吳曉莉, 果 婷,張 靜

(1. 成都創(chuàng)境環(huán)保工程有限公司，成都 610000；2. 四川省環(huán)境工程評估中心，成都 610000；3.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，成都 611130)

1 前 言

伴隨著城市化進(jìn)程的加快，人們對化石能源需求急劇增加。鉆井開采石油或天然氣是目前獲取化石能源的主要途徑之一。鉆采過程中產(chǎn)生的大量巖屑、鉆井廢水、氣田水及廢棄鉆井液若處置不當(dāng)，將對地下水環(huán)境造成影響[1]。陳立榮等人研究陸上石油天然氣勘探井發(fā)現(xiàn)，四川氣田平均每鉆進(jìn)1m，就會產(chǎn)生2～3m3廢水[2]，廢水的主要污染物為COD、石油類、氯化物、硫化物、酚、懸浮物等。鉆采作業(yè)過程中，若防滲措施不到位或廢水收集容器泄露，將導(dǎo)致大量廢液下滲進(jìn)入淺層地下水系統(tǒng)。鉆井廢水因含大量難降解有機(jī)物，在淺層地下水系統(tǒng)中長期滯留，并向周邊不斷擴(kuò)散，污染周邊土壤、地表水等。錢程[3]，Li Shu-guang[4]，Liang Pingching[5]等學(xué)者構(gòu)建溶質(zhì)運移模型模擬污染物在淺層地下水中的運移過程；董姝娟[6]等學(xué)者開展了石化企業(yè)裝置泄漏對地下水污染趨勢的研究，崔虎群[7]等學(xué)者開展了氣田區(qū)地下水污染物分析研究、李雙瑩[8]學(xué)者開展了氣田區(qū)地下水環(huán)境影響分析研究。以往學(xué)者在研究局部尺度地下水溶質(zhì)運移時，使用較大尺度的地下水流場信息進(jìn)行模擬或者假設(shè)一個地下水流方向，使得地下水流場信息被平均化。本文針對該問題，使用反距離平方插值方法將大尺度流場信息進(jìn)行插值，得到局部尺度的地下水流場，可使得溶質(zhì)運移模擬結(jié)果更為科學(xué)可靠。

本文以某鉆井液回注工程為研究對象，通過野外場地水文地質(zhì)調(diào)查，構(gòu)建研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型，基于Matlab軟件編寫有限差分程序[9]，模擬研究區(qū)的局部流場及污染物(COD和Cl-)在淺層地下水中的遷移過程，評估回注井場鉆井廢液預(yù)處理工藝區(qū)非正常狀況運行對地下水水質(zhì)的影響。

2 研究區(qū)域概況

研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)。氣候溫和，四季分明，雨量充沛。年平均氣溫16.7℃，1月份平均氣溫5.5℃，8月份平均氣溫26.1℃，年平均降雨量882.5mm。地下水主要是靠天然降雨、冰雪融化補(bǔ)給，次為地表水補(bǔ)給。

研究區(qū)地處四川盆地川西坳陷知新場構(gòu)造地區(qū)，位于溫江-中江地區(qū)石油天然氣勘查區(qū)塊內(nèi)。川西坳陷位于四川盆地西部，呈北東向展布，西以安縣-都江堰斷裂與龍門山?jīng)_斷帶為界，東以龍泉山-南江一線為界，南以峨眉-滎經(jīng)斷裂與川滇南北構(gòu)造帶為界，北至米倉山前緣，面積約4×104km2。研究區(qū)地層主要為全新第四系(Q)，主要為褐黃色種植土及黃色粘土層，與下伏地層白堊系下統(tǒng)劍門關(guān)組(K1j)角度不整合接觸，白堊系下統(tǒng)劍門關(guān)組主要為灰、褐灰色礫巖、細(xì)砂巖、棕褐色粉砂巖與棕紅色泥巖等。

2.1 模型概化及邊界條件

2.1.1 模型概化

本文研究非正常狀況對淺層地下水系統(tǒng)的影響。因此，根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)條件和地層巖性，將淺層地下水系統(tǒng)概化為單層均質(zhì)，各向異性潛水含水層。研究區(qū)域內(nèi)，地下水多年動態(tài)變化較穩(wěn)定，受限于觀測資料限制，假設(shè)研究區(qū)淺層地下水系統(tǒng)為穩(wěn)定流地下水系統(tǒng)。

