基于MODFLOW數(shù)值模擬法的地下水飲用水源保護(hù)區(qū)劃分

肖 杰，錢(qián) 駿，趙紅梅，許冠東

(四川省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，成都 610041)

1 前言

安全的飲用水是人類(lèi)發(fā)展和健康的基本需求，是社會(huì)文明進(jìn)步的重要體現(xiàn)，也是構(gòu)建和諧社會(huì)的基礎(chǔ)。目前，我國(guó)城鄉(xiāng)居民飲水安全狀況不容樂(lè)觀，飲用水水源污染已經(jīng)成為一個(gè)較突出的社會(huì)問(wèn)題，關(guān)系到我國(guó)的長(zhǎng)遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展。據(jù)環(huán)保部2006～2010年開(kāi)展的全國(guó)城鎮(zhèn)集中飲用水水源地的水質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，約1/5水源地存在污染物超標(biāo)現(xiàn)象，近1/3地下水水源地受到污染。由于我國(guó)水污染總體態(tài)勢(shì)未能得到有效遏制，水污染程度仍然在加劇，局部地區(qū)的水環(huán)境狀況惡化，大量因水媒疾病呈頻發(fā)態(tài)勢(shì)，水污染突發(fā)事件屢有發(fā)生。因此飲用水源的水質(zhì)安全保障在現(xiàn)階段顯得尤為緊迫。依據(jù)《中華人民共和國(guó)水污染防治法》第二十條“省級(jí)以上人民政府依法劃定生活飲用水地表水源保護(hù)區(qū)”和《中華人民共和國(guó)水污染防治法實(shí)施細(xì)則》相關(guān)規(guī)定，設(shè)立飲用水水源地保護(hù)區(qū)，是保護(hù)飲用水水源地最大可能免受人類(lèi)活動(dòng)影響、保證水質(zhì)安全的重要措施［1］。

水源地保護(hù)區(qū)是指為防止水源地污染、保護(hù)水源地環(huán)境質(zhì)量而劃定并要求加以特殊保護(hù)的一定面積的水域和陸域，分為地表水飲用水源保護(hù)區(qū)和地下水飲用水源保護(hù)區(qū)兩類(lèi)［2］。隨著城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的逐步發(fā)展，土地資源愈加寶貴，水源地保護(hù)區(qū)劃分既要考慮自然因素及水質(zhì)要求，又要考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，即水源地保護(hù)區(qū)的劃分在滿(mǎn)足保護(hù)水質(zhì)要求的前提下，其面積應(yīng)盡量?。?］。因此，如何科學(xué)合理地劃分飲用水源保護(hù)區(qū)具有重要的研究意義。

2 地下水飲用水源地保護(hù)區(qū)劃分方法

由于地表水水源地保護(hù)區(qū)劃分的模式和經(jīng)驗(yàn)很多取自于地下水源保護(hù)區(qū)，因此作者重點(diǎn)探討地下水飲用水源保護(hù)區(qū)劃分方法。

在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家中，德國(guó)和英國(guó)是劃分地下水飲用水源地保護(hù)區(qū)最早的國(guó)家，美國(guó)起步較晚，但其研究發(fā)展十分迅速。德國(guó)在水源地保護(hù)方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)，其地下水源保護(hù)區(qū)的劃分要求是將取水口所在流域全部劃定為水源保護(hù)區(qū)，在水源保護(hù)區(qū)內(nèi)劃定3個(gè)分區(qū)，以取水口中心區(qū)保護(hù)級(jí)別最高，向外逐漸降低，實(shí)施分級(jí)保護(hù)［4］。具體作法為:一級(jí)保護(hù)區(qū)距井周邊至少10m，在此區(qū)內(nèi)不能有其它建筑物;二級(jí)保護(hù)區(qū)界以地下水50日流程等值線;三級(jí)保護(hù)區(qū)的范圍是水源井降落漏斗的影響范圍［5］。隨后，英國(guó)和美國(guó)都形成了自己國(guó)家所特有的地下水源保護(hù)區(qū)劃分規(guī)范?？傮w而言，歐美國(guó)家劃分地下水飲用水源保護(hù)區(qū)均采用分區(qū)保護(hù)措施，其水源地保護(hù)區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)也基本類(lèi)似。

我國(guó)對(duì)地下水飲用水源保護(hù)區(qū)的研究起步較晚，水源地保護(hù)區(qū)的研究經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段:1984年全國(guó)人大頒布《中華人民共和國(guó)水污染防治法》并于1996年修正，提出加強(qiáng)水源地保護(hù);1985年國(guó)家衛(wèi)生部發(fā)布《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了水源衛(wèi)生防護(hù)帶;2007年國(guó)家環(huán)?？偩职l(fā)布《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》，規(guī)定集中供水水源地應(yīng)設(shè)立水源地保護(hù)區(qū)，其中地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分根據(jù)不同水源地類(lèi)型明確了劃分原則、方法和要求，將一、二級(jí)地下水水源保護(hù)區(qū)的界線定為100d和1000d流程等值線。至此，我國(guó)的飲用水源地保護(hù)區(qū)研究工作快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)主要城市都陸續(xù)開(kāi)展了飲用水源保護(hù)區(qū)劃分工作。

