杜兆寧，黃 勇

(河海大學，江蘇 南京 210024)

近年來，我國經濟的快速發(fā)展使得石油市場競爭越來越激烈，油庫是原油生產、原油加工、石油產品供應和運輸的紐帶。油庫作為國家石油儲備和供應的基地，對國防保障和促進國民經濟高速發(fā)展具有非常重要的意義；油庫作為油品儲存及銷售的重要環(huán)節(jié)，在日益激烈的競爭面前將發(fā)揮出越來越重要的作用[1]。然而在油庫的使用過程中，有很大概率因防滲層的失效發(fā)生污染物的滲漏情況，這些污染物進入土壤后污染地下水，進而會對附近的環(huán)境造成長久的威脅[2]。

地下水數值模擬是研究地下水相關問題的重要方法，可以用來解決地下水污染評估、資源開發(fā)等諸多問題[3-4]。地下水模擬軟件已廣泛運用于地下水污染研究之中[5-7]，李龍國等[8]利用GMS對廣西某原油商業(yè)儲備基地的石油類物質進行了地下水污染模擬，發(fā)現采用防滲墻和防滲層均可較好地阻滯石油類污染物在地下水環(huán)境中的遷移。高策等[9]利用Visual Modflow對陜西某油庫的污染情況進行模擬，發(fā)現到預測時間20年，污染物影響范圍最大。Brown等[10]使用GMS軟件對澳大利亞某鈾礦的持久性污染物進行模擬，發(fā)現污染物從灌溉區(qū)土壤遷移到了地下水環(huán)境，并對河流系統(tǒng)造成污染。Saghravani等[11]通過試驗模擬了承壓含水層中污染物的遷移。這些研究主要考慮石油類的污染物，而油庫使用中含有其他的典型污染物；在實際油庫修建中通常會采取一定的防滲措施，但考慮防滲措施及防滲失效的情況較少。

本文以云南省大理市某油庫為研究對象，通過現場的水文地質勘察和試驗，運用FEFLOW軟件建立污染物遷移模型，模擬在油庫正常情況和防滲失效情況下典型污染物的遷移情況，并針對防滲破壞提出預防措施，為此類項目實際運行中的地下水污染預測以及地下水污染防治提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

油庫位于云南省大理市鳳儀鎮(zhèn)西南側的沖溝內，地貌上屬中山溝谷地貌，現為荒地，植被茂密，地形整體表現西高東低。溝谷走向近東西，垂直南北向的大理斷陷盆地(壩子)，溝谷三面環(huán)山，東面為溝谷出口，項目規(guī)劃占地66.42 hm2(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location map of study area

庫區(qū)內地表大部覆蓋的松散地層為第四系全新統(tǒng)殘、坡積(Qel+dl)含碎石粉質黏土；崩積(Qcol)層，碎石夾砂壤土及粉質黏土；沖、洪積(Qal+pl)卵石、砂壤土、中粉質壤土和輕粉質壤土，局部夾有細砂和輕粉質壤土薄層或透鏡體。松散地層賦水空間為土、石、砂顆粒間的孔隙?；鶐r為白堊系上統(tǒng)虎頭寺組(K2h)，灰白色石英砂巖夾紫紅色砂巖、泥巖，賦水空間為基巖裂隙。

庫區(qū)主要為沖溝的相對平坦溝谷地段，溝谷處見有部分塊石堆積，局部坡面見有中風化塊石殘留。地下水類型為基巖裂隙水，賦存于沖溝中下部基巖構造裂隙中，一般為潛水。地下水主要賦存于碎塊狀強風化巖、中風化巖孔隙裂隙及構造孔隙裂隙中，其透水性和富水性受裂隙發(fā)育程度影響較大，裂隙發(fā)育處透水性較好，水量可達中等，反之，透水性差，水量貧乏；水位埋深較大。地下水主要為HCO3-Ca型。庫區(qū)地下水主要接收大氣降水入滲補，地表及包氣帶多為粒徑較小的砂卵石、漂石和砂等，降水入滲條件較好。沖溝兩岸上部的孔隙水和裂隙水在溝谷等低洼處流出。一方面形成地表徑流，另一方面地表徑流下滲補給各層地下水?？傮w地下水流向為沿沖溝兩岸至溝谷向東側方向出口排泄。

