數值模擬法在地下水水源地保護區(qū)劃分中的應用

黃 棟，周瑞靜，陳 瑾，宋 晗

（北京市地質工程勘察院，北京 100048）

數值模擬法在地下水水源地保護區(qū)劃分中的應用

黃 棟，周瑞靜，陳 瑾，宋 晗

（北京市地質工程勘察院，北京 100048）

地下水資源是北京供水系統(tǒng)的支柱，設立地下水水源地保護區(qū)，是保護水源地最大可能免受人類活動影響、保證水質安全的重要措施。論文以北京市某典型水源地為例，在收集相關水文地質勘查、長期動態(tài)觀測、水源地開采現狀、規(guī)劃及周邊污染源調查等成果資料的基礎上，建立了地下水系統(tǒng)水文地質概念模型，模擬出地下水流場。通過質點追蹤技術，計算水源地水力捕獲帶范圍。綜合考慮水源地周邊地形、地物和潛在風險污染源等因素，確定了水源地保護區(qū)的范圍。結果表明，數值模擬法能客觀詳細地刻畫實際地下水含水層的結構與水文地質條件，劃分結果可靠、準確，能為地下水管理部門提供有效合理的保護依據。

地下水水源地；保護區(qū)劃分；數值模擬法

0 引言

北京是一個以地下水作為主要供水水源的城市，地下水占全市供水量的60%～70%，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持續(xù)開采已經逐漸枯竭并受到污染。即使南水北調進京后，地下水作為北京的供水水源也不會完全退出歷史舞臺，它將繼續(xù)并長期在城市供水系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。為保障飲用水安全、加強飲用水源地環(huán)境管理，必須科學、合理地劃分地下水飲用水源保護區(qū)。2013年9月，《北京市人民政府關于印發(fā)北京市地下水保護和污染防控行動方案的通知》（京政發(fā) ［2013］ 30號），第一項主要任務“制定完善地下水保護政策和規(guī)劃”，要求“劃定集中式飲用水水源地保護區(qū)”。地下水飲用水源保護區(qū)是指國家為防止地下飲用水水源地污染、保護水源地環(huán)境質量而劃定，并要求加以特殊保護的地表區(qū)域（國家環(huán)境保護總局，2007）。設立地下水水源地保護區(qū)，是保護水源地最大可能免受人類活動影響、保證水質安全的重要措施，為有針對性地制定預防和控制飲用水源污染對策提供依據。劃定的水源保護區(qū)范圍，應防止水源地附近人類活動對水源的直接污染；應足以使所選定的主要污染物在向取水點（或開采井、井群）輸移（或運移）過程中，衰減到所期望的濃度水平；在正常情況下保證取水水質達到規(guī)定要求；一旦出現污染水源的突發(fā)情況，有采取緊急補救措施的時間和緩沖地帶（國家環(huán)境保護總局，2007）。

關于保護區(qū)的劃分方法，國內主要是借鑒國外的經驗方法——分級法，即從水源中心至保護區(qū)邊緣分為三帶，越靠近水源中心，保護級別越高，保護措施就越強，區(qū)內人類活動的制約因素也就越多（李建新，2000）。2007年頒布的《飲用水水源保護區(qū)劃分技術規(guī)范》（HJ/T338-2007）提出了運用經驗公式法和數值模擬法兩種方法進行地下水水源地保護區(qū)的劃分。經驗公式法簡單易行，但在參數的選擇主觀性較強，一般適用于小型水源地保護區(qū)的劃分。數值模擬法應用復雜，但更能詳細刻畫含水層的結構和水文地質條件，劃分結果更準確可靠，適用于大型水源地保護區(qū)的劃分。

論文以北京市房山區(qū)某典型水源地為例，在收集相關水文地質勘查、長期動態(tài)觀測、水源地開采現狀、規(guī)劃及周邊污染源調查等成果資料的基礎上，建立了地下水系統(tǒng)水文地質概念模型，運用地下水模擬軟件，反復調整參數和均衡量，識別水文地質條件，確定了模型結構、參數和均衡要素。并通過質點追蹤技術，計算水源地水力捕獲帶范圍。綜合考慮水源地周邊地形、地物和潛在風險污染源等因素，確定了水源地保護區(qū)的范圍。水源地保護區(qū)劃分的流程見圖1。

圖1 水源地保護區(qū)劃分流程圖Fig.1 Flow chart of delineation

1 數值模擬法

用數值模擬方法劃分水源地保護區(qū)，主要是利用GMS等地下水模擬軟件，模擬出地下水流場，通過粒子追蹤技術，計算出特定時間內水力捕獲帶范圍，根據此范圍確定各級保護區(qū)的距離。

