（环境科学专业论文）黄土高原地区河流型水源地保护区的划分研究(1).pdf

太原理工火学硕十研究生学位论文 的环境水质标准，运用最小费用法，构建了河流型水源地保护区划分 的最优化模型。通过模型求解来寻求保护区的距离和河流中典型污染 物浓度的最佳关系。 本文的主要结论有： 1 本文抓住了典型河流的水文特征，水质状况、河流污染物的 污染方式、污染途径与污染特征，建立了典型河流污染物模拟方程。 并以此方程建立了河流水源地保护区的划分模型。这一模型体现了典 型河流的划分特征，体现了划分方法的科学性与合理性。 2 通过建立水源地保护区划分模型，为典型河流的水源地提供了 科学的划分方法，与传统的划分方法相比，具有很强的可操作性。为 合理而有效的划分边界提供了可行的依据。 3 水源地保护区划分的最优化模型，不仅寻求了满足条件的划分 距离，而且可以得到最佳的污染物排放浓度。本模型在保护环境和发 展经济两个方面，均体现出了较好的优越性。 4 本文从河流的水质特点及污染物的迁移扩散规律入手，并结合 环境经济学的相关理论，使得水文学、经济学、环境科学得到了综合 应用，得出的河流型水源地保护区的划分模型，不仅仅具有夯实的理 论基础，而且易于操作、便于管理，具有很好的实际操作性。 太原理工大学硕士研究生学位论文 关键词：黄土高原地区，河流型水源地，保护区划分，弥散方程t 最优化模型 i j i s t u d yo n d e l i n e a t i o nr i v e rw e l l h e a d p r o t e c t i o nz o n eo nt h el o e s s a l t i p l a n o a b s t r a c t t h er e l a t i o no fd r i n k i n gw a t e rw e l l h e a da n dm a n k i n d sd a i l yl i f ea r e q u i t ec l o s e ，b u i l d i n gu pd r i n k i n gw a t e rw e l l h e a dp r o t e c t i o nz o n ei sak e y m e a s u r et h a tp r o t e c t st h ed r i n k i n gw a t e rw e l l h e a d ，a l s oi s at h em o s t s t r o n gm e t h o dt op r o t e c tt h ew a t e rw e l l h e a db e c a u s eo fo u rc o u n t r y c o m p a r e dw i t hd e v e l o p e dc o u n t r yi sl a t ei nb u i l d i n gu pd r i n k i n gw a t e r w e l l h e a dp r o t e c t i o nz o n e ，p a r t so fl a w sd i dt h e p r i n c i p l et o r u l et ot h e d e l i n e a t i o no ft h e d r i n k i n g w a t e rw e l l h e a d p r o t e c t i o n z o n e o n l y d e l i n e a t i n g t h em e t h o d s e v e r y w h e r ed i f f e r e n t ，h a v i n g n oe s t a b l i s h u n i r y i n go fd e l i n e a t i n gc r i t e r i a s u c hl a wa n do r d e rn o to n l yc a r r yo u tt h e w i t h o u tb a s i s ，a n db u ta l s ol e a v em a n yp r o b l e m sf o rd e l i n e a t i o nt h e w e l l h e a dp r o t e c t i o nz o n e i nr e c e n ty e a r s ，t h ef a s t d e v e l o p m e n to ft h e i n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e ，w a t e ra m o u n to fr e s o u r c e si nt h ey e l l o wr i v e r r e d u c e sf a s t ，t h ew a t e rq u a l i t yi s c o n t i n u o u s l yw o r s e n ，p r o t e c t i o no f i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 r i v e rw e l l h e a dz o n eh a