基于GMS的濱海油田輸油管線地下水污染物預(yù)測(cè)

陳 毅 ，陜 寧 ，楊 峰

（1.海南地質(zhì)綜合勘察設(shè)計(jì)院，?？?70206；2.海南省地質(zhì)調(diào)查院，?？?70206）

1 輸油管線環(huán)境地質(zhì)條件

輸油管線位于海南島北部，北側(cè)臨海，地形緩波狀起伏。年平均降雨1691.7mm，年平均氣溫23～24.9℃。地層沿海與河流入?？谝粠С雎兜谒南瞪暗[、砂，厚1.80～7.60m；東南、南部一帶出露第四系黏土質(zhì)砂，厚2.00～13.00m。地下水類型為松散巖類孔隙潛水、火山巖裂隙孔洞潛水和松散巖類孔隙承壓水，地下水流向基本為自南向北順地勢(shì)向海區(qū)流徑。

2 污染物遷移數(shù)學(xué)模型

2.1 區(qū)域地水文地質(zhì)概念模型

根據(jù)研究區(qū)所在位置，對(duì)地下水系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部環(huán)境、邊界條件、水文地質(zhì)參數(shù)等進(jìn)行分析研究，可將研究區(qū)地下水系統(tǒng)概化為非均質(zhì)、水平各向同性、二維結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)[2]，外部環(huán)境通過(guò)邊界進(jìn)行物質(zhì)與能量交換的二維流水文地質(zhì)概念模型[3]。

研究區(qū)油田無(wú)重質(zhì)非水相污染物，落地油或輸油管道泄漏污染物主要對(duì)潛水含水層造成污染；大部分區(qū)域潛水和第一承壓水層之間為粉質(zhì)黏土，厚度在10～20m之間，其滲透系數(shù)與上層含水層相比差3個(gè)數(shù)量級(jí)，構(gòu)成良好的隔水層，對(duì)于其下伏的承壓含水層，則很難造成污染；而假定注水井滲漏點(diǎn)剛好位于第一層承壓水處，泄漏的含油污水直接進(jìn)入承壓水造成污染。因此，本次研究對(duì)象為火山巖裂隙孔洞潛水、松散巖類孔隙潛水及與第一承壓水含水層。

2.2 地下水流及污染物遷移數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型，可建立與其相對(duì)應(yīng)的地下水流數(shù)學(xué)模擬模型，采用下列偏微分方程的定解問(wèn)題描述研究區(qū)地下水規(guī)律，如公式（1）。

式中 K1，K2分別為潛水、承壓含水層的水平滲透系數(shù)（m/d）；K′為弱透水層垂向滲透系數(shù)（m/d）；Kn為邊界面法向方向的滲透系數(shù) （m/d）；h1，h2分別為潛水、承壓含水層的水位標(biāo)高 （m）；b為潛水含水層底板標(biāo)高 （m）；p為潛水面的蒸發(fā)和降雨入滲強(qiáng)度等（m/d）；M為承壓含水層厚度 （m）；M′為弱透水層厚度（m）；Γ0為滲流區(qū)域的上邊界，即地下水的自由表面；h為潛水含水層已知水位邊界值 （m）；Γ1為一類邊界，已知水位邊界；Γ2為二類邊界的定流量邊界；q為含水層二類邊界單位面積上的流量，流入為正，流出為負(fù)，隔水邊界為0（m/d）；Γ3為滲流區(qū)域的下邊界，即含水層底部的隔水邊界；n為邊界面的法線方向；x，y，z為空間位置坐標(biāo)（m）。

本次研究是針對(duì)輸油管道泄漏地下水原油遷移范圍進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)于單組分的污染物在地下水系統(tǒng)中的遷移過(guò)程中，考慮巖土對(duì)原油的吸附作用，并結(jié)合輸油管線的實(shí)際情況，將污染物遷移數(shù)學(xué)模型描述為公式（2）：

2.3 邊界條件與網(wǎng)格剖分

2.3.1 邊界條件

潛水含水層南部、西部、東部和西北部為流量邊界，東北環(huán)海部為定水頭邊界；承壓含水層北部、南部、東部概化為流量邊界，西部概化為隔水邊界。

模型垂向上概化為3層，工作區(qū)上邊界為潛水面，在該面上發(fā)生了大氣降水入滲、潛水蒸發(fā)排泄等垂向水量交換。底部邊界為第一承壓含水層的隔水底板，該處地下水徑流滯緩，與下部含水層間水交換微弱，可概化為零流量邊界[4-5]。

2.3.2 網(wǎng)格劃分

將工作區(qū)網(wǎng)格剖分大小為200m×200m，共剖分有效單元格38196個(gè)，垂向上為3層，如圖1。

圖1 工作區(qū)空間剖分

2.4 模型識(shí)別和驗(yàn)證

2.4.1 地下水水位擬合

觀測(cè)流場(chǎng)利用本次水文地質(zhì)工作所取得的水位資料[6]，并修正工作區(qū)以往地下水位資料，而進(jìn)一步處理分析，確定工作區(qū)地下水水流場(chǎng)[7]。

