李韻　李薇　黃奎　王冰　王占生　劉磊

(1.華北電力大學(xué)資源與環(huán)境研究院　北京 102206;　2.中國石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院　北京 102206)

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輸油管道泄漏地下水污染模擬及預(yù)防措施研究

李韻1李薇1黃奎1王冰1王占生2劉磊1

(1.華北電力大學(xué)資源與環(huán)境研究院北京 102206;2.中國石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院北京 102206)

摘要穿越地下水源地的輸油管道在運行過程中可能對區(qū)域造成環(huán)境污染，尤其是發(fā)生泄漏事故時會對地下水產(chǎn)生嚴(yán)重影響。以穿越某水源地的輸油管道為例，采用地下水模擬系統(tǒng)(GMS軟件)，對管道泄漏后，石油類物質(zhì)在地下水的污染狀況進(jìn)行模擬，分別預(yù)測了污染物抵達(dá)含水層后的1年、5年、10年、15年和20年的持續(xù)污染情形，以及在地下水中的濃度分布。模擬結(jié)果顯示，石油在地下水中沿著地下水流方向移動，在運移20年后，受污面積可達(dá)45 937.1 m2。根據(jù)模擬結(jié)果，提出了預(yù)防措施和防治方案，分別為設(shè)置防滲層、確定監(jiān)測井位置、增設(shè)監(jiān)測井以及遷移敏感區(qū)的井口位置，以期為實際工程提供參考技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞地下水輸油管道GMS數(shù)值模擬

0引言

地下水是人類賴以生存的水源，在水資源日益短缺的今天，保護(hù)地下水資源，防止水環(huán)境污染成為我國水資源保護(hù)工作的重中之重[1]。受管線老化、地質(zhì)災(zāi)害及運行管理等眾多因素的影響，管線出現(xiàn)泄漏的風(fēng)險不斷增加[2]。一旦發(fā)生泄漏，泄漏油品會隨水流迅速擴散，破壞水質(zhì)及生態(tài)環(huán)境。同時，由于部分管線建設(shè)時間與地下水水源地劃分時間的不協(xié)調(diào)，輸油氣管線存在穿越地下水水源保護(hù)區(qū)的現(xiàn)象[3-4]。受地區(qū)特殊的地質(zhì)構(gòu)造影響，管線一旦發(fā)生泄漏后會在水源地保護(hù)區(qū)迅速下滲，污染地下水資源，造成重大的污染事故，影響地區(qū)居民的飲用水安全。泄漏油品在地下流體中擴散的時空變化，應(yīng)急反應(yīng)的時間與措施的有效性都是管理工作中面臨的巨大挑戰(zhàn)。針對泄漏油品在地下水的污染擴散開展相應(yīng)的模擬研究，對完善防治方案，指導(dǎo)事故處理具有重要的指導(dǎo)作用。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于我國西南某沖洪積扇平原的中上端，地勢西南高、東北低，地層以第四系為主，厚度40～250 m，由南西向東逐漸變淺。下更新統(tǒng)盆地內(nèi)埋藏著洪積相堆積物，為泥鈣質(zhì)半膠結(jié)礫巖、沙礫巖。中上更新統(tǒng)廣泛分布于盆地，屬沖洪積相，在傾斜平原的近山麓分布的潛水，含水層為單一巨厚的卵礫石、沙礫石層，一般厚度在250 m以內(nèi)；在細(xì)土平原，沉積地層以粘質(zhì)砂土和砂質(zhì)粘土為主，間夾有砂層透鏡體，地下水在洪積、沖積帶與本帶銜接處的扇緣上大量溢出，亦稱泉水溢出帶，在地下水淺藏區(qū)形成大片沼澤及鹽沼地。潛水埋深山前在200 m左右，并向扇緣遞減，直至溢出地表。含水層水力坡度為2‰～5‰，西南部大、東北部小，滲透系數(shù)8～11.5 m/d，水源區(qū)地下水的補給量主要有三部分組成，即：河道滲漏補給量、山前側(cè)向流入補給量、側(cè)向流入補給量以及平原區(qū)降水入滲補給量。地下水流朝東北方向流去。

2研究方法

運用GMS軟件中的MODFLOW和MT3DMS等模塊研究污染物在水源地的遷移過程及規(guī)律[5-6]。根據(jù)實際水文地質(zhì)情況建立概念模型，將概念模型網(wǎng)格化。使用MT3DMS時，其本身不包括求解地下水流方程的子程序，而是利用MODFLOW的輸出結(jié)果來獲得計算水位。

