基于数值模拟方法研究煤层气采出水对地下水环境的影响

陆 嘉，张春晖，何绪文，梁 鹏，李时蓓，刘俐媛，胡唤雨

（1.中国矿业大学 （北京），北京 100083；2.环境保护部环境工程评估中心，北京 100012；3.中国科学院高能物理研究所，北京 100049）

随着我国一系列鼓励煤层气开发政策、规划的实施，区域煤层气规模化和商业化开发将逐步展开［1］。煤层气是一种洁净的高热值能源资源，对其地面开发和综合利用不仅可以减少传统资源的用量，进而减少温室气体排放，还有利于改善煤矿安全生产条件和周围生态环境［2］，但同时煤层气开发中的环境问题也逐步显现。煤层气在采气过程中，会有部分水气被带入地表，称作采出水。由于大量的煤层水与煤层气共存，煤层气的开采必须通过排水、降压、解吸实现。煤层排水水质和水量因各地区水文地质条件不同而不同，通常，煤层气采出水具有较高的碱性［3］，含有较多的钠、钡、重碳酸岩、铁，并有较强的导电性［4］，且其中富含杂质气体和有毒、有害物质，这些物质在煤层和煤层气开采过程中，将会污染大气和地下水［5］。采出水通常会被送至采气井附近的带有底部防渗措施的临时集水池，待积满后由专用车辆运输至污水处理厂集中处理。但在实际调查中发现，部分井场未建防渗收集池，仅用泥沙围建临时集水池收集采出水，这样会造成采出水回渗入地下，如果采出水中含有污染物则可能对地下水环境造成污染。

可溶性污染物是地下水污染的主要原因。根据渗流理论，考虑地下水中水头变化的影响，利用有限元方法，对可溶性物质在地下水中的运移进行数值模拟，得到了地下水压力水头和可溶性污染物在地下水中的迁移变化规律，为可溶性污染物对地下水的污染研究和预测提供重要的分析数据［6］。目前常用的地下水数值模拟软件主要有Visual MODFLOW［7－8］、GMS［9］以 及 Feflow［10］，其 中Visual MODFLOW和GMS使用的数值求解方式为有限差分法，Feflow使用的数值求解方式为有限元法［11］。因有限差分法易于和物理模型直接联系，运算比较方便，因此在渗流问题中，有限差分法用的更为广泛，因此选用有限差分法来对采出水对地下水影响进行研究［12］。

1 研究区概况

1.1 地层特征

本研究区域地处浅山丘陵沟壑区，地貌形态分为河谷区和梁状黄土丘陵区两大类。区内出露地层由老到新为：太古界、元古界、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系和第四系。区域地形总的趋势是西北高东南低，最高点海拔1432m；最低点海拔400m。一般标高在600～800m之间，相对高差1032m。

1.2 含水层特征

河谷区地势平坦，分布有第四系松散层的孔隙含水层，沟谷两侧出露二叠系石盒子地层，基岩裸露，地势高陡，在上石盒子组下部有一层砂岩含水层，为下石盆子组下段砂岩含水层，其富水性较其他含水层相对较强，水质良好，河谷区居民多以自然村为单位就近建设供水设施开采该含水层中的地下水作为生活用水。

地下水按其岩性及储水空间可分为：第四系松散岩类孔隙水、石炭二叠系砂（灰）岩裂隙水及奥灰岩岩溶裂隙水三种类型。总体而言，第四系松散岩类含水不丰富，石炭二叠系富水性、透水性不强，奥灰岩岩溶水富水性、透水性强，但极不均一。根据收集资料，区内地下水含水层划分见表1。

表1 研究区域地下水含水层划分表

2 模型概化

本研究利用数值模拟的方法对污染物进入地下水后的污染范围及迁移路径进行预测。模拟区域为陕西某煤层气开采井田，模拟使用Visual MODFLOW软件。通过使用MODFLOW模块构建地下水流动模型，使用MT3D模块构建污染物运移模型，对区域地下水流场及污染羽进行模拟。

