使用分析元素模型划定饮用水水源保护区外文翻译资料

 2021-11-20 23:10:33

英语原文共 8 页

使用分析元素模型划定饮用水水源保护区

by Heather A. Raymond1, Michael Bondoc2, John McGinnis3, Kathy Metropulos4, Pat Heider5, Allison Reed3, and Steve Saines6

摘要：

自1999年以来，美国国家环境保护局俄亥俄州的水文地质学家用了两个分析元素模型，专有软件 GFLOW 和美国国家环境保护局WhAEM，用以为535个公共水域系统划定保护区。两个模型现均采用的是GFLOW2001解决方案引擎，与地理信息系统（GIS）技术完美整合，具有用户友好的图形界面，能够模拟各种复杂的水文地质设置，并且不依赖于模型网格。这些特征简化了建模过程，使AEM能够弥合现有的简化描述方法与更复杂的数值模型之间的差距。俄亥俄州环保局水文地质学家证明，WhAEM2000和GFLOW2000是通过将AEM应用于之前使用其他方法预先划定八个站点能够产生更广泛地接受模型捕捉区域。俄亥俄环境保护局使用AEM划定保护区后，由其他状态（体积方程和任意固定半径）使用更简单的划分方法应用于相同的水系统以比较各种方法之间的差异。GIS软件和双尾配对t检验用以量化保护区的差异，并分析数据。这一分析的结果表明，在总面积和形状方面，AEM通常比最简单的描绘方法产生显着不同的保护区域。 如果使用体积方程代替AEM，俄亥俄州将不会保护265平方公里的临界上升梯度区域，并且将过度保护269平方公里的主要降级土地。 由于越来越多的土地使用限制与饮用水保护区域相关，因此该分析具有广泛的政策含义。

介绍：

1986年修订的饮用水安全法案要求各州制定水源地保护计划（US EPA 1987）。水源地保护项目旨在通过划定水源地的区域，清查该区域内潜在的污染源，并制定战略以及制定保护地下水的战略来保护使用地下水的公共饮用水供应。1996年“安全饮用水法”修正案将井口保护计划扩展到源水评估和保护计划，并要求对所

有公共供水系统（包括使用地表水源的系统）进行划分，清查和敏感性分析， 2003年5月（后来延长的截止日期）。 美国环保署1997年关于如何制定国家水源评估和保护计划的指南没有严格的划分方法要求。 相反，该指南回顾了1987年建立的井口保护划分指南，并批准了国家井口保护划分方法（美国环保局，1997年）这种灵活性导致每个州选择的划分方法有很多种。

鉴于有限的时间框架和要求用现有数据完成划分，许多州水源保护计划选择使用简单的划分方法，如任意或计算的固定半径方法，来划定全部或部分公共供水系统他们的州。在本研究中，访问了每个州的水源保护计划网站，并对其划分政策进行了审查。如果网站上没有必要的信息，则会联系项目经理并要求他们描述州的划分政策。使用该方法获得来自37个州的信息。非正式调查表明，26个州使用任意固定半径（AFR）方法，平均半径为945米，至少部分评估（或作为临时划分）。 AFR划分的大小从亚利桑那州用于非敏感水系统的30米到4公里，科罗拉多州用于所有非社区水系统（亚利桑那州环境质量部门1999;科罗拉多州公共卫生和环境部） 2000）。如果不使用更复杂的方法，犹他州使用第二大任意半径3220米作为社区的默认区域（犹他州环境质量部2000）。大型AFR划分很可能包含大多数水系统的整个捕获区;但是，对于泵送少量水系统而言，该区域可能过度保护，对于极大的水系统而言，该系统保护不足。小型AFR保护区几乎总是低估了水系统捕获区的范围。因此，AFR划分很难在科学基础上进行防御，但很容易划定（美国环保局，1987年）。除AFR描述外，许多州对其公共水系统的全部或部分使用计算的固定半径（CFR）描述方法。例如，一些州对其社区公共供水系统（城市，房主协会等）使用CFR划线，并为其非社区公共供水系统（学校，工厂，加油站等）使用AFR划分。对CFR剔除方法的主要批评是，在地下水梯度较小的区域，划定区域过度保护井下降区域，并保护上升梯度水源。此外，Cole和Silliman（2000）证明CFR方法即使在没有显着地下水梯度的地区也不充分，因为它无法模拟含水层的异质性。

