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供水安全保障是涉及千家万户的重大任务，也是各级政府的重要责任。近年来，由于社会经济的快速发展，部分饮用水源地受到污染，水质不达标，威胁供水安全。为保障饮用水安全，2018年生态环境部出台了《饮用水水源保护区划分技术规范》（HJ 338—2018）（以下简称《规范》），进一步规范水源地的管理，尤其是对保护区划分技术方法进行了规定。现有饮用水水源保护区是根据《规范》提供的类比经验法进行划分，《规范》中规定“小型水库和单一供水功能的湖泊、水库应将多年平均水位对应的高程线以下的全部水域划为一级保护区”，如邬容伟等[1]通过类比经验法划定大型水库——老营盘水库的一级保护区、二级保护区、准保护区，并通过环境容量计算探究水质达标性和污染防治措施；王子林等[2]采用类比经验法对王庆坨水库饮用水水源保护区划分，并对该保护区的规范化整治提出建议，为天津市饮用水安全保障提供技术支持。但是类比经验法划分保护区时仅仅根据湖泊水库的类型和容量进行笼统划分，而忽略了湖泊、水库的水动力情况和水环境变化情况。数值模拟方法的发展与应用，使得对湖泊、水库的水动力过程和水环境变化的研究逐步深入，已经成为开展水源地水质分析预测的重要技术手段，能更好地对污染物的分布、迁移规律进行模拟分析。任华堂等[3]利用EFDC模型模拟了深圳湾在潮周期内水环境指标的时空分布规律，提出了复杂流动情况下利用示踪剂长期变化趋势估算水力停留时间的方法；孙凯迪等[4]建立汾河水库二维水动力-水质耦合模型，研究不同情境下污染物的扩散情况和浓度分布规律，建立汾河水库突发污染事故应急预估表；郑婷婷等[5]建立汾河水库水动力及水质数值模型，分析了不同进水浓度下COD和TN的迁移扩散情况，为汾河水库的水质安全提供保护依据。
本文针对白石水库饮用水水源保护区建立数值模型，研究水库及其主要支流的水动力过程和水环境变化规律，探究《规范》提供的类比经验法对白石水库取水口水质保障程度与合理性，确保供水安全与社会经济协调可持续发展。
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白石水库位于辽宁省北票市大凌河干流上，是一座以供水为主的大型水利工程，水库面积为80 km2，流域面积为17 649 km2，承担着阜新市的饮用水供应任务，关系到近186万人的饮用水安全。根据《规范》要求，拟将116 m水位对应的高程线以下全部水域划为一级保护区。通过EFDC数值模型，模拟白石水库的水动力与水环境过程，探究类比经验法对取水口水质保障程度与合理性，为白石水库保障水质安全提供科学依据。
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EFDC模型是由Hamrick根据多个数学模型研制开发的三维水动力-水质综合模型，并得到美国环保总署的资助与推荐，广泛应用于河流[6]、湖泊水库[7]、河口海湾[8]以及湿地系统等多种类型的地表水体水动力-水质模拟研究。该模型具有水动力模块，水环境模块、底泥迁移模块、毒性物质模块、风浪模块以及底质成岩模块等6个模块。EFDC模型是一个多参数有限差分模型，常常采用Boussinesq假定和静水假定。在水平方向上采用正交坐标变换，在垂直方向上采用σ坐标变换[9]。在水动力学计算方面，EFDC模型中动力学方程采用有限差分法求解，水平方向采用交错网格离散，时间积分采用二阶精度的有限差分法以及内外模式分裂技术计算。外模采用半隐式格式计算，利用预处理共轭梯度法求解二维水位场；其中垂向扩散项采用隐式格式计算，其他物理过程的求解采用显式格式[10]。
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根据白石水库水域特点，将3条入库河流分别上溯10 km，采用曲线正交网格进行贴体划分，水库库区平面共划分为1 401个网格，沿河道方向网格间距62.00~290.69 m，平均间距198.50 m；沿垂直于河道方向网格间距12.37~315.82 m，平均间距200.48 m。根据白石水库水位-库容关系曲线和白石水库断面测量数据，通过插值分析计算得到水库的库底高程（图1）。
图 1 白石水库底部高程示意
Figure 1. Map of bottom elevation of Baishi Reservoir
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考虑到不同年份上游来流流量对污染物的迁移扩散过程影响不一，根据大凌河、牤牛河、凉水河2007—2016年10年间流量大小设计丰、平、枯3种典型年条件。由于多年平均径流量为3.12×108 m³，因而确定最接近平均径流量的2016年为平水年；将10年中径流量最小的2010年定为枯水年；径流量最大的年份为2012年，但2012年为50年一遇洪水年，不具有典型性，因而将径流量次大的2013年定为丰水年。
氨氮和总磷是影响水库富营养化的重要营养元素，且监测资料较为齐全，因而本文选取氨氮和总磷作为模拟污染物。白石水库的3条入库河流的入库污染物浓度多年保持在Ⅲ类水标准以下，因而将Ⅲ类水水质浓度作为污染物边界条件进行模拟分析，为污染物留出一定的环境容量，其中氨氮设计浓度为1.0 mg/L，总磷设计浓度为0.05 mg/L。通过类比同时期辽宁地区其他水库的降解速率确定白石水库的氨氮降解系数为0.003 /d，总磷为0.005/d。模型采用固定时间步长的求解算法，时间步长为5 s，在求解过程中设置干湿网格交替的控制水深为0.05 m，最小水深为0.001 m[11]，底部糙率为0.01。