该水文地质单元地处某褶断带，模拟区域北边界以F22断层为边界，为隔水边界。东边界，南边界分别依托F1、F14断层设置，为隔水边界。据调查资料显示，区域北部的河流水位常年与第四系潜水含水层的水位基本一致，因此可判定为一类边界，南侧的支流为季节性河流，概化为河流边界，模型西边界为二类边界，模型上边界接受降雨补给。区域地质概况如图1所示。

从空间上看，评价区地下水流整体上以水平运动为主，地下水系统符合质量守恒定律和能量守恒定律；在常温常压下地下水运动符合达西定律；地下水系统的输入输出随时间、空间变化，但地下水位动态变化受降水影响明显，因此将地下水视为非稳定流；参数随空间变化，体现了系统的非均质性；在水平方向上，参数没明显的方向性，为各向同性。

综上所述，研究区可概化成非均质各向同性、空间三维结构、非稳定地下水流系统，即地下水系统的概念模型。模型概化为四层，其中第一层概化为第四系松散层的孔隙潜水含水层；第二层概化为第四系松散层含水层以下，二叠系砂岩裂隙承压含水层以上的三叠系泥岩相对隔水层；第三和第四层分别对应上石盒子组上段砂岩裂隙含水层和上石盒子组下段砂岩裂隙含水层。由于附近村落的水源井的取水点位于上石盒子组下段砂岩含水层，因此我们主要关注污染物到达该含水层后的运动动态。

图1 区域地质概况图

3 模拟结果与讨论

通过输入参数搭建地下水流模型，为了确保模型准确无误，需要通过模型识别来校验参数的准确性。在模型识别的过程中，以模型构建当日的600天前作为初始时间，输入这600天的历史观测值，运行模型，可以得到模型计算值，继而比较观测值与计算值的误差。以第四含水层为例，以模型构建当天作为比对时间点，模型识别前与识别后的水位拟合情况分别如图2和图3所示。

图2 第四含水层水位模拟误差分析图（模型识别前）

通过图2和图3可以看出，在模型识别后各观测点的观测水位值与计算水位值拟合情况较好，通过比对五个观测井的最大水位误差仅为0.8m，可认为该水流模型基本正确，继而在水流模型的基础上建立污染物运移模型，对污染情况进行预报。通过对该井田采出水水质进行采样分析，得到的结果如表2所示。

图3 第四含水层水位模拟误差分析图（模型识别后）

表2 陕西省某气田采出水水质报告

从表2可以看出，氯化物的浓度严重超标，因此选择氯化物作为预测因子。在构建污染物运移模型时，模拟起始日期为模型构建当日，模拟时间为3000天，运行模型，得出未来3000天内4个时段的污染羽图（图4，图4中五个柱状体为水源井）。

图4 不同预测时间点的污染羽图

研究结果表明，3000天内采出水持续渗入到地下水中，基本不会对周围村民取水用水造成影响。分析原因有如下两个：第一，污染源与水源井的距离相对较远，污染物到达水源井需要很长的时间；第二，第二含水层至第四含水层的渗透系数均很小，延缓了污染物的渗透速度，有效地减缓了污染物在含水层中的污染进程。由此可见，按最不利情况考虑，在连续采气3000天内，仍然没有修建防渗集水池收集采出水的情况下，含高浓度氯化物的废水持续渗入到地下水中，基本不会对周围村民取水用水造成影响。

4 结论

本文以氯化物为预测因子，利用地下水数值模拟的方法，使用地下数值模拟软件Visual MODFLOW搭建研究区域的水文地质模型，对煤层气采出水渗入地下水后其中所含污染物的迁移路径和污染范围进行模拟。结果表明，因该井场距离周边水源井距离较远，且含水层的渗透性较差，减缓了污染物的下渗速度，污染物基本不会对周围居民饮水健康造成影响。

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