近年來(lái)，隨著研究程度的不斷深入，我國(guó)地下水飲用水源保護(hù)區(qū)劃分方法主要形成了圖形簡(jiǎn)化法、經(jīng)驗(yàn)公式法、分析法、圓柱法、水文地質(zhì)條件法、解析模型法和數(shù)值模擬法。其中數(shù)值模擬法是求解實(shí)際地下水水源地問(wèn)題的主要方法，采用數(shù)值模擬法來(lái)計(jì)算水源地保護(hù)區(qū)范圍，可以客觀并較為詳細(xì)地刻畫(huà)實(shí)際含水層的結(jié)構(gòu)與水文地質(zhì)條件，適用于各種背景的水源地研究，尤其對(duì)于大型地下水源地保護(hù)區(qū)的劃分，能得到比其他方法更為可靠的結(jié)果［6］。

數(shù)值模擬法的原理是:利用MODFLOW軟件模擬研究區(qū)的地下水流場(chǎng)，根據(jù)模擬的地下水流場(chǎng)，按不同時(shí)間水力截獲區(qū)的范圍來(lái)劃分水源地保護(hù)區(qū)。在三維流狀態(tài)下，t時(shí)間截獲區(qū)是指“在 t時(shí)間內(nèi)，從污染點(diǎn)到水源地的軌跡組所包含的體積”。若忽略垂向流速分量，則截獲區(qū)為污染物從污染點(diǎn)出發(fā)，在t運(yùn)移時(shí)間內(nèi)，到水源地的水平跡線組所包含的面狀區(qū)域［7］。對(duì)于時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的選擇，參考《飲用水水源地保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》［8］中綜合我國(guó)多地區(qū)普遍情況的一般均值，確定水源地一、二級(jí)保護(hù)區(qū)的降解時(shí)間分別為:100d、1000d。將污染物運(yùn)移100d和1000d恰好到達(dá)水源地中心的捕獲區(qū)劃分為一級(jí)保護(hù)區(qū)、二級(jí)保護(hù)區(qū)范圍，二級(jí)保護(hù)區(qū)以外的地下水補(bǔ)給區(qū)劃分為準(zhǔn)保護(hù)區(qū)范圍。

3 實(shí)例分析

崇州市位于四川省岷江中上游川西平原西部邊緣，地處東經(jīng) 103°07'～ 103°49'、北緯 30°30'～30°53'之間，隸屬于成都市，東距成都市區(qū)37km。崇州市城區(qū)集中式飲用水源為地下水，共11口取水井，供水能力 2.5萬(wàn)t/d，水源地距離城區(qū)較近，西側(cè)靠近西河，受周邊區(qū)域污染影響較明顯。因此，合理劃分地下水飲用水源地保護(hù)區(qū)對(duì)防止水源地污染、保障崇州市的供水安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文選取崇州市城區(qū)飲用水水源地進(jìn)行研究。

3.1 水文地質(zhì)條件

崇州市城區(qū)飲用水源地位于崇州市東部平原區(qū)，主要分布第四系松散堆積物，包括全新統(tǒng)和中更新統(tǒng)地層。地下水主要賦存于滲透性強(qiáng)的砂礫卵石層中，富水性強(qiáng)。區(qū)域地下水補(bǔ)給條件較好，主要接受大氣降水和上游地下水徑流補(bǔ)給，地下水整體流向?yàn)楸蔽鳌蠔|向。崇州市城區(qū)飲用水源地地下水一部分向西河徑流排泄，另一部分向下游徑流排泄，地下水水化學(xué)類(lèi)型為HCO3-Ca型水。

全新統(tǒng) (Q4al+pl)以河流堆積砂、礫石孔隙潛水含水層為主，其二元結(jié)構(gòu)明顯，上部為厚0.5～3m粉細(xì)砂、粘質(zhì)砂土，下部為砂礫石層，厚度各地不一。該含水層水量較豐富，補(bǔ)給充沛，滲透性良好，為平原區(qū)良好的地下水源，富水程度變化同含水層的分布和規(guī)模關(guān)系密切。地下水埋藏深度，非汛期1～3m，汛期0.5～1.0m，動(dòng)態(tài)受河水或灌渠水控制，連續(xù)降水時(shí)影響較明顯。地下水化學(xué)類(lèi)型以重碳酸鈣水為主，礦化度在0.13～0.40g/L之間。