2 數值模型的建立

研究運用FEFLOW(Finite Element Subsurface Flow System)進行污染物的數值模擬。FEFLOW是一個數值模擬軟件，由德國瓦西水資源規(guī)劃與系統(tǒng)研究所于20世紀70年代末開發(fā)。它是最完整的地下水模擬軟件包之一，具有計算速度快、精度高、圖形可視化技術先進等特點[12]。

2.1 水文地質概念模型

水文地質概念模型是基于綜合分析地下水系統(tǒng)，對模擬區(qū)地質、含水層實際的邊界條件、內部結構、滲透性質、水力特征和補給排泄等水文地質條件進行綜合、歸納和加工，以對一個復雜的水文地質實體進行概化，并便于進行數學或者物理模擬[13]。因此，水文地質概念模型的建立主要從考慮概化后的模型應該具備反映研究區(qū)水文地質原型的功能；概化后的各類邊界條件應符合研究區(qū)地下水流場特征；概化后的模型邊界應該盡量利用自然邊界；人為邊界性質的確定應從不利因素考慮等方面進行。

項目地位于云南省大理市鳳儀鎮(zhèn)南側的沖溝內，根據沖溝地質條件分析，沖溝屬于一個相對獨立的水文地質單元。北、西、南三面皆為分水嶺界，模型中作為第二類邊界條件。地下水沿谷坡流向溝谷從東側排出，東側邊界作為地下水的出口作流量邊界處理。區(qū)內主要接受大氣降雨補給，潛水含水層底部以強風化的泥巖和砂巖為主，平均厚度10～30 m，得到研究區(qū)水文地質概念模型(圖2)。

2.2 數學模型

根據上述研究區(qū)的水文地質概念模型，結合達西定律和質量守恒定律，得到非均質、各向異性、空間三維結構、非穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)數學模型為：

圖2 研究區(qū)水文地質概念模型Fig.2 Hydrogeological conceptual model of study area

(1)

式中，K為含水層滲透系數；H為潛水位標高；z為含水層底板標高；Q為抽水井開采強度；μ為給水度；Ω為含水層滲流區(qū)域；Γ1、Γ2分別為第1類邊界、第2類邊界；H(x，y，z，t) 為點(x，y，z)在t時刻的水位；H0(x，y，z)為點(x，y，z)初始時刻的水位；H1為給定水位；n為第2類邊界外法線方向。

建立地下水溶質運移數學模型[14]：

(2)

式中，n為介質孔隙度；c為組分濃度；t為時間；Dij為水動力彌散系數張量；vi為地下水滲流速度張量；W為水流的源匯項；Cs為組分濃度；C0(x，y，z，t)為已知濃度分布；C(x，y，z，t)為定濃度邊界上的濃度分布。

2.3 邊界條件和初始條件

(1)邊界和初始條件。評價區(qū)為一個相對獨立的水文地質單元，西側、北側、南側為分水嶺視為隔水邊界，東側為定流量邊界。模型底部為隔水邊界，頂部接收大氣降水補給，排泄以蒸發(fā)為主。將模擬區(qū)內的監(jiān)測孔水位作為模擬預測的初始水位，地下水現狀監(jiān)測的濃度背景值為初始值，初始時間為2017年8月。

(2)源匯項。此次模擬主要包括地下水水質的計算。地下水水質預測中，正常條件下，考慮含油污水處理間的防滲作用；非正常情況下，考慮含油污水處理間各防滲設施失效。由于場內還設有埋土式成品油儲罐30余個，呈“C”形布置，正常情況下防滲良好時發(fā)生泄漏危險很小。因此，根據實際情況，本次模擬選取含油污水處理間作為污染源強。

2.4 網格剖分

計算區(qū)域以研究區(qū)所在地中心位置為坐標原點，正北方向為y軸正向，正東方向為x軸正向，垂直向上為z軸正向。根據沖溝地層勘察資料，垂向上主要考慮4個水文地質分帶，即包氣帶、水位變幅帶、(含)透水帶和相對隔水帶。為了盡可能均勻地進行數值剖分，將平均厚度較大的包氣帶、含水帶和相對隔水帶細分為多個亞層(各亞層基本水文地質參數相同)，共計設置19層20面。研究區(qū)數值模型經離散后，共剖分得642 300個節(jié)點，1 207 640個單元(圖3)。

