基于解析單元法的地下水源地保護(hù)區(qū)劃定方法與應(yīng)用

田文英

（遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）

基于解析單元法的地下水源地保護(hù)區(qū)劃定方法與應(yīng)用

田文英

（遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）

目前國內(nèi)地下水水源保護(hù)區(qū)的劃分較粗放，沒有一套專門用于地下水水源保護(hù)區(qū)劃分的軟件。本文通過實(shí)例介紹解析單元法軟件WhAEM 2000在水源地保護(hù)區(qū)劃分的應(yīng)用，結(jié)果表明，該方法在滿足一定精度的前提下提高了工作效率。

解析單元法；WhAEM 2000；水源地；水源保護(hù)區(qū)

地下水是人類寶貴的自然資源，由于地下水污染具有隱蔽性、埋藏分布的復(fù)雜性以及具有流速慢、稀釋能力差的特點(diǎn)，地下水水源地的保護(hù)通常以“預(yù)防為主”，根據(jù)水文地質(zhì)條件與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局，科學(xué)劃分地下水保護(hù)區(qū)的范圍，至關(guān)重要。

1 目前國內(nèi)外保護(hù)區(qū)范圍確定原則

目前我國與大多數(shù)發(fā)達(dá)國家都將保護(hù)區(qū)分為3個等級類型。只是各國保護(hù)區(qū)劃分的具體時間及距離指標(biāo)略有不同，但原則上都采用了三級劃分的體系。

2007年1月9日，國家環(huán)?？偩职l(fā)布了《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》HJ/T338-2007，根據(jù)《規(guī)范》，一級保護(hù)區(qū)是以地下水取水井為中心，溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)遷移100天的距離為半徑所圈定的范圍。一級保護(hù)區(qū)位于水源地開采井周圍，其功能主要是保證集水有一定的滯后時間，以防止細(xì)菌類和污染物直接進(jìn)入開采井中，防止有害物質(zhì)滲入，消除水源污染的可能性，保證水源地出水安全。二級保護(hù)區(qū)位于一級保護(hù)區(qū)之外，溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)遷移1000天的距離為半徑所圈定的范圍。補(bǔ)給區(qū)和徑流區(qū)為準(zhǔn)保護(hù)區(qū)［1］。

2 目前保護(hù)區(qū)范圍圈定的技術(shù)方法及適用條件

根據(jù)目前國內(nèi)外保護(hù)區(qū)劃分體系，圈定地下水水源地保護(hù)區(qū)范圍的方法很多，每種方法及適用條件如下。

2.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

本方法主要是將距離取水井或者取水井群固定距離的范圍劃定為保護(hù)區(qū)，距離水源井的距離采用固定值或者通過多年時間總結(jié)出來的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，或通過調(diào)查水源地地理位置、水文、氣象、含水層覆蓋層的保護(hù)能力，水動力特征、水源地類型及規(guī)模和研究區(qū)其他水文地質(zhì)特征，選取構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)公式，求出各級保護(hù)區(qū)半徑。此種方法確定保護(hù)區(qū)范圍簡單，但沒有考慮水流系統(tǒng)的自身特征。

2.2 解析模型法

本方法是對水源地所在地的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件加以簡化和概化，構(gòu)建只保留天然地質(zhì)體的主要影響因素的物理模型，從模型出發(fā)，用簡潔的解析公式刻畫模型的水流關(guān)系、地質(zhì)特征，然后根據(jù)保護(hù)區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)，求出各級保護(hù)區(qū)范圍。解析模型法劃分保護(hù)區(qū)，所需數(shù)據(jù)少，精度較通過經(jīng)驗(yàn)計算保護(hù)區(qū)半徑的方法好。但是此方法對含水層做了很多假設(shè)，實(shí)際情況要比概化過的模型復(fù)雜的多，因此對于水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜的地區(qū)不適用此方法。

2.3 數(shù)值模型法

此方法通常借助專業(yè)地下水?dāng)?shù)值模型軟件來完成，對天然地質(zhì)體進(jìn)行概化并通過數(shù)學(xué)模型模擬，力求達(dá)到復(fù)制實(shí)際水流系統(tǒng)基本狀態(tài)的目的，在流場求解的基礎(chǔ)上，選擇合適的保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)圈定保護(hù)區(qū)范圍。

3 國內(nèi)地下水保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)方法

由于國內(nèi)地下水水源地多，保護(hù)區(qū)劃定的工作量大，目前國內(nèi)地下水保護(hù)區(qū)的劃定普遍采用的方法是經(jīng)驗(yàn)公式法與簡單的解析公式分析的方法，基本上都是按照一定的假設(shè)或經(jīng)驗(yàn)建立方程，通過方程計算得到半徑值，或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算半徑值，其間不考慮水流系統(tǒng)的自身特征，將這個固定半徑值的范圍作為水源地保護(hù)區(qū)范圍。