3.2 水源地開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及規(guī)劃

崇州市城區(qū)飲用水水源地隸屬于崇州市自來(lái)水公司。在2008年“5.12”汶川地震后，為有效保證城區(qū)人口飲用水安全，崇州市自來(lái)水公司經(jīng)過(guò)嚴(yán)格選址與周密籌劃、設(shè)計(jì)，新建11口抽水井抽取地下水供應(yīng)城區(qū)生活用水，該水源地設(shè)計(jì)供水能力為2.5萬(wàn)m3/d，供水人口11萬(wàn)人，目前，1～9號(hào)井已投產(chǎn)，開(kāi)始向城區(qū)供水，現(xiàn)狀日供水量2萬(wàn)m3/d。

4 水源地保護(hù)區(qū)劃分

4.1 水源地保護(hù)區(qū)劃分原則

(1)崇州市城區(qū)飲用水水源地一級(jí)、二級(jí)保護(hù)區(qū)的邊界分別為污染質(zhì)在100d和1000d時(shí)間內(nèi)運(yùn)移到取水井的捕獲區(qū)范圍，部分邊界調(diào)整應(yīng)與實(shí)際的水文地質(zhì)邊界相結(jié)合。

(2)劃定保護(hù)區(qū)范圍應(yīng)在保證水質(zhì)達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的前提下，即確保水源地水質(zhì)不受污染的前提下，劃定的保護(hù)區(qū)范圍應(yīng)盡可能小，并且便于管理［9］。

4.2 水文地質(zhì)概念模型

水文地質(zhì)概念模型是把含水層實(shí)際的邊界性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、滲透性質(zhì)、水力特征和補(bǔ)給排泄等條件進(jìn)行概化，便于進(jìn)行數(shù)學(xué)與物理模擬。

崇州市城區(qū)飲用水源地1～11號(hào)抽水井位于西河左岸一級(jí)階地上，地勢(shì)平坦，地層巖性為河流剝蝕堆積沖積成因的砂卵石，地下水類(lèi)型為第四系松散巖類(lèi) (卵礫石)堆積孔隙潛水。因此，本次模擬含水層對(duì)象為砂礫石層。同時(shí)根據(jù)水源地勘查資料顯示，地表下30m內(nèi)為砂礫石層，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)粘性土、粉粒土透鏡體。在不影響模擬真實(shí)性的前提下，把地表下0～30m視作第一潛水含水層 (Q4al+pl)，30～160m視作第二潛水含水層 (Q3fgl)，兩個(gè)潛水含水層之間存在垂向補(bǔ)給排泄關(guān)系。

本次模型以1～11號(hào)抽水井為中心，橫向長(zhǎng)3360m，縱向長(zhǎng)3300m，按照100*100網(wǎng)格劃分。區(qū)域地表高程為530～555m，取模型高程范圍為390～560m，按照垂向上滲透性能的差異，將模型分為3層，局部地區(qū) (抽水井附近)進(jìn)行網(wǎng)格加密。模型西側(cè)邊界為西河河流，可概化為河流定水頭邊界;東側(cè)邊界視作與地下水流向平行，可概括為零通量邊界;北西和南西側(cè)可概化為流量邊界，其中北西側(cè)為補(bǔ)給邊界，而南西側(cè)為排泄邊界。模擬區(qū)域上邊界均為潛水面，在該面上存在大氣降水入滲、地表水入滲補(bǔ)給及潛水蒸發(fā)排泄等垂向水量交換。模擬區(qū)域底部為成都平原第二含水層的隔水頂板－巖性為隔水的泥礫層、粘砂礫石層，該處地下水徑流滯緩，上部砂礫石潛水含水層與下界水量交換微弱，基本可忽略不計(jì)，因此將其概化為潛水含水層隔水底板。

4.3 地下水水流模型

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型建立相應(yīng)的地下水水流模型［10］。

式中:Kxx，Kyy和 Kzz—分別為滲透系數(shù)在 x，y和z方向的分量;

h—水頭(L);

W—補(bǔ)給強(qiáng)度(m3/d);

Ss—孔隙介質(zhì)的貯水率(L－1)或給水率(L－1);

t—時(shí)間(T);

Qi—表示區(qū)域內(nèi)第i個(gè)井的井下涌水量(m3/d);

δ(x－xi，y－yi)—對(duì)應(yīng)于井坐標(biāo)的狄拉克函數(shù);

H—表示承壓水水頭;

Γ1—表示第二類(lèi)邊界(隔水邊界);

Γ2—表示第一類(lèi)邊界(定水頭邊界);

Γ3—表示第三類(lèi)邊界(混合邊界)。

圖1 示蹤粒子運(yùn)移100d模擬圖Fig.1 Simulation of tracer particles with 100 days of migration

