基于VisualModflow的某油庫地下水污染模擬

高 策, 嚴 婷, 葛佳亮, 高小文, 蘇承建

(1.長安大學 環境科學與工程學院, 陜西 西安 710054； 2.旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室, 陜西 西安 710054; 3.中國建材地勘中心甘肅總隊, 甘肅 天水 741000)

基于VisualModflow的某油庫地下水污染模擬

高 策1,2, 嚴 婷1,2, 葛佳亮1,2, 高小文1,2, 蘇承建3

(1.長安大學環境科學與工程學院,陜西西安710054； 2.旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室,陜西西安710054; 3.中國建材地勘中心甘肅總隊,甘肅天水741000)

[目的] 對陜西省黃陵縣某油庫地下水污染狀況進行模擬，為油庫區地下水污染的輔助預測和防治提供科學指導。 [方法] 通過野外調查試驗獲得初始參數，應用Visual Modflow軟件建立了地下水水流模型，進行模型識別驗證，獲得最終水文地質參數。耦合水流方程與污染物遷移方程，得到地下水溶質運移模型。 [結果] 模擬了兩種假設情形下運移情況：正常工況和油罐漏油。數值模擬預測了污染的范圍和程度。到預測時間20 a，污染物影響范圍最大。 [結論] 污染物主要沿水流方向運移，對水環境的影響隨時間逐漸增大，污染濃度隨距離增大而減?。粌煞N情況下，油罐漏油時對水環境造成的影響更加惡劣，污染范圍遠超出油庫區。

油庫; VisualModflow; 溶質運移; 地下水污染模擬

文獻參數： 高策, 嚴婷, 葛佳亮, 等.基于Visual Modflow的某油庫地下水污染模擬[J].水土保持通報，2017,37(4)：179-183.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.030； Gao Ce, Yan Ting, Ge Jialiang, et al. Numerical simulation of groundwater pollution of an oil depot based on Visual Modflow[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：179-183.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.030

石油是中國社會經濟發展的重要資源,隨著經濟的發展,越來越多的單位需要建設儲油罐來滿足對石油的需求。油庫在使用過程中可能產生跑冒滴漏,可能發生爆炸、泄露和溢出等,這些污染物進入土壤后可能逐漸被下滲水或地下水流所溶解。地下水遭到污染后,污染源被控制后想要自然復原需要上百年時間[1]。故對遷移規律進行定量分析,對于加強油庫污染物的監測和管理,以及保護油庫區水環境意義重大。國內外已有很多人通過Visual Modflow軟件數值模擬研究地下水污染模擬。徐鐵兵等[2]模擬了遷安市地下水中六價鉻濃度變化。常穎[3]利用Visual Modflow對大連石化行業地下水污染進行了模擬與風險預測。馬志飛[4]以華東某廢物填埋場為研究對象,對污染羽阻隔效果進行模擬預測。吳昌將[5]建立數值模擬模型研究了呼和浩特市淺層地下水污染物運移與擴散。國外學者Seyed R Saghravani等[6]做試驗模擬了承壓含水層中磷元素的遷移并通過數值模擬軟件分析。本研究將黃陵縣某油庫作為研究區并進行合理概化,在水流模型的基礎上建立溶質運移模型,模擬預測了正常狀況和油罐漏油兩種情況下石油類污染物的運移情況。模擬結果用于油庫區地下水污染的輔助預測,為防治工作提供科學指導。

1 研究區概況

油庫位于黃陵縣店頭鎮距鎮中心約2.4 km,油庫處為河谷地形,自然標高約920～940 m,劃分河谷區與丘陵區，沿分界線確定研究區。研究區水文地質單元相對完整，主要地表水流沮河,是一條常年性河流,屬于北洛河一級支流,徑流由西向東,流經油庫區東側。研究區地下水主要有第四系沖積砂礫石層孔隙水,潛水的主要來源有大氣降水、河水及地表水體的滲入和基巖裂隙水的補給等,含水層上部為第四系沖積砂、卵、礫石,結構松散,磨圓和分選性較好,孔隙率大,透水性較強,賦水性好。由于不同河段含水層