2.1基本情景設(shè)置

由于輸油管道本身的特點，泄漏的可能性較復(fù)雜，在設(shè)計出現(xiàn)的事故情景時，按照危害性最大的原則，即對不采取防滲措施的情景模擬污染物對研究區(qū)域水環(huán)境的影響。事故設(shè)定為管道破裂口瞬時泄漏，經(jīng)過包氣帶降至地下水含水層，水表面處為模擬的泄漏源，由于包氣帶對石油有吸附以及滯后作用，視含水層污染源為持續(xù)泄漏，初始質(zhì)量濃度為1 000 mg/L。泄漏物為石油類污染物，評價標(biāo)準(zhǔn)參照《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，當(dāng)石油類的濃度大于0.3 mg/L時視為超標(biāo)。2.2水文地質(zhì)模型

本研究中地下水污染模擬所采用的地下水系統(tǒng)概化模型是在對水源地的地質(zhì)條件、水文條件加以概化后所得到的天然地質(zhì)體的物理模型。

模型邊界條件概化：根據(jù)水源地周邊的地貌，補給水源分布狀況，選取830 m×600 m區(qū)域為模擬研究范圍，按照實地地下水水位高程狀況，依據(jù)水源地地下水水位資料設(shè)定。

含水層結(jié)構(gòu)概化：水源地地下水模擬研究區(qū)的海拔為1 730 m，含水層概化為均質(zhì)、各向同性承壓含水層，地下水運動概化為穩(wěn)定流。

源匯項概化：模擬區(qū)地下水的主要補給來源有側(cè)向徑流補給，大氣降水入滲灌溉入滲補給，主要排泄途徑有人工開采和北邊界的側(cè)向流出。①側(cè)向徑流補給。側(cè)向徑流補給是研究區(qū)地下水的主要補給來源，在數(shù)值模擬中，首先采用斷面法分段計算其初始值，以線狀流量方式導(dǎo)入GMS，然后在模擬中進(jìn)行調(diào)試、擬合。②降水與灌溉入滲。大氣降水和灌溉入滲屬面狀入滲補給，在GMS中用Recharge模塊處理，在本次模擬中，按各入滲系數(shù)分區(qū)、根據(jù)收集的資料，分別計算降水入滲強度和灌溉回滲強度，合并后導(dǎo)入GMS。③開采量。人工開采量是根據(jù)調(diào)查得到，又根據(jù)各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口及灌區(qū)面積按固原有用水定額核定。模擬中采用電井進(jìn)行處理。④側(cè)向流出量。北部邊界的側(cè)向流出量使用斷面法計算初始值，模擬中采用通用水頭邊界模塊處理，利用斷面法計算值進(jìn)行校驗。⑤地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1　水源地水文地質(zhì)參數(shù)

2.3模擬條件及參數(shù)確定

初始邊界條件的確定：依據(jù)地質(zhì)勘察和文獻(xiàn)資料，研究區(qū)處于幾條地表水的匯集流向上，根據(jù)地表水流向，周邊地貌的高程，確定研究區(qū)的地下水高程為東北低，其他方向高。

水文地質(zhì)參數(shù)確定：水文地質(zhì)參數(shù)的正確性與合理性直接關(guān)系到地下水模型的準(zhǔn)確性和可信度，在本次數(shù)值模擬中，主要應(yīng)用的水文地質(zhì)參數(shù)包括水的傳導(dǎo)系數(shù)、水力坡度、含水層高程以及彌散系數(shù)等。

時間離散確定：模擬時段設(shè)置為污染物擴散試驗期，設(shè)置的時間總步長為7 000 d，每個應(yīng)力期為365 d，在每個應(yīng)力期中，地下水補給等源匯項的強度保持不變。

空間離散確定：利用GMS的3DGRID模塊，對研究區(qū)進(jìn)行三維網(wǎng)格剖分，由于模擬區(qū)的范圍較大，(剖分單元數(shù)量影響計算強度)，研究區(qū)網(wǎng)格剖分為按照井的位置進(jìn)行精確產(chǎn)生的有限差分網(wǎng)格。

3石油泄漏事故情景預(yù)測

3.1地下水流場

依據(jù)確定的水頭高程和源匯項，運用GMS中的MODFLOW模擬研究區(qū)流場[7-8]。得到的水流場如圖1所示，經(jīng)校驗與實際地下水流場相符，可以較好地反應(yīng)出該地區(qū)地下水情況。圖中黃色標(biāo)記點為該地區(qū)自來水廠取水口位置，供給該地區(qū)用水。

