基于解析单元法的地下水源地保护区划定方法与应用

田文英

（辽宁省水文局，辽宁沈阳110003）

基于解析单元法的地下水源地保护区划定方法与应用

田文英

（辽宁省水文局，辽宁沈阳110003）

目前国内地下水水源保护区的划分较粗放，没有一套专门用于地下水水源保护区划分的软件。本文通过实例介绍解析单元法软件WhAEM 2000在水源地保护区划分的应用，结果表明，该方法在满足一定精度的前提下提高了工作效率。

解析单元法；WhAEM 2000；水源地；水源保护区

地下水是人类宝贵的自然资源，由于地下水污染具有隐蔽性、埋藏分布的复杂性以及具有流速慢、稀释能力差的特点，地下水水源地的保护通常以“预防为主”，根据水文地质条件与工农业生产布局，科学划分地下水保护区的范围，至关重要。

1 目前国内外保护区范围确定原则

目前我国与大多数发达国家都将保护区分为3个等级类型。只是各国保护区划分的具体时间及距离指标略有不同，但原则上都采用了三级划分的体系。

2007年1月9日，国家环保总局发布了《饮用水水源保护区划分技术规范》HJ/T338-2007，根据《规范》，一级保护区是以地下水取水井为中心，溶质质点迁移100天的距离为半径所圈定的范围。一级保护区位于水源地开采井周围，其功能主要是保证集水有一定的滞后时间，以防止细菌类和污染物直接进入开采井中，防止有害物质渗入，消除水源污染的可能性，保证水源地出水安全。二级保护区位于一级保护区之外，溶质质点迁移1000天的距离为半径所圈定的范围。补给区和径流区为准保护区［1］。

2 目前保护区范围圈定的技术方法及适用条件

根据目前国内外保护区划分体系，圈定地下水水源地保护区范围的方法很多，每种方法及适用条件如下。

2.1 经验公式法

本方法主要是将距离取水井或者取水井群固定距离的范围划定为保护区，距离水源井的距离采用固定值或者通过多年时间总结出来的分区标准，或通过调查水源地地理位置、水文、气象、含水层覆盖层的保护能力，水动力特征、水源地类型及规模和研究区其他水文地质特征，选取构建经验公式，求出各级保护区半径。此种方法确定保护区范围简单，但没有考虑水流系统的自身特征。

2.2 解析模型法

本方法是对水源地所在地的地质、水文地质条件加以简化和概化，构建只保留天然地质体的主要影响因素的物理模型，从模型出发，用简洁的解析公式刻画模型的水流关系、地质特征，然后根据保护区划分标准，求出各级保护区范围。解析模型法划分保护区，所需数据少，精度较通过经验计算保护区半径的方法好。但是此方法对含水层做了很多假设，实际情况要比概化过的模型复杂的多，因此对于水文地质条件比较复杂的地区不适用此方法。

2.3 数值模型法

此方法通常借助专业地下水数值模型软件来完成，对天然地质体进行概化并通过数学模型模拟，力求达到复制实际水流系统基本状态的目的，在流场求解的基础上，选择合适的保护区划分技术标准圈定保护区范围。

3 国内地下水保护区划分技术方法

由于国内地下水水源地多，保护区划定的工作量大，目前国内地下水保护区的划定普遍采用的方法是经验公式法与简单的解析公式分析的方法，基本上都是按照一定的假设或经验建立方程，通过方程计算得到半径值，或者根据经验估算半径值，其间不考虑水流系统的自身特征，将这个固定半径值的范围作为水源地保护区范围。

目前国内地下水数值模型的逐渐发展也有很多研究人员尝试通过各种地下水数值模型软件来计算保护区范围，但是数值模型数据需求量大，模型搭建周期长，而地下水水源地又很多，每个水源地都搭建数值模型不太现实。因此需要一种方法，既能保证时间周期短、且考虑到水文、气象、水文地质、地下水流场等多种影响因素条件下的保护区划定方法。美国应用较多的WhAEM2000模型软件就是为了划定保护区特别开发的一套解析模型法软件，兼顾了效率与物理因素。

4 软件介绍

4.1 软件介绍

WhAEM2000是基于解析单元法的地下水单层含水层Dupuit-Forchheimer模型，是解析模型法的一种，由美国环境保护署完成开发，该模型软件利用解析单元法对均值含水层抽水进行求解，包括水文边界的影响，如河流、补给、隔水边界及非均质体等。该方法在地下水数值计算领域得到迅速应用，它避免了利用网格或单元对含水层系统的离散化，对复杂的区域地下水问题主要依靠模型中解析单元的叠加来解决。该方法对非均值承压与潜水含水层都适用［2］。

4.2 基本原理

解析单元法（Analytic Element Method，简称AEM）是美国明尼苏达大学Otto Strack教授于上世纪70年代末创立的一种地下水运动分析方法，应用复变函数理论的奇点法构造地下水流动的数学模型，在该方法中与地下水流动有关的特征元素被称为单元，他们包括：自然或人工地表水体，如河流、湖泊、运河等；抽水井及水源地；入渗或越流补给含水层；含水层参数，如渗透系数、厚度等［3］。

此方法来源于解析模型法，但是对计算区进行了单元划分，避免了一般解析模型法将整个计算区概化成一个独立水文地质体，不能真实反应复杂水文地质条件的弊端，相较数值模型法又避免搭建数值模型需要大量的地质、水文、地下水等数据，模型搭建周期长的问题。

