數(shù)值模擬在長輸油氣管道工程環(huán)評中的應(yīng)用

趙慶磊 沈茂丁 許立風 紀蕻 劉海超

（1.中國石油天然氣管道工程有限公司；2.河北省保定地質(zhì)工程勘查院；3.中國石油冀東油田公司質(zhì)量安全環(huán)保處）

數(shù)值模擬在長輸油氣管道工程環(huán)評中的應(yīng)用

趙慶磊1沈茂丁1許立風2紀蕻3劉海超1

（1.中國石油天然氣管道工程有限公司；2.河北省保定地質(zhì)工程勘查院；3.中國石油冀東油田公司質(zhì)量安全環(huán)保處）

為更好地掌握長輸油氣管道工程經(jīng)過飲用水水源地、濕地保護區(qū)、水庫等環(huán)境敏感目標發(fā)生泄漏時污染物的運移規(guī)律，用數(shù)值模擬的方法，開展假設(shè)條件下的石油類污染物泄漏影響范圍的模擬預(yù)測研究。通過模型概化、參數(shù)選取、模型校對及驗證、地下水水流模擬，建立了地下水水流模型。根據(jù)管道線性工程的特點，結(jié)合具體穿越敏感地段的情況，假設(shè)兩個最大風險泄漏點（距離保護區(qū)最近的點和水流到達保護區(qū)邊界運動最快的點），選取石油類作為模擬因子，并選定初始條件，采用對流—彌散控制方程預(yù)測污染物的運移情況，得到假設(shè)管道在以上兩個最大風險泄漏點發(fā)生泄漏事故情況下，污染物在平面上一段時間內(nèi)的影響到達范圍。結(jié)果可為環(huán)境影響評價提供合理的理論依據(jù)。

環(huán)境影響評價；長輸油氣管道；泄漏；數(shù)值模擬；石油類；影響范圍

0 引 言

近年來，國內(nèi)長輸油氣管道工程項目發(fā)展迅速，其環(huán)境影響評價工作也備受關(guān)注。在施工、運營過程中，長輸油氣管道可能因施工原因、操作原因、管材腐蝕、第三方破壞以及地質(zhì)災(zāi)害和不良地質(zhì)現(xiàn)象等情況發(fā)生破壞。由于運輸介質(zhì)的特殊性，石油管道一旦發(fā)生油品泄漏事故，泄漏的油品對泄漏點周圍的土壤、植物造成污染；河流穿越段泄漏的油品可直接進入地表河流，對河流和湖泊水質(zhì)造成污染；還可以通過包氣帶進入地下水含水層，對周圍群眾飲水安全以及水源地水質(zhì)造成威脅［1］。

因此，有必要結(jié)合實際情況，開展更為深入的長輸油氣管道工程環(huán)境影響評價研究。本文結(jié)合長輸油氣管道工程環(huán)境影響評價工作，針對管道經(jīng)過的飲用水水源地、濕地保護區(qū)、河流、水庫等環(huán)境敏感目標［2］，用數(shù)值模擬的方法，開展假設(shè)條件下的石油類污染物模擬預(yù)測研究。研究思路見圖1。

圖1 研究思路

1 資料搜集

石油類污染物的泄漏傳播主要是通過地下水運移實現(xiàn)的，本文的關(guān)鍵點是建立比較符合實際的地下水流模型，在地下水流模型的基礎(chǔ)上進行污染物模擬預(yù)測［3］。然而一個較符合實際的數(shù)值模擬，是建立在前期資料搜集分析及現(xiàn)場試驗基礎(chǔ)之上的。因此搜集資料是工作必不可少的一部分，根據(jù)研究內(nèi)容，需要搜集的資料主要包括以下內(nèi)容。

①工程項目及敏感目標概況。工程項目概況資料主要包括：長輸油氣管道工程在敏感目標附近的鋪設(shè)或穿越方式、工程分析、運輸介質(zhì)的性質(zhì)等資料；敏感目標的基礎(chǔ)資料主要包括：敏感目標概況、國家及地方環(huán)境保護方面相關(guān)的法律法規(guī)。

②水文地質(zhì)資料。主要包括：敏感目標附近水文地質(zhì)條件資料、地質(zhì)資料、現(xiàn)場抽水試驗資料、水文資料及氣象資料等。

2 地下水流模型的建立

2.1 模型概化

為建立敏感目標地區(qū)的地下水流數(shù)值模型，首先要對實際水文地質(zhì)條件進行概化，以建立水文地質(zhì)概念模型。主要包括：含水層結(jié)構(gòu)概化、邊界條件概化、初始條件概化［4］。