目前國內(nèi)地下水?dāng)?shù)值模型的逐漸發(fā)展也有很多研究人員嘗試通過各種地下水?dāng)?shù)值模型軟件來計算保護(hù)區(qū)范圍，但是數(shù)值模型數(shù)據(jù)需求量大，模型搭建周期長，而地下水水源地又很多，每個水源地都搭建數(shù)值模型不太現(xiàn)實(shí)。因此需要一種方法，既能保證時間周期短、且考慮到水文、氣象、水文地質(zhì)、地下水流場等多種影響因素條件下的保護(hù)區(qū)劃定方法。美國應(yīng)用較多的WhAEM2000模型軟件就是為了劃定保護(hù)區(qū)特別開發(fā)的一套解析模型法軟件，兼顧了效率與物理因素。

4 軟件介紹

4.1 軟件介紹

WhAEM2000是基于解析單元法的地下水單層含水層Dupuit-Forchheimer模型，是解析模型法的一種，由美國環(huán)境保護(hù)署完成開發(fā)，該模型軟件利用解析單元法對均值含水層抽水進(jìn)行求解，包括水文邊界的影響，如河流、補(bǔ)給、隔水邊界及非均質(zhì)體等。該方法在地下水?dāng)?shù)值計算領(lǐng)域得到迅速應(yīng)用，它避免了利用網(wǎng)格或單元對含水層系統(tǒng)的離散化，對復(fù)雜的區(qū)域地下水問題主要依靠模型中解析單元的疊加來解決。該方法對非均值承壓與潛水含水層都適用［2］。

4.2 基本原理

解析單元法（Analytic Element Method，簡稱AEM）是美國明尼蘇達(dá)大學(xué)Otto Strack教授于上世紀(jì)70年代末創(chuàng)立的一種地下水運(yùn)動分析方法，應(yīng)用復(fù)變函數(shù)理論的奇點(diǎn)法構(gòu)造地下水流動的數(shù)學(xué)模型，在該方法中與地下水流動有關(guān)的特征元素被稱為單元，他們包括：自然或人工地表水體，如河流、湖泊、運(yùn)河等；抽水井及水源地；入滲或越流補(bǔ)給含水層；含水層參數(shù)，如滲透系數(shù)、厚度等［3］。

此方法來源于解析模型法，但是對計算區(qū)進(jìn)行了單元劃分，避免了一般解析模型法將整個計算區(qū)概化成一個獨(dú)立水文地質(zhì)體，不能真實(shí)反應(yīng)復(fù)雜水文地質(zhì)條件的弊端，相較數(shù)值模型法又避免搭建數(shù)值模型需要大量的地質(zhì)、水文、地下水等數(shù)據(jù)，模型搭建周期長的問題。

4.3 應(yīng)用步驟

查明研究區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，地下水開發(fā)利用條件，水文及氣象條件，地下水補(bǔ)徑排關(guān)系。

（1）構(gòu)建水文地質(zhì)概念模型，為了便于對地下水系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過對野外實(shí)際問題的簡化，建立數(shù)學(xué)模型，組織相關(guān)數(shù)據(jù)。具體內(nèi)容包括識別模型邊界條件、確定含水巖組，形成接近現(xiàn)實(shí)的地下水流動系統(tǒng)。

（2）模型的識別與調(diào)參，通過對模型的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行識別，使得模型地下水動態(tài)特征與實(shí)測的動態(tài)特征相一致。

（3）根據(jù)保護(hù)區(qū)范圍劃分要求，通過模型計算不同歷時情況下，粒子俘獲區(qū)的范圍，即地下水保護(hù)區(qū)范圍。

4.4 軟件應(yīng)用相關(guān)問題

（1）WhAEM 2000只能模擬穩(wěn)定流，非穩(wěn)定流不能模擬；只能模擬二維流，三維流不能模擬；只能模擬固定開采量條件下的模擬；含水層底板厚度不能變化；只用于水文地質(zhì)條件較均一，地形變化不大的地區(qū)。

（2）概念模型是本模型軟件模型設(shè)計的的核心。本軟件的水文地質(zhì)概念模型設(shè)計與分布式的地下水模型軟件一樣重要，是模型設(shè)計的核心，也是最困難的一步。主要內(nèi)容包括模型空間范圍的劃定、邊界條件的確定、提出源匯項(xiàng)、各水文地質(zhì)模擬元素的模擬方法。

（3）一般條件下水源地水源井間的距離在整個保護(hù)區(qū)尺度上來看是相當(dāng)小的，因此在概念模型搭建過程中，最好將距離較近的水源井概化成“大井”來考慮，這樣即增加了軟件運(yùn)算速度又不會對計算精度造成影響。

5 實(shí)例分析

5.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧北部柳河平原區(qū)，地勢北高南低，東西丘陵，北部沙荒，中、南部為平原，研究區(qū)中部有河流穿過，海拔最高（西北部）為313.1m，最低（南部）為59.3m。屬于東北平原，內(nèi)蒙古高原與遼河平原的過渡段。

