榆次西窑水源地脆弱性分析及污染预测模拟

郑 尚

(四川大学 水利水电学院，成都 610042)

榆次西窑水源地脆弱性分析及污染预测模拟

郑 尚

(四川大学 水利水电学院，成都 610042)

为了解榆次西窑水源地的环境易污染程度及石家庄—太原原油管道可能对西窑水源地的地下水产生影响的情况，利用DRASTIC评价法对榆次西窑水源地进行地下水脆弱性评价，并利用GMS软件模拟原油泄漏，研究其对西窑水源地水质的影响。DRASTIC评价结果表明：西窑水源地地下水脆弱性差；假设在距供水井距离最近处管道破损，污染发生0.5 d，其对供水井产生严重影响，且石油类超标>300 d。结合污染情况，提出了具体的原油管道对地下水污染的防治措施。

西窑水源地；原油管道；DRASTIC评价法；GMS；污染防治

1 研究背景

随着社会经济的快速稳步发展，成品油管道运输因具有成本低、效率高、优化管理容易、运输损耗低和风险小等优势，已被世界各国广泛接受，并大量应用于我国广大内陆区域的成品油调配输送[1]。成品油中含有多种不饱和烃、芳香烃，成分稳定且溶水性差，具有较大毒性。成品油管道一般埋于地下，一旦发生破损泄露，会对土壤及地下水造成污染且难以治理，尤其在地下水水源地地带。因此，对成品油管道穿越地下水源地处进行地下水脆弱性评价及风险研究，对于地下水资源保护具有重要意义。

石家庄—太原成品油管道(以下简称“石太管道”)是连接河北、山西两省的重要输油管道。目前，石家庄市和山西省成品油供应主要以铁路运输为主，铁路运力一直处于紧张状态，随着经济的发展，铁路运力将更加凸显，石太管道的建设有助于缓解成品油铁路运力不足的紧张状态。但石太管道穿越的环境敏感点较多，西窑水源地为榆次区4大供水源地、3大地下水源地之一，石太管道沿东西向穿越一级保护区，可能对西窑水源地地下水环境造成一定影响，故查明西窑水源地地下水环境脆弱性，预测输油管道事故石油泄漏对水源地的影响，对于保护榆次区正常供水具有重要意义。

2 研究区概况

石太管道全长316 km，设计输量为340×104t/a，首站压力为8.5 MPa；管道起点为石家庄首站(河北省石家庄市石家庄炼油厂油库)，终点为太原末站(山西省太原市皇后园油库)，共设立5座站场，截断阀室8座，全线采用密闭顺序输送工艺。设计最大管径Φ355.6 mm，全线采用直缝电阻焊钢管，管道外防腐层采用性能最好的加强级聚乙烯3层结构(3层PE)。

榆次西窑水源地位于榆次区城东12 km的西窑—东赵村一带，开采水主要为第四系孔隙水及三叠系裂隙水，目前共有供水井18眼，日供水量34 344 m3/d，供水人口约11.1万人。其中孔隙水开采井11眼，开采深度32.6～51.44 m，开采量为21 822 m3/d；裂隙水开采井7眼，开采深度359.01～500.07 m，开采量为12 522 m3/d。管线穿越水源地区域属于潇河漫滩及一级阶地，水源地河谷孔隙水主要由第四系全新统和上、中更新统含水岩组所组成，岩性为砂砾石层、中细砂、亚黏土，其底部为三叠系中统二马营组砂泥岩，含碎屑岩类裂隙水。该水源地是以傍河浅井，通过河床砂砾石孔隙含水层袭夺肖河地表水和深井开采三叠系基岩裂隙水2种途径来解决榆次市城市供水的混合型中小型水源地[2]。

潇河为水源地的主干河流，发源于昔阳县沾尚马道岭，经昔阳、寿阳流经本区至太原盆地汇入汾河，全长130 km。水源地以上长80 km，流域面积2 700 km2。据上游芦家庄水文站(流域面积2 367 km2) 观测资料，潇河多年平均流量为4.03 m3/s，最大洪水流量为788 m3/s，最小流量为0.27 m3/s。水源地和芦家庄水文站相距约13 km，沿途基岩裂隙水补给地表水，据水源地勘察时潇河断面和芦家庄水文站同期资料对比，平均增加0.315 m3/s。

