数值法在磐石市地下水水源地保护区划分的应用

韩京龙，黄丽丽，刘春玲，李立军，马 静

（1.吉林省水文水资源局延边分局，吉林 延吉133000；2.大连理工大学 土木水利学院，辽宁 大连116024；3.吉林省地质环境监测总站，吉林 长春130000）

磐石市地处吉林省中南部，位于松嫩平原向长白山过渡地带。区内地表水资源量较少，并且多由地下水补给，城镇供水目前全部依赖地下水。地下水水源地分布区位于人类活动强度较大的河谷区，人类生活及生产活动易直接或间接造成地下水的污染。近年来随着城市规模的逐步扩大，人口的不断增加，工农业经济的持续发展，对水资源的需求量逐渐增加，水资源供需矛盾日益突出。由于对地下水的大量开采，已呈现出市区地下水水质恶化和开采水位降落漏斗扩展的趋势。特别是磐石市城市供水采用直供方式，没有净水厂，保护水源地不受污染尤为重要。为了确保磐石市地下水资源的可持续利用，加强对磐石市生活饮用水水源地的保护和污染防治工作的监督和管理，使有限的地下水资源发挥其最大的社会经济效益和生态环境效益，划分地下水水源地的保护区并采取相应的防护措施具有重要的现实意义。

1 磐石市饮用水源地概况

磐石市市政供水水源地分布在城区的北部及西部,主要用于磐石市市区居民的生活用水及郊区农村生活用水，共有3个水源地，供水井20眼，日平均开采地下水13 400 m3，供水人口6.8万。

1）三水源地位于松散岩类孔隙潜水区，沿河谷分布。补给来源主要为大气降水补给及开采条件下河流入渗补给。包气带岩性为为亚粘土或亚砂土，厚度小，枯水期为3～10 m，抗污染能力较弱，农业用水和生活污水易通过包气带入渗污染地下水；同时该水源地含水层与挡石河水力联系密切，污染物也可能随着河水渗漏污染地下水。

2）水源地位于裂隙岩溶富水带，是承压水水源地，现有供水井5口，已超量开采，造成地下水位持续下降，处于以市区为中心的水位降落漏斗区，主要补给来源为降水入渗补给和低山丘陵区侧向径流补给。包气带岩性为亚粘土，厚度约为13～18 m，但该水源地位于农业区，污染物易随大气降水和灌溉水入渗进入包气带，污染地下水。

2 饮用水地下水水源地保护区划分的技术指标

1）时间标准。运移时间，即污染物在地下水中运移，到达开采井位或某一边界所经历的时间。一般情况要考虑3种情况：

a）一般病原菌衰减至允许浓度水平的时间。参考相关资料，以沙门氏杆菌为代表，沙门氏杆菌的存活期为44～55 d，丧失其病原影响需要60 d[1,2]，为确保安全，使水源地划分符合国家标准，参照《饮用水水源保护区划分技术规范》，取100 d。

b）病原菌以外的污染物在地下运移降解到满足水源地水质标准的时间。地下水水源地二级保护区是为防止病原菌以外的其他污染。地下水开采会形成一定范围的降落漏斗，漏斗区的污染物进入含水层会最大限度地影响供水水质，并且漏斗区地下水流速较大，进入含水层的超标物质会很快迁移到供水井。一般情况下，污染物从漏斗迁移至水源井的时间长短不等，并且土壤对不同污染物的净化能力不同，为了保证所有水源井二级保护区划分的一致性，也为了便于统计和管理，参照《饮用水水源保护区划分技术规范》和国内外划分经验[3]，取病原菌以外污染物在地下运移降解到满足水源水质标准的时间为1 000 d。

c）水源地运行时间。二级保护区外的补给区和径流区为准保护区。但这样划分存在以下问题：1）若补给边界离水源井很远时，则准保护区划分的范围太大，不利于开发自然资源，没有必要；2）若水源补给边界离水源井非常近，且规范中没有涉及对河流水质的要求及河流属于何类保护区的范围。我国有许多学者[4]提出采用25年的迁移距离作为准保护区半径，原因是一般认为水源井的开采期限，即运行时间为25年。因此本文认定，在水源地补给边界离水源地非常近时，以水源地补给边界作为准保护区范围，同时考虑河流水质的影响；在水源地补给边界离水源地非常远时，以25年的迁移距离作为准保护区半径。

