饮用地下水源地的划分——以胜科水务为例

甄立达 胡成

(沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110623)

改革开放以来，由于重工业的蓬勃发展，水资源遭到严重污染。其中淡水紧缺一直是困扰我国的一大问题。地下水资源具有埋藏深、不容易受到污染、开采容易等优点。我国绝大部分饮用水来自于地下水。但是地下水一旦受到污染,极难修复。因此设立保护区是饮用水不受破坏的强有力的有效手段[1]。

设立水源保护区以国家的规章条文为基础[2]。欧美发达国家对水资源的保护意识较早，也制定了一些规章制度体系作为划分依据[3]，我国虽然起步较晚，但在近些年已经追赶上了发达国家，使地下饮用水的保护系统更加完善。

1 水资源保护区划分的研究历程

一些发达国家对地下水保护区划分的研究有超过300a的经验，根据划分原则一般采用3级划分方法。早在18世纪中叶，德国就颁布了对于地下饮用水保护的相关法律条文《水法》，并于18世纪末建立了第1个水质保护区。经过上百年的实践总结，对水源保护区的划分研究已经相对成熟，建立约2万个饮用水水源保护区[4]，并建立国际上著名的50日流程等直线[7]。

英国在20世纪中叶颁布《1963年水法》，标志着其对水源保护的重视。地下水源保护区的建立到现在有大约100a多[5]。经过半个多世纪的研究，英国已经建立了近1000个水资源保护区[2]。

美国至今没有设立关于水源地保护的法律，其水资源的技术手段多以相关法律《安全饮用水法案》等作为支撑建立一系列保护体系，如WHPP(Well Head Protection Preogram)[6]。20世纪末，美国环境部门(EPA)建立了WHPAs来维护水资源，从而总结出了相对完整的水源保护法则。

我国在这方面的起步较晚。1984年颁布《水污染防治法》[10]经过2008年和2017年修正更新，提出了建立水源保护区的规则，明确根据实际要求，重新微调保护区的半径，保障水资源不受污染。在2005年发布的《加强环境保护的决定》[11]中强调，要实际与理论相结合，使划分的理由更具有科学性，切实增强水源保护。2012年提出要合理规划与布局水源地，在科学的基础上合理划定水源保护区，对不符合标准的及时进行调整。2016年颁布的水污染防治措施中强调，排除保护区内不合理的构筑物和污染源头。综合来看，我国虽然起步晚，但发展较快，目前已经建立了适合我国地下饮用水保护的体系法规。

2 地下水源保护区的划分方法

划分饮用水保护区是为了保障水质安全，防止水质受到破坏。设立保护区要根据当地水文地质条件和不同物质造成水资源破坏为基础，结合理论与实际应用，并且能够对应急性事件采用强有力措施的原则来划分保护区。划分地下水保护区的方法有很多种，如经验值法、计算半径法、解析解法和数值模拟法等[9]。

2.1 经验值法

经验值法是把观测井中的水看作研究的主体，由经验参数当作基础，划分各级保护区(形状大都是圆形)。M.Knorr等发明的“50日流程等时线”就是典型的经验值法，即水中的病原菌在地下水层的存活周期≤50d的范围，作为一级保护区的界限。早期大多数国家都采用经验法，我国早期也采用经验值的方法，并在1989年采用国际上的3级划分法[8]。该方法因为没有考虑到水文地质参数等问题，所以得出的结果可靠性差、准确性较低。该方法适用于资料严重缺乏的水源地。

2.2 计算半径法

此方法是上一种方法的升级，即根据水文地质参数为前提，选取适当的参数，通过计算公式求得其半径(一般是圆形)。该方法因考虑其所在区域的各种参数，所以比上一种方法更加准确。本方法适用于中小型水源地保护区。

水源地保护区半径计算常采用美国CFR(Calculated Fixed Radius)计算法[12]。该方法是假设保护区近似看成圆柱形，根据质量守恒定律，在一定时间内抽出水与流入水相等下，计算出其半径，计算公式：

