西部某油田運營期地下水污染模擬研究

蘭斐 范閱 彭邦洲

1青島中油巖土工程有限公司

2新疆油田公司采油一廠特種技術(shù)采油作業(yè)區(qū)

隨著近幾十年西部大開發(fā)的實施，西部地區(qū)石油開采工業(yè)迅猛發(fā)展，伴隨而來的地下水污染問題也越發(fā)嚴(yán)重。石油類開采具有高污染的特性，污染物一旦泄漏進(jìn)入地下水中很難被發(fā)現(xiàn)，且一旦發(fā)生污染，極難治理與恢復(fù)[1]。因此，掌握地下水污染物在含水層中的運移規(guī)律對于地下水污染防治十分關(guān)鍵，研究油井中地下水污染物在地下水含水層中向下游遷移的規(guī)律具有重要意義，研究結(jié)果有助于在今后的生產(chǎn)管理中更精確地對污染防控提出要求，從而避免地下水污染。

1 研究區(qū)概況

某小型油田位于我國西部地區(qū)，該區(qū)域地貌為傾斜平原，含水層為粉砂、細(xì)砂和中砂，粗砂及礫砂少見，多為薄層。地下水埋深9～22 m，在深度300 m 內(nèi)為一套砂類土與黏性土交互堆積的無穩(wěn)定隔水層的含水層組，砂層與黏性土層呈互層狀產(chǎn)出。由于地層本身的壓力和地表向南的緩坡，含水層埋藏越深，壓力頭越高，50～70 m 深度多段可得自流水。根據(jù)地下水的水力性質(zhì)、埋藏條件和賦存條件，該區(qū)地下水分為碎屑巖類孔隙裂隙水和松散巖類孔隙水兩類。松散巖類孔隙水在接受平原地表水的下滲和補給后，基本沿地勢南移，由單一的潛水向上層潛水、下層承壓水轉(zhuǎn)變，頂托補水潛水最終以地面蒸發(fā)、植物蒸騰等隱蔽蒸發(fā)的形式排放到傾斜平原的前緣，將得到的地下水蒸發(fā)完畢，從而完成地下水的補給、徑流、排泄全過程。區(qū)內(nèi)地下水的排泄途徑主要有淺層地下水及地表水的蒸發(fā)排泄和地下水含水層的側(cè)向徑流排泄等。

根據(jù)調(diào)查資料，項目所在區(qū)潛水水位受農(nóng)業(yè)灌溉影響較大，水位高值出現(xiàn)在每年的4～6 月份，低值出現(xiàn)在1～2月份，年內(nèi)變幅為0.68～1.29 m。區(qū)內(nèi)潛水水位整體變化趨勢是每年3～4 月受農(nóng)田灌溉影響，潛水水位迅速上升，9 月停灌，潛水水位持續(xù)下降，1 月前后地面結(jié)凍，蒸發(fā)減弱，水位平穩(wěn)，至3、4 月份農(nóng)灌期水位再次上升。2005 年，該區(qū)地下水年際變化較為穩(wěn)定，隨著經(jīng)濟(jì)及農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，2005年后區(qū)域水位整體程下降趨勢。

2 模型的建立與計算

2.1 地下水概念模型

地下水概念模型是對調(diào)查區(qū)域水文地質(zhì)條件的簡化模型，目的是使模型中的水文地質(zhì)條件盡可能簡單明了。本次建立的地下水概念模型是均質(zhì)、各向同性、穩(wěn)定流三維模型，主體構(gòu)型由邊界條件、內(nèi)部控制方程和地下水流模型三大要素組成。通過對調(diào)查區(qū)地層巖性、含水層特征、地下水化學(xué)類型的調(diào)查分析，確定組成模型的各個要素。

