正常工況下石油類污染物運移及對地下水的污染分析

符明俊,寧立波,董少剛,楊俊倉

(1.中國地質大學(武漢)環境學院,湖北 武漢 430074;2.甘肅省地質環境監測院,甘肅 蘭州 730050)

正常工況下石油類污染物運移及對地下水的污染分析

符明俊1,寧立波1,董少剛1,楊俊倉2

(1.中國地質大學(武漢)環境學院,湖北 武漢 430074;2.甘肅省地質環境監測院,甘肅 蘭州 730050)

以蘭州市某原油儲備庫為例,建立符合實際情況的三維地下水流數值模型,應用危害最大化原則模擬該油庫營運后未來50 a內地下水中污染物遷移情況。結果表明:在正常工況下,油類污染物質量濃度為0.3mg/L的等值線臨近黃河最快需40a;建立原油儲備庫不會對三灘水源地、黃河水質帶來影響。

污染預測;溶質運移;石油類污染物

石油是國家經濟的命脈。建設蘭州某原油商品儲備庫,對促進地區經濟發展和社會穩定具有重要意義。商業原油儲備庫擬建場地北面緊鄰黃河,距三灘水源地位置較近,石油的滴漏或突發性事故的出現等都將對水源的安全構成威脅,進而影響蘭州市的飲水安全。筆者對該油庫建設運營后正常工況下石油類污染物(以下簡稱污染物)對地下水的污染情況進行定量評價,為原油儲備庫的建設和管理提供科學依據。所謂“正常工況”,這里指的是油庫正常工作狀態下只出現滴漏現象,不發生突發性泄漏事故。

1 水文地質概況

蘭州盆地海拔在1520～2500m左右,屬溫帶半干旱氣候,多年平均降水量為317.6mm。多年降水明顯具有周期性規律,其短周期為4a,長周期約為8～11a。降水年內分配不均,降水多集中于7～9月,其降水量占全年降水量的56%～70%以上。多年平均蒸發量為1433mm。

油庫選址位于三灘的上游(圖1),研究區南部皋蘭山等黃土丘陵為碎屑巖類孔隙裂隙水,主要含水層是沙礫巖層,其中有泥巖隔水層,補給條件差。黃河谷地為松散巖類孔隙水,主要含水層是沙礫卵石層,分布在黃河河漫灘和范家坪-雷壇河之間,沿岸富水性強。北部黃土丘陵及低中山為基巖裂隙水,富水性變化較大。地下水徑流方向由南西向北東,主要接受上游地下徑流、大氣降水及河流補給,一部分排泄于黃河,另一部分潛流至崔家大灘水源地。排泄主要依靠人工開采和蒸騰作用。

圖1 研究區概況

2 研究區水文地質概念模型及邊界條件

2.1 概念模型

研究區處于黃河Ⅰ級階地上,面積約28km2,地下水位埋深約3m左右。油庫東部為深溝堡斷層,斷層以西上部為4～6m厚的粉細砂土,下部為5～15m厚的砂卵石層。斷層以東為三灘水源地的崔家大灘,上部為0～10m厚的粉細砂土,下部為巨厚的砂卵礫石。地下水基本流向為:深溝堡斷層以西區域向東流動,崔家大灘水源地區向漏斗中心匯集,見圖1。黃河在水源地區已經成為懸河,側向補給地下水。研究區地下水系統可概化為三維非均質各向同性非穩定流地下水系統。

2.2 模擬區域邊界條件的處理

本次模擬區域不是一個自然的水文地質單元,根據流場變化及地下水位隨時間變化的特點分析,選擇開采區域的外圍,且根據地下水位的變化狀態,模型的側向邊界條件設定在地下水位比較穩定的區域,均定為第一類邊界條件。以自由潛水面為上邊界,其邊界條件由大氣降水入滲、蒸發排泄、灌溉入滲和河流入滲等因素確定。底邊界定為第二類邊界條件,主要為盆地底部流體向上入滲量,數量很少。

3 數學模型及求解方法

3.1 地下水流數學模型

根據上述水文地質概念模型,將研究區地下水系統概化為三維非均質各向同性非穩定流地下水系統,其數學模型[1-2]的表達式為:

式中 :H為地下 水水頭;Kxx、Kyy、Kzz分別為x、y、z方向的滲透系數;t為時間;μs為含水層給水度或比儲水分數,第一含水層取重力給水度 μd;H0為含水層初始水頭;H1為各層邊界水位,m;q為含水層二類邊界單位面積過水斷面補給流量;ε為源匯項強度(包括開采強度等);Ω為滲流區域;B1為水頭已知邊界,第一類邊界;B2為流量已知邊界,第二類邊界;n為滲流區邊界的單位外法線方向。

