數值模擬在長輸油氣管道工程環評中的應用

趙慶磊 沈茂丁 許立風 紀蕻 劉海超

（1.中國石油天然氣管道工程有限公司；2.河北省保定地質工程勘查院；3.中國石油冀東油田公司質量安全環保處）

數值模擬在長輸油氣管道工程環評中的應用

趙慶磊1沈茂丁1許立風2紀蕻3劉海超1

（1.中國石油天然氣管道工程有限公司；2.河北省保定地質工程勘查院；3.中國石油冀東油田公司質量安全環保處）

為更好地掌握長輸油氣管道工程經過飲用水水源地、濕地保護區、水庫等環境敏感目標發生泄漏時污染物的運移規律，用數值模擬的方法，開展假設條件下的石油類污染物泄漏影響范圍的模擬預測研究。通過模型概化、參數選取、模型校對及驗證、地下水水流模擬，建立了地下水水流模型。根據管道線性工程的特點，結合具體穿越敏感地段的情況，假設兩個最大風險泄漏點（距離保護區最近的點和水流到達保護區邊界運動最快的點），選取石油類作為模擬因子，并選定初始條件，采用對流—彌散控制方程預測污染物的運移情況，得到假設管道在以上兩個最大風險泄漏點發生泄漏事故情況下，污染物在平面上一段時間內的影響到達范圍。結果可為環境影響評價提供合理的理論依據。

環境影響評價；長輸油氣管道；泄漏；數值模擬；石油類；影響范圍

0 引 言

近年來，國內長輸油氣管道工程項目發展迅速，其環境影響評價工作也備受關注。在施工、運營過程中，長輸油氣管道可能因施工原因、操作原因、管材腐蝕、第三方破壞以及地質災害和不良地質現象等情況發生破壞。由于運輸介質的特殊性，石油管道一旦發生油品泄漏事故，泄漏的油品對泄漏點周圍的土壤、植物造成污染；河流穿越段泄漏的油品可直接進入地表河流，對河流和湖泊水質造成污染；還可以通過包氣帶進入地下水含水層，對周圍群眾飲水安全以及水源地水質造成威脅［1］。

因此，有必要結合實際情況，開展更為深入的長輸油氣管道工程環境影響評價研究。本文結合長輸油氣管道工程環境影響評價工作，針對管道經過的飲用水水源地、濕地保護區、河流、水庫等環境敏感目標［2］，用數值模擬的方法，開展假設條件下的石油類污染物模擬預測研究。研究思路見圖1。

圖1 研究思路

1 資料搜集

石油類污染物的泄漏傳播主要是通過地下水運移實現的，本文的關鍵點是建立比較符合實際的地下水流模型，在地下水流模型的基礎上進行污染物模擬預測［3］。然而一個較符合實際的數值模擬，是建立在前期資料搜集分析及現場試驗基礎之上的。因此搜集資料是工作必不可少的一部分，根據研究內容，需要搜集的資料主要包括以下內容。

①工程項目及敏感目標概況。工程項目概況資料主要包括：長輸油氣管道工程在敏感目標附近的鋪設或穿越方式、工程分析、運輸介質的性質等資料；敏感目標的基礎資料主要包括：敏感目標概況、國家及地方環境保護方面相關的法律法規。

②水文地質資料。主要包括：敏感目標附近水文地質條件資料、地質資料、現場抽水試驗資料、水文資料及氣象資料等。

2 地下水流模型的建立

2.1 模型概化

為建立敏感目標地區的地下水流數值模型，首先要對實際水文地質條件進行概化，以建立水文地質概念模型。主要包括：含水層結構概化、邊界條件概化、初始條件概化［4］。

2.1.1 含水層結構概化

3.1.1 構建內部控制的基礎要以人為本。內部控制取得效果關鍵在于控制者與被控對象之間的摩擦得到及時解決，而組織文化有助于這種摩擦的解決。組織文化與內部控制加強溝通，緩和兩者之間的摩擦，促進單位的發展。融合組織文化構建以人為本的內部控制制度是單位發展的關鍵[5]。

根據地層柱狀圖及現場調查資料，劃分出敏感目標地區的含水層結構，例如砂土層、碎石層等為較好的透水層，黏土層一般可視為弱透水層或隔水層。把污染物很難進入的地層作為隔水邊界，概念模型見圖2。

圖2 概化的含水層結構

2.1.2 邊界條件概化

根據敏感目標地區的水文地質條件，確定水頭邊界類型，一般水頭邊界分為定水頭邊界、流量邊界；靠近河流且有水利聯系的邊界視為河流邊界。

2.1.3 初始條件概化

結合敏感目標地區長期水位觀測孔、民用井的實測水位資料，繪制研究區在初始時刻的等水頭線，確定初始流場。經過此步驟，可以將地下水流系統概化為均質的各向同性或非均質各向異性的地下水三維非穩定系統。

2.2 參數選取

模型建立過程中，需要對必要的水文地質參數及各土體的物理力學參數進行測定，或依據搜集、整理的資料，結合松散巖土經驗參考值［5］，如表1和表2所示，運用類比法、經驗值和地質綜合分析方法結合敏感目標地區實際的地質、水文地質條件情況，綜合選取模型水文地質參數等。