的厚度、透水性及補給條件的不同,其富水性亦有明顯的差異[7]。研究區地下水主要來源有大氣降水、河水和基巖裂隙水的補給等,主要通過徑流向沮河排泄,或向下游潛流排泄[7]。研究區主要出露巖層為第四系沖擊砂礫卵石層，厚度為7.5～11.5 m。各個巖土層自上而下分別為第四系人工雜填土層(Qml，2.2～5.4 m)、第四系粉土(Qeol，2～4.8 m)、第四系圓礫(Qal+pl，1.1～3.3 m)、侏羅系強風化泥巖(0.9～1.7 m)、侏羅系中風化泥巖(2.6～7 m)。區內地下水賦存于第四系沖積砂礫石孔隙含水層,水量中等,水位埋深4.9～8 m,分布寬度一般50～300 m,含水層厚度12.5 m，絕對標高910～950 m。滲透性主要取決于含水介質的粒度及泥質含量的高低,粒度粗,泥質含量低,透水性強,反之透水性弱,總礦化度小于1 g/L,該地下水類型為HCO3-Ca，HCO3-Mg型水,水質普遍較好[7]。

2 模型介紹和應用

2.1 概念模型

模擬區范圍主要為黃陵縣店頭鎮溝谷匯流區域。平面面積3.1 km2，底板埋深8～35 m。根據前述的地質水文地質條件,區內主要含水層為新生界第四系沖洪積砂礫石孔隙含水層。考慮到本研究主要為模擬污染物在地下水中的遷移,對地下水天然流動形態擾動小,可將模擬區內上游溝谷流入模擬區部分概化為定水頭邊界;下游流出模擬區部分可概化為定水頭邊界;模擬區周邊邊界均為各溝谷的分水嶺,可概化為第2類零流量邊界;考慮到侏羅系砂泥巖結構致密、透水性差的特點,模擬區底部邊界可概化為隔水底板。模擬區頂部邊界發生著大氣降水入滲補給、潛水蒸發排泄等,可將其概化為自由邊界。

2.2 水流模型

區內地下水運動符合達西定律,地下水的穩定流運動問題可用下述的二維滲流數學模型來描述：

(1)

式中：H——潛水水位(m);K——滲透系數(m/d);W——降水入滲補給強度(m2/d);Ω——模擬區;A1——西北部定水頭邊界面;A2——模擬區東南部定水頭邊界面;A3——模擬區西部零流量邊界面;A4——模擬區東部零流量邊界面;A5——隔水底板邊界;B——底板標高(m);n——各邊界面的外法線方向。

可用有限差分法求解該滲流數學模型。有限差分是將時間和空間進行離散化[8-9]。其中在水平面上采用間距為10 m等間距正交網格將模擬區剖分為470，340列。垂向上剖分為1層,對應實際中的第四系沖積砂礫卵石孔隙含水層。通過上述的剖分,共剖分出了159 800個單元,其中活動單元31 010個,代表平面實際面積3.1 km2。

2.3 模型識別

根據水文地質條件,將潛水含水層劃分為漫灘、階地2個參數分區。2016年7月20日通過區域環境水文地質調查得出數據，結合巖性特征和經驗值，擬定水文地質參數初始值,模型識別后,最終確定水文地質參數，代入模型模擬計算穩定流,得到地下水穩定流場(圖略),三維地下水流向(圖略),分析流場形態可知,區內地下水在接受降水入滲補給后總體由西北向東南流動,與區域地下水流動特征基本一致。

表1 計算地下水位與實測地下水位對比 m

對比模型計算地下水位與鉆孔、井點實測地下水位表明(表1)，兩者基本一致，最大誤差為0.89 m，基本滿足模型精度要求。

2.4 溶質運移模型

描述污染物在地下水中的遷移,前提是不考慮其在含水層中的交換、吸附以及生物化學反應等作用,溶質運移的數學模型為：

(2)

(3)

式中：αijmn——彌散度(m)；VmVn——m和n方向上的速度分量(m/d)；C——污染物的濃度(mg/L)；n——有效孔隙率；Xi坐標變量(m)；t——時間(d)；C′——源匯項中污染物的濃度(mg/L)；W——面狀源匯項強度〔m3/(d·m2)〕；Vi——滲流速度(m/d)。

研究區參數分區圖如圖1所示。經模型識別后，考慮到污染泄漏點距下游最近的保護目標的距離約為400 m,故確定此次模擬區范圍為0～1 000 m,對應的縱向彌散度應介于1～30,從保守角度考慮,本次模擬彌散度參數取值詳見表2。

圖1 模擬區滲透系數分區

分區滲透系數/(m·d-1)給水度彈性釋水率/(1·m-1)縱向彌散度/m漫灘區10.11.0e-510階地區0.60.11.0e-510

溶質運移模型的范圍和邊界位置與水流模型一致。監測單位在2016年7月23—24日連續兩天對油庫區地下水數據實測，監測點位置(表3)，共5個，其中油庫西北測點為泉點。每天采樣1次，確定特征污染物的濃度。忽略溫度與水密度變化對水動力場和濃度場的影響,同時保守考慮模型中各項參數,假設污染源為面源連續注入,運用Visual Modflow軟件中MT3 DMS模塊研究污染物運移模擬。

