河流型集中式饮用水水源地保护区划分研究

侯长鸿，杨 柳，黄一恒，高润禧，刘炯弘，圣 振，齐 媛，陈志金

(中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

1 引言

近年来，随着工业化和城市化建设的不断推进，我国诸多城市的饮用水安全面临严峻挑战[1, 2]。原环境保护部调度处理的重大及敏感突发环境事件中，60%以上涉及地表水饮用水水源地[3]。饮用水污染问题严重影响人民的生命健康，保障饮用水安全，成为生态治理工作的重中之重。划分饮用水水源保护区是保障饮用水安全最有效的措施[4]。截至2018年，全国大部分饮用水水源地已依法完成了保护区划定工作[5]，但存在划分方案以旧版水源地划分规范为技术指导标准，划分的保护区范围过大导致整治困难、无法有效应对突发性水污染事件等问题[1, 4～7]。旧版规范已难以适应当前饮用水水源监管需求[5]。2018年3月，生态环境部对旧版规范进行修订，印发了《饮用水水源保护区划分技术规范》(HJ-338-2018)(以下简称“新规范”)[5]。新规范立足“风险防控”理念，强调风险管理和应对突发事件的管理能力，划分方法中增加了应急响应时间法；强调利用地理信息系统等技术对保护区进行科学合理的划分[1, 5]。本研究结合新规范及相关政策要求，以广西壮族自治区某市为例，开展河流型集中式饮用水水源地保护区进行重新划分，旨在科学划分保护区范围、建立应急响应机制，为该市集中式饮用水水源地的污染防治工作与保护积极跟进国家政策与标准，提供技术支持和理论依据，同时为其他城市的集中式饮用水水源地保护工作提供借鉴。

2 研究区概况与数据来源

2.1 研究区概况

研究区水源地属于河流型集中式饮用水水源地，分布了4个供水水厂，分别是A水厂、B水厂、C水厂和D水厂，均取水于某河流干流。水文资料显示，该河流平均流量1250 m3/s，年径流量为395亿m3，汛期为4～9月份，枯水期为10月至次年3月份，历史最大流量33700 m3/s，最小流量为70 m3/s，多年平均水位70.94 m，最高水位92.43 m，最低水位68.48 m。目前，该市饮用水水源地重点影响区内无工业企业、无规模化畜禽养殖场、网箱养殖及其他较大的污染源和风险源。所有的排污口已全部截流，城市污水均通过污水截污收集系统输送至污水处理厂。截至2018年，该河流沿岸仍存在潜在的污染隐患，如农村地区产生的污水没有经过特殊处理，倾倒在河流附近地区，垃圾等废弃物也存在沿河随意堆放现象，如果没有防渗处理，经雨水冲刷，污染废弃物会随水流直接进入水体。水源地上游小规模水产养殖以及水上垂钓等人类活动也会对水体造成潜在的污染威胁。

2.2 数据来源与处理

2.2.1 DEM数据

数字高程数据(Digital Elevation Model，DEM)是水文分析的基础。研究区DEM数据是在全球ASTER GDEM 第一版DEM数据中选取的研究区范围的分幅图像，利用该市行政区划矢量数据，通过ArcMap裁剪获得，UTM/WGS84投影，空间分辨率为30m。该市行政区划矢量数据来源于国家地球系统科学数据中心。

2.2.2 各取水口基本数据

依据实地不同情况选择适宜当地的划分技术方法，是新规范着重体现的思想原则，因此收集详细的取水口附近基本资料是正确划分保护区范围的前提。该市生态环境局提供了各取水口的经纬度坐标及其附近的防洪堤坝现状、枯水期水面宽度、两岸地形地貌类型、通航情况等基础数据(表1)。同时根据该市生态环境局提供的水质监测报告，2018年全年该市地表饮用水源水质均满足GB3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类水质要求。