式中，Q为抽水量；t为迁移时间；b为抽水井中含水层厚度；n为有效孔隙度；rt为保护区半径。

2.3 解析法

地下水流动解析法是将水文地质条件理想化，即含水层等厚，各项介质均质，不考虑地质类型或不考虑地下含水层类别及形态且渗流区是圆形等。在此基础上建立方程求解，根据具体的标准来设立保护区，确定其范围。这种方式适用于稳定流方程求解，适合用在不太复杂的水文地质水源地区域。稳定流方程：

式中，Q为开采量；i为水力梯度；T为导水系数。

20世纪末，主要用该方式划分保护区。Bair[13]等研究出了CAPZONE模型；Shafer[14]开发出GWPATH模型。Bair等[15]用这2种模型相互结合得到了更加理想的结果。

2.4 数值模型法

数值模型法现已经作为国际上划分保护区的首选方法。2007年，我国颁布的《规范》(HJ/T338—2007)里强调对于日供水量大于5×104m3的大型水源保护区，其保护半径需通过数值模型法求得。其核心内容是把所在区域重新划分成很多小的单位单元，每个单元看成均质的，选择合适的参数，得到合理的水文地质概念模型，将变量离散化建立方程。用数值法求解，并模拟研究区内的水流状态；最终根据质点在地下水层的路径与在地下水层停留的时间等前提规划各级保护区。

此方法的实施需要与计算机相配合，使其结果更加准确。其中，最具有代表性的是地下水模拟系统(Groundwater Modeling System)，简称GMS。包含MODFLOW、MT3DMS、RT3D等主要计算模块。由于GMS软件具有清晰直观的三维立体视图，为当下各国首选的、最代表性的地下水模拟软件。

肖杰等[15]采用MODFLOW软件建立地下水渗流场，由运移时间的长短不同确定了各级保护区范围。

3 划分水源保护半径——以胜科水务为例

沈阳胜科水务有限公司(简称胜科)主要从事自来水的生产、供应、销售，水厂、取水设备及供水管网建设、维修、维护的生产经营活动。每天供水量最高可达11万t。供水对象为经济技术开发区内的企业及居民，服务居民约为10万人，服务企业超过1000家，包括可口可乐、采埃孚、沈阳机床、米其林、贝卡尔特、东北制药、康师傅、NSK、特变电工、沈阳鼓风、远大博林特、三一重工、北方重工、统一食品等中外知名企业。

胜科水源所处的沈阳经济技术开发区位于阴山东西复杂构造带东延部位，与新华夏系第2个一级隆起带和第2个一级沉降带的交接部位。隐伏构造有东西向构造、新华夏系构造、华夏系构造、北西向构造及南北向构造，被大厚度第4纪松散堆积物所掩埋。东西向构造、新华夏系构造均为压性断裂。华夏系构造有压性断裂和褶皱。胜科水源所在区域处于沈阳凸起之上。

2016年中央环保督查组对胜科水源进行了督查，发现部分水源井保护区内存在违规问题，提出了整改要求。为此沈阳经济技术开发区管委会、胜科公司积极开展整改，对问题水源井进行整改并重新划分保护区。

2010年原辽宁省环境保护厅辽环发〔2010〕56号及2018年辽宁省政府辽政〔2018〕163号，对胜科的水源井保护区范围进行了批复。第1次划分即以水井为圆心，以30m为半径的地区划为一级保护区，将一级区外径300m距离当作二级保护区。2010年胜科水源保护区划定时因技术、时间限制，对水源井的承压性未得出明确结论，故此在划定过程中采用了更为严格的标准。

2017年胜科委托沈阳中惠工程勘察有限公司编制了《沈阳胜科水务有限公司地下水给水工程水文地质调查分析报告》，报告明确，根据区域水文地质条件调查及成井结构分析，沈阳胜科水务有限公司地下水源井成井结构为承压井，取水层位为上更新统(Q3)松散岩类孔隙承压水含水层和中下更新统(Q1)松散岩类孔隙承压水含水层。