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在现有资料条件下，选取水位-库容曲线以及丰、平、枯3种典型年的水位对应曲线作为验证指标，结果见图2。
图 2 3种典型年条件下水位验证
Figure 2. Verification of water levels under three hydrodynamic conditions
在水环境模拟中存在一些状态变量可能会有非常大的平均值，从而造成相对误差很小，得到模型模拟非常精确的假象。为了克服这一缺点，在水动力和水质模型中，采用相对均方根误差（RRE）和纳什系数（CNSE）作为评价指标。
$$ {R_{{\rm RE}}} =\dfrac{\sqrt {{ \dfrac{1}{n}\mathop \sum \nolimits_{\rm t}} {({C_{\rm t}} - {M_{\rm t}})^2}}} {{M_{\rm max}} - {M_{\rm min}}} $$ 式中：Ct，Mt为指标的模拟值和监测值；Mmax，Mmin作为指标监测值的最大和最小值，RRE在模拟河流、湖泊及河口海湾地区时是一个很有用的评价指标，得到诸多学者的采用[8, 12-13]。
由表1可见，对于丰、平、枯3种典型年，白石水库的水位及库容模拟结果误差均在可接受的范围内，验证了本模型的可靠性。
表 1 白石水库水位、库容验证评价指标统计
Table 1. Evaluation index statistics of water level verification and storage capacity verification
评价指标 水位验证 库容验证 氨氮验证 丰水年 平水年 枯水年 RRE 0.093 0 0.034 4 0.081 0 0.012 5 0.337 8 CNSE 0.877 3 0.988 1 0.930 9 0.989 6 0.045 1 -
水库的污染负荷及停留时间是水库富营养化的重要影响因素。本文采用水龄来描述湖库水体的交换强度或交换过程，研究丰、平、枯3种典型年水动力条件下水库水龄变化对水动力和生化特征的影响。
通过对水龄的数值模拟分析得出，在丰、平、枯3种典型年条件下，库首段水龄>库中段水龄>库尾段水龄>入库河流段水龄。水龄越长，物质输移能力越弱，库首段的水龄较长，丰水年平均水龄为304.4 d，平水年为656.4 d，枯水年为673.2 d，水力交换时间长，一旦水质发生污染，对库首段的影响时间较长（见图3）。
图 3 3种典型年条件下水龄空间变化
Figure 3. Spatial variation of water age under three hydrodynamic conditions
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氨氮和总磷对白石水库水质影响较大，且其监测资料较为齐全，对于水环境模拟过程，本文选取氨氮和总磷作为模拟污染物。在不同典型年边界条件下，白石水库主要水环境指标变化（氨氮、总磷）模拟结果如图4所示。
图 4 3种典型年条件下氨氮、总磷浓度分布
Figure 4. Ammonia nitrogen and total phosphorus concentration distribution under three hydrodynamic conditions
由图4可以看出，在不同的典型年情景以及不同入库污染物浓度下，库尾段污染物浓度均大于库首段污染物浓度，且受水动力过程的影响。在丰水年条件下，水库的入库出库流量大，水力停留时间短，降解时间少，且对污染物的输移能力强，大量污染物随入库河流涌入水库，污染物降解不完全，导致丰水年夏季即入库河流流量较大的时期，水库水质整体较差，使氨氮的浓度直至坝前仍未衰减到Ⅱ类水水质标准以下，而总磷衰减到Ⅱ类水水质标准时距坝前最近距离为2 632 m。在平水年条件下，水库的入库出库水量都略小于丰水年，氨氮衰减到达标时，距离坝前的最短距离为1 887 m，总磷为3 150 m，风险较丰水年次之。在枯水年条件下，水库入库出库流量相对较小，水力停留时间长，整体水龄也相应增加，入库河流进入水库的污染物在水库中的停留时间长，降解时间长，其氨氮衰减到达标距坝前最短距离为3 464 m，总磷为4 944 m，风险最小。丰水年、平水年、枯水年的氨氮衰减达标距坝前最近距离分别为0，1 887和3 464 m，总磷衰减达标距坝前最近距离分别为2 632，3 150和4 944 m。
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基于以上情况进行模拟，丰、平、枯3种典型年条件下，仅丰水年氨氮在取水口处超标，超标情况见图5，取水口处氨氮最高浓度为0.58 mg/L，超标16%，超标天数为56 d，原因是2012年为白石水库50年一遇洪水年，年径流量大，达863.13×106 m³，是平水年的2.95倍，水库中水流流速快，水龄短，使库中的氨氮来不及消解便到取水口附近，一直持续到2013年年初取水口处水质才达标。2013年汛期氨氮浓度略有升高，但未超过Ⅱ类水浓度标准，表示正常丰水年氨氮随着水流可以消解达标。
图 5 3种典型年取水口处氨氮、总磷浓度
Figure 5. Ammonia nitrogen and total phosphorus concentration at water intake under three hydrodynamic conditions
