GMS軟件技術(shù)在原油泄漏對地下水污染狀況模擬評價中的應(yīng)用

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(海南省地質(zhì)調(diào)查院，海南 海口 570206)

GMS軟件技術(shù)在原油泄漏對地下水污染狀況模擬評價中的應(yīng)用

陜寧，楊永鵬，王曉林

(海南省地質(zhì)調(diào)查院，海南 海口 570206)

當(dāng)前中國對能源的需求日益增加，油品儲罐也向著大型化方向發(fā)展，大型的油罐裝置如果發(fā)生原油泄漏會對地下水造成嚴(yán)重污染。本文以某石化項(xiàng)目煉油廠油罐爆炸事故為例，結(jié)合煉油廠周邊的水文地質(zhì)條件，運(yùn)用GMS軟件建立地下水?dāng)?shù)值模型，研究事故工況下原油泄漏在地下水環(huán)境中的濃度變化情況，分析并預(yù)測地下水在一定時間內(nèi)受污染的情況，對原油泄漏對項(xiàng)目區(qū)地下水的污染進(jìn)行定量評價。模擬結(jié)果表明，在風(fēng)險事故工況下，以20 a為最長預(yù)測期可以發(fā)現(xiàn)原油污染的影響范圍為312.2×104m2，運(yùn)移距離為1 736.19 m，平均擴(kuò)散速率為15.61×104m2/a，平均運(yùn)移速率為86.81m/a，事故發(fā)生后，污染物進(jìn)入地下水含水層中的濃度逐漸升高，污染影響范圍隨著時間推移逐步擴(kuò)大，污染物長期平均擴(kuò)散與運(yùn)移速率會小于短期平均速率，原油在預(yù)測期內(nèi)均有超標(biāo)現(xiàn)象，污染事故具有長期而緩慢的危害性。

環(huán)境影響評價；地下水；數(shù)值模擬；GMS軟件技術(shù)；原油泄漏

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對能源的需求日益增加，油品儲罐也向著大型化方向發(fā)展。大型的油罐裝置如果發(fā)生故障，可能帶來災(zāi)難性的后果。所以，評價大型油罐區(qū)的污染情況十分重要。本文以具體煉油廠油罐爆炸事故為例，采用GMS軟件，依據(jù)《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則—地下水環(huán)境》(HJ610-2016)[1]，結(jié)合煉油廠周邊的水文地質(zhì)條件，對原油泄漏對地下水的污染進(jìn)行定量預(yù)測評價，可為類似工程提供參考。

1 背景概況

1.1 基本情況

該項(xiàng)目區(qū)屬熱帶季風(fēng)海洋性氣候，全年較暖。受海洋影響，冬季少雨，夏季多雨。熱帶氣旋影響比較頻繁。年平均氣溫為24.4℃。5～10月為豐水期，總降水量為1 893.2 mm，全年降雨時間分布不均勻，7月、8月降雨偏多。

1.2 水文地質(zhì)概況

模擬區(qū)地形起伏較小，地貌由火山巖臺地、濱海平原組成，另外由于人類填海造地工程活動形成一種新的用地類型，暫稱為人工填海區(qū)地貌。

區(qū)域地下水根據(jù)其賦存條件、含水巖組的巖性、水力特征，劃分為第四系松散巖類孔隙潛水、玄武巖裂隙-孔洞潛水、松散-半固結(jié)巖類孔隙承壓水和基巖裂隙水四大類。第四系松散巖類孔隙潛水含水層在整個區(qū)域均有分布，巖性為含礫粗砂、中細(xì)砂、細(xì)砂、粘土質(zhì)砂等，階地前緣較厚，后緣較薄。玄武巖裂隙水含水層分布于新英灣以北，巖性為灰、深灰-灰黑色玄武巖，巖石裂隙、氣孔發(fā)育，除德義嶺、三都一帶地表有紅土覆蓋外，其他地區(qū)玄武巖裸露。松散-半固結(jié)巖類孔隙承壓水在區(qū)域均有分布，可分為?？诮M承壓含水層(組)和燈樓角組承壓含水層(組)兩個含水層(組)，?？诮M承壓含水層(組)巖性主要為貝殼碎屑砂礫巖，含礫中粗砂、中細(xì)砂、粘土質(zhì)砂等，砂與粘土質(zhì)砂呈松散狀，含水層孔隙度大，透水性好；燈樓角組承壓含水層巖性主要為灰綠色中粗砂、中細(xì)砂、細(xì)砂及粘土質(zhì)砂，新英灣以南，含水層頂板向北西西傾斜，新英灣以北，含水層頂板向北傾斜。