2.1.2 邊界條件

研究僅考慮單層潛水含水層，經(jīng)調(diào)查該區(qū)域水文資料，地下水量交換基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，人工開采量較小，地下水循環(huán)類型主要為滲入-徑流型。研究區(qū)為一個完整的水文地質(zhì)單元，其中西北部邊界為地表水分水嶺，定為隔水邊界，南部和東北部為河流，定為定水頭邊界。模型的頂部邊界為地表第四系，淺層潛水與系統(tǒng)外界發(fā)生垂向水量交換，主要為降水入滲補(bǔ)給、蒸發(fā)排泄及人工開采等。淺層潛水含水層下部相對隔水層作為系統(tǒng)下邊界為零流量邊界。

2.2 地下水穩(wěn)定流模型建立與求解

2.2.1 穩(wěn)定流模型求解-有限差分法

本次研究過程中，將模型概化為單向均質(zhì)各向異性的潛水含水層，因此，采用平面二維流動二維擴(kuò)散模型求解概化模型[10]。求解過程將研究區(qū)剖分為正方形網(wǎng)格單元，采用有限差分法進(jìn)行求解，研究區(qū)穩(wěn)定流可以式(1)計算，

(1)

式(1)中，Kxx和Kyy分別表示淺層潛水含水層X和Y方向的滲透系數(shù)，m/d；W′表示單位面積的垂向補(bǔ)給系數(shù)，m/d。

2.2.2 網(wǎng)格剖分

2.2.2.1 區(qū)域穩(wěn)定水頭模擬

研究區(qū)X軸方向為4 470m，Y軸方向5 700m，總面積為12.88km2。流場模擬過程將研究區(qū)剖為30m×30m網(wǎng)格單元，共剖分為14 309個有效網(wǎng)格單元。垂向上根據(jù)地層巖性進(jìn)行劃分為一層，即：全新第四系淺層潛水含水層。因研究區(qū)范圍較大，預(yù)處理工藝區(qū)污染物下滲量有限，因此，選擇井場位置及其地下水下游方向100m范圍作為具體模擬區(qū)域。對模擬區(qū)域內(nèi)30m×30m網(wǎng)格的水頭進(jìn)行反距離平方插值，獲取模擬區(qū)域1m×1m網(wǎng)格的地下水水頭值。

2.2.2.2 反距離平方插值

空間插值方法是研究地下水屬性的空間變異特征和分布的有效工具之一，并已廣泛應(yīng)用在地下水資源領(lǐng)域[11]。反距離加權(quán)法(IDW)屬于確定性局部插值方法，對已有水位埋深數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理后，可獲得空間連續(xù)的地下水埋深數(shù)據(jù)[12]。其基本原理是：以插值點與實際觀測樣本點之間的距離為權(quán)重的插值方法，離插值點越近的實際觀測樣本點賦予的權(quán)重越大，其權(quán)重貢獻(xiàn)與距離成反比。估算公式為：

(2)

式中，z表示網(wǎng)格點的水位值，m；z(xi)表示第i個水位實測值，m；n表示參與計算的實測水位點數(shù)；di表示網(wǎng)格點與第i個站點間的距離，m；P表示參數(shù)，本次研究采用P=2。

2.2.3 邊界條件及初始條件

根據(jù)項目區(qū)的水文地質(zhì)勘查報告，項目位于成都平原末端，區(qū)內(nèi)第四系甚發(fā)育，分布廣泛，主要為河流沖擊錐及河漫灘沉積，厚可達(dá)50～100m，根據(jù)滲水實驗結(jié)果，其滲透系數(shù)在0.031～0.039m/d。第四系下伏巖層為白堊系，呈紅色泥巖，砂巖央礫巖，厚可達(dá)500余米，透水性弱，不含稅或局部含上層滯水，形成區(qū)內(nèi)第四系潛水含水層的相對隔水底板。

第四系松散巖類孔隙潛水含水層主要以沖積物為主，其粒徑大小分布相對均勻，水平滲透系數(shù)、給水度及孔隙度等水文地質(zhì)參數(shù)無顯著差異。勘查結(jié)果表明水平滲透系數(shù)在3～7m/d范圍，孔隙度0.1

