北京市大興新城水源地保護區(qū)劃分

陳 瑾，周瑞靜，黃 棟，張 雪（. 北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 00048；. 北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局信息中心，北京 0095）

北京市大興新城水源地保護區(qū)劃分

陳 瑾1，周瑞靜1，黃 棟1，張 雪2
（1. 北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048；2. 北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局信息中心，北京 100195）

北京地下水資源持續(xù)超采，已出現(xiàn)水資源枯竭和淺層地下水大面積污染問題，建立飲用水源地保護區(qū)是保護地下水水源的有效手段。本文應(yīng)用數(shù)值模擬法和公式法，對北京大興新城水源地保護區(qū)進行劃分。考慮大興水廠所在地水文地質(zhì)條件，分別對第四系和基巖進行保護區(qū)劃分，對不同分區(qū)進行疊加，得出水源地保護區(qū)范圍。通過兩種方法計算出的保護區(qū)面積相差不大，但是數(shù)值模擬法計算出的二級保護區(qū)面積比公式法計算的結(jié)果小5.5km2，主要因為公式法計算時沒有考慮地下水含水層邊界條件和巖溶地下水富水性不均一等因素，而數(shù)值模擬模型在水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上進行水源地保護區(qū)劃分，比較符合水源地所在區(qū)域?qū)嶋H的水文地質(zhì)條件。通過對劃分結(jié)果的對比和分析可以看出，公式法劃分水源保護區(qū)的方法簡便易行，但是概化結(jié)果與實際地質(zhì)條件差異較大。數(shù)值模擬法對含水層結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件的概化相對客觀、詳盡，但是該法應(yīng)用過程較復(fù)雜。在實際劃分水源保護區(qū)的工作中，應(yīng)將公式法和數(shù)值模擬法結(jié)合應(yīng)用。

水源地保護區(qū)劃分；公式法；數(shù)值模擬法

0　前言

水源地保護區(qū)是指為防止水源地（多為飲用水）污染、保護水源地環(huán)境質(zhì)量而劃定并要求加以特殊保護的一定面積的水域和陸域，它分為地表和地下水飲用水水源地保護區(qū)（國家環(huán)境保護總局，2007）。地下水資源是北京供水系統(tǒng)的支柱，但隨著城市的日益擴大、人口的急劇增長，北京的地下水資源因為持續(xù)超采，已經(jīng)出現(xiàn)水資源枯竭和淺層地下水大面積污染的問題。水源地的采水安全是關(guān)系到北京城市供水安全的重要保障，而建立飲用水源地保護區(qū)則是保護地下水水源的有效手段（李建新，2000）。

在地下水水源地保護區(qū)劃分的過程中，應(yīng)綜合考慮水源地所處的地理位置、井源類型、供水?dāng)?shù)量開采方式、水文地質(zhì)條件和周邊污染源分布（徐海珍等，2009；陳學(xué)林等，2013）。《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》中提出可以根據(jù)水源地日供水能力區(qū)分，選擇數(shù)值模擬法或公式法對地下水水源地保護區(qū)進行劃分。本文分別用數(shù)值模擬法和公式法兩種方法，對北京大興新城一二水廠水源地保護區(qū)進行了劃分。

1　地下水源地保護區(qū)劃分方法

1.1公式法概述

該法通過選取水源地水源井所在地的代表性水文地質(zhì)參數(shù)，按公式（1），經(jīng)計算得到水力半徑，再結(jié)合水源地水源井所在處的地形地貌、行政分區(qū)等，對保護區(qū)形狀作適當(dāng)調(diào)整，確定保護區(qū)的最終范圍。即在對水源地保護區(qū)進行劃分中以取水井為中心，根據(jù)取水井周邊水力梯度、滲透系數(shù)等水文地質(zhì)條件，計算出水流質(zhì)點沿水流方向遷移100d的距離為半徑所劃定的圓為一級保護區(qū)；一級保護區(qū)以外，水流質(zhì)點沿水流方向遷移1000d的距離為半徑所劃定的圓為二級保護區(qū)；劃定水源地的補給區(qū)和徑流區(qū)為準(zhǔn)保護區(qū)（國家環(huán)境保護總局，2007；趙紅梅等，2013）。