sv e r yi m p o r t a n tm o a n i n gt ot h er i v e rd o w n s t r e a m ， a n de a c hs u p p l y i n gw a t e ra r e a t h i sp a p e r a n a l y z e s d e l i n e a t i o n p r e s e n t c o n d i t i o no fw e l l h e a d p r o t e c t i o n ，h y d r o l o g yc h a r a c t e r i s t i c ，p o l l u t i o nc i r c u m s t a n c e ，p o l l u t a n t r e s o u r c e sd i s t r i b u t i o ni nt y p i c a lr i v e ro nt h el o e s sa l t i p l a n or e g i o na n d t h ep o l l u t i o nm e t h o d ，t h ep o l l u t a n tp a t ho ft h em a i np o l l u t a n te t c s e v e r a l a s p e c ti nt h et y p i c a lr i v e r d i v i d i n gr i v e ri n t ow i t hb r a n c ha n dw i t h o u t b r a n c h ，m a k i n gu s eo fr i v e rp o l l u t a n tl e n g t h w a y sd i f f u s s i o ne q u a t i o n ， w r i t e ra n a l y z e sc i r c u m s t a n c eo ft h em a i np o l l u t a n ti nt h er i v e r ，a n d s i m u l a t e st h em a i np o l l u t a n ti nt h et y p i c a lr i v e r u s i n gc o s t e f f e c t n e s s a n a l y s i sw i t h i nt h ee n v i r o n m e n te c o n o m i c s ，c o n s i d e rt h ed i s t a n c ew i t h t h er e l a t i o no ft h ew h o l ee n v i r o n m e n tp r i c eo fd i s t r i c t ，a n dr e l a t i o no ft h e m a i np o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o ni nt h er i v e ra n dt h ep o l l u t a n td i s p o s i n g e x p e n s e s ，t h e nd e s i g n a t i n ge n v i r o n m e n tw a t e rq u a l i t y s t a n d a r d ，m a k e s u s eo ft h em i n i m u me x p e n s e sm e t h o d ，s e t su pt h er i v e rw e l l h e a d p r o t e c t i o nz o n eo p t i m i z a t i o nm o d e l ，u s i n gt h i sm o d e l ，w e c a l c u l a t e st ot h e b e s tr e l a t i o nb e t w e e nt h er i v e rw e l l h e a dp r o t e c t i o nz o n ed i s t a n c ea n dt h e p o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n t h ec o n c l u s i o n si nt h ep a p e rh a v e 1 t h i s p a p e r c a t c h e st h eh y d r o l o g y c h a r a c t e r i s t i c ，p o l l u t i o n c i r c u m s t a n c e ，p o l l u t a n tr e s o u r c e sd i s t r i b u t i o ni nt y p i c a lr i v e ro nt h el o e s s v 太原理工大学硕士研究生学位论文 a l t i p l a n or e g i o na n dt h ep o l l u t i o nm e t h o