地表高程作為流場模擬的初始水位，源匯項包含大氣降水、河溝排泄、蒸發(fā)排泄等，各源匯項均按要求換算為相應(yīng)的強(qiáng)度，分配至相應(yīng)的網(wǎng)格單元。本次研究過程中，評價區(qū)域采用30m×30m網(wǎng)格單元進(jìn)行區(qū)域穩(wěn)定流場模擬?？紤]到本次研究過程中污染源較小(面積為981m2)，得到區(qū)域尺度穩(wěn)定水頭后，選擇井場周邊80m的水頭點，使用反距離平方插值構(gòu)建1m×1m局部尺度網(wǎng)格單元。

3 溶質(zhì)運移模擬

3.1 溶質(zhì)運移數(shù)學(xué)模型的建立與求解

3.1.1 溶質(zhì)運移數(shù)學(xué)模型-有限差分法

本次研究過程不考慮污染物在含水層中的吸附、交換、揮發(fā)、生物化學(xué)反應(yīng)，選擇二維流動二維擴(kuò)散模型模擬研究區(qū)污染物運移過程[13]，如式(3)所示。

(3)

上式中，Dx表示X方向水動力彌散系數(shù)，m2/d；Dy表示Y方向水動力彌散系數(shù)，m2/d；Vx表示X方向地下水流速，m/d；Vy表示Y方向地下水流速，m/d；w表示污染源，mg/L。

3.1.2 地下水流速及彌散度確定

地下水系統(tǒng)通常被視為多孔介質(zhì)，可通過達(dá)西定律計算其穩(wěn)定流速，XY方向地下水流速Vx和Vy由式(4)計算[14]。

(4)

水動力彌散系數(shù)通常由機(jī)械彌散系數(shù)與分子擴(kuò)散系數(shù)加權(quán)構(gòu)成[14]，根據(jù)式(5)和(6)計算。

(5)

(6)

式(5)和式(6)中，V表示地下水實際流速，m/d；Vx與Vy表示地下水在X、Y軸方向上的速度分量，m/d；D′為分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/d；aL為機(jī)械彌散系數(shù)，m2/d；aT為分子彌散系數(shù)，m2/d。

3.1.3 源強(qiáng)確定

根據(jù)《石油化工工程防滲技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50934-2013)及《危險廢物貯存污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18597-2001)，評價區(qū)內(nèi)的預(yù)處理工藝區(qū)、稀污泥池、回注泵房等均采用防滲性能與厚度Mb≥6m，滲透系數(shù)K≤1×10-7cm/s粘土防滲層等效的厚度為30cm的P8級(滲透系數(shù)0.26×10-8cm/s)防滲混凝土[15]。正常情況下廢水不會下滲進(jìn)入地下水系統(tǒng)，因此，本次研究將以廢水預(yù)處理工藝區(qū)的防滲層因年久失修或老化，使其實際防滲能力為設(shè)計防滲能力的10%(其滲透系數(shù)為8.6×10-4m/d)為預(yù)測情景。防滲層失效后將繼續(xù)運行180d，隨后跟蹤監(jiān)測發(fā)現(xiàn)其失效后立即采取補(bǔ)救措施。廢水預(yù)處理工藝區(qū)單位面積污染物滲漏量由式(7)計算，

M=KzJtC0

(7)

式(7)中，M為單位面積污染物下滲量，mg；Kz為非正常狀況下場地的滲透系數(shù)，m/d；J為水力梯度，取1；t為滲漏時間，d；C0為廢水中污染物濃度，mg/L。根據(jù)鉆井廢液的經(jīng)驗值，本次模擬取CCODCr=800mg/L，CCl-=7 920mg/L。

3.2 結(jié)果分析與討論

3.2.1 污染物下滲量

根據(jù)《石油化工工程防滲技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50934-2013)，回注站各類污水池須進(jìn)行重點防滲，且其防滲層材料滲透系數(shù)不大于1.0×10-7cm/s (8.6×10-5m/d)。本次研究過程假設(shè)防滲層失效，其防滲能力僅為設(shè)計防滲能力的10%，即：1.0×10-6cm/s (8.6×10-4m/d)。正常和非正常狀況下COD和氯離子的源強(qiáng)、下滲量如表1所示。

