大庆市贴不贴泡区多层介质渗透规律及中石油类污染的数值模拟研究

大庆市贴不贴泡区多层介质渗透规律及中石油类污染的数值模拟研究

多层水系统在自然界中广泛分布。例如，松嫩平原和松辽平原分布着这样的地下水系统，但一些大型油田，如大庆和辽河油田，只分布在同一个地方。这类地下水系统往往遭受来自油田开发区石油类污染质的污染。含水系统中不同层的含水介质具有不同的水文地质特性,特别是其中的含水层之间的弱透水层,往往既是下部承压含水层中优质地下水的补给通道,又是污染通道。因此,本文针对这一实际问题,选取大庆市的一个典型的纳污湖泡——贴不贴泡区作为研究区,对该区多层介质含水系统中地下水的石油类污染进行预测评价,从而为此类地下水污染的综合治理提供科学依据和有效措施,确保油田的可持续发展。1贴不贴泡在北北环境地区的分布研究区位于石油城市大庆市喇嘛甸镇西北,北纬51°76′～51°79′,东经216°29′～216°34′。研究区为一小型闭流盆地,面积约12.28km2,东面与向荣屯、良种场接壤,西面与沈家北泡毗邻,南面与三棱泡交界,北侧与北十里相连(图1)。区内贴不贴泡呈北西—南东向分布,纵向长约3km,横向宽约1km,四周被风沙、岗地围成盆状。地层岩性主要有四层,自下而上依次是:第三系泰康组和第四系白土山组砂砾岩和砂砾石承压含水层,厚约80m;第四系荒山组饱水粘性土层(弱透水层),厚约51m;最上部为第四系哈尔滨组的细砂、亚粘土、亚砂土层,厚13～19m。其中,第四系荒山组弱透水层连接着上部的潜水和下部的承压水,成为地下水和污染质运移的通道。区内贴不贴泡已成为石油化工业的废水排放处,石油类含量在排污口处为30.60mg/l,湖泡中为0.5mg/l。其下部潜水被污染的范围是以湖泡为中心,向四周呈椭圆形状扩散,构成污染晕。其中心的污染质浓度为0.5mg/l,向外逐渐降至0.03mg/l。2土试样渗压实验第四系哈尔滨组的细砂潜水层和第三系泰康组和第四系白土山组砂砾岩和砂砾石承压含水层符合通常条件下的达西定律,由亚粘土、亚砂土组成的包气带土层则符合非饱和流渗透规律,而第四系荒山组饱水粘性土组成的弱透水层,其渗透规律与其它各层有明显的不同。将饱水的原状粘性土试样置于渗压容器中,利用渗压仪进行不同水头差下的渗透实验,获得V～I关系曲线,即OABC折线(图2),及V～I关系方程:线段OA:V1=K1I,(0<I<I01)(1)线段AB:V2=V01+K2(I-I01)(I01<I<I02)(2)线段BC:V3=V02+K3(I-I02),(I>I02)(3)式中I——水力梯度;I01——第2阶段初始水力梯度(0.291);I02——第3阶段初始水力梯度(0.440);V01——第2阶段初始渗透速度(0.938×10-4m/d);V02——第3阶段初始渗透速度(1.938×10-4m/d);K1——第1阶段渗透系数(3.223×10-4m/d);K2——第2阶段渗透系数(6.711×10-4m/d);K3——第3阶段渗透系数(19.954×10-4m/d)3水系统中污染转移值的模拟3.1地下水边界的组成研究区内含水介质自下而上依次为:砂砾岩和砂砾石含水层,饱水粘性土层(弱透水层),细砂、亚粘土、亚砂土层。全区所有侧向边界均为第二类边界,其中承压含水层侧向边界为已知流量边界,其余为隔水边界。顶部边界湖泡水体为第一类边界,其余为入渗补给边界。承压含水层底板为底部隔水边界。地下水在多孔介质中的运动符合Darcy定律,污染质浓度变化符合Fick定律,无化学反应。地下水运动为非稳定流,含水介质为非均质各向异性。3.2数学模型根据上述含水系统的概化,可建立起描述地下水含水系统的数学模型。该模型由两部分组成:水分运移模型和污染质运移模型。(1)导水率及保水性的计算为了将饱和带和非饱和带进行统一描述,采用压力水头为状态变量。数学模型为:{A(ψ)οψοt=οοx(Κ(ψ)x)οψοx)+οοy(Κ(ψ)yοψοy)+οοz(Κ(ψ)z)οψοz)+οοz(Κ(ψ)z)+G-W‚(4)(x,y,z)∈Ω‚t>0ψ(x,y,z,t)|t=0=ψ0(x,y,z)(x,y,z)∈Ω‚t=0ψ(x,y,z,t)|Γ1=ψ1(x,y,z‚t)(x,y,z)∈Γ1‚t>0Κ(ψ)οψο→n|Γ2=f1(x,y,z‚t)(x,y,z)∈Γ2‚t>0⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪A(ψ)οψοt=οοx(K(ψ)x)οψοx)+οοy(K(ψ)yοψοy)+οοz(K(ψ)z)οψοz)+οοz(K(ψ)z)+G−W‚(4)(x,y,z)∈Ω‚t>0ψ(x,y,z,t)|t=0=ψ0(x,y,z)(x,y,z)∈Ω‚t=0ψ(x,y,z,t)|Γ1=ψ1(x,y,z‚t)(x,y,z)∈Γ1‚t>0K(ψ)οψοn⃗∣∣Γ2=f1(x,y,z‚t)(x,y,z)∈Γ2‚t>0式中ψ——压力水头;G——补给项(如降水入渗等);W——为排泄项(如蒸发排泄、抽水等);ψ0——初始压水头;ψ1——第一类边界上的压力水头;f1——第二类边界上的水分通量;→nn⃗——边界外法线方向;Γ1、Γ2——分别为第一、第二类边界;其中‚A(ψ)={οθοψ(ψ<0)μs(ψ≥0)(5)其中‚A(ψ)={οθοψμs(ψ<0)(ψ≥0)(5)式中θ——有效孔隙度(饱和)或体积含水率(非饱和);μ*s——贮水率;其它符号同前。