輸油管泄露地下水污染模擬及防控管理方案比選

陳夢瑞 ,徐世光,2,劉和

(1.昆明理工大學國土資源工程學院,昆明 650093; 2.云南省地礦工程勘察集團有限公司,昆明 650011)

松散巖類孔隙水具有易于開采、含水量豐富等特點,已成為許多地區(qū)的集中供水水源[1],隨著我國經濟的發(fā)展,生產生活造成的地下水污染愈發(fā)嚴重,由于孔隙水埋深較淺,更易受到污染[2-3],因此對其防污問題具有重要現實意義。對于松散巖類孔隙水污染的防控問題,從1960年國外科學家Nielson推導建立對流-彌散方程,得出非反應性物質在多孔介質中的遷移規(guī)律,開始溶質運移理論的發(fā)展,由20世紀80年代山東地質局為主研究單位提出并建立的我國第一個水質數學模型為我國地下水溶質運移的研究奠定了基礎[4]。由于滲透系數和彌散系數獲取困難及方程計算量較大,后經過Jaynes[5]、Wagner[6]、Yamaguchi[7]、Jury[8]等都對溶質運移模型從運移理論、運移方程到軟件應用及模型建立方法做了深入研究,促進了計算機模型運用的快速發(fā)展。

在松散巖類孔隙水污染的防控問題中,如何防止松散層污染物的進一步擴散至關重要,現運用最廣泛的是水力控制法中的“抽出處理方法”,依據現有抽水井將松散層中污染物最有效、最合理地抽出[9],單純使用模型模擬只能得到可行解,為了得到最優(yōu)解,本文針對該地層污染問題建立多目標優(yōu)化模型,結合運籌學原理,運用有限差分進行求解,根據實際水文地質情況給出約束條件,結合可操控的決策變量,得出針對松散層抽水排污的最優(yōu)解,對地下水安全防治具有指導意義。

1 研究區(qū)水文地質概況

研究區(qū)位于滇中滇池以西處的高原中部地帶。多年平均氣溫15.2℃,年均降雨量913.24 mm,屬于干濕季分明的亞熱帶季風氣候區(qū)。研究區(qū)主要劃分為由第四系(Q)松散巖孔隙水;泥盆系宰格組(D3z)碳酸鹽巖及寒武系漁戶村組(∈1y)碳酸鹽巖裂隙溶洞水;由泥盆系海口組(D2h)、寒武系筇竹寺組(∈1q)、侏羅系下祿豐組(J1l)、二疊系、倒石頭組(P1d)和三疊系舍資組(T3s)基巖裂隙水。3類地下水系統中以孔隙水為目標層劃分出水文地質單元含水層為第四系砂、角礫石層,上覆黏土層相對隔水層,地下水微承壓。

研究區(qū)廣泛覆蓋第四系松散層并且整體厚度不均勻, 5～20 m不等。垂向上主要分布著Q4al+pl、Q4el+dl松散層,標準鉆孔揭露松散層上部為回填土、黏性土層,中下部為砂、角礫層,下部為黏性土、殘積土層。回填土、黏性土及殘積土透性差,隔水性能好,砂、角礫為主要含水層,見圖1。當發(fā)生污染物泄漏,主要的污染途徑有兩種:污染物在地表或近地表發(fā)生泄漏,然后在松散層中運移,經過一段時間垂向穿透黏性土弱透水層進入砂、角礫層;污染物直接泄漏在滲透性較好的砂和角礫中,沿水流方向擴散。

圖1 廠區(qū)水文地質剖面圖

2 研究方法

2.1 情景模擬

研究區(qū)地下水潛在污染源為航煤成品罐區(qū)、蠟油加氫裂化裝置、中間原料罐區(qū)、產品罐區(qū)、污水處理池等。據含油污水水質表可知,廠區(qū)內石油類污染因子濃度較大為500 mg/l,選取石油類作為對地下水環(huán)境影響最為顯著的特征因子,并將污染物濃度限值0.1 mg/l作為污染擴散的濃度邊界,監(jiān)測井監(jiān)測下限值為0.1 mg/l。