d ，t h ep o l l u t a n tp a t ho ft h em a i n p o l l u t a n ti nt h et y p i c a lr i v e r ，e s t a b l i s hs i m u l a t i o ne q u a t i o no fp o l l u t a n ti n t h et y p i c a lr i v e ra n ds e tu pr i v e rw e l l h e a dp r o t e c t i o nz o n ed e l i n e a t i o n o p t i m i z a t i o nm o d e l ，t h i sm o d e le m b o d i e sd e l i n e a t i o nc h a r a c t e r i s t i co f t h e t y p i c a lr i v e r ，s c i e n c ea n dr a t i o n a l i t yi nd e l i n e a t i o nm e t h o d 2 a c c o r d i n gt ob u i l d i n gu pr i v e rw e l l h e a dp r o t e c t i o nz o n ed e l i n e a t i o n o p t i m i z a t i o nm o d e l ，p r o v i d i n gd e l i n e a t i o nm e t h o d ，c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a ld e l i n e a t i o nm e t h o d ，h a v et h ev e r ys t r o n gm a n e u v e r a b i l i t y t h e m o d e lp r o v i d e sv i a b l eg i s tf o rr e a s o n a b l ea n dv a l i dd e l i n e a t i o nm e t h o d 3 t h er i v e rw e l l h e a dp r o t e c t i o nz o n ed e l i n e a t i o no p t i m i z a t i o nm o d e l n o to n l yl o o k e sf o rt od e m a r c a t i o nd i s t a n c et h a ts a t i s f i e st h ec o n d i t i o n ，b u t a l s oc a ng e tt h eb e s tp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o n ，s ot h i sm o d e l ，i nt h e e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n dd e v e l o p i n ge c o n o m i ct w oa s p e c t s ，e m b o d i e s b e r e rs u p e r i o r i t y 4 t h ep a p e rc o m m e n c e sf r o mh y d r o l o g yc h a r a c t e r i s t i ca n dp o l l u t a n t t r a n s f e rd i f f u s i o nr e g u l a t i o n ，c o m b i n i n g r e l a t e dt h e o r i e s o ft h e e n v i r o n m e n te c o n o m i c sa l s o ，t h ep a p e rm a k e st h eh y d r o l o g y , e c o n o m i c s ， e n v i r o n m e n t a ls c i e n c ec o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o n ，g e tt h e r i v e rw e l l h e a d p r o t e c t i o nz o n ed e l i n e a t i o no p t i m i z a t i o nm o d e l n o to n l yh a v e t h es o l i d t h e o r i e sf o u n d a t i o nb u ta l s ob ee a s y t ot h eo p e r a t i o n ，e a s yt om a n a g e m e n t h a v et h eg o o da c t u a lo p e r a b i l i t y