2 地下水污染的預(yù)測與評價

2.1 水文地質(zhì)概念模型

2.1.1 含水層結(jié)構(gòu)概化

由于本項(xiàng)目無重質(zhì)非水相污染物，如果污染物泄漏后主要會對潛水含水層造成污染；而對于上部存在良好隔水層的承壓含水層，則很難對其造成污染。因此，本次模型預(yù)測主要評價火山巖裂隙孔洞潛水、松散巖類孔隙潛水及與上部潛水含水層直接接觸的?？诮M上部微承壓水，它們之間具有較好的水力聯(lián)系，在本次評價中統(tǒng)一概化為潛水含水組。

2.1.2 邊界條件概化

東北邊界：參考相關(guān)資料，模擬區(qū)東北部邊界除中段接受地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給，概化為二類邊界的定流量邊界，其它段概化為二類邊界的零流量邊界(圖1)。

環(huán)海邊界：整個模擬區(qū)內(nèi)地下水大致由東部大海徑流排泄，環(huán)海邊界概化為定水頭邊界(圖1)。

圖1 模擬區(qū)邊界條件概化圖

2.1.3 源匯項(xiàng)的確定

模擬區(qū)的補(bǔ)給來源主要有大氣降水補(bǔ)給，地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給；排泄方式主要為側(cè)向徑流排泄和蒸發(fā)。

根據(jù)模擬區(qū)所在位置，地下水系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部環(huán)境、邊界條件、水文地質(zhì)參數(shù)等進(jìn)行分析研究，可將模型區(qū)地下水系統(tǒng)概化為非均質(zhì)、水平各向同性、二維結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，外部環(huán)境通過邊界進(jìn)行物質(zhì)與能量交換的二維流水文地質(zhì)概念模型。

2.2 地下水流數(shù)值模型

非均質(zhì)、水平各向同性、二維結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定地下水流系統(tǒng)，外部環(huán)境通過邊界進(jìn)行物質(zhì)與能量交換的二維流水文地質(zhì)概念模型，用下列偏微分方程的定解問題來描述。

式中：K為含水層介質(zhì)的水平滲透系數(shù)(m/d)；Kn為邊界面法向方向的滲透系數(shù)(m/d)；h為地下水系統(tǒng)的水位標(biāo)高(m)；b為潛水含水層底板標(biāo)高(m)；p為潛水面的蒸發(fā)和降雨入滲強(qiáng)度等(m/d)；Γ0為滲流區(qū)域的上邊界，即地下水的自由表面；h1為已知水位邊界值(m)；Γ1為一類邊界，已知水位邊界；Γ2為二類邊界的定流量邊界；q為含水層二類邊界單位面積上的流量，流入為正，流出為負(fù)，隔水邊界為0(m/d)；Γ3為滲流區(qū)域的下邊界，即含水層底部的隔水邊界；n為邊界面的法線方向。

2.3 模擬流場

本次模擬以2012年3月的地下水水位作為模擬的流場。

2.4 模擬軟件及模擬區(qū)網(wǎng)格剖分

本次模擬采用美國環(huán)境保護(hù)局(USA EPA)開發(fā)的GMS6.5[2]。

在模擬過程中，廠區(qū)及周邊水源地為模擬重點(diǎn)區(qū)，因此，在這些地方每個單元格的邊長為50 m，其他外圍單元格邊長為200 m，總共剖分有效單元格14 195個，模型在垂向上概化為一層(圖2)。模擬區(qū)中有效觀測孔9個，可以通過觀測孔的觀測水位對模擬區(qū)的水位狀況進(jìn)行控制。

圖2 模擬區(qū)網(wǎng)格剖分圖(剖面垂直放大25倍)

2.5 地下水水流模型識別

2.5.1 水文地質(zhì)參數(shù)識別

通過對評價區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、地形地貌、地下水流場特征及野外抽水試驗(yàn)的計算結(jié)果的綜合分析，滲透系數(shù)K為本次模擬的主要水文地質(zhì)參數(shù)。通過模型的模擬調(diào)試，獲得校準(zhǔn)后的水文地質(zhì)參數(shù)見表1和圖3。

2.5.2 地下水水位擬合

圖4為模擬后地下水流場擬合情況，從圖中可以看出模型計算水位長與實(shí)際水位擬合較好。9個觀測孔計算水位與觀測值的擬合差均小于0.7 m(表2)，其中除G7觀測孔外的擬合差小于0.4 m。

