高 策, 嚴(yán) 婷, 葛佳亮, 高小文, 蘇承建

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054； 2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710054; 3.中國(guó)建材地勘中心甘肅總隊(duì), 甘肅 天水 741000)

基于VisualModflow的某油庫(kù)地下水污染模擬

高 策1,2, 嚴(yán) 婷1,2, 葛佳亮1,2, 高小文1,2, 蘇承建3

(1.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安710054； 2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710054; 3.中國(guó)建材地勘中心甘肅總隊(duì),甘肅天水741000)

[目的] 對(duì)陜西省黃陵縣某油庫(kù)地下水污染狀況進(jìn)行模擬，為油庫(kù)區(qū)地下水污染的輔助預(yù)測(cè)和防治提供科學(xué)指導(dǎo)。 [方法] 通過野外調(diào)查試驗(yàn)獲得初始參數(shù)，應(yīng)用Visual Modflow軟件建立了地下水水流模型，進(jìn)行模型識(shí)別驗(yàn)證，獲得最終水文地質(zhì)參數(shù)。耦合水流方程與污染物遷移方程，得到地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型。 [結(jié)果] 模擬了兩種假設(shè)情形下運(yùn)移情況：正常工況和油罐漏油。數(shù)值模擬預(yù)測(cè)了污染的范圍和程度。到預(yù)測(cè)時(shí)間20 a，污染物影響范圍最大。 [結(jié)論] 污染物主要沿水流方向運(yùn)移，對(duì)水環(huán)境的影響隨時(shí)間逐漸增大，污染濃度隨距離增大而減??；兩種情況下，油罐漏油時(shí)對(duì)水環(huán)境造成的影響更加惡劣，污染范圍遠(yuǎn)超出油庫(kù)區(qū)。

油庫(kù); VisualModflow; 溶質(zhì)運(yùn)移; 地下水污染模擬

文獻(xiàn)參數(shù)： 高策, 嚴(yán)婷, 葛佳亮, 等.基于Visual Modflow的某油庫(kù)地下水污染模擬[J].水土保持通報(bào)，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(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,越來越多的單位需要建設(shè)儲(chǔ)油罐來滿足對(duì)石油的需求。油庫(kù)在使用過程中可能產(chǎn)生跑冒滴漏,可能發(fā)生爆炸、泄露和溢出等,這些污染物進(jìn)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(fù)原需要上百年時(shí)間[1]。故對(duì)遷移規(guī)律進(jìn)行定量分析,對(duì)于加強(qiáng)油庫(kù)污染物的監(jiān)測(cè)和管理,以及保護(hù)油庫(kù)區(qū)水環(huán)境意義重大。國(guó)內(nèi)外已有很多人通過Visual Modflow軟件數(shù)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(jià)鉻濃度變化。常穎[3]利用Visual Modflow對(duì)大連石化行業(yè)地下水污染進(jìn)行了模擬與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。馬志飛[4]以華東某廢物填埋場(chǎng)為研究對(duì)象,對(duì)污染羽阻隔效果進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。吳昌將[5]建立數(shù)值模擬模型研究了呼和浩特市淺層地下水污染物運(yùn)移與擴(kuò)散。國(guó)外學(xué)者Seyed R Saghravani等[6]做試驗(yàn)?zāi)M了承壓含水層中磷元素的遷移并通過數(shù)值模擬軟件分析。本研究將黃陵縣某油庫(kù)作為研究區(qū)并進(jìn)行合理概化,在水流模型的基礎(chǔ)上建立溶質(zhì)運(yùn)移模型,模擬預(yù)測(cè)了正常狀況和油罐漏油兩種情況下石油類污染物的運(yùn)移情況。模擬結(jié)果用于油庫(kù)區(qū)地下水污染的輔助預(yù)測(cè),為防治工作提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

