数值模拟法在地下水水源地保护区划分中的应用

黄 栋，周瑞静，陈 瑾，宋 晗

（北京市地质工程勘察院，北京 100048）

数值模拟法在地下水水源地保护区划分中的应用

黄 栋，周瑞静，陈 瑾，宋 晗

（北京市地质工程勘察院，北京 100048）

地下水资源是北京供水系统的支柱，设立地下水水源地保护区，是保护水源地最大可能免受人类活动影响、保证水质安全的重要措施。论文以北京市某典型水源地为例，在收集相关水文地质勘查、长期动态观测、水源地开采现状、规划及周边污染源调查等成果资料的基础上，建立了地下水系统水文地质概念模型，模拟出地下水流场。通过质点追踪技术，计算水源地水力捕获带范围。综合考虑水源地周边地形、地物和潜在风险污染源等因素，确定了水源地保护区的范围。结果表明，数值模拟法能客观详细地刻画实际地下水含水层的结构与水文地质条件，划分结果可靠、准确，能为地下水管理部门提供有效合理的保护依据。

地下水水源地；保护区划分；数值模拟法

0 引言

北京是一个以地下水作为主要供水水源的城市，地下水占全市供水量的60%～70%，但随着城市的日益扩大、人口的急剧增长，北京的地下水资源因持续开采已经逐渐枯竭并受到污染。即使南水北调进京后，地下水作为北京的供水水源也不会完全退出历史舞台，它将继续并长期在城市供水系统中发挥重要作用。为保障饮用水安全、加强饮用水源地环境管理，必须科学、合理地划分地下水饮用水源保护区。2013年9月，《北京市人民政府关于印发北京市地下水保护和污染防控行动方案的通知》（京政发 ［2013］ 30号），第一项主要任务“制定完善地下水保护政策和规划”，要求“划定集中式饮用水水源地保护区”。地下水饮用水源保护区是指国家为防止地下饮用水水源地污染、保护水源地环境质量而划定，并要求加以特殊保护的地表区域（国家环境保护总局，2007）。设立地下水水源地保护区，是保护水源地最大可能免受人类活动影响、保证水质安全的重要措施，为有针对性地制定预防和控制饮用水源污染对策提供依据。划定的水源保护区范围，应防止水源地附近人类活动对水源的直接污染；应足以使所选定的主要污染物在向取水点（或开采井、井群）输移（或运移）过程中，衰减到所期望的浓度水平；在正常情况下保证取水水质达到规定要求；一旦出现污染水源的突发情况，有采取紧急补救措施的时间和缓冲地带（国家环境保护总局，2007）。

关于保护区的划分方法，国内主要是借鉴国外的经验方法——分级法，即从水源中心至保护区边缘分为三带，越靠近水源中心，保护级别越高，保护措施就越强，区内人类活动的制约因素也就越多（李建新，2000）。2007年颁布的《饮用水水源保护区划分技术规范》（HJ/T338-2007）提出了运用经验公式法和数值模拟法两种方法进行地下水水源地保护区的划分。经验公式法简单易行，但在参数的选择主观性较强，一般适用于小型水源地保护区的划分。数值模拟法应用复杂，但更能详细刻画含水层的结构和水文地质条件，划分结果更准确可靠，适用于大型水源地保护区的划分。

论文以北京市房山区某典型水源地为例，在收集相关水文地质勘查、长期动态观测、水源地开采现状、规划及周边污染源调查等成果资料的基础上，建立了地下水系统水文地质概念模型，运用地下水模拟软件，反复调整参数和均衡量，识别水文地质条件，确定了模型结构、参数和均衡要素。并通过质点追踪技术，计算水源地水力捕获带范围。综合考虑水源地周边地形、地物和潜在风险污染源等因素，确定了水源地保护区的范围。水源地保护区划分的流程见图1。

图1 水源地保护区划分流程图Fig.1 Flow chart of delineation

1 数值模拟法

用数值模拟方法划分水源地保护区，主要是利用GMS等地下水模拟软件，模拟出地下水流场，通过粒子追踪技术，计算出特定时间内水力捕获带范围，根据此范围确定各级保护区的距离。

（1）建立概念模型

根据水源地的水文地质条件，确定模拟区范围的大小，模拟区的范围及边界条件；含水层的内部结构及其水力特征；地下水流动特征；模拟区的初始条件等（王澎，2003）。必要时补充一些室内或野外实验，获取弥散参数、渗透系数等模型参数。

（2）建立数学模型及定解问题

把水文地质条件数学化，用一组数学关系式（可以是代数式、微分式或积分式）来刻画实际地下水流在数量上和空间上的一种结构关系，对于实际的地下水系统，数学模型一般包括方程和定解条件，定解条件包括边界条件和初始条件（王金生等，2004）。

（3）模型的前期处理

对模拟区进行网格或三角形剖分；确定模拟期，给出初始时刻的地下水流场，并将其内插到各个结点上。

（4）地下水均衡分析

在应用数值法之前，用均衡法对模拟区进行均衡计算，把地下水的各均衡项分配到各抽水时期和剖分单元上，重点注意与地下水位有关的均衡量，如降水入渗量、蒸发量和越流量等。

（5）模型的识别和检验

模型识别的方法一般采用预测-校正法（谭文清等，2008）。比较模拟出的地下水流场和实测的地下水流场，调整模型参数，使得模拟结果和实测结果在一定的误差范围内。

2 实例研究

北京市房山区某水源地地处房山区北柳子村北，共有第四系井8眼，水源井编号D1～D8，规划供水能力5×104m3/d，属大型水源地，担负着该地区自来水供应的重任。

2.1 水文地质条件

该水源地位于大石河冲洪积平原的潜水区，第四系含水层主要为砂卵砾石层，厚度随基底起伏而变化（图2）。降深 5m时，单井涌水量1500～3000m3/d，含水层厚度约小于20m。水位埋深10～15m。第四系地下水的补给来源有：大气降水补给、地表水的入渗补给和灌溉回归水的渗入补给。地下水由山前地带流向平原，并由北向南方向流出本区。地下水的排泄方式主要为侧向径流和人工开采地下水。

