GMS软件技术在原油泄漏对地下水污染状况模拟评价中的应用

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(海南省地质调查院，海南 海口 570206)

GMS软件技术在原油泄漏对地下水污染状况模拟评价中的应用

陕宁，杨永鹏，王晓林

(海南省地质调查院，海南 海口 570206)

当前中国对能源的需求日益增加，油品储罐也向着大型化方向发展，大型的油罐装置如果发生原油泄漏会对地下水造成严重污染。本文以某石化项目炼油厂油罐爆炸事故为例，结合炼油厂周边的水文地质条件，运用GMS软件建立地下水数值模型，研究事故工况下原油泄漏在地下水环境中的浓度变化情况，分析并预测地下水在一定时间内受污染的情况，对原油泄漏对项目区地下水的污染进行定量评价。模拟结果表明，在风险事故工况下，以20 a为最长预测期可以发现原油污染的影响范围为312.2×104m2，运移距离为1 736.19 m，平均扩散速率为15.61×104m2/a，平均运移速率为86.81m/a，事故发生后，污染物进入地下水含水层中的浓度逐渐升高，污染影响范围随着时间推移逐步扩大，污染物长期平均扩散与运移速率会小于短期平均速率，原油在预测期内均有超标现象，污染事故具有长期而缓慢的危害性。

环境影响评价；地下水；数值模拟；GMS软件技术；原油泄漏

随着中国经济的快速发展，对能源的需求日益增加，油品储罐也向着大型化方向发展。大型的油罐装置如果发生故障，可能带来灾难性的后果。所以，评价大型油罐区的污染情况十分重要。本文以具体炼油厂油罐爆炸事故为例，采用GMS软件，依据《环境影响评价技术导则—地下水环境》(HJ610-2016)[1]，结合炼油厂周边的水文地质条件，对原油泄漏对地下水的污染进行定量预测评价，可为类似工程提供参考。

1 背景概况

1.1 基本情况

该项目区属热带季风海洋性气候，全年较暖。受海洋影响，冬季少雨，夏季多雨。热带气旋影响比较频繁。年平均气温为24.4℃。5～10月为丰水期，总降水量为1 893.2 mm，全年降雨时间分布不均匀，7月、8月降雨偏多。

1.2 水文地质概况

模拟区地形起伏较小，地貌由火山岩台地、滨海平原组成，另外由于人类填海造地工程活动形成一种新的用地类型，暂称为人工填海区地貌。

区域地下水根据其赋存条件、含水岩组的岩性、水力特征，划分为第四系松散岩类孔隙潜水、玄武岩裂隙-孔洞潜水、松散-半固结岩类孔隙承压水和基岩裂隙水四大类。第四系松散岩类孔隙潜水含水层在整个区域均有分布，岩性为含砾粗砂、中细砂、细砂、粘土质砂等，阶地前缘较厚，后缘较薄。玄武岩裂隙水含水层分布于新英湾以北，岩性为灰、深灰-灰黑色玄武岩，岩石裂隙、气孔发育，除德义岭、三都一带地表有红土覆盖外，其他地区玄武岩裸露。松散-半固结岩类孔隙承压水在区域均有分布，可分为海口组承压含水层(组)和灯楼角组承压含水层(组)两个含水层(组)，海口组承压含水层(组)岩性主要为贝壳碎屑砂砾岩，含砾中粗砂、中细砂、粘土质砂等，砂与粘土质砂呈松散状，含水层孔隙度大，透水性好；灯楼角组承压含水层岩性主要为灰绿色中粗砂、中细砂、细砂及粘土质砂，新英湾以南，含水层顶板向北西西倾斜，新英湾以北，含水层顶板向北倾斜。

2 地下水污染的预测与评价

2.1 水文地质概念模型

2.1.1 含水层结构概化

由于本项目无重质非水相污染物，如果污染物泄漏后主要会对潜水含水层造成污染；而对于上部存在良好隔水层的承压含水层，则很难对其造成污染。因此，本次模型预测主要评价火山岩裂隙孔洞潜水、松散岩类孔隙潜水及与上部潜水含水层直接接触的海口组上部微承压水，它们之间具有较好的水力联系，在本次评价中统一概化为潜水含水组。

