基于數值模擬方法研究煤層氣采出水對地下水環境的影響

陸 嘉，張春暉，何緒文，梁 鵬，李時蓓，劉俐媛，胡喚雨

（1.中國礦業大學 （北京），北京 100083；2.環境保護部環境工程評估中心，北京 100012；3.中國科學院高能物理研究所，北京 100049）

隨著我國一系列鼓勵煤層氣開發政策、規劃的實施，區域煤層氣規模化和商業化開發將逐步展開［1］。煤層氣是一種潔凈的高熱值能源資源，對其地面開發和綜合利用不僅可以減少傳統資源的用量，進而減少溫室氣體排放，還有利于改善煤礦安全生產條件和周圍生態環境［2］，但同時煤層氣開發中的環境問題也逐步顯現。煤層氣在采氣過程中，會有部分水氣被帶入地表，稱作采出水。由于大量的煤層水與煤層氣共存，煤層氣的開采必須通過排水、降壓、解吸實現。煤層排水水質和水量因各地區水文地質條件不同而不同，通常，煤層氣采出水具有較高的堿性［3］，含有較多的鈉、鋇、重碳酸巖、鐵，并有較強的導電性［4］，且其中富含雜質氣體和有毒、有害物質，這些物質在煤層和煤層氣開采過程中，將會污染大氣和地下水［5］。采出水通常會被送至采氣井附近的帶有底部防滲措施的臨時集水池，待積滿后由專用車輛運輸至污水處理廠集中處理。但在實際調查中發現，部分井場未建防滲收集池，僅用泥沙圍建臨時集水池收集采出水，這樣會造成采出水回滲入地下，如果采出水中含有污染物則可能對地下水環境造成污染。

可溶性污染物是地下水污染的主要原因。根據滲流理論，考慮地下水中水頭變化的影響，利用有限元方法，對可溶性物質在地下水中的運移進行數值模擬，得到了地下水壓力水頭和可溶性污染物在地下水中的遷移變化規律，為可溶性污染物對地下水的污染研究和預測提供重要的分析數據［6］。目前常用的地下水數值模擬軟件主要有Visual MODFLOW［7－8］、GMS［9］以 及 Feflow［10］，其 中Visual MODFLOW和GMS使用的數值求解方式為有限差分法，Feflow使用的數值求解方式為有限元法［11］。因有限差分法易于和物理模型直接聯系，運算比較方便，因此在滲流問題中，有限差分法用的更為廣泛，因此選用有限差分法來對采出水對地下水影響進行研究［12］。

1 研究區概況

1.1 地層特征

本研究區域地處淺山丘陵溝壑區，地貌形態分為河谷區和梁狀黃土丘陵區兩大類。區內出露地層由老到新為：太古界、元古界、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系和第四系。區域地形總的趨勢是西北高東南低，最高點海拔1432m；最低點海拔400m。一般標高在600～800m之間，相對高差1032m。

1.2 含水層特征

河谷區地勢平坦，分布有第四系松散層的孔隙含水層，溝谷兩側出露二疊系石盒子地層，基巖裸露，地勢高陡，在上石盒子組下部有一層砂巖含水層，為下石盆子組下段砂巖含水層，其富水性較其他含水層相對較強，水質良好，河谷區居民多以自然村為單位就近建設供水設施開采該含水層中的地下水作為生活用水。

地下水按其巖性及儲水空間可分為：第四系松散巖類孔隙水、石炭二疊系砂（灰）巖裂隙水及奧灰巖巖溶裂隙水三種類型。總體而言，第四系松散巖類含水不豐富，石炭二疊系富水性、透水性不強，奧灰巖巖溶水富水性、透水性強，但極不均一。根據收集資料，區內地下水含水層劃分見表1。

表1 研究區域地下水含水層劃分表

2 模型概化

本研究利用數值模擬的方法對污染物進入地下水后的污染范圍及遷移路徑進行預測。模擬區域為陜西某煤層氣開采井田，模擬使用Visual MODFLOW軟件。通過使用MODFLOW模塊構建地下水流動模型，使用MT3D模塊構建污染物運移模型，對區域地下水流場及污染羽進行模擬。

