某油库地下水石油烃污染物运移规律及水动力阻截技术模拟_崔树阳.pdf

引用格式：崔树阳，王乾，白正伟，等某油库地下水石油烃污染物运移规律及水动力阻截技术模拟安全与环境工程，（）：，（）：，某油库地下水石油烃污染物运移规律及水动力阻截技术模拟崔树阳，王乾，白正伟，李怿，贾苒，李翔（中石化炼化工程集团洛阳技术研发中心，河南 洛阳 ）摘要：基于 软件建立了长江流域某油库的三维地质结构模型、地下水流动模型和溶质运移模型，并结合场地调查结果将油泥存放池作为主要污染源，石油烃作为影响地下水水质的特征污染物，以此为基础开展以风险管控为目标的地下水污染数值模拟研究，研究地下水中 石油烃污染物的运移规律以及不同水动力阻截技术对污染物扩散的管控效果。结果表明：污染物迁移方向受地下水流动的影响，主要从东北流向西南；在未采取水动力阻截技术的模拟研究中，地下水污染羽以油泥存放池为中心呈椭圆状扩散，经过 的时间推移，污染物已经扩散至周围水系，对附近居民的人身安全构成了威胁；采取不同的水动力阻截技术（阻隔墙或抽水井群）均可以在一定程度上减缓污染物的扩散，而针对该区域表层土质松散、地下水水位较高的地质条件，抽水井群技术对污染物扩散的管控效果更好；采取组合形式的水动力阻截方案可以更加显著地降低污染物的扩散程度，与空白方案相比，的模拟周期结束后，地下水中高浓度污染物的最大迁移距离和地下水污染羽水平扩散面积分别减小了 和 ，模拟监测井中地表污染物浓度降低了 。关键词：油库；地下水污染；石油烃污染物；污染风险管控；水动力阻截；软件；数值模拟中图分类号：文章编号：（）收稿日期：开放科学（资源服务）标识码（）：基金项目：国家重点研发计划项目（）作者简介：崔树阳（），男，硕士，工程师，主要从事化学分析检测与石化类场地污染治理技术方面的研究。：，（），）：，第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 （），：；地下水资源是生态系统中水循环的重要组成部分，因其社会经济与生态环境的双重价值而备受关注。我国很多石化企业在早期工业过程中，由于生产事故等原因造成的泄漏油品，在土壤中形成了潜在污染源，随着时间的推移，污染物会在地下水水力梯度、重力、毛细管力等因素驱动下逐渐向外扩散，不仅污染土壤、破坏土地，还将危害地下饮用水源，给人体健康带来恶劣的影响。因此，探究地下水中污染物的运移规律，并采取一定措施进行污染管控和修复治理，对保护水土资源安全具有重要的意义。近年来，国内外学者应用数值模拟软件对地下水中污染物的运移规律进行了大量的研究。王青宽等以泄漏输油管道为例，构建了均质各向同性稳定流模型，并基于 软件对采取管控措施后的地下水污染状况进行了预测；钱程等将某油田地下水系统概化为具有两层结构的非均质各向异性三维非稳定流，研究了石油类污染物在地下水中的迁移规律和自然净化过程；张惠灵等考虑了化学吸附和 生 物 降 解 的 共 同 作 用，应 用 软 件 中 模块研究了非水相液体在非饱和多孔介质中的迁移过程；等采用多相组分运移模型对 的扩散过程进行了敏感性分析，结果表明衰减速率、孔隙度、水力梯度都是影响溶质运移的关键因素。由此可以看出，数值建模法在地下水污染预测、地下水资源评价、地下水污染治理技术筛选、地下水资源开发方案优化等方面具有广泛的应用前景。地下水污染常见的原位修复技术有化学氧化、生物降解、物理沉降、气相抽提等技术，此类方法虽然能有效清除地下水中的污染物，但在治理成本、适用范围以及运行周期等方面存有不足之处。水动力阻截技术是指通过修筑隔水带、防渗墙、拦截沟、抽注水井群等物理手段改变自然条件下地下水的局部流场，从而限制地下水中污染物的迁移扩散。