地下水水源地保护区划分方法研究综述

第29卷第2期水利水电科技进展2009年4月Vol.29No.2Advances in Science and Technology of Water Resour ces Apr.2009基金项目:国家自然科学基金(40672170);环保公益性行业科研专项(200709055);北京市科技计划项目(D07050601510000)作者简介:徐海珍(1983 ),女,山东潍坊人,博士研究生,从事地下水数值模拟研究。

E mail:hz xu snower@DOI:10.3880/j.issn.1006 7647.2009.02.020地下水水源地保护区划分方法研究综述徐海珍1,李国敏1,张寿全1,2,董艳辉1(1.中国科学院地质与地球物理研究所工程地质力学重点实验室,北京 100029; 2.北京市水务局,北京 100038)摘要:介绍国内外地下水水源地保护区划分方法的发展进程,重点剖析经验法、公式计算法、解析解模型法和数值模拟法的特点及适用条件。

鉴于目前国际上流行的数值模拟方法中具有不确定性特征的水文地质参数是影响保护区划分的重要因素,强调了条件随机模拟思想对保护区划分的重要性,指出了地下水水源地保护区划分的发展趋势和研究方向。

关键词:地下水;水源地保护区;保护区划分方法;解析解模型;数值模拟;随机模拟中图分类号:P641 8 文献标识码:A 文章编号:1006 7647(2009)02 0080 05Sum mary of research on the method of partition of the groundwater wellhead protection zone//XU Hai zhen 1,LI Guo min 1,ZHANG Shou quan 2,DONG Yan hui 1(1.Key Laboratory o f En gineering Geomechanics,I nstitute of Geology and Geop h ysics ,Chinese Acade my o f Sciences ,Beijin g 100029,Ch ina;2.Bei j ing Water A uthority ,Bei j ing 100038,China)Abstract :The development process of the method of parti tion of the groundwater wellhead protection zone is introduced.The characteristics and applicable condition of the empirical method,formulation calculation method,analytical model algori thm and numerical simulation method are anatomized.In the international p opular nu merical simulation method,the hydro geological parameters with uncertain characteristics are i mp ortant factors affecting the protection zone delineation,which emphasizes the i mportance of stochastic si mulation in the protection zone delineation.Finally ,the develop ment and the research direction of the partition of the groundwater wellhead protection zone are described.Key words :ground water;wellhead protection zone;protection zone delineation method;analytical model;numerical si mulation;stochastic si mulation水源地保护区是指国家为防止水源地(多为饮用水)污染、保护水源地环境质量而划定并要求加以特殊保护的一定面积的水域和陆域,它分为地表和地下水饮用水水源地保护区。

近年来,世界人口的持续增长和水污染的日益加剧,促使各国更重视地下水并把其作为优先饮用水源,而建立保护区则是保护地下水水源地的有效手段。

早在18世纪末期,欧美工业国家就开始了对水源地保护区划分的研究,到20世纪末期研究方法已相对成熟,并颁布了许多与地下水水源地保护区划分工作相关的法规,其中包括影响广泛的美国W HPP(well head protection program)计划。

我国水源地保护区划分工作始于1984年颁布实施的 中华人民共和国水污染防治法 [1],当时主要针对地表水水源划分保护区。

在1989年国家环保总局颁布的 饮用水水源保护区污染防治管理规定 [2]中,提出了地表和地下饮用水水源保护区划分和防护的原则。

2002年中华人民共和国第九届全国人民代表大会常务委员会第二十九次会议通过了 中华人民共和国水法 [3]。

为规范水源保护区的划分工作,国家环保总局于2007年初颁布了 饮用水水源保护区划分技术规范 [4],对保护区划分的标准、方法、要求等做了系统规定。

地下水水源地保护区的划分,应根据水源地所处的地理位置、水文地质条件、井源类型、供水数量、开采方式和污染源的分布等完成。

而实际的水文地质条件是复杂的,含水层的非均质、各向异性及水文地质参数的时空变异性等问题,导致了保护区划分的不确定性,增加了研究难度。

随着人们对水源地保护区问题的不断探索,其划分方法也在不断改进,笔者将对水源地保护区划分研究发展中的几类主要方法进行总结,介绍各方法的原理、划分步骤和适用条件等,并讨论其发展方向。