（1）建立概念模型

根據水源地的水文地質條件，確定模擬區(qū)范圍的大小，模擬區(qū)的范圍及邊界條件；含水層的內部結構及其水力特征；地下水流動特征；模擬區(qū)的初始條件等（王澎，2003）。必要時補充一些室內或野外實驗，獲取彌散參數、滲透系數等模型參數。

（2）建立數學模型及定解問題

把水文地質條件數學化，用一組數學關系式（可以是代數式、微分式或積分式）來刻畫實際地下水流在數量上和空間上的一種結構關系，對于實際的地下水系統(tǒng)，數學模型一般包括方程和定解條件，定解條件包括邊界條件和初始條件（王金生等，2004）。

（3）模型的前期處理

對模擬區(qū)進行網格或三角形剖分；確定模擬期，給出初始時刻的地下水流場，并將其內插到各個結點上。

（4）地下水均衡分析

在應用數值法之前，用均衡法對模擬區(qū)進行均衡計算，把地下水的各均衡項分配到各抽水時期和剖分單元上，重點注意與地下水位有關的均衡量，如降水入滲量、蒸發(fā)量和越流量等。

（5）模型的識別和檢驗

模型識別的方法一般采用預測-校正法（譚文清等，2008）。比較模擬出的地下水流場和實測的地下水流場，調整模型參數，使得模擬結果和實測結果在一定的誤差范圍內。

2 實例研究

北京市房山區(qū)某水源地地處房山區(qū)北柳子村北，共有第四系井8眼，水源井編號D1～D8，規(guī)劃供水能力5×104m3/d，屬大型水源地，擔負著該地區(qū)自來水供應的重任。

2.1 水文地質條件

該水源地位于大石河沖洪積平原的潛水區(qū)，第四系含水層主要為砂卵礫石層，厚度隨基底起伏而變化（圖2）。降深 5m時，單井涌水量1500～3000m3/d，含水層厚度約小于20m。水位埋深10～15m。第四系地下水的補給來源有：大氣降水補給、地表水的入滲補給和灌溉回歸水的滲入補給。地下水由山前地帶流向平原，并由北向南方向流出本區(qū)。地下水的排泄方式主要為側向徑流和人工開采地下水。

圖2 水文地質剖面圖Fig.2 Hydrogeological profile

2.2 水文地質概念模型

根據水源地的范圍以及水文地質條件、鉆孔資料、地下水水位動態(tài)和抽水試驗成果分析，建立地下水系統(tǒng)模擬模型。確定模擬區(qū)范圍東部以永定河為邊界，南部至西遞、大陶村一帶，西至刑家塢一帶，北至臺房子、梨村一帶，模擬面積62.88km2。模擬區(qū)概化成非均質各向異性、空間三維結構、非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，內部結構為潛水含水層、弱透水層和承壓含水層，模擬深度為80～150m。北部邊界為第四系含水層地下水流入邊界；南部邊界為第四系含水層地下水流出邊界；東部永定河此段干涸，邊界與等水位線相垂直，定義為零通量邊界。潛水含水層自由水面為模型的上邊界，潛水在此邊界與系統(tǒng)外發(fā)生垂向水量交換（圖3）。

圖3 模擬區(qū)范圍及邊界類型圖Fig.3 Simulation range and boundary types

2.3 數學模型

選擇地下水數值模擬軟件求解如下定解條件，建立模擬區(qū)的地下水數學模型。

式中：Ω為滲流區(qū)域； H為含水層的水位標高（m）；B為含水層底板高程；Kx、Ky、Kz分別為x、y、z方向的滲透系數（m/d）；Kn為邊界面法向方向的滲透系數（m/d）；μ為潛水含水層在潛水面上的重力給水度；w為人工開采和降水等（l/d）；H0為含水層的初始水位分布（m）；Γ0為滲流區(qū)域的上邊界，即地下水的自由表面；Γ2為滲流區(qū)域的側向邊界；Γ4為滲流區(qū)域的下邊界，即潛水含水層底部的隔水邊界； ?為邊界面的法2線方向；q（x，y，z，t）為定義為二類邊界的單寬流量（m/d·m），流入為正，流出為負（王澎，2003）。

2.4 水文地質參數

模擬區(qū)采用四邊形網格剖分，運用MODFLOW軟件包對數學模型進行識別和檢驗，模擬出地下水等水位線。水文地質參數引用2008年完成的《北京市地下水資源評價》中的成果及已有的抽水試驗報告中的水文地質參數。