等 介绍了在淄博大武水源进行地下水污染治理的应用研究，在多个水力截获井的共同作用下，可以将地下水中氨氮污染物的扩散范围控制在强力抽提井附近，超标污染物的影响距离从 减少至 ；钱学德等 介绍了水动力阻截技术在意大利一个石油化工厂的应用案例，现场渗漏试验表明，该项目所使用的土水泥膨润土复合防渗墙达到了极好的污染屏障效果；张岩坤 以某铬渣存放地为研究对象，开发了一套原位淋洗水力截获修复控制技术，该技术应用结果表明淋出液中总铬 浓 度 从 最 高 的 下 降 到 左右。水动力阻截技术施工效率高、投入少，在污染事故突发前就可以布设一系列的阻截措施，以降低地下水中污染物的潜在扩散风险，这对节约成本、高效治理地下水污染具有重要的意义。为此，本文选取长江流域某油库为研究对象，结合地质勘探与环境监测数据，基于 软件建立该油库三维地质结构模型、地下水流动模型和溶质运移模型，研究地下水中污染物的运移规律，并对不同的水动力阻截技术对污染物扩散的管控效果进行模拟研究，以期为该区域地下水污染风险管控方案的具体实施提供参考依据。研究区域概况1.1场地水文地质条件本文研究对象为长江流域某油库，该油库所在区域处于北亚热带南缘的季风盛行地区，受海洋性气候调节，严寒酷暑时间短、四季分明、雨水充沛，年平均降雨量为 左右。油库所在区域地势平缓，由于长江泥砂的冲积，再经江海潮汐、地表径流长期相互作用而成陆，地面高程为 ，周边环境相对简单。油库所在区域地下水主要补给第期崔树阳等：某油库地下水石油烃污染物运移规律及水动力阻截技术模拟来源是大气降水和地表水下渗，排泄形式以潜水蒸发和侧向径流为主。该油库油泥存放池与地下水监测井平面位置图见图。该油库地质钻孔垂直剖面示意图见图。图某油库油泥存放池与地下水监测井平面位置图 图某油库地质钻孔垂直剖面示意图 由图可知，该油库在勘探深度范围内各土层空间分布比较稳定，自上而下大致分为三层：第一层为结构松散、土质较差的人工填土，厚度为 左右；第二层包含砂质粉土和粉质黏土夹砂质粉土两个亚层，为土质良好的第四纪滨海河口沉积物，厚度范围为，属于弱透水层；第三层为渗透系数较低的致密黏土。研究区域内的地下水资源主要储存于松散孔隙介质中，含水层次相对单一且厚度较大，浅层以微咸、半咸水为主，深层主要为淡水。场地调查报告显示，研究区域内的地下水水位埋深较浅，稳定地下水水位埋深为 左右，地下水水位标高为 。1.2场地地下水污染现状本文参照 环境影响评价技术导则地下水环境（），在研究区域内布设了 个地下水监测井（编号为 ），采集不同深度的地下水样品进行检测，测试项目包括 值、多环芳烃（）、挥发性有机物（）、半挥发性有机物（）、总石油烃（）。结果显示：地下水中 石油烃超标最为严重，分布于个监测井的不同深度，图为超标监测井中总石油烃浓度随深度的变化曲线，其中超标最严重的地下水样品位于 监测井的地表位置，地下水中总石油烃浓度高达 ，其余项目测试结果均低于 地下水质量标准 中规定的类水质标准限值。图超标监测井中总石油烃（）浓度随深度的变化曲线 （）安全与环境工程 ：第 卷通过现场走访确认油库内建筑的规划布局，发现超标监测井与油泥存放池的位置基本吻合。这是源于油库自身功能的特殊性，石油产品在正常储存、转运过程中会产生大量的含油污泥，在处置之前通常会在油泥池中临时存放，导致石油类污染物存在“跑冒滴漏”的风险，再加上早期采取的防渗措施不利，导致周围地下水环境受到污染的概率大幅增加。由图和图还可以看出，除了油泥池内个监测井外，油泥存放池外 监测井中总石油烃污染物浓度也超标，并且不同深度地下水中总石油烃污染物的浓度不尽相同，深度为、处地下 水 中 总 石 油 烃 浓 度 分 别 为 、，由此说明油泥存放池内的污染物已经随地下水流动扩散到了油泥存放池外，且在地表降水作用下还存在进一步向下垂向扩散的风险。