西部某油田運營期地下水污染模擬研究

蘭斐 范閱 彭邦洲

1青島中油巖土工程有限公司

2新疆油田公司采油一廠特種技術采油作業區

隨著近幾十年西部大開發的實施，西部地區石油開采工業迅猛發展，伴隨而來的地下水污染問題也越發嚴重。石油類開采具有高污染的特性，污染物一旦泄漏進入地下水中很難被發現，且一旦發生污染，極難治理與恢復[1]。因此，掌握地下水污染物在含水層中的運移規律對于地下水污染防治十分關鍵，研究油井中地下水污染物在地下水含水層中向下游遷移的規律具有重要意義，研究結果有助于在今后的生產管理中更精確地對污染防控提出要求，從而避免地下水污染。

1 研究區概況

某小型油田位于我國西部地區，該區域地貌為傾斜平原，含水層為粉砂、細砂和中砂，粗砂及礫砂少見，多為薄層。地下水埋深9～22 m，在深度300 m 內為一套砂類土與黏性土交互堆積的無穩定隔水層的含水層組，砂層與黏性土層呈互層狀產出。由于地層本身的壓力和地表向南的緩坡，含水層埋藏越深，壓力頭越高，50～70 m 深度多段可得自流水。根據地下水的水力性質、埋藏條件和賦存條件，該區地下水分為碎屑巖類孔隙裂隙水和松散巖類孔隙水兩類。松散巖類孔隙水在接受平原地表水的下滲和補給后，基本沿地勢南移，由單一的潛水向上層潛水、下層承壓水轉變，頂托補水潛水最終以地面蒸發、植物蒸騰等隱蔽蒸發的形式排放到傾斜平原的前緣，將得到的地下水蒸發完畢，從而完成地下水的補給、徑流、排泄全過程。區內地下水的排泄途徑主要有淺層地下水及地表水的蒸發排泄和地下水含水層的側向徑流排泄等。

根據調查資料，項目所在區潛水水位受農業灌溉影響較大，水位高值出現在每年的4～6 月份，低值出現在1～2月份，年內變幅為0.68～1.29 m。區內潛水水位整體變化趨勢是每年3～4 月受農田灌溉影響，潛水水位迅速上升，9 月停灌，潛水水位持續下降，1 月前后地面結凍，蒸發減弱，水位平穩，至3、4 月份農灌期水位再次上升。2005 年，該區地下水年際變化較為穩定，隨著經濟及農業的不斷發展，2005年后區域水位整體程下降趨勢。

2 模型的建立與計算

2.1 地下水概念模型

地下水概念模型是對調查區域水文地質條件的簡化模型，目的是使模型中的水文地質條件盡可能簡單明了。本次建立的地下水概念模型是均質、各向同性、穩定流三維模型，主體構型由邊界條件、內部控制方程和地下水流模型三大要素組成。通過對調查區地層巖性、含水層特征、地下水化學類型的調查分析，確定組成模型的各個要素。

2.2 模擬軟件選擇

本研究選用常用軟件GMS（Groundwater Modeling System）建立研究區地下水流模型，進行水流模擬和溶質運移。

2.3 地下水滲流模型

2.3.1 數學控制方程及求解

在對調查區水文地質概念模型分析的基礎上，基于滲流連續性方程和達西定律，建立了與調查區地下水概念模型相匹配的的均質、各向同性、穩定流三維模型[2]。

模擬區內的地下水運動可用以下數學模型描述：

式中：Ω為地下水滲流區域；S1為模型的第一類邊界；S2為模型的第二類邊界；kxx，kyy，kzz分別為x，y，z主方向的滲透系數，m/s；w為模型的流入和流出特征，即源匯項，m3/s；H0(x,y,z) 為第一類邊界條件下的地下水水頭函數，m；q(x,y,z)為第二類邊界條件下的單位面積流量函數，m3/s。

地下水污染模擬過程沒有考慮污染物在含水層中的吸附、揮發和生化反應，為了保證模擬結果的可信性，模型中的各個參數都進行了保守考慮。

2.3.2 模擬區范圍

BH-10 號集中式飲用水水源井位于油田YH304-2H 油井下游1 256 m 處，為本次模擬中潛在污染風險最大的保護目標，在分析了解該水源井所在區域地形地貌特征、地層巖性、水文地質條件、地下水開發利用情況、污染源及保護目標分布位置的基礎上，考慮到該井處于一個較大的水文地質單元上，周邊無天然的水力邊界，因此，依據上下游關系確定調查模擬區范圍如下：