将116 m水位对应高程线以下全部水域划分为一级水域保护区，是对取水口水质保障的最大水域保护区范围，最大程度减少水库沿岸的村落、农田等对水库造成的污染。但在50年一遇洪水年仍有水质超标风险。为提高洪水年取水口水质达标率，应对上游入库河流水质进行重点监控，降低河流入库污染物浓度，使其在入库口处污染物浓度尽量达到二类水水质要求，尤其是径流量较大的汛期。
针对白石水库模拟结果，采用《规范》中类比经验法划定一级水域保护区是合理的。由模拟结果可知，在遭遇50年一遇洪水年时，水库水质虽然存在不达标风险，但在正常丰水年、平水年、枯水年条件下，取水口处水质仍能保持达标状态。饮用水水源保护区划分不仅涉及水资源保护，还与当地的社会经济发展息息相关。现阶段，将多年平均水位对应高程线以下全部水域划分为一级水域保护区，是权衡水资源保护与经济社会发展后，所能实现的最大保护区。
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作为辽西北调水中转站，白石水库饮用水水源地保护区划分工作具有重要意义，为了研究白石水库的水动力和水质特征，本文对其在丰、平、枯3种典型年情境下进行模拟计算，建立平面二维水动力及水质模型，探究白石水库饮用水水源保护区划分的合理性。
（1）通过对库区水动力进行模拟，白石水库的水龄较长，其中，丰水年坝前平均水龄为304.4 d，平水年为656.4 d，枯水年为673.2 d。水力交换周期长，一旦发生污染事故，对阜新市的生产生活影响较大。在划定保护区之后，应对水龄时间较长水域的水质进行重点监控，减少或阻断岸边污染物进入河流。
（2）氨氮在丰、平、枯3种典型年条件下，衰减至Ⅱ类水质标准界限到坝前最短距离分别为0，1 887和3 464 m；总磷为2 632，3 150和4 944 m。丰水年、平水年、枯水年的水动力条件下，氨氮都降解达标，总磷浓度在丰、平、枯3种典型年也都衰减达标，水质保证率较高。
（3）根据《规范》中规定采用类比经验法，将116 m水位对应高程线以下全部水域划为一级保护区。在模拟污染物结果中，除洪水年取水口处氨氮超标外，其他模拟情况均达标，而白石水库监测数据显示，2012年是白石水库50年一遇洪水年，该情况并不常见，所造成的水质超标在可接受范围内，白石水库饮用水水源保护区划分合理。
白石水库饮用水水源保护区划分合理性研究
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Rationality evaluation of the delineation of drinking water source protection areas in the Baishi Reservoir
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摘要: 饮用水水源地水环境安全事关人民生命健康，是生态环保工作的重中之重。饮用水水源地保护区划分以类比经验法为主，无法反映保护区内水质指标的时空分布及达标情况。利用EFDC建立白石水库垂向平均的二维模型，模拟其水动力和水环境变化过程，对水库水龄、污染物迁移衰减规律进行分析，评价类比经验法划定的饮用水水源保护区的合理性。通过验证水位库容曲线，丰、平、枯3种典型年水位对应曲线的相对均方根误差均小于0.1，纳什系数均大于0.85，水质模拟曲线模拟趋势与实测数据一致，模型可靠。研究发现，在丰、平、枯3种典型年条件下坝前平均水龄分别为304.4，656.4和673.2 d，水库水力交换周期长；在丰、平、枯3种水动力条件及设计污染物边界条件下模拟污染物衰减过程，结果表明除丰水年取水口处氨氮超标外，其余条件下取水口水质均可达标；以116 m水位（库首）对应高程线以下全部水域为一级保护区的划分范围可以满足取水口水质要求，验证了上述策略在保护区划分上的合理性。Abstract: The safety of the water environment in drinking water source areas is of vital importance to the lives and health of people, and is the top priority of ecological protection work. Delineations of drinking water source areas are mainly based on the analogue-empirical method, which cannot reflect the spatial and temporal distributions, or the compliance of water quality indicators in protection areas. In the study, the Environmental Fluid Dynamics Code (EFDC) was used to establish a two-dimensional vertical average model of the Baishi Reservoir. Its hydrodynamic and water environment change processes were simulated. The water age, eutrophication, and law of pollutant migration and attenuation were