输油管道泄漏地下水污染模拟及预防措施研究

李韵　李薇　黄奎　王冰　王占生　刘磊

(1.华北电力大学资源与环境研究院　北京 102206;　2.中国石油集团安全环保技术研究院　北京 102206)



输油管道泄漏地下水污染模拟及预防措施研究

李韵1李薇1黄奎1王冰1王占生2刘磊1

(1.华北电力大学资源与环境研究院北京 102206;2.中国石油集团安全环保技术研究院北京 102206)

摘要穿越地下水源地的输油管道在运行过程中可能对区域造成环境污染，尤其是发生泄漏事故时会对地下水产生严重影响。以穿越某水源地的输油管道为例，采用地下水模拟系统(GMS软件)，对管道泄漏后，石油类物质在地下水的污染状况进行模拟，分别预测了污染物抵达含水层后的1年、5年、10年、15年和20年的持续污染情形，以及在地下水中的浓度分布。模拟结果显示，石油在地下水中沿着地下水流方向移动，在运移20年后，受污面积可达45 937.1 m2。根据模拟结果，提出了预防措施和防治方案，分别为设置防渗层、确定监测井位置、增设监测井以及迁移敏感区的井口位置，以期为实际工程提供参考技术支持。

关键词地下水输油管道GMS数值模拟

0引言

地下水是人类赖以生存的水源，在水资源日益短缺的今天，保护地下水资源，防止水环境污染成为我国水资源保护工作的重中之重[1]。受管线老化、地质灾害及运行管理等众多因素的影响，管线出现泄漏的风险不断增加[2]。一旦发生泄漏，泄漏油品会随水流迅速扩散，破坏水质及生态环境。同时，由于部分管线建设时间与地下水水源地划分时间的不协调，输油气管线存在穿越地下水水源保护区的现象[3-4]。受地区特殊的地质构造影响，管线一旦发生泄漏后会在水源地保护区迅速下渗，污染地下水资源，造成重大的污染事故，影响地区居民的饮用水安全。泄漏油品在地下流体中扩散的时空变化，应急反应的时间与措施的有效性都是管理工作中面临的巨大挑战。针对泄漏油品在地下水的污染扩散开展相应的模拟研究，对完善防治方案，指导事故处理具有重要的指导作用。

1研究区概况

研究区位于我国西南某冲洪积扇平原的中上端，地势西南高、东北低，地层以第四系为主，厚度40～250 m，由南西向东逐渐变浅。下更新统盆地内埋藏着洪积相堆积物，为泥钙质半胶结砾岩、沙砾岩。中上更新统广泛分布于盆地，属冲洪积相，在倾斜平原的近山麓分布的潜水，含水层为单一巨厚的卵砾石、沙砾石层，一般厚度在250 m以内；在细土平原，沉积地层以粘质砂土和砂质粘土为主，间夹有砂层透镜体，地下水在洪积、冲积带与本带衔接处的扇缘上大量溢出，亦称泉水溢出带，在地下水浅藏区形成大片沼泽及盐沼地。潜水埋深山前在200 m左右，并向扇缘递减，直至溢出地表。含水层水力坡度为2‰～5‰，西南部大、东北部小，渗透系数8～11.5 m/d，水源区地下水的补给量主要有三部分组成，即：河道渗漏补给量、山前侧向流入补给量、侧向流入补给量以及平原区降水入渗补给量。地下水流朝东北方向流去。

2研究方法

运用GMS软件中的MODFLOW和MT3DMS等模块研究污染物在水源地的迁移过程及规律[5-6]。根据实际水文地质情况建立概念模型，将概念模型网格化。使用MT3DMS时，其本身不包括求解地下水流方程的子程序，而是利用MODFLOW的输出结果来获得计算水位。

