黃 棟，周瑞靜，陳 瑾，宋 晗

（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048）

數(shù)值模擬法在地下水水源地保護(hù)區(qū)劃分中的應(yīng)用

黃 棟，周瑞靜，陳 瑾，宋 晗

（北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048）

地下水資源是北京供水系統(tǒng)的支柱，設(shè)立地下水水源地保護(hù)區(qū)，是保護(hù)水源地最大可能免受人類活動(dòng)影響、保證水質(zhì)安全的重要措施。論文以北京市某典型水源地為例，在收集相關(guān)水文地質(zhì)勘查、長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)觀測(cè)、水源地開(kāi)采現(xiàn)狀、規(guī)劃及周邊污染源調(diào)查等成果資料的基礎(chǔ)上，建立了地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)概念模型，模擬出地下水流場(chǎng)。通過(guò)質(zhì)點(diǎn)追蹤技術(shù)，計(jì)算水源地水力捕獲帶范圍。綜合考慮水源地周邊地形、地物和潛在風(fēng)險(xiǎn)污染源等因素，確定了水源地保護(hù)區(qū)的范圍。結(jié)果表明，數(shù)值模擬法能客觀詳細(xì)地刻畫(huà)實(shí)際地下水含水層的結(jié)構(gòu)與水文地質(zhì)條件，劃分結(jié)果可靠、準(zhǔn)確，能為地下水管理部門提供有效合理的保護(hù)依據(jù)。

地下水水源地；保護(hù)區(qū)劃分；數(shù)值模擬法

0 引言

北京是一個(gè)以地下水作為主要供水水源的城市，地下水占全市供水量的60%～70%，但隨著城市的日益擴(kuò)大、人口的急劇增長(zhǎng)，北京的地下水資源因持續(xù)開(kāi)采已經(jīng)逐漸枯竭并受到污染。即使南水北調(diào)進(jìn)京后，地下水作為北京的供水水源也不會(huì)完全退出歷史舞臺(tái)，它將繼續(xù)并長(zhǎng)期在城市供水系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。為保障飲用水安全、加強(qiáng)飲用水源地環(huán)境管理，必須科學(xué)、合理地劃分地下水飲用水源保護(hù)區(qū)。2013年9月，《北京市人民政府關(guān)于印發(fā)北京市地下水保護(hù)和污染防控行動(dòng)方案的通知》（京政發(fā) ［2013］ 30號(hào)），第一項(xiàng)主要任務(wù)“制定完善地下水保護(hù)政策和規(guī)劃”，要求“劃定集中式飲用水水源地保護(hù)區(qū)”。地下水飲用水源保護(hù)區(qū)是指國(guó)家為防止地下飲用水水源地污染、保護(hù)水源地環(huán)境質(zhì)量而劃定，并要求加以特殊保護(hù)的地表區(qū)域（國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，2007）。設(shè)立地下水水源地保護(hù)區(qū)，是保護(hù)水源地最大可能免受人類活動(dòng)影響、保證水質(zhì)安全的重要措施，為有針對(duì)性地制定預(yù)防和控制飲用水源污染對(duì)策提供依據(jù)。劃定的水源保護(hù)區(qū)范圍，應(yīng)防止水源地附近人類活動(dòng)對(duì)水源的直接污染；應(yīng)足以使所選定的主要污染物在向取水點(diǎn)（或開(kāi)采井、井群）輸移（或運(yùn)移）過(guò)程中，衰減到所期望的濃度水平；在正常情況下保證取水水質(zhì)達(dá)到規(guī)定要求；一旦出現(xiàn)污染水源的突發(fā)情況，有采取緊急補(bǔ)救措施的時(shí)間和緩沖地帶（國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，2007）。