表1 研究区水源地基础数据

3 水源地保护区划分依据与方法

3.1 划分依据

依据《饮用水水源保护区划分技术规范》(HJ 338-2018)和《广西壮族自治区饮用水水源保护区划分技术方法》(桂环函〔2015〕918号)[8, 9]，确定本研究采用类比经验法开展一级保护区范围划分研究，采用应急响应时间法和地形边界法开展二级保护区范围划分研究，其中应急响应时间法应用于二级保护区水域范围划分，地形边界法应用于二级保护区陆域范围划分。

3.2 一级保护区划分方法

类比经验法是指按照相关法规、文件规定、依据统计结果和管理者的实践经验，确定保护区范围的一种方法[9]。该方法应用相对简单，具有较强的可操作性，但该方法适用的水源地条件较高，要求取水口附近地形地貌相对简单、流域范围较小、污染源分布较为简单或无污染源[5]。由于该市水源地各取水口附近地形都为平原，河流水质状况良好，且上游无重大风险源。因此本文采用类比经验法对该市水源地一级保护区陆域和水域范围进行划分具有科学合理性(表2)。

表2 研究区一级保护区划分

3.3 二级保护区划分方法

3.3.1 水域范围划分

针对当前我国饮用水水源地突发环境事件高发的态势，新规范借鉴欧美国家流程时间的划分理念，提出了应急响应时间法确定地表水源水域保护区的划分方法[5, 10]。应急响应时间法是指应急响应时段内，污染物到取水口的流程间距作为保护区水域长度的一种计算方式[9]。新规范对水源地保护工作提出了更高要求。由于该市集中式饮用水水源地均为河流型水源地，且河流沿岸仍存在农业、渔业等生产活动，为应对突发性水污染事件，建立保护区应急响应机制，因此选用该方法进行水源地二级保护区水域范围的划分。保护区上界限的水域间距的具体计算公式为：

(1)

式(1)中：S为保护区水域长度，m；Ti为从取水口上游推算第i河段物质迁移的时间，s；Vi为第i河段平水期多年平均径流量下的流速，m/s。

应急响应时间的制定目前国内还没有统一标准[5]，主要依据各地方政府应对突发事故的能力确定，应急响应时间一般要超过2 h[9]。瑞典以24 h流程内的河段作为河流型水源地二级保护区水域的长度[5]；美国同样有类似的划分方法，确保一旦发生事故，水厂有足够的时间关闭取水口[5, 10]。鉴于河流沿岸仍存在潜在污染源，以及我国正处于突发性水污染事件频发阶段，本文将处于河流上游的A水厂的应急响应时间取48 h，其他水厂取8 h。其计算公式为：

T=T0+∑Ti

(2)

式(2)中：T0为应急响应时间，s；Ti为污染物流入最近河段的时间，s。

河流流量依据水动力学公式：

Q=A×V

(3)

式(3)中：Q为河流流量，m3/s；A为横截面积，m2；V为河流流速，m/s。

为了便于计算，在实际计算过程中，可将河流横截面积概化为矩形，取每个取水点附近多个河流宽度求平均值，计算出取水点附近河段的平均流速。进而代入公式(1)，得到各取水点所需应急响应时间与水域长度(表3)。

表3 应急响应时间法计算的水域长度

3.3.2 地形边界法

目前,我国水源地保护区陆域划分较多采用类比经验法[2]。但在二级保护区划分中，该方法划定的保护区范围缺乏整体流域保护思想[5]。新规范在地表水源陆域划分方法中，借鉴欧美国家全流域保护理念，增加了地形边界法[5]。地形边界法是指以饮用水水源周边的分水岭作为各级保护区边界的方法[9]。采用地形边界法是为了从流域范围控制突发环境事件产生的污染物和非点源汇入水体[5]，但往往依据此方法划分的范围过大，导致难以进行严格监管[11～13]。

鉴于河流沿岸仍存在潜在污染源，且周围地形多为丘陵和洼地，本文利用ArcGIS水文分析模块，通过分析水源地地形特征，提取水源地集水区域，以最邻近河流的集水区域边界作为地形边界。相比以分水岭作为地形边界，该方法将大大减小保护区范围，同时可以对河流周边环境污染风险进行有效管控。因此，本文将急响应时间法应用于二级保护区水域范围划分，地形边界法应用于二级保护区陆域范围划分(表4)，以确保划分范围更加科学有效。

