西部某油田运营期地下水污染模拟研究
兰斐 范阅 彭邦洲
1青岛中油岩土工程有限公司
2新疆油田公司采油一厂特种技术采油作业区
随着近几十年西部大开发的实施，西部地区石油开采工业迅猛发展，伴随而来的地下水污染问题也越发严重。石油类开采具有高污染的特性，污染物一旦泄漏进入地下水中很难被发现，且一旦发生污染，极难治理与恢复[1]。因此，掌握地下水污染物在含水层中的运移规律对于地下水污染防治十分关键，研究油井中地下水污染物在地下水含水层中向下游迁移的规律具有重要意义，研究结果有助于在今后的生产管理中更精确地对污染防控提出要求，从而避免地下水污染。
某小型油田位于我国西部地区，该区域地貌为倾斜平原，含水层为粉砂、细砂和中砂，粗砂及砾砂少见，多为薄层。地下水埋深9～22 m，在深度300 m 内为一套砂类土与黏性土交互堆积的无稳定隔水层的含水层组，砂层与黏性土层呈互层状产出。由于地层本身的压力和地表向南的缓坡，含水层埋藏越深，压力头越高，50～70 m 深度多段可得自流水。根据地下水的水力性质、埋藏条件和赋存条件，该区地下水分为碎屑岩类孔隙裂隙水和松散岩类孔隙水两类。松散岩类孔隙水在接受平原地表水的下渗和补给后，基本沿地势南移，由单一的潜水向上层潜水、下层承压水转变，顶托补水潜水最终以地面蒸发、植物蒸腾等隐蔽蒸发的形式排放到倾斜平原的前缘，将得到的地下水蒸发完毕，从而完成地下水的补给、径流、排泄全过程。区内地下水的排泄途径主要有浅层地下水及地表水的蒸发排泄和地下水含水层的侧向径流排泄等。
根据调查资料，项目所在区潜水水位受农业灌溉影响较大，水位高值出现在每年的4～6 月份，低值出现在1～2月份，年内变幅为0.68～1.29 m。区内潜水水位整体变化趋势是每年3～4 月受农田灌溉影响，潜水水位迅速上升，9 月停灌，潜水水位持续下降，1 月前后地面结冻，蒸发减弱，水位平稳，至3、4 月份农灌期水位再次上升。2005 年，该区地下水年际变化较为稳定，随着经济及农业的不断发展，2005年后区域水位整体程下降趋势。
2.1 地下水概念模型
地下水概念模型是对调查区域水文地质条件的简化模型，目的是使模型中的水文地质条件尽可能简单明了。本次建立的地下水概念模型是均质、各向同性、稳定流三维模型，主体构型由边界条件、内部控制方程和地下水流模型三大要素组成。通过对调查区地层岩性、含水层特征、地下水化学类型的调查分析，确定组成模型的各个要素。
2.2 模拟软件选择
本研究选用常用软件GMS（Groundwater Modeling System）建立研究区地下水流模型，进行水流模拟和溶质运移。
2.3 地下水渗流模型
2.3.1 数学控制方程及求解
在对调查区水文地质概念模型分析的基础上，基于渗流连续性方程和达西定律，建立了与调查区地下水概念模型相匹配的的均质、各向同性、稳定流三维模型[2]。
模拟区内的地下水运动可用以下数学模型描述：
式中：Ω为地下水渗流区域；
S1为模型的第一类边界；
S2为模型的第二类边界；
kxx，kyy，kzz分别为x，y，z主方向的渗透系数，m/s；
w为模型的流入和流出特征，即源汇项，m3/s；
H0(x,y,z) 为第一类边界条件下的地下水水头函数，m；
q(x,y,z)为第二类边界条件下的单位面积流量函数，m3/s。
地下水污染模拟过程没有考虑污染物在含水层中的吸附、挥发和生化反应，为了保证模拟结果的可信性，模型中的各个参数都进行了保守考虑。
2.3.2 模拟区范围
BH-10 号集中式饮用水水源井位于油田YH304-2H 油井下游1 256 m 处，为本次模拟中潜在污染风险最大的保护目标，在分析了解该水源井所在区域地形地貌特征、地层岩性、水文地质条件、地下水开发利用情况、污染源及保护目标分布位置的基础上，考虑到该井处于一个较大的水文地质单元上，周边无天然的水力边界，因此，依据上下游关系确定调查模拟区范围如下：
依托于流场情况，YH304-2H油井以西2 070 m处955 m 高程�人幌呶灸Ｄ馇奈鞑勘呓纾�7 653 m；
YH304-2H 油井以东4 680 m 处920 m 高程等水位线为本模拟区的东部边界，长3 783 m；
模拟区的南北边界连接东西边界且垂直于流场方向，整个模拟区面积共73.77 km2[3]。
2.3.3 地质模型及网格剖分