圖1　地下水流場

3.2源強

考慮的主要污染物為持續(xù)泄漏的石油，初始濃度為1 000 mg/L。運用GMS軟件中的MT3DMS模塊模擬污染物在研究區(qū)域不同時間的遷移范圍。

3.3污染物遷移轉(zhuǎn)化

圖2到圖6顯示污染物濃度隨時間的變化情況。羽狀暈圈表示為成品油在不同的年限內(nèi)隨含水層地下水運移擴散的污染物濃度分布，如圖中所示，管道的走向由西北向東南方向，模擬的區(qū)域為830 m×600 m，在模擬區(qū)域內(nèi)有一水源(黃點)。假設(shè)在模擬區(qū)域內(nèi)管道由于某種事故發(fā)生泄漏導(dǎo)致在含水層表面持續(xù)滲漏，則通過模擬結(jié)果分別可以看出持續(xù)泄漏后1年、5年、10年、15年和20年的污染物擴散情況。

圖2　第1年成品油污染物濃度分布

圖3　第5年成品油污染物濃度分布

圖4　第10年成品油污染物濃度分布

圖5　第15年成品油污染物濃度分布

圖6　第20年成品油污染物濃度分布

圖中，紅色污染羽表示污染物的濃度大于6.15 mg/L，最外層的藍(lán)色污染羽表示污染物的濃度為0.3 mg/L。圖中所示的不同的顏色代表不同的污染物濃度，即以圖例表示。模擬結(jié)果顯示，隨著時間的推移，污染物從西南向東北方向擴散，與地下水的主流流動方向保持一致，符合地下水中污染物擴散理論。由圖中可以計算出污染物在地下水不同的年限內(nèi)擴散范圍如表2所示?？v向距離表示沿著地下水流方向的移動距離，橫向距離表示垂直于水流方向的污染物斷面長度，影響范圍為0.3 mg/L以上濃度的污染面積。

表2　地下水成品油污染隨時間向下游擴散范圍及地下水成品油污染隨時間向上游彌散范圍

由于受到地下水流場的影響，沿著地下水流方向擴散，即圖中顯示的從西南向東北擴散。在含水層上，隨著時間的推移，成品油污染物運移范圍不斷擴大，如果不及時采取措施，10年后的污染擴散范圍將逐漸增大，影響周邊的環(huán)境敏感區(qū)。對于泄漏20年的成品油來說，橫向擴散525.9 m，縱向擴散124.5 m，擴散范圍非常大。因此當(dāng)泄漏點附近有一水源井，且管道發(fā)生泄漏，污染之前若不采取措施，則該處的水源井將受到污染，會為該地區(qū)的居民生活帶來威脅以及對生態(tài)造成破壞。為避免事故發(fā)生后產(chǎn)生嚴(yán)重危害，應(yīng)在相應(yīng)區(qū)域設(shè)置監(jiān)測井，及時監(jiān)測地下水水質(zhì)狀況。依據(jù)模擬結(jié)果，在距離管道69.5 m處設(shè)置監(jiān)測井可以觀察到一年內(nèi)的地下水水流情況并可以檢測污染物指標(biāo)的變化。在距離管道172.3、304.8、411.6以及525.9 m處分別設(shè)置監(jiān)測井可以觀察到5、10、15、20年的水質(zhì)情況。

由于地下水動力的彌散作用，地下水中的污染物不僅會沿著地下水流方向移動，也將在污染源區(qū)域產(chǎn)生對上游的彌散效應(yīng)。模擬結(jié)果顯示，1、5、10、15、20年的彌散范圍如表3所示。

表3　地下水成品油污染隨時間向上游彌散范圍　m

彌散結(jié)果顯示，污染源附近的區(qū)域受到持續(xù)滲漏的影響，在周邊產(chǎn)生半徑大于49.3 m的彌散范圍。污染半徑隨時間的持續(xù)增長并不明顯，但受污面積不容忽視。因此，不僅需要在管道50 m附近設(shè)置監(jiān)測井來監(jiān)控彌散作用產(chǎn)生的上游污染羽，也需要重視在遷移井的過程中，遠(yuǎn)離事故源附近的污染彌散區(qū)域，即井在向上游遷移的過程中，應(yīng)設(shè)在與管道位置相距大于50 m以外的地方。

4防治措施

通過模擬結(jié)果可知，輸油管道一旦發(fā)生事故，泄漏的成品油經(jīng)過一定時間的滲透、彌散，會對周邊的水源區(qū)地下水產(chǎn)生大面積的污染，從而對周邊的人身健康產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。由于地下水流慢、地下水運動機理與系統(tǒng)龐大復(fù)雜等特點，泄漏后治理難度大且耗時長，因此提出以預(yù)防為主的防治措施，依據(jù)事故模擬結(jié)果，在預(yù)防上制定有效方案，相比在污染發(fā)生后付出更大代價去治理，具有更重要的意義。

