某石化基地地下水污染模擬研究

蘭 斐，趙洪輝

（青島中油巖土工程有限公司，山東 青島 266000）

1 研究區(qū)概況

某石化基地位于我國西南地區(qū)，項目區(qū)域內(nèi)松散堆積物大量沉積厚度不均?；咨喜克缮⒊练e物（白堊系紅色基巖）自下而上依次沉積下更新世、中更新世、上更新世和全新世，由舊至新疊加。 由于不同時期沉積的松散沉積物的成因和巖性不同，形成了下含水層、上含水層相對穩(wěn)定的分布及其之間的相對隔水層。項目區(qū)域內(nèi)水流動方向主要受地形地貌控制，總體上由西北向東南流動。根據(jù)多年地下水水位監(jiān)測資料，結(jié)合枯水期、平水期、豐水期水位變幅，區(qū)域內(nèi)地下水水位隨時間變化不大，水位總體變幅在1.2～2.4m以內(nèi)，基本處于均衡狀態(tài)。上層含水層地下水補給的主要來源是大氣降水、溝渠水、農(nóng)業(yè)灌溉補水和地下水側(cè)向徑流補給。排泄方式主要是徑流和蒸發(fā)。

2 模型的建立與計算

2.1 地下水流數(shù)值模型

2.1.1 水文地質(zhì)概念模型

水文地質(zhì)概念模型概括了含水層的實際邊界特性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、滲透系數(shù)、水力特性及補給和排泄條件，以用于數(shù)學(xué)和物理模擬。水文地質(zhì)概念模型是對地下水系統(tǒng)的科學(xué)概化。它是對復(fù)雜的實際系統(tǒng)的一種近似處理，以滿足建立模型的要求。它是地下水系統(tǒng)模擬的基礎(chǔ)。它把研究對象視為一個有機(jī)整體，以地質(zhì)為基礎(chǔ)，整合各種信息，匯集多學(xué)科的研究成果。

根據(jù)對研究區(qū)水動力場、巖性構(gòu)造、水化學(xué)場的分析，可以確定概念模型的要素。三要素的核心是邊界條件、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地下水流型。

2.1.2 模擬區(qū)域

模擬區(qū)域面積約65.58km2。

2.1.3 含水層概化

評價區(qū)內(nèi)沉積了厚度不等的松散堆積物?；咨喜克缮⒊练e物（白堊系紅色基巖）自下而上依次沉積下更新世、中更新世、上更新世和全新世，由舊至新疊加。 由于不同時期沉積的松散沉積物的成因和巖性不同，形成了下含水層、上含水層相對穩(wěn)定的分布及它們之間的相對隔水層。

2.1.3.1 上部砂卵石含水層

上更新世至全新世沉積的松散沉積物形成了相對穩(wěn)定的孔隙含水層體系。主要埋藏于淺部的松散堆積砂卵石層中。該含水層結(jié)構(gòu)松散，孔隙性好，具連續(xù)統(tǒng)一的潛水面，在研究區(qū)分布普遍，厚度穩(wěn)定，一般10～30m，平均15～20m，但在山前沖洪積扇頂?shù)囟?，基巖埋深不大，且局部缺失上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)上段冰水流水堆積層，含水層（有效）厚度薄，僅3～5m或<10m。由于不同部位厚度各異，且卵石間充填物顆粒大小及密度的差異，其導(dǎo)水性能表現(xiàn)出一定的差異。

2.1.3.2 下部強風(fēng)化含泥砂礫卵石含水層

下含水層群主要由下中更新世和早更新世風(fēng)化-強風(fēng)化泥質(zhì)礫石卵石層組成。根據(jù)已有資料，中更新統(tǒng)下段在平原內(nèi)分布穩(wěn)定，從平原西部出山口處（關(guān)口）厚度5.85m，逐漸增至數(shù)十米（平原中部），從含水層的巖性結(jié)構(gòu)來看，礫石層風(fēng)化差異明顯，隨著厚度的增加，下更新統(tǒng)礫石層膠結(jié)程度增加?？偟目磥?，下部含水層組富水性屬水量貧乏—中富，滲透系數(shù)為0.25～1.78m/d，單井出水量多在80～1100m3/d間。

2.1.3.3 上、下含水層之間的相對隔水層

項目區(qū)上下含水層之間，普遍分布著中更新統(tǒng)上層泥質(zhì)礫石層，一般為棕黃色、棕黃色粉砂、泥質(zhì)充填（或包覆）礫石層，礫石層為強風(fēng)化的礫石層。礫石被黏土包圍，結(jié)構(gòu)致密，滲透性差，不含水或幾乎不含水，地層相對穩(wěn)定。該層在該地區(qū)很常見，并成為上下含水層之間相隔水層。埋藏深度12～30m，厚10～28m。

由于第四系中更新統(tǒng)上段強烈風(fēng)化泥礫卵石層，在平原內(nèi)分布廣泛且較為穩(wěn)定而形成隔水層位，使上、下含水層的水位（水頭）差異明顯，在同一鉆孔位置多表現(xiàn)為下部承壓含水層的水頭略低于上部潛水含水層的水位。