式中：

R——保護區(qū)半徑（m）；

α——安全系數(shù)，一般取2；

I——水力坡度，本次實例中孔隙水統(tǒng)一取0.72‰，基巖裂隙水統(tǒng)一取0.6‰；

K——取水層的含水層側(cè)向滲透系數(shù)（m/d），本次實例中孔隙水取值80m/d，基巖裂隙水取值76m/d；

T——質(zhì)點水平運移時間（d），一級保護區(qū)、二級保護區(qū)質(zhì)點水平運移時間分別對應(yīng)100d和1000d；

n——有效孔隙度，根據(jù)本次實例水源地的地質(zhì)條件，取值0.15。

1.2數(shù)值模擬法概述

數(shù)值模擬法是根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)條件、地下水位、地層空間結(jié)構(gòu)、邊界與源匯項以及其它水文地質(zhì)條件，對研究區(qū)的水文地質(zhì)條件進行概化，建立起研究區(qū)的概念模型和數(shù)學(xué)模型，運用地下水?dāng)?shù)值模擬軟件，對研究區(qū)的水文地質(zhì)條件進行識別和驗證，使模型盡量貼合實際的水文地質(zhì)條件參數(shù)（王金生等，2004；王澎，2003）。進一步運行模型，分別求得質(zhì)點運行100d和1000d的距離，以水流質(zhì)點運移100d的距離為半徑所劃定的圓為一級保護區(qū)；一級保護區(qū)以外，水流質(zhì)點運移1000d的距離為半徑所劃定的圓為二級保護區(qū)；人為劃定水源地的補給區(qū)和徑流區(qū)為準(zhǔn)保護區(qū)。分別計算得到不同取水層水源井一級保護區(qū)和二級保護區(qū)半徑后，綜合考慮水源地所處的地理位置、井源類型、供水?dāng)?shù)量開采方式、水文地質(zhì)條件和周邊污染源分布，劃定水源地各級保護區(qū)的范圍（趙紅梅等，2013）。

2　大興新城水源地保護區(qū)劃分

2.1水源地概況

大興新城水源地位于北京大興區(qū)，水源地供水井44眼，分為第四系井和基巖井，總計開采量為1200～1500×104m3/a（北京市地質(zhì)工程勘察院，2009）。

大興水廠所在地第四系沉積厚度各地分布不均一，西北向東南逐漸加厚。第四系含水層巖性西北為單一的砂礫石層，向東南顆粒逐漸變細(xì)，以中細(xì)砂層為主。含水層富水性大小與含水層巖性、厚度密切相關(guān)，自西北向東南單井水位下降5m時，涌水量從大于5000m3/d下降到1500～3000m3/d。地下水的補給主要來源大氣降水入滲補給、上游的側(cè)向補給以及灌溉水的回歸和地表水等的入滲補給，地下水自西北向東南徑流。

基巖含水巖組主要是奧陶系和寒武系巖溶裂隙含水巖組，分布在研究區(qū)中心地帶，頂板埋深約80m，向上與第四系直接接觸，基巖頂部普遍有10～12m的粘性土層。奧陶系巖溶裂隙水含水巖組是本區(qū)主要開采層。巖性以白云質(zhì)灰?guī)r為主，夾有灰?guī)r和白云巖。地層巖溶裂隙發(fā)育，富水條件好，降深在0.45～7m時，單井出水量為1200～5000m3/d，是本區(qū)富水性最好的含水巖組。寒武系巖溶裂隙水含水巖組巖性為鮞狀灰?guī)r、豹斑狀泥晶灰?guī)r，該含水巖組巖溶裂隙發(fā)育，富水性較好，降深在2～30m時，單井出水量為800～1400m3/d。

2.2公式法

（1）第四系地下水

一級保護區(qū)的保護半徑：R = 200% ×80×0.72‰×100/0.15 = 76.8m；

二級保護區(qū)的保護半徑：R = 200% ×80×0.72‰×1000/0.15 = 768m。

通過計算：一級保護區(qū)半徑為76.8m，面積為0.23km2；二級保護區(qū)半徑為768m，面積為34.36km2；一、二保護區(qū)面積共計：34.59km2。

（2）巖溶地下水

一級保護區(qū)的保護半徑：R = 200% ×76×0.6‰×100/0.15 = 60.8m；

二級保護區(qū)的保護半徑：R = 200% ×76×0.6‰×1000/0.15 = 608m。

通過計算：一級保護區(qū)半徑為60.8m，面積為0.42km2；二級保護區(qū)半徑為608m，面積為：50.46km2；一、二保護區(qū)面積共計：50.88km2。

