正常工況下石油類污染物運(yùn)移及對(duì)地下水的污染分析

符明俊,寧立波,董少剛,楊俊倉(cāng)

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院,甘肅 蘭州 730050)

正常工況下石油類污染物運(yùn)移及對(duì)地下水的污染分析

符明俊1,寧立波1,董少剛1,楊俊倉(cāng)2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院,甘肅 蘭州 730050)

以蘭州市某原油儲(chǔ)備庫(kù)為例,建立符合實(shí)際情況的三維地下水流數(shù)值模型,應(yīng)用危害最大化原則模擬該油庫(kù)營(yíng)運(yùn)后未來(lái)50 a內(nèi)地下水中污染物遷移情況。結(jié)果表明:在正常工況下,油類污染物質(zhì)量濃度為0.3mg/L的等值線臨近黃河最快需40a;建立原油儲(chǔ)備庫(kù)不會(huì)對(duì)三灘水源地、黃河水質(zhì)帶來(lái)影響。

污染預(yù)測(cè);溶質(zhì)運(yùn)移;石油類污染物

石油是國(guó)家經(jīng)濟(jì)的命脈。建設(shè)蘭州某原油商品儲(chǔ)備庫(kù),對(duì)促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定具有重要意義。商業(yè)原油儲(chǔ)備庫(kù)擬建場(chǎng)地北面緊鄰黃河,距三灘水源地位置較近,石油的滴漏或突發(fā)性事故的出現(xiàn)等都將對(duì)水源的安全構(gòu)成威脅,進(jìn)而影響蘭州市的飲水安全。筆者對(duì)該油庫(kù)建設(shè)運(yùn)營(yíng)后正常工況下石油類污染物(以下簡(jiǎn)稱污染物)對(duì)地下水的污染情況進(jìn)行定量評(píng)價(jià),為原油儲(chǔ)備庫(kù)的建設(shè)和管理提供科學(xué)依據(jù)。所謂“正常工況”,這里指的是油庫(kù)正常工作狀態(tài)下只出現(xiàn)滴漏現(xiàn)象,不發(fā)生突發(fā)性泄漏事故。

1 水文地質(zhì)概況

蘭州盆地海拔在1520～2500m左右,屬溫帶半干旱氣候,多年平均降水量為317.6mm。多年降水明顯具有周期性規(guī)律,其短周期為4a,長(zhǎng)周期約為8～11a。降水年內(nèi)分配不均,降水多集中于7～9月,其降水量占全年降水量的56%～70%以上。多年平均蒸發(fā)量為1433mm。

油庫(kù)選址位于三灘的上游(圖1),研究區(qū)南部皋蘭山等黃土丘陵為碎屑巖類孔隙裂隙水,主要含水層是沙礫巖層,其中有泥巖隔水層,補(bǔ)給條件差。黃河谷地為松散巖類孔隙水,主要含水層是沙礫卵石層,分布在黃河河漫灘和范家坪-雷壇河之間,沿岸富水性強(qiáng)。北部黃土丘陵及低中山為基巖裂隙水,富水性變化較大。地下水徑流方向由南西向北東,主要接受上游地下徑流、大氣降水及河流補(bǔ)給,一部分排泄于黃河,另一部分潛流至崔家大灘水源地。排泄主要依靠人工開(kāi)采和蒸騰作用。

圖1 研究區(qū)概況

2 研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型及邊界條件

2.1 概念模型

研究區(qū)處于黃河Ⅰ級(jí)階地上,面積約28km2,地下水位埋深約3m左右。油庫(kù)東部為深溝堡斷層,斷層以西上部為4～6m厚的粉細(xì)砂土,下部為5～15m厚的砂卵石層。斷層以東為三灘水源地的崔家大灘,上部為0～10m厚的粉細(xì)砂土,下部為巨厚的砂卵礫石。地下水基本流向?yàn)?深溝堡斷層以西區(qū)域向東流動(dòng),崔家大灘水源地區(qū)向漏斗中心匯集,見(jiàn)圖1。黃河在水源地區(qū)已經(jīng)成為懸河,側(cè)向補(bǔ)給地下水。研究區(qū)地下水系統(tǒng)可概化為三維非均質(zhì)各向同性非穩(wěn)定流地下水系統(tǒng)。

