卢志华

(1.丹华水利环境技术(上海)有限公司，上海200235;2.上海市环境科学研究院，上海200233)

贵州省毕节市黔西县碳酸盐岩分布广，岩溶发育，地下水资源丰富，且多数以岩溶泉水出露，水质好，是理想的生活水源。由于自然条件限制，当地水资源开发利用条件差，开发利用成本较大，农村人口占总人口比重大，且居住较为分散，地下水是城镇供水和农村人畜饮水的重要水源。

近年来，黔西县社会经济的快速发展对地下水环境造成一定影响，但是当地对地下水的保护和管理却比较薄弱。黔西县煤矿资源丰富，煤矿开采工程建设改变了含水层结构，影响地下水的补、径、排关系，矿坑排水和尾矿堆积也造成地下水体污染，破坏生态环境。农村生活垃圾和农业化肥施放造成的面源污染，随降雨入渗进入地下含水层，污染地下水体。同时，黔西县属岩溶山区，地表水和地下水交互强烈，地表水受到污染后也会影响地下水的质量。因此，为防止地下水源受到污染，保障当地饮水安全，在黔西县开展地下水保护区试点研究，为区域地下水的管理、保护、监控、科学预测、合理开发和可持续利用提供基础。

本研究将通过数值模型手段，调查研究黔西县地下水状况和动态变化规律，为重要地下水水源地划分保护区范围，提出地下水保护区综合保护措施，为当地地下水资源合理开发利用和综合管理提供理论依据和决策工具。

1 黔西县自然和水文地质条件概述

黔西县位于贵州中部偏西北、乌江中游鸭池河北岸，东经105°47'～106°26'、北纬 26°45'～27°21'，总面积 2381 km2，东部以六广河为界与贵阳市修文县相邻，南以鸭池河、六冲河为界连接清镇市和织金县，西部以支嘎阿鲁湖和西溪河为界与大方县相连，北和东北与大方县、金沙县接壤，地处亚热带温暖湿润气候区，多年平均气温13.9°C，多年平均降雨量1005 mm，降雨主要集中在夏季，四季不分明，居住着汉、彝、苗、仡佬、布依、白和满等18个民族，2010年末全县总人口为87.11万人，其中农业人口79万人，农业人口占全县人口比重约为91%。黔西县有着丰富的煤炭资源。

黔西县内地层自寒武系中上统至第四系均有出露，以三叠系分布面积最广，其间缺失奥陶系、泥盆系及石炭系中上统地层，其余各地层受构造影响呈条带状、透镜状局部分布。侏罗系集中在东北部中平及西部洪家渡水库库尾一带，寒武系仅在东北部中建边境出露。黔西县境内地下水主要赋存于大面积出露碳酸盐岩溶含水层，包括栖霞—茅口组、灯影组、清虚洞—下奥陶统、永宁镇组、关岭至法郎组、龙潭至大隆组和夜郎组等含水岩组，岩性主要为灰岩、白云岩及其过渡类型岩石，属岩溶透水层，约占全县国土面积的92%，局部条带状分布基岩、碎屑岩裂隙含水层，包括牛蹄塘至金顶山组、飞仙关组、龙潭至大隆组和须家河组等含水岩组，岩性有粘土岩夹煤层、碎屑岩、玄武岩等，为相对隔水层。不同构造的复合部位，出现地下水局部富集。另外，部分区域存在碎屑岩与碳酸盐岩互层沉积，形成局部地下水承压。

黔西县多年平均水资源量12.4亿m3。采用降水入渗系数法计算多年平均地下水资源量，黔西县地下水资源量为3.09亿m3，占总水资源量的24.9%，其中野纪河区地下水资源量1.88亿m3，占该区总水资源量的31.7%，六冲河区地下水资源量0.56亿m3，占该区总水资源量的24.6%，鸭池河区地下水资源量0.65亿m3，占该区总水资源量的25.9%。

黔西县地下水类型主要为重碳酸－钙型或者重碳酸－钙、镁型，矿化度一般小于0.5g/l，总硬度1.04～25.07，PH值介于6～7.9之间。除极少数特殊水质(温泉)含有有害元素锰、汞、氟以外，区域内水质良好，可作为工农业供水和生活用水。

2 地下水数值模型

本研究中通过建立研究区域地下水数值模拟模型，定量模拟研究区域地下水的流场分布和动态变化过程，分析重点关注区域地下水的补给、径流和排泄情况，为地下水资源评估和地下水水源地保护区划分提供理论依据。