因此，本文可以将油泥存放池作为该油库的主要污染源，将 石油烃作为影响地下水水质的特征污染物，以此为基础开展以风险管控为目标的地下水污染数值模拟研究。数值概念模型的建立2.1三维地质结构模型研究区域面积约为 ，首先应用 软件中的 和 模块，建立研究区域的三维地质结构模型（图），并按照地层渗透系数的不同，将研究区域划分为层结构，同时结合文献资料 获得各地层的基本水文地质参数（表）。该油库内部表层填土较厚且地势平缓，粉质黏土和砂质粉土最厚，为研究区域的主要含水层，底层致密黏土较薄且分布不均。图长江流域某油库的三维地质结构模型 2.2地下水流动模型 水文地质概念模型该油库西南面紧邻长江水系，可概化为第一类表研究区域不同地层的基本水文地质参数 地层岩性水平渗透系数（）垂直渗透系数（）孔隙度纵向弥散度杂填土 粉质黏土 砂质粉土 致密黏土 已知水头边界，资料显示多年常水位高度为；西北面和正南面与现有地下围挡结构的位置基本一致，与周边水量交换较少，可概化为零通量边界；根据以往实测流场数据，可将其余水平边界均概化为定水头边界。上部边界为填土层表面，由降水入渗和人工开采等因素确定，降水量可设定为 ，开采量按实际情况计算；下部边界为底层致密黏土，其渗透系数较低，可作为隔水底板。通过对水文地质条件进行合理分析，最终将研究区域地下水系统概化为多层非均质各向异性的三维稳定流模型。数学控制方程基于达西定律和质量守恒定律，可得到地下水流动模型对应的数学控制方程如下：（）（）（）（，）（，）（，），（，）（，）（，）（，）（，）式中：、为三个主方向上的含水层渗透系数（）；为含水层水位标高（）；为含水层储水系数（），根据经验值取 ；为含水层初始水头高度（）；为第一类已知水头边界；为第二类已知流量边界；为边界面法线方向上的含水层渗透系数（）；（，）为边界上的已知流量函数；为研究区域内的其他源汇项强度。地下水流动模型的验证本文先用 模块对研究区域进行网格剖分，基础网格间距为，单层划分网格为 个；然后采用 模块对源汇项、边界条件等进行合理赋值；最后采用 模块进行多次反演模拟，得到研究区域的地下水流场分布。本文选取实测地下水水位对地下水流场进行识别验证，其结果见图。第期崔树阳等：某油库地下水石油烃污染物运移规律及水动力阻截技术模拟图研究区域地下水水位等值线拟合图 由图可以看出：研究区域实测地下水水位与模拟地下水水位的拟合情况良好，表明所建模型能较为真实地反映出区域地下水流场的分布情况；从地下水水位等值线分布可见，研究区域呈现东北高、西南低的地下水流场分布，在地势最低的西南侧，地下水直接汇入周边水系，油泥存放池作为该区域主要污染源，表层石油烃污染物长期存在渗入土壤并随着地下水进行迁移扩散的风险。2.3地下水溶质运移模型研究区域的地下水水位较高、埋深较浅，包气带厚度很薄，导致土壤对石油烃类污染物的阻滞作用有限，在表层降水和地下水流动的共同作用下，污染物可以快速渗入到饱和含水层中，因此针对该油库内部的单一污染源，可以只考虑对流弥散作用，建立地下水溶质运移模型，其数学控制方程如下：（）（）（）（）（）（）式中：为溶质浓度（）；、为三个主方向上的含水层弥散系数；、为三个主方向上的实际水流速度（）。结果与讨论3.1地下水溶质运移参数的敏感性分析为了减少地下水溶质运移参数识别的工作量，采取控制变量法对不同的地下水溶质运移参数进行了敏感度分析（图）。在初始值基础上对地下水溶质运移参数进行调整，对不同参数组合的地下水溶质运移进行模拟，以扩散 后污染超标区域面积为输出结果进行灵敏度分析。结果显示：不同溶质运移参数对污染扩散面积的影响程度从大到小依次为含水层纵向弥散度、含水层渗透系数、含水层孔隙率、降水入渗补给系数，其中含水层的纵向弥散度和渗透系数与污染物扩散面积呈正相关，含水层的孔隙率和降水入渗补给系数与污染物扩散面积呈负相关。