地下水水源地保护区划分方法浅议

侯伟男，刘来胜，李志萍，李 琪

(1.华北水利水电大学测绘与地理信息学院，郑州 450046；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

0 引 言

水源地保护区是指国家为防止水源地(多为饮用水)污染、保护水源地环境质量而划定并要求加以特殊保护的一定面积的水域或陆域，它分为地表和地下水饮用水水源地保护区[1]。由于社会经济的不断发展，人口数量和人类生活水平日益增高，使得地下水的开发利用逐渐增加，水资源开发利用过程中造成的水质污染的现象较为普遍，甚至有些地区出现了地下水降落漏斗的现象。因此，为了防止地下水源地的污染，进行地下水水源地保护区划分是今后一个时期的重要措施，也是影响人类长期生存和发展的重要因素[2,3]。

发达国家对水源地建设保护区方面走在了世界前列，早在18世纪末期，德国就建立了世界上第一个水源地保护区[4]，19世纪中叶，西德联邦颁布《水法》，经过长期的探索与改进，目前被认为最全面的地下水水源保护区条例是1994年颁布的《地下水水源保护区条例(第4版)》。德国将水源地保护区划分为3个分区，实施分级保护。经过长达一个多世纪的发展，德国已经建立了大约两万个饮用水水源地保护区[5]。英国在1902年对取水口附近大约1500码内范围进行水源地保护区的建设[6]。尽管美国的水源地保护区划分开始的时间比较晚，但是发展的速度很快，先后制定并修改完善了《安全饮用水法》[7]，为了保护地下水免受一些人为因素的影响而污染，美国在各州开展了井源保护区的划定和污染物运移规律等研究[8]。

相比于发达国家，我国地下水水源地保护区划分起步相对较晚，20世纪80年代初，我国颁布了《中华人民共和国水污染防治法》，但法规并未强调划分地下水水源地保护区，只是针对地表水水源地保护区进行相关说明。2002年10月1日实行的《中华人民共和国水法》中提出了建立饮用水源保护区制度的明确规定。2007年1月9日原国家环保总局颁布了我国第一部饮用水水源地的规范，《饮用水水源地保护区划分技术规范》给出了对于不同规模和类型的地下水水源地保护区的划分原则和方法。2018年3月对规范进行第一次修正，明确了饮用水水源地保护区划分的基本方法和定义保护区边界的技术要求[8]。

虽然技术规范指出地下水水源地保护区划分应根据水源地所处的地理位置、开采方式、供水水量、井源类型、水文地质条件和污染来源分布等特征，确定划分保护区的原则并选择最适宜的划分方法[9,10]。但是，在实际的保护区划分中，由于水文地质条件复杂性，导致地下水水源地保护区划分存在不确定性[11,12]。通过对现行地下水水源地保护区划分的主要技术方法进行梳理分析，针对不同的技术方法的局限性提出了改进建议，为今后地下水源地保护区划分方法研究提供借鉴。

1 地下水水源地保护区划分方法

目前，世界上绝大多数国家都参考德国的水源地保护区划分方法，制定了相应的水源地保护区划分方法和标准，如加拿大、瑞典、荷兰、法国等。虽然每个国家的方法有所不同，但都是基于三分法的原理进行保护区的划分，即以取水口为中心，按照保护程度逐级划分一、二、三级保护区[13]。各国保护区划分范围见表1。

表1 世界部分国家地下水水源地保护区划分范围[13]

由于我国对地下水源地保护区划分研究起步较晚，早期许多城市在划分地下水水源地保护区的方法也各不相同，大多时候依靠各自的经验规定固定的半径或者固定的边界作为水源地保护区的范围，亦或者借鉴国外的经验值进行水源地保护区划分，因此，不同地方所划定的保护区范围差距很大[14]。早期各城市保护区划分范围见表2。

