高风险饮用水水源保护区两种划分方法对比研究

贾海锋 王万宾 管堂珍 刘芳

摘 要：以山区某水库为例，分别采用应急响应时间法和数值模型计算法划定某水库饮用水水源保护区，对比分析两种方法划定的保护区格局差异，以期为高风险饮用水水源地保护区的划分和调整提供案例和方法参考。结果表明，应急响应时间法和数值模型计算法划定的保护区格局相似，但两种方法在水源保护区二级区和准保护区划定范围上有所不同。针对某水库环境风险现状，提出水源保护区风险应急体系建设建议。

关键词：高风险；应急响应；數值模型；仿真模拟；水质模型

中图分类号：X52文献标志码：A文章编号：1673-9655（2024）01-00-05

0 引言

据有关研究统计，20世纪80年代以来，我国饮用水水源地发生突发环境污染事件的次数呈增加趋势[1， 2]。为适应当前水源地环境保护新形势，2018年3月，生态环境部印发了《HJ 338—2018饮用水水源保护区划分技术规范》（以下简称新《规范》）。新《规范》相比旧规范对水源保护区划定的技术要求更为规范和严格，且由过去的推荐规范升格为管理标准。值得注意的是，针对当前我国饮用水水源地突发环境事件高发的态势，新《规范》新增了应急响应时间法，在风险理念、风险控制思路和管控技术方面进行了细化[3]。

新《规范》中地表水饮用水水源保护区水域划定方法主要有类比经验法、应急响应时间法、数值模型计算法，陆域划定有类比经验法、地形边界法、缓冲区法。地表水水源地一级保护区以卫生防护为主，可采用类比经验法划定，二级保护区划定则需综合考虑稀释降解所需距离和应急响应时间内污染物迁移距离[3]。饮水安全事关人民生命安全和社会稳定，科学划定水源保护区是落实饮用水水源保护区制度的重要前提[4]。采用何种划定方法直接决定划定结果的科学性和实用性，且从根源上决定饮用水水源地各级保护区空间格局，进而影响水源地保护、管理、污染防治和规范化建设等各个方面。王民等调研分析了全国16个省市119个大中型水库水源保护的划定方法，发现国内水源保护区划定多采用类比经验法，而未采用应急响应时间法和数值模型计算法[5]。通过在中国知网检索“数值模型计算法”和“应急响应时间法”关键字，未见水源保护区划定的相关文献。

当前，全国饮用水水源地保护区划定基本完成，但仍存在一些问题。如划定方法上照搬规范，没有根据区域实际情况，重视水质达标，而忽视风险防范，特别是高风险水源地在划定保护区时对环境风险和应急响应考虑不足，可能导致城市饮水安全面临潜在威胁。本研究以山区某高风险水源地为例，选取化学需氧量COD（Chemical Oxygen Demand）作为特征污染物，分别采用应急响应时间法和数值模型计算法开展水源地保护区划定，对划定结果进行对比分析，提出风险防范措施，以期为高风险饮用水水源地保护区划定或调整提供案例和方法参考。

1 水源地基本信息

某水库位于云贵高原山区，属中型水库，流域总体地势西高东低，入库河流为R，水质现状为Ⅱ类。水库径流区内风险源有固定源、流动源、非点源三种类型，固定源主要集中分布于河流R上游的工业园区，园区内现有工业企业35家，涉及焦化、冶金、煤电，企业在原料输送、贮运、生产等过程中存在有毒有机物泄漏等环境风险。

2 划定方法及数据来源

2.1 应急响应时间法

应急响应时间法是以应急响应时间为硬约束，以污染物扩散到取水口的流程距离作为保护区的长度的一种计算方法，适用于河流型水源、水库型水源入湖（库）支流的水域保护区划分，特别是上游污染源密集分布和环境风险高的水源地[3]。饮用水水源保护区上边界的水域距离计算公式为：