2.2 模擬區(qū)域邊界條件的處理

本次模擬區(qū)域不是一個(gè)自然的水文地質(zhì)單元,根據(jù)流場(chǎng)變化及地下水位隨時(shí)間變化的特點(diǎn)分析,選擇開(kāi)采區(qū)域的外圍,且根據(jù)地下水位的變化狀態(tài),模型的側(cè)向邊界條件設(shè)定在地下水位比較穩(wěn)定的區(qū)域,均定為第一類邊界條件。以自由潛水面為上邊界,其邊界條件由大氣降水入滲、蒸發(fā)排泄、灌溉入滲和河流入滲等因素確定。底邊界定為第二類邊界條件,主要為盆地底部流體向上入滲量,數(shù)量很少。

3 數(shù)學(xué)模型及求解方法

3.1 地下水流數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型,將研究區(qū)地下水系統(tǒng)概化為三維非均質(zhì)各向同性非穩(wěn)定流地下水系統(tǒng),其數(shù)學(xué)模型[1-2]的表達(dá)式為:

式中 :H為地下 水水頭;Kxx、Kyy、Kzz分別為x、y、z方向的滲透系數(shù);t為時(shí)間;μs為含水層給水度或比儲(chǔ)水分?jǐn)?shù),第一含水層取重力給水度 μd;H0為含水層初始水頭;H1為各層邊界水位,m;q為含水層二類邊界單位面積過(guò)水?dāng)嗝嫜a(bǔ)給流量;ε為源匯項(xiàng)強(qiáng)度(包括開(kāi)采強(qiáng)度等);Ω為滲流區(qū)域;B1為水頭已知邊界,第一類邊界;B2為流量已知邊界,第二類邊界;n為滲流區(qū)邊界的單位外法線方向。

3.2 溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

利用地下水水流模擬結(jié)果模擬飽和帶中溶質(zhì)運(yùn)移,其數(shù)學(xué)模型[1-2]表達(dá)式為:

式中:θ為介質(zhì)空隙度;Ck為溶質(zhì)k的濃度;xi、xj為在直角坐標(biāo)系下沿各方向上的距離;Dij為水動(dòng)力彌散系數(shù)張量;vi為滲流速度;qs為單位體積含水層,給出或接受的流體的數(shù)量,代表源匯項(xiàng);Csk為源匯項(xiàng)中k的濃度;∑Rn為化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)。

3.3 網(wǎng)格的剖分及求解方法

筆者運(yùn)用GMS中MAP、MODFLOW 和MT3D模塊對(duì)研究區(qū)進(jìn)行規(guī)則網(wǎng)格剖分及有限差分法求解[3-5]。本次研究是小區(qū)域模擬,模擬精度要求較高,模擬區(qū)域在垂向上共分為2層,水平剖分網(wǎng)格89m×142m,模擬區(qū)平面上分為2 389個(gè)網(wǎng)格。因此,整個(gè)模擬區(qū)被分為4 778個(gè)模擬單元,模擬區(qū)域三維剖分如圖2所示。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為30d。西固地區(qū)和三灘水源地地層巖性、水文地質(zhì)條件都比較簡(jiǎn)單,可以分為上、下兩個(gè)含水層。上層是滲透性較差的粉細(xì)沙土,下層為導(dǎo)水能力較強(qiáng)的砂卵石層(以下簡(jiǎn)稱上、下層)。

圖2 網(wǎng)格剖分三維圖

4 彌散度的確定

獲取彌散數(shù)據(jù)采用多井法,以氯化鈉作為示蹤劑。試驗(yàn)時(shí)間為2008年2月1日～3月16日,連續(xù)3次投放,每次投放時(shí)間約為30min。然后,同時(shí)對(duì)主孔和觀測(cè)孔進(jìn)行取樣并用硝酸銀滴定法現(xiàn)場(chǎng)分析,投鹽主孔第3次示蹤試驗(yàn)氯離子濃度的變化情況見(jiàn)圖3、圖4。由圖3、圖4可見(jiàn),在觀測(cè)孔主孔投放氯化鈉后160 min左右,氯離子濃度出現(xiàn)變化(2月25日12時(shí)),設(shè)此時(shí)為前鋒到達(dá)的時(shí)刻,2月29日18時(shí)30分觀測(cè)井中氯離子質(zhì)量濃度達(dá)到峰值0.362g/L。