导水率K(ψ)由下式给出。Κ(ψ)={Κs[1-(αψ)n1-1⋅(1+(αψ)n1)-m]2[1+(αψ)n1]12m‚(ψ<0)Κs(ψ≥0))(6)K(ψ)={Ks[1−(αψ)n1−1⋅(1+(αψ)n1)−m]2[1+(αψ)n1]12m‚(ψ<0)Ks(ψ≥0))(6)式中α、n1、m——经验系数;Ks——饱和渗透系数;其它符号同前。在实际计算中,式(6)中的Ks在饱和弱透水粘性土层中的取值由(1～3)式获得:Κs={Κ10<Ι≤Ι01Κ2Ι01<Ι≤Ι02Κ3Ι≥Ι02(7)Ks=⎧⎩⎨⎪⎪K1K2K30<I≤I01I01<I≤I02I≥I02(7)(2)初始污染浓度cz-cvy三维饱和-非饱和污染质运移的定解问题为:{Rdο(θC)οt=οοx[θ(DxxοCοx+DxyοCοy+DxzοCοz-CVx)]+οοy[θ(DxyοCοx+DyyοCοy+DyzοCοz-CVy)]+οοz[θ(DxzοCοx+DyzοCοy+DzzοCοz-CVz)]+GCe-WC‚(x,y,z)∈Ω‚t>0C(x,y,z,t)|t=0=C0(x,y,z)‚(x,y,z)∈Ω‚t=0C(x,y,z,t)|Γ1=C1(x,y,z,t)‚(x,y,z)∈Γ1‚t>0θDοCο→n|Γ2=f2(x,y,z,t),(x,y,z)∈Γ2,t>0(8)式中C——污染浓度;C0——初始污染浓度;C1——一类边界上的污染浓度;Vx、Vy、Vz——x、y、z方向的渗透速度;Rd——阻滞因子;D——弥散系数张量;Ce——污染源的浓度;其它符号同上。3.3初支模型的建立先将研究区进行平面三角剖分(图3),共剖分为137个结点,226个三角单元。垂向上分6层,7个层面分别为地表面、地下5m、地下10m、弱透水层顶板、弱透水层顶板以下8m、弱透水层底板和承压含水层底板。采用三棱柱单元输入信息,然后计算机程序自动将计算区剖分成959个结点,4068个四面体单元,边界结点除湖水面上的结点为第一类边界点外,其余的均为第二类边界点。然后采用特征线法与有限单元法相结合来求解上述数学模型。计算时的初始流场和初始污染质浓度场由专门布设的20个测压管式观测孔的实测值,经泛Kriging空间插值获得。由于计算区面积比较小,地层岩性平面上变化不大,故将计算区平面上作为一个参数区,而在垂向上分出4个参数区,即地面至地下5m、地下5m至弱透水层顶板、弱透水层和承压含水层,参数初值参考已有水文地质资料和室内外实验测定值给出。以1995年11月20日实测地下水水头及石油类浓度为初始水动力场和初始石油类污染浓度场,选取1995年11月20日～1996年7月9日期间的实测资料,分8个时段对所建模型进行识别。经反复计算,计算水头与实测水头之差的绝对值小于0.5m的观测孔数占观测孔总数的90%,计算石油类浓度与实测浓度之差的绝对值小于0.1mg/l的观测孔数占观测孔总数的85%。最后得到的模型参数见表1。用1996年7月9日～11月20日的实测资料对模型进行验证,证实所建模型可靠。4地下水中石油类污染质运移特征利用所建立的大庆市贴不贴泡区地下水污染数值模拟模型即可对该区地下水中的石油类污染质的运移做出预测。预测时,源、汇项和边界均按多年平均来处理,弱透水层的渗透系数由(1)～(3)式确定。下面分三个方案对地下水中石油类污染质的运移做出预测评价。方案1保持现有条件,地下水中石油类污染质的浓度变化不大,10年后污染质锋面(0.025mg/l)未穿透弱透水层,但已污染了弱透水层4m多;方案2加大开采目的层开量,造成承压水头下降10m,此时,污染质扩散范围有所加大,但速度也比较慢,10年后污染质锋面(0.025mg/l)进入弱透水层近8m;方案3减小开采目的层开采量,并将潜水和承压水之间的水头差保持在14.55m,结果是污染质的下移基本被控制。可见,要防止下部优质地下水源被污染,一是减少污染质的排放量,降低湖泡水位和湖水中石油类污染质的含量;二是节约用水,减少承压水的开采量,缩小劣质潜水与优质承压水之间的水头差。5储层出水污染预测模型分析(1)多层介质含水系统是自然界中普遍存在的。对其中地下水污染的预测评价需建立在对各层介质渗透规律和地下水流场的认知基础上。(2)应用地质统计方法和数值模拟技术,建立起的包括包气带、潜水、弱透水层和承压水在内的多层介质含水系统中石油类污染质运移的数值模拟模型,为解决此类复杂含水介质地区地下水污