1 研究方法早期的水源地保护区划分主要是根据经验进行的。

随着人们对水文地质条件等认识的提高,考虑到划分的准确性,逐渐发展出公式计算法、解析解方法、数值模拟方法等。

美国环境保护总署曾统计过各种划分方法,并总结出6种常用方法[5]。

近些年来,随着各学科的发展融合,水质分析、示踪剂试验与地下水测年(时间)等技术也逐渐被应用到水源地保护区划分研究中来。

这些技术通常结合传统的划分方法,用来提高含水层系统水文地质参数获取的准确性,从而提高水源地划分的可靠性。

1 1 经验法经验法是以井中水质为保护对象、以多年实践的经验半径为参数、按照简单图形(一般为圆形)划定各级保护区的方法。

其中分区半径通常与时间密切相关。

著名的 50日流程等时线 是经验法的代表[6]。

20世纪30年代,德国人Knorr通过试验发现饮用水中的病菌病原体在地下水层中的随流生存时间不多于50d,因此建立了 50日流程等时线 这个概念,并以此作为一级保护区界,之后, 50日流程等时线 被许多国家采用;英国在1902年的玛基特法(Mar gate Act)中曾明确规定,井口附近1500码(1码=0 9144m)范围内需进行保护;英国卫生部于1948年建议半径3km 的圆形作为保护区[7]。

在地下水源保护工作初期,各国多采用经验法划定保护区。

中国早期的地下水源地保护区划分,主要是对国外经验法的借鉴。

国内许多省市如辽宁[8]、北京、郑州、大连、长春[9]、洛阳[10]、石家庄等,都采用经验法划分地下水水源地保护区,但由于缺乏统一的标准,各地的保护区划分结果相差很大。

为了利于地下饮用水水源地保护工作的进一步开展,1989年颁布的 饮用水水源保护区污染防治管理规定 [2]中,提出了一、二级及准保护区设立时应满足的条件,原则上采用了国际上的三级划分法[11]。

1 2 公式计算法考虑到不同地区地质条件的差异,在完全依靠经验值确定保护区半径方法的基础上发展出了公式计算法。

该法依据简单的水文学原理,选取代表性水文地质参数,通过小型计算得到分区半径,再结合水源地地质条件对保护区形状(如圆形或椭圆形)、中心点位置等作适当调整,得到最终的保护区范围。

英国从20世纪70年代开始使用简单的地下水动力学公式计算保护区半径;在中国,使用公式计算法获取中小型水源地保护区半径的情况比较多,例如对中小型孔隙水潜水型水源地,常按经验公式(式(1))计算圆形保护区半径[12]。

饮用水水源保护区划分技术规范 中已明确将该用法标准化。

R=KITn(1)式中:R为保护区半径,m; 为安全系数,一般取150%;K为含水层渗透系数,m/d;I为地下降落漏斗范围内的平均水力坡度;T为污染物水平迁移时间,d;n为有效孔隙度。

高秀娟等[13]曾将地下水质污染预测近似解法引入国内,把复杂的弥散方程简化,得出预测水源地污染的计算公式,但其公式仅适用于一般建设项目对水源地的影响。

美国常用CFR(calculated fixed radius)法[14]计算保护区半径。

其基本原理是假定保护区为圆柱形,根据抽水井内流入和抽出水量遵守质量守恒的原理,结合抽水井滤管长度,计算出保护区横截面半径。

根据水均衡原理可知:Qt= r2t nb(2)整理得r t=Qtnb(3)式中:Q为抽水量,m3/a;t为各级保护区的时间标准,a;b为抽水井滤管长度,m;r t为对应时间t的保护区半径,m。

式(2)最适合无越流发生的承压型水源地保护区半径计算。

调整抽水量Q,则式(3)可以用于不同地质条件下的保护区划分[15]。

公式法实际上也属于经验法的范围,这类方法的优点是简便易行。

在其他研究手段尚未成熟时期,对于资料稀少的研究区,进行保护区划分选择经验法较好。

但是,公式法具有较强的主观性,划分结果粗略,与实际地质条件脱离较大,常出现划定区域保护强度过高或过低的现象,尤其对于复杂的水源地问题不能满足需求。

1 3 地下水流动解析解模型法地下水流动解析解模型法将水文地质条件简化,例如假设含水介质均质、各向同性、等厚,降落漏斗呈圆形,含水层无限延伸等,假定变量连续并建立水流方程,采用解析解法求解方程,得到抽水井周围的水位降深,并结合初始水位得到水头分布,再刻画一定时间内流入井中水质点的分布面积。

在20世纪80年代末到90年代初,解析解模型法是划分地下水水源地保护区的主要方法,不少学者在该法上进行了大量的研究和实例论证。

Muskat[16]论证了层流条件下对单井的解析解法;Todd[17]提出把捕获区内的补给量考虑进计算中;Bair等[18]开发出CAPZONE,用来计算抽水井周围各单元节点的降深,并采用Monte Carlo模拟法判断水力传导系数和有效孔隙度取值对结果不确定性的影响;Shafer[19]开发出GWPATH,用来描绘质点在流场中的运动轨迹;在俄亥俄州的一些典型研究区,如裂隙岩溶含水层和沉积含水层,Bair等[20]用CAPZONE和GWPATH处理完整井问题,得到了理想的结果;Bhatt[21]利用地下水流解析模型研究各地质参数的取值对保护区范围的影响,依次分析了含水层厚度、有效孔隙度、水力梯度和水力传导系数对结果的影响程度。