石油炼化区地下水环境污染预测与防控研究

阮巍，徐世光，2，郭婷婷 ，赵磊

(1.昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093；2.云南地矿工程勘察集团公司，昆明 650041)

地下水是水资源的一个重要组成部分，地下水污染问题越来越被世界各国所重视[1],并引起全球普遍关注，有关地下水环境的研究也得到各国学者的高度重视[2]。在石油炼化区，长期的石油炼化活动会造成石油类污染物进入浅层含水层，污染地下水水源，对当地居民的生产、生活造成很大影响[3]。针对石油炼化项目对地下水产生的污染进行预测分析，评价石油炼化项目可能造成的地下水污染，建立地下水监测与应急防控体系，对污染源头进行防治和管理[4]，有效的保护地下水环境。

建立地下水模型，进行地下水数值模拟是地下水资源环境分析的常用方法[5-7]。本研究应用GMS软件建立地下水水流模型和溶质运移模型[8]，其中地下水溶质运移模拟是找出污染物迁移规律、确定污染范围及污染物浓度分布的重要手段[9-11]。在掌握污染物迁移规律的基础上，建立场地的监测与应急防控体系，并对防控体系进行论证。

1 水文地质概况

研究区位于滇中高原中部，滇池以西，总体地势南高北低。多年平均降雨量为898.7mm，每年5～10月为雨季，占全年降水量的87.4%。研究区处于大地构造单元属扬子准地台西部，普渡河-滇池断裂从研究区东部边缘通过。区域内地层主要为第四系松散层、二叠系倒石头组、寒武系渔户村组、寒武系筇竹寺组、震旦系灯影组。二叠系倒石头组岩性为铝土岩，寒武系筇竹寺组岩性为砂岩、粉砂岩，富水性均较差。研究区主要含水层为第四系松散层、寒武系渔户村组、震旦系灯影组，第四系含水层平均厚度30 m，岩性主要为河湖相、冲洪积物和残坡积物，富水性较差；寒武系渔户村组含水层岩性为白云岩、白云质磷块岩，基岩裂隙、溶隙弱发育，富水性中等；震旦系灯影组含水层岩性为硅质灰岩、白云质灰岩，基岩溶隙、溶孔较发育，富水性较好。3套地层之间水力联系较紧密，概化为统一的含水体系。松散层含水层主要接受大气降雨补给，地下水径流较快，以蒸发排泄为主；裂隙-岩溶含水层主要接受大气降雨补给及松散层下渗补给，含水层呈单斜构造，地下水径流途径较长，径流方向从南至北，以泉点、民用井排泄为主。

2 模型建立

2.1 研究区概念模型

根据地层岩性及地下水的赋存条件、水力联系和水动力特征，将研究区地下水含水层结构概化为2层，分别对应第四系松散岩类含水层和寒武系渔户村组、震旦系灯影组裂隙-岩溶含水层，地下水类型为潜水。根据区域水文地质条件，研究区北、西面由断层构造控制，东面至寒武系筇竹寺组砂岩、粉砂岩地层，北西东三面均概化为零流量边界，南面概化为定流量边界。研究区总面积约为50.9 km2，地下水流系统概化为非均质各向异性三维稳定流。

2.2 数学模型

通过对研究区水文地质概念模型的分析，建立研究区的数学模型：

三维潜水含水层地下水稳定流运动方程[12]：

其中，Kx为x方向渗透系数主值，m/d；Ky为y方向渗透系数主值，m/d；Kz为z方向渗透系数主值，m/d；H为潜水含水层水头，m。

第二类边界(已知流量边界):

其中，n为边界Si的外法线方向;qi为已知函数，表示Si上单位面积的侧向补给量。

三维对流-弥散方程:

其中,Dxx为纵向弥散系数主值；Dyy为横向弥散系数主值；Dzz为垂向弥散系数主值；c为溶质浓度，mol/l ；u为实际平均流速，m/s。

2.3 边界条件与源汇项

水流模型边界包括给定流量和零流量边界，给定流量大小采用达西公式结合实测流场及含水层特征计算确定。区域地下水主要接受降水补给，据统计研究区内年平均降水量为898.7 mm/a，当地降水入渗系数为0.24，由此可计算出降水补给地下水的量为0.000 590 926 m/d。本区地下水排泄方式主要为泉排泄及井抽水两种方式，该单元内抽水井主要包括天井山、邵九村、白土村、小石桥、青龙哨等岩溶取水井。

2.4 参数分区与取值

根据研究区水文地质条件及勘察资料，结合地形、地貌、野外抽水试验的结果，对模拟区含水层进行分区，研究区主要含水层组为寒武系渔户村组、震旦系灯影组，参数分区主要针对第二层。通过对研究区内的地表裂隙测量，发现裂隙渗透张量各主值之间也存在明显的线性关系，水平面长轴和短轴的线性关系为方程Ky=0.692 5Kx，长轴和垂直方向轴之间具有线性关系方程Kz=0.403 9Kx。经过模型拟合与检验后，各区水文地质参数取值见表1。

表1 研究区含水层水文地质参数

弥散度室内测定值不宜用于大尺度污染物弥散迁移数值模拟[13]，因此纵向弥散度的确定参考前人研究成果[14]，根据纵向弥散度与观测尺度的统计关系计算，并按照偏保守评价原则取值，确定本次纵向弥散度值为85 m。 水平横向弥散度的取值比纵向弥散度小一个数量级，垂直横向弥散度取值比纵向弥散度小两个数量级[15]。