表3 地下水監測點設置

3 污染物模擬預測

通過對油庫的工程分析,油庫區主要潛在污染源為柴油、汽油。選擇石油類作為特征污染物。油庫使用過程中污染物影響地下水可能包括以下2種情況。情況1,正常狀況下不會因卸油發生油品泄漏,也不會發生管道腐蝕和泄漏,在一定允許范圍內,合理考慮因油罐車沖洗而隨水流入滲到含水層中的油品。在情況2下,柴油或汽油通過漫溢、泄漏方式滲入地下水,使地下水環境受到污染。根據入滲面積、多年平均降水量,雨水和生產用水入滲系數,油品的平均密度等,計算得出兩種情況下污染物的源強(表4)。兩種情況下污染物影響時間均為20 a,影響含水層均為第四系孔隙水含水層。

表4 兩種情況污染源濃度

注：*參考地表水標準。

參照《地下水質量標準(GB/T14848-93)》,以Ⅲ類標準作為超標限,通過數值模擬，得到油庫在情況1各特征污染物的影響范圍、超標范圍和最大運移距離如表5，圖2所示。情況1下,第100 d、第365 d地下水中石油類濃度未達到檢出限。從預測結果可以看出,在正常狀況下,地下水中石油類濃度在1 000 d后沒有超出地下水質量Ⅲ類水標準,影響范圍為773 m2,此時沒有運移出油庫范圍;在3 650 d后濃度沒有超出地下水質量Ⅲ類水標準,影響范圍為6 943 m2,最大運移距離為21 m;在7 300 d后超出地下水質量Ⅲ類水標準的范圍為106 m2,影響范圍為13 341 m2,最大運移距離為36 m。

表5 情況1的石油類污染物預測結果

圖2 情況1下石油類污染物的運移

柴油庫或汽油庫輸油管道腐蝕或老化等情況而發生油品泄漏時,石油類污染物的影響范圍、超標范圍以及最大運移距離如表6和圖3所示。從預測結果可以看出,情況2下,地下水中石油類在100 d后超出地下水質量Ⅲ類水標準范圍為594 m2,影響范圍為6 120 m2,最大運移距離為19 m。泄漏發生365 d后地下水中石油類超出地下水質量Ⅲ類水標準的范圍為587 m2,影響范圍為6 166 m2,最大運移距離為21 m。泄漏發生1 000 d后,地下水中石油類污染物超標范圍為345 m2,影響范圍為8 259 m2,最大運移距離為46 m。泄漏發生3 650 d后,地下水石油類超出地下水質量Ⅲ類水標準范圍為0.15 m2,影響范圍為10 427 m2,最大運移距離為64 m。事故發生7 300 d后,地下水石油類沒有超出地下水質量Ⅲ類水標準范圍,影響范圍為12 512 m2,最大運移距離為99 m。

圖3 情況2下石油類污染物的運移

油品發生泄漏90 d后得到控制,隨著時間推移,地下水中石油類影響范圍隨時間增大,但超標濃度越來越小。以上非正常狀況發生的概率較小,在實施了嚴格的監測計劃、防滲措施和應急措施后,可有效降低影響范圍,將其影響程度降至環境可接受范圍。

由圖2和圖3可以看出,隨著模型持續運行,污染濃度和面積逐漸增大,當時間達到預測時間20 a時,污染物的超標濃度和范圍達到最大,且影響范圍一直擴大。情況1,污染物由油庫中心向四周擴散,影響范圍占滿油庫庫區;情況2,污染物的源強較情況1大,主要向東擴散,20 a后,污染物的影響范圍已大幅超過油庫庫區。

表6 情況2的石油類污染物的預測結果

4 結 論

本研究的油庫區位于陜西省黃陵縣,概化模型條件,建立水文地質概念模型并用Visual Modflow逼真地模擬和刻畫。然后利用觀測水位和研究區地下水運動規律,對模型識別校正。最后設計了正常使用和油庫漏油2種情況,把石油類作為污染源強計算的特征污染物,并將地下水滲流數值模型與污染物遷移方程耦合,得到地下水溶質運移模型,用此模型來分析2種不同污染情況。