表4 研究区二级保护区划分方案

4 基于ArcGIS的饮用水水源地子流域提取

随着精确详细的DEM数据的方便获取和ArcGIS软件的应用，ArcGIS水文分析模块凭借处理时间短、处理结果精确等特点在提取河网和提取汇水流域中得到了广泛应用，可以快速精准地提取汇水范围。流域是指具有共同出水口的地表水所流经的集水区域，是最基本的水文单元。流域边界即分水岭，是将2个不同流域分隔的地理边界[14]。ArcGIS水文分析就是从DEM数据中提取地形要素特征从而生成流域范围和河网分布情况[15]。本研究基于ArcGIS水文分析模块，提取子流域范围，开展二级陆域保护区划分。具体过程主要为无洼地DEM计算、水流方向确认、累积量计算、提取河流网络、提取子流域[16]。

4.1 无洼地DEM计算

洼地是指栅格单元被周围其他较高高程的栅格单元环绕，形成一个内排水范围[17]。虽然有些地方是真实的洼地，但绝大部分的洼地是由生成DEM时，计算错误所导致的。因此，在水文分析之前，必须去除这些洼地。无洼地DEM计算最常用的方法是将像元值加高到周围最像元值[18]。利用FillSinks功能获得研究区无洼地DEM计算结果。

4.2 水流方向确认

栅格单元的水流指向是指水流流经次此网格时的方向[19]。水流方向决定了径流路径，之后进行的河网和汇水区域的提取，都是以此为基础的[15]。流向确认中，ArcGIS使用的方法是八方向法，通过将中心栅格的8个邻域栅格编码，中心栅格的水流方向便可由其中的某一值来确定，即通过计算中央栅格与邻域栅格的最大间距权落差来确定[20]。间距权落差是指中央栅格与邻域栅格的海拔差除以两栅格之间的间距，栅格间的间距与方向有关[21]。利用Flow Direction功能获得水流方向的结果。

4.3 累积量计算

汇流累积量是基于流水方向数据计算获得的[15]。流量累计栅格对每个像元列出经过它的像元数[19]。汇流累积量的基本思想是：以规则格网表现的DEM模型每点处有一个单位的水量，按照自然水流从相对海拔高处流往相对海拔低处的自然规律，根据地区地形的流向数据获取每点处流经的水量数值，便获取了该区域的汇流累积量[17]。利用Flow Accumulation功能获得累积量的结果。

4.4 提取河流网络

给定临界累积阈值，流量累积栅格可导出河网[21]。首先，在无洼地DEM上计算水流方向，然后计算汇流累积量。给定一个集水面积阈值，凡是超过该阈值的网格均列为河网内网格，将这些网格拼接起来，就汇集成了流域河网。选用不同阈值会得到不同河网，具有很大不确定性[15]。利用地图代数来进行河网提取，得到阈值10000的河流网络。

4.5 提取子流域

集水区域是指流经其中的河流从一个共同的出水口排泄从而形成的一个汇集的排水范围。流域间的分界线即为分水岭[16]。分水线闭合圈出的区域称为一条水系的流域。集水流域的计算思路如下：先确定排泄点，即该集水区的相对高程最低点，综合水流方向，分析寻找该排泄点上游所有流经该出水口的网格，一直搜索到流域的边界，也就是搜索到分水岭的位置为止[19]。利用Watershed功能得到子流域的结果。根据以上河流网络，运用ArcGIS水文分析模块，进一步获得该市集水区域划分图。