（3）大興新城地下水水源地保護區(qū)

通過以上分別對第四系和基巖進行保護區(qū)劃分，對不同分區(qū)進行疊加，得出水源地保護區(qū)范圍：一級保護區(qū)面積為0.51km2，二級保護區(qū)面積為58.00km2，準(zhǔn)保護區(qū)面積為41.89km2，面積共計100.4km2（圖1）。

2.3數(shù)值模擬法

（1）模擬區(qū)概況

模擬區(qū)范圍以大興新城一、二水廠水源井為中心，西部以永定河為邊界，南部以西莊村為界，東至舊宮鎮(zhèn)，北至黃土崗村，模擬面積252.8km2。

（2）地下水系統(tǒng)概念模型

依據(jù)地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，模型在空間上分為3層，第一含水層組（第四系含水層）、弱透水層和第二含水層組（基巖裂隙含水層）。模擬區(qū)地下水系統(tǒng)的概念模型概化成非均質(zhì)各向異性、空間三維結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)（張立志，2009；李星宇等，2014）。

（3）地下水系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

圖1　公式法確定水源地保護區(qū)劃分圖Fig.1 Formula method to determine the delineating water source protection areas map

建立地下水水流模型，采用不規(guī)則三角剖分，水源井在剖分時自動加密，剖分后的模擬區(qū)共108704個結(jié)點，162342個單元格。采用2006年1月統(tǒng)測的地下水水位作為初始水位，模擬時期為2006年1月到2008年12月，以一個月作為一個時間段。通過模擬期末（2008年12月30日）含水層的模擬流場與實際流場對比圖（圖2）可知，所建立的模擬模型基本達(dá)到模型精度要求，符合研究區(qū)實際水文地質(zhì)條件，基本反映了地下水系統(tǒng)的動態(tài)特征，故可利用模型來確定水源地一級保護區(qū)和二級保護區(qū)。

圖2　實測水位等值線與計算水位等值線對比圖Fig.2 Study on measured water level and calculated water level comparison map

（4）第四系保護區(qū)

通過模擬模型計算得出：質(zhì)點在第四系含水層運行100d的距離為72m，運行1000d的距離為675m，得出一級保護區(qū)面積為0.29km2，二級保護區(qū)面積為27.91km2，準(zhǔn)保護區(qū)面積為47.39km2，共計75.59km2。

（5）基巖保護區(qū)

通過模擬模型計算得出：質(zhì)點在第四系含水層運行100d的距離為64m，運行1000d的距離為620m，得出水源地一級保護區(qū)面積為422m2，二級保護區(qū)面積為52.383km2，共計52.80km2。

（6）大興新城地下水水源地保護區(qū)

通過以上分別對第四系和基巖進行保護區(qū)劃分，對不同分區(qū)進行疊加，得出水源地保護區(qū)范圍：一級保護區(qū)面積為0.54km2，二級保護區(qū)面積為52.50km2，準(zhǔn)保護區(qū)面積為47.83km2，共計100.87km2（圖3）。

圖3　數(shù)值模擬模型確定水源地保護區(qū)劃分圖Fig.3 Numerical simulation method to determine the delineating water source protection areas map

2.4結(jié)果分析

通過以上兩種方法，求得保護區(qū)的面積相差不大。雖然數(shù)值模擬計算的總面積小于數(shù)值公式法計算出的總面積，但是數(shù)值模擬計算出的二級保護區(qū)面積比公式法計算的結(jié)果小5.5km2，主要因為公式法計算時沒有考慮地下水含水層邊界條件和巖溶地下水富水性不均一等因素；而數(shù)值模擬模型在水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上進行水源地保護區(qū)劃分，比較符合水源地所在區(qū)域?qū)嶋H的水文地質(zhì)條件，本研究認(rèn)為數(shù)值模擬法計算得到的保護區(qū)范圍比公式法計算結(jié)果更為合理，因此，本研究結(jié)果采用數(shù)值模擬法計算的范圍。

3　結(jié)論

通過對劃分結(jié)果的對比和分析可以看出，公式法劃分水源保護區(qū)的方法簡便易行，但是主觀性較強，而且概化結(jié)果與實際地質(zhì)條件差異較大，常出現(xiàn)劃定區(qū)域保護強度過高或過低的現(xiàn)象。