油庫(kù)位于黃陵縣店頭鎮(zhèn)距鎮(zhèn)中心約2.4 km,油庫(kù)處為河谷地形,自然標(biāo)高約920～940 m,劃分河谷區(qū)與丘陵區(qū)，沿分界線確定研究區(qū)。研究區(qū)水文地質(zhì)單元相對(duì)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(jí)支流,徑流由西向東,流經(jīng)油庫(kù)區(qū)東側(cè)。研究區(qū)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(bǔ)給等,含水層上部為第四系沖積砂、卵、礫石,結(jié)構(gòu)松散,磨圓和分選性較好,孔隙率大,透水性較強(qiáng),賦水性好。由于不同河段含水層

的厚度、透水性及補(bǔ)給條件的不同,其富水性亦有明顯的差異[7]。研究區(qū)地下水主要來源有大氣降水、河水和基巖裂隙水的補(bǔ)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(qū)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(gè)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(qiáng)風(fēng)化泥巖(0.9～1.7 m)、侏羅系中風(fēng)化泥巖(2.6～7 m)。區(qū)內(nèi)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(duì)標(biāo)高910～950 m。滲透性主要取決于含水介質(zhì)的粒度及泥質(zhì)含量的高低,粒度粗,泥質(zhì)含量低,透水性強(qiáng),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(zhì)普遍較好[7]。

2 模型介紹和應(yīng)用

2.1 概念模型

模擬區(qū)范圍主要為黃陵縣店頭鎮(zhèn)溝谷匯流區(qū)域。平面面積3.1 km2，底板埋深8～35 m。根據(jù)前述的地質(zhì)水文地質(zhì)條件,區(qū)內(nèi)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(duì)地下水天然流動(dòng)形態(tài)擾動(dòng)小,可將模擬區(qū)內(nèi)上游溝谷流入模擬區(qū)部分概化為定水頭邊界;下游流出模擬區(qū)部分可概化為定水頭邊界;模擬區(qū)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(jié)構(gòu)致密、透水性差的特點(diǎn),模擬區(qū)底部邊界可概化為隔水底板。模擬區(qū)頂部邊界發(fā)生著大氣降水入滲補(bǔ)給、潛水蒸發(fā)排泄等,可將其概化為自由邊界。

2.2 水流模型

區(qū)內(nèi)地下水運(yùn)動(dòng)符合達(dá)西定律,地下水的穩(wěn)定流運(yùn)動(dòng)問題可用下述的二維滲流數(shù)學(xué)模型來描述：

(1)

式中：H——潛水水位(m);K——滲透系數(shù)(m/d);W——降水入滲補(bǔ)給強(qiáng)度(m2/d);Ω——模擬區(qū);A1——西北部定水頭邊界面;A2——模擬區(qū)東南部定水頭邊界面;A3——模擬區(qū)西部零流量邊界面;A4——模擬區(qū)東部零流量邊界面;A5——隔水底板邊界;B——底板標(biāo)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(shù)學(xué)模型。有限差分是將時(shí)間和空間進(jìn)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(wǎng)格將模擬區(qū)剖分為470，340列。垂向上剖分為1層,對(duì)應(yīng)實(shí)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(gè)單元,其中活動(dòng)單元31 010個(gè),代表平面實(shí)際面積3.1 km2。

2.3 模型識(shí)別

根據(jù)水文地質(zhì)條件,將潛水含水層劃分為漫灘、階地2個(gè)參數(shù)分區(qū)。2016年7月20日通過區(qū)域環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查得出數(shù)據(jù)，結(jié)合巖性特征和經(jīng)驗(yàn)值，擬定水文地質(zhì)參數(shù)初始值,模型識(shí)別后,最終確定水文地質(zhì)參數(shù)，代入模型模擬計(jì)算穩(wěn)定流,得到地下水穩(wěn)定流場(chǎng)(圖略),三維地下水流向(圖略),分析流場(chǎng)形態(tài)可知,區(qū)內(nèi)地下水在接受降水入滲補(bǔ)給后總體由西北向東南流動(dòng),與區(qū)域地下水流動(dòng)特征基本一致。