通过敏感性分析还可以看出：溶质运移模型涉及到的参数众多，给预测结果带来了很大的不确定性，因此在下面的水动力阻截技术研究过程中，可以通过大幅度调整水动力阻截方案的技术参数，以达到更好的地下水污染风险管控效果。图不同地下水溶质运移参数的敏感度分析 不同水动力阻截方案的地下水溶质运移模拟结果本文秉持污染最大化原则，选择该油库地下水总石油烃污染物浓度最高的 监测井作为单一污染源，应用 模块设定地下水溶质运移模拟周期为 ，时间步长为 ，污染源面积为，初始污染物浓度为 。考虑到人工紧急处置的影响，模拟过程中设定地下水中污染物浓度按照线性递减规律在 后降低到 ，其余时间地下水中污染物浓度保持不变。本文还模拟了该油库不同水动力阻截技术对地下水中污染物迁移路径的影响，不同水动力阻截方案的关键技术参数见表。表不同水动力阻截方案的关键技术参数 水动力阻截主案水动力阻截方案的技术参数（）空白方案无（）阻隔墙与污染源垂直距离为，深度为，长度为，宽度为，含水层渗透系数为 （）抽水井群包含口抽水井，中心井与污染源垂直距离为，抽水量为，井深为（）组合方案方案（）与方案（）相结合安全与环境工程 ：第 卷表和图给出了不同水动力阻截方案下该油库地下水污染羽的扩散情况。表不同水动力阻截方案下该油库地下水中污染物水平扩散的影响范围 水动力阻截方案地下水中高浓度污染物最大迁移距离地下水污染羽扩散面积（）空白方案 （）阻隔墙方案 （）抽水井群方案 （）组合方案 注：指按照污染羽内部边界计算（污染物浓度为 ）；指按照地下水污染羽外部边界计算（污染物浓度为 ）。由表和图可知：在未采取阻截技术时，地下水污染羽以油泥存放池为中心呈椭圆状水平扩散，随着时间的推移，后地下水中高浓度污染物最大迁移距离为 ，地下水污染羽水平扩散面积达到 ，地下水污染羽外部边界已经扩散至周围水系；而实施水动力阻截方案可以明显降低地下水污染物水平扩散，在模拟周期结束后，采取阻隔墙技术时地下水中高浓度污染物最大迁移距离和地下水污染羽水平扩散面积分别减少至 、，采取抽水井群技术时地下水中高浓度污染物最大迁移距离和地下水污染羽水平扩散面积分别减少至 、。图不同水动力阻截方案下某油库地下水污染羽的水平扩散情况 图给出了不同水动力阻截方案下该油库地下水污染羽的垂向扩散情况（以 截面为例）和监测井中污染物浓度的变化，其中监测井、分别设置在污染源下游某点的填土层表面和饱和含水层表面。由图可以看出：阻隔墙方案会对地下水流场造成较大的干扰，导致地下水中污染物垂向扩散较为严重，高浓度污染物会透过含水层渗入到深度为 以下的致密黏土层中，加大了地下水污染的治理难度，而在污染源上游设置抽水井群，不仅施工效率高、运行成本低，还可以形成逆向水力梯度，在没有过度影响地下水流场的情况下，有效减缓了污染物扩散速度，同时也为后期污染物的收集处理争取了时间。综上所述，在污染场地实施阻隔墙与抽水井群相结合的水动力阻隔组合方案，对地下水中污染物迁移第期崔树阳等：某油库地下水石油烃污染物运移规律及水动力阻截技术模拟图不同水动力阻截方案下某油库地下水污染羽的垂向扩散情况和监测井中污染物浓度的变化 起到了更加明显的管控效果，在模拟周期结束后，地下水中高浓度污染物的最大迁移距离从 减小为 （减小了 ），地下水污染羽水平扩散面积 从 减 小 为 （减 小 了 ）（表），监测井中 污染 物 浓度从 降低至 （降低了 ），与未采取水动力阻截技术相比，该组合方案不仅可以有效降低地下水中污染物的水平扩散和垂向扩散，还可以利用地下水流场让污染中心的高浓度污染物集中在阻隔墙体周围，有利于后期修复治理工作的开展，对保障研究区域地下水资源安全具有更加显著的效果。