2.2 模擬軟件選擇

本研究選用常用軟件GMS（Groundwater Modeling System）建立研究區(qū)地下水流模型，進(jìn)行水流模擬和溶質(zhì)運移。

2.3 地下水滲流模型

2.3.1 數(shù)學(xué)控制方程及求解

在對調(diào)查區(qū)水文地質(zhì)概念模型分析的基礎(chǔ)上，基于滲流連續(xù)性方程和達(dá)西定律，建立了與調(diào)查區(qū)地下水概念模型相匹配的的均質(zhì)、各向同性、穩(wěn)定流三維模型[2]。

模擬區(qū)內(nèi)的地下水運動可用以下數(shù)學(xué)模型描述：

式中：Ω為地下水滲流區(qū)域；S1為模型的第一類邊界；S2為模型的第二類邊界；kxx，kyy，kzz分別為x，y，z主方向的滲透系數(shù)，m/s；w為模型的流入和流出特征，即源匯項，m3/s；H0(x,y,z) 為第一類邊界條件下的地下水水頭函數(shù)，m；q(x,y,z)為第二類邊界條件下的單位面積流量函數(shù)，m3/s。

地下水污染模擬過程沒有考慮污染物在含水層中的吸附、揮發(fā)和生化反應(yīng)，為了保證模擬結(jié)果的可信性，模型中的各個參數(shù)都進(jìn)行了保守考慮。

2.3.2 模擬區(qū)范圍

BH-10 號集中式飲用水水源井位于油田YH304-2H 油井下游1 256 m 處，為本次模擬中潛在污染風(fēng)險最大的保護(hù)目標(biāo)，在分析了解該水源井所在區(qū)域地形地貌特征、地層巖性、水文地質(zhì)條件、地下水開發(fā)利用情況、污染源及保護(hù)目標(biāo)分布位置的基礎(chǔ)上，考慮到該井處于一個較大的水文地質(zhì)單元上，周邊無天然的水力邊界，因此，依據(jù)上下游關(guān)系確定調(diào)查模擬區(qū)范圍如下：

依托于流場情況，YH304-2H油井以西2 070 m處955 m 高程等水位線為本模擬區(qū)的西部邊界，長7 653 m；YH304-2H 油井以東4 680 m 處920 m 高程等水位線為本模擬區(qū)的東部邊界，長3 783 m；模擬區(qū)的南北邊界連接?xùn)|西邊界且垂直于流場方向，整個模擬區(qū)面積共73.77 km2[3]。

2.3.3 地質(zhì)模型及網(wǎng)格剖分

模擬區(qū)含水層結(jié)構(gòu)較為簡單，為第四系洪沖積砂類土，在深度300 m 內(nèi)為一套砂類土與黏性土交互堆積的無穩(wěn)定隔水層的含水層組，因此模擬區(qū)域的含水層概化為單一潛水含水層。

模擬區(qū)邊界為流量邊界，包括入流量邊界、出流量邊界和隔水邊界三類[4]。

由于模擬區(qū)地下水流向為自西向東，因此本模擬區(qū)入流量邊界為模型的西側(cè)邊界，出流量邊界為模型的東側(cè)邊界，南北兩側(cè)為隔水邊界，三類邊界均為非自然的人為邊界，控制該邊界流量因素有兩個，分別是地下含水層的水力梯度和地下含水層的導(dǎo)水能力。地下含水層的導(dǎo)水能力固定不變，根據(jù)水力學(xué)中的達(dá)西定律，通過邊界的單寬流量為：

式中：q為邊界單寬流量，m2/d；q0為邊界在初始時單寬流量，m2/d；ΔJ為邊界處水力坡度變化值；T為邊界處導(dǎo)水系數(shù)，m2/d。

根據(jù)計算結(jié)果，本次模擬的入流量邊界流量為3 061.2 m2/d，出流量邊界流量為1 513.2 m2/d。

由于面積很大，模型的補給項中大氣降水補給、灌溉垂直入滲補給均可視為面狀補給，可近似假定灌溉用水入滲補給的量是均衡的，即灌溉入滲補給可概化為面源補給。由于模擬區(qū)地下水埋深較深，故本次模擬中暫時不考慮蒸發(fā)對地下水的影響[5]。