2.1.1 含水層結(jié)構(gòu)概化

3.1.1 構(gòu)建內(nèi)部控制的基礎(chǔ)要以人為本。內(nèi)部控制取得效果關(guān)鍵在于控制者與被控對象之間的摩擦得到及時解決，而組織文化有助于這種摩擦的解決。組織文化與內(nèi)部控制加強溝通，緩和兩者之間的摩擦，促進單位的發(fā)展。融合組織文化構(gòu)建以人為本的內(nèi)部控制制度是單位發(fā)展的關(guān)鍵[5]。

根據(jù)地層柱狀圖及現(xiàn)場調(diào)查資料，劃分出敏感目標地區(qū)的含水層結(jié)構(gòu)，例如砂土層、碎石層等為較好的透水層，黏土層一般可視為弱透水層或隔水層。把污染物很難進入的地層作為隔水邊界，概念模型見圖2。

圖2 概化的含水層結(jié)構(gòu)

2.1.2 邊界條件概化

根據(jù)敏感目標地區(qū)的水文地質(zhì)條件，確定水頭邊界類型，一般水頭邊界分為定水頭邊界、流量邊界；靠近河流且有水利聯(lián)系的邊界視為河流邊界。

2.1.3 初始條件概化

結(jié)合敏感目標地區(qū)長期水位觀測孔、民用井的實測水位資料，繪制研究區(qū)在初始時刻的等水頭線，確定初始流場。經(jīng)過此步驟，可以將地下水流系統(tǒng)概化為均質(zhì)的各向同性或非均質(zhì)各向異性的地下水三維非穩(wěn)定系統(tǒng)。

2.2 參數(shù)選取

模型建立過程中，需要對必要的水文地質(zhì)參數(shù)及各土體的物理力學參數(shù)進行測定，或依據(jù)搜集、整理的資料，結(jié)合松散巖土經(jīng)驗參考值［5］，如表1和表2所示，運用類比法、經(jīng)驗值和地質(zhì)綜合分析方法結(jié)合敏感目標地區(qū)實際的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件情況，綜合選取模型水文地質(zhì)參數(shù)等。

表1 松散巖土滲透系數(shù)參考值m/d

表2 松散巖土給水度參考值

模型校對與驗證也是建立一個地下水流數(shù)值模型的關(guān)鍵步驟。工程實際中，可以結(jié)合前人實測資料或進行現(xiàn)場試驗等，對模型進行驗證，通過不斷對模型各項參數(shù)進行合理的調(diào)整，達到使模型能夠比較準確地反映敏感目標地區(qū)水文地質(zhì)條件的目的。

2.4 地下水水流模擬

通過對模型的含水層結(jié)構(gòu)、邊界條件及分層巖性等的概化，相關(guān)參數(shù)（滲透系數(shù)K、給水度μ等）的選取確定，結(jié)合前人研究成果，經(jīng)過模型的校對和反復驗證之后，通過相關(guān)模擬軟件（如Visual M O DFL O W等）可以得到地下水流場模型（以某管道模擬概化圖為例）見圖3。

圖3 地下水流場模擬

3 污染物模擬預(yù)測

式中：C為溶解于水中的污染物的濃度，m g/L；R為遲滯系數(shù)，無量綱；t為時間，d；xi為空間坐標，m；Dij為水動力彌散系數(shù)張量，m2/d；νi為地下水滲透流速，m/d；θ為孔隙度，無量綱；x，y，z為空間位置坐標，m；c0為初始濃度，m g/L；Ω為模型模擬區(qū)域。

3.1 假設(shè)條件

根據(jù)管道線性工程的特點，結(jié)合具體穿越敏感地段的情況，假設(shè)兩個最大風險泄漏點。分別是距離保護區(qū)最近的d點和水流到達水源保護區(qū)邊界運動最

通過地下水流場模型，可以得到各含水層的等水位線圖、水流跡線圖及地下水流向圖等，再結(jié)合污染物的性質(zhì)和污染物模擬假設(shè)條件、初始條件等，可通過如M T3D M S等溶質(zhì)運移模擬模塊，實現(xiàn)地下水溶質(zhì)運移模擬和預(yù)測。