2.1 地下水概念模型

建立地下水流场数值模拟模型，需要对实际的水文地质条件进行概化，建立研究区域水文地质概念模型。概化包括确定模型的范围、边界概化、含水层水文地质结构、源汇项、水文地质参数分布和地下水径流特性等。根据对研究区域自然、气象、水文和地质条件调查，确定地下水模型建模区域为包含大方、黔西两县县境的野纪河流域、六冲河流域和赤水河流域部分区域，北部以分水岭和行政区划为界，南部和东部分别以六冲河和乌江为界(如图1所示)，总面积为7835 km2。根据对研究区域水文地质条件分析，将其地下水系统概化为单一的非均质各向同性稳定流浅层地下水流系统，由于岩性、地下水赋存形式和水动力特征的空间差异，对水文地质参数进行空间分区描述。

图1 模型研究区域范围

研究区域地下水的补给来源包括降水入渗补给、河流渗漏补给、农业灌溉回渗补给和侧向地下径流补给，其中降水入渗是主要的补给来源。地下水的排泄包括潜水蒸发、向地表水排泄、侧向径流排泄和人工开采，其中地下水人工开采和向地表水排泄占主导地位。研究区域地表水和地下水交互强烈，相互补给和排泄，将模型区的河网水系概化为第三类柯西边界条件。模型北部大都为基岩山区，主要接受大气降水补给，将其概化为隔水边界。局部河谷区的侧向径流概化为第二类纽曼流量边界条件。

2.2 地下水数值模型建立

在水文地质概念模型的基础上，建立研究区域地下水数值模型。

2.2.1 网格剖分

本研究中采用不规则三角网格进行空间网格剖分，网格剖分时除需遵循一些剖分基本原则外，如三角形单元内角尽量不要出现钝角和相邻单元间面积相差不应太大等，还应充分考虑如下实际情况:1)充分考虑工作区的边界、岩性分区边界、行政分区边界等;2)观测井、水源地开采井位置尽量放在剖分单元的节点上;3)流场变化大和重点研究区域(如水源地)需要局部网格加密。本项目将模拟区域剖分为35271个单元，共18165个节点。模型网格剖分结果见图2。

图2 研究区域网格剖分结果

2.2.2 侧向径流

侧向径流边界的径流量估算需综合考虑含水层地下水的流场及其水力坡度、含水层渗透系数、厚度和边界长度。根据达西定律，边界侧向径流量通过以下公式计算:q侧补=KMIB，式中q侧补地下水侧向流量(104m3/d);K断面附近的含水层渗透系数(m/d);I垂直于断面的水力坡度;B断面宽(km);M含水层厚度(m)。

2.2.3 河道渗漏和基流补给

模型使用第三类柯西边界描述地下水含水层和地表水体之间的水量交换，包括河流向地下含水层的渗漏过程(河流水位高于地下水位)和地下水补给地表水过程(地下水位高于河流水位)(图3)。河道和地下含水层间的侧向渗漏和补给通过公式:q河渠渗漏=Φ·(Href－H)计算，式中Φ≈kf/d为河道渗漏和基流补给导水系数，Href为参考河流水位，kf为河床的渗透系数，d为河床淤泥层的厚度。

模型区内地表河网中共布有8个水位监测站，收集到这些水位站的长系列动态观测资料，每个节点的水位值由这些水位实测数据线性插值获得。图4为河网水位边界赋值结果。河道渗漏和基流补给导水系数描述了河床淤泥层的导水性能，通常地下水补给河道基流过程其导水性能稍高于河床淤积过程(河道渗漏、地表水补给地下水)，模型计算过程中会根据地下水流补排方向自行选择相应参数。

图3 地下水含水层和地表水体间的水量交换

2.2.4 地下水开采

研究区内的地下水开采主要用于城镇生活用水、农村人畜饮水、工矿企业用水和农业灌溉用水，其中农村人畜饮水占重要比重。图4为研究区域2008年农村人畜饮水工程和几个重要的城镇供水水源地开采井位置分布图及地下水资源利用量估值。本研究中综合评估了获取的各种水资源利用统计数据和相应规划报告对地下水开采量进行了估算。

图4 研究区域2008年农村人畜饮水工程和重要城镇供水水源地开采井位置分布图及地下水开采量

2.2.5 水文地质参数分区

水文地质参数是表征含水介质储水能力、释水能力和地下水运动能力的指标，其值主要参考供水水文地质手册的经验值、相关的水文地质报告和抽水试验数据获得。本研究中根据地下水赋存类型和含水层岩性作为水文地质参数分区主要依据。模型中两个主要水文地质参数渗透系数和给水度的空间分区结果见图5，其值参见表1。