本次研究的水源地，有開采井13眼，地下水開采量3.5萬m3/d，開采井井深60m，井徑450mm。開采層位為第四系孔隙含水層。

具體井位見圖1。

圖1 項(xiàng)目區(qū)位置圖

5.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)地下水為淺層孔隙水，基本上是西北山地丘陵區(qū)洪水搬運(yùn)的第四系松散堆積物，以洪積、坡洪積、沖積為主，形成了扇、裙、裾及沖積平原。含水層厚度在20～145m，含水層巖性主要為粉細(xì)砂，單井出水量為1000～5000m3/d。

5.3 建立水文地質(zhì)概念模型

側(cè)向邊界條件的概化：根據(jù)研究區(qū)地下水流場、地形地貌及水文地質(zhì)條件，模型上邊界linesink 1為地下水流入邊界，確定為定流量（Discharge-specified）邊界；模型下邊界line-sink 2為地下水流出邊界，確定為定流量（Discharge-specified）邊界；柳河line-sink 3確定為定水位（Head-specified）邊界；研究區(qū)兩側(cè)為山丘區(qū)，確定為隔水邊界。圖2即為模型邊界條件圖。

圖2 模型邊界條件圖

垂向邊界條件概化：含水層頂部邊界，以潛水面為界，大氣降水與地表水與潛水有密切的水力聯(lián)系。底部邊界為滲透性極差的粘性土層，確定為隔水邊界。

5.4 水文地質(zhì)參數(shù)確定

由于研究區(qū)范圍內(nèi)水文地質(zhì)條件相似，因此，將模型區(qū)作為均一地質(zhì)體，水文地質(zhì)參數(shù)確定為：含水層厚度60m，滲透系數(shù)58m/d，孔隙度0.2，降水入滲系數(shù)0.18。

5.5 保護(hù)區(qū)范圍的劃定

在模型中通過已知地下水長期觀測資料多模型計算結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，通過計算水位與已知水位進(jìn)行比較，調(diào)整參數(shù)，使得模型能很好的模擬水源地系統(tǒng)對不同激勵所做出的相應(yīng)。然后通過率定后的模型對水源地流場、示蹤粒子俘獲區(qū)進(jìn)行計算，最終結(jié)算結(jié)果為：一級保護(hù)區(qū)為溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)移100天的范圍，計算結(jié)果面積為1.3 km2，保護(hù)區(qū)邊界距離水源井最大距離750m，具體地下水流場及示蹤粒子俘獲區(qū)見圖3；二級保護(hù)區(qū)為溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)移1000天的范圍，計算結(jié)果面積為21.2km2，保護(hù)區(qū)邊界距離水源井最大距離3200m，具體地下水流場及示蹤粒子俘獲區(qū)見圖4；準(zhǔn)保護(hù)區(qū)為溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)移25年的范圍，計算結(jié)果面積為201.0km2，保護(hù)區(qū)邊界距離水源井最大距離16172m，具體地下水流場及示蹤粒子俘獲區(qū)見圖5。最終劃定的保護(hù)區(qū)范圍見圖6。

圖3 連續(xù)開采100天抽水影響范圍（粒子追蹤跡線范圍）

圖4 連續(xù)開采1000天抽水影響范圍（粒子追蹤跡線范圍）

圖5 連續(xù)開采25年抽水影響范圍（粒子追蹤跡線范圍）

圖6 保護(hù)區(qū)范圍圖

6 結(jié)語

（1）本文通過解析單元法模型WhAEM2000對遼寧省柳河平原區(qū)水源地進(jìn)行了保護(hù)區(qū)的劃分，該方法較固定半徑保護(hù)區(qū)劃分方法更合理，較地下水?dāng)?shù)值模擬方法操作簡便，效率高。

（2）該方法適用于水文地質(zhì)條件簡單的水源地保護(hù)區(qū)劃分，對孔隙型水源地應(yīng)用效果較好，劃分結(jié)果可信度高。對于水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜的或裂隙水、巖溶水水源地不宜采用本方法。

（3）本論文是將研究區(qū)作為均一介質(zhì)進(jìn)行分析研究，實(shí)際上需要進(jìn)行不同類型介質(zhì)參數(shù)分區(qū)，WhAEM2000具有分區(qū)功能，對于水文地質(zhì)情況復(fù)雜的地區(qū)建議進(jìn)行分區(qū)計算，保證保護(hù)區(qū)劃分的合理。

［1］HJ/T338-2007.飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］Stephen R.Kraemer.W orkingwith WhAEM 2000 Capture Zone Delineation for a City Supporting Wellhead Protection［A］.Office of Research and Development U.S.Environmental Protection Agency Washington［C］.

［3］方華山.銀川地區(qū)水文地質(zhì)條件分析及地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分［D］.長安大學(xué)，2009.

［4］李國敏，徐海珍.地下水源地保護(hù)區(qū)劃分方法與應(yīng)用［M］.中國環(huán)境科學(xué)出版社，2011.

［5］Strack.O.D.L.Principles of the analytic element method［J］. Jou rnal of Hydrology，1999.

［6］Working with WhAEM2000：Cap ture Zone Delineation for a City Wellfield in a Valley Fill Glacial Outwash Aquifer Supporting Wellhead Protection［A］，2007.

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1008-1305（2017）01-0081-04

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.025

2016-05-03

田文英（1979年—），男，高級工程師。