石太管道穿越榆次西窑水源地一级保护区2.77 km，水源地二级保护区4.12 km，位置关系见图1。

图1 管道穿越西窑水源地位置关系Fig.1 Location of Shijiazhuang-Taiyuan oil pipeline crossing Xiyao water source

3 榆次西窑水源地地下水脆弱性评价

3.1 评价方法

对于区域地下水脆弱性评价，国外常用的方法有水文地质背景值法、系统参数法、数值模型法及相关分析法等[3]。目前，国内常用的地下水脆弱性评价方法为DRASTIC法。DRASTIC法是取对含水层脆弱性影响较大的7项主要因素作为评价指标，并根据各指标相对大小赋予权重来综合评价地下水脆弱性的方法。DRASTIC法于1985年由美国环境保护署(USEPA)正式提出[4]，它综合了40多位水文地质学专家的经验，并先后用于美国多个地区的地下水防污性能评价工作。1991年被引入欧共体国家并成为欧洲国家地下水防污性能评级的统一标准[5]。1996年中国与欧盟合作，使DRASTIC法在大连等地区地下水防污性能评价中得到成功应用[6]。中国地质调查局也将DRASTIC方法列入《地下水污染地质调查评价规范》，将其作为地下水防污性能评价的推荐方法。我国在地下水脆弱性评价方面没有系统的方法，学者通常是采用DRASTIC评价法以及经过改进的其他方法，比如付素蓉等[7]在DRASTIC模型的基础上忽略了地形、土壤类型和含水层的水力传导系数，增加了污染物及含水层厚度对含水层敏感性影响，提出了适用于城市地下水污染敏感性分析的DRAMIC模型；李小牛等在DRASTIC 基础上考虑降水入渗补给系数、地下水开采系数提出污灌区地下水脆弱性评价指标体系DRATIG模型。此类模型均是针对某一特定区域所提出的评价方法，在模型适用性方面存在缺陷，且未经过大范围实践的检验，因此，榆次西窑水源地地下水脆弱性分析仍选用DRASTIC评价法。

3.2 西窑水源地地下水脆弱性分析

3.2.1 DRASTIC法脆弱性评价

根据水文地质勘察资料，对西窑水源地7项评价指标进行分析，并计算其DRASTIC值。

(1) 地下水埋深。研究各类地层因其含水介质的差异及所处地貌、地质构造位置的不同，形成富水程度及埋深不等的地下水类型。主要分为：松散岩类孔隙水和碎屑岩类裂隙水。松散岩类孔隙水主要分布于河谷区，多为潜水。碎屑岩类裂隙水因含水层与隔水层相间成层，表部发育风化裂隙潜水，分布于山间河谷(潇河)、峁梁丘陵区，地下水埋深依地形变化，多在0.5～2 m；碎屑岩类裂隙水分布于山区与丘陵区，及下覆基岩中，埋深较大。取水井及水源地一级保护区均位于潇河河漫滩及一级阶地，地下水埋深较浅，因此地下水埋深项评分为10。

(2) 含水层净补给量。DRASTIC方法中净补给是指施加在地表并且入渗至含水层的总的水量。净补给包含年平均入渗量，并没有考虑补给的分布、强度和持续的时间[6]。根据河流入渗补给、降水入渗系数及抽水量计算，水源地净补给为122～161 mm，该项指标评分为6。

(3) 含水层介质。潇河河谷区松散层含水岩组由第四系中-上更新统和第四系全新统地层所组成。由于其间(8～26 m) 分布有稳定的淤泥层(Q3)，将含水岩组分为上、下两大部分。上含水层底板埋深5～10 m，由全新统(Q4) 冲积砂卵砾石组成，厚3～8 m；下含水层由中-上更新统(Q2，Q3)细砂及砾砂组成，厚8～15 m。碎屑岩类裂隙水含水岩组主要为三叠系中统二马营组、下统刘家沟组，含水岩组因岩层组合多属砂泥岩互层型。因此含水层介质评分为6。