關(guān)于保護(hù)區(qū)的劃分方法，國(guó)內(nèi)主要是借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)方法——分級(jí)法，即從水源中心至保護(hù)區(qū)邊緣分為三帶，越靠近水源中心，保護(hù)級(jí)別越高，保護(hù)措施就越強(qiáng)，區(qū)內(nèi)人類活動(dòng)的制約因素也就越多（李建新，2000）。2007年頒布的《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》（HJ/T338-2007）提出了運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)值模擬法兩種方法進(jìn)行地下水水源地保護(hù)區(qū)的劃分。經(jīng)驗(yàn)公式法簡(jiǎn)單易行，但在參數(shù)的選擇主觀性較強(qiáng)，一般適用于小型水源地保護(hù)區(qū)的劃分。數(shù)值模擬法應(yīng)用復(fù)雜，但更能詳細(xì)刻畫(huà)含水層的結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件，劃分結(jié)果更準(zhǔn)確可靠，適用于大型水源地保護(hù)區(qū)的劃分。

論文以北京市房山區(qū)某典型水源地為例，在收集相關(guān)水文地質(zhì)勘查、長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)觀測(cè)、水源地開(kāi)采現(xiàn)狀、規(guī)劃及周邊污染源調(diào)查等成果資料的基礎(chǔ)上，建立了地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)概念模型，運(yùn)用地下水模擬軟件，反復(fù)調(diào)整參數(shù)和均衡量，識(shí)別水文地質(zhì)條件，確定了模型結(jié)構(gòu)、參數(shù)和均衡要素。并通過(guò)質(zhì)點(diǎn)追蹤技術(shù)，計(jì)算水源地水力捕獲帶范圍。綜合考慮水源地周邊地形、地物和潛在風(fēng)險(xiǎn)污染源等因素，確定了水源地保護(hù)區(qū)的范圍。水源地保護(hù)區(qū)劃分的流程見(jiàn)圖1。

圖1 水源地保護(hù)區(qū)劃分流程圖Fig.1 Flow chart of delineation

1 數(shù)值模擬法

用數(shù)值模擬方法劃分水源地保護(hù)區(qū)，主要是利用GMS等地下水模擬軟件，模擬出地下水流場(chǎng)，通過(guò)粒子追蹤技術(shù)，計(jì)算出特定時(shí)間內(nèi)水力捕獲帶范圍，根據(jù)此范圍確定各級(jí)保護(hù)區(qū)的距離。

（1）建立概念模型

根據(jù)水源地的水文地質(zhì)條件，確定模擬區(qū)范圍的大小，模擬區(qū)的范圍及邊界條件；含水層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其水力特征；地下水流動(dòng)特征；模擬區(qū)的初始條件等（王澎，2003）。必要時(shí)補(bǔ)充一些室內(nèi)或野外實(shí)驗(yàn)，獲取彌散參數(shù)、滲透系數(shù)等模型參數(shù)。

（2）建立數(shù)學(xué)模型及定解問(wèn)題

把水文地質(zhì)條件數(shù)學(xué)化，用一組數(shù)學(xué)關(guān)系式（可以是代數(shù)式、微分式或積分式）來(lái)刻畫(huà)實(shí)際地下水流在數(shù)量上和空間上的一種結(jié)構(gòu)關(guān)系，對(duì)于實(shí)際的地下水系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型一般包括方程和定解條件，定解條件包括邊界條件和初始條件（王金生等，2004）。

（3）模型的前期處理

對(duì)模擬區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格或三角形剖分；確定模擬期，給出初始時(shí)刻的地下水流場(chǎng)，并將其內(nèi)插到各個(gè)結(jié)點(diǎn)上。

（4）地下水均衡分析

在應(yīng)用數(shù)值法之前，用均衡法對(duì)模擬區(qū)進(jìn)行均衡計(jì)算，把地下水的各均衡項(xiàng)分配到各抽水時(shí)期和剖分單元上，重點(diǎn)注意與地下水位有關(guān)的均衡量，如降水入滲量、蒸發(fā)量和越流量等。

（5）模型的識(shí)別和檢驗(yàn)

模型識(shí)別的方法一般采用預(yù)測(cè)-校正法（譚文清等，2008）。比較模擬出的地下水流場(chǎng)和實(shí)測(cè)的地下水流場(chǎng)，調(diào)整模型參數(shù)，使得模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果在一定的誤差范圍內(nèi)。