圖3 投鹽孔Cl-質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化曲線

由于實(shí)驗(yàn)區(qū)地下水具有微承壓性,并基本保持自西向東的穩(wěn)定流動(dòng),因此應(yīng)用一維流場(chǎng)中瞬時(shí)注入示蹤劑的二維彌散解析模型求解彌散系數(shù),其計(jì)算公式為

圖4 觀測(cè)孔Cl-質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化曲線

若忽略分子擴(kuò)散,并以DL=αLv,DT=αTv代入解析式中得到

式中:C為示蹤劑濃度;v為地下水實(shí)際平均流速;m為單位厚度含水層中瞬時(shí)投放示蹤劑的質(zhì)量;n′為含水層有效孔隙度;αL為縱向彌散度;αT為橫向彌散度;DL為縱向彌散系數(shù);DT為橫向彌散系數(shù)。

式(4)為非線性方程,求解較困難,因此根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)程序求解αL、αT,彌散度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)和溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)

5 模型校正與識(shí)別

模型識(shí)別是通過(guò)反演計(jì)算模擬結(jié)果,對(duì)模型進(jìn)行校正、反求和調(diào)試參數(shù),以檢驗(yàn)和提高模型的仿真性。為了保證所建立的數(shù)學(xué)模型能夠反映實(shí)際流場(chǎng)的三維特點(diǎn),用2005年1月份的觀測(cè)水位作為初始水位,并不斷重復(fù)調(diào)試、修正參數(shù)。由圖5、圖 6可以看出水位觀測(cè)值與其計(jì)算值都基本落在允許的誤差范圍內(nèi),說(shuō)明模擬識(shí)別期計(jì)算結(jié)果與研究區(qū)實(shí)際水位基本一致,符合實(shí)際水位地質(zhì)條件流場(chǎng)[6],模型可用于地下水污染狀況預(yù)測(cè)。參數(shù)識(shí)別結(jié)果和溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)見(jiàn)表1。模型校正和識(shí)別后,觀測(cè)井B6和Q94的水位擬合結(jié)果如圖5、圖6所示,井所在位置見(jiàn)圖1。

圖5 觀測(cè)井B6水位擬合

圖6 觀測(cè)井Q94水位擬合

6 正常工況下污染物在地下水中的遷移

6.1 通量邊界條件

在模擬污染物在飽和帶的遷移時(shí),對(duì)補(bǔ)給源做一定的處理。假設(shè)在兩個(gè)月的時(shí)間內(nèi)(2015-01-01～2015-03-01),以非正常工況下非飽和帶下邊界定濃度通量邊界的污染物最大質(zhì)量濃度500mg/L[7]作為飽和帶上邊界定濃度通量邊界,持續(xù)補(bǔ)給地下水,其濃度隨時(shí)間變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 地下水中油類污染物的補(bǔ)給濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律

6.2 模擬結(jié)果與分析

6.2.1 模擬結(jié)果

在正常工況下模擬污染物在飽和帶中的遷移距離、范圍及濃度在上、下層中的變化見(jiàn)圖8,其主要展示了正常工況下歷時(shí)30a、50a內(nèi)污染物質(zhì)量濃度為0.3mg/L[8]等值線(以下簡(jiǎn)稱等值線)遷移范圍。

6.2.2 模擬結(jié)果分析

模擬過(guò)程中秉承污染最大化、危害最大化的原則,在模擬中忽略吸附解吸等因素,所以模擬結(jié)果在此種工況下可能出現(xiàn)的最大危害情況,通過(guò)模擬計(jì)算得出不同時(shí)間段的污染物遷移距離、范圍及濃度。除了井Q94在庫(kù)區(qū)的西南面外,井 2717、B23、B3和B6位于庫(kù)區(qū)以東、東南面(見(jiàn)圖1)。根據(jù)模擬結(jié)果可知:

a.由模擬污染物擴(kuò)散等值線圖(圖8)顯示,在地下水流場(chǎng)控制作用下污染物主要向東遷移,直接威脅黃河和崔家大灘水源地。根據(jù)文獻(xiàn)[8]的規(guī)定飲用水受石油類污染的濃度對(duì)模擬結(jié)果分析:歷時(shí)10a,庫(kù)區(qū)內(nèi)只有上層出現(xiàn)污染物;歷時(shí)50a,等值線在上、下層的遷移距離分別為850m、1 530m,顯然污染物在下層遷移的平均速度約是上層的1.8倍。