2.1基本情景设置

由于输油管道本身的特点，泄漏的可能性较复杂，在设计出现的事故情景时，按照危害性最大的原则，即对不采取防渗措施的情景模拟污染物对研究区域水环境的影响。事故设定为管道破裂口瞬时泄漏，经过包气带降至地下水含水层，水表面处为模拟的泄漏源，由于包气带对石油有吸附以及滞后作用，视含水层污染源为持续泄漏，初始质量浓度为1 000 mg/L。泄漏物为石油类污染物，评价标准参照《生活饮用水卫生标准》，当石油类的浓度大于0.3 mg/L时视为超标。2.2水文地质模型

本研究中地下水污染模拟所采用的地下水系统概化模型是在对水源地的地质条件、水文条件加以概化后所得到的天然地质体的物理模型。

模型边界条件概化：根据水源地周边的地貌，补给水源分布状况，选取830 m×600 m区域为模拟研究范围，按照实地地下水水位高程状况，依据水源地地下水水位资料设定。

含水层结构概化：水源地地下水模拟研究区的海拔为1 730 m，含水层概化为均质、各向同性承压含水层，地下水运动概化为稳定流。

源汇项概化：模拟区地下水的主要补给来源有侧向径流补给，大气降水入渗灌溉入渗补给，主要排泄途径有人工开采和北边界的侧向流出。①侧向径流补给。侧向径流补给是研究区地下水的主要补给来源，在数值模拟中，首先采用断面法分段计算其初始值，以线状流量方式导入GMS，然后在模拟中进行调试、拟合。②降水与灌溉入渗。大气降水和灌溉入渗属面状入渗补给，在GMS中用Recharge模块处理，在本次模拟中，按各入渗系数分区、根据收集的资料，分别计算降水入渗强度和灌溉回渗强度，合并后导入GMS。③开采量。人工开采量是根据调查得到，又根据各个乡镇人口及灌区面积按固原有用水定额核定。模拟中采用电井进行处理。④侧向流出量。北部边界的侧向流出量使用断面法计算初始值，模拟中采用通用水头边界模块处理，利用断面法计算值进行校验。⑤地质参数如表1所示。

表1　水源地水文地质参数

2.3模拟条件及参数确定

初始边界条件的确定：依据地质勘察和文献资料，研究区处于几条地表水的汇集流向上，根据地表水流向，周边地貌的高程，确定研究区的地下水高程为东北低，其他方向高。

水文地质参数确定：水文地质参数的正确性与合理性直接关系到地下水模型的准确性和可信度，在本次数值模拟中，主要应用的水文地质参数包括水的传导系数、水力坡度、含水层高程以及弥散系数等。

时间离散确定：模拟时段设置为污染物扩散试验期，设置的时间总步长为7 000 d，每个应力期为365 d，在每个应力期中，地下水补给等源汇项的强度保持不变。

空间离散确定：利用GMS的3DGRID模块，对研究区进行三维网格剖分，由于模拟区的范围较大，(剖分单元数量影响计算强度)，研究区网格剖分为按照井的位置进行精确产生的有限差分网格。

3石油泄漏事故情景预测

3.1地下水流场

依据确定的水头高程和源汇项，运用GMS中的MODFLOW模拟研究区流场[7-8]。得到的水流场如图1所示，经校验与实际地下水流场相符，可以较好地反应出该地区地下水情况。图中黄色标记点为该地区自来水厂取水口位置，供给该地区用水。

图1　地下水流场

3.2源强

考虑的主要污染物为持续泄漏的石油，初始浓度为1 000 mg/L。运用GMS软件中的MT3DMS模块模拟污染物在研究区域不同时间的迁移范围。

3.3污染物迁移转化

图2到图6显示污染物浓度随时间的变化情况。羽状晕圈表示为成品油在不同的年限内随含水层地下水运移扩散的污染物浓度分布，如图中所示，管道的走向由西北向东南方向，模拟的区域为830 m×600 m，在模拟区域内有一水源(黄点)。假设在模拟区域内管道由于某种事故发生泄漏导致在含水层表面持续渗漏，则通过模拟结果分别可以看出持续泄漏后1年、5年、10年、15年和20年的污染物扩散情况。

