泛應用在水文地質條件相對簡單的水源地保護區劃分領域，尤其對中小型規模的孔隙型或微裂隙水源地的劃分效果較好，在含水層非均質差異性不大的情況下，可以得到具有較高可信度的劃分結果。運用解析模型法劃分水源地保護區時，為了使結果可信度較高，關鍵在于模型建立過程中的合理性。解析模型法局限性也較為明顯，建立模型所需資料較多，工作量大，較為復雜，且不能解決因開采量的增加而引起范圍過大的問題。

數值模擬法適用于邊界條件和含水層結構較為復雜的大型地下水水源地保護區劃分，借助模擬軟件可以更好的描述出水文地質條件，結果的可靠性比其他方法更高。但是，數值模擬法在我國尚處于研究和初步應用階段，同時該方法對水文地質等基礎資料要求較為嚴格，在進行模型概化時容易出現誤差，對計算機軟件的應用也需要較高的專業技術水平，因此在應用上受到一定限制[46]。

3 結論與建議

通過對地下水水源地保護區的主流劃分方法對比分析結果表明，當前，應用數學模型進行地下水水源地保護區劃分是當前的主流發展方向。綜合來看，基于近年來計算機軟件模擬技術的迅猛發展，數值模擬法在解決多種地下水流問題和反映污染物的遷移規律方面較為突出，因此劃分結果較為準確，已經逐漸成為國內外地下水水源地保護區劃分的主要方法。盡管如此，由于在數值模型建立過程中其參數確定的不確定性，使得模型概化存在一定誤差，導致模擬結果與實際情況之間存在差異的可能?；跀抵的M法的局限性，對今后該技術的發展提出以下幾條措施建議。

(1)在數值模擬法中引入不確定性分析，更全面地考慮水文地質參數以增加結果的可靠性。

(2)將數值模擬法與其他方法相結合，進行優勢互補。例如將公式計算法與數值模擬法進行融合，先利用公式計算法計算出保護區的大概范圍，從而確保數值模擬法調整參數時能夠較好的結合實際。

(3)促進熱力學、動力學等多學科交叉融合，在水文地質參數選取時可以提高參數精度，從而使得劃分方法與劃分準確性不斷提高。此外利用同位素追蹤技術、隨機模擬分析等方法也可以實現對模擬結果的律定。因此，考慮溶質之間的相互作用將會是地下水溶質運移模擬的重要趨勢。

(4)將地理信息系統(GIS)與地下水數值模擬軟件更多更好地在水文地質領域中廣泛的聯合應用。不同領域間信息技術的連接互動，將會使數據處理的能力變強、可視化程度提高，同時能與GIS無縫連接的功能更優的地下水模擬軟件系統也將成為必然發展趨勢。

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