v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 k e yw o r d s ：r i v e rw e l l h e a d ，l o e s s a l t i p l a n o ，p r o t e c t i o n z o n e d e l i n e a t i o n ，d i f u s s i o ne q u a t i o n ，o p t i m i z a t i o nm o d e l v i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 符号说明 c 污染物浓度( m g l ) 卜时间( t ) u = ( u ，v ，) 速度矢量( m s ) e = ( t ，e y ，巨) 弥散系数( m s ) | j 污染物衰减速度常数 v 反应器的容积( m 3 ) c 旷一输入介质中的污染物浓度 ( m g l ) c 输出介质中的污染物浓度，即反应器的污染物浓度( m g l ) q 一流入流出反应器的物质流量( m 。s ) s 污染物的源与汇 三垂向和横向都达到均匀混合时水流流动的纵向距离( m ) 良河流平均宽度( m ) e7 二一水流纵向平均流速( m s ) g 一重力加速度( m s 2 ) i 河流水力坡降 在x 处河水的b o d 浓度( m g l ) k x = 0 处河水的b o d 浓度( m g l ) d 在x 处河水的溶解氧的浓度( m g l ) q x = 0 处河水的溶解氧的浓度( m g l ) d 在x 处河水的溶解氧亏的浓度( m g l ) d 0 x = 0 处河水的溶解氧亏的浓度( m g l ) x 离排污口( x = 0 ) 的河水流动距离( r a ) u 河水的平均流速( m s ) v i i i ! 塑垄三盔兰堕圭! 窒生兰垡笙窭 毛b o d 的衰减系数( 1 s ) 屯河水复氧系数( 1 s ) d 、河水在某温度时的饱和溶解氧浓度( m g l ) 4 有机氮浓度，( m g n f l l ) o - 一藻类植物中的有机氮含量，( m g n m g a ) p 一藻类呼吸速率系数，( d “) a 一藻类浓度，( m g a l ) 吼一有机氮沉降速率系数，( d “) m 一氨氮浓度，( m g n l ) 届一氨氮氧化速率系数，( 一) 屈一有机氮水解速率系数，( d 1 ) 吧一底泥释放氨氮速率，( m g n m 2 d a y ) d 河流平均深度，( m ) “一藻类生长速度，( d 1 ) f 一藻类含氮中吸收自氨氮的部分 2 一亚硝酸盐浓度，( m g n l ) 岛硝酸盐氧化速率系数，( 一) m 一硝酸赫浓度，( m g n l ) c 0 河道中主干流中的污染物浓度( m g l ) c o 经过x 。距离后主干流中污染物浓度( m g l ) c 1 支流1 中的污染物浓度( m g l ) q l 支流i 中的河水的流量( l s 2 - ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 c l c l 与c 。在支流1 处混合后的浓度( m g l l ) c i c l 经过x 距离后主干流中污染物浓度( r a g l ) c 2 支流2 中的污染物浓度( m g l ) q 支流1 中的河水的流量( l s - - ) 巳c i 与c 2 在支流l 处混合后的浓度( m g l ) c 2 q 经过x 2 距离后主干流中污染物浓度( m g l ) 氐总氮的浓度 日总的环境费用( 元) ，废气、废水的治理费用( 元) y 区域内生产生活给环境带来污染和损害的经济估值( 元) z 区域内环境管理的行政费用( 元) x 声明 y9 7 9 3 8 4 d 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法德责任由本人承担。 论文作者签名： 兰譬塑日期：2 婴：! 理 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 墨壁塾 日期： 塑：堇! 监 导师签名：日期：塑堕：垒：12 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 城市集中供水水源地及水源保护情况 1 1 1 我国集中式生活饮用水源地保护区概述 水资源被看作人类生存和国家经济建设的生命线。随着全球性危机的加剧，水资 源短缺己成为世界各国关注的焦点问题之一，其中水环境污染的问题更是受到各国政 府的高度重视。而在各类水体的污染中，饮用水水源地所遭受到的威胁尤为严重，也 因此越来越多的引起社会公众和各国政府的广泛关注。 饮用水水源保护区( 以下简称水源保护区) 般是指以集中供水耿水口为中心的 地理区域在水源取水口一定范围内的水域和陆域划定的保护区域，分为一级保护区， 二级保护区和准保护区。由于饮用水水源保护直接关系到人们生命健康，中华人民 共和国水法( 2 0 0 2 ) 、中华人民共和国水污染防治法( 1 9 9 6 ) 及其实施细则( 2 0 0 0 ) 、 城市供水条例( 1 9 9 4 ) 、关于加强城市供水节水和水污染防治工作的通知和饮 用水水源保护区污染防治管理规定( 1 9 8 9 ) 等都有水源保护区的规定，同时大部分省、 市都制定了关于水源保护区的地方法规、规章。 