基于GMS的滨海油田输油管线地下水污染物预测

陈 毅 ，陕 宁 ，杨 峰

（1.海南地质综合勘察设计院，海口570206；2.海南省地质调查院，海口570206）

1 输油管线环境地质条件

输油管线位于海南岛北部，北侧临海，地形缓波状起伏。年平均降雨1691.7mm，年平均气温23～24.9℃。地层沿海与河流入海口一带出露第四系砂砾、砂，厚1.80～7.60m；东南、南部一带出露第四系黏土质砂，厚2.00～13.00m。地下水类型为松散岩类孔隙潜水、火山岩裂隙孔洞潜水和松散岩类孔隙承压水，地下水流向基本为自南向北顺地势向海区流径。

2 污染物迁移数学模型

2.1 区域地水文地质概念模型

根据研究区所在位置，对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，可将研究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[2]，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[3]。

研究区油田无重质非水相污染物，落地油或输油管道泄漏污染物主要对潜水含水层造成污染；大部分区域潜水和第一承压水层之间为粉质黏土，厚度在10～20m之间，其渗透系数与上层含水层相比差3个数量级，构成良好的隔水层，对于其下伏的承压含水层，则很难造成污染；而假定注水井渗漏点刚好位于第一层承压水处，泄漏的含油污水直接进入承压水造成污染。因此，本次研究对象为火山岩裂隙孔洞潜水、松散岩类孔隙潜水及与第一承压水含水层。

2.2 地下水流及污染物迁移数学模型

根据上述水文地质概念模型，可建立与其相对应的地下水流数学模拟模型，采用下列偏微分方程的定解问题描述研究区地下水规律，如公式（1）。

式中 K1，K2分别为潜水、承压含水层的水平渗透系数（m/d）；K′为弱透水层垂向渗透系数（m/d）；Kn为边界面法向方向的渗透系数 （m/d）；h1，h2分别为潜水、承压含水层的水位标高 （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）；M为承压含水层厚度 （m）；M′为弱透水层厚度（m）；Γ0为渗流区域的上边界，即地下水的自由表面；h为潜水含水层已知水位边界值 （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；x，y，z为空间位置坐标（m）。

本次研究是针对输油管道泄漏地下水原油迁移范围进行数值模拟计算，对于单组分的污染物在地下水系统中的迁移过程中，考虑岩土对原油的吸附作用，并结合输油管线的实际情况，将污染物迁移数学模型描述为公式（2）：

2.3 边界条件与网格剖分

2.3.1 边界条件

潜水含水层南部、西部、东部和西北部为流量边界，东北环海部为定水头边界；承压含水层北部、南部、东部概化为流量边界，西部概化为隔水边界。

模型垂向上概化为3层，工作区上边界为潜水面，在该面上发生了大气降水入渗、潜水蒸发排泄等垂向水量交换。底部边界为第一承压含水层的隔水底板，该处地下水径流滞缓，与下部含水层间水交换微弱，可概化为零流量边界[4-5]。

2.3.2 网格划分

将工作区网格剖分大小为200m×200m，共剖分有效单元格38196个，垂向上为3层，如图1。

图1 工作区空间剖分

2.4 模型识别和验证

2.4.1 地下水水位拟合

观测流场利用本次水文地质工作所取得的水位资料[6]，并修正工作区以往地下水位资料，而进一步处理分析，确定工作区地下水水流场[7]。

模拟结果表明，工作区潜水含水层地下水计算流场与观测流场比较吻合（如图2，图3）。

图2 潜水含水层流场拟合

图3 承压水含水层流场拟合

地下水稳定流数值模拟模型基本上能够反映工作区地下水流动规律和特征，符合工作区实际的水文地质条件，可利用该模型进行地下水污染预测研究。

2.4.2 地下水系统均衡分析

通过对模型识别验证，得出模拟区地下水系统水量均衡结果如表1。

表1 模拟区地下水系统水量均衡结果

由表1可以看出，模拟区1个水文年里，地下水总补给量与总排泄量大致均衡，补给量略大于排泄量，为正均衡。

3 溶质迁移模拟结果分析

3.1 事故风险状况

研究区内分布了不同的工业项目，对区内地下水将产生不同程度的影响。通过确立污染源—污染途径—污染受体研究，确定地下水污染预测的概念模型，进行地下水污染模型模拟预测，研究3种工况下污染物泄露发生10年和20年后，石油类在水平方向上的运移范围 （取0.05mg/L作为石油类的污染限，即0.05mg/L等浓度线表示石油类的污染范围）。

3种工况：（1）正常工况且有防渗措施条件下的泄露；（2）事故工况1，即输油管道破裂造成原油泄漏，原油经过破坏的部位进入土壤及地下水的情景；（3）事故工况2，即输油管道老化腐蚀穿孔造成原油泄漏，原油经过破坏的部位进入土壤及地下水的情景。

输油管线泄漏点可能发生在输油管线上的任一位置，为简化地下水污染物预测工作，本次评价拟选取输油管线上经过的不同类型地下水含水层进行预测，即每种类型选择1个泄漏点进行地下水污染物运移模拟预测。

3.2 结果分析

利用MODFLOW和MT3D模块，联合运行水流和水质模型[8]，污染物流向指向沟的下游，与地下水的流向基本一致。

3.2.1 正常工况

1#，2#预测点在预测期内石油浓度非常低（如图4，图5），远远小于石油的检出限0.05mg/L，可知正常工况条件下石油类对地下水环境的影响较小。

图5 2#预测点落地油在潜水含水层浓度变化

3.2.2 事故工况1

文谭村和多乐村位于地下水径流上游，污染物对两村基本无影响。钦帝村、文学村、美秀村受污染物影响如图6，图7。

图6 管线破裂泄漏10年后石油类扩散

图7 管线破裂泄漏20年后石油类扩散

文学村污染物在第3年开始入海，在第10年污染范围达到最大，影响范围107793.04m2。

3.2.3 事故工况2

文谭村与多乐村位于地下水径流上游，污染物对两村基本无影响。钦帝村、文学村、美秀村受污染物影响如图8，图9。

图8 管线破裂泄漏10年后石油类扩散

文学村污染物在第4年开始入海，在第10年污染范围达到最大，102247.4m2。

4 结语

（1）由于地下流向是自南向北顺地势流动，因此总体上输油管线泄露污染物由南向北顺地势扩展。

（2）输油管线上游（向南）村庄基本没有受到泄露污染物影响，下游村庄受到一定影响。

（3）随着地下水的混合作用，越向下游，污染物的浓度逐渐降低，污染物的扩展速度越慢，但污染范围随着污染物持续泄露不断扩大；文学村污染物在第10年入海，污染范围达到最大，其余村庄污染范围逐渐扩大。

（4）输油管道沿线地下水污染控制应坚持“注重源头控制、强化监控手段、污水集中处理、完善应急响应系统建设”的原则，宗旨是采取主动控制，避免泄漏事故发生。

（5）建立地下水污染防治机制，一旦发生污染事故，有专业队伍承担地下水污染调查、修复工作，使污染危害降到最低。

（6）研究区规划建设时，敏感污染源项目要有浅层地下水防污染对策。