根據(jù)有限差分法剖分原理，采用規(guī)則網(wǎng)格剖分方法，有效計算單元9 532個。網(wǎng)格剖分圖見圖1。

圖1 模擬區(qū)范圍及網(wǎng)格剖分Fig.1 Simulation area range and mesh division

根據(jù)抽水試驗結(jié)果，本區(qū)地層滲透系數(shù)取0.8 m/d；根據(jù)地層情況，給水度取經(jīng)驗值0.2；根據(jù)流場情況，模擬區(qū)水力坡度為0.005[6]。

2.4 模型識別與驗證

模型識別和驗證過程是整個仿真過程中極其重要的一步，一般情況下，對涉及到的水文地質(zhì)參數(shù)需要在合理范圍內(nèi)反復(fù)修改調(diào)整并試算才能達(dá)到較為真實的擬合效果。該模型的識別和驗證過程中采用的方法是試估-校正法，它是一種間接的參數(shù)反轉(zhuǎn)方法[7]。

通過運行GMS 中計算程序，確定特定的水文地質(zhì)參數(shù)和水均衡下水文地質(zhì)概念模型中地下水位的時間及空間的分布，通過擬合給定邊界條件、源匯項等識別水文地質(zhì)參數(shù)和邊界值等平衡項，使建立的地下水水流模型更符合調(diào)查區(qū)實際的水文地質(zhì)條件，進(jìn)而確定調(diào)查區(qū)地下水的流入和流出，從而精確地預(yù)測某特定條件下的地下水流場[8]。

根據(jù)上述模型結(jié)構(gòu)和各模型參數(shù)的初值，可以對模型進(jìn)行反演計算。根據(jù)實際觀測數(shù)據(jù)，對滲透系數(shù)、導(dǎo)水率、垂向補償和排水強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

通過建立評價區(qū)模型結(jié)構(gòu)，并對模型邊界條件進(jìn)行刻畫、給定各參數(shù)的初始值、源匯項等得到的地下水流場圖與初始流場對比圖（圖2）。

圖2 模擬地下水流場與實際流場對比（彩色等值線為模擬流場）Fig.2 Comparison of simulated groundwater flow field and actual flow field(colored contour lines represent simulated flow field)

通過上述對比結(jié)果可見，所建立模型的模擬結(jié)果與初始流場對比，流場形態(tài)基本相似，水力梯度大致相等，基本能夠反映地下水系統(tǒng)的水力特征，可利用此地下水模型進(jìn)行地下水污染模擬預(yù)測。

2.5 地下水環(huán)境影響預(yù)測

2.5.1 地下水污染模擬情景

在正常運營的工況下，地下水不會受到污染。在事故狀態(tài)下，油田對地下水的環(huán)境污染影響主要是油井管道在受到腐蝕或者斷裂時發(fā)生的石油類物料外滲，石油類污染物穿過包氣帶，進(jìn)而對地下水產(chǎn)生污染。設(shè)定事故情景為連續(xù)性小量滲漏，污染物類型為石油類污染物，計算在地下水流作用下，石油類污染物的運移狀況。

本次解析計算預(yù)測采用以下兩種方案：

（1）固定時間、不同距離下的濃度預(yù)測。預(yù)測時間點分別為100、180、360、1 000、3 600 和7 300 d。

（2）固定距離、不同時間下的濃度預(yù)測。預(yù)測距離分別為50、100、200 m。

正常運營條件下對水源地水質(zhì)無影響，但一旦發(fā)生泄漏后，石油類污染物將進(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。

由于石油類物質(zhì)在水中的最大溶解度為15 mg/L，出于保守考慮，模型中污染物濃度取15 mg/L。

2.5.2 模擬結(jié)果

（1）固定時間、不同距離下的石油類污染物濃度預(yù)測。分別選取100、180、360、1 000、3 600和7 300 d 的污染物運移情況，預(yù)測結(jié)果分別如圖3～圖8所示。