2.5 模型的識別與檢驗

2007年1月和2009年12月分別進行兩次地下水位統(tǒng)測，使得模型能完整刻畫地下水系統(tǒng)流場，模擬期末含水層的模擬流場與實際流場對比見圖4。所建立的模型能達到精度要求，符合模擬區(qū)實際水文地質條件，反映了地下水系統(tǒng)的動態(tài)特征，可用來劃定該水源地的保護區(qū)范圍。

2.6 質點追蹤

根據《飲用水水源保護區(qū)劃分技術規(guī)范》（HJ/ T338-2007）的相關規(guī)定，孔隙潛水型地下水保護區(qū)劃分方法是以地下水取水井為中心，溶質質點遷移100d的距離為半徑所圈定的范圍為一級保護區(qū)；一級保護區(qū)以外，溶質質點遷移1000d的距離為半徑所圈定的范圍為二級保護區(qū)。在地下水水流模型的基礎上，通過質點追蹤技術，計算水力捕獲帶范圍，確定水源地的保護區(qū)。質點追蹤以2007年1月為初始條件，分別模擬100d、1000d后的水力運移情況。

圖4 模擬期末含水層流場對比圖Fig.4 Comparison of the fow field

通過模型計算，該水源地水源井100d質點流程距離29.64～49.87m，1000d質點流程距離368.26～494.28m。示蹤粒子100d和1000d運移距離見表1。

表1 示蹤粒子運移距離表Tab.1 Migration distance of the tracer particles

2.7 保護區(qū)范圍確定

利用GIS軟件，將不同井的保護區(qū)范圍疊加起來，并結合水源保護區(qū)的地形、地標、地物特點，充分利用具有永久性的明顯標志如行政區(qū)界線、公路、鐵路、橋梁、大型建筑物、水庫大壩、水工建筑物、河流汊口、輸電線和通訊線等。劃定的水源保護區(qū)見圖5。

圖5 水源地保護區(qū)劃分成果圖Fig.5 The conservation zone delineation result

3 結論

（1）運用數值模擬的方法，建立模擬區(qū)的概念模型和數學模型，借助專業(yè)軟件模擬計算地下水流場，并通過不同的時間參數來界定地下水水源地各級保護區(qū)的范圍。這種方法思路清晰，操作嚴謹，劃分結果準確可靠，具有廣泛的實用性。

（2）以某典型水源地為實例，進行了數值模擬法的應用研究。在地下水水流模型的基礎上，通過質點追蹤技術，以溶質質點遷移100d和1000d為的距離分別作為一級保護區(qū)和二級保護區(qū)的邊界，劃定了水源地保護區(qū)。

（3）最終確定保護區(qū)的邊界時，應考慮水源地的地形、地標、地物和現狀污染源的分布等特點，尋找明顯的標志物，便于相關地下水管理部門操作和制定監(jiān)督管理措施。

［1］國家環(huán)境保護總局. 飲用水水源保護區(qū)劃分技術規(guī)范（HJ/T338-2007）［S］. 2007.

［2］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，2000，16（3）：12～14.

［3］王澎. 用數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（S1）：10～12.

［4］王金生，王澎，劉文臣，等. 劃分地下水源地保護區(qū)的數值模擬方法［J］. 水文地質工程地質，2004，31（4）：83～86.

［5］譚文清，孫春，胡婧敏，等. GMS在地下水污染質運移數值模擬預測中的應用［J］. 東北水利水電，2008，26（5） ：54～55.

Application of Numerical Simulation Method in the Division of Groundwater Source Conservation Zones

HUANG Dong， ZHOU Ruijing， CHEN Jin， SONG Han
（Beijing Institute of Geological and Prospecting Engineering， Beijing 100048）

Groundwater is the key part of Beijing water supply system. Even after the South-to-North Water Diversion to Beijing， groundwater will also play a vital role and never fade away from the stage of history. PRC Water Pollution Prevention and Control Law expressly states that China has established the drinking water source reserve system. The establishment of groundwater source conservation area is the most important measure to protect groundwater from human activities to ensure the safety of water quality. As a case study of typical groundwater source area， we establish hydrogeological conceptual model of groundwater system， which is based on relevant hydrogeological exploration and long-term dynamic observation， water resource exploitation of the status quo， planning and pollution source survey data. The hydraulic capture zone of the water source is calculated by the particle tracking technique. We determine the range of the water source conservation area in consideration of the factors such as the terrain， the ground object and the potential risk of the water source. The study shows that the numerical simulation method can describe the hydrogeological conditions and groundwater aquifer structure actually. The result can provide reasonable and effective protection basis for the groundwater management department.

Groundwater source area； Division of conservation zone； Numerical simulation method

P641.8 中文標識碼：A

1007-1903（2016）03-0074-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.03.014

黃棟（1979-），男，碩士，工程師，主要從事環(huán)境地質。E-mail：huangdong0529@163.com。