模拟区含水层结构较为简单，为第四系洪冲积砂类土，在深度300 m 内为一套砂类土与黏性土交互堆积的无稳定隔水层的含水层组，因此模拟区域的含水层概化为单一潜水含水层。
模拟区边界为流量边界，包括入流量边界、出流量边界和隔水边界三类[4]。
由于模拟区地下水流向为自西向东，因此本模拟区入流量边界为模型的西侧边界，出流量边界为模型的东侧边界，南北两侧为隔水边界，三类边界均为非自然的人为边界，控制该边界流量因素有两个，分别是地下含水层的水力梯度和地下含水层的导水能力。地下含水层的导水能力固定不变，根据水力学中的达西定律，通过边界的单宽流量为：
式中：q为边界单宽流量，m2/d；
q0为边界在初始时单宽流量，m2/d；
ΔJ为边界处水力坡度变化值；
T为边界处导水系数，m2/d。
根据计算结果，本次模拟的入流量边界流量为3 061.2 m2/d，出流量边界流量为1 513.2 m2/d。
由于面积很大，模型的补给项中大气降水补给、灌溉垂直入渗补给均可视为面状补给，可近似假定灌溉用水入渗补给的量是均衡的，即灌溉入渗补给可概化为面源补给。由于模拟区地下水埋深较深，故本次模拟中暂时不考虑蒸发对地下水的影响[5]。
根据有限差分法剖分原理，采用规则网格剖分方法，有效计算单元9 532个。网格剖分图见图1。
图1 模拟区范围及网格剖分Fig.1 Simulation area range and mesh division
根据抽水试验结果，本区地层渗透系数取0.8 m/d；
根据地层情况，给水度取经验值0.2；
根据流场情况，模拟区水力坡度为0.005[6]。
2.4 模型识别与验证
模型识别和验证过程是整个仿真过程中极其重要的一步，一般情况下，对涉及到的水文地质参数需要在合理范围内反复修改调整并试算才能达到较为真实的拟合效果。该模型的识别和验证过程中采用的方法是试估-校正法，它是一种间接的参数反转方法[7]。
通过运行GMS 中计算程序，确定特定的水文地质参数和水均衡下水文地质概念模型中地下水位的时间及空间的分布，通过拟合给定边界条件、源汇项等识别水文地质参数和边界值等平衡项，使建立的地下水水流模型更符合调查区实际的水文地质条件，进而确定调查区地下水的流入和流出，从而精确地预测某特定条件下的地下水流场[8]。
根据上述模型结构和各模型参数的初值，可以对模型进行反演计算。根据实际观测数据，对渗透系数、导水率、垂向补偿和排水强度等参数进行调整。
通过建立评价区模型结构，并对模型边界条件进行刻画、给定各参数的初始值、源汇项等得到的地下水流场图与初始流场对比图（图2）。
图2 模拟地下水流场与实际流场对比（彩色等值线为模拟流场）Fig.2 Comparison of simulated groundwater flow field and actual flow field(colored contour lines represent simulated flow field)
通过上述对比结果可见，所建立模型的模拟结果与初始流场对比，流场形态基本相似，水力梯度大致相等，基本能够反映地下水系统的水力特征，可利用此地下水模型进行地下水污染模拟预测。
2.5 地下水环境影响预测
2.5.1 地下水污染模拟情景
在正常运营的工况下，地下水不会受到污染。在事故状态下，油田对地下水的环境污染影响主要是油井管道在受到腐蚀或者断裂时发生的石油类物料外渗，石油类污染物穿过包气带，进而对地下水产生污染。设定事故情景为连续性小量渗漏，污染物类型为石油类污染物，计算在地下水流作用下，石油类污染物的运移状况。
本次解析计算预测采用以下两种方案：
（1）固定时间、不同距离下的浓度预测。预测时间点分别为100、180、360、1 000、3 600 和7 300 d。
（2）固定距离、不同时间下的浓度预测。预测距离分别为50、100、200 m。
正常运营条件下对水源地水质无影响，但一旦发生泄漏后，石油类污染物将进入地下水系统，对地下水造成污染。伴随着污染物的不断运移，污染范围和程度进一步增大。
由于石油类物质在水中的最大溶解度为15 mg/L，出于保守考虑，模型中污染物浓度取15 mg/L。
2.5.2 模拟结果
（1）固定时间、不同距离下的石油类污染物浓度预测。分别选取100、180、360、1 000、3 600和7 300 d 的污染物运移情况，预测结果分别如图3～图8所示。