根據(jù)相關(guān)資料，不考慮土壤吸附以及生物、化學反應(yīng)項，可以用對流—彌散控制方程式（1）來描述石油類污染物在三維地下水流中的運移情況?？斓膄點，分別對其進行模擬預(yù)測，結(jié)果見圖4。

圖4 假設(shè)條件下的模擬點

3.2 模擬因子

應(yīng)選取比較有代表性的、并與建設(shè)項目排放的污染物有關(guān)的特征因子，以及一些長期接觸會對人體或動植物產(chǎn)生危害作用的污染物，特別是持久性的有機污染物。因此，在長輸油氣管道工程環(huán)評項目中一般把石油類污染物作為模型的模擬因子［6］。

3.3 初始條件

初始條件包括模擬初始時間、初始濃度及最低檢測濃度，初始時間可以選定在發(fā)現(xiàn)漏油事故之初或以前；模擬因子初始濃度可以參照某石化煉油廠事故爆炸案地下水檢測到的石油類污染物濃度為40 000～50 000 m g/L。最低檢測濃度參考G B 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》，石油類污染物在Ⅲ類水體的標準檢出限值為0.05 m g/L；在G B 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》中，烷烴、烯烴類多數(shù)檢出限都低于0.05 m g/L或持平。

3.4 模型預(yù)測

通過運行模型，實現(xiàn)對地下水石油類污染物運移情況的模擬預(yù)測，得到了假設(shè)管道在距離水源保護區(qū)最近的點和水流到達水源保護區(qū)邊界最快的點發(fā)生管道石油泄漏事故時，污染物在平面上一段時間內(nèi)的影響到達范圍（以某管道模擬預(yù)測圖為例），見圖5、圖6。

圖5 距保護區(qū)最近的點

圖6 地下水運動最快的點

3.5 預(yù)測結(jié)果分析

由模擬預(yù)測結(jié)果圖5和圖6對比可知，污染物沿水流方向擴散較快，橫向擴散稍慢，污染物濃度沿水流方向逐漸降低，污染物在擴散最前緣的濃度為最低檢出限0.05 m g/L。隨著時間的推移，污染物最終可能會先后達到水源保護區(qū)邊界，對水源保護區(qū)產(chǎn)生影響。

4 結(jié) 論

運用有關(guān)地下水模擬軟件（如Visual M O DFL O W），通過對假設(shè)距離保護區(qū)最近的d點和水流到達水源保護區(qū)邊界運動最快的f點這兩個模擬點發(fā)生石油類污染物泄漏的模擬預(yù)測，可以比較直觀地反映出污染物的擴散半徑，也能夠清楚看出距離保護區(qū)最近的點并不一定是污染物達到保護區(qū)邊界最快的點。這為開展環(huán)境污染預(yù)防工作提供了方向，為污染治理工作爭取了時間。從環(huán)境影響評價角度講，該數(shù)值模擬方法的運用，對預(yù)防和減少環(huán)境污染事件的發(fā)生起到積極作用，也為環(huán)境影響評價的科學性提供了理論保證。

［1］ 肖長來，梁秀娟，王彪.水文地質(zhì)學［M］.北京：清華大學出版社，2010.

［2］ H J 610—2011環(huán)境影響評價技術(shù)導則地下水環(huán)境［S］.

［3］ 方東曉.影響天然氣管道安全的危害因素分析及對策探討［J］.上海煤氣，2008（3）：38-41.

［4］ 解紅軍，趙慶磊，康永尚.長輸油氣管道項目地下水環(huán)境影響評價要術(shù)探討［J］.中國化工貿(mào)易，2012（10）：183-184.

［5］ 弓永鋒.地下水石油污染模擬及防治措施研究——以寧夏煉油廠為例［D］.西安：長安大學，2010.

［6］ 王洪濤，羅劍，李雨松，等.石油污染物在土壤中運移的數(shù)值模擬初探［J］.環(huán)境科學學報，2000，20（6）：755-760.

（編輯 王薇）

10.3969/j.issn.1005-3158.2015.05.019

1005-3158（2015）05-0065-03

2015-03-03）

趙慶磊，2013年畢業(yè)于中國石油大學（北京）地質(zhì)工程專業(yè)，現(xiàn)在中國石油天然氣管道工程有限公司從事大型油氣管道建設(shè)項目工程地下水環(huán)境影響評價和勘察設(shè)計工作。通信地址：河北省廊坊市廣陽區(qū)金光道54號勘察事業(yè)部（中油朗威一樓），065000