圖8 污染物遷移范圍

b.圖9中上層的10～20a間和下層30～40a間出現(xiàn)速度突變(虛線所圈部分),結(jié)合模擬結(jié)果得出:等值線接近黃河岸時(shí),由于河漫灘富水性強(qiáng)和水力傳導(dǎo)系數(shù)大,該等值線臨近黃河最快需40a。

圖9 上、下層油類污染物遷移的距離對(duì)比

c.不同層次、相同時(shí)間內(nèi),觀測(cè)井中污染物濃度有很大差異,見(jiàn)圖10。歷經(jīng)50a,正常工況下井2717和井B23污染物在上層的質(zhì)量濃度分別為0.600mg/L、0.00003mg/L,而在下層的質(zhì)量濃度分別為7.000mg/L、0.00350mg/L。污染物濃度在層次上的差異主要與巖性、孔隙度等有關(guān),而井間同層位的濃度差異還與遷移距離有關(guān)。顯然歷時(shí)50a,觀測(cè)井2717將受到較大影響,而B(niǎo)23將受到輕微的影響。

圖10 觀測(cè)井2717、B23所在地上下層污染物濃度變化

d.50a內(nèi),庫(kù)區(qū)地下水中污染物濃度持續(xù)升高。正常工況下上層污染物質(zhì)量濃度為45mg/L,而下層中質(zhì)量濃度為17.5mg/L,上層受到污染程度是下層的2.57倍。

7 結(jié)論與建議

a.正常工況下,地下水流場(chǎng)控制作用下污染物主要向東擴(kuò)展,因此東部觀測(cè)井都受到不同程度的污染,而西、南部地下水水質(zhì)基本沒(méi)有影響。由于黃河流量大,地下水排泄對(duì)黃河水質(zhì)不會(huì)有明顯影響。b.正常工況下,該油庫(kù)基本不會(huì)對(duì)崔家大灘水源地水質(zhì)造成影響。但為了確保城市地下水供水水源安全,必須對(duì)庫(kù)區(qū)及北、東兩個(gè)方向的地下水進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),建議建設(shè)部門(mén)采取一些工程措施和處理措施。例如:建設(shè)配套的廢水處理工程,完善排污下水管道系統(tǒng),在研究區(qū)一定范圍內(nèi)建設(shè)各種防滲工程等。

[1]陳崇希,唐仲華.地下水流問(wèn)題數(shù)值方法[M].北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,1990:1-4.

[2]薛禹群.地下水動(dòng)力學(xué)[M].2版.北京:地質(zhì)出版社,1997:115-116.

[3]丁繼紅,周德亮,馬生忠.國(guó)外地下水模擬軟件的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].勘察科學(xué)技術(shù),2002(1):31-42.

[4]劉苑,武曉峰.地下水中污染物運(yùn)移過(guò)程數(shù)值模擬算法的比較[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2008,2(2):229-234.

[5]詹紅麗,張展羽,王南海,等.區(qū)水環(huán)境治理規(guī)劃及地下水溶質(zhì)運(yùn)移預(yù)測(cè)模擬[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,31(5):522-525.

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[7]楊倉(cāng)俊,寧立波,董少剛,等.蘭州商業(yè)原油儲(chǔ)備庫(kù)地下水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀調(diào)查、監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)報(bào)告[R].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué),2008.

[8]GB 5749—1985,國(guó)家生活飲用水水質(zhì)參考指標(biāo)及限值[S].

Study on oil contaminants transfer and pollution of groundwater under normal working conditions

FU Ming-jun1,NING Li-bo1,DONG Shao-gang1,YANG Jun-cang2
(1.School of Environmental Studies,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China;2.Gansu Provincial Geological Environment Monitoring Institute,Lanzhou 730050,China)

Using a crude oil reserve depot in Lanzhou as an example,a three-dimensional numerical model of groundwater was developed.The pattern of pollutant transportation in the groundwater after 50 years of operation of the crude oil reserve depot was simulated based on the maximized-hazard principle.The results show that the 0.3 mg/L isoline of oil contaminantswill take 40years to move from the crude oil reserve depot to the Yellow River,and the Santan water source and Yellow River will not be polluted under normal working conditions.

pollution forecast;solute transfer;oil contaminants

X820.3

A

1004-6933(2010)02-0061-05

符明俊(1983—),男,海南文昌人,碩士研究生,研究方向?yàn)榈叵滤廴九c防治。E-mail:hnafu2003@yahoo.com.cn

(收稿日期:2009-03-24 編輯:徐 娟)