圖3 100 d石油類污染物污染暈的擴(kuò)散情況Fig.3 Diffusion of petroleum pollutant pollution halo at 100th d

圖4 180 d石油類污染物污染暈的擴(kuò)散情況Fig.4 Diffusion of petroleum pollutant pollution halo at 180 d

圖5 360 d石油類污染物污染暈的擴(kuò)散情況Fig.5 Diffusion of petroleum pollutant pollution halo at 360th d

圖6 1 000 d石油類污染物污染暈的擴(kuò)散情況Fig.6 Diffusion of petroleum pollutant pollution halo at 1 000th d

圖7 3 600 d石油類污染物污染暈的擴(kuò)散情況Fig.7 Diffusion of petroleum pollutant pollution halo at 3 600th d

圖8 7 300 d石油類污染物污染暈的擴(kuò)散情況Fig.8 Diffusion of petroleum pollutant pollution halo at 7 300th d

根據(jù)預(yù)測結(jié)果，在滲漏發(fā)生100 d 時，距離油井110.16 m內(nèi)地下水中石油類污染物濃度超過生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)上限（0.3 mg/L，總量）；在滲漏發(fā)生180 d 時，距離油井118.47 m 內(nèi)地下水中石油類污染物濃度超過生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)上限；在360 d時，距離油井125.71 m內(nèi)地下水中石油類污染物超過生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)上限；在滲漏發(fā)生1 000 d時，距離油井164.01 m 內(nèi)地下水中石油類污染物濃度超過生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)上限；在滲漏發(fā)生3 600 d 時，距離油井220.44 m 內(nèi)地下水中石油類污染物濃度超過生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)上限；在滲漏發(fā)生73 00 d 時，距離油井299.25 m 處地下水中石油類污染物濃度超過生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)上限。

（2）固定距離、不同時間下的石油類污染物濃度預(yù)測。分別選取距油井50、100 和200 m 處進(jìn)行預(yù)測，分析其在滲漏發(fā)生后石油類污染物的濃度變化趨勢，預(yù)測結(jié)果如圖9～圖11所示。

圖9 距油井50 m處石油類濃度變化趨勢Fig.9 Variation trend of petroleum concentration at 50 m from the oil well

圖10 距油井100 m處石油類濃度變化趨勢Fig.10 Variation trend of petroleum concentration at 100 m from the oil well

圖11 距油井200 m處石油類濃度變化趨勢Fig.11 Variation trend of petroleum concentration at 200 m from the oil well

根據(jù)預(yù)測結(jié)果顯示，隨著泄漏的發(fā)生，地下水中石油類污染物濃度逐漸上升，地下水污染程度逐漸增大。在距油井50 m 處地下水中石油類濃度超過0.3 mg/L（總量）的滲漏時間為第113 天，在距油井100 m 處地下水中石油類濃度超過0.3 mg/L（總量）的滲漏時間為第849天，在距油井200 m處地下水中石油類濃度在7 300 天（20 年）時的濃度仍然低于檢出限。

3 結(jié)論與建議

在油井石油污染物持續(xù)泄漏的工況下，石油類污染物將會進(jìn)入地下水系統(tǒng)，對地下水造成局部污染，伴隨著污染物的不斷運移，污染范圍和程度進(jìn)一步增大。

根據(jù)預(yù)測結(jié)果，油井下游距離最近的保護(hù)目標(biāo)（BH-10 集中式飲用水水源井）在預(yù)測時段（20年）內(nèi)很難受到影響，石油類污染物在泄漏時對地下水環(huán)境的影響較小。

建議項目建設(shè)中埋地管道采用耐腐蝕的非金屬材質(zhì)，并選用熱熔焊接等適當(dāng)?shù)倪B接方式，減少漏點，盡可能避免腐蝕，降低埋地管道系統(tǒng)泄漏的可能性，避免污染地下水[9]。同時建議在油井周邊及上游設(shè)立應(yīng)急抽水井，一旦發(fā)生地下水污染事故，及時進(jìn)行搶修，將損失控制在最低限度[10]。