模擬結(jié)果表明，工作區(qū)潛水含水層地下水計(jì)算流場(chǎng)與觀測(cè)流場(chǎng)比較吻合（如圖2，圖3）。

圖2 潛水含水層流場(chǎng)擬合

圖3 承壓水含水層流場(chǎng)擬合

地下水穩(wěn)定流數(shù)值模擬模型基本上能夠反映工作區(qū)地下水流動(dòng)規(guī)律和特征，符合工作區(qū)實(shí)際的水文地質(zhì)條件，可利用該模型進(jìn)行地下水污染預(yù)測(cè)研究。

2.4.2 地下水系統(tǒng)均衡分析

通過(guò)對(duì)模型識(shí)別驗(yàn)證，得出模擬區(qū)地下水系統(tǒng)水量均衡結(jié)果如表1。

表1 模擬區(qū)地下水系統(tǒng)水量均衡結(jié)果

由表1可以看出，模擬區(qū)1個(gè)水文年里，地下水總補(bǔ)給量與總排泄量大致均衡，補(bǔ)給量略大于排泄量，為正均衡。

3 溶質(zhì)遷移模擬結(jié)果分析

3.1 事故風(fēng)險(xiǎn)狀況

研究區(qū)內(nèi)分布了不同的工業(yè)項(xiàng)目，對(duì)區(qū)內(nèi)地下水將產(chǎn)生不同程度的影響。通過(guò)確立污染源—污染途徑—污染受體研究，確定地下水污染預(yù)測(cè)的概念模型，進(jìn)行地下水污染模型模擬預(yù)測(cè)，研究3種工況下污染物泄露發(fā)生10年和20年后，石油類在水平方向上的運(yùn)移范圍 （取0.05mg/L作為石油類的污染限，即0.05mg/L等濃度線表示石油類的污染范圍）。

3種工況：（1）正常工況且有防滲措施條件下的泄露；（2）事故工況1，即輸油管道破裂造成原油泄漏，原油經(jīng)過(guò)破壞的部位進(jìn)入土壤及地下水的情景；（3）事故工況2，即輸油管道老化腐蝕穿孔造成原油泄漏，原油經(jīng)過(guò)破壞的部位進(jìn)入土壤及地下水的情景。

輸油管線泄漏點(diǎn)可能發(fā)生在輸油管線上的任一位置，為簡(jiǎn)化地下水污染物預(yù)測(cè)工作，本次評(píng)價(jià)擬選取輸油管線上經(jīng)過(guò)的不同類型地下水含水層進(jìn)行預(yù)測(cè)，即每種類型選擇1個(gè)泄漏點(diǎn)進(jìn)行地下水污染物運(yùn)移模擬預(yù)測(cè)。

3.2 結(jié)果分析

利用MODFLOW和MT3D模塊，聯(lián)合運(yùn)行水流和水質(zhì)模型[8]，污染物流向指向溝的下游，與地下水的流向基本一致。

3.2.1 正常工況

1#，2#預(yù)測(cè)點(diǎn)在預(yù)測(cè)期內(nèi)石油濃度非常低（如圖4，圖5），遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于石油的檢出限0.05mg/L，可知正常工況條件下石油類對(duì)地下水環(huán)境的影響較小。

圖5 2#預(yù)測(cè)點(diǎn)落地油在潛水含水層濃度變化

3.2.2 事故工況1

文譚村和多樂(lè)村位于地下水徑流上游，污染物對(duì)兩村基本無(wú)影響。欽帝村、文學(xué)村、美秀村受污染物影響如圖6，圖7。

圖6 管線破裂泄漏10年后石油類擴(kuò)散

圖7 管線破裂泄漏20年后石油類擴(kuò)散

文學(xué)村污染物在第3年開始入海，在第10年污染范圍達(dá)到最大，影響范圍107793.04m2。

3.2.3 事故工況2

文譚村與多樂(lè)村位于地下水徑流上游，污染物對(duì)兩村基本無(wú)影響。欽帝村、文學(xué)村、美秀村受污染物影響如圖8，圖9。

圖8 管線破裂泄漏10年后石油類擴(kuò)散

文學(xué)村污染物在第4年開始入海，在第10年污染范圍達(dá)到最大，102247.4m2。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）由于地下流向是自南向北順地勢(shì)流動(dòng)，因此總體上輸油管線泄露污染物由南向北順地勢(shì)擴(kuò)展。

（2）輸油管線上游（向南）村莊基本沒(méi)有受到泄露污染物影響，下游村莊受到一定影響。

（3）隨著地下水的混合作用，越向下游，污染物的濃度逐漸降低，污染物的擴(kuò)展速度越慢，但污染范圍隨著污染物持續(xù)泄露不斷擴(kuò)大；文學(xué)村污染物在第10年入海，污染范圍達(dá)到最大，其余村莊污染范圍逐漸擴(kuò)大。

（4）輸油管道沿線地下水污染控制應(yīng)堅(jiān)持“注重源頭控制、強(qiáng)化監(jiān)控手段、污水集中處理、完善應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)建設(shè)”的原則，宗旨是采取主動(dòng)控制，避免泄漏事故發(fā)生。

（5）建立地下水污染防治機(jī)制，一旦發(fā)生污染事故，有專業(yè)隊(duì)伍承擔(dān)地下水污染調(diào)查、修復(fù)工作，使污染危害降到最低。

（6）研究區(qū)規(guī)劃建設(shè)時(shí)，敏感污染源項(xiàng)目要有淺層地下水防污染對(duì)策。