模型鉆孔的觀測水位和計算水位擬合較好。由預測結果可知,污染物沿水流方向運移。情況1下污染物從油庫中心向四周擴散；情況2污染向東擴散，超標范圍小，且逐漸稀釋濃度降低。在情況2下,7 300 d泄漏地下水中石油類污染物的擴散面積超過12 000 m2,最大運移距離99 m;第100，365，1 000 d石油類污染物的超標范圍都超出340 m2。隨著時間推移,一定范圍內石油類污染物的濃度逐漸升高,污染面積逐漸擴大,當達到預測時間20 a時,污染物的影響范圍和距離達到最大。由于巖土阻滯和水流稀釋,隨著時間的推移,雖然污染物運移范圍在擴大,但其濃度卻隨著運移距離的增加而減小。對比兩種情況下污染物的影響范圍、超標范圍和最大運移距離等可知,漏油后污染遠比之前惡劣,但隨距離增大污染濃度減小。實施防滲措施并嚴格監測，可將其降至環境可接受范圍，可知下游受污染危險小。

[1] 弓永峰.地下水石油污染模擬及防治措施研究[D].陜西 西安：長安大學,2010.

[2] 謝世杰,張強,馮浩然.遷安某礦區尾礦庫地下水氟化物遷移模擬預測[J].甘肅水利水電技術,2013(3):4-6.

[3] 常穎.沿海石化行業典型地下水污染數值模擬研究[D].遼寧 大連：大連理工大學,2014.

[4] 馬志飛,安達,姜永海,等.某危險廢物填埋場地下水污染預測及控制模擬[J].環境科學,2012(1):64-70.

[5] 吳昌將.基于Visual Modflow的呼和浩特地下水硝酸鹽污染數值模擬研究[D].內蒙古 呼和浩特：內蒙古工業大學,2010.

[6] Saghravani S R, Sa & Apos M, Shaharin I, et al. Simulation of Phosphorus Movement in Unconfined Aquifer by Means of Visual MODFLOW[J]. Journal of Computer Science, 2010, 6(4):446-449.

[7] 楊少輝.黃土丘陵區地質災害發育特征及規律研究[D].陜西 西安：長安大學,2010.

[8] 薛禹群,謝春紅.地下水數值模擬[M].北京:科學出版社,2007.

[9] Modflow W H A. The U S geological survey modular ground-water model-the ground-water flow process: U S Geological Survey Techniques and Methods6-A16, variously[M]. Reston, Virginia: U S Geological Survey, 2005.

Numerical Simulation of Groundwater Pollution of an Oil Depot Based on Visual Modflow

GAO Ce1,2, YAN Ting1,2, GE Jialiang1,2, GAO Xiaowen1,2, SU Chengjian3

(1.School of Environmental Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an， Shaanxi 710054， China; 2.Key Laboratory of Subsurface Hydrology and Ecological Effects in Arid Region, Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an， Shaanxi 710054， China; 3.Geological Exploration in the Chinese Building Materials Center Team in Gansu Province, Tianshui, Gansu 741000， China)

[Objective] The groundwater pollution status of a depot in Huangling County of Shaanxi Province were simulated to provide scientific guidance for auxiliary prediction and prevention of groundwater pollution in oil depot area. [Methods] Based on the initial parameters obtained through field investigation, we established a groundwater flow model using Visual Modflow software. Then through model identification and verification, we obtained the final hydrogeological parameters. And we derived a groundwater solute transport model in reference to water flow equation and contaminant transport equation. [Results] We simulated two hypothetical scenarios: one is under normal working condition and another one is when oil leakage happened for the oil tank. The range and degree of pollution were predicted by numerical simulation. The impact of pollutants was predicted that it would become the greatest in the following 20th year of leakage. [Conclusion] The results obviously showed that the contaminant transport mainly via flow direction, the impact on water environment tends to gradually increase with time going on. And there was a negative correlation between the concentration of pollution and the distance from oil tank. Oil tank leakage will cause more severe pollution to the water environment than normal operation can do, under that case, pollution is far beyond the scope of the depot area.

oildepot;VisualModflow;solutetransportpollution;pollutionsimulationofgroundwater

B

： 1000-288X(2017)04-0179-05

： X523

2016-10-13

：2016-12-14

高策(1992—),男(漢族),陜西省西安市人,碩士研究生,研究方向為水資源、地下水與水環境。E-mail:610488449@qq.com。

王瑋(1970—),男(漢族),江西省樂平市人,博士,教授,主要從事水資源與環境的教學與科研工作。E-mail:wangwei@chd.edu.cn。