某石化基地地下水污染模拟研究

兰 斐，赵洪辉

（青岛中油岩土工程有限公司，山东 青岛 266000）

1 研究区概况

某石化基地位于我国西南地区，项目区域内松散堆积物大量沉积厚度不均。基底上部松散沉积物（白垩系红色基岩）自下而上依次沉积下更新世、中更新世、上更新世和全新世，由旧至新叠加。 由于不同时期沉积的松散沉积物的成因和岩性不同，形成了下含水层、上含水层相对稳定的分布及其之间的相对隔水层。项目区域内水流动方向主要受地形地貌控制，总体上由西北向东南流动。根据多年地下水水位监测资料，结合枯水期、平水期、丰水期水位变幅，区域内地下水水位随时间变化不大，水位总体变幅在1.2～2.4m以内，基本处于均衡状态。上层含水层地下水补给的主要来源是大气降水、沟渠水、农业灌溉补水和地下水侧向径流补给。排泄方式主要是径流和蒸发。

2 模型的建立与计算

2.1 地下水流数值模型

2.1.1 水文地质概念模型

水文地质概念模型概括了含水层的实际边界特性、内部结构、渗透系数、水力特性及补给和排泄条件，以用于数学和物理模拟。水文地质概念模型是对地下水系统的科学概化。它是对复杂的实际系统的一种近似处理，以满足建立模型的要求。它是地下水系统模拟的基础。它把研究对象视为一个有机整体，以地质为基础，整合各种信息，汇集多学科的研究成果。

根据对研究区水动力场、岩性构造、水化学场的分析，可以确定概念模型的要素。三要素的核心是边界条件、内部结构和地下水流型。

2.1.2 模拟区域

模拟区域面积约65.58km2。

2.1.3 含水层概化

评价区内沉积了厚度不等的松散堆积物。基底上部松散沉积物（白垩系红色基岩）自下而上依次沉积下更新世、中更新世、上更新世和全新世，由旧至新叠加。 由于不同时期沉积的松散沉积物的成因和岩性不同，形成了下含水层、上含水层相对稳定的分布及它们之间的相对隔水层。

2.1.3.1 上部砂卵石含水层

上更新世至全新世沉积的松散沉积物形成了相对稳定的孔隙含水层体系。主要埋藏于浅部的松散堆积砂卵石层中。该含水层结构松散，孔隙性好，具连续统一的潜水面，在研究区分布普遍，厚度稳定，一般10～30m，平均15～20m，但在山前冲洪积扇顶地段，基岩埋深不大，且局部缺失上更新统及中更新统上段冰水流水堆积层，含水层（有效）厚度薄，仅3～5m或<10m。由于不同部位厚度各异，且卵石间充填物颗粒大小及密度的差异，其导水性能表现出一定的差异。

2.1.3.2 下部强风化含泥砂砾卵石含水层

下含水层群主要由下中更新世和早更新世风化-强风化泥质砾石卵石层组成。根据已有资料，中更新统下段在平原内分布稳定，从平原西部出山口处（关口）厚度5.85m，逐渐增至数十米（平原中部），从含水层的岩性结构来看，砾石层风化差异明显，随着厚度的增加，下更新统砾石层胶结程度增加。总的看来，下部含水层组富水性属水量贫乏—中富，渗透系数为0.25～1.78m/d，单井出水量多在80～1100m3/d间。

2.1.3.3 上、下含水层之间的相对隔水层

项目区上下含水层之间，普遍分布着中更新统上层泥质砾石层，一般为棕黄色、棕黄色粉砂、泥质充填（或包覆）砾石层，砾石层为强风化的砾石层。砾石被黏土包围，结构致密，渗透性差，不含水或几乎不含水，地层相对稳定。该层在该地区很常见，并成为上下含水层之间相隔水层。埋藏深度12～30m，厚10～28m。

由于第四系中更新统上段强烈风化泥砾卵石层，在平原内分布广泛且较为稳定而形成隔水层位，使上、下含水层的水位（水头）差异明显，在同一钻孔位置多表现为下部承压含水层的水头略低于上部潜水含水层的水位。

2.1.4 侧向边界模拟区的北侧，东侧，西南侧均为河流，因此，侧向边界概化为定水头边界。

2.1.5 垂向边界

模拟区地下水系统下部含水层底部与基岩接触，基岩构成隔水底板。上界为潜水面，接受大气降雨补给、河道渗漏和农田灌溉下渗。

图1 模型示意图（垂向放大30倍）

2.1.6 地下水动态特征

模拟区地下水流动方向主要受地形地貌控制，总体上由西北向东南流动。根据多年地下水水位监测资料，结合枯水期、平水期、丰水期水位变幅，区域内地下水水位随时间变化不大，水位总体变幅在1.2～2.4m以内，基本处于均衡状态。

本次评价基于对地下水动力学、地下水系统内部结构、外部环境、边界条件、水文地质参数等的认识，模拟区地下水系统概念模型可概括为非均质各向异性、空间三维结构，非稳定地下水流系统。

2.1.7 数学控制方程及求解

通过对区内水文地质概念模型的分析，依据渗流连续性方程和达西定律，建立与区内地下水系统水文地质概念模型相对应的三维非稳定流数学模型：

2.1.8 模拟的流场及源汇项

本次模拟的初始流场为2020年1月评价区的地下水水位（枯水期）。源汇项目主要包括侧向流入、降雨入渗、人工开采等，每个项目在对应分区上转换成强度，然后分配到对应的单元格中。

2.1.9 软件的选择及网格剖分

Visual MODFLOW是行业标准的用于地下水流和污染物运移模拟的三维地下水模拟软件。包括MODPATH、MT3DMS、PEST等模块。目前已经成为最为普及的地下水运移数值模拟的计算软件，也是本次模拟选用的软件。