2.5 模型拟合与检验

运用观测水位资料对模拟区的初始水位进行拟合，能较准确地反映实际地下水流场特征。依据已有水井的水位观测资料，水井观测水位拟合情况良好，小石桥水井观测水位1875.2 m，误差为0.118 m；白土村水井观测水位1 878.5 m，误差为0.350 m；邵九村水井观测水位1 874.0 m，误差为0.57 m；YJ01水井观测水位1 892.1 m，误差为0.2 m；YJ02水井观测水位1891.5 m，误差为0.64m；YJ03水井观测水位1 891.2 m，误差为0.781 m。模拟所得流场如图1，清晰的反映了研究区内地下水分布规律，与实际观测值误差较小，模型较为合理。由模型可以看出该流域地下水整体由南向北流动。

图1 地下水流模型

3 污染物迁移与控制模拟

3.1 泄漏情景与源强设定

由于地下水污染具有隐蔽性、埋藏分布较复杂，国内外学者通过建立数学模型对污染物在地下水中的运移过程进行数值模拟，找出其迁移规律、污染范围及浓度分布，并将其应用于实际工程问题中[16-20]。

研究区内回填土厚10～13 m，地面进行了防渗处理，石油类污染物由地表泄漏至地下水中的概率较低。而污水处理池属于半埋藏式结构，污染物可能通过砂、砾石透镜体直接泄漏至裂隙-岩溶含水层，且泄漏不易察觉，是本次研究的重点分析区域。由于区内以裂隙-岩溶含水层组为主，下游居民生活用水以抽取裂隙-岩溶水为主，考虑到最大风险，模型采用注水井把污染物直接加注至裂隙-岩溶含水层，污染物浓度为500 mg/l。分析此情景下石油类污染物在地下水中的迁移规律，预测评价其对地下水环境的影响。

3.2 结果与分析

本次数值模拟预测只考虑地下水中污染物的对流弥散作用。石油类污染物的评价标准参照执行《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)，当石油类的浓度大于0.3 mg/l时视为超标。在未启动地下水配套的监测与应急体系时，污染物泄漏不易察觉，在持续泄漏60 d后监测井浓度超过限值0.3 mg/l；360 d后污染物迁移范围为1.65 km2，污染物向下游迁移1 078.8 m，污染源中心浓度上升至4.5 mg/l；1 000 d后污染物迁移2 736.7 m，中心浓度上升至5.7 mg/l。从图2的预测结果可以看出，在未启动监测与应急防控体系的情况下，石油类污染物持续泄漏，污染源浓度持续上升，污染物随地下水的径流向下游迁移，对区域地下水环境影响较大。

考虑到污染物泄漏会对地下水环境产生较大的影响，本次研究在地下水下游布设了监测井、应急井，形成了一整套的监测与应急防控体系。运用GMS软件对整个监测、应急过程进行模拟，在污染物泄漏60 d天后监测井浓度超过限值0.3 mg/l，地下水在线监测设备检测到污染物，立即启动应急防控体系，对YJ01、YJ02、YJ03进行抽水，根据地下水管理最优化原则，以最小的抽水量达到最有效的控制效果。通过对模型多次调试后，确定当YJ01、YJ02、YJ03分别以1 000 m3/d、1 800 m3/d、1 800 m3/d的流量抽水时，形成的降落漏斗效果最佳，能有效控制污染物向下游运移，同时能快速的降低地下水中污染物的浓度，达到修复地下水的目标(图3)。

由抽水试验得出应急井均能保证以该恒定流量进行抽排水，当应急井抽水60 d时，监测井污染物浓度由峰值0.39 mg/l下降至0.3 mg/l以下，抽水110 d状态下，污染源浓度由峰值1.45 mg/l下降至0.3 mg/l,此时污染物基本处理完毕，可停止抽水。通过模拟发现应急井抽水量较小，局部形成降落漏斗，控制效果显著， 持续时间较短，对区域地下水影响较小，发生地面沉降、岩溶塌陷的可能性较小。从预测结果看，启动监测应急防控体系的情况下，污染物持续泄漏60 d后被发现，立即截断污染源，在启动应急井抽水110 d后污染物基本处理干净。对比上一种情况，启动监测应急防控体系对控制地下水污染物、修复地下水的作用较明显，能有效保障地下水环境。

图2 污染物迁移模型

图3 抽水条件下地下水中污染物处理效果

4 结论

(1) 利用GMS软件建立地下水流场模型和溶质运移模型，对区域地下水和污染物进行了数值模拟。所建立的模型是合理的，符合当地的实际情况，能反映研究区地下水的流场以及污染物溶质运移和浓度变化规律，判断出了污染源分布及污染羽扩展范围，利用溶质运移模型，建立了监测与应急防控体系。

(2) 通过GMS软件模拟了监测与应急反应过程，结合现场试验确定了应急井的最小抽水流量，验证了防控体系的有效性。在未启动防控体系的情况下，污染物泄漏不易被发现，污染物随地下水的径流向下游迁移，严重影响区域地下水环境；在启动监测应急防控体系的情况下，污染物泄漏60 d即可被发现，切断污染源并启动应急井以恒定流量抽水，保证形成降落漏斗以控制污染物的运移。在抽水110 d后，地下水中污染物的浓度迅速降低。通过本次研究发现，运用地下水环境监测与应急防控体系对地下水污染进行监测、控制与修复是有效的。

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