2.1.4 側(cè)向邊界模擬區(qū)的北側(cè)，東側(cè)，西南側(cè)均為河流，因此，側(cè)向邊界概化為定水頭邊界。

2.1.5 垂向邊界

模擬區(qū)地下水系統(tǒng)下部含水層底部與基巖接觸，基巖構(gòu)成隔水底板。上界為潛水面，接受大氣降雨補給、河道滲漏和農(nóng)田灌溉下滲。

圖1 模型示意圖（垂向放大30倍）

2.1.6 地下水動態(tài)特征

模擬區(qū)地下水流動方向主要受地形地貌控制，總體上由西北向東南流動。根據(jù)多年地下水水位監(jiān)測資料，結(jié)合枯水期、平水期、豐水期水位變幅，區(qū)域內(nèi)地下水水位隨時間變化不大，水位總體變幅在1.2～2.4m以內(nèi)，基本處于均衡狀態(tài)。

本次評價基于對地下水動力學(xué)、地下水系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部環(huán)境、邊界條件、水文地質(zhì)參數(shù)等的認(rèn)識，模擬區(qū)地下水系統(tǒng)概念模型可概括為非均質(zhì)各向異性、空間三維結(jié)構(gòu)，非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)。

2.1.7 數(shù)學(xué)控制方程及求解

通過對區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)概念模型的分析，依據(jù)滲流連續(xù)性方程和達(dá)西定律，建立與區(qū)內(nèi)地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)概念模型相對應(yīng)的三維非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型：

2.1.8 模擬的流場及源匯項

本次模擬的初始流場為2020年1月評價區(qū)的地下水水位（枯水期）。源匯項目主要包括側(cè)向流入、降雨入滲、人工開采等，每個項目在對應(yīng)分區(qū)上轉(zhuǎn)換成強度，然后分配到對應(yīng)的單元格中。

2.1.9 軟件的選擇及網(wǎng)格剖分

Visual MODFLOW是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的用于地下水流和污染物運移模擬的三維地下水模擬軟件。包括MODPATH、MT3DMS、PEST等模塊。目前已經(jīng)成為最為普及的地下水運移數(shù)值模擬的計算軟件，也是本次模擬選用的軟件。

本次模擬預(yù)測根據(jù)地下水流場特征及水文地質(zhì)條件，將模擬區(qū)共剖分53364個有效單元格，并對廠區(qū)位置進(jìn)行了加密處理，如圖2。

圖2 模型網(wǎng)格剖分

2.1.10 地下水水流模型識別

在對上述地質(zhì)和水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合地形地貌、地下水流場特征及現(xiàn)場抽水試驗計算結(jié)果，對模擬區(qū)上層含水層滲透系數(shù)進(jìn)行分區(qū)，K1區(qū)域滲透系數(shù)為120m/d，K2區(qū)域滲透系數(shù)為60m/d。同時通過計算水位和實際水位擬合分析，反復(fù)調(diào)整參數(shù)，并最終得到了含水層參數(shù)，如圖3。

圖3 模擬區(qū)滲透系數(shù)分區(qū)圖

模型識別與驗證是仿真中極其重要的一步，通常需要反復(fù)調(diào)整參數(shù)才能達(dá)到較為理想的擬合結(jié)果。主要操作步驟為：①運行計算程序，得到給定水文地質(zhì)參數(shù)和各種平衡項條件下模擬區(qū)地下水流場。②通過擬合同一時期的均勻測量流場，可以識別水文地質(zhì)參數(shù)等平衡項，使建立的模型更符合模擬區(qū)的水文地質(zhì)條件。

模型的識別與驗證主要遵循以下4個原則：模擬地下水流場應(yīng)與實際地下水流場基本一致；從均衡的角度來看，模擬的地下水均衡變化應(yīng)與實際情況基本一致；模擬的水位動態(tài)應(yīng)與實際實測水位一致；確定的水文地質(zhì)條件必須符合實際水文地質(zhì)條件。

本次模擬以評價區(qū)2020年1月地下水位（枯水期）為初始流場進(jìn)行模擬。 以評價區(qū)2020年8月地下水位（豐水期）為模型驗證流場，驗證后的地下水流場擬合如圖4。模擬地下水流場與實測流場吻合較好，說明本次建立的數(shù)值模型能夠描述模擬區(qū)內(nèi)地下水分布規(guī)律。

圖4 模擬區(qū)流場擬合

2.2 地下水溶質(zhì)運移數(shù)值模型

由于模擬區(qū)場地地下水埋藏深度小，本次評價假定在污染物泄漏后到達(dá)潛水含水層并達(dá)到最大濃度，滲漏速度為包氣帶的飽和垂向滲透系數(shù)，基于水文地質(zhì)概念模型預(yù)測地下水中污染物的運移。