數(shù)值模擬法對含水層結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件的概化相對客觀、詳盡，適用于各種背景的水源地研究，尤其對于大型地下水源地保護區(qū)的劃分，水源保護區(qū)劃分結(jié)果比較可靠、準(zhǔn)確，但是該法應(yīng)用過程較復(fù)雜，所需條件多，工作量大，特別對于復(fù)雜水文地質(zhì)條件的水源地，概化時也會產(chǎn)生一定的誤差。

由此可見，數(shù)值模擬法可以彌補公式法刻畫含水層結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件不夠準(zhǔn)確的缺陷，而公式法劃分結(jié)果又可以對區(qū)域水文地質(zhì)條件做出一定的控制參考，以避免模型調(diào)參時出現(xiàn)脫離實際偏差太大的后果。在實際劃分水源保護區(qū)的工作中，應(yīng)將公式法和數(shù)值模擬法結(jié)合應(yīng)用，才能使地下水水源地保護區(qū)的劃分結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。

［1］國家環(huán)境保護總局. 飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范（HJ/T 338-2007） ［S］. 2007.

［2］趙紅梅，肖杰. 公式法與數(shù)值模擬法在地下水飲用水源保護區(qū)劃分中的應(yīng)用——成都平原某水源地為例［J］. 四川環(huán)境，2013，32：60～64.

［3］李建新. 我國生活飲用水水源保護區(qū)問題的探討［J］. 水資源保護，2000，3：12～14.

［4］徐海珍，李國敏，張壽全，等. 地下水水源地保護區(qū)劃分方法研究綜述［J］. 水利水電科技進展，2009，29（2）：80～82.

［5］陳學(xué)林，胡興林，王雙合，等. 地下水飲用水水源地保護區(qū)劃分關(guān)鍵技術(shù)研究［J］. 水文，2013，33（6）：69～71.

［6］王金生，王澎，劉文臣. 劃分地下水源地保護區(qū)的數(shù)值模擬方法［J］. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2004，4：83～86.

［7］王澎. 用數(shù)值模擬的方法劃分地下水水源地保護區(qū)［J］. 山西焦煤科技，2003，6（增刊）：10～12.

［8］北京市地質(zhì)工程勘察院. 北京市大興新城一二水廠地下水源地保護區(qū)重新劃分技術(shù)報告［R］. 2009.

［9］張立志. 基于FEFLOW的大興區(qū)地下水動態(tài)模擬研究［D］. 北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2009.

［10］李星宇，南天，王新娟，等. 數(shù)值模擬方法在隱伏巖溶水源地保護區(qū)劃分及污染治理中的應(yīng)用［J］. 中國巖溶，2014，33（3）：280～286.

Delineation of Groundwater Source Protection Area in Beijng Daxing New Town

CHEN Jin1， ZHOU Ruijing1， HUANG Dong1， ZHANG Xue2
（1.Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering， Beijing 100048； 2. The Information Center， Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau， Beijing 100048）

Because the groundwater resources in Beijing are sustained overdraft， there have been the problems of water resource depletion and shallow layer groundwater contaminated in large areas. It is an effective way to establish the protection area of drinking water to protect the groundwater source. In this paper， we use the numerical simulation and formula method in the delineation of Beijing Daxing new town waterworks protection areas. Considering the hydrogeological conditions of the Daxing waterworks， the scope of the protection area is obtained through delineation of Quaternary and basement rocks respectively and superposition of different partitions. There is little difference in the calculation by two methods， but the area calculated by the numerical simulation method is smaller 5.5km2than that of the formula method. The main reason is that the groundwater aquifer boundary conditions and inhomogeneity of watery in karst underground water are not considered by formula method. Based on the hydrogeological conditions， the numerical simulation model is delineated， which is quite consistent with the actual hydrogeological conditions in the local area. Through the comparison and analysis of the results， the formula method is simple， but the generalization of the geological conditions is very different from the actual geological conditions. The numerical simulation method can generalize the aquifer structure and hydrogeological conditions more exhaustive and objective， and the division result of protection areas may be more reliable and accurate. But the application of numerical simulation method is more complex and workload. The formula method should be combined with the numerical simulation method in the application.

Daxing new town； Formula method； Numerical simulation method

X523

A

1007-1903（2016）01-0089-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.018

陳瑾（1983- ），女，工程師，主要從事環(huán)境地質(zhì)。E-mail：ccjjhb@163.com。