（1）

式中：S—保护区水域长度，m；Ti—从取水口向上游推算第i河段污染物迁移的时间，s；ui—第i河段平水期多年平均径流量下的流速，m/s。

应急响应时间确定应根据当地应对突发环境事件的能力而确定，一般不小于2 h，计算公式为：

（2）

式中：T—应急响应时间，s；T0—污染物流入最近河段的时间，s。

2.2 数值模型计算法

水质模型是水质变化规律的数学描述，主要用于研究水体污染物扩散规律，是水环境污染防治决策的重要工具。根据参数空间分布特性，水质模型可分为零维、一维、二维和三维模型[6]。河流长度较长的中小河流，可忽略污染物在横向和纵向上的浓度梯度变化，直接采用一维水质模型进行水质预测[7-9]。河流R为山区典型中小河流，其宽深比不大，污染物短时间内能在断面内均匀混合，因此可采用一维水质模型进行污染物水质分析，一维水质模型如下：

（3）

式中：C—下游断面污染物浓度，mg/L；C0—基准断面污染物浓度，mg/L；K—污染物综合降解系数，d-1，有关研究表明，降解系数与流速之间存在幂函数的关系[10]；x—沿程距离，m；u—河流平均流速，m/s。

某水库水质现状为Ⅱ类，按照《GB 3838—2002地表水环境质量标准》中水域功能和标准分类方法，集中式生活饮用地表水源地二级保护区水质执行Ⅲ类标准，一级保护区水质执行Ⅱ类标准，则可假定主要污染物从二级区扩散至一级区，其浓度必须从Ⅲ类衰减至Ⅱ类水平，本文选取COD作为特征污染物，以表征河流R不同断面间浓度变化。

2.3 水文参数确定

无常规水文监测或水文参数不足是制约水质模型构建的重要因素，特别是我国中西部大部分地区的中小河流[9]。根据现场踏查，河流R河道断面可概化为半圆形，根据《某水库除险加固工程可行性研究报告》可确定河流R流量范围为0.20～5.52 m3/s，

因此流量和河道断面存在以下数值关系：

（4）

式中：Q—流量，m3/s；R—河道断面半径，m；u—流速，m/s。

因河流R无常规水文监测，因此，采用速度经验公式计算流速，曼宁公式如下：

（5）

式中：u—河流平均流速，m/s；k—转换常数，取值为1；n—糙率，也称曼宁系数，根据实地踏查和用户手册推荐值（见表1）取值0.040；Rh—水力半径，即流体截面积与湿周长的比值，湿周长为流体与明渠断面接触的周长；S—明渠坡度。

2.4 模型参数率定

水质水动力模拟涉及参数较多，模型参数取值直接影响某水库水源保护区二级区水域长度和应急响应时间的确定，因此需要进行参数率定。参数率定分为人工率定和自动率定，人工率定主要依赖于研究者的经验，主观性强且费时费力，而自动率定可有效提高模型求参准确性和效率。通常，水质水动力模型参数自动率定多借助Python和Matlab软件[12-14]，主要方法有粒子群算法、遗传算法、协方差矩阵自适进化、贝叶斯估计等[15-18]。利用Matlab软件进行仿真计算，根据公式（3）～（5），设置流量步长为0.5，在0.20～5.52的范围内进行流速u的循环求解，进而计算特征污染物COD浓度从Ⅲ类衰减至Ⅱ类所需流程。

3 结果分析

3.1 应急响应时间法划定结果

某水库为中型水库，按照《规范》水库型饮用水水源保护区的划分技术要求，其一级保护区水域范围确定采用类比经验法，一级区水域为取水口半径300 m范围内的区域（见图2）；一级区陆域范围确定可采用地形边界法、缓冲区法或类比经验法，本文采用类比经验法，以一级区水域外200 m范围内的区域作为一级区陆域。采用应急响应时间法确定二级区水域范围，对当地应对突发环境事件提出更高要求，要求应急响应时间必须≥2 h。因R河上游企业（点源）分布较为密集，且最近的企业距河直线距离为113 m，因此，可假设污染物泄漏即入河，即T0=1 s，可根据公式（1）～（4）计算得到保护区上边界的水域最小距离为10.80 km。二级保护区陆域范围确定采用地形边界法，为入库河流R上溯10.80 km的汇水区域，二级保护区陆域范围不超过相应的流域分水岭。准保护区范围确定采用地形边界法，即除一级保护区和二级保护区以外的流域范围。