(4) 土壤介质类型。水源地出露地层主要为上更新统(Q3)土黄色亚黏土、浅褐色、黄色亚黏土和亚砂土夹粉砂及细砂薄层，分布于山间河谷两岸；全新统(Q4)砂砾石层、中细砂、亚黏土，分布于河谷区。根据综合分析，该项评分为5。

(5) 地形坡度。西窑水源地河谷区的坡角多在1°～2°，南北两侧黄土丘陵区坡度在3°～10°，因此该项评分为9。

(6) 渗流区介质。由前述含水层介质分析，包气带主要岩性为砂砾石层、中细砂和亚黏土，因此渗流区介质评分为8。

(7) 水力传导系数。根据西窑水源地地层岩性分布，可将水源地含水层分为4层：第1层上含水层，为砂砾卵石的松散岩类孔隙潜水，为强透水、富水含水层，厚度5～10 m，是水源地主要开采层；第2层淤泥层，为相对隔水层，厚度为11～14 m；第3层下含水层，为微胶结砂卵石为主局部含薄层砂及砂砾石的松散岩类孔隙水，为主要含水和开采层位，厚度10～15 m；第4层二马营组裂隙含水层，岩性为中厚层长石砂岩、泥岩及砂质泥岩，为承压含水层，厚度100～150 m。根据山西省地质矿产局第三水文地质工程地质队多孔抽水及群井抽水试验，利用稳定流S-lgr图解法、公式法、△h2-lgr′/r图解法及非稳定流△h2-lgt图解法等方法求参取均值，得上含水层水力传导系数为76.5 m/s，混合含水层为56.45 m/s，下含水层为46.5 m/s。则水力传导系数项评分为8。

西窑水源地周围无面状农业污染，因此利用正常情况下DRASITC权重值进行计算。根据前述分析计算得DRASTIC值为175，属于地下水脆弱性差、易污染区域。

3.2.2 DRASTIC法分析地下水脆弱性缺陷

(1) 单指标计算简单，未考虑分布多样性。在西窑水源地保护区，地下水埋深随地形变化而变化，河谷区多在0.5～2 m，阶地及丘陵区地下水埋深往往大于2 m，DRASTIC评价法未能给出在该情况下的取值或取值方式；同理，含水层介质随地层深度变化为冲积沙砾卵石-淤泥-沙砾层-页岩，土壤介质在河谷、阶地及丘陵均有变化，坡度随地形变化等，在单指标随区域变化的情况下，DRASTIC法并未提供选取最优值的评价方法。

(2) 忽略指标间的关联性[5]。西窑水源地河谷及阶地区域主要为砂砾石层，其岩性决定了其较强的渗透性，而在评价指标中含水层介质、渗流区介质、水力传导系数分别为3个独立指标，在原理上缺乏合理性。

(3) 权重值固化。在西窑水源地所在区，其脆弱性主要由地下水埋深、含水层介质及水力传导系数决定，土壤类型、坡度等因子影响较小，针对特定的研究区，固化的权重值并不能更真实地反映其地下水脆弱程度。如在城市区域，地形坡度较缓、排水管网代替了自然沟道，其权重可忽略不计。

(4) 含水层净补给考虑单一。含水层补给一般来源于大气降水、地表水、越流补给、侧向补给以及人工补给等，不同的补给方式及不同的补给量对地下水脆弱性的影响程度不同。西窑水源地区域，河谷附近水力传导系数较大，且河流具有一定的纳污性能和稀释作用，在相同的净补给量的情况下，其影响与以大气降水为主的区域相差较大，赋予相同的权重值并不能代表其具有相同的影响程度。

总体来说，DRASTIC评价法是一种成熟的脆弱性评价方法，在欧美、加拿大以及我国部分地区取得了成功并积累了相当丰富的经验[6]。该法考虑到了影响地下水环境的各方面并给出了相对合理的权重与评分值，仍然是目前国际通用的一种评价方法。