图2　第1年成品油污染物浓度分布

图3　第5年成品油污染物浓度分布

图4　第10年成品油污染物浓度分布

图5　第15年成品油污染物浓度分布

图6　第20年成品油污染物浓度分布

图中，红色污染羽表示污染物的浓度大于6.15 mg/L，最外层的蓝色污染羽表示污染物的浓度为0.3 mg/L。图中所示的不同的颜色代表不同的污染物浓度，即以图例表示。模拟结果显示，随着时间的推移，污染物从西南向东北方向扩散，与地下水的主流流动方向保持一致，符合地下水中污染物扩散理论。由图中可以计算出污染物在地下水不同的年限内扩散范围如表2所示。纵向距离表示沿着地下水流方向的移动距离，横向距离表示垂直于水流方向的污染物断面长度，影响范围为0.3 mg/L以上浓度的污染面积。

表2　地下水成品油污染随时间向下游扩散范围及地下水成品油污染随时间向上游弥散范围

由于受到地下水流场的影响，沿着地下水流方向扩散，即图中显示的从西南向东北扩散。在含水层上，随着时间的推移，成品油污染物运移范围不断扩大，如果不及时采取措施，10年后的污染扩散范围将逐渐增大，影响周边的环境敏感区。对于泄漏20年的成品油来说，横向扩散525.9 m，纵向扩散124.5 m，扩散范围非常大。因此当泄漏点附近有一水源井，且管道发生泄漏，污染之前若不采取措施，则该处的水源井将受到污染，会为该地区的居民生活带来威胁以及对生态造成破坏。为避免事故发生后产生严重危害，应在相应区域设置监测井，及时监测地下水水质状况。依据模拟结果，在距离管道69.5 m处设置监测井可以观察到一年内的地下水水流情况并可以检测污染物指标的变化。在距离管道172.3、304.8、411.6以及525.9 m处分别设置监测井可以观察到5、10、15、20年的水质情况。

由于地下水动力的弥散作用，地下水中的污染物不仅会沿着地下水流方向移动，也将在污染源区域产生对上游的弥散效应。模拟结果显示，1、5、10、15、20年的弥散范围如表3所示。

表3　地下水成品油污染随时间向上游弥散范围　m

弥散结果显示，污染源附近的区域受到持续渗漏的影响，在周边产生半径大于49.3 m的弥散范围。污染半径随时间的持续增长并不明显，但受污面积不容忽视。因此，不仅需要在管道50 m附近设置监测井来监控弥散作用产生的上游污染羽，也需要重视在迁移井的过程中，远离事故源附近的污染弥散区域，即井在向上游迁移的过程中，应设在与管道位置相距大于50 m以外的地方。

4防治措施

通过模拟结果可知，输油管道一旦发生事故，泄漏的成品油经过一定时间的渗透、弥散，会对周边的水源区地下水产生大面积的污染，从而对周边的人身健康产生严重的危害。由于地下水流慢、地下水运动机理与系统庞大复杂等特点，泄漏后治理难度大且耗时长，因此提出以预防为主的防治措施，依据事故模拟结果，在预防上制定有效方案，相比在污染发生后付出更大代价去治理，具有更重要的意义。

(1)设置防渗层。在管线穿越水源地的高风险事故地带设置防渗装置可有效阻止污染物进一步渗入地下含水层[9]。根据水源地的水文地质特性以及模拟结果，提出在埋地管道的四周敷设防渗层，防渗层与管道之间用砂填塞，防渗结构间隔一定距离再设置渗漏液检漏井，可有效降低石油污染地下水事故的风险。

(2)增设监测井。根据模拟结果，地下水的污染是一个长期的污染过程，因此及时发现事故，能减小污染后果，降低修复补偿耗费。进一步加强地下水的监测力度，在可能受污染的范围加设监测井，紧密监测地下水的水质状况。监测井的设置位置按照模拟结果，主要按照地下水流场方向(本研究中从西南方向向东北方向扩散)多设监测井，分别按照距离可能泄露点的远近设置不同的密度梯度，从而能在第一时间发现潜在事故发生。