表1 計算模擬參數(shù)表 m/d

圖3 模擬區(qū)滲透系數(shù)K分區(qū)圖

圖4 模擬區(qū)潛水含水層流場擬合圖

2.5.3 地下水系統(tǒng)均衡分析

通過模型識別得到地下水流數(shù)值模型的地下水水量均衡結(jié)果(表3)，模擬區(qū)的地下水水量的補(bǔ)給和排泄基本平衡。

表2 觀測水位擬合統(tǒng)計表

表3 模擬區(qū)一個水文年潛水含水層均衡表 104·m3/a

2.6 地下水溶質(zhì)運(yùn)移模型

地下水溶質(zhì)運(yùn)移可通過以下方程進(jìn)行描述。

2.6.1 控制方程

2.6.2 初始條件

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

式中：C0(x，y，z)已知濃度分布；Ω為模型模擬區(qū)。

2.6.3 邊界條件

(1)第一類邊界-給定濃度邊界

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

式中：Γ1為給定濃度邊界；c (x，y，z，t) 為一定濃度邊界上的濃度分布。

(2)第二類邊界-給定彌散通量邊界

式中，Γ2為通量邊界；fi(x，y，z，t) 為Γ2邊界上已知的彌散通量函數(shù)。

(3)第三類邊界-給定溶質(zhì)通量邊界

式中，Γ3為混合邊界；gi(x，y，z，t) 為Γ3上已知的對流-彌散總的通量函數(shù)。

應(yīng)用GMS 6.5中的MT3D模塊可以對以上數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖5 原油污染影響范圍預(yù)測圖

污染物污染物標(biāo)準(zhǔn)/mg/L污染物入海時間/a模擬時間/a污染物最大擴(kuò)散距離/m污染物污染范圍/104m2污染物超標(biāo)范圍/104m2原油0.3161285.35113.392.145693.22168.44129.84101215.26223.52153.36201736.19312.2220.52

2.7 預(yù)測與評價

假定5×104m3的柴油罐的儲存量為30×104t，爆炸破壞地表防滲面積為1 000 m2，伴生二次污染事故為物料泄漏，其中95%燃燒，則地面柴油量為1.5×104t。依據(jù)廠區(qū)的水文地質(zhì)條件，柴油儲罐所在區(qū)域的包氣帶厚度約為5 m、孔隙度約為0.6，則所泄露物料的最大滲漏量為防滲層以下包氣帶的孔隙體積，即可能滲入地下水的污染物總量不超過1.5×104t。

在調(diào)試好的地下水流場模型基礎(chǔ)上，通過GMS軟件的MT3D模塊進(jìn)行污染物遷移轉(zhuǎn)化的數(shù)值模擬計算，得到事故風(fēng)險情景下污染物運(yùn)移的預(yù)測結(jié)果。預(yù)測結(jié)果總結(jié)見表4。污染物的遷移分布見圖5，給出了風(fēng)險事故下石油類泄漏后1 a、5 a、10 a、20 a后污染物在水平方向上的運(yùn)移范圍。在風(fēng)險事故工況下，本次最長預(yù)測期20 a內(nèi)，原油污染的影響范圍為312.2×104m2，運(yùn)移距離為1 736.19 m，平均擴(kuò)散速率為15.61×104m2/a，平均運(yùn)移速率為86.81 m/a。通過模擬可知，事故發(fā)生后，污染物進(jìn)入地下水，含水層中污染物濃度逐漸升高，污染影響范圍隨著時間推移逐步擴(kuò)大。原油在預(yù)測期內(nèi)均有超標(biāo)現(xiàn)象。污染物長期平均擴(kuò)散與運(yùn)移速率小于短期平均速率，因此污染的防治工作，不僅要充分考慮污染事故危害的迅速擴(kuò)展，而且還要考慮污染事故長期而緩慢的危害性。

3 結(jié)語

運(yùn)用GMS軟件建立某石化項(xiàng)目地下水二維數(shù)值模型，通過對含水層的概化和水文地質(zhì)參數(shù)的反復(fù)調(diào)整[3]，經(jīng)過模型的識別和驗(yàn)證，模擬結(jié)果較符合實(shí)際情況，模型模擬效果較好，可以直觀說明保護(hù)目標(biāo)受到的影響程度，為類似工程的地下水環(huán)境影響評價提供參考。

[1]環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評估中心.HJ610-2016環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境[S]．北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社.2016.

[2]鄭春苗， Gordon D． Benneff．孫晉玉，盧國平， 譯．地下水污染物遷移模擬[M]． 北京: 高等教育出版社．2009(2 )：186-198.

[3]譚文清，孫春，胡婧敏，等.GMS在地下水污染質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬預(yù)測中的應(yīng)用[J]．東北水利水電.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

陜寧(1985-)，女，山西臨汾人，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查方面工作。