依托于流場情況，YH304-2H油井以西2 070 m處955 m 高程等水位線為本模擬區的西部邊界，長7 653 m；YH304-2H 油井以東4 680 m 處920 m 高程等水位線為本模擬區的東部邊界，長3 783 m；模擬區的南北邊界連接東西邊界且垂直于流場方向，整個模擬區面積共73.77 km2[3]。

2.3.3 地質模型及網格剖分

模擬區含水層結構較為簡單，為第四系洪沖積砂類土，在深度300 m 內為一套砂類土與黏性土交互堆積的無穩定隔水層的含水層組，因此模擬區域的含水層概化為單一潛水含水層。

模擬區邊界為流量邊界，包括入流量邊界、出流量邊界和隔水邊界三類[4]。

由于模擬區地下水流向為自西向東，因此本模擬區入流量邊界為模型的西側邊界，出流量邊界為模型的東側邊界，南北兩側為隔水邊界，三類邊界均為非自然的人為邊界，控制該邊界流量因素有兩個，分別是地下含水層的水力梯度和地下含水層的導水能力。地下含水層的導水能力固定不變，根據水力學中的達西定律，通過邊界的單寬流量為：

式中：q為邊界單寬流量，m2/d；q0為邊界在初始時單寬流量，m2/d；ΔJ為邊界處水力坡度變化值；T為邊界處導水系數，m2/d。

根據計算結果，本次模擬的入流量邊界流量為3 061.2 m2/d，出流量邊界流量為1 513.2 m2/d。

由于面積很大，模型的補給項中大氣降水補給、灌溉垂直入滲補給均可視為面狀補給，可近似假定灌溉用水入滲補給的量是均衡的，即灌溉入滲補給可概化為面源補給。由于模擬區地下水埋深較深，故本次模擬中暫時不考慮蒸發對地下水的影響[5]。

根據有限差分法剖分原理，采用規則網格剖分方法，有效計算單元9 532個。網格剖分圖見圖1。

圖1 模擬區范圍及網格剖分Fig.1 Simulation area range and mesh division

根據抽水試驗結果，本區地層滲透系數取0.8 m/d；根據地層情況，給水度取經驗值0.2；根據流場情況，模擬區水力坡度為0.005[6]。

2.4 模型識別與驗證

模型識別和驗證過程是整個仿真過程中極其重要的一步，一般情況下，對涉及到的水文地質參數需要在合理范圍內反復修改調整并試算才能達到較為真實的擬合效果。該模型的識別和驗證過程中采用的方法是試估-校正法，它是一種間接的參數反轉方法[7]。

通過運行GMS 中計算程序，確定特定的水文地質參數和水均衡下水文地質概念模型中地下水位的時間及空間的分布，通過擬合給定邊界條件、源匯項等識別水文地質參數和邊界值等平衡項，使建立的地下水水流模型更符合調查區實際的水文地質條件，進而確定調查區地下水的流入和流出，從而精確地預測某特定條件下的地下水流場[8]。

根據上述模型結構和各模型參數的初值，可以對模型進行反演計算。根據實際觀測數據，對滲透系數、導水率、垂向補償和排水強度等參數進行調整。

通過建立評價區模型結構，并對模型邊界條件進行刻畫、給定各參數的初始值、源匯項等得到的地下水流場圖與初始流場對比圖（圖2）。

圖2 模擬地下水流場與實際流場對比（彩色等值線為模擬流場）Fig.2 Comparison of simulated groundwater flow field and actual flow field(colored contour lines represent simulated flow field)

通過上述對比結果可見，所建立模型的模擬結果與初始流場對比，流場形態基本相似，水力梯度大致相等，基本能夠反映地下水系統的水力特征，可利用此地下水模型進行地下水污染模擬預測。

2.5 地下水環境影響預測

2.5.1 地下水污染模擬情景

在正常運營的工況下，地下水不會受到污染。在事故狀態下，油田對地下水的環境污染影響主要是油井管道在受到腐蝕或者斷裂時發生的石油類物料外滲，石油類污染物穿過包氣帶，進而對地下水產生污染。設定事故情景為連續性小量滲漏，污染物類型為石油類污染物，計算在地下水流作用下，石油類污染物的運移狀況。