图5 水文地质参数渗透系数和给水度空间分区

表1 水文地质参数值

2.2.6 降水入渗补给

降水入渗是研究区域地下水的主要补给来源，降水入渗量与降水量、潜水水位埋深和包气带岩性有关。降水入渗补给量计算公式为:Qj=α.F.X，式中Qj降水入渗补给量(104m3/a);α年降水入渗系数;F计算区面积(106m2);X年降水量(m/a)。

研究区域为高原山区，降水空间分布不均匀，年内和年际变化较大。本研究中对模型区内所有雨量站降雨长系列观测资料进行了频率分析，并分别估算了不同保证率下的典型丰、平、枯水年的降雨量值。降雨量的空间分区通过泰森多边形法划分，分区结果见图6。研究区域降雨入渗补给系数根据岩性和地下水赋存类型进行分区取值(如表2所示)。图7为研究区域丰水年降雨入渗补给量空间分布。

图6 降雨量空间分区结果

图7 研究区域丰水年降雨入渗补给量空间分布

潜水蒸发量主要与潜水位埋深、包气带岩性、地表植被和气候因素有关，一般认为水位埋深大于4m的地区潜水蒸发很小。由于研究区域属于岩溶山区，地下水埋深较深，通常介于50－200m之间，因此本研究中潜水蒸发量忽略不计。

表2 降雨入渗补给系数

2.3 模型识别和结果分析

模型建立之后需要进行模型参数识别，通过反复调整部分模型参数、边界条件和源、汇项等使得模型模拟结果能反映实际的水文地质条件和地下水流况。模型识别的原则包括:识别后的模型概化和参数应符合实际的水文地质条件;模拟的地下水流场与实际流场一致，可以反映区域地下水流向;模拟的地下水位变化过程与趋势与实际的地下水动态过程一致。

本研究中收集到研究区域内部分地下水位观测井单次观测地下水位数据(2011年)。对所建地下水稳定流数值模型进行了模型识别和流场拟合。图8为模拟地下水位等值线与实测地下水位观测数据拟合结果。拟合结果显示由模拟地下水流场与实测结果吻合较好，所建立的地下水数值模型基本可以反映研究区域地下水流向和流场变化趋势。研究区域地下水流受地形影响，总体趋势为由西北部山区向东南河谷地区汇集，局部流场受地质构造和岩性控制。

图8 模拟和实测地下水等值线比较

同时，对研究区域各地下水补给和排泄水均衡要素进行了统计分析，表3列出了研究区域地下水均衡项多年平均量统计结果。研究区域地下水多年平均总补给量为9.86亿m3，多年平均总排泄量为9.94亿m3，均衡误差为0.8%，满足稳定地下水流系统水量平衡条件。由表3可以看出，降雨入渗是地下水主要补给来源，且地下水系统主要向河流排泄水量，补给河道基流，地下水开采和侧向径流排泄量均较小。

表3 研究区域地下水均衡多年平均量统计结果

图9 研究区内重要饮用水供水水源地流场模拟和流线追踪结果

2.4 模型模拟和预测

利用所建立的地下水动力数值模型对研究区域地下水系统进行模拟，通过对流场流线追踪确定不同汇流期间的地下水集水(补给)区域，以此作为地下水水源地保护区的划分依据。由于受到动态降雨入渗、河流水位、地下水开采等因素影响，地下水系统是一个动态系统，水源地的补给区域也随时间动态变化。水源地保护区的划分应根据最不利情况下地下水流场和和其补给区域确定。本研究模拟了研究区域丰水年降雨条件下的地下水流场和其汇流补给区，然后根据不同地下水汇流时间对应的补给范围分级划分保护区。图9为丰水年(降雨保证率20%)条件下研究区域重要地下水水源地流场模拟和流线追踪结果。

3 地下水保护区划分及保护措施

中国地下水资源保护区划分一般采用三级控制原理，综合考虑水源地地面影响范围和地下水补给集水区范围，将环境污染控制在不同保护区范围之外。地下水水源保护区边界的划定主要考虑研究区水文地质条件，特别要考虑含水层性质、地下水运动特征、地下水形成特征、地下水循环系统特征以及地下水含水层的覆盖层性质和含水层岩性因素，同时还要考虑污染物迁移和病菌、微生物生长条件以及其它人为因素等。