2）距离标准。

a）防治一般病原菌的有效距离。100 d的时间用于病原菌自地表经包气带进入地下水的时间和水平径流到集水井的时间，有效距离按水平径流到集水井的最大距离确定。其距离大小由60 d中扣去垂直入渗时间，即剩余时间乘以携带病原菌的地下水流速来决定。

b）防止病原菌以外的污染物的有效距离为1 000 d内一般污染物的污染距离。

c）保护水源地水量和水质的有效半径为水源地二级保护区以外的主要补给区。本文提出保护水源地水量和水质的有效半径为水源地运行时间25年内污染物在地下水中迁移的距离。

3）地下水流边界。已知地下水流动分界线和含水层边界。

4）净化能力。污染物在地下水中迁移，经过一定时间或距离衰减到某一浓度水平。

5）污染事故。已发生的污染事件。

3 地下水水源地保护区划分

本文采用加拿大WHI开发的有限差分法数值模拟软件Visual MODFLOW中的MODFLOW和MODPATH进行计算。在地下水流场模拟的基础上，根据地下水水源地各级保护区的时间标准，运行MODPATH，用示踪粒子的逆向轨迹，划定各级保护区的范围。

3.1 模拟地下水流场

根据研究区水文地质条件确定磐石市周边河谷区（60 km2）为数值模拟计算区，将具有统一水力联系的松散岩类孔隙含水介质及裂隙岩溶、花岗岩风化裂隙含水介质作为计算目的层。

计算区顶部边界为潜水面，底部以裂隙岩溶发育带和花岗岩风化裂隙带的底界作为隔水边界。将该区地下水流动的模型概化为非均值、各个同性、二维、潜水非稳定地下水流数学模型，并采用Visual MODFLOW求解。

3.2 划分地下水水源地保护区

根据已建模型和水源地保护区划分的时间标准，预测地下水流场，然后对水源地开采井设置示踪粒子、粒子追踪方向、质点释放时间和MODPATH的Reference Time，运行MODPATH，得各级保护区的范围。

1）一级保护区的确定。一级保护区的时间标准为100 d，根据预测的地下水流场，在水源地各个开采井所在的单元中心设置示踪质点环，由于MODFLOW中的地下水开采井为面状开采，即开采井的开采量加在了其所在单元上，因此把整个单元作为开采井，设定的示踪环尽可能覆盖在整个单元上，即环在单元内尽可能大，环上设100个质点，在模拟流场的基础上，运行MODPATH，用反向示踪法（将示踪水质点定义在地下水的排泄区，水质点由排泄区示踪追溯返回到补给区）确定示踪粒子在100 d内的逆向轨迹。

连接示踪粒子的逆向迹线的起点构成示踪粒子100流程等值线。然后对环和等值线在Auto cad里同时同距进行偏移，使环半径尽可能小，环与等值线间的相对距离不变，即流线的形状、长度、流向不变。平移偏移后的环与等值线至开采井处，可得井内质点的100 d流程的等值线，即地下水水源地开采井的一级保护区边界。本文对3个水源地开采井的最长100 d流线长度进行了统计：一水源地开采井的最长100 d流线平均值约为63 m；二水源地开采井的最长100 d流线平均值约为68 m；三水源地开采井的最长100 d流线平均值约为50 m。

根据所得的流线，可看出水源地的补给来源。开采井从某个方向获得地下水补给越多，该方向上流线就越长，否则较短。从3个水源地所有开采井的100 d流线看出，在对开采井不存在补给或补给较小的方向，开采井的流线中有很多几乎为零，即该方向上的污染源在一级保护区的时间标准内，不会对水源地造成污染。但为了确保安全，从保护井口的安全、卫生，防止人为污染物通过井口或井壁滤层污染水源地的目的出发，根据生活饮用水卫生标准规定的地下水卫生防护带半径确定，一级保护区边界到开采井的距离不得小于30 m。

2）二级保护区的确定。利用数值模拟的1 000 d预测模型，按上述求100 d流程等值线的方法，获得各个开采井的1 000 d流程等值线，且对3个水源地开采井的最长1 000 d流线长度进行了统计：一水源地开采井的最长1 000 d流线平均值约为630 m；二水源地开采井的最长1 000 d流线平均值约为470 m；三水源地开采井的最长1 000 d流线平均值约为300 m。