圖3 研究區(qū)網格剖分Fig.3 Study area grid map

2.5 模型參數識別

為確定評價區(qū)各地層的滲透系數，布置7個控制性鉆孔，通過抽水試驗和室內試驗等確定各個地層的滲透系數作為模型的初始值?？紫抖雀鶕r性取值為0.4；給水度取值為0.09；參考Gelhar[15]的研究成果并結合現場地質資料，對本次評價范圍潛水含水層，縱向彌散度取20 m，橫向彌散度取2 m。為了驗證模型的合理性和有效性，需要對所建的數值模型進行參數識別，即確保所建模型能夠準確地反映研究區(qū)水文地質條件概況[16]。利用計算水位與7個實測水位進行比較，反復調整模型參數，獲得二者最佳擬合結果。經模型多次反演識別，模型各計算參數的最終取值見表1，地下水位擬合結果如圖4所示。

表1 各含水層滲透系數反演值Tab.1 Inversion value of permeability coefficient of each aquifer cm/s

圖4 實測水位和計算水位對比Fig.4 Comparison of measured water level and calculated water level

從圖4中可以看出，計算水位與實測水位吻合較好，形成的地下水等值線趨勢基本一致，均方根誤差為0.30 m，說明誤差較小，模型可用于實際計算。

3 污染物滲漏模擬預測

研究預測因子為石油類和氨氮，預測時選取污染源初始濃度最大值進行分析，即氨氮為50 mg/L、石油類為350 mg/L。其中，石油類污染物參照《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類標準執(zhí)行；氨氮參照《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)Ⅲ類標準執(zhí)行。

3.1 工況設定

在模擬項目所在地的地下水污染情況時，應考慮不同工況下的地下水污染情況，即正常工況下以及非正常工況下(防滲失效)地下水的污染情況。

(1)正常工況下，防滲層未出現破壞，考慮項目所在地及周邊污染物遷移情況，水平方向上運行時間為20年，預測時段分別為100 d、1 000 d、5年、10年和20年，縱向上考慮20年的污染遷移深度。正常工況防滲層的滲透系數取1×10-10cm/s且無破損。

(2)非正常工況下，考慮含油污水處理間防滲失效，此時廢水等污染物下滲到地下水的流量增大。同樣地，水平方向上預測最長時間為20年，預測時段為100 d、1 000 d、5年、10年和20年，縱向上考慮100 d時的污染遷移情況。防滲失效時考慮最壞情況，即防滲材料完全失效，此時防滲層的滲透系數默認與土層的滲透系數相同。

3.2 污染物遷移模擬結果分析

含油污水處理間考慮防滲正常和防滲失效2種工況，分別對氨氮和石油類兩種典型性污染物的遷移特征進行評價。

(1)氨氮。在正常工況即防滲層正常運行下，20年后，項目所在地場內含油污水處理間中的氨氮最大遷移距離約12.91m，地下水受到污染的總面積為1 075.40 m2，在剖面上污染物的影響深度約為10.21 m。在正常工況下，氨氮遷移擴散范圍未超出場區(qū)范圍且不明顯。在防滲失效時，氨氮遷移擴散比較明顯(圖5)，100 d后，氨氮最大遷移距離約8.51 m，地下水受到污染的總面積為703.33 m2，在剖面上污染物的影響深度約為11.00 m。此時水平方向和縱向的擴散范圍已與正常工況下運行20年相近。20年后，氨氮最大遷移距離約152.05 m，地下水受到污染的總面積為11 235.50 m2。隨著時間的不斷增加，源強周邊的污染物濃度逐漸增加，污染物的擴散范圍也越來越大。污染物水平最大遷移距離也隨時間逐漸增加。在剖面上污染物的影響深度較水平方向較小，說明影響范圍變化較為緩慢。氨氮在非正常工況下的遷移速度會明顯變快，影響范圍也大于正常工況。氨氮在東北方向上的遷移擴散比較明顯。