4 石太管道西窑水源地环境影响评价

根据《环境影响评价技术导则地下水环境》(HJ610—2016)，穿越段位于敏感区段，执行二类建设项目一级评价。为保护地下水资源，利用数值法模拟地下水污染运移特征。选用GMS软件进行地下水环境影响预测与评价。

4.1 水文地质概念模型

在前述DRASTIC评价法中对西窑水源地水文地质模型进行了概括，将水文地质模型概化为4层模型。西窑水源地西侧为隐伏断层，为第三系红黏土地堑，地堑构成了水源地的西部阻水边界，因此将该断层作为模拟区的西部边界；南、北侧边界为松散岩类与二马营组砂岩之间的地质界线；东侧以潇河为界，潇河常年有水，因此概化为已知水头边界。第四层为砂岩，地下水类型为基岩裂隙水，因此其西部断层为隔水边界，其他边界均为流量边界。模拟区范围见图2。

图2 模拟区范围

4.2 事故模拟预测

输油期间人为、自然或者油压过高、管道腐蚀等原因，可造成成品油泄漏渗入地下而污染地下水。根据国内外管道泄漏事故分析，在截断阀关闭后，泄漏油品量一般为截断阀(或穿越两端至高点)之间管道油品量的5%～30%，如果按照最大量30%计算，漏油量分2部分估算:一部分是截断阀关断之前的漏油量；另一部分是截断阀关断之后的漏油量。假定发生管道断裂事故，大量油品瞬时泄漏并进入地下水中。根据演练情况，在巡线人员接收泄漏信息到达现场需要4～6 min，关闭阀门需要2～4 min，其响应时间t=10 min。管道断裂泄漏成品油的污染源强Q=131 t。由于泄露时间较短，因此设置为瞬时点源污染。

按照影响最大原则，假定在C5井较近处管道发生泄漏，泄露量为131 t。污染物泄漏超标范围模拟预测如图3和图4。

图3 污染物泄漏30 d，预测泄漏395 d超标范围Fig.3 Predicted scope of standard-exceeding area 30 days after pollution leakage

图4 污染物泄漏2 a，预测泄漏1 095 d超标范围Fig.4 Predicted scope of standard-exceeding area 2 years after pollution leakage

模拟结果显示，管道渗漏后，虽然通过关闭阀门控制了渗漏，但渗漏到含水层中的石油类仍然存在于含水层中，并持续污染地下水。通过预测，发生泄漏后0.5 d，石油类影响范围达到3 258 m2，最大运移距离为58 m。发生泄漏后30 d，石油类影响范围达到8 046 m2，最大运移距离为144 m。从石油类超标范围与水源井相对位置关系可知，石油类泄漏会对C5开采井造成严重影响。由剖面图可知，石油类污染可达承压含水层，对承压水造成影响。

图5 C5井石油类浓度随时间变化曲线Fig.5 Time-history curve of oil concentration in well C5

根据预测结果，污染泄漏0.5 d,石油类就到达C5井，C5井最大污染浓度为1×104mg/L，超过生活饮用水卫生标准约30 000倍，污染使得C5井水石油类超标达300 d，在C5井不停止抽水的情况下2 100 d后石油类浓度才能低至石油类检出限以下，可见管道泄漏对C5井影响极大，在此期间C5井抽出的地下水不能饮用。C5井水中石油类浓度随时间变化曲线见图5。

4.3 地下水环境污染防治措施

根据预测，管道泄漏对潜水和承压水都会造成严重的影响，一旦发生泄漏事故，对西窑水源地的影响是极其严重的。为防止管道泄漏对水源地地下水的污染，应采取以下治理方案：①将管线迁出西窑水源地的水源保护区至东南侧或西南侧山坡敷设，这是一劳永逸的方案，将彻底避开水源保护区，即使泄漏也不会对水源井水质产生污染，此方案费用较大;②采取现有管道改造，加强该段管道监控和风险事故应急措施。其具体应急措施：

(1) 截断阀预防措施。在管道穿越水源地的东西两侧各设置一座截断阀室，两阀室间距≤5 km。阀室应同时具备昼夜值班及应急物资储备的功能，一旦发生异常可以立即关闭两端阀室进行管控并采取相应措施控制泄漏的油污进入地下水。