任何个水源地保护区都包括二至三个分级保护区。因为所涉及的陆域面积很 大，流域面积很长，而且多数保护区处在热闹的市中，心之外，这就导致在保护水源地 的过程中不可避免的出现监管不到位的现象。 就在几个月以前，黑龙江省松花江河段发生了重大水污染事件，2 0 0 5 年1 1 月1 3 日，中国石油吉林石化公司双苯厂发生爆炸，事故发生后，监测发现苯类污染物流入 松花江，造成水质污染。苯类污染物是对人体健康有危害的有机物。为确保哈尔滨市 生产、生活用水安全，于1 1 月2 3 日2 3 时起，关闭松花江哈尔滨段取水口，停止市 政供水管网向市区供水。四天之后，哈尔滨市的水厂才恢复供水。这一事件给当地生 产、生活造成诸多不便之外，对松花江水体产生的潜在影响和危害都是难以估量的。 因此保护饮用水源、维护饮水安全是关系国计民生的一件大事。对饮用水水源地丌展 太原理工大学硕士研究生学位论文 深入的研究t 采取科学合理的措施实施饮用水水源地的保护、合理而有效的划分保护 区范围是一项行之有效的保护方法，也是政府和每一个环境工作者迫在眉睫、刻不容 缓的艰巨任务。 1 1 2 国外水源地保护区划分研究现状 水源保护区设置仍然是当前应用得较多的一种地表水源规划管理技术。以德国为 例，德国针对不同类型水源地分别提出水源保护区的划分方案( 表1 1 ) ，但总体都 基于以下原则： 争取将取水口所在流域区全区划定为水源保护区，水源保护区至少要包括流域 区内取水口上游区：水源保护区内部划出2 到3 个分区，分级保护；分区一般呈环带 状或半环带状，以取水口为中心向外扩展。 水源保护区的面积一方面要足够大，即至少满足保护水质的基本要求：另一方 面要尽量小，即以减少保护区对当地的生产与经济发展带来的消极影响。 美国水源保护区划分思路也类似，即：在可能的情况下，将取水口上游全部集水 区域划为水源保护区，如集水区跨越数个州，则至少应划至取水e l 所在州的州界【2 1 。 “9 1 1 事件后，美国饮用水水源地及其基础设施的保护工作大大加快了步伐。美 国针对全国水源地的保护开展了大量工作，并使其中许多内容写进了反恐法，该 法规于2 0 0 2 年6 月1 2 日实施。该法共分6 个部分，其中第五部分为饮用水保障和 安全，专门对饮用水的保障和安全进行了规定，如对供水人口在3 3 0 0 人以上的供水 系统提出了5 项新的保障要求。按这一规定，美国9 0 以上的人口都在此服务区内。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 表1 1 德国水源地保护区划分方案 水源类型级别划分方案 i 级区取水口区 取水口上下游河段各一段，上一f 游河段 ：= 度均以河水日流距离为界：左 河流 i i 级区 石河岸两侧陆地宽度至少分别人y - 5 0 m 。 i i i 级区河流流域全部或部分流域 取水口区，包括：内部区i a ( 取水口区，取水管道两侧纵深l o o m 以上) ： i 级区 外部区i b ( 取水口附近湖岸带，岸宽l o o m ，岸长1 0 0 0 m 以上) 。 附近区，包括：内部区i i a ( 湖水水面剩余部分及流入河道下游水面) ： 湖泊 i i 级区 外部区l i b ( 湖岸岸宽l o o m 及流入河道f 游左右岸宽io o m 湖中岛) 远区，包括：内部区i i i a ( 接b 子区，自宽5 0 0 m 2 0 0 0 m ) ：外部区i i i b i i i 级区 湖水流域剩余部分) 。 i 级区水库水水面及库岸带纵深l o o m ( 水库水水面及j 罕岸带纵深l o o m 2 0 0 m ) 水库 i i 级区流入地表河道左右两岸，岸宽l o o m ( 流入河道水域) i i i 级区水库所在流域医剩余部分( 水库水流域剩余部分：i l i a 、i i i b ) i 级区取水口区，边界距取水口l o m 5 0 m 5 0 日流程等值线，i i 级分区外缘线至取水口距离以地f 水5 0 日流科为 地下水i i 级区 界，5 0 日流程从取水口算起 i i i 级区流域区剩余部分，一般分i l i a 、i l i b 1 1 3 国内水源地保护区划分研究现状 近年来，随着水源保护的紧迫性不断加大，水源地方面的研究工作在国内逐渐展 开，内容涉及水源地相关的各个领域。徐启新等2 0 0 3 年以纽约和上海2 个国际型大 都市为例，对中美水源地管理体系进行比较研究，指出了国内水源地环境管理的不足， 1 9 9 7 2 0 0 4 年这八年问，杨松茂、盂伟、周东风、蒋克旭、尚银生、李建新、崔建 太原理工大学硕士研究生学位论文 国、林桂兰、郑晓东、王金生等人对水源地保护策略以及水源保护区设置方法进行了 研究，并分别就河流型水源地、水库型水源地、地下水水源地等类型提出了具有针对 性的划分技术方案。 以上海为例，上海1 9 8 5 年建立黄浦江上游水源保护区，并通过了黄浦江上游 水源保护条例， 1 9 9 9 年进一步扩大“准水源保护区”，使得整个水源保护区面积达 到1 0 5 8 k m 2 ，占上海全市总面积6 3 4 0 k m z 的1 6 6 ，如此大规模的水源保护区范围是 否合理? 