(1)設(shè)置防滲層。在管線穿越水源地的高風(fēng)險事故地帶設(shè)置防滲裝置可有效阻止污染物進(jìn)一步滲入地下含水層[9]。根據(jù)水源地的水文地質(zhì)特性以及模擬結(jié)果，提出在埋地管道的四周敷設(shè)防滲層，防滲層與管道之間用砂填塞，防滲結(jié)構(gòu)間隔一定距離再設(shè)置滲漏液檢漏井，可有效降低石油污染地下水事故的風(fēng)險。

(2)增設(shè)監(jiān)測井。根據(jù)模擬結(jié)果，地下水的污染是一個長期的污染過程，因此及時發(fā)現(xiàn)事故，能減小污染后果，降低修復(fù)補償耗費。進(jìn)一步加強地下水的監(jiān)測力度，在可能受污染的范圍加設(shè)監(jiān)測井，緊密監(jiān)測地下水的水質(zhì)狀況。監(jiān)測井的設(shè)置位置按照模擬結(jié)果，主要按照地下水流場方向(本研究中從西南方向向東北方向擴散)多設(shè)監(jiān)測井，分別按照距離可能泄露點的遠(yuǎn)近設(shè)置不同的密度梯度，從而能在第一時間發(fā)現(xiàn)潛在事故發(fā)生。

(3) 遷移敏感區(qū)的井口位置。遷移管道周邊的取水井是保證用水安全的有效措施。在事故發(fā)生之前，及時評估風(fēng)險，將管道所在區(qū)域地下水下游的水源井遷移至上游地區(qū)，可以防止石油泄漏事故所造成的危害。此外，管道泄漏不僅將影響含水層下游區(qū)域，也對上游造成污染。石油的持續(xù)泄漏會在源頭上游產(chǎn)生污染彌散范圍，本研究案例中的彌散半徑達(dá)到49.3 m以上，影響較為嚴(yán)重。因此，在遷移水源井的過程中要充分考慮與管道的距離，將新設(shè)水源井布置在彌散范圍以外的區(qū)域。

5結(jié)論

(1)在事故情景下，根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)資料和現(xiàn)場勘測的數(shù)據(jù)，建立水源地地下水的水文地質(zhì)模型，應(yīng)用GMS軟件進(jìn)行成品油的擴散模擬。結(jié)果表明，持續(xù)滲漏的情況下，污染物經(jīng)過20年的運移，對水源地產(chǎn)生了面積為45 937.1 m2的影響，不僅會造成項目的經(jīng)濟(jì)損失，也會對周邊人居安全構(gòu)成威脅。

(2)根據(jù)模擬結(jié)果，提出相應(yīng)防范措施以及補救方案。設(shè)置防滲層來預(yù)防石油泄漏到地下水層；增設(shè)監(jiān)測井及時發(fā)現(xiàn)溢油事故；對于管道周邊的取水井要制定完善的遷移方案，遠(yuǎn)離管道上游方向一定距離，避免地下水的彌散作用導(dǎo)致的污染物擴散影響。

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作者簡介李韻，女，碩士，研究員，主要從事地下水污染研究。

(收稿日期：2014-12-31)

Research on Oil Pipeline Leak Groundwater Pollution Simulation and Prevention

LI Yun1LI Wei1HUANG Kui1WANG Bing1WANG Zhansheng2LIU Lei1

(1.ResourcesandEnvironmentalResearchAcademy,NorthChinaElectricPowerUniversityBeijing102206)

AbstractThe oilpipeline that crosses the groundwater source may cause environmental pollution in the construction and operation process, especially when leakage accidents happen. The oil into the groundwater will lead to the damage of water quality and ecological environment. Take the pipelines in one water source place as the case, this paper makes a simulation of groundwater pollution after a pipeline leakage accident, in which the groundwater modeling system (GMS) is applied to simulate the concentration distribution of contamination after 1, 5, 10, 15, 20 years. The results indicate that the oil flows following the groundwater and after 20 years, the polluted area will be up to 45 937.1 m2. According to the simulation, several prevention measures are proposed, such as setting impervious layer, determining the location of the monitoring well, adding monitoring wells and migrating wells in the sensitive area, so as to provide references for practical engineering.

Key WordsgroundwaterpipelineGMSnumerical simulation