2 實(shí)例研究

北京市房山區(qū)某水源地地處房山區(qū)北柳子村北，共有第四系井8眼，水源井編號(hào)D1～D8，規(guī)劃供水能力5×104m3/d，屬大型水源地，擔(dān)負(fù)著該地區(qū)自來(lái)水供應(yīng)的重任。

2.1 水文地質(zhì)條件

該水源地位于大石河沖洪積平原的潛水區(qū)，第四系含水層主要為砂卵礫石層，厚度隨基底起伏而變化（圖2）。降深 5m時(shí)，單井涌水量1500～3000m3/d，含水層厚度約小于20m。水位埋深10～15m。第四系地下水的補(bǔ)給來(lái)源有：大氣降水補(bǔ)給、地表水的入滲補(bǔ)給和灌溉回歸水的滲入補(bǔ)給。地下水由山前地帶流向平原，并由北向南方向流出本區(qū)。地下水的排泄方式主要為側(cè)向徑流和人工開(kāi)采地下水。

圖2 水文地質(zhì)剖面圖Fig.2 Hydrogeological profile

2.2 水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)水源地的范圍以及水文地質(zhì)條件、鉆孔資料、地下水水位動(dòng)態(tài)和抽水試驗(yàn)成果分析，建立地下水系統(tǒng)模擬模型。確定模擬區(qū)范圍東部以永定河為邊界，南部至西遞、大陶村一帶，西至刑家塢一帶，北至臺(tái)房子、梨村一帶，模擬面積62.88km2。模擬區(qū)概化成非均質(zhì)各向異性、空間三維結(jié)構(gòu)、非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為潛水含水層、弱透水層和承壓含水層，模擬深度為80～150m。北部邊界為第四系含水層地下水流入邊界；南部邊界為第四系含水層地下水流出邊界；東部永定河此段干涸，邊界與等水位線相垂直，定義為零通量邊界。潛水含水層自由水面為模型的上邊界，潛水在此邊界與系統(tǒng)外發(fā)生垂向水量交換（圖3）。

圖3 模擬區(qū)范圍及邊界類型圖Fig.3 Simulation range and boundary types

2.3 數(shù)學(xué)模型

選擇地下水?dāng)?shù)值模擬軟件求解如下定解條件，建立模擬區(qū)的地下水?dāng)?shù)學(xué)模型。

式中：Ω為滲流區(qū)域； H為含水層的水位標(biāo)高（m）；B為含水層底板高程；Kx、Ky、Kz分別為x、y、z方向的滲透系數(shù)（m/d）；Kn為邊界面法向方向的滲透系數(shù)（m/d）；μ為潛水含水層在潛水面上的重力給水度；w為人工開(kāi)采和降水等（l/d）；H0為含水層的初始水位分布（m）；Γ0為滲流區(qū)域的上邊界，即地下水的自由表面；Γ2為滲流區(qū)域的側(cè)向邊界；Γ4為滲流區(qū)域的下邊界，即潛水含水層底部的隔水邊界； ?為邊界面的法2線方向；q（x，y，z，t）為定義為二類邊界的單寬流量（m/d·m），流入為正，流出為負(fù)（王澎，2003）。

2.4 水文地質(zhì)參數(shù)

模擬區(qū)采用四邊形網(wǎng)格剖分，運(yùn)用MODFLOW軟件包對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行識(shí)別和檢驗(yàn)，模擬出地下水等水位線。水文地質(zhì)參數(shù)引用2008年完成的《北京市地下水資源評(píng)價(jià)》中的成果及已有的抽水試驗(yàn)報(bào)告中的水文地質(zhì)參數(shù)。

2.5 模型的識(shí)別與檢驗(yàn)

2007年1月和2009年12月分別進(jìn)行兩次地下水位統(tǒng)測(cè)，使得模型能完整刻畫(huà)地下水系統(tǒng)流場(chǎng)，模擬期末含水層的模擬流場(chǎng)與實(shí)際流場(chǎng)對(duì)比見(jiàn)圖4。所建立的模型能達(dá)到精度要求，符合模擬區(qū)實(shí)際水文地質(zhì)條件，反映了地下水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征，可用來(lái)劃定該水源地的保護(hù)區(qū)范圍。