表2 早期国内部分城市水源地保护区划分范围

随着研究的不断深入，目前国内外地下水水源地保护区的划分方法常用经验值法、公式计算法、解析模型法、数值模拟法。

1.1 经验值法

经验值法就是将水源井水质作为保护对象，根据经验值确定保护区半径，并根据保护区水质状况对划分的准确性进行判断[15]。

经验值法的代表是著名的“50日流程等值线”理论[16]。德国研究学者Knorr通过实验发现，地下饮用水中的病菌病原体最长存活时间不超过50 d，因此提出了“50日流程等值线”这个概念，一些发达国家在制定地下水水源保护区划分技术规范时充分应用此概念。英国卫生部于1948年提出了水源地保护范围的经验值是半径应为3 km的圆形区域，该经验值也被其他国家广泛使用[17]。

在《饮用水水源地保护区划分技术规范》颁布以前，国内一些城市已经开始采用经验值法划定地下水水源地保护区。由于经验值法易受制定者主观因素的影响，导致划定的范围与实际情况差距较大[18]。直到《饮用水水源地保护区划分技术规范》颁布，提出了地下水水源地保护区半径经验取值范围(见表3)。但是，此经验值不具有普遍适应性，这是由于我国国土面积较大，地质环境较为复杂，导致水源地差异性较大，对于一些特殊的水源地的保护区范围值应进行相应的调整[19]。

表3 孔隙水潜水型水源地保护区范围经验值

1.2 公式计算法

公式计算法的原理是根据不同地区地质条件存在差异性，并融合相关的水文学知识，选取合适的水文地质参数进行计算得出保护区半径，该方法在经验值法的基础上做了进一步优化提升[20]。公式计算法可根据不同类型水源地的特点，对水源地保护区形状、中心和延伸方向做出适当调整。苏联Е·Л·Минкин将复杂的弥散方程进行简化得到流体动力学方程，从而得出了用于计算水源污染的近似值公式，该公式为计算水源地保护区面积范围起到了指导借鉴意义[21]。高秀娟等[22]通过结合国外的方法基于地下水水动力渗流理论推导得出了适用于我国的预测水源地污染的计算公式，对于我国开展利用公式计算法划分地下水水源地保护区范围具有很大的指导意义。

美国在计算无越流发生的承压型水源地保护区半径时，通常假设保护区为圆形，并假定抽水井内流入和抽出水量体积相同，根据抽水井中滤管的长度，计算得出水源地保护区相应时间所对应的半径，这种方法称为CFR(Calculated Fixed Radius)[23]。其计算公式为：

(1)

整理得：

(2)

式中：rt为t时间内的保护区半径，m；Q为抽水速率，m3/s；t为运移时间，s；n为含水层孔隙度；b为抽水井滤管长度，m。

20世纪70年代，英国在划定水源地保护区范围时，常常运用简单的地下水动力学公式来计算保护区的半径。我国将该计算方法标准化，应用于中小型孔隙水潜水型水源地保护区的划分，其计算公式为：

R=αKIT/n

(3)

式中：R为保护区半径，m；α为安全系数，一般取150%；K为含水层渗透系数，m/d；I为水力梯度；T为污染物水平迁移时间，d；n为有效孔隙度。

1.3 解析模型法

解析模型法是指将研究区域内水文地质条件进行概化，包括水源井分布，含水层边界条件，含水层类型等，在给定假设条件下得到物理模型，不考虑复杂的数学方程在求解过程中的困难。解析模型法以势函数为理论基础，将含水层中速度势函数转化为流量势函数，得出承压与非承压含水层共同具有相同形式的拉普拉斯方程[24]。

流量势在x和y方向上的分量由下式给出：

(4)

流量势：

(5)

将水平含水层基底作为参考面z1=0、垂向渗透系数取平均值kz=kave，潜水含水层z2=φ,承压含水层z2=H,流量势为：

(6)

得到势函数的拉普拉斯方程：

(7)