表1 松散巖土滲透系數參考值m/d

表2 松散巖土給水度參考值

模型校對與驗證也是建立一個地下水流數值模型的關鍵步驟。工程實際中，可以結合前人實測資料或進行現場試驗等，對模型進行驗證，通過不斷對模型各項參數進行合理的調整，達到使模型能夠比較準確地反映敏感目標地區水文地質條件的目的。

2.4 地下水水流模擬

通過對模型的含水層結構、邊界條件及分層巖性等的概化，相關參數（滲透系數K、給水度μ等）的選取確定，結合前人研究成果，經過模型的校對和反復驗證之后，通過相關模擬軟件（如Visual M O DFL O W等）可以得到地下水流場模型（以某管道模擬概化圖為例）見圖3。

圖3 地下水流場模擬

3 污染物模擬預測

式中：C為溶解于水中的污染物的濃度，m g/L；R為遲滯系數，無量綱；t為時間，d；xi為空間坐標，m；Dij為水動力彌散系數張量，m2/d；νi為地下水滲透流速，m/d；θ為孔隙度，無量綱；x，y，z為空間位置坐標，m；c0為初始濃度，m g/L；Ω為模型模擬區域。

3.1 假設條件

根據管道線性工程的特點，結合具體穿越敏感地段的情況，假設兩個最大風險泄漏點。分別是距離保護區最近的d點和水流到達水源保護區邊界運動最

通過地下水流場模型，可以得到各含水層的等水位線圖、水流跡線圖及地下水流向圖等，再結合污染物的性質和污染物模擬假設條件、初始條件等，可通過如M T3D M S等溶質運移模擬模塊，實現地下水溶質運移模擬和預測。

根據相關資料，不考慮土壤吸附以及生物、化學反應項，可以用對流—彌散控制方程式（1）來描述石油類污染物在三維地下水流中的運移情況。快的f點，分別對其進行模擬預測，結果見圖4。

圖4 假設條件下的模擬點

3.2 模擬因子

應選取比較有代表性的、并與建設項目排放的污染物有關的特征因子，以及一些長期接觸會對人體或動植物產生危害作用的污染物，特別是持久性的有機污染物。因此，在長輸油氣管道工程環評項目中一般把石油類污染物作為模型的模擬因子［6］。

3.3 初始條件

初始條件包括模擬初始時間、初始濃度及最低檢測濃度，初始時間可以選定在發現漏油事故之初或以前；模擬因子初始濃度可以參照某石化煉油廠事故爆炸案地下水檢測到的石油類污染物濃度為40 000～50 000 m g/L。最低檢測濃度參考G B 3838—2002《地表水環境質量標準》，石油類污染物在Ⅲ類水體的標準檢出限值為0.05 m g/L；在G B 5749—2006《生活飲用水衛生標準》中，烷烴、烯烴類多數檢出限都低于0.05 m g/L或持平。

3.4 模型預測

通過運行模型，實現對地下水石油類污染物運移情況的模擬預測，得到了假設管道在距離水源保護區最近的點和水流到達水源保護區邊界最快的點發生管道石油泄漏事故時，污染物在平面上一段時間內的影響到達范圍（以某管道模擬預測圖為例），見圖5、圖6。

圖5 距保護區最近的點

圖6 地下水運動最快的點

3.5 預測結果分析

由模擬預測結果圖5和圖6對比可知，污染物沿水流方向擴散較快，橫向擴散稍慢，污染物濃度沿水流方向逐漸降低，污染物在擴散最前緣的濃度為最低檢出限0.05 m g/L。隨著時間的推移，污染物最終可能會先后達到水源保護區邊界，對水源保護區產生影響。

4 結 論

運用有關地下水模擬軟件（如Visual M O DFL O W），通過對假設距離保護區最近的d點和水流到達水源保護區邊界運動最快的f點這兩個模擬點發生石油類污染物泄漏的模擬預測，可以比較直觀地反映出污染物的擴散半徑，也能夠清楚看出距離保護區最近的點并不一定是污染物達到保護區邊界最快的點。這為開展環境污染預防工作提供了方向，為污染治理工作爭取了時間。從環境影響評價角度講，該數值模擬方法的運用，對預防和減少環境污染事件的發生起到積極作用，也為環境影響評價的科學性提供了理論保證。

［1］ 肖長來，梁秀娟，王彪.水文地質學［M］.北京：清華大學出版社，2010.

［2］ H J 610—2011環境影響評價技術導則地下水環境［S］.

［3］ 方東曉.影響天然氣管道安全的危害因素分析及對策探討［J］.上海煤氣，2008（3）：38-41.

［4］ 解紅軍，趙慶磊，康永尚.長輸油氣管道項目地下水環境影響評價要術探討［J］.中國化工貿易，2012（10）：183-184.

［5］ 弓永鋒.地下水石油污染模擬及防治措施研究——以寧夏煉油廠為例［D］.西安：長安大學，2010.

［6］ 王洪濤，羅劍，李雨松，等.石油污染物在土壤中運移的數值模擬初探［J］.環境科學學報，2000，20（6）：755-760.

（編輯 王薇）

10.3969/j.issn.1005-3158.2015.05.019

1005-3158（2015）05-0065-03

2015-03-03）

趙慶磊，2013年畢業于中國石油大學（北京）地質工程專業，現在中國石油天然氣管道工程有限公司從事大型油氣管道建設項目工程地下水環境影響評價和勘察設計工作。通信地址：河北省廊坊市廣陽區金光道54號勘察事業部（中油朗威一樓），065000