表1 計(jì)算地下水位與實(shí)測(cè)地下水位對(duì)比 m

對(duì)比模型計(jì)算地下水位與鉆孔、井點(diǎn)實(shí)測(cè)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(zhì)運(yùn)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(xué)反應(yīng)等作用,溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)學(xué)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(biāo)變量(m)；t——時(shí)間(d)；C′——源匯項(xiàng)中污染物的濃度(mg/L)；W——面狀源匯項(xiàng)強(qiáng)度〔m3/(d·m2)〕；Vi——滲流速度(m/d)。

研究區(qū)參數(shù)分區(qū)圖如圖1所示。經(jīng)模型識(shí)別后，考慮到污染泄漏點(diǎn)距下游最近的保護(hù)目標(biāo)的距離約為400 m,故確定此次模擬區(qū)范圍為0～1 000 m,對(duì)應(yīng)的縱向彌散度應(yīng)介于1～30,從保守角度考慮,本次模擬彌散度參數(shù)取值詳見表2。

圖1 模擬區(qū)滲透系數(shù)分區(qū)

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

溶質(zhì)運(yùn)移模型的范圍和邊界位置與水流模型一致。監(jiān)測(cè)單位在2016年7月23—24日連續(xù)兩天對(duì)油庫(kù)區(qū)地下水?dāng)?shù)據(jù)實(shí)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置(表3)，共5個(gè)，其中油庫(kù)西北測(cè)點(diǎn)為泉點(diǎn)。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(duì)水動(dòng)力場(chǎng)和濃度場(chǎng)的影響,同時(shí)保守考慮模型中各項(xiàng)參數(shù),假設(shè)污染源為面源連續(xù)注入,運(yùn)用Visual Modflow軟件中MT3 DMS模塊研究污染物運(yùn)移模擬。

表3 地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

3 污染物模擬預(yù)測(cè)

通過對(duì)油庫(kù)的工程分析,油庫(kù)區(qū)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(kù)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(huì)因卸油發(fā)生油品泄漏,也不會(huì)發(fā)生管道腐蝕和泄漏,在一定允許范圍內(nèi),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(huán)境受到污染。根據(jù)入滲面積、多年平均降水量,雨水和生產(chǎn)用水入滲系數(shù),油品的平均密度等,計(jì)算得出兩種情況下污染物的源強(qiáng)(表4)。兩種情況下污染物影響時(shí)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(biāo)準(zhǔn)。

參照《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848-93)》,以Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)作為超標(biāo)限,通過數(shù)值模擬，得到油庫(kù)在情況1各特征污染物的影響范圍、超標(biāo)范圍和最大運(yùn)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(dá)到檢出限。從預(yù)測(cè)結(jié)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(zhì)量Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn),影響范圍為773 m2,此時(shí)沒有運(yùn)移出油庫(kù)范圍;在3 650 d后濃度沒有超出地下水質(zhì)量Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn),影響范圍為6 943 m2,最大運(yùn)移距離為21 m;在7 300 d后超出地下水質(zhì)量Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的范圍為106 m2,影響范圍為13 341 m2,最大運(yùn)移距離為36 m。

表5 情況1的石油類污染物預(yù)測(cè)結(jié)果

圖2 情況1下石油類污染物的運(yùn)移

柴油庫(kù)或汽油庫(kù)輸油管道腐蝕或老化等情況而發(fā)生油品泄漏時(shí),石油類污染物的影響范圍、超標(biāo)范圍以及最大運(yùn)移距離如表6和圖3所示。從預(yù)測(cè)結(jié)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(zhì)量Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)范圍為594 m2,影響范圍為6 120 m2,最大運(yùn)移距離為19 m。泄漏發(fā)生365 d后地下水中石油類超出地下水質(zhì)量Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的范圍為587 m2,影響范圍為6 166 m2,最大運(yùn)移距離為21 m。泄漏發(fā)生1 000 d后,地下水中石油類污染物超標(biāo)范圍為345 m2,影響范圍為8 259 m2,最大運(yùn)移距離為46 m。泄漏發(fā)生3 650 d后,地下水石油類超出地下水質(zhì)量Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)范圍為0.15 m2,影響范圍為10 427 m2,最大運(yùn)移距離為64 m。事故發(fā)生7 300 d后,地下水石油類沒有超出地下水質(zhì)量Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)范圍,影響范圍為12 512 m2,最大運(yùn)移距離為99 m。