2.1.2 边界条件概化

东北边界：参考相关资料，模拟区东北部边界除中段接受地下水侧向径流补给，概化为二类边界的定流量边界，其它段概化为二类边界的零流量边界(图1)。

环海边界：整个模拟区内地下水大致由东部大海径流排泄，环海边界概化为定水头边界(图1)。

图1 模拟区边界条件概化图

2.1.3 源汇项的确定

模拟区的补给来源主要有大气降水补给，地下水侧向径流补给；排泄方式主要为侧向径流排泄和蒸发。

根据模拟区所在位置，地下水系统的内部结构、外部环境、边界条件、水文地质参数等进行分析研究，可将模型区地下水系统概化为非均质、水平各向同性、二维结构、稳定地下水流系统，外部环境通过边界进行物质与能量交换的二维流水文地质概念模型。

2.2 地下水流数值模型

非均质、水平各向同性、二维结构、稳定地下水流系统，外部环境通过边界进行物质与能量交换的二维流水文地质概念模型，用下列偏微分方程的定解问题来描述。

式中：K为含水层介质的水平渗透系数(m/d)；Kn为边界面法向方向的渗透系数(m/d)；h为地下水系统的水位标高(m)；b为潜水含水层底板标高(m)；p为潜水面的蒸发和降雨入渗强度等(m/d)；Γ0为渗流区域的上边界，即地下水的自由表面；h1为已知水位边界值(m)；Γ1为一类边界，已知水位边界；Γ2为二类边界的定流量边界；q为含水层二类边界单位面积上的流量，流入为正，流出为负，隔水边界为0(m/d)；Γ3为渗流区域的下边界，即含水层底部的隔水边界；n为边界面的法线方向。

2.3 模拟流场

本次模拟以2012年3月的地下水水位作为模拟的流场。

2.4 模拟软件及模拟区网格剖分

本次模拟采用美国环境保护局(USA EPA)开发的GMS6.5[2]。

在模拟过程中，厂区及周边水源地为模拟重点区，因此，在这些地方每个单元格的边长为50 m，其他外围单元格边长为200 m，总共剖分有效单元格14 195个，模型在垂向上概化为一层(图2)。模拟区中有效观测孔9个，可以通过观测孔的观测水位对模拟区的水位状况进行控制。

图2 模拟区网格剖分图(剖面垂直放大25倍)

2.5 地下水水流模型识别

2.5.1 水文地质参数识别

通过对评价区地质、水文地质条件、地形地貌、地下水流场特征及野外抽水试验的计算结果的综合分析，渗透系数K为本次模拟的主要水文地质参数。通过模型的模拟调试，获得校准后的水文地质参数见表1和图3。

2.5.2 地下水水位拟合

图4为模拟后地下水流场拟合情况，从图中可以看出模型计算水位长与实际水位拟合较好。9个观测孔计算水位与观测值的拟合差均小于0.7 m(表2)，其中除G7观测孔外的拟合差小于0.4 m。

表1 计算模拟参数表 m/d

图3 模拟区渗透系数K分区图

图4 模拟区潜水含水层流场拟合图

2.5.3 地下水系统均衡分析

通过模型识别得到地下水流数值模型的地下水水量均衡结果(表3)，模拟区的地下水水量的补给和排泄基本平衡。

表2 观测水位拟合统计表

表3 模拟区一个水文年潜水含水层均衡表 104·m3/a

2.6 地下水溶质运移模型

地下水溶质运移可通过以下方程进行描述。

2.6.1 控制方程

2.6.2 初始条件

C(x，y，z，t) = C0(x，y，z) (x，y，z)∈Ω，t = 0

式中：C0(x，y，z)已知浓度分布；Ω为模型模拟区。

2.6.3 边界条件

(1)第一类边界-给定浓度边界

C(x，y，z，t)│Γ1= c (x，y，z，t) (x，y，z)∈Γ1， t ≥ 0

式中：Γ1为给定浓度边界；c (x，y，z，t) 为一定浓度边界上的浓度分布。

(2)第二类边界-给定弥散通量边界

式中，Γ2为通量边界；fi(x，y，z，t) 为Γ2边界上已知的弥散通量函数。

(3)第三类边界-给定溶质通量边界

式中，Γ3为混合边界；gi(x，y，z，t) 为Γ3上已知的对流-弥散总的通量函数。

应用GMS 6.5中的MT3D模块可以对以上数学模型进行数值模拟。

图5 原油污染影响范围预测图

污染物污染物标准/mg/L污染物入海时间/a模拟时间/a污染物最大扩散距离/m污染物污染范围/104m2污染物超标范围/104m2原油0.3161285.35113.392.145693.22168.44129.84101215.26223.52153.36201736.19312.2220.52