3.2 数值模型计算法划定结果

按照《规范》中型水库型饮用水水源保护区的划分技术要求，某水库一级保护区水域和陆域范围确定采用类比经验法，划定结果见图3。采用数值模型计算法确定二级保护区水域范围，则二级保护区水域范围应大于主要污染物从现状水质浓度水平衰减到《GB 3838—2002地表水环境质量標准》相关水质标准要求的浓度水平所需的距离。以公式（4）和（5）为基础，在Matlab软件采用一维水质模型（公式（1））设置不同参数范围，进行不同COD浓度水平下流速模拟（图4），求得主要污染物（COD）从二级保护区边界控制的Ⅲ类浓度水平衰减到《GB 3838—2002地表水环境质量标准》Ⅱ类水质标准浓度所需的最小距离为11.83 km，即二级保护区水域范围为一级区水域外入库河流R上溯11.83 km的河流水域。二级保护区陆域范围确定采用地形边界法，为入库河流R上溯11.83 km的汇水区域，二级保护区陆域范围不超过相应的流域分水岭。准保护区范围确定采用地形边界法，即除一级保护区和二级保护区以外的流域范围。

3.3 划定结果对比分析

采用应急响应时间法和数值模型计算法划定的饮用水水源保护区总体格局较为相似（图2和图3），

两种方法划定的一级保护区范围一致，二级区保护区和准保护区有所不同，见表2。数值模型计算法较应急响应法划定的二级保护区水域面积大0.01 km2，二级保护区陆域面积大9.42 km2，准保护区面积少9.43 km2。

4 结论与讨论

（1）应急响应时间法和数值模型计算法分别从应对突发环境事件和水质目标达标的角度进行了系统设计，从方法源头考虑环境风险和污染排放，为集中式饮用水水源保护区划定提供了科学方法，两种方法在水源保护区二级区和准保护区划定范围上有所不同。应急响应时间法对地方政府应急管理能力提出更高要求，特别是水源地上游点源污染分布密集或主要污染物为有毒有机物或重金属的地区。

（2）因某水库上游分布工业园区，环境风险等级较高，应系统构建应集应急准备、监测预警、事中应急处置和救援、事后恢复与重建、生态环境损害与鉴定、法律追责与问责为一体的全链条的风险应急体系，确保环境风险得到有效防控，饮用水水质稳定持续达标。

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The Application of Two Methods in the Classification of High Risk Drinking Water Source Protection Areas： Taking a Reservoir in the Mountain Area as an Example

JIA Hai-feng， WANG Wan-bin， GUAN Tang-zhen， LIU Fang

（Yunnan Academy of Ecological and Environmental Sciences， Kunming International Research Center for Plateau Lakes， Kunming Yunnan 650034， China）

Abstract： Taking a reservoir in the mountainous area as an example， the emergency response time method and numerical model calculation method were used to delineate the drinking water source protection area of a reservoir， respectively. The differences in the pattern of the protection areas delineated by the two methods were compared and analyzed in order to provide case studies and method references for the division and adjustment of high-risk drinking water source protection areas. The results indicated that the pattern of protected areas designated by the emergency response time method and numerical model calculation method was similar， but the two methods differ in the scope of secondary and quasi protected areas in the water source protection area. The suggestions for the construction of a risk emergency system for water source protection zones in response to the current environmental risk situation of the reservoir were proposed.

Key words： high risk; emergency response; numerical model; simulation; water quality model

收稿日期：2023-05-17

基金項目：云南省科技计划项目重点研发计划（202203AC1 00001）。

作者简介：贾海锋（1987- ），男，甘肃庆阳人，硕士，工程师，主要从事生态环境空间规划研究。