20世纪90年代初，人们开始广泛使用解析模型法来进行地下水水源地保护区的划分。大量学者在该方法上进行了长期系统的研究，开发出的解析模型包括CAPZONE[25]和GWPATH[26]等模型，用来计算抽水井周围各节点的降深，描绘质点在流场中的运动轨迹，判断水力传导系数和有效孔隙度等参数对计算结果的影响。Baire等[27]用CAPZONE和GWPATH模型对俄亥俄州的典型研究区完整井问题进行了处理，其计算结果较为理想。Bhatt[28]通过建立地下水流解析模型依次对一系列水文地质参数(有效孔隙度、水力传导系数等)进行分析，并总结出各水文地质参数取值对水源地保护区范围的影响程度。

随着解析模型法的发展，后期还出现了RESSQC[29]和DREAM[30]等半解析模型，通常联合使用两种模型来确定保护区范围。Evers等[31]通过利用开发的准解析模型软件，经过计算得出水井捕获区内的补给量的多少对保护区范围有着重要的影响。近年来，国内外研究利用Hankel转换和Fourier变形对解析模型法进行了大量的论证，但是由于种种原因，导致论证结果始终没有运用到实际水源地保护区中[32]。

1.4 数值模拟法

数值模拟法是将整个地下流场分割成许许多多的均质的小单元，根据地质条件确定相应的水文地质参数，最后采用数值法得到各个单元流动方程，从而得到一个较为合理的水文地质概念模型，为了模拟出研究区域内的地下水流状态和确定各级保护区的范围[33]。目前数值模拟法是针对大型水源地进行保护区范围划分的主要方法。

随着计算机技术应用领域的不断扩大，原始的物理模型(电模拟模型)被计算机所建立的数值模型替代，成为开始研究地下水运动的主要方法。常用的软件包括Visual MODFLOW、MODPATH、Finite Element Subsurface Flow System(FEFLOW)和GMS等[34]。Georgios总结了数值模拟法划定水源保护区的优点，并通过引入数值模拟法模拟了希腊Keritis河流域的水源井附近水文地质状况完成了该区域的保护区划分[35]。Gurwin通过使用MODFLOW软件对波兰西南部的水源地地下流场运动状态进行模拟，并通过含水层中质子的运动距离划定各级水源保护区范围[36]。Sandip为了建立一个可以预测不同地质条件下，各水文地质参数存在差异的污染物轨迹概念模型，采用GMS软件分析了含水层中污染物砷的运动情况，对减少地下水含水层的污染具有一定的指导意义[37]。kumar采用集成的地理信息系统(GIS)方法并结合地下水数值模拟软件对印度柯达加纳河进行了一系列的模拟研究，推荐了最佳的人工补给结构来适用于该流域排水类型，并应用到实际的建设工程中，证实其研究具有可行性[38]。王澎等[39]通过数值模拟的方法，综合运用MODFLOW和MODPATH两个软件，模拟了污染物在保护区地下水流网内的运动轨迹并预测了污染物的临界值，对指导地下水源地保护区的划分具有现实的意义。肖杰等[40]建立崇州市饮用水源地地下水渗流场，并应用MODFLOW软件下的MODPATH模块，采用粒子逆向示踪技术对各个水源井内粒子在不同时间内运移的距离并结合实际地界确定各级保护区范围。李星宇等[41]基于GMS建立非稳定流地下水数值模型，并通过质点的移动距离，确定了各级保护区的范围，提出了有针对性的防控措施。汪洋等[42]基于GMS软件构建了岩溶水源地三维非稳定流地下水数值模型，采用质点追踪技术，划分了地下水水源地保护区并分析水文地质参数对于水源地保护区划分结果的影响。肖传宁等[43]通过建立地下水溶质运移模型，采用局部灵敏度分析的方法，研究水文地质参数对于模型的影响程度，大大提高了模型预测的准确程度。李华等[44]通过建立了地下水流场和运移模型，识别出了污染源分布，分析了污染物的扩散对周边水库建设的影响。由于我国地下水数值模拟开展较晚，基础理论和具体地质条件的研究重视程度不够，使得建立的数学模型存在一定误差[45]。