2018年修订版《规范》中强调，在设定保护区时需结合本地区域的实际情况来划定保护区，并对此提出了新的标准。需要结合胜科水务地下井为承压水型地下水源井的实际情况，对水源保护区实行优化。承压型饮用水保护区只设一级，不设二级保护区；有要求时，将补给区划为准保护区[16]承压水含水层的补给源为多向补给，主要为区域侧向径流补给[17]。

近年为切实解决中央环保督查提出的胜科水源保护区环境问题，在综合考虑环境、经济、社会效益后，经济技术开发区及胜科新建水源井(新建水源井38眼)，在解决环保问题同时保障区域居民、企业用水需求，维护社会稳定。故此需要对新建的38眼水源井划定保护区。

由于本区域的水文地质参数等相关资料收集相对比较全面，故此采用数值模型法。对于模型计算结果，构建溶质迁移数值模型，逐步计算100d溶质迁移距离，同时利用经验公式校核；将模型计算结果、经验公式计算结果、经验值中的最大值作为本方案水源井一级保护区划定依据。

根据研究区地质条件参数概念，建立地下水污染质运移模型：

c(x,y,t)|t=0=0(x,y)∈D

c(x,y,t)|Г=c1(x,y,t) (x,y)∈Г1,Г2,Г3,Г4,t>0

式中，D为模拟区域；Г1，Г2，Г3，Г4为已知浓度边界；n为含水层介质的孔隙度，无量纲；c为污染质浓度，mg·L-1；Dx，Dy为水动力弥散系数在x、y方向的分量，m2·d-1；vx、vy为渗透流速v在x、y方向上的分量，m·d-1；I单位为mg·m-2·d-1。

数学模拟模型建立之后，运用GMS软件中的MODFLOW，MT3DMS工具箱对数学模型进行求解，计算得到各水源井的保护半径。根据已有的水文参数水力坡度为0.00069，渗透系数为60m·d-1，有效孔隙度为0.28，以溶质运移扩散的最大路径当作一级保护半径。计算出各水源井溶质100d迁移距离15.13～18.61m。

运用经验公式计算溶质100d迁移距离：

R=α×K×I×T/n

式中，R为保护半径(即100d迁移距离)，m；α为安全系数，一般取150%；K为含水层渗透系数，m·d-1；I为水力梯度；T为溶质水平迁移时间，取100d；n为有效孔隙度。利用经验公式法计算距离为9.54～20.7m。

4 结论

由于计算机具有解出一些复杂数据的优势，对复杂的含水结构层地质构造进行了剖析，以及数值模拟方法的科学性，建议多运用数值模拟模型结合经验公式科学地划分保护半径，使保护半径更加合理，并适用于大型的地下水水源保护区的研究划分。并且采用3级划分的方法来划分保护区域。

根据数学模型计算各水源井溶质100d迁移距离为15.13～18.61m，经验公式法计算距离为9.54～20.7m。可以看出，应用经验公式法模拟计算得到的保护半径，与运用地下水污染质运移模型计算得到的保护半径总体相对，结果基本吻合，计算结果较为可靠。

因模型计算、经验公式计算的保护区半径均较小，为更好更有效地保护水源，则推荐按照《规范》中经验值确定最终一级保护区半径。

表1

胜科水务的水源井为孔隙水承压型井，以水源井为中心，半径30m的圆形区划定为一级保护区，通过对潜水与承压水、地表水与承压水水质分析，区域内潜水水质、地表水系水质与承压水基本无关联，以水源井为中心在一级保护区外径向延伸一定范围划为准保护区基本不会对水源井起到保护作用。

借鉴《规范》发布后吉林省及河北省对承压水水源井的批复，本方案建议暂不划定准保护区，在日后技术、经济条件更为成熟、水文地质调查资料更为细致充分或国家明晰补给区划定方法后再进行划定准保护区。

需要在水厂内部对胜科水源地设置监测点位，监测频次为每月2次。根据沈阳市城市集中式饮用水水源地保护水质要求，水源地水质应达到或优于《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)Ⅲ类标准。全年常规监测中，地下水全指标监测2次，每月必测指标11项。并进行预警监控状况，包括预警监控完成率和视频监控完成率2项指标。