4.3 应用步骤

查明研究区地质及水文地质条件，地下水开发利用条件，水文及气象条件，地下水补径排关系。

（1）构建水文地质概念模型，为了便于对地下水系统进行分析，通过对野外实际问题的简化，建立数学模型，组织相关数据。具体内容包括识别模型边界条件、确定含水岩组，形成接近现实的地下水流动系统。

（2）模型的识别与调参，通过对模型的水文地质参数进行识别，使得模型地下水动态特征与实测的动态特征相一致。

（3）根据保护区范围划分要求，通过模型计算不同历时情况下，粒子俘获区的范围，即地下水保护区范围。

4.4 软件应用相关问题

（1）WhAEM 2000只能模拟稳定流，非稳定流不能模拟；只能模拟二维流，三维流不能模拟；只能模拟固定开采量条件下的模拟；含水层底板厚度不能变化；只用于水文地质条件较均一，地形变化不大的地区。

（2）概念模型是本模型软件模型设计的的核心。本软件的水文地质概念模型设计与分布式的地下水模型软件一样重要，是模型设计的核心，也是最困难的一步。主要内容包括模型空间范围的划定、边界条件的确定、提出源汇项、各水文地质模拟元素的模拟方法。

（3）一般条件下水源地水源井间的距离在整个保护区尺度上来看是相当小的，因此在概念模型搭建过程中，最好将距离较近的水源井概化成“大井”来考虑，这样即增加了软件运算速度又不会对计算精度造成影响。

5 实例分析

5.1 研究区概况

研究区位于辽宁北部柳河平原区，地势北高南低，东西丘陵，北部沙荒，中、南部为平原，研究区中部有河流穿过，海拔最高（西北部）为313.1m，最低（南部）为59.3m。属于东北平原，内蒙古高原与辽河平原的过渡段。

本次研究的水源地，有开采井13眼，地下水开采量3.5万m3/d，开采井井深60m，井径450mm。开采层位为第四系孔隙含水层。

具体井位见图1。

图1 项目区位置图

5.2 水文地质条件

研究区地下水为浅层孔隙水，基本上是西北山地丘陵区洪水搬运的第四系松散堆积物，以洪积、坡洪积、冲积为主，形成了扇、裙、裾及冲积平原。含水层厚度在20～145m，含水层岩性主要为粉细砂，单井出水量为1000～5000m3/d。

5.3 建立水文地质概念模型

侧向边界条件的概化：根据研究区地下水流场、地形地貌及水文地质条件，模型上边界linesink 1为地下水流入边界，确定为定流量（Discharge-specified）边界；模型下边界line-sink 2为地下水流出边界，确定为定流量（Discharge-specified）边界；柳河line-sink 3确定为定水位（Head-specified）边界；研究区两侧为山丘区，确定为隔水边界。图2即为模型边界条件图。

图2 模型边界条件图

垂向边界条件概化：含水层顶部边界，以潜水面为界，大气降水与地表水与潜水有密切的水力联系。底部边界为渗透性极差的粘性土层，确定为隔水边界。

5.4 水文地质参数确定

由于研究区范围内水文地质条件相似，因此，将模型区作为均一地质体，水文地质参数确定为：含水层厚度60m，渗透系数58m/d，孔隙度0.2，降水入渗系数0.18。

5.5 保护区范围的划定

在模型中通过已知地下水长期观测资料多模型计算结果进行检验，通过计算水位与已知水位进行比较，调整参数，使得模型能很好的模拟水源地系统对不同激励所做出的相应。然后通过率定后的模型对水源地流场、示踪粒子俘获区进行计算，最终结算结果为：一级保护区为溶质质点运移100天的范围，计算结果面积为1.3 km2，保护区边界距离水源井最大距离750m，具体地下水流场及示踪粒子俘获区见图3；二级保护区为溶质质点运移1000天的范围，计算结果面积为21.2km2，保护区边界距离水源井最大距离3200m，具体地下水流场及示踪粒子俘获区见图4；准保护区为溶质质点运移25年的范围，计算结果面积为201.0km2，保护区边界距离水源井最大距离16172m，具体地下水流场及示踪粒子俘获区见图5。最终划定的保护区范围见图6。

图3 连续开采100天抽水影响范围（粒子追踪迹线范围）

图4 连续开采1000天抽水影响范围（粒子追踪迹线范围）

图5 连续开采25年抽水影响范围（粒子追踪迹线范围）

图6 保护区范围图

6 结语

（1）本文通过解析单元法模型WhAEM2000对辽宁省柳河平原区水源地进行了保护区的划分，该方法较固定半径保护区划分方法更合理，较地下水数值模拟方法操作简便，效率高。

（2）该方法适用于水文地质条件简单的水源地保护区划分，对孔隙型水源地应用效果较好，划分结果可信度高。对于水文地质条件比较复杂的或裂隙水、岩溶水水源地不宜采用本方法。

（3）本论文是将研究区作为均一介质进行分析研究，实际上需要进行不同类型介质参数分区，WhAEM2000具有分区功能，对于水文地质情况复杂的地区建议进行分区计算，保证保护区划分的合理。

［1］HJ/T338-2007.饮用水水源保护区划分技术规范［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］方华山.银川地区水文地质条件分析及地下水水源地保护区划分［D］.长安大学，2009.

［4］李国敏，徐海珍.地下水源地保护区划分方法与应用［M］.中国环境科学出版社，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.

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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，高级工程师。