該水文地質單元地處某褶斷帶，模擬區域北邊界以F22斷層為邊界，為隔水邊界。東邊界，南邊界分別依托F1、F14斷層設置，為隔水邊界。據調查資料顯示，區域北部的河流水位常年與第四系潛水含水層的水位基本一致，因此可判定為一類邊界，南側的支流為季節性河流，概化為河流邊界，模型西邊界為二類邊界，模型上邊界接受降雨補給。區域地質概況如圖1所示。

從空間上看，評價區地下水流整體上以水平運動為主，地下水系統符合質量守恒定律和能量守恒定律；在常溫常壓下地下水運動符合達西定律；地下水系統的輸入輸出隨時間、空間變化，但地下水位動態變化受降水影響明顯，因此將地下水視為非穩定流；參數隨空間變化，體現了系統的非均質性；在水平方向上，參數沒明顯的方向性，為各向同性。

綜上所述，研究區可概化成非均質各向同性、空間三維結構、非穩定地下水流系統，即地下水系統的概念模型。模型概化為四層，其中第一層概化為第四系松散層的孔隙潛水含水層；第二層概化為第四系松散層含水層以下，二疊系砂巖裂隙承壓含水層以上的三疊系泥巖相對隔水層；第三和第四層分別對應上石盒子組上段砂巖裂隙含水層和上石盒子組下段砂巖裂隙含水層。由于附近村落的水源井的取水點位于上石盒子組下段砂巖含水層，因此我們主要關注污染物到達該含水層后的運動動態。

圖1 區域地質概況圖

3 模擬結果與討論

通過輸入參數搭建地下水流模型，為了確保模型準確無誤，需要通過模型識別來校驗參數的準確性。在模型識別的過程中，以模型構建當日的600天前作為初始時間，輸入這600天的歷史觀測值，運行模型，可以得到模型計算值，繼而比較觀測值與計算值的誤差。以第四含水層為例，以模型構建當天作為比對時間點，模型識別前與識別后的水位擬合情況分別如圖2和圖3所示。

圖2 第四含水層水位模擬誤差分析圖（模型識別前）

通過圖2和圖3可以看出，在模型識別后各觀測點的觀測水位值與計算水位值擬合情況較好，通過比對五個觀測井的最大水位誤差僅為0.8m，可認為該水流模型基本正確，繼而在水流模型的基礎上建立污染物運移模型，對污染情況進行預報。通過對該井田采出水水質進行采樣分析，得到的結果如表2所示。

圖3 第四含水層水位模擬誤差分析圖（模型識別后）

表2 陜西省某氣田采出水水質報告

從表2可以看出，氯化物的濃度嚴重超標，因此選擇氯化物作為預測因子。在構建污染物運移模型時，模擬起始日期為模型構建當日，模擬時間為3000天，運行模型，得出未來3000天內4個時段的污染羽圖（圖4，圖4中五個柱狀體為水源井）。

圖4 不同預測時間點的污染羽圖

研究結果表明，3000天內采出水持續滲入到地下水中，基本不會對周圍村民取水用水造成影響。分析原因有如下兩個：第一，污染源與水源井的距離相對較遠，污染物到達水源井需要很長的時間；第二，第二含水層至第四含水層的滲透系數均很小，延緩了污染物的滲透速度，有效地減緩了污染物在含水層中的污染進程。由此可見，按最不利情況考慮，在連續采氣3000天內，仍然沒有修建防滲集水池收集采出水的情況下，含高濃度氯化物的廢水持續滲入到地下水中，基本不會對周圍村民取水用水造成影響。

4 結論

本文以氯化物為預測因子，利用地下水數值模擬的方法，使用地下數值模擬軟件Visual MODFLOW搭建研究區域的水文地質模型，對煤層氣采出水滲入地下水后其中所含污染物的遷移路徑和污染范圍進行模擬。結果表明，因該井場距離周邊水源井距離較遠，且含水層的滲透性較差，減緩了污染物的下滲速度，污染物基本不會對周圍居民飲水健康造成影響。

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