当前的水源保护区划分是否很好的体现了土地利用结构的圈层保护特征? 约 1 0 0 0k m 2 水源保护区以及周边的土地利用结构是否真f 与水源保护区所要求的功能 相协调? 虽然水源保护区内先后实施污染源整治、总量控制、排污许可证和排污交易 制度等一系列措施，对控制水源地工业污染源、畜禽污染源取得一定成效，但水源地 仍然面临严峻环境压力，t p 、n h 3 _ n 等指标长期处于地表水1 v 类和v 类水平， 与水源水质要求相差较远。这一现象反映了我国在水源地保护区的划分方面存在的弊 端，片面地追求保护区的面积【2 j 。并没有把保护区的真j 下意义落实。这样的做法既不 环保也不经济。 与发达国家相比，我国在水源地保护工作地管理和建设上存在着较大的差距。我 国社会和大众还没有把水源地的保护放在重要位置，这旱面既包括我们的生活习惯和 文化意识上的差距，也包括我们技术手段落后等方面的因素。尽管客观上我国许多水 源地从为农业灌溉为主转变为向城市供水为主，但是在管理上依然依靠传统的一套， 只讲“供”，少讲“护”。随着干旱的频繁发生、供水人口的不断增加、人们现代生活理 念的不断增强，同时也因为污染等各种突发危险因素发生概率的增多，保护好饮用水 水源地的责任将越来越重大。许多国家对水源地的保护是完全封闭式的，对水源地的 保护类似于国家重要基础设施比如重要的核设施、发电厂等，而我国的大多数水源地 还处于敞开式或半敞开式的状况。饮用水水源地的保护还处于初级阶段。由此看来， 我国在水源的保护方面，急需开展许多基础性的调查、研究和管理工作，而对水源地 保护区的划定就是这些基础性工作中最基本、最重要的工作之一。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 现行划定方法及存在的问题 1 2 1 现行划定方法 1 数值法 数值法在水质模拟中的应用已有近半个世纪的历史，它的程序化特点和计算机技 术的结合，在处理多层自由表面含水层系统模拟、稳定流或非稳定流模拟、化学物质 迁移及热模拟、可变密度流场模拟等多方面都显示出了无法比拟的优势。 数值模型一般由包括若干个描述研究区域中溶质运移动态规律的数学微分方程 和刻画研究区域的定解条件( 初始条件和边界条件) 的数学表达式的两个部分组成。 这个模型应该能够刻画出实际系统的数量关系和空间形式，在最大程度上具有再现系 统的功能。 根据己建立的污染物质迁移数学模型可对影响水源地水质的污染物迁移规律进 行数值模拟，具体步骤为： 确立模型的目标。这是建模的第一步，模型帮助我们解决什么样的问题，要用 模型进行预测还是识别，模型是否是解决这一问题的最佳方式。只有明确的回答了这 些问题，才能明确建模的目的，这有助于确定模型的类型和投入工作量的大小。 模型的概化。这是整个建模过程中的最基本的也是最重要的一步。在仔细分析 所研究区域的背景资料后，通过系列的假设和概化，用简洁的数学语言，即用一组 数学关系式来刻画系统的数量关系和空间形式，从而建立数值模型的类型。 模型的识别和调参。为了使建立的模型能代表实际研究区域的地下水的行为和 状态，就必须进行模型的识别和调参。依据有：模拟的河流流场要与实际的河流流 场基本一致；模拟的河流的动态过程要与实测的动态过程基本一致；从均衡的 角度出发，模拟的河水均衡变化与实际要基本相符识别的水文地质参数要符合实际 水文地质条件“。 2 经验值法 经验值法，就是以取水口水质为保护区划定与利用讵确性的判断标准，以多年实 践的实用分区界宽参数为基础的划分方法。在十几年自口，该法运用得较为普遍，但现 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 在污染种类的众多，经验值法逐渐显露出一些不足。 河流型饮用水水源地取水口所在河段上游1 0 0 0 米，下游1 0 0 米及两岸外延1 0 0 米的陆域为水源地一级保护区：一级保护区河段范围之外上游4 0 公里，向下游延伸 5 公里的水域和一、二级保护区河段沿两岸外延5 公罩的陆域为水源地二级保护区。 水库、湖泊型饮用水水源地取水口所在水域最高水位线以外1 0 0 米范围，入流河 道上溯1 0 0 0 米及两岸外延1 0 0 米范围陆域为水源地一级保护区：最高水位线向外延 伸5 公里范围，入流河道上溯1 0 公里及两岸延伸5 公早的陆域为水源地二级保护区。 1 2 2 现行划定方法存在的问题 现行的保护区的划分方法绝大多数都是依据1 9 8 9 年四部委( 卫生部、建设部、 水利部、地矿部、国家环保总局) 颁布实施的饮用水水源保护区污染防治管理规定 ( 以下简称规定) 划定的。该规定中第八条中规定：在饮用水取水口附近划定一 定的水域和陆域作为饮用水地表水源级保护区，一级保护区的水质标准不得低于国 家规定的gb3 838 88 地面水环境质量标准i i 类标准，并须符合国家规定 的ob5749 85 生活饮用水卫生标准的要求。对于二级保护区规定中 的第九条规定：在饮用水地表水源一级保护区外划定一定水域和陆域作为饮用水地表 水源二级保护区。二级保护区的水质标准不得低于国家规定的ob38 38 88 地面水环境质量标准i i i 类标准，应保证一级保护区的水质能满足规定的标准。