结论与建议本 文 基 于 软 件 的 、模块建立了长江流域某油库的三维地质结构模型、地下水流动模型和溶质运移模型，研究了地下水中 石油烃污染物的运移规律，并对不同水动力阻截技术对污染物扩散的管控效果进行了数值模拟研究。结果表明：采取组合形式的水动力阻截技术可以显著降低污染物的扩散程度，与未采取水动力阻截技术相比，后地下水中高浓度污染物的最大迁移距离和地下水污染羽水平扩散面积分别减小了 和 ，模拟监测井中地表污染物浓度降低了 。建立场地概念模型是开展地下水污染修复治理工作的前提，在筛选风险管控技术、制定风险管控方案时，除了要遵循相关的技术要求和基本原则外，还需要综合考虑当地水文地质条件和现场施工情况，只有对实施方案持续进行优化改进，才可以设计出更为合理、经济、安全的地下水污染风险管控方案。参考文献：王海宁，薛惠锋 地下水生态环境与社会经济协调发展定量分析 环境科学与技术，（）：任黎明，秦冰，桑军强，等 石化污染场地地下水修复治理挑战与对策 石油炼制与化工，（）：，：，（）：王青宽，梁亮，陈晨，等 基于 的油品泄漏污染模拟及处理措施油气田环境保护，（）：钱程，穆文平，邢渊，等某气田石油类污染物运移数值模拟研究环境工程，（）：，：张惠灵，陈浩，杨国栋，等某柴油污染场地 运移规律研究 环境科学与技术，（）：，（）：，（）：，：（下转第 页）安全与环境工程 ：第 卷 ，（）：岳林海，贾志刚，金达莱，等镁离子存在下乙醇水混合溶液中碳酸钙结晶行为的研究化学学报，（）：张世鸿，张瑞雪，吴攀，等酸性矿山废水与碳酸盐岩的作用过程及其被动治理技术研究进展环境工程，（）：马燕华，苏春利，刘伟江，等水化学和环境同位素在示踪枣庄市南部地下 水 硫 酸盐污 染源中的应用 环境 科 学，（）：张雅，苏春利，马燕华，等水化学和环境同位素对济南东源饮用水源地地 下水 演 化 过 程 的 指 示 环 境 科 学，（）：孙清斌，邓金锋，尹春芹，等大冶矿区主要公路两侧农田土壤重金属污染特征分析湖北理工学院学报，（）：罗锋，柴波，周爱国鄂东南大冶矿区地质环境影响性评价工程地 质 学 报，（）：曹慧丽，李伟，苏春利，等 水化学及硫同位素对大冶矿区地下水硫酸盐污染的指示 地球科学，：，（）：张靖坤，刘飞，邹嘉文，等 华北平原典型压采区地下水循环的氢氧同位素示踪 南水北调与水利科技（中英文），（）：，（）：冯亚伟，陈洪年，卜华，等羊庄岩溶水系统水化学成因及同位素特征中 国 岩 溶，（）：，（）：蒲俊兵，袁道先，蒋勇军，等重庆岩溶地下河水文地球化学特征及环境意义 水科学进展，（）：孙厚云，毛启贵，卫晓锋，等哈密盆地地下水系统水化学特征及形成 演 化 中 国 地 质，（）：邹嘉文，刘飞，张靖坤南水北调典型受水区浅层地下水水化学特征及成因中国环境科学，（）：栾风娇，周金龙，贾瑞亮，等新疆巴里坤伊吾盆地地下水水化学特征及成因 环境化学，（）：，：，（），：檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵 （上接第 页），：李永霞，郑西来，马艳飞 石油污染物在土壤中的环境行为研究进展安全与环境工程，（）：朱雪诞，李巍，曹卉，等金墅湾水源地陆域保护区污染物输移规律及水力阻截关键技术 中国农村水利水电，（）：，（）：钱学德，朱伟，徐浩青，等 填埋场和污染场地防污屏障设计与施工（下册）北京：科学出版社，：张岩坤典型铬污染场地修复技术与应用研究北京：中国地质大学（北京），国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会 地下水质量标准：北京：中国标准出版社，：，：安全与环境工程 ：第 卷