玛纳斯河河谷水源地保护区技术划分方案分析

江有成 高庆国

(1.新疆玛纳斯河流域管理局，新疆 石河子 832000；2.新疆环境保护科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830001)

水是人类生存最基本的要素之一，饮水安全关系到广大人民群众的根本利益和社会的可持续发展。国家建立饮用水水源保护区制度，是保护饮用水水源地免受人为活动影响，保证饮水安全的重要措施。饮用水水源保护区划分是实现饮用水安全的基础，原环境保护部在《关于进一步加强饮用水水源安全保障工作的通知》(环办〔2009〕30号)中提出“按照《饮用水水源保护区划分技术规范》及《饮用水水源保护区标志技术要求》，全面开展饮用水水源保护区划分与调整工作”。地下水饮用水水源保护区划分的技术方法主要有经验值法、经验公式法和数值模型计算法3种[1]，3种方法划分的保护区范围有所差别，采用科学合理的方法进行划分，对保护饮用水水水源地和降低经济成本非常重要。

1 水源地概况

玛纳斯河河谷水源地位于玛纳斯河流域玛纳斯河谷南山洼地内，地理坐标为东经86°03′～86°08′，北纬44°05′～44°16′。水源地处于玛河红山嘴引水枢纽上游4～11km河段。南山洼地位于玛纳斯河红山嘴出山口以南20km的低山丘陵区(又称南山洼地)，洼地范围东起呼图壁河，西至金沟河，东西长100km；南是天山的南玛纳斯山和南安集海山，北为吐谷鲁山、玛纳斯山、霍尔果斯山，南北宽11km，面积约为1000km2。其中霍尔果斯山在西部与天山主脉圈闭，仅在东部有一狭窄出口。洼地内部地形南高北低，高差约100m；东西两端高而中部低，高差约100m。南山洼地内沉积着巨厚的第四系砂卵砾石层，渗透性良好，河流通过此带时大量渗漏，在红山嘴第三系隆起低山地带形成天然地下水库大坝，洼地地下水只在玛纳斯河谷红山嘴出山口以南沿河道8km左右范围内以泉水形式出露地面，进入北部冲洪积平原区，故南山洼地成为天然的地下水库。据研究，地下水库静储量300亿m3，动储量30亿m3，可动用动储量3亿m3。

由于玛纳斯河河床高程低于东西两边塔西河、宁家河等河床高程，含水层底板高程亦低于东西两边底板高程，加之北部受第二排构造的阻隔，区内地下水流在水平方向上存在两个流向：由南向北(由上游向下游)的纵向水流，以及东西两侧向玛纳斯河河谷的横向水流，其中纵向水力坡度为2.0‰～3.0‰，横向水力坡度为1.3‰～1.7‰，因为泉水溢出带段玛纳斯河两岸陡壁地下水形成跌水，该段河谷中地下水水力坡度大约在1.0%～1.5%。泉水溢出带多年平均年溢出水量约1.1亿m3。

根据凿井资料分析，玛纳斯河河谷水源地所处区域内局部地带地面以下28～32m分布有不连续的黏性土夹层，形成弱透水层，表现出承压-自流的特征。水源地采用管井结合取水方式,井深90m，36眼机电井群由南向北依次分布在玛纳斯河东西两岸，年设计地下水取水量为7400万m3，是玛纳斯河流域内石河子市和玛纳斯县城市用水的主要水源。

2 保护区划分过程

地下水饮用水水源保护区划分的技术方法主要有经验值法、经验公式法和数值模型计算法3种。

2.1 经验值法

潜水型水源地保护区范围的经验值见表1。

玛纳斯河谷水源地类型为地下水，地下水埋藏条件为潜水，水源为孔隙水，含水层介质为卵砾石。由经验值法可知，一级保护区为不得小于500m半径的圆形区域，二级保护区为不得小于5000m半径的圆形区域。

2.2 经验公式法

a.保护区半径计算经验公式为

(1)

式中：R为保护区半径，m；α为安全系数，一般取150%(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)；K为含水层渗透系数，m/d；I为水力坡度(为漏斗范围内的水力平均坡度)；T为污染物水平迁移时间，d；n为有效孔隙度，采用水井所在区域具有代表性的n值。

b.一级保护区为以开采井为中心，按式(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。群井内单井之间的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；井群内的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，以外径向距离为一级保护区半径的多边形区域作为一级保护区。

c.二级保护区为以开采井为中心，按式(1)计算的结果为半径的圆形区域。公式中，二级保护区T取1000天。群井内单井之间的间距大于二级保护区半径的2倍时，可以分别对每口井进行二级保护区划分；群井内的井间距小于等于二级保护区半径的2倍时，则以外围井的外接多边形为边界，以外径向距离为二级保护区半径的多边形区域作为二级保护区。

d.根据水文地质勘察报告，水源地区域含水层渗透系数为15.60～61.74m/d，水源地整体水力坡度为2.0‰～3.0‰，局部水力坡度为1.0%～1.5%。保护区划分按照保守参数进行计算，则渗透系数取61.74m/d，水力坡度取1.5%，有效孔隙度取0.25。经计算，一级保护区范围为556m，二级保护区范围为5557m。