根據(jù)水文地質(zhì)模型的模擬計算結(jié)果和模型模擬的地下水流場，地下水中污染物的運動以分散和對流為主，在模擬過程中沒有考慮污染物在含水層中的吸附和揮發(fā)及生化反應(yīng)，模型整體保守考慮。

2.2.1 數(shù)學(xué)模型

描述某一污染物的三維非定常溶質(zhì)運移模型可用以下偏微分方程表示：

這種三維非穩(wěn)定溶質(zhì)運移模型使用Modflow Flex中的MT3DMS模塊進(jìn)行預(yù)測和計算。 邊界和初始條件設(shè)置如下：

（1）初始條件。

C（x，y，t）=C0（x，y）（x，y）∈Ω，t=0

（2）邊界條件。Neumann邊界條件，邊界的濃度梯度為：

2.2.2 流場的給定

模擬區(qū)自然條件相對穩(wěn)定，主要表現(xiàn)為降雨、蒸發(fā)等氣象要素年際變化較小，模擬區(qū)地下水系統(tǒng)源匯項基本不變。監(jiān)測的地下水流場可反映場地平整后的地下水流動特征。

2.2.3 彌散度的給定

由于水動力彌散尺度效應(yīng)的存在，很難通過現(xiàn)場或室內(nèi)彌散試驗獲得真實的彌散度。因此，本次評價參考了以往的研究成果。從圖5可看出，評價區(qū)對應(yīng)的分散度應(yīng)該在1～10m之間，根據(jù)保守的評價原則，本次模擬縱向彌散度參數(shù)值取10m，橫向彌散度參數(shù)值取1m。

3 地下水模擬預(yù)測

本項目含油污水處理池，正常運營條件下，對水源地水質(zhì)無影響，一旦發(fā)生泄漏后，石油類污染物將會進(jìn)入地下水系統(tǒng)，對地下水造成污染，伴隨著污染物的不斷運移，污染范圍和程度進(jìn)一步增大。

假設(shè)石油類污染物發(fā)生持續(xù)少量泄漏，進(jìn)入地下水，出于保守考慮，污染物濃度取500mg/L。

假設(shè)含油污水處理池地基不均勻沉降導(dǎo)致池底開裂，石油類污染物發(fā)生持瞬時大量泄漏，裂縫長5m，寬2cm，假設(shè)泄漏發(fā)生后10d后被發(fā)現(xiàn)并切斷泄漏源。

單位面積滲漏量Q可根據(jù)式（1）計算：

式中 K為評價區(qū)包氣帶垂向等效滲透系數(shù)；I為水力梯度，等于包氣帶厚度除以水深。

式中 Ki為第i層的滲透系數(shù)；Mi為第i層的厚度。

根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，土壤垂向滲透系數(shù)為0.014cm/s。則滲漏速率為0.014cm/s×2×500=14cm3/s=1.2096m3/d。本次模擬模擬時段分別為泄漏發(fā)生后的第50，100，365，1000，3600，7300d。預(yù)測泄漏工況下地下水污染預(yù)測超標(biāo)（石油類濃度≥0.05mg/L）范圍如圖6～圖11及表1。

表1 污染物超標(biāo)情況

圖6 石油類污染物超標(biāo)范圍圖（50d）

圖7 石油類污染物超標(biāo)范圍圖（100d）

圖8 石油類污染物超標(biāo)范圍圖（365d）

圖9 石油類污染物超標(biāo)范圍圖（1000d）

圖10 石油類污染物超標(biāo)范圍圖（3600d）

圖11 石油類污染物超標(biāo)范圍圖（7300d）

4 結(jié)語

（1）石油類污染物發(fā)生持續(xù)少量泄漏的工況下，模擬期內(nèi)石油類污染物的滲漏對局部區(qū)域的淺層水造成污染，隨著運移時間增加，超標(biāo)范圍越來越大，在1000d時，運移范圍達(dá)到最大，隨后污染物隨著水流運不斷消散和稀釋，污染物濃度不斷降低，范圍逐漸縮小，整個預(yù)測時段內(nèi)，石油類污染物未運移到最近的保護(hù)目標(biāo)處。

（2）建議在含油污水池下游按照國家及行業(yè)內(nèi)相關(guān)規(guī)范要求做好地下水污染的長期監(jiān)測工作，及時準(zhǔn)確掌握項目場地周邊地下水環(huán)境質(zhì)量及地下水體污染物動態(tài)變化情況，以便及時發(fā)現(xiàn)污染，同時，在含油污水池及周邊按照重點防滲區(qū)的防滲設(shè)置要求做好地面的基礎(chǔ)防滲。建議在含油污水池周邊及上游，設(shè)立應(yīng)急抽水井，并設(shè)置24h不間斷電源，做好應(yīng)急預(yù)案，一旦發(fā)生地下水污染事故，應(yīng)立即啟動應(yīng)急預(yù)案，并根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行研判，及時進(jìn)行搶修，做好安全防范和生態(tài)環(huán)境修復(fù)工作，將損失控制在最低限度。