图2 水文地质剖面图Fig.2 Hydrogeological profile

2.2 水文地质概念模型

根据水源地的范围以及水文地质条件、钻孔资料、地下水水位动态和抽水试验成果分析，建立地下水系统模拟模型。确定模拟区范围东部以永定河为边界，南部至西递、大陶村一带，西至刑家坞一带，北至台房子、梨村一带，模拟面积62.88km2。模拟区概化成非均质各向异性、空间三维结构、非稳定地下水流系统，内部结构为潜水含水层、弱透水层和承压含水层，模拟深度为80～150m。北部边界为第四系含水层地下水流入边界；南部边界为第四系含水层地下水流出边界；东部永定河此段干涸，边界与等水位线相垂直，定义为零通量边界。潜水含水层自由水面为模型的上边界，潜水在此边界与系统外发生垂向水量交换（图3）。

图3 模拟区范围及边界类型图Fig.3 Simulation range and boundary types

2.3 数学模型

选择地下水数值模拟软件求解如下定解条件，建立模拟区的地下水数学模型。

式中：Ω为渗流区域； H为含水层的水位标高（m）；B为含水层底板高程；Kx、Ky、Kz分别为x、y、z方向的渗透系数（m/d）；Kn为边界面法向方向的渗透系数（m/d）；μ为潜水含水层在潜水面上的重力给水度；w为人工开采和降水等（l/d）；H0为含水层的初始水位分布（m）；Γ0为渗流区域的上边界，即地下水的自由表面；Γ2为渗流区域的侧向边界；Γ4为渗流区域的下边界，即潜水含水层底部的隔水边界； ñ为边界面的法2线方向；q（x，y，z，t）为定义为二类边界的单宽流量（m/d·m），流入为正，流出为负（王澎，2003）。

2.4 水文地质参数

模拟区采用四边形网格剖分，运用MODFLOW软件包对数学模型进行识别和检验，模拟出地下水等水位线。水文地质参数引用2008年完成的《北京市地下水资源评价》中的成果及已有的抽水试验报告中的水文地质参数。

2.5 模型的识别与检验

2007年1月和2009年12月分别进行两次地下水位统测，使得模型能完整刻画地下水系统流场，模拟期末含水层的模拟流场与实际流场对比见图4。所建立的模型能达到精度要求，符合模拟区实际水文地质条件，反映了地下水系统的动态特征，可用来划定该水源地的保护区范围。

2.6 质点追踪

根据《饮用水水源保护区划分技术规范》（HJ/ T338-2007）的相关规定，孔隙潜水型地下水保护区划分方法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。在地下水水流模型的基础上，通过质点追踪技术，计算水力捕获带范围，确定水源地的保护区。质点追踪以2007年1月为初始条件，分别模拟100d、1000d后的水力运移情况。

图4 模拟期末含水层流场对比图Fig.4 Comparison of the fow field

通过模型计算，该水源地水源井100d质点流程距离29.64～49.87m，1000d质点流程距离368.26～494.28m。示踪粒子100d和1000d运移距离见表1。

表1 示踪粒子运移距离表Tab.1 Migration distance of the tracer particles

2.7 保护区范围确定

利用GIS软件，将不同井的保护区范围叠加起来，并结合水源保护区的地形、地标、地物特点，充分利用具有永久性的明显标志如行政区界线、公路、铁路、桥梁、大型建筑物、水库大坝、水工建筑物、河流汊口、输电线和通讯线等。划定的水源保护区见图5。

图5 水源地保护区划分成果图Fig.5 The conservation zone delineation result

3 结论

（1）运用数值模拟的方法，建立模拟区的概念模型和数学模型，借助专业软件模拟计算地下水流场，并通过不同的时间参数来界定地下水水源地各级保护区的范围。这种方法思路清晰，操作严谨，划分结果准确可靠，具有广泛的实用性。

（2）以某典型水源地为实例，进行了数值模拟法的应用研究。在地下水水流模型的基础上，通过质点追踪技术，以溶质质点迁移100d和1000d为的距离分别作为一级保护区和二级保护区的边界，划定了水源地保护区。

（3）最终确定保护区的边界时，应考虑水源地的地形、地标、地物和现状污染源的分布等特点，寻找明显的标志物，便于相关地下水管理部门操作和制定监督管理措施。

［1］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.

［2］李建新. 我国生活饮用水水源保护区问题的探讨［J］. 水资源保护，2000，16（3）：12～14.

［3］王澎. 用数值模拟的方法划分地下水水源地保护区［J］. 山西焦煤科技，2003，6（S1）：10～12.

［4］王金生，王澎，刘文臣，等. 划分地下水源地保护区的数值模拟方法［J］. 水文地质工程地质，2004，31（4）：83～86.

［5］谭文清，孙春，胡婧敏，等. GMS在地下水污染质运移数值模拟预测中的应用［J］. 东北水利水电，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 中文标识码：A

1007-1903（2016）03-0074-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.03.014

黄栋（1979-），男，硕士，工程师，主要从事环境地质。E-mail：huangdong0529@163.com。