(2) 黏土地下水防渗墙防护措施。以抽水井为中心两侧各100 m范围内的管道底部和旁侧增铺一层厚度≥1.5 m的隔水黏土，并予以夯实，实施水平防渗和垂直防渗。

(3) 对管道穿越潇河两侧坡段的水保工程进行维修加固。

(4) 加强管道的监控与维护。①增加该区域的巡护线力量。②在该段管道设置监测井，定期(每季度或半年)对监测井水质进行化验。③定期对管道进行专业内检测及外部检测，及时发现管道的内、外部腐蚀等情况。其中外检测每年春秋两季各进行1次，内检测每1～3 a进行1次，确保管道安全运行。每季度进行阴保电位测试，将测试结果通过GPS管理系统如实上报。发现电位异常，及时联系专业技术人员进行维修，确保阴极保护系统正常运行。④根据在石太管道沿线场站安装的定位精度可达百米级的泄漏报警软件，实时监控压力变化，一旦发生压力波动，立刻确定报警的压力波动位置。尽快安装中石化集团公司的智能化管道监管系统，对所有管道及附属设施(含阀室、光缆、三桩、站场)等将进行全面的实时监控和管理。⑤论证事故替代水源。为避免事故发生后晋中市居民饮用水供应遭受大范围影响，应提前做好事故情况下水源替代方案。

5 结 论

(1) 本文结合榆次西窑水源地为研究对象，根据DRASTIC地下水脆弱性评价法7项指标依次进行分析，并发现该方法实际运用中存在的一些问题，如未考虑同一指标存在多样性、多指标之间相互联系等。

(2) 利用GMS模拟事故情况下石油泄漏对西窑水源地的影响，结果表明原油管道泄漏在长时间内对C5井产生严重影响，从某种程度说明西窑水源地地下水脆弱性较差，基本符合DRASTIC评价结果。

(3) 针对原油管道泄漏对地下水的影响提出了污染防治措施，如管道改线、增强监管、定期水质监测等，可供石油类污染防治措施参考。

[1] 陈中涛,王红旗,李仙波.成品油管道地下水环境风险评价研究[J].工业安全与环保,2012,38(3): 51-54.

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[3] 王丽红,王开章,李 晓,等.地下水水源地脆弱性评价研究[J].中国农村水利水电, 2008，(11): 22-25.

[4] ALLER I， BENNET T, LEHR J H,etal. DRASTIC: A Standardized System for Evaluating Ground Water Pollution Potential Using Hydrogeological Settings[M]. Oklahoma: U.C. Environmental Protection Agency,1987．

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[6] 杨 庆,栾茂田.地下水易污性评价方法——DRASTIC指标体系[J].水文地质工程地质, 1999,(2): 4-9.

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(编辑：赵卫兵)

Vulnerability Analysis and Contamination Prediction ofXiyao Water Source in Yuci District

ZHENG Shang

(College of Water Resource and Hydropower, Sichuan University, Chengdu 610042，China)

In order to explore the groundwater vulnerability and the impacts of Shijiazhuang-Taiyuan oil pipeline on Xiyao water source, we evaluated the groundwater vulnerability using DRASTIC method and simulated the impacts of oil spill contamination on the groundwater quality using GMS (groundwater monitoring system). Results suggest that the groundwater vulnerability in Xiyao water source is rated as weak. If oil leakage occurs in the shortest distance to a water supply well, the groundwater quality would be severely affected in half a day, and the oil concentration would be exceeding standard for over 300 days. Some recommendations for pollution prevention and control were offered in consideration of the pollution situation.

Xiyao water source; oil pipeline; DRASTIC; GMS; pollution prevention

2016-03-21;

2016-04-03

郑 尚(1992-)，男，湖北麻城人，硕士研究生，主要从事地下水环境影响评价研究，(电话)18328006002(电子信箱)zsloamy@126.com。

10.11988/ckyyb.20160258

2017,34(7):19-23

X523

A

1001-5485(2017)07-0019-05