至少有16个被调查的州采用了更为复杂的描述方法，从解析方程到数值模型。尽管这些定义方法比AFR和CFR方法更先进，但这些方法产生的描述的准确性仍然存在问题。与解析方程相关的问题包括依赖于平均值和均质含水层参数的假设（Jacobson等，2002），以及无法模拟复杂的边界条件。已经建议使用随机参数估计方法来模拟捕获区域的不确定性。但是对州政府计划的调查没有发现任何选择使用这些方法的州。 已经注意到三维数值模型可能提供最准确的描述（US EPA 1987），但是当网格尺寸太大时会出现错误（Haitjema等人，2001），并且当很少有数据可用于支持和 校准模型，或存在输入参数的不确定性（Levy和Ludy 2000）。在接受调查的州中，俄亥俄州，明尼苏达州和怀俄明州是唯一表示他们使用分析元素建模描述方法的州（明尼苏达州卫生部2002;俄亥俄州EPA 2001;怀俄明州环境质量部2000）。分析元素建模是由Strack在20世纪70年代后期开发的，用于解决数值模拟不可行的区域中的大型区域地下水流问题（Haitjema 1995）。分析元素模型（AEM）叠加了数百个精确的分析解决方案来解决地下水流问题（Haitjema 1995; Strack 1989），能够模拟溪流，湖泊和复杂的边界条件。由于AEM不需要将流域离散化为模型网格或元素网络，因此可以轻松扩展它们以包括区域水文地质特征。此外，路径轨迹比数值模型中的那些更精确，数值模型必须在网格单元或元素内平均流动方向和速度（Haitjema等人，2001）。缺乏模型网格也有利于“逐步”建模，水文地质学家随着流动系统知识的增加而缓慢增加模型的复杂性（Feinstein等，2003; Hunt等，1998）。 Wuolo等人。 （1995）指出，在某些情况下，使用AEM划分保护区域可能优于数值模拟。 AEM的基本限制是假设二维稳态流动（Yager和Neville 2002）;然而，Haitjema和Strack已经开发出几种机制来帮助弥补这些局限性，目前正在研究和测试三维和瞬态AEM（Haitjema 1995; Strack 1989）。

划定科学可防御的饮用水源保护区非常重要，因为这些区域已开始纳入联邦，州和地方法规和激励计划。在联邦一级，1999年地下注入控制规则中禁止使用某些类型的V类处理井，美国农业部的保护储备计划为位于饮用水保护区的应用程序提供额外的点数。许多州也在其规则中引用了饮用水保护区。例如，俄亥俄州的行政法典包含五个单独的章节，其中多个提及禁止或选址位于饮用水源保护区内的潜在污染源，包括垃圾填埋场选址限制和禁止使用污水污泥（俄亥俄州环保局，2002年）。此外，俄亥俄州的当地政治分部有权建立源水保护区覆盖区，进一步限制保护区内发生的活动。随着越来越多的土地使用限制被放置在保护区域，确保保护区域是科学的。

防御变得至关重要（Forster等人1997; Frind等人2002）。 最近美国环保署对州水源水评估计划的评估表明了这一担忧，该计划表明报告并不总是“足够详细，无法支持面临政治阻力的决策”（美国环保局2004a）。

本文的目的有两个：第一，证明AEM可用于描述位于各种水文地质环境中的公共水系统可接受的饮用水保护区域，第二，量化潜在影响的划分 方法对饮用水保护区域的大小和形状有影响。 俄亥俄州环保局希望接触其应用AEM将为其他州和环境专业人员提供催化剂，以考虑使用AEM进行保护区域测定

制定俄亥俄州的划分政策

俄亥俄州环保局希望制定一种划分政策，这种政策不仅在技术上可以防御，而且在时间和资源限制的情况下也可以实现。俄亥俄州环保局能够选择比AFR或CFR更复杂的描绘方法，因为大多数州都有基本的水文地质信息。俄亥俄州拥有全州数字冰川含水层和基岩含水层地图，清楚地概述含水层边界，并提供有关含水层厚度和产量的信息（俄亥俄州自然资源部2000）。美国地质调查局的区域含水层系统分析（RASA）研究提供了俄亥俄州西部大部分地下水流向和含水层参数的信息（Eberts 1999）。此外，俄亥俄州环保局在俄亥俄州环保局的报告和文件中创建了一个全州水文地质信息数据库，并与俄亥俄州自然资源部和美国地质调查局签订合同，审查其文件并将相关数据输入数据库。该数据库包含gt; 9000条链接到地理信息系统（GIS）的记录，这些记录允许在空间上查看数据。最后，俄亥俄州环保局与俄亥俄州自然资源部合作，从其历史悠久的私人测井数据库开发了具有高浓度公共供水系统的含水层的电位表面地图。

区域水文地质数据的可用性使俄亥俄州环保局能够考虑使用能够对多个变量建模的更复杂的描述方法。常用的WHPA（Blandford和Huyakorn 1991）代码易于使用，但由于无法模拟复杂的含水层和难以与GIS相互作用，因此未选择它。 MODFLOW / MODPATH（McDonald和Harbaugh 1988; Pollock 1989）和其他数值模型被认为是不切实际的，因为开发和校准适当的MODFLOW模型所需的详细的场地特定信息对于大多数州的水系统是不可用的。即使在具有某些特定场地数据的区域，MODFLOW模型的开发和校准通常也太耗时，无法在规定的期限内完成。俄亥俄州环保局估计，为了满足联邦最后期限，每次划分平均需要lt;2天才能完成。