表1 污染物溶質(zhì)運移參數(shù)Tab.1 The parameters of solute transport models

由表1可知，正常狀況與非正常狀況下，預(yù)處理工藝區(qū)廢水下滲量分布為0.084 4m3/d和0.844m3/d，非正常狀況下滲污染物量為正常狀況的10倍。

3.2.2 污染物溶質(zhì)運移結(jié)果

使用有限差分法求解得到非正常狀況下COD的貢獻(xiàn)濃度分布如圖1和表2所示。由圖1和表2可知，回注站預(yù)處理工藝區(qū)非正常狀況下，運行100d、1 000d、3 650d及7 300d后，其最大貢獻(xiàn)濃度分別為93.24mg/L，99.39mg/L、111.08mg/L和115.08mg/L；形成的COD污染暈將向地下水下游方向運移1m、21m、41m及64m，將分別形成47 m2、302 m2、528 m2及645 m2的污染暈，使其COD濃度超過《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 3838-2002)中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限制要求(C≤3.0mg/L)。

緊鄰預(yù)處理工藝區(qū)地下水下游方向，分別有1 169m2、1 700m2、2 004m2及1 798m2區(qū)域的地下水中COD不能滿足《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-93)中Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限制要求(C≤10.0mg/L)。

表2 垃圾填埋場非正常狀況下COD超標(biāo)范圍及最大濃度Tab.2 The Maximum Concentration of COD and range of exceeding the standard in abnormal operating landfill

圖1 非正常狀況下COD運移結(jié)果Fig.1 The distribution of COD concentration under abnormal operation

預(yù)處理工藝區(qū)非正常狀況下氯離子貢獻(xiàn)濃度的模擬結(jié)果如圖2和表2所示。非正常狀況運行100d、1 000d、3 650d及7 300d后，其最大貢獻(xiàn)濃度分別為923.09 mg/L，983.97 mg/L、1 099.65 mg/L和1 139.33 mg/L；在預(yù)處理工藝區(qū)地下水流下游方向，將分別形成將分別形成10 m2、133 m2、206 m2及233 m2的污染暈，其氯離子濃度超過《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-93)中Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限制要求(C≤250mg/L)。

緊鄰預(yù)處理工藝區(qū)地下水流下游方向，分別有1 052 m2、1 049 m2、1 039 m2及1 020 m2區(qū)域的地下水氯離子濃度不能滿足《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-93)中Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限制要求(C≤350mg/L)。

上述模擬結(jié)果可知，在非正常狀況下因預(yù)處理工藝區(qū)防滲層失效，持續(xù)泄漏60d，廢液下滲量急劇增加至0.844 m3/d。此狀況下，預(yù)處理工藝區(qū)內(nèi)地下水中CODCr和氯離子濃度急劇增加，并形成一個超標(biāo)范圍，使得地下水環(huán)境質(zhì)量不能滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)相關(guān)限制要求。若預(yù)處理工藝區(qū)防滲層失效后，不及時采取補(bǔ)救措施，長期“帶病”運行，將會造成其地下水下游方向污染物超標(biāo)。

4 結(jié) 論

通過構(gòu)建概念模型，使用Visual MODFLOW 4.0編寫有限差分程序，模擬回注井場預(yù)處理工藝區(qū)非正常狀態(tài)運行60d時，廢水中CODCr和Cl-在潛水含水層中的遷移擴(kuò)散過程。模擬結(jié)果表明，(1)溶質(zhì)運移方向與地下水流方向一致，預(yù)處理工藝區(qū)及其地下水流下游方向，污染超標(biāo)范圍較大；(2)預(yù)處理工藝區(qū)非正常工況運行60d，第7 300d后COD貢獻(xiàn)濃度為115.08mg/L，COD污染暈向下游方向運移64m，并形成2 466 m2的超標(biāo)范圍；Cl-貢獻(xiàn)濃度為1 139.33mg/L，形成1 253m2的超標(biāo)范圍。因此，回注井因廢液中污染物濃度高，一旦非正常工況“帶病”運行，將使得高濃度污染物下滲地下水系統(tǒng)，且很難通過地下水流動稀釋或自凈，在工程運行過程中，應(yīng)重視場區(qū)地下水流下游方向的水質(zhì)監(jiān)測，避免相關(guān)污水池、罐“帶病”運行，造成局部地下水污染。

圖2 非正常狀況下Cl-運移結(jié)果Fig.2 The distribution of Cl- concentration under abnormal operation

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