公式法与数值模拟法在水源地保护区划分中的应用

公式法与数值模拟法在水源地保护区划分中的应用摘要:2007年颁布的饮用水水源保护区划分技术规范中，提出运用公式法和数值模拟法两种方法对地下水水源地保护区进行划分。本文以北方地区水源地为例，分别应用两种方法对水源地保护区进行划分。通过对比与分析看出，公式法简便易行，但具有较强的主观性，划分结果与实际地质条件脱离较大；数值模拟法能客观详细地刻画实际含水层的结构与水文地质条件，划分结果比较可靠，但应用复杂,概化时也会产生一定的误差。在实际应用中，应将公式法和数值模拟法结合起来加以应用。关键词:水源地保护区划分公式法数值模拟法水源地保护区是指为防止水源地（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1。北京市是以地下水作为城市主要供水水源的城市，地下水占全市供水量的2/3左右2,而建立保护区则是保护地下水水源地的有效手段。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3。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，2007年，我国颁布了饮用水水源保护区划分技术规范，提出运用公式法和数值模拟法两种方法对地下水水源地保护区进行划分4。1水源地保护区划分方法1.1公式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5。在中华人民共和国环境保护行业标准HJ/T338-2007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。孔隙水的保护区是以地下水取水井为中心，溶质质点迁移100天的距离为半径所圈定的范围为一级保护区；一级保护区以外,溶质质点迁移1000天的距离为半径所圈定的范围为二级保护区，补给区和径流区为准保护区。R=aXKXIxT/n(1)式中：R为保护区半径,m;a为安全系数，一般取200%,(为了安全起见，在理论计算的基础上加上一定量，以防未来用水量的增加以及干旱期影响造成半径的扩大)；I为水力坡度,0.72%。；K为含水层渗透系数，m/d,取值80m/d;T为污染物水平迁移时间，d;n为有效孔隙度，0.15。保护区半径可以按公式(1)计算，但实际应用值不得小于表1中对应范围内的上限值。一级保护区。方法一：以开采井为中心，表1所列经验值是指R为半径的圆形区域。方法二：以开采井为中心，按公式(1)计算的结果为半径的圆形区域,公式中，一级保护区T取100天。对于集中式供水水源地，井群内井间距大于一级保护区半径的2倍时，可以分别对每口井进行一级保护区划分；井群内井间距小于等于一级保护区半径的2倍时，则以外围井的外接多边形为边界，向外径向距离为一级保护区半径的多边形区域（见图1）。二级保护区。方法一：以开采井为中心，表二所列的经验值为半径的圆形区域。方法二：以开采井为中心，按公式（1）计算的结果为半径的圆形区域,公式中，一级保护区T取1000天。对于集中式供水水源地，井群内井间距大于一级保护区半径的2倍时，可以分别对每口井进行一级保护区划分；井群内井间距小于等于一级保护区半径的2倍时，则以外围井的外接多边形为边界，向外径向距离为一级保护区半径的多边形区域（见图1）。准保护区。孔隙水潜水型水源准保护区为补给区和迳流区。1.2数值方法数值模拟法是将渗流区分割成若干个小单元，各单元近似看做是均质的，结合地质条件选择合适的水文地质参数，得到合理的水文地质概念模型，将变量离散化并建立方程，用数值法求解每个单元流动方程模拟研究区内的水流状态，最后结合质点运动轨迹与时间等条件划定各级保护区。在中华人民共和国环境保护行业标准HJ/T338-2007饮用水水源保护区划分技术规范中明确规定，数值模拟法划分保护区是以地下水取水井为中心，溶质质点迁移100d的距离为半径所圈定的范围为一级保护区；一级保护区以外，溶质质点迁移1000d的距离为半径所圈定的范围为二级保护区，补给区和径流区为准保护区。2实例研究本文以北方一水源地为例，分别应用两种方法，对地下水水源地保护区进行了划分。通过以上公式对北方一水源地进行保护区划分，对不同分区进行叠加,得出北方一水源地地下水源地保护区范围，具体为：一级保护区面积为0.51km2;二级保护区面积为：58.00km2;准保护区面积为：41.89km2;面积共计：100.4km2。运用建立的数值模拟模型得出：一级保护区面积为0.54km2;二级保护区面积为52.50km2;准保护区面积为47.83km2;面积共计100.87km2。通过以上两种方法计算得到的保护区的面积相差不大，根据水源地保护区划分的技术原则，在确保饮用水水源水质不受污染的前提下，划定的水源保护区范围应尽可能的小。虽然数值模拟模型计算总的范围大于公式法计算的范围，但是二级保护区面积公式法计算的结果比数值模拟计算结果大5.5km2,因此数值模拟模型计算得到的结果比公式计算较为合理，因此，本报告采用数值模拟模型计算的成果。3结语通过对比与分析以上两种方法可以看出，公式法的优点是简便易行，但是，这种方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。采用数值模拟法来计算水源地保护区范围，可以客观并较为详细地刻画实际含水层的结构与水文地质条件，适用于各种背景的水源地研究，尤其对于大型地下水源地保护区的划分，能得到比其他方法更为可靠的结果,但是该法应用复杂，所需的条件较多，工作量较大，特别对于复杂水文地质条件的水源地，建立概念模型时也会产生一定的误差。由此可见，在实际应用中,应将公式法和数值模拟法结合起来加以应用,数值模拟法弥补公式法无法准确刻画含水层结构和水文地质条件的不足，而公式法又可以对区域条件进行控制，以便在模拟调参时不至于脱离实际。两种方法结合使用才能有效、准确、合理地划分地下水水源地保护区参考文献1 赵宏林，陈辉东张丽萍饮用水源保护区划分体系研究J上海环境科学，2008,27(4):167169.2 陈培钧，吕晓俭,谢振华.北京地下水资源与首都持续发展J.北京地质,1999,(4):16.李国敏.地下水源地保护区划分方法与应用M.北京：中国环境科学出版社,2011.国家环境保护总局.饮用水水源保护区划分技术规范(HJ/T338-2007)S.2007.3 徐海珍，李国敏,张寿全，等.地下水水源地保护区划分方法研究综述J.水利水电科技进展,2009,29(2):8084.4 田辽西，毕建龙.数值模拟法在张掖市东郊水源地保护区划分中的应用J.甘肃地质,2011,20(4):7175.