尽管俄亥俄州环保署工作人员在开发其水源评估和保护计划之前没有使用过AEM，但出于几个原因，AEM似乎是最有前景的划分方法。首先，美国环保署向国家计划人员提供了关于WhAEM2000（取水口保护分析元素模型）的培训，这是一个公共领域分析元素建模代码，其开发由美国环保署赞助，以协助各州划定饮用水保护区域。其次，WhAEM2000具有用户友好的图形用户界面，便于输入边界条件，水文特征和含水层参数（Haitjema等，1994; Kraemer等，1994; Kraemer等，2003）。最后，WhAEM2000与俄亥俄州的GIS完美集成。例如，俄亥俄州的冰川含水层地图和其他数字地理覆盖范围可以作为基本地图导入WhAEM2000，WhAEM2000输出可以导出到可在GIS中查看的dxf文件。

俄亥俄州环保署工作人员最初质疑AEM是否可以划定保护区域，与更传统的划分方法相比。尽管一些作者发现AEM优于WHPA [饮用水保护]描述的有限元和有限差分模型，因为它们可以更经济有效地校准，修改和扩展#39;#39;（Wuolo et al.1995），工作人员成员们仍然关注他们的技术有效性。为了解决这种不确定性，俄亥俄州环保局的工作人员开展了一项比较研究，以评估WhAEM2000在俄亥俄州划定饮用水保护区域的适用性。五个地区办事处的工作人员水文地质学家使用WhAEM2000对至少两个先前使用其他建模方法描绘的保护区进行建模。俄亥俄州环保局中央办公室的工作人员同时对相同区域进行了建模，以测试工作的可重复性。通过目视检查，区域和中心办公室的WhAEM2000划分与原始划分非常匹配。这对于简单的地理环境来说是正确的，包括俄亥俄州西部的横向广泛的受限碳酸盐含水层。在冲积和埋藏谷含水层的MODFLOW模型假设谷壁没有流动边界的情况下，WhAEM2000模型输出类似于MOD-FLOW描绘。在河床岩壁由更高产砂岩或石灰岩单元组成的区域或河床渗透率较低的区域，WhAEM2000和MODFLOW捕获区的可比性较差。

由于WhAEM2000（当时）无法模拟含水层不均匀性或河床阻力，俄亥俄州环保局决定评估分析元素模型GFLOW2000。 GFLOW2000具有模拟含水层不均匀性和河床电导的扩展能力，可以以可导入MODFLOW的格式输出模型域的部分（Haitjema 1995; Yager和Neville 2002）。使用GFLOW2000对现有饮用水保护区进行了第二组同时评估。在此评估中，使用GFLOW2000建模的保护区域与使用其他描绘方法（包括MODFLOW）生成的保护区域非常匹配。保护区的视觉比较被认为是足够的证据。

支持GFLOW2000模型的可信度，并没有进行统计比较（图1）。然而，一个值得注意的例外是对米尔福德市保护区的分析。

米尔福德研究

当俄亥俄州环保局比较了为米尔福德市开发的GFLOW2000模型的结果，并于1997年完成了MODFLOW描绘，它意识到MODFLOW网格可能太小（长915米，宽335米），无法充分定义 保护区。 俄亥俄州环保局创建的GFLOW2000型号扩展到MODFLOW网格区域之外，包括附近的印第安山市和小迈阿密东叉的主要泵送中心

图1.认可的饮用水源保护区域（实线）与WhAEM2000保护区域（路径和虚线）的比较。 （A）横向扩展的碳酸盐含水层，（B）埋藏在页岩基岩中的埋藏谷含水层。

图2.与Milford比较研究的GFLOW2000无流量边界相关的MODFLOW网格（矩形区域）的近似范围。

河（图2）。根据俄亥俄州自然资源部（2000年）完成的新冰川含水层地图，还修改了无流量边界。无流动边界代表导电砂和砾石掩埋谷与低产（lt;3加仑/分钟），薄层奥陶系页岩和构成谷壁的石灰岩之间的接触。尝试使用模型输入参数尽可能接近原始MODFLOW模型中使用的参数。然而，由于关于East Fork的信息非常少，因此使用不同的河床电阻值（2到15天）建模。即使在较高的河床阻力值下，米尔福德的划分范围也超出了原始保护区域（图3）。此示例有助于演示不必将模型区域约束到预定网格大小的价值。

在同时完成GFLOW2000描述评估后，俄亥俄州环保局决定使用AEM来划定社区公共供水系统和俄亥俄州大型非瞬时，非社区公共供水系统的保护区域。为了帮助解决俄亥俄州环保局工作人员的详细建模问题，与GFLOW2000（Henk Haitjema和Vic Kelson）的开发人员一起举办了培训课程。培训有助于确保模型在整个州内的一致应用，并加强了对更大模型区域的需求 - 水

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