图3 100 d石油类污染物污染晕的扩散情况Fig.3 Diffusion of petroleum pollutant pollution halo at 100th d
图4 180 d石油类污染物污染晕的扩散情况Fig.4 Diffusion of petroleum pollutant pollution halo at 180 d
图5 360 d石油类污染物污染晕的扩散情况Fig.5 Diffusion of petroleum pollutant pollution halo at 360th d
图6 1 000 d石油类污染物污染晕的扩散情况Fig.6 Diffusion of petroleum pollutant pollution halo at 1 000th d
图7 3 600 d石油类污染物污染晕的扩散情况Fig.7 Diffusion of petroleum pollutant pollution halo at 3 600th d
图8 7 300 d石油类污染物污染晕的扩散情况Fig.8 Diffusion of petroleum pollutant pollution halo at 7 300th d
根据预测结果，在渗漏发生100 d 时，距离油井110.16 m内地下水中石油类污染物浓度超过生活饮用水卫生标准上限（0.3 mg/L，总量）；
在渗漏发生180 d 时，距离油井118.47 m 内地下水中石油类污染物浓度超过生活饮用水卫生标准上限；
在360 d时，距离油井125.71 m内地下水中石油类污染物超过生活饮用水卫生标准上限；
在渗漏发生1 000 d时，距离油井164.01 m 内地下水中石油类污染物浓度超过生活饮用水卫生标准上限；
在渗漏发生3 600 d 时，距离油井220.44 m 内地下水中石油类污染物浓度超过生活饮用水卫生标准上限；
在渗漏发生73 00 d 时，距离油井299.25 m 处地下水中石油类污染物浓度超过生活饮用水卫生标准上限。
（2）固定距离、不同时间下的石油类污染物浓度预测。分别选取距油井50、100 和200 m 处进行预测，分析其在渗漏发生后石油类污染物的浓度变化趋势，预测结果如图9～图11所示。
图9 距油井50 m处石油类浓度变化趋势Fig.9 Variation trend of petroleum concentration at 50 m from the oil well
图10 距油井100 m处石油类浓度变化趋势Fig.10 Variation trend of petroleum concentration at 100 m from the oil well
图11 距油井200 m处石油类浓度变化趋势Fig.11 Variation trend of petroleum concentration at 200 m from the oil well
根据预测结果显示，随着泄漏的发生，地下水中石油类污染物浓度逐渐上升，地下水污染程度逐渐增大。在距油井50 m 处地下水中石油类浓度超过0.3 mg/L（总量）的渗漏时间为第113 天，在距油井100 m 处地下水中石油类浓度超过0.3 mg/L（总量）的渗漏时间为第849天，在距油井200 m处地下水中石油类浓度在7 300 天（20 年）时的浓度仍然低于检出限。
在油井石油污染物持续泄漏的工况下，石油类污染物将会进入地下水系统，对地下水造成局部污染，伴随着污染物的不断运移，污染范围和程度进一步增大。
根据预测结果，油井下游距离最近的保护目标（BH-10 集中式饮用水水源井）在预测时段（20年）内很难受到影响，石油类污染物在泄漏时对地下水环境的影响较小。
建议项目建设中埋地管道采用耐腐蚀的非金属材质，并选用热熔焊接等适当的连接方式，减少漏点，尽可能避免腐蚀，降低埋地管道系统泄漏的可能性，避免污染地下水[9]。同时建议在油井周边及上游设立应急抽水井，一旦发生地下水污染事故，及时进行抢修，将损失控制在最低限度[10]。
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