圖3 情況2下石油類污染物的運(yùn)移

油品發(fā)生泄漏90 d后得到控制,隨著時(shí)間推移,地下水中石油類影響范圍隨時(shí)間增大,但超標(biāo)濃度越來越小。以上非正常狀況發(fā)生的概率較小,在實(shí)施了嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)計(jì)劃、防滲措施和應(yīng)急措施后,可有效降低影響范圍,將其影響程度降至環(huán)境可接受范圍。

由圖2和圖3可以看出,隨著模型持續(xù)運(yùn)行,污染濃度和面積逐漸增大,當(dāng)時(shí)間達(dá)到預(yù)測(cè)時(shí)間20 a時(shí),污染物的超標(biāo)濃度和范圍達(dá)到最大,且影響范圍一直擴(kuò)大。情況1,污染物由油庫(kù)中心向四周擴(kuò)散,影響范圍占滿油庫(kù)庫(kù)區(qū);情況2,污染物的源強(qiáng)較情況1大,主要向東擴(kuò)散,20 a后,污染物的影響范圍已大幅超過油庫(kù)庫(kù)區(qū)。

表6 情況2的石油類污染物的預(yù)測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 論

本研究的油庫(kù)區(qū)位于陜西省黃陵縣,概化模型條件,建立水文地質(zhì)概念模型并用Visual Modflow逼真地模擬和刻畫。然后利用觀測(cè)水位和研究區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律,對(duì)模型識(shí)別校正。最后設(shè)計(jì)了正常使用和油庫(kù)漏油2種情況,把石油類作為污染源強(qiáng)計(jì)算的特征污染物,并將地下水滲流數(shù)值模型與污染物遷移方程耦合,得到地下水溶質(zhì)運(yùn)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(cè)水位和計(jì)算水位擬合較好。由預(yù)測(cè)結(jié)果可知,污染物沿水流方向運(yùn)移。情況1下污染物從油庫(kù)中心向四周擴(kuò)散；情況2污染向東擴(kuò)散，超標(biāo)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(kuò)散面積超過12 000 m2,最大運(yùn)移距離99 m;第100，365，1 000 d石油類污染物的超標(biāo)范圍都超出340 m2。隨著時(shí)間推移,一定范圍內(nèi)石油類污染物的濃度逐漸升高,污染面積逐漸擴(kuò)大,當(dāng)達(dá)到預(yù)測(cè)時(shí)間20 a時(shí),污染物的影響范圍和距離達(dá)到最大。由于巖土阻滯和水流稀釋,隨著時(shí)間的推移,雖然污染物運(yùn)移范圍在擴(kuò)大,但其濃度卻隨著運(yùn)移距離的增加而減小。對(duì)比兩種情況下污染物的影響范圍、超標(biāo)范圍和最大運(yùn)移距離等可知,漏油后污染遠(yuǎn)比之前惡劣,但隨距離增大污染濃度減小。實(shí)施防滲措施并嚴(yán)格監(jiān)測(cè)，可將其降至環(huán)境可接受范圍，可知下游受污染危險(xiǎn)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(zhǎng)安大學(xué),2010.

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

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

[4] 馬志飛,安達(dá),姜永海,等.某危險(xiǎn)廢物填埋場(chǎng)地下水污染預(yù)測(cè)及控制模擬[J].環(huán)境科學(xué),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(shù)值模擬研究[D].內(nèi)蒙古 呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué),2010.

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[8] 薛禹群,謝春紅.地下水?dāng)?shù)值模擬[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

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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?yàn)樗Y源、地下水與水環(huán)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(huán)境的教學(xué)與科研工作。E-mail:wangwei@chd.edu.cn。