(3) 迁移敏感区的井口位置。迁移管道周边的取水井是保证用水安全的有效措施。在事故发生之前，及时评估风险，将管道所在区域地下水下游的水源井迁移至上游地区，可以防止石油泄漏事故所造成的危害。此外，管道泄漏不仅将影响含水层下游区域，也对上游造成污染。石油的持续泄漏会在源头上游产生污染弥散范围，本研究案例中的弥散半径达到49.3 m以上，影响较为严重。因此，在迁移水源井的过程中要充分考虑与管道的距离，将新设水源井布置在弥散范围以外的区域。

5结论

(1)在事故情景下，根据研究区的水文地质资料和现场勘测的数据，建立水源地地下水的水文地质模型，应用GMS软件进行成品油的扩散模拟。结果表明，持续渗漏的情况下，污染物经过20年的运移，对水源地产生了面积为45 937.1 m2的影响，不仅会造成项目的经济损失，也会对周边人居安全构成威胁。

(2)根据模拟结果，提出相应防范措施以及补救方案。设置防渗层来预防石油泄漏到地下水层；增设监测井及时发现溢油事故；对于管道周边的取水井要制定完善的迁移方案，远离管道上游方向一定距离，避免地下水的弥散作用导致的污染物扩散影响。

参考文献

[1]张秀芳.我国地下水开发利用现状与可持续发展[J].城市地质,2002,14(3):40-42.

[2]郭微微.中俄输油管道沿线工程地质问题及地质灾害评价[D].哈尔滨：黑龙江大学,2013.

[3]赵彩凤.输油管道建设对鄂尔多斯盆地地下水影响预测[J].地下水,2013(6):1-3.

[4]JOHNSON W P, AMY G L. Facilitated transport and enhanced desorption of PAHs by natural organic in aquifer sediments [J]. Environ Sci Technol,1995,29：807-817.

[5]薛禹群.中国地下水数值模拟的现状与展望[J].高校地质学报,2010(1):1-6.

[6]祝晓彬.地下水模拟系统(GMS)软件[J].水文地质工程地质,2003,30(5):53-55.

[7]黄婧.基于GMS的宁夏清水河上游平原地下水数值模拟研究[D].宁夏：宁夏大学，2013.

[8]BOGGS J M, YOUNG S C, BEARD L M, et al. Field study of dispersion in a heterogeneous aquifer: 1. Overview and site description[J]. Water Resources Research, 1992,28(12):3281-3291.

[9]王松生.石化工程防渗设计方案分析与选择[J].炼油技术与工程,2013,43(2):60-64.

作者简介李韵，女，硕士，研究员，主要从事地下水污染研究。

(收稿日期：2014-12-31)

Research on Oil Pipeline Leak Groundwater Pollution Simulation and Prevention

LI Yun1LI Wei1HUANG Kui1WANG Bing1WANG Zhansheng2LIU Lei1

(1.ResourcesandEnvironmentalResearchAcademy,NorthChinaElectricPowerUniversityBeijing102206)

AbstractThe oilpipeline that crosses the groundwater source may cause environmental pollution in the construction and operation process, especially when leakage accidents happen. The oil into the groundwater will lead to the damage of water quality and ecological environment. Take the pipelines in one water source place as the case, this paper makes a simulation of groundwater pollution after a pipeline leakage accident, in which the groundwater modeling system (GMS) is applied to simulate the concentration distribution of contamination after 1, 5, 10, 15, 20 years. The results indicate that the oil flows following the groundwater and after 20 years, the polluted area will be up to 45 937.1 m2. According to the simulation, several prevention measures are proposed, such as setting impervious layer, determining the location of the monitoring well, adding monitoring wells and migrating wells in the sensitive area, so as to provide references for practical engineering.

Key WordsgroundwaterpipelineGMSnumerical simulation