2.3 数值模拟法

2.3.1 数值模型方程

根据地下水位流场特征，含水层厚度较大，为200m左右，地下水的水力坡度小，为2.0‰～3.0‰，抽水不会导致地下水一侧有水，而另一侧被抽干，井群开采单井叠加水位下降一般小于10m，不会导致井群内地下水被抽干，加之抽水试验控制参数均为Kxy，因此将计算区地下水流设定为二维非均质各向异性层流。由钻孔资料可知区内地层结构基本为单一的卵砾石层或砂砾石层，为孔隙潜水性质，局部地带由于底板隆起及存在不连续的黏性土夹层，表现出承压-自流的特征。根据水文地质勘查报告中非稳定流s-t曲线形态、单井叠加水位与含水层厚度比值(远小于1/10)，将计算区含水层视为单一潜水层，故将计算区内地下水水流运移可概化为一层二维非均质各向异性的潜水非稳定水流。

地下水运动数学方程式表示为

(2)

式中：Kxx、Kyy为指定方向的渗透系数；h为水头高程；B为模型含水层底板高程；W为单位时间单位面积垂向补给与排泄的代数和；S为含水层的给水度(或储水系数)。

2.3.2 边界及初始条件

含水层顶板采用12m精度DEM数据，再采用各控制性水位的地面标高进行加密修正。含水层的底界为Q1-2的胶结或半胶结砂砾岩，渗透性相对较差，视为隔水底板，无水量交换。根据初始流场的流向与计算区边界的关系，将计算区4个侧向径流边界全部设定为二类流量边界(达西边界)。

计算中，将水文地质勘查报告中的水位统测流场视为数值模型计算条件的初始流场，将模型计算区的水文地质参数(K、μ)按照特征差异情况划分为5个参数区，将河渠入渗量处理成线状的流量，潜水蒸发处理成面状流量(采用潜水4m埋深为零通量)，开采井视为点状流量输入。

2.3.3 计算结果

经数值模型计算，T=100天时的质点运移距离为160～320m，T=1000天时的质点运移距离为320～1085m。上游运移距离较下游运移距离明显较远(详见表2)。

表2 水质运移距离 单位：m

3 不同划分方法结果分析

采用3种不同的方法，从保护区划分范围情况可看出(见表3)，经验公式法计算出的一级保护区范围和二级保护区范围最大，经验值法次之，数值模型法最小。主要原因为经验公式法在计算中采取最为保守的计算参数，而玛纳斯河河谷地存在水力坡度非常大的地下水跌水情况，导致计算范围较大。在一般的地下水水文地质条件下经验公式法计算结果应较经验值法小。数值模型法计算结果最小，这是因为数值模型法采取更加精确的参数，所以计算出的保护区范围更加合理。

表3 不用划分方法保护区范围对比

从保护区不同边界来看，经验值法和经验公式法4个方向边界保护区范围是不变的，但数值模型法保护区范围不同方向边界有所不同。这主要是因为经验值法和经验公式法不对各边界范围进行区分，采取统一的值，但实际上水流由上游向下游流动，抽水井抽取地下水时抽取的上游的水最多，两侧的水次之，下游的水最少，地下水运移至抽水井的距离也是上游最远、两侧次之、下游最近，因此保护区范围应在上下游之间有所区别，这对渗透系数较大的砂砾石、卵砾石影响很大。

从一级保护区范围与二级保护区范围关系上看，经验值法和经验公式法二级保护区范围均是一级保护区范围的10倍，但数值模型法二级保护区范围不同边界不同，最大的东侧边界为5.7倍，最小的北侧边界为2倍。这主要是因为抽水井在抽水时会导致抽水井周边形成漏斗，漏斗范围内地下水流速加快，单位时间内运移距离远，但一般形成的漏斗范围不会覆盖整个二级保护区，而经验值法和经验公式法二级保护区范围是按照漏斗范围内的水力坡度进行计算的，数值模型法是按照实际水力坡度进行计算的，因此导致经验值法和经验公式法二级保护区范围较数值模型法明显偏大。

水源地保护区范围划定的原则，是在保证饮用水水质的同时保护区范围尽量要小，从而降低保护成本。玛纳斯河河谷地下水水源地周边一定范围内有村庄、工业企业等，如果采用经验值法或经验公式法，则需要对水源井下游的工业企业进行拆迁，造成保护成本过高。根据3种划分方法得出的结果，水源地保护区的划定宜采用数值模型法计算结果，即一级保护区范围为水源井往上游320m、下游160m、左岸160m、右岸192m，二级保护区范围为水源井往上游800m、下游320m、左岸700m、右岸1085m。

4 结 论

经验值法和经验公式法是基于保守参数计算得到的范围，数值模型法是按照实际参数计算得到的计算范围，因此，数值模型法较经验值法和经验公式法保护区范围一般要小；数值模型法保护区范围上游最大，两侧次之，下游最小，但经验公式法和经验值法在上下游及两侧均采用一个范围；经验公式法和经验值法二级保护区距离范围是一级保护区距离范围的10倍，数值模型法二级保护区距离范围一般小于一级保护区距离范围的10倍。在有条件的地区应采取数值模型法计算保护区范围，尤其是渗透系数较大的砂砾石和卵砾石地下水水源地，否则，划分的保护区范围一般会偏大较多。

玛纳斯河河谷水源地周边有村庄和工业企业等，在保护地下水水质的前提下保护区范围应尽量小，因此宜采用数值模型法计算结果作为保护区范围划定结果。