2.6 質(zhì)點(diǎn)追蹤

根據(jù)《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》（HJ/ T338-2007）的相關(guān)規(guī)定，孔隙潛水型地下水保護(hù)區(qū)劃分方法是以地下水取水井為中心，溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)遷移100d的距離為半徑所圈定的范圍為一級(jí)保護(hù)區(qū)；一級(jí)保護(hù)區(qū)以外，溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)遷移1000d的距離為半徑所圈定的范圍為二級(jí)保護(hù)區(qū)。在地下水水流模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)質(zhì)點(diǎn)追蹤技術(shù)，計(jì)算水力捕獲帶范圍，確定水源地的保護(hù)區(qū)。質(zhì)點(diǎn)追蹤以2007年1月為初始條件，分別模擬100d、1000d后的水力運(yùn)移情況。

圖4 模擬期末含水層流場(chǎng)對(duì)比圖Fig.4 Comparison of the fow field

通過(guò)模型計(jì)算，該水源地水源井100d質(zhì)點(diǎn)流程距離29.64～49.87m，1000d質(zhì)點(diǎn)流程距離368.26～494.28m。示蹤粒子100d和1000d運(yùn)移距離見(jiàn)表1。

表1 示蹤粒子運(yùn)移距離表Tab.1 Migration distance of the tracer particles

2.7 保護(hù)區(qū)范圍確定

利用GIS軟件，將不同井的保護(hù)區(qū)范圍疊加起來(lái)，并結(jié)合水源保護(hù)區(qū)的地形、地標(biāo)、地物特點(diǎn)，充分利用具有永久性的明顯標(biāo)志如行政區(qū)界線、公路、鐵路、橋梁、大型建筑物、水庫(kù)大壩、水工建筑物、河流汊口、輸電線和通訊線等。劃定的水源保護(hù)區(qū)見(jiàn)圖5。

圖5 水源地保護(hù)區(qū)劃分成果圖Fig.5 The conservation zone delineation result

3 結(jié)論

（1）運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，建立模擬區(qū)的概念模型和數(shù)學(xué)模型，借助專業(yè)軟件模擬計(jì)算地下水流場(chǎng)，并通過(guò)不同的時(shí)間參數(shù)來(lái)界定地下水水源地各級(jí)保護(hù)區(qū)的范圍。這種方法思路清晰，操作嚴(yán)謹(jǐn)，劃分結(jié)果準(zhǔn)確可靠，具有廣泛的實(shí)用性。

（2）以某典型水源地為實(shí)例，進(jìn)行了數(shù)值模擬法的應(yīng)用研究。在地下水水流模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)質(zhì)點(diǎn)追蹤技術(shù)，以溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)遷移100d和1000d為的距離分別作為一級(jí)保護(hù)區(qū)和二級(jí)保護(hù)區(qū)的邊界，劃定了水源地保護(hù)區(qū)。

（3）最終確定保護(hù)區(qū)的邊界時(shí)，應(yīng)考慮水源地的地形、地標(biāo)、地物和現(xiàn)狀污染源的分布等特點(diǎn)，尋找明顯的標(biāo)志物，便于相關(guān)地下水管理部門操作和制定監(jiān)督管理措施。

［1］國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局. 飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范（HJ/T338-2007）［S］. 2007.

［2］李建新. 我國(guó)生活飲用水水源保護(hù)區(qū)問(wèn)題的探討［J］. 水資源保護(hù)，2000，16（3）：12～14.

［3］王澎. 用數(shù)值模擬的方法劃分地下水水源地保護(hù)區(qū)［J］. 山西焦煤科技，2003，6（S1）：10～12.

［4］王金生，王澎，劉文臣，等. 劃分地下水源地保護(hù)區(qū)的數(shù)值模擬方法［J］. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2004，31（4）：83～86.

［5］譚文清，孫春，胡婧敏，等. GMS在地下水污染質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J］. 東北水利水電，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 中文標(biāo)識(shí)碼：A

1007-1903（2016）03-0074-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.03.014

黃棟（1979-），男，碩士，工程師，主要從事環(huán)境地質(zhì)。E-mail：huangdong0529@163.com。