这样 的规定仅仅对水源地保护区的水质进行了定量的规定，而对保护区的范围却没有提出 明确的划分方法。这样的规定不仅执行起来没有依据，而且也给保护区的范围划定留 下问题。到底多大的陆域面积、多大的流域面积符合要求? 怎样划分保护区的面积才 能使保护区内的水源水质满足规定中提出的水质要求? 从水源地保护区执行情况上分析，在实际操作过程中没有把水源地保护区的真 f 意义得到落实，虽然水源保护区内先后实施污染源整治、总量控制、排污许可证和 排污交易制度等一系列措施，对控制水源地工业污染源、畜禽污染源取得一定成效 但水源地仍然面临严峻环境压力。以上海市为例，上海市1 9 9 9 年划定的“准保护区” 面积占上海全市总面积6 3 4 0 k m 2 的1 6 6 ，如此大规模的水源保护区范围是否科学合 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 理? 当前的水源保护区划分是否很好的体现了土地利用结构的圈层保护特征? 约1 0 0 0 k m 2 水源保护区以及周边的土地利用结构是否真正与水源保护区所要求的功能相协 调【2 】? 除了客观因素外，我们不得不承认这样一个现实：法制不健全，执法力度不够， 片面地追求经济效益，管理不合理，技术措施不当等，都突出了人为因素的影响。 1 法制不健全，执法力度不够 有关水源地保护区的法律有水污染防治法、中华人民共和国水法、饮用 水水源保护区污染防治管理规定和城市供水条例等，一些地方和专业部门也相 应制定了地方性的法律、规章和规范性文件。但在不少地区或企业，由于认识、理解 和差距，使得各类法规、规章执行不力，贯彻产生偏差，“有法不依、执法不严、违 法不究”的现象相当突出。在法律制度方面，我国现行饮用水源保护法律制度因其缺 少针对性、操作性不强、制度间相互分割甚至抵触，部分法律法规只对饮用水水源保 护区的划分做了原则性规定，各地划分方法不一，没有建立统一的划分规范，存在诸 多的法律空白，这些因素势必构成我国饮用水源法制建设的主要障碍和“瓶颈”。 2 在宏观管理上，对水源地的管理上处于失控状态。 由于饮用水水源保护区建设及管理方面的不足，在水源合理利用、保护区的有 效监管等多个方面，日益显现出与当今社会与经济的快速发展的不协调。长期以来， 我国水源地的管理部门各不相同，有水利部门管的、建设部门管的，有地方管的、也 有流域管理部门管的。这种部门不统一的管理，形成各自为政的局面。由于行业性质 不同，受职权范围和专业特点所限制，其管理内容、要求乃至目标均存在分歧，这种 体制本身决定了单一某个部门不可能从全局考虑问题。这一情况使得某一部门颁布的 法律法规仅在本部门的管辖范围内有效，对其他部门的约束力大大减小，当地的水源 地管理部门执法、管理职责不明确、或有职无权，从而影响了水源地的监管力度。同 时我国水源工程设施管理与水源地的水质管理分离、水量调度与水质管理分离、原水 管理与城市供水系统管理分离。在这样的管理分割和分离的状况下，由于牵涉部门多， 因此水源地管理和建设大打折扣。 3 片面追求经济效益。 某些地方政府在对待环境与发展的问题上，片面追求经济效益，轻视环境保护， 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 这就造成了经济越增长、污染越严重的局面“3 。 从水源地保护区划分的技术上分析，黄土高原地区水源地保护区在划分方面还 仅仅停留在粗略的划分，并没有提出一套具体而又可行的划分体系。这样的划分方法 不利于保护黄河流域黄土高原地区逐渐恶化的水源环境。科学的划分方法对保护水源 地、保护流域环境、维持当地的工农业持续发展十分重要。利用河流中污染物的迁移 扩散规律，并考虑河流的基本水文特征，河流中污染物的污染方式、污染途径、污染 源分布等诸多和污染物的相关因素，才能准确的合理的划分河流型水源地保护区，只 有科学的划分才是保护河流型水源地保护区的重要举措。 1 3 课题的提出及研究内容 1 31 课题的提出 黄河是中华民族的母亲河，是我国西北和华北地区的重要水资源，1 9 9 8 年黄河 水资源开发利用度已达到5 3 。黄河水量水质的变化，直接影响着中下游水资源的 合理利用和工农业及经济发展。近年来，黄河流域年降水量逐年减少和沿途地区对黄 河水量的无度取用，已经使黄河断流现象越来越严重，从1 9 9 2 年的7 0 天增加到 1 9 9 7 年的2 2 6 天，这已严重影响到沿黄地区的生活和生产。水资源量减少的同时， 水质也不断恶化。由于流域内经济的快速发展，成千上万吨的企业废水都排放到黄河 的干支流。2 0 0 0 年，黄河宁夏段内的各监测断面均为v 类、劣v 类水体，其入境断 面有6 项污染物超标，到出境断面就有1 2 项污染物超标。全区工业废水排放总量 为1 0 9 4 2 万吨，达标率仅为3 5 i4 1 。因此，建立水源保护区来保护供水源头水质， 已经刻不容缓。其次，饮用水水源与人类同常生活紧密相关，建立饮用水源保护区是 保护饮用水水源的关键措施，也是保护水源地的最强手段。我国1 9 8 4 年颁靠中华 人民共和国水污染防治法，为建立水源保护区提供了法律依据，建立水源保护区也 是保护水源也是我国水法和环境保护法的要求，由于我国在水源保护区建设 领域起步较晚，部分法律法规只对饮用水水源保护区的划分做了原则性规定，各地划 分方法不一，没有建立统一的划分规范，尚在经验积累过程中。