(2)石油類。在正常工況下，20年后，最大遷移距離約為14.27m，地下水受到污染的總面積為1 193.01 m2，在剖面上污染物的影響深度約為11.10 m。污染物水平最大遷移距離也隨時間逐漸增加。在正常工況下，石油類遷移擴散范圍未超出場區(qū)范圍且不明顯。在防滲失效時，石油類遷移擴散比較明顯(圖6)，在防滲失效時，100 d后，石油類最大遷移距離約9.02 m，地下水受到污染的總面積為798.20 m2，在剖面上污染物的影響深度約為12.90 m。此時水平方向和縱向的擴散范圍已與正常工況下運行20年相近。20年后，石油類最大遷移距離約174.94 m，地下水受到污染的總面積為12 109.37 m2。隨著時間的不斷增加，源強周邊的污染物的濃度逐漸增加，污染物的擴散范圍也越來越大。在剖面上污染物的影響深度較水平方向較小，說明影響范圍變化較為緩慢。石油類在非正常工況下的遷移速度會明顯變快，影響范圍也遠遠大于正常工況。石油類在東北方向的擴散比較明顯。通過FEFLOW軟件模擬，得到2種典型污染物在不同工況下的擴散情況見表2。

圖5 非正常工況下氨氮遷移擴散示意Fig.5 Migration and diffusion diagram of ammonia nitrogen under abnormal conditions

圖6 非正常工況下石油類污染物遷移擴散示意Fig.6 Schematic diagram of migration and diffusion of petroleum pollutants under normal working conditions

表2 污染物在不同工況下擴散情況Tab.2 Diffusion of pollutants under different conditions

源強距場區(qū)邊界的最近直線距離為20 m。項目地及四周無集中式的飲用水水源地、自然保護區(qū)和文物、景觀帶等環(huán)境敏感點；源強距周圍村莊白塔村、大江西村、小江西村、之蘭村和鳳儀鎮(zhèn)直線距離分別為0.14、0.90、1.00、1.10、2.30 km，其中距離最近的白塔村位于項目地的東北方向，同時也是污染物遷移擴散范圍較大的方向；距周圍地表河流波羅江直線距離約2 km；距離云南省第二大淡水湖洱海約10 km。波羅江和洱海均屬于地表水，且離項目所在地直線距離相對較遠。因此，源強最大遷移距離大于0.14 km時，將嚴重影響周邊環(huán)境。

結合表2可知，正常狀況下，20年后項目地含油污水處理間中的污染物氨氮和石油類在水平方向上的最大遷移距離分別為12.91、14.27 m，但污染物最大遷移距離14.27 m未超出油庫場區(qū)邊界，防滲效果有效；在非正常工況下，5年后氨氮、石油類最大遷移距離49.10、53.70 m，均超出場區(qū)邊界。20年后氨氮、石油類最大遷移距離152.05、174.94 m，已對最近的白塔村造成地下水污染。所以項目運行期應定期檢查場內含油污水處理間的防滲性能，避免滲漏和防滲失效。

4 結論

本文利用FEFLOW軟件建立了云南某油庫的地下水文地質模型和溶質運移模型，經過模型的識別和驗證，表明模型較好地反映了廠區(qū)的地下水流動特征，并在此基礎上對地下水中污染物運移規(guī)律進行了模擬預測，主要得出以下結論。

(1)本文通過FEFLOW選用氨氮和石油類2種典型污染物質，預測結果顯示：正常工況下，20年后項目地含油污水處理間中的污染物在水平方向上的最大遷移距離為14.27 m，垂向上最大遷移距離約11.10 m。遷移距離沒有超出建設項目范圍，污染物縱向遷移主要在潛水含水層中。

(2)在防滲層失效的情況下，含油污水處理間防滲全部失效，20年后污染物在水平方向上的最大遷移距離174.94 m，遠大于正常工況下的最大遷移距離，并會對環(huán)境產生嚴重的污染。因此，在非正常工況下污染物的遷移速率較快，對地下水有一定的影響，日常應做好相關跟蹤監(jiān)測工作，及時處理突發(fā)狀況，避免污染物影響范圍擴大對地下水環(huán)境產生嚴重危害。

(3)在突發(fā)事故造成防滲層失效時，污染物在油庫運行時間內將會影響到周邊環(huán)境及人類正?；顒印轭A防因突發(fā)情況導致防滲層失效，建議采取一定的預防措施。例如設置地下水監(jiān)測點，每個季度至少對油庫的污染物監(jiān)測1次，出現污染物滲漏異常情況可以及時采取措施補救。