根据《中华人民共和国水污染防治法》和国家环保局2007年2月1日颁布实施《饮用水水源保护区划分技术规范》，通常在水源地分别划分一级保护区、二级保护区和三级保护区。一级保护区是指包括井群在内的一定范围，其作用主要是保证集水要有一定的滞后时间，防止污染物的渗透入，保证水源地的出水安全。二级保护区在一级保护区外，其作用是为轻度污染的水提供足够的时间采取补救措施。

三级保护区在二级保护区外缘一侧，防止污染水体流入二级区，从而保护供给水源。根据地貌单元和水文地质条件可划出集水区的范围，也可根据计算补给带和边界宽度来划定范围。

本研究中应用FEFLOW建立研究区域地下水数值模型，根据地下水流场不同汇流时间集水区的范围，对研究区内的所有重要饮用水水源地进行了保护区分级划分，并针对每个水源地的具体情形提出相应的保护措施。本文以响水岩水源地为例进行阐述。

3.1 响水岩地下水源地保护区划分及保护措施

响水岩地下水水厂位于黔西县以东大关镇，共解决大关和钟山两镇约1.5万人的饮水问题。响水岩出露地层表层为0.2～5m第四系坡积褐黄色粘土，下部为三叠系白云岩。该区域大气降水为地下水主要补给水源，其强度和大小影响地下水的径流过程。降水到达地面通过三叠系白云岩、灰岩溶蚀隙、构造裂隙及洼地竖井以入渗和渗入方式补给地下水。

3.2 水源地现存问题

水源地为天坑，地下水流量大，周围缺少围挡保护;水源地管理规则不健全，缺少严格的水资源管理制度;水源地附近农业活动剧烈，农业面源污染防治、水土流失控制是主要问题;泉水出流区紧靠公路，来往交通可能对水体水质造成影响;缺少水量、水质监测。

3.3 保护区划分

响水岩水源地保护区划分示意图见图10，取水点周边20m范围划分为一级保护区范围，一级保护区外流场流线追踪汇流时间小于50天的集水区范围为二级保护区，二级保护区外汇流时间小于20年的集水区范围划分为三级保护区。

3.4 保护措施

对不同级别的地下水保护区提出相应的保护措施如下:

一级保护区:设置隔离网或墙，完善取水点建设封闭式建筑物，由专人管理，无关人员不得入内;不得放置与取水无关的设备和物品，不得建造与引水无关的建筑物，消除一切可能导致地下水污染的因素;取水区内应严禁出现工矿建设、破坏植被以及农业耕作等人类活动，防止地下水遭到污染，影响饮水安全;

图10 响水岩水源地及水源地保护区划分示意图

二级保护区:区域内不得堆放垃圾、废渣或污水处理管道，严禁大量使用农药、化肥等对地下水水质产生变化的人类工程，严禁出现破坏水源地环境的人类活动;

三级保护区:防止污染水体流入二级区，保证有充分的时间发现污染、采取措施消除污染源，确保水源地正常运行。实行“取水许可证制度”，合理开采利用地下水，划定地下水禁采区和限采区，并实行用水企业取水许可证制度。建立水量水质监测，定期监测水量、水质、水温。

4 结语

研究区域属岩溶山区，水资源开发利用条件差，地下水是当地重要的农村和城镇人畜饮水的水源。本研究应用先进的地下水流场和污染物质迁移有限元模拟FEFLOW软件系统，建立了研究区域流场数值模拟模型，分别模拟和预测丰、平、枯水年不同降水条件下地下水流场分布和动态变化趋势。地下水数值模拟模型定量分析研究区域地下水流场分布和补给、径流和排泄情况，为当地地下水资源评价和重要地下水水源地保护区划分提供理论依据。另外，分析了黔西县重点保护地下水水源地的水量需求和水质要求。基于模型模拟结果，根据国家《饮用水水源保护区划分技术规范》的要求，初步划分了研究区域内重要地下水水源地一级、二级和三级保护区范围。针对水源地特点，提出了地下水水源地综合保护措施，从工程技术层面和社会经济层面考虑，给出了具体可操作的意见和合理的地下水保护对策和建议。

[1]H.－J.G.Diersch，FEFLOW Reference Manual(2005)，DHI－WASY GmbH，Berlin.

[2]张立志，基于FEFLOW的大兴区地下水动态模拟研究，硕士学位论文;中国地质大学;北京，2009年。

[3]赵旭，基于FEFLOW和GIS技术的咸阳市地下水数值模拟研究，硕士学位论文;西北农林科技大学;西安，2009年。

[4]毕节市水资源公报，贵州省毕节市水利局，2010年。

[5]饮用水水源保护区划分技术规范，中国环境保部，2007年。

[6]中华人民共和国污染防治法，2008年。