2.2 水文地質模型

根據研究區(qū)域的水文特點進行邊界狀態(tài)概化,提供水文單元概念模型。

邊界條件概化:據水文地質單元、水力聯系強弱、水頭狀況及補給條件劃分隔水、定水頭、定流量3類邊界,詳見圖2。

圖2 廠區(qū)松散層概念模型邊界圖

含水層概化:據鉆孔資料,第四系松散層成因多為人工回填、沖洪積、殘坡積,根據巖性特征,將含黏土粗礫砂、角礫層概化為松散層含水層,將素填土、耕土、粉質黏土、含礫黏性土、含角礫粉質黏土、殘積土、黏性土夾砂、有機質粉質黏土概化為相對隔水層。由上到下按地層結構可大致分為3層:人工回填土、粉質黏土①層,該層分布較連續(xù),由于黏性土的存在,該層透水性弱,為一個連續(xù)隔水層;角礫、含黏土粗礫砂互層②層,該層在場區(qū)分布較普遍,部分以透鏡體的形式存在,透水性相對黏性土層較好,為不連續(xù)含水層;殘積土③層,該層在場區(qū)分布較普遍,透水性較弱,為不連續(xù)含水層。本模型把砂、角礫層作為目的層。通過分析鉆孔資料和水文地質調查資料,將目標含水層概化為均質各向異性含水層,水動力條件概化為穩(wěn)定流。

源匯項概化:①模擬區(qū)地下水系統補給來源主要為降水補給,多年平均降水量913 mm,降水入滲系數0.068,降水補給量0.000 2 m/d。②模擬區(qū)地下水系統排泄方式主要向北西側向徑流排泄。

2.3 水文地質參數

滲透系數:根據研究區(qū)地層巖性,將滲透系數分為16個區(qū)(圖3)。

圖3 滲透系數分區(qū)圖(單位:m/d)

據滲透張量計算,按主軸向分別為Kx,Ky賦值,其中Kx/Kz=3,賦值情況見表1。

有效孔隙度: 0.12。

給水度:黏土、回填土取0.06,角礫、含黏土粗粒砂取0.17,殘積土取0.08。

2.4 地下水流場

根據水文地質概念模型,結合水動力條件及水文地質參數,基于GMS中MODFLOW版塊構建研究區(qū)地下水流場模型如圖4所示。經校驗模擬的流場與實際流場的趨勢基本一致,且各個觀測孔處水位誤差由表2所示均小于1.5 m,擬合結果較好,進而該流場可用作水質模型的預測分析。

表1 滲透系數分區(qū)表

表2 穩(wěn)定流模型擬合情況表

3 石油污染物遷移及管理方案

3.1 源強設定

將污染源概化為持續(xù)點源,模擬石油類污染物發(fā)生泄漏,污染物濃度500 mg/l,泄漏量10 m3/d。采用GMS中MT3DMS模塊[10],結合地下水流場模型,得到石油類污染物在孔隙水中的運移結果。

3.2 污染物運移模擬結果

模擬結果如圖5所示,泄漏第156 d后,監(jiān)測井JC02監(jiān)測到污染物,濃度為0.102 mg/l。由于水平運移距離遠,黏性土中污染物運移主要體現為垂向下滲。監(jiān)測到污染羽的過程為,污染物垂向下滲至第三層砂、角礫含水層中,在水動力作用下主要發(fā)生對流彌散直至松散層監(jiān)測井JC02監(jiān)測到污染羽邊緣。此時,第一層黏土層中心濃度為54.1 mg/l,污染羽面積為0.008 2 km2;第三層砂、角礫層中心濃度為7.033 mg/l,污染面積為0.009 3 km2。

圖5 156 d污染羽

3.3 抽水方案及約束條件

3.3.1 抽水方案

由模擬結果可知,監(jiān)測井JC02第156 d監(jiān)測到污染物,泄漏量為116 ml/s(10 m3/d),濃度為500 mg/l,此時立刻采取措施截斷污染源并利用“抽出處理法”啟動相應抽水井和監(jiān)測井。以抽水井空間分布位置為條件,控制抽水井數量制定3種方案。

方案①:啟用監(jiān)測井JC02和應急井YJ11同時抽水。

方案②:啟用監(jiān)測井JC02與應急井YJ13同時抽水。

方案③:啟用監(jiān)測井JC02與應急井YJ11、YJ13同時抽水。

3.3.2 抽水約束條件

由上述方案可知,“抽出處理法”需要對廠區(qū)監(jiān)測井和應急井同時抽水,多井長期抽水時,不僅要考慮各個抽水井含水層出水能力是否有限,還需考慮是否對周邊建筑及居民生產生活產生影響。

(1) 抽水井出水能力約束

各抽水井抽出水量總和不能超過松散層極限開采量且各抽水井抽水量也受單井最大出水量約束。

Q(j,i)≤q(j,i)