5 研究区饮用水水源地保护区划分

5.1 研究区水源地一级保护区划分结果

5.1.1 A水厂水源地一级保护区划分

一级保护区水域范围：A水厂取水口上游1.1 km至下游150 m，长度为1.25 km，宽度为中泓线到河岸300 m。

一级保护区陆域范围：宽度为靠右侧岸边纵深50 m的河流沿岸,或有防洪堤的内侧临江陆域，长度与水域长度相等，得到具体划分结果(图1)。

5.1.2 B水厂水源地一级保护区划分

一级保护区水域范围：B水厂取水口上游1.1 km至下游110 m，长度为1.21 km。宽度为左侧岸边到河面300 m。

一级保护区陆域范围：宽度为靠左侧岸边纵深50 m的河流沿岸, 或有防洪堤的内侧临江陆域，长度与水域相等，得到具体划分结果(图2)。

图1 A水厂水源地一级保护区范围

图2 B水厂水源地一级保护区范围

5.1.3 C水厂水源地一级保护区划分

一级保护区水域范围：C水厂取水口上游1.1 km至下游140 m。长度为2.24 km，宽度为右侧岸边到河面350 m。

一级保护区陆域范围：靠右侧岸边纵深50 m的河流沿岸，或有防洪堤的内侧临江陆域，长度与水域相等，得到具体划分结果(图3)。

图3 C水厂水源地一级保护区范围

5.1.4 D水厂水源地一级保护区划分

一级保护区水域范围：D水厂取水口上游1.1 km至下游130 m。长度为1.23 km，宽度为右侧岸边到河面350 m。

一级保护区陆域范围：靠右侧岸边纵深50 m的河流沿岸，或有防洪堤的内侧临江陆域，长度与水域相等，得到具体划分结果(图4)。

图4 D水厂水源地一级保护区范围

5.2 研究区水源地二级保护区划分结果

由于4个水厂分布较为集中，且位于同一条河流上下游，每个水源地的二级保护区上下游都有重叠。为了使地形边界法表现得更加直观，以及更能体现整体流域保护思想，因此将二级保护区划分采用整体划分的方法。

二级保护区水域范围为：A水厂上游16.9 km至D水厂下游0.3 km，除一级保护区水域范围，全长17.2 km的整个河段。

二级保护区陆域划分方法采用地形边界法，其长度为二级保护区长度，其陆域范围为与二级保护区水域最邻近的集水区域的范围，得到具体划分结果(图5)。

对该市A、B、C、D 4个水源地一级保护区和二级保护区划分结果进行整理和总结，计算出划分参数及各保护区水域陆域面积(表5)。

6 结论

研究区城市水源地保护工作水平位于全国前列，基础数据规范、全面，因此本文以该市饮用水水源地为例，围绕河流型水源地保护区划分展开探讨，依据《饮用水水源保护区划分技术规范》(HJ-338-2018)等国家标准，探求有效落实水源地保护区“风险防控”理念的技术方法。研究结果主要有以下3点：一是将类比经验法应用于一级保护区水域陆域范围划分；二是将急响应时间法应用于二级保护区水域范围划分，并确定了48 h应急响应时间；三是利用ArcGIS水文分析模块提取集水区域，将地形边界法应用于二级保护区陆域范围划分。

图5 研究区饮用水水源地二级保护区范围

表5 研究区饮用水水源地保护区划分情况

本文与前人相关研究[4,6,7,11]的结论一致，认为河流型水源地保护区划分依旧采用分级划分的方法，使得保护区管理更有层次性。与前人研究不同的是本文的水源地划分思想立足于“风险防控”理念，将应急响应时间法和地形边界法首次应用到研究区水源地保护区划分中，并参照国内外相关研究，确定了应急响应时间；将ArcGIS水文分析模块应用于确定地形边界，科学划分了集水范围，同时有效减少了保护区面积。本研究将风险防控理念落实于水源地保护区划分，为我国各城市开展集中式饮用水水源地保护区划分提供思路与方法借鉴。同时，本文也存在一定不足：第一，由于难以获取城市规划方面的数据，本文在水源地保护区划分中忽略了该市整体土地规划方案要求，水源地保护区划分结果可能与城市土地规划方案相冲突。第二，本文缺乏对已规划好的水源地保护区进行环境评价，对水源地保护区污染防治工作没有提出建设性意见。今后，亟需对水源地保护区划分作进一步系统性的研究和探讨。