4.4 數(shù)值模擬結(jié)果

建立好水文地質(zhì)概念模型后，先進(jìn)行初始滲流場(chǎng)的擬合，對(duì)初始水位以及各個(gè)參數(shù)進(jìn)行校正。具體做法是:首先對(duì)模型進(jìn)行穩(wěn)定流計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果作為模型的初始水位，再進(jìn)行非穩(wěn)定流計(jì)算。然后利用實(shí)際觀測(cè)水位和非穩(wěn)定流模型計(jì)算水位進(jìn)行擬合，在擬合過(guò)程中對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)校正。以擬合后的初始滲流場(chǎng)為基礎(chǔ)，以抽水井為中心設(shè)置環(huán)形反向示蹤粒子，利用Visual Modflow中MODPATH軟件計(jì)算出任意時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)的位置和流線分布，以示蹤粒子逆向運(yùn)移100d和1000d的范圍中最外層質(zhì)點(diǎn)的起點(diǎn)連接起來(lái)就是一級(jí)、二級(jí)保護(hù)區(qū)范圍。詳見(jiàn)圖1、圖2。

圖2 示蹤粒子運(yùn)移1000d模擬圖Fig.2 Simulation of tracer particles with 1000 days of migration

圖3 崇州市城區(qū)飲用水源地保護(hù)區(qū)劃分成果Fig.3 The protection areas division result of drinking water sources in Chong Zhou city

4.5 保護(hù)區(qū)范圍最終定界

為了便于開(kāi)展飲用水源地日常管理工作，依據(jù)保護(hù)區(qū)劃分的原則和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，結(jié)合水源地保護(hù)區(qū)附近的地標(biāo)、地物特點(diǎn)，充分利用具有永久性的明顯標(biāo)志如行政區(qū)界線、公路、橋梁、大型建筑物、水工建筑物、河流汊口、輸電線、通訊線等標(biāo)示保護(hù)區(qū)界線，最終確定各級(jí)保護(hù)區(qū)的界線。如圖3所示。

5 水源地管理及保護(hù)措施

水源地保護(hù)區(qū)劃分完成后，還應(yīng)采取相應(yīng)的措施確保保護(hù)區(qū)對(duì)水源地水質(zhì)進(jìn)行保護(hù)的目標(biāo)。主要包括以下管理措施:

(1)加快推進(jìn)水源保護(hù)區(qū)標(biāo)志、警示隔離設(shè)施的規(guī)范建設(shè)，開(kāi)展定期巡查和日常維護(hù)，確保標(biāo)識(shí)醒目、清潔、完好。

(2)加強(qiáng)污染源的整治工作，確保一級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)無(wú)與取水設(shè)施無(wú)關(guān)的建筑物，禁止污水渠道、管道及輸油管道通過(guò);確保二級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)無(wú)嚴(yán)重污染的企業(yè)及有害廢棄物堆放場(chǎng)，已完成建設(shè)的企業(yè)要限期治理、轉(zhuǎn)產(chǎn)或搬遷。

(3)加強(qiáng)水源地保護(hù)區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)預(yù)警能力建設(shè)，以提高污染事故的應(yīng)急監(jiān)測(cè)和預(yù)警監(jiān)測(cè)水平，切實(shí)保障飲用水水源地水質(zhì)安全。

(4)明確水源地管理機(jī)構(gòu)，全面負(fù)責(zé)水源地水質(zhì)報(bào)告工作，實(shí)行飲用水水源安全巡查制度，對(duì)水源地的環(huán)境污染治理和生態(tài)建設(shè)等工作實(shí)行長(zhǎng)期管理。

6 結(jié)論

(1)采用數(shù)值模擬法來(lái)計(jì)算水源地保護(hù)區(qū)范圍，可以客觀并較為詳細(xì)地刻畫(huà)實(shí)際含水層的結(jié)構(gòu)與水文地質(zhì)條件，適用于各種背景的水源地研究，MODFLOW數(shù)值模擬法對(duì)于大中型地下水源地保護(hù)區(qū)的劃分，能得到比其他方法更為可靠的結(jié)果。

(2)崇州市城區(qū)飲用水水源地采用MODFLOW數(shù)值模擬軟件建立了地下水滲流場(chǎng)，應(yīng)用MODPATH對(duì)水源地各抽水井進(jìn)行粒子反向追蹤模擬，根據(jù)示蹤粒子運(yùn)移100d和1000d到達(dá)水源地中心的捕獲區(qū)劃分為一級(jí)保護(hù)區(qū)、二級(jí)保護(hù)區(qū)范圍，并結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)條件和實(shí)際地標(biāo)、地界特點(diǎn)進(jìn)行最終定界。

(3)水源地保護(hù)區(qū)劃分完成后，應(yīng)采取積極有效的措施確保劃分的保護(hù)區(qū)能對(duì)水源地水質(zhì)進(jìn)行保護(hù)。

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