由二级保护区流线等值线，可看出按现状开采，运行1 000 d内各个水源地的补给来源。

因为第一、二、三水源地均为集中式供水水源地，可分别划分各水源地保护区，但由于水源地水井分布不集中，一水源地的1 014井即位于一、三水源地之间，同时也为了防止农村生活生产对水源地造成面源污染，要将人口聚居地划分到水源地二级保护区范围内。

综上所述，为了便于管理，根据各个开采井的1 000 d流程等值线、补给范围、河流影响及人口聚居地，同时考虑该区的水文地质条件，综合确定3个水源地二级保护区的范围为：北至建设，南到喜安北，东以奶牛场、大榆树、红东土屯，西邻东小甸子、瓦坊。

3）准保护区的确定。数值模拟法划分地下水水源地保护区时，划分的研究区一般均在流域补给边界（分水岭）以内或以流域补给边界为界，用MODPATH进行质点示踪，其流线起点不会超出研究区，最长延伸到研究区边界，因此采用数值模拟法划分地下水水源地准保护区时，引用时间标准25年，如果运算出来流线起点延伸到研究区边界，地下水水源地保护区就要以水源地补给边界为界，否则，则以各开采井的25年流程等值线为界。

利用数值模拟的25年预测模型，同时运行MODPATH的反向示踪，按上述求100 d流程等值线的方法，获得各个开采井的25年流程等值线，即地下水开采井的准保护区边界。本文对3个水源地开采井的25年最长流线长度进行了统计：一水源地开采井的最长25年流线平均值约为3 600 m；二水源地开采井的最长25年流线平均值约为2 200 m；三水源地开采井的最长100 d流线平均值约为2 300 m。

由运行结果可知，3个水源地开采井的25年流程等值线的起点，虽未达研究区边界，但部分地区已经接近边界：第一水源地在种畜场、多种经营场、牟家、常家、北蚂蚁一带，第二水源地在干沟子、东小甸子、东纸坊、孤顶子、瓦坊一带，第三水源地在红东土附近，其开采井的25年流程等值线起点都靠近研究区边界，可见3个水源地在运行25年后，均接受基岩裂隙水的侧向径流补给。

从运行结果还可看出，以现状条件开采25年，第二水源地206号井要接受磐石市区地下水的补给，使地下水位降落漏斗扩大，水质下降的可能增加。由水质资料可知磐石市区一带地下水为重污染区和严重高污染区，水质差，因此要将该区划为保护区，减少该区污染排放量，使其逐渐净化，否则将会影响第二水源地水质。

第一、三水源地均属于傍河开采水源地，开采条件下袭夺河水补给地下水，河水已成为地下水的重要补给源之一，河水水质严重影响一、三水源地的水质。同时第一、二、三水源地均是集中供水式水源地，开采井之间互相干扰，以现状开采条件运行25年后，从运行结果可看出，井之间的影响加大，25年流程等值线交错分布，补给区重合，无法单独对每个水源地进行保护区划分。

综上所述，为了保护水源地补给水源的水量和水质，据水源地开采井的25年流线等值线和水源地的补给范围，综合确定3个水源地准保护区范围为：北至团结、牟家一带，南到西兴立，西以研究区边界为界，东邻红土屯。

4 结语

1）引用《饮用水水源保护区划分技术规范》，明确地下水水源地保护区划分的时间标准：一级保护区为100 d，二级保护区为1 000 d，准保护区根据国内外经验和资料确定为25年。

2）数值模拟法划分地下水水源地保护区可以详细地刻画含水层特征，划分结果可信度较高。而结合粒子逆向运动迹线，可以按照不同的时间标准，达到定量划分保护区范围的目的。

［1］李立争.划分地下水水源地区的研究［J］.中国环境科学，1995，15（5）：338－341.

［2］孙景云，左犀.地下水饮用水源地的保护［J］.环境保护，1996（5）：20-24.

［3］崔建国,王俊岭,何英华.试论地下水水源保护区划分的时间标准［J］.科技情报开发与经济，2002，12（2）：68-69.

［4］高秀娟，王聪明，褚全家.饮用地下水源保护区划分界线的探讨［J］.山西水利科技（增刊），1996（12）：22-26.