2 地下水水源地保护区划分方法的局限性分析

目前国内外大多采用的几种划分水源地保护区的方法各有利弊，具体见表4。

表4 水源地保护区划分方法利弊

经验值法简单易行且实用性强，常用于规模较小的潜水水源地保护区的划分，具有成本低、技术经验要求不高和时间短等诸多优势，但是随着技术的发展，经验的积累以及当下保护区划分标准的提高，经验值法已不能满足人们对水源地保护区范围精度的需求。

公式计算法实际上属于经验值法的范畴，从目前国内外对地下水水源地划分的研究现状来看，公式计算法的关键是选取合理的时间标准。随着污染来源的日益复杂化，50日流程等值线已经不适用于当前的实际情况。此外，公式中参数的确定非常关键，我国还处于探索阶段，目前广泛应用的经验公式和时间标准由于综合了多地区的普遍情况，导致其得出的一般均值掩盖了区域之间的差异性。公式计算法的优点是简便易行，适用于缺少资料的地区。公式计算法具有较强的主观性，划分结果不够准确，往往与实际情况大相径庭，常常出现划定的保护区范围过大或者过小的现象，尤其对于地质条件复杂的水源地不能满足划分需求[46]。

解析模型法相比于经验值法和公式计算法，其精确度有很大的提高，目前解析模型法广泛应用在水文地质条件相对简单的水源地保护区划分领域，尤其对中小型规模的孔隙型或微裂隙水源地的划分效果较好，在含水层非均质差异性不大的情况下，可以得到具有较高可信度的划分结果。运用解析模型法划分水源地保护区时，为了使结果可信度较高，关键在于模型建立过程中的合理性。解析模型法局限性也较为明显，建立模型所需资料较多，工作量大，较为复杂，且不能解决因开采量的增加而引起范围过大的问题。

数值模拟法适用于边界条件和含水层结构较为复杂的大型地下水水源地保护区划分，借助模拟软件可以更好的描述出水文地质条件，结果的可靠性比其他方法更高。但是，数值模拟法在我国尚处于研究和初步应用阶段，同时该方法对水文地质等基础资料要求较为严格，在进行模型概化时容易出现误差，对计算机软件的应用也需要较高的专业技术水平，因此在应用上受到一定限制[46]。

3 结论与建议

通过对地下水水源地保护区的主流划分方法对比分析结果表明，当前，应用数学模型进行地下水水源地保护区划分是当前的主流发展方向。综合来看，基于近年来计算机软件模拟技术的迅猛发展，数值模拟法在解决多种地下水流问题和反映污染物的迁移规律方面较为突出，因此划分结果较为准确，已经逐渐成为国内外地下水水源地保护区划分的主要方法。尽管如此，由于在数值模型建立过程中其参数确定的不确定性，使得模型概化存在一定误差，导致模拟结果与实际情况之间存在差异的可能。基于数值模拟法的局限性，对今后该技术的发展提出以下几条措施建议。

(1)在数值模拟法中引入不确定性分析，更全面地考虑水文地质参数以增加结果的可靠性。

(2)将数值模拟法与其他方法相结合，进行优势互补。例如将公式计算法与数值模拟法进行融合，先利用公式计算法计算出保护区的大概范围，从而确保数值模拟法调整参数时能够较好的结合实际。

(3)促进热力学、动力学等多学科交叉融合，在水文地质参数选取时可以提高参数精度，从而使得划分方法与划分准确性不断提高。此外利用同位素追踪技术、随机模拟分析等方法也可以实现对模拟结果的律定。因此，考虑溶质之间的相互作用将会是地下水溶质运移模拟的重要趋势。

(4)将地理信息系统(GIS)与地下水数值模拟软件更多更好地在水文地质领域中广泛的联合应用。不同领域间信息技术的连接互动，将会使数据处理的能力变强、可视化程度提高，同时能与GIS无缝连接的功能更优的地下水模拟软件系统也将成为必然发展趋势。

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