本次解析計算預測采用以下兩種方案：

（1）固定時間、不同距離下的濃度預測。預測時間點分別為100、180、360、1 000、3 600 和7 300 d。

（2）固定距離、不同時間下的濃度預測。預測距離分別為50、100、200 m。

正常運營條件下對水源地水質無影響，但一旦發生泄漏后，石油類污染物將進入地下水系統，對地下水造成污染。伴隨著污染物的不斷運移，污染范圍和程度進一步增大。

由于石油類物質在水中的最大溶解度為15 mg/L，出于保守考慮，模型中污染物濃度取15 mg/L。

2.5.2 模擬結果

（1）固定時間、不同距離下的石油類污染物濃度預測。分別選取100、180、360、1 000、3 600和7 300 d 的污染物運移情況，預測結果分別如圖3～圖8所示。

圖3 100 d石油類污染物污染暈的擴散情況Fig.3 Diffusion of petroleum pollutant pollution halo at 100th d

圖4 180 d石油類污染物污染暈的擴散情況Fig.4 Diffusion of petroleum pollutant pollution halo at 180 d

圖5 360 d石油類污染物污染暈的擴散情況Fig.5 Diffusion of petroleum pollutant pollution halo at 360th d

圖6 1 000 d石油類污染物污染暈的擴散情況Fig.6 Diffusion of petroleum pollutant pollution halo at 1 000th d

圖7 3 600 d石油類污染物污染暈的擴散情況Fig.7 Diffusion of petroleum pollutant pollution halo at 3 600th d

圖8 7 300 d石油類污染物污染暈的擴散情況Fig.8 Diffusion of petroleum pollutant pollution halo at 7 300th d

根據預測結果，在滲漏發生100 d 時，距離油井110.16 m內地下水中石油類污染物濃度超過生活飲用水衛生標準上限（0.3 mg/L，總量）；在滲漏發生180 d 時，距離油井118.47 m 內地下水中石油類污染物濃度超過生活飲用水衛生標準上限；在360 d時，距離油井125.71 m內地下水中石油類污染物超過生活飲用水衛生標準上限；在滲漏發生1 000 d時，距離油井164.01 m 內地下水中石油類污染物濃度超過生活飲用水衛生標準上限；在滲漏發生3 600 d 時，距離油井220.44 m 內地下水中石油類污染物濃度超過生活飲用水衛生標準上限；在滲漏發生73 00 d 時，距離油井299.25 m 處地下水中石油類污染物濃度超過生活飲用水衛生標準上限。

（2）固定距離、不同時間下的石油類污染物濃度預測。分別選取距油井50、100 和200 m 處進行預測，分析其在滲漏發生后石油類污染物的濃度變化趨勢，預測結果如圖9～圖11所示。

圖9 距油井50 m處石油類濃度變化趨勢Fig.9 Variation trend of petroleum concentration at 50 m from the oil well

圖10 距油井100 m處石油類濃度變化趨勢Fig.10 Variation trend of petroleum concentration at 100 m from the oil well

圖11 距油井200 m處石油類濃度變化趨勢Fig.11 Variation trend of petroleum concentration at 200 m from the oil well

根據預測結果顯示，隨著泄漏的發生，地下水中石油類污染物濃度逐漸上升，地下水污染程度逐漸增大。在距油井50 m 處地下水中石油類濃度超過0.3 mg/L（總量）的滲漏時間為第113 天，在距油井100 m 處地下水中石油類濃度超過0.3 mg/L（總量）的滲漏時間為第849天，在距油井200 m處地下水中石油類濃度在7 300 天（20 年）時的濃度仍然低于檢出限。

3 結論與建議

在油井石油污染物持續泄漏的工況下，石油類污染物將會進入地下水系統，對地下水造成局部污染，伴隨著污染物的不斷運移，污染范圍和程度進一步增大。

根據預測結果，油井下游距離最近的保護目標（BH-10 集中式飲用水水源井）在預測時段（20年）內很難受到影響，石油類污染物在泄漏時對地下水環境的影響較小。

建議項目建設中埋地管道采用耐腐蝕的非金屬材質，并選用熱熔焊接等適當的連接方式，減少漏點，盡可能避免腐蝕，降低埋地管道系統泄漏的可能性，避免污染地下水[9]。同時建議在油井周邊及上游設立應急抽水井，一旦發生地下水污染事故，及時進行搶修，將損失控制在最低限度[10]。