本次模拟预测根据地下水流场特征及水文地质条件，将模拟区共剖分53364个有效单元格，并对厂区位置进行了加密处理，如图2。

图2 模型网格剖分

2.1.10 地下水水流模型识别

在对上述地质和水文地质条件进行分析的基础上，结合地形地貌、地下水流场特征及现场抽水试验计算结果，对模拟区上层含水层渗透系数进行分区，K1区域渗透系数为120m/d，K2区域渗透系数为60m/d。同时通过计算水位和实际水位拟合分析，反复调整参数，并最终得到了含水层参数，如图3。

图3 模拟区渗透系数分区图

模型识别与验证是仿真中极其重要的一步，通常需要反复调整参数才能达到较为理想的拟合结果。主要操作步骤为：①运行计算程序，得到给定水文地质参数和各种平衡项条件下模拟区地下水流场。②通过拟合同一时期的均匀测量流场，可以识别水文地质参数等平衡项，使建立的模型更符合模拟区的水文地质条件。

模型的识别与验证主要遵循以下4个原则：模拟地下水流场应与实际地下水流场基本一致；从均衡的角度来看，模拟的地下水均衡变化应与实际情况基本一致；模拟的水位动态应与实际实测水位一致；确定的水文地质条件必须符合实际水文地质条件。

本次模拟以评价区2020年1月地下水位（枯水期）为初始流场进行模拟。 以评价区2020年8月地下水位（丰水期）为模型验证流场，验证后的地下水流场拟合如图4。模拟地下水流场与实测流场吻合较好，说明本次建立的数值模型能够描述模拟区内地下水分布规律。

图4 模拟区流场拟合

2.2 地下水溶质运移数值模型

由于模拟区场地地下水埋藏深度小，本次评价假定在污染物泄漏后到达潜水含水层并达到最大浓度，渗漏速度为包气带的饱和垂向渗透系数，基于水文地质概念模型预测地下水中污染物的运移。

根据水文地质模型的模拟计算结果和模型模拟的地下水流场，地下水中污染物的运动以分散和对流为主，在模拟过程中没有考虑污染物在含水层中的吸附和挥发及生化反应，模型整体保守考虑。

2.2.1 数学模型

描述某一污染物的三维非定常溶质运移模型可用以下偏微分方程表示：

这种三维非稳定溶质运移模型使用Modflow Flex中的MT3DMS模块进行预测和计算。 边界和初始条件设置如下：

（1）初始条件。

C（x，y，t）=C0（x，y）（x，y）∈Ω，t=0

（2）边界条件。Neumann边界条件，边界的浓度梯度为：

2.2.2 流场的给定

模拟区自然条件相对稳定，主要表现为降雨、蒸发等气象要素年际变化较小，模拟区地下水系统源汇项基本不变。监测的地下水流场可反映场地平整后的地下水流动特征。

2.2.3 弥散度的给定

由于水动力弥散尺度效应的存在，很难通过现场或室内弥散试验获得真实的弥散度。因此，本次评价参考了以往的研究成果。从图5可看出，评价区对应的分散度应该在1～10m之间，根据保守的评价原则，本次模拟纵向弥散度参数值取10m，横向弥散度参数值取1m。

3 地下水模拟预测

本项目含油污水处理池，正常运营条件下，对水源地水质无影响，一旦发生泄漏后，石油类污染物将会进入地下水系统，对地下水造成污染，伴随着污染物的不断运移，污染范围和程度进一步增大。

假设石油类污染物发生持续少量泄漏，进入地下水，出于保守考虑，污染物浓度取500mg/L。

假设含油污水处理池地基不均匀沉降导致池底开裂，石油类污染物发生持瞬时大量泄漏，裂缝长5m，宽2cm，假设泄漏发生后10d后被发现并切断泄漏源。

单位面积渗漏量Q可根据式（1）计算：

式中 K为评价区包气带垂向等效渗透系数；I为水力梯度，等于包气带厚度除以水深。

式中 Ki为第i层的渗透系数；Mi为第i层的厚度。

根据水文地质调查结果，土壤垂向渗透系数为0.014cm/s。则渗漏速率为0.014cm/s×2×500=14cm3/s=1.2096m3/d。本次模拟模拟时段分别为泄漏发生后的第50，100，365，1000，3600，7300d。预测泄漏工况下地下水污染预测超标（石油类浓度≥0.05mg/L）范围如图6～图11及表1。

表1 污染物超标情况

图6 石油类污染物超标范围图（50d）

图7 石油类污染物超标范围图（100d）

图8 石油类污染物超标范围图（365d）

图9 石油类污染物超标范围图（1000d）

图10 石油类污染物超标范围图（3600d）

图11 石油类污染物超标范围图（7300d）

4 结语

（1）石油类污染物发生持续少量泄漏的工况下，模拟期内石油类污染物的渗漏对局部区域的浅层水造成污染，随着运移时间增加，超标范围越来越大，在1000d时，运移范围达到最大，随后污染物随着水流运不断消散和稀释，污染物浓度不断降低，范围逐渐缩小，整个预测时段内，石油类污染物未运移到最近的保护目标处。

（2）建议在含油污水池下游按照国家及行业内相关规范要求做好地下水污染的长期监测工作，及时准确掌握项目场地周边地下水环境质量及地下水体污染物动态变化情况，以便及时发现污染，同时，在含油污水池及周边按照重点防渗区的防渗设置要求做好地面的基础防渗。建议在含油污水池周边及上游，设立应急抽水井，并设置24h不间断电源，做好应急预案，一旦发生地下水污染事故，应立即启动应急预案，并根据现场情况进行研判，及时进行抢修，做好安全防范和生态环境修复工作，将损失控制在最低限度。