2.7 预测与评价

假定5×104m3的柴油罐的储存量为30×104t，爆炸破坏地表防渗面积为1 000 m2，伴生二次污染事故为物料泄漏，其中95%燃烧，则地面柴油量为1.5×104t。依据厂区的水文地质条件，柴油储罐所在区域的包气带厚度约为5 m、孔隙度约为0.6，则所泄露物料的最大渗漏量为防渗层以下包气带的孔隙体积，即可能渗入地下水的污染物总量不超过1.5×104t。

在调试好的地下水流场模型基础上，通过GMS软件的MT3D模块进行污染物迁移转化的数值模拟计算，得到事故风险情景下污染物运移的预测结果。预测结果总结见表4。污染物的迁移分布见图5，给出了风险事故下石油类泄漏后1 a、5 a、10 a、20 a后污染物在水平方向上的运移范围。在风险事故工况下，本次最长预测期20 a内，原油污染的影响范围为312.2×104m2，运移距离为1 736.19 m，平均扩散速率为15.61×104m2/a，平均运移速率为86.81 m/a。通过模拟可知，事故发生后，污染物进入地下水，含水层中污染物浓度逐渐升高，污染影响范围随着时间推移逐步扩大。原油在预测期内均有超标现象。污染物长期平均扩散与运移速率小于短期平均速率，因此污染的防治工作，不仅要充分考虑污染事故危害的迅速扩展，而且还要考虑污染事故长期而缓慢的危害性。

3 结语

运用GMS软件建立某石化项目地下水二维数值模型，通过对含水层的概化和水文地质参数的反复调整[3]，经过模型的识别和验证，模拟结果较符合实际情况，模型模拟效果较好，可以直观说明保护目标受到的影响程度，为类似工程的地下水环境影响评价提供参考。

[1]环境保护部环境工程评估中心.HJ610-2016环境影响评价技术导则地下水环境[S]．北京：中国环境科学出版社.2016.

[2]郑春苗， Gordon D． Benneff．孙晋玉，卢国平， 译．地下水污染物迁移模拟[M]． 北京: 高等教育出版社．2009(2 )：186-198.

[3]谭文清，孙春，胡婧敏，等.GMS在地下水污染质运移数值模拟预测中的应用[J]．东北水利水电.2008.26(5)：54-55，59.

ApplicationofGMSsoftwareinsimulationevaluationofgroundwaterpollutioncausedbycrudeoilleakage

SHANNing，YANGYong-peng，WANGXiao-lin

(Hainan Geological Survey Institute, Haikou, Hainan 570206)

At present, the demand for energy in China is increasing day by day, and the oil storage tanks are developing toward large scale. Large oil tank installations can cause serious pollution to the ground water if oil spills occur. Based on a petrochemical projects refinery oil tank explosion accident as an example, combined with oil refineries around the hydrogeological conditions, using GMS software to establish a numerical model of groundwater, the oil spill accident conditions of concentration in groundwater environment changes, the analysis and prediction of groundwater polluted situation, within a certain amount of time for the oil spill pollution to the groundwater in the project area for quantitative evaluation. Simulation results show that the risk of accident conditions, with 20 years as the longest forecast period can be found that the influence of oil pollution of 312.2×104m2, migration distance of 1 736.19 m, average diffusion rate of 15.61×104m2/a, the average migration rate was 86.81 m/a, after the accident, the concentration of pollutants entering groundwater aquifer rise gradually, over time, gradually expand the pollution impact range, long-term pollutant diffusion and migration rate will be less than the short-term average rate, crude oil in the forecast period has the violation, the dangers of pollution accident has a long and slow.

environmental impact assessment；groundwater；numerical simulation；GMS software technology；crude oil leakage

X523

A

1004-1184(2017)05-0074-04

2017-05-16

陕宁(1985-)，女，山西临汾人，工程师，主要从事水工环地质调查方面工作。