式中,j為抽水井;i為抽水時段;q為抽水設備的定額抽水量。

模擬最大抽水量為20 m3/d穩(wěn)定流抽水,得單井最大出水量見表3。群井抽水總量間接取單井最大出水量下限值。

表3 單井最大出水量

(2) 地面沉降約束

在松散孔隙含水層中,長時間抽汲地下水所引起的水位下降,會導致孔隙水壓力降低,致使土中有效應力增大,進而使得土層被壓密,發(fā)生地面沉降[11]。各井抽水最大時長見下表4。

表4 單井抽水最大時長

(3) 降落漏斗范圍閾值約束

降落漏斗直徑不超過區(qū)域水文地質單元過水斷面的1/10 ,但形成的降落漏斗范圍至少需要包含高濃度污染物(≥0.5 mg/l)運移方向形成的污染羽,保證能夠全部截獲住下游污染物,這樣以抽水排出污染物的方式才能起到有效防控管理的作用。

3.4 方案比選

模擬采用不同方案進行抽水時,各抽水井及觀測井污染物濃度隨時間增加的變化趨勢如圖6～圖14所示。

圖6 方案①抽水井JC02濃度趨勢圖

圖7 方案①抽水井YJ11濃度趨勢圖

圖8 方案①監(jiān)測井YJ13濃度趨勢圖

圖9 方案②抽水井JC02濃度趨勢圖

圖10 方案②監(jiān)測井YJ11濃度趨勢圖

圖11 方案②抽水井YJ13濃度趨勢圖

圖12 方案③抽水井JC02濃度趨勢圖

圖13 方案③抽水井YJ11濃度趨勢圖

圖14 方案③抽水井YJ13濃度趨勢圖

方案①中JC02井287 d污染物濃度達峰值1.498 2 mg/l,734 d已經符合水質標準濃度為0.499 mg/l。YJ11和YJ13全程污染物濃度低于0.5 mg/l,水質始終達到地下水Ⅳ類標準,YJ13未參與抽水,主要監(jiān)測污染羽側向運移情況。結果表明,抽出處理方案①能截獲污染羽,此時抽水時長從開始抽水時起為578 d。

方案②中JC02與YJ13邊抽水邊做污染物監(jiān)測,檢測結果表明, JC02井296 d污染物濃度達到峰值0.701 39 mg/l,隨后污染物濃度逐步下降,于474 d時達到水質標準降至0.497 mg/l。而YJ13井308 d達峰值0.829 6 mg/l,568 d時達到水質標準降至0.498 mg/l。未抽水的YJ11井作為污染物濃度檢測防線,其濃度趨勢表明,抽出處理方案②能截獲污染羽,抽水時長取YJ13抽水井污染物濃度達到水質標準天數412 d。

方案③中,JC02井342 d污染物濃度達峰值0.744 46 mg/l,于556 d時達到水質標準將至0.498 mg/l。YJ13井330 d達峰值1.265 4 mg/l,778 d時達到水質標準降至0.499 mg/l。而YJ11井始終滿足水質標準。結果表明,方案③能截獲污染羽,抽水時長取YJ13抽水井污染物濃度達到水質標準天數622 d。

結合給出的濃度趨勢圖定量分析降落漏斗閾值約束,3種方案均滿足。但據單井最大抽水時長約束,由模擬抽水時長顯示,方案①需578 d,未超出約束時長630 d,滿足約束;方案②需412 d,未超出約束時長563 d,滿足約束;方案③需622 d,超出約束時長563 d,不滿足約束。而對比方案①和②,雖然都是使用兩口井進行抽水,但方案②具有更短的抽水時間,從經濟效益方面考慮方案②最佳。

4 結論

(1) 在詳細調查收集和整理地質、水文地質、水位和地下水檢測數據的基礎上建立的地下水流場和溶質運移模型,能夠達到精度要求,通過模型識別驗證后,能夠用于預測廠區(qū)的地下水環(huán)境影響預測和評價。

(2) 溶質運移結果表明,在情景模擬情況下,僅156 d監(jiān)測井JC02便監(jiān)測到污染物,含水層污染面積0.009 3 km2,不僅造成地下水污染,也會對周圍居民生活安全造成危害。

(3) 根據模擬結果,設計“抽出處理法”的3種防治管理方法中,啟用監(jiān)測井JC02與應急井YJ13同時抽水的方案②不僅能夠更快速地解決污染物擴散的問題,也更加具有經濟效益。