尤其是我国黄土高原 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 地区，饮用水水源保护区边界的划定更是一个难点。因此本文针对这一难点展开研究， 以我国的黄河流域黄土高原这一典型地区为例，运用污染物随流迁移的扩散方程，构 建污染物迁移模拟方程，并利用环境经济学中的费用效果分析，考虑距离与整个区域 的环境代价之间的关系以及河流中主要污染物的排放浓度与治理费用之间的关系，固 定一个要达到的环境水质标准：运用最小费用法，构建了河流型水源地保护区划分的 最优化模型。通过模型求解来寻求保护区的距离和河流中典型污染物浓度的最佳关 系。 1 3 2 课题的研究意义及创新点 随着西部大开发，黄河流域的经济发展将进入较快增长时期，黄河水污染必然更 加严重，并加剧该流域的水资源短缺。目前，黄河流域的水资源短缺情况和水环境污 染现状已经引起国家有关部委、人大代表与社会公众的急切关注。就在近期刚刚结束 的人大和政协两会中，许多两会代表也提出了多种保护黄河的提案。水资源管理一体 化、水务局的成立，沿黄两岸退耕还林、水土保持工作的全面展丌等一系列体制、机 制与管理、技术措施，必将对黄河的水污染治理发挥巨大的作用。因为黄河作为许多 地区的供水水源地，所以水质的优劣是评价水源地保护水平的重要指标。万人瞩目的 万家寨水利枢纽，是黄河中游八个梯级规划开发的第一个，是以供水、调峰发电为主， 同时兼有防洪、防凌等综合效益的国家一等( i ) 大型水利工程。万家寨水库其主要 功能是向山西太原、大同、平朔和内蒙古自治区准格尔旗供水，其次是调峰发电，电 力分别接入山西和蒙西电网。根据中国水利水电科学研究院的现场监测、调查研究与 分析比较，认为万家寨工程本身并未对黄河水质造成影响，工程的环境保护己通过了 国家环保总局的验收，但作为主要供水功能的水库其功能却未能实现。随着水资源的 急剧减少，水质的不断恶化，保护水源地的水质对沿线下游、及其各个供水水源地 十分重要。因此，本课题对保护黄河水水质，沿黄地区工农业及经济发展，甚至对整 个区域生态环境、大气环境、水环境和社会环境的协调发展都有着极其重要的意义。 本课题的创新点主要表现在以下方面： 1 以黄土高原的典型河流黄河为例，围绕黄河的流域特征，水文特征，流域内 9 太原理 二大学硕士研究生学位论文 的污染源情况，污染源分布，主要污染物的污染方式、污染途径等方面进行研究，利 用河流污染物迁移扩散方程，来构建典型河流水源地保护区的范围与河流中污染物浓 度之间的关系，通过一系列数学变换，得到距离与浓度之间的关系式，建立了黄土高 原地区河流主要污染物的迁移模型。 2 基于最优化的原理，通过环境经济学中的费用效果分析，采用最小费用法， 建立河流型水源地保护区划分的最优化模型，该模型应用最优化与污染物的迁移扩散 相结合的模式，并在模型中考虑了环境费用与环境代价，把经济效益引入到模型中。 因此，该模型从经济性和技术性两方面考虑，具有明显的优越性，是一次大胆的尝试。 l o 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章黄土高原地区的流域特征及取水工程 2 1 流域的基本特征及水文特征 黄河流域大部分位于我国半干旱地区，特有的气候条件和自然地理环境，使黄河 具有不同于其它大河的水文特征： 2 1 1 河流现状 黄河虽为我国第二大河，但流经干旱、半干旱和半湿润地区，水量不大，多年平 均天然径流量5 8 0 亿立方米，水资源总量不到6 0 0 亿立方米，天然河川年径流量仅 5 0 7 亿立方米左右，但却是我国西北和华北地区最大的供水水源。它以占全国2 的 地表径流，承担着全国1 5 的耕地、1 2 的人口和5 0 多座大中城市的供水任务。目 前，引黄灌溉面积已达1 1 亿亩；干流建成了1 2 座水利枢纽和水电站，总库容达到 5 6 3 亿立方米，几近其天然径流量。黄河径流量主要产生于上、中游，约占总径流量 的9 0 ，但干流水量沿程变化，有时增时减的特点。兰州以上，水量丰富，兰州至河 口镇由于引黄灌溉，蒸发旺盛，耗水过多，同时又无支流注入等原因，水量大减：从 河口镇到花园口段水量又大增；花园口以下，因多是“地上河”，无支流汇入，渗漏 严重，引黄灌溉耗水量大，所以水量又逐渐减少。黄河流域共有大、中型水库1 6 4 座，其中大型水库2 2 座。改革开放以来，随着人类经济发展步伐的加快，黄河的水 资源供给能力更是得到了极大的发挥：1 9 9 7 年以来，黄河流域产水虽只有约3 5 0 亿 立方米，但人类年消耗黄河水量却一直维持在3 0 0 亿立方米左右，是2 0 世纪5 0 6 0 年代的3 倍，黄河水的开发利用程度已经高达8 0 左右，处于过丌发状态。 2 1 2 降雨量 黄河是以雨水补给为主的河流，黄河流域降水集中在7 、8 两月，汛期较短，一 般在7 9 月，约占全年径流总量的7 0 8 0 ，冬季是水量最枯季节，仅占l o h 右。黄河径流的年变化剧烈，最大流量和最小流量相差一百多倍。 黄河流域年降水 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 量多年均值为4 7 6