3.2 溶質運移數學模型

利用地下水水流模擬結果模擬飽和帶中溶質運移,其數學模型[1-2]表達式為:

式中:θ為介質空隙度;Ck為溶質k的濃度;xi、xj為在直角坐標系下沿各方向上的距離;Dij為水動力彌散系數張量;vi為滲流速度;qs為單位體積含水層,給出或接受的流體的數量,代表源匯項;Csk為源匯項中k的濃度;∑Rn為化學反應項。

3.3 網格的剖分及求解方法

筆者運用GMS中MAP、MODFLOW 和MT3D模塊對研究區進行規則網格剖分及有限差分法求解[3-5]。本次研究是小區域模擬,模擬精度要求較高,模擬區域在垂向上共分為2層,水平剖分網格89m×142m,模擬區平面上分為2 389個網格。因此,整個模擬區被分為4 778個模擬單元,模擬區域三維剖分如圖2所示。時間步長設為30d。西固地區和三灘水源地地層巖性、水文地質條件都比較簡單,可以分為上、下兩個含水層。上層是滲透性較差的粉細沙土,下層為導水能力較強的砂卵石層(以下簡稱上、下層)。

圖2 網格剖分三維圖

4 彌散度的確定

獲取彌散數據采用多井法,以氯化鈉作為示蹤劑。試驗時間為2008年2月1日～3月16日,連續3次投放,每次投放時間約為30min。然后,同時對主孔和觀測孔進行取樣并用硝酸銀滴定法現場分析,投鹽主孔第3次示蹤試驗氯離子濃度的變化情況見圖3、圖4。由圖3、圖4可見,在觀測孔主孔投放氯化鈉后160 min左右,氯離子濃度出現變化(2月25日12時),設此時為前鋒到達的時刻,2月29日18時30分觀測井中氯離子質量濃度達到峰值0.362g/L。

圖3 投鹽孔Cl-質量濃度隨時間變化曲線

由于實驗區地下水具有微承壓性,并基本保持自西向東的穩定流動,因此應用一維流場中瞬時注入示蹤劑的二維彌散解析模型求解彌散系數,其計算公式為

圖4 觀測孔Cl-質量濃度隨時間變化曲線

若忽略分子擴散,并以DL=αLv,DT=αTv代入解析式中得到

式中:C為示蹤劑濃度;v為地下水實際平均流速;m為單位厚度含水層中瞬時投放示蹤劑的質量;n′為含水層有效孔隙度;αL為縱向彌散度;αT為橫向彌散度;DL為縱向彌散系數;DT為橫向彌散系數。

式(4)為非線性方程,求解較困難,因此根據試驗數據應用計算機程序求解αL、αT,彌散度計算結果見表1。

表1 水文地質參數和溶質運移參數

5 模型校正與識別

模型識別是通過反演計算模擬結果,對模型進行校正、反求和調試參數,以檢驗和提高模型的仿真性。為了保證所建立的數學模型能夠反映實際流場的三維特點,用2005年1月份的觀測水位作為初始水位,并不斷重復調試、修正參數。由圖5、圖 6可以看出水位觀測值與其計算值都基本落在允許的誤差范圍內,說明模擬識別期計算結果與研究區實際水位基本一致,符合實際水位地質條件流場[6],模型可用于地下水污染狀況預測。參數識別結果和溶質運移參數見表1。模型校正和識別后,觀測井B6和Q94的水位擬合結果如圖5、圖6所示,井所在位置見圖1。

圖5 觀測井B6水位擬合

圖6 觀測井Q94水位擬合

6 正常工況下污染物在地下水中的遷移

6.1 通量邊界條件

在模擬污染物在飽和帶的遷移時,對補給源做一定的處理。假設在兩個月的時間內(2015-01-01～2015-03-01),以非正常工況下非飽和帶下邊界定濃度通量邊界的污染物最大質量濃度500mg/L[7]作為飽和帶上邊界定濃度通量邊界,持續補給地下水,其濃度隨時間變化規律如圖7所示。

圖7 地下水中油類污染物的補給濃度隨時間的變化規律

6.2 模擬結果與分析

6.2.1 模擬結果

在正常工況下模擬污染物在飽和帶中的遷移距離、范圍及濃度在上、下層中的變化見圖8,其主要展示了正常工況下歷時30a、50a內污染物質量濃度為0.3mg/L[8]等值線(以下簡稱等值線)遷移范圍。