then analyzed to evaluate the rationality of the drinking water source protection areas as delineated by the analogue-empirical method. Through the verification of water level and storage capacity curves, and the verification of three typical annual water-level corresponding curves, RRE < 0.1 and CNSE > 0.85 . The simulation trend of the water quality simulation curve is consistent with the measured data, and the model is reliable. It is found that the average water ages in front of the dam are 304.4 d, 656.4 d, and 673.2 d, under the three typical annual conditions of high flow year, median flow year, and low flow year, respectively. The reservoir has long hydraulic exchange periods and is prone to eutrophication. The attenuation process of pollutants is simulated under the above three hydrodynamic conditions and the boundary conditions of the designed pollutants. The results demonstrate that the water quality of the water inlet is generally up to the standard, although the ammonia nitrogen in the high flow year exceeds the standard in the water inlet. The simulation results also show that the delineations of all water areas below the 116 m water level as the first-grade protection areas can meet the water quality requirements of the water intake. The delineation of drinking water source protection areas is therefore reasonable.
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图 2 3种典型年条件下水位验证
Figure 2. Verification of water levels under three hydrodynamic conditions
图 3 3种典型年条件下水龄空间变化
Figure 3. Spatial variation of water age under three hydrodynamic conditions
图 4 3种典型年条件下氨氮、总磷浓度分布
Figure 4. Ammonia nitrogen and total phosphorus concentration distribution under three hydrodynamic conditions
图 5 3种典型年取水口处氨氮、总磷浓度
Figure 5. Ammonia nitrogen and total phosphorus concentration at water intake under three hydrodynamic conditions
表 1 白石水库水位、库容验证评价指标统计
Table 1. Evaluation index statistics of water level verification and storage capacity verification
评价指标 水位验证 库容验证 氨氮验证 丰水年 平水年 枯水年 RRE 0.093 0 0.034 4 0.081 0 0.012 5 0.337 8 CNSE 0.877 3 0.988 1 0.930 9 0.989 6 0.045 1 
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作者简介: 程 然（1993—），女，山东德州人，硕士研究生，主要从事水环境数值模拟研究。E-mail：chengran0703@126.com.
通讯作者: 夏建新（E-mail：jxxia@vip.sina.com）
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图(5) / 表(1)
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