6.2.2 模擬結果分析

模擬過程中秉承污染最大化、危害最大化的原則,在模擬中忽略吸附解吸等因素,所以模擬結果在此種工況下可能出現的最大危害情況,通過模擬計算得出不同時間段的污染物遷移距離、范圍及濃度。除了井Q94在庫區的西南面外,井 2717、B23、B3和B6位于庫區以東、東南面(見圖1)。根據模擬結果可知:

a.由模擬污染物擴散等值線圖(圖8)顯示,在地下水流場控制作用下污染物主要向東遷移,直接威脅黃河和崔家大灘水源地。根據文獻[8]的規定飲用水受石油類污染的濃度對模擬結果分析:歷時10a,庫區內只有上層出現污染物;歷時50a,等值線在上、下層的遷移距離分別為850m、1 530m,顯然污染物在下層遷移的平均速度約是上層的1.8倍。

圖8 污染物遷移范圍

b.圖9中上層的10～20a間和下層30～40a間出現速度突變(虛線所圈部分),結合模擬結果得出:等值線接近黃河岸時,由于河漫灘富水性強和水力傳導系數大,該等值線臨近黃河最快需40a。

圖9 上、下層油類污染物遷移的距離對比

c.不同層次、相同時間內,觀測井中污染物濃度有很大差異,見圖10。歷經50a,正常工況下井2717和井B23污染物在上層的質量濃度分別為0.600mg/L、0.00003mg/L,而在下層的質量濃度分別為7.000mg/L、0.00350mg/L。污染物濃度在層次上的差異主要與巖性、孔隙度等有關,而井間同層位的濃度差異還與遷移距離有關。顯然歷時50a,觀測井2717將受到較大影響,而B23將受到輕微的影響。

圖10 觀測井2717、B23所在地上下層污染物濃度變化

d.50a內,庫區地下水中污染物濃度持續升高。正常工況下上層污染物質量濃度為45mg/L,而下層中質量濃度為17.5mg/L,上層受到污染程度是下層的2.57倍。

7 結論與建議

a.正常工況下,地下水流場控制作用下污染物主要向東擴展,因此東部觀測井都受到不同程度的污染,而西、南部地下水水質基本沒有影響。由于黃河流量大,地下水排泄對黃河水質不會有明顯影響。b.正常工況下,該油庫基本不會對崔家大灘水源地水質造成影響。但為了確保城市地下水供水水源安全,必須對庫區及北、東兩個方向的地下水進行長期監測,建議建設部門采取一些工程措施和處理措施。例如:建設配套的廢水處理工程,完善排污下水管道系統,在研究區一定范圍內建設各種防滲工程等。

[1]陳崇希,唐仲華.地下水流問題數值方法[M].北京:中國地質大學出版社,1990:1-4.

[2]薛禹群.地下水動力學[M].2版.北京:地質出版社,1997:115-116.

[3]丁繼紅,周德亮,馬生忠.國外地下水模擬軟件的發展現狀與趨勢[J].勘察科學技術,2002(1):31-42.

[4]劉苑,武曉峰.地下水中污染物運移過程數值模擬算法的比較[J].環境工程學報,2008,2(2):229-234.

[5]詹紅麗,張展羽,王南海,等.區水環境治理規劃及地下水溶質運移預測模擬[J].河海大學學報:自然科學版,2003,31(5):522-525.

[6]林麗蓉,唐仲華.地下水及溶質運移數值模擬系統[J].地質科技情報,2003,22(2):103-106.

[7]楊倉俊,寧立波,董少剛,等.蘭州商業原油儲備庫地下水環境質量現狀調查、監測與評價報告[R].武漢:中國地質大學,2008.

[8]GB 5749—1985,國家生活飲用水水質參考指標及限值[S].

Study on oil contaminants transfer and pollution of groundwater under normal working conditions

FU Ming-jun1,NING Li-bo1,DONG Shao-gang1,YANG Jun-cang2
(1.School of Environmental Studies,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China;2.Gansu Provincial Geological Environment Monitoring Institute,Lanzhou 730050,China)

Using a crude oil reserve depot in Lanzhou as an example,a three-dimensional numerical model of groundwater was developed.The pattern of pollutant transportation in the groundwater after 50 years of operation of the crude oil reserve depot was simulated based on the maximized-hazard principle.The results show that the 0.3 mg/L isoline of oil contaminantswill take 40years to move from the crude oil reserve depot to the Yellow River,and the Santan water source and Yellow River will not be polluted under normal working conditions.

pollution forecast;solute transfer;oil contaminants

X820.3

A

1004-6933(2010)02-0061-05

符明俊(1983—),男,海南文昌人,碩士研究生,研究方向為地下水污染與防治。E-mail:hnafu2003@yahoo.com.cn

(收稿日期:2009-03-24 編輯:徐 娟)