大慶市貼不貼泡區(qū)多層介質(zhì)含水系統(tǒng)中石油類污染的數(shù)值模擬

大慶市貼不貼泡區(qū)多層介質(zhì)含水系統(tǒng)中石油類污染的數(shù)值模擬

弱透水層多層中間水系系統(tǒng)廣泛分布于自然界。例如，在中國(guó)的松嫩平原和松遼平原中，分布著這樣的地下水系統(tǒng)，但一些大型油田，如大慶和遼河油田，只分布在上面。這類地下水系統(tǒng)通常受到油氣田開發(fā)區(qū)的污染。弱透水層不僅是下游承載水層中優(yōu)質(zhì)地下水的補(bǔ)充通道，也是污染通道。因此，在這項(xiàng)工作中，選擇大慶的典型納污湖泡沫，而不是泡沫區(qū)作為研究區(qū)域。首先，我們必須了解弱透水層的滲透規(guī)律，然后建立了這一含水量系統(tǒng)中污染物質(zhì)的運(yùn)移值的模擬模型。該模型利用該模型預(yù)測(cè)研究區(qū)域內(nèi)的地下水污染，為廢物的綜合處理提供科學(xué)合理的措施，確保油田的可持續(xù)發(fā)展。1地層內(nèi)土巖地層研究區(qū)位于石油城市大慶市喇嘛甸鎮(zhèn)西北,為一小型閉流盆地,面積約12.28km2,東面與向榮屯、良種場(chǎng)接壤,西面與沈家北泡毗鄰,南面與三棱泡交界,北側(cè)與北十里相連(圖1).區(qū)內(nèi)貼不貼泡呈NW—SE向分布,縱向長(zhǎng)約3km,橫向?qū)捈s1km,四周被風(fēng)沙、崗地圍成盆狀.地層自下而上依次是:第三系泰康組和第四系白土山組砂礫巖和砂礫石承壓含水層,厚約80m;第四系荒山組飽水粘性土層(弱透水層),厚約51m;第四系哈爾濱組的細(xì)砂、亞粘土、亞砂土層,厚13~19m.區(qū)內(nèi)貼不貼泡已成為石油化工業(yè)的廢水排放處,石油類質(zhì)量濃度在排污口處為30.60mg/L,湖泡中為0.6mg/L(枯水期).其下部潛水被污染的范圍是以湖泡為中心,向四周呈橢圓形狀擴(kuò)散,構(gòu)成污染暈.其中心的污染質(zhì)質(zhì)量濃度為0.6mg/L,向外逐漸降至0.03mg/L.第四系荒山組飽水粘性土層是全區(qū)的弱透水層.它連接著潛水和承壓水,成為地下水和污染質(zhì)運(yùn)移的通道.因此,在建立污染質(zhì)運(yùn)移數(shù)值模擬模型之前,先要對(duì)弱透水層的滲透規(guī)律進(jìn)行研究.2第三階段:水力梯度控制到力作用控制階段將飽水的原狀粘性土試樣置于滲壓容器中,利用滲壓儀進(jìn)行不同水頭下的滲透實(shí)驗(yàn),獲得V-I關(guān)系曲線,即OABC折線(圖2),以及V-I關(guān)系方程.線段OA:V1=K1I,(0<I≤I01);(1)線段AB:V2=V01+K2(I-I01),(I01<I≤I02);(2)線段BC:V3=V02+K3(I-I02),(I>I02);(3)式中:I為水力梯度,I01為第二階段開始時(shí)的初始水力梯度,其值為0.291,I02為第三階段開始時(shí)的初始水力梯度,其值為0.440,V01為第二階段開始時(shí)的初始滲透速度,其值為0.938×10-4?m/d,V02為第三階段開始時(shí)的初始滲透速度,其值為1.938×10-4?m/d,K1為第一階段的滲透系數(shù),K2為第二階段的滲透系數(shù),K3為第三階段的滲透系數(shù).可見,在較小的水力梯度I(0<I≤I01)作用下,只有重力水在大孔隙中滲透,其滲透規(guī)律符合達(dá)西定律,并可用線段OA來(lái)描述(圖2,式(1)).此時(shí),K1=3.223×10-4?m/d.在I01<I≤I02條件控制下,大孔隙中的重力水運(yùn)動(dòng)被加強(qiáng),微孔隙中一部分具有較小抗剪強(qiáng)度的結(jié)合水開始移動(dòng).該階段滲透系數(shù)變化相對(duì)較快,但整個(gè)階段相對(duì)較短.V和I的關(guān)系實(shí)際由曲線AB來(lái)描述,由于曲線AB的彎曲度不大,故用直線AB來(lái)近似代替曲線AB.因此達(dá)西定律能近似地適用于此階段的滲透(圖2,式(2)).此時(shí),K2=6.711×10-4?m/d.在較大的水力梯度I(I>I02)作用下,不僅大孔隙通道中的滲透增強(qiáng),而且微孔隙通道中有更多的結(jié)合水也已運(yùn)動(dòng).盡管水力梯度很大,而且具有小抗剪強(qiáng)度的結(jié)合水已經(jīng)運(yùn)動(dòng),但是對(duì)于具有大抗剪強(qiáng)度的結(jié)合水來(lái)講,其運(yùn)動(dòng)還是很困難的.此階段,滲透系數(shù)的增加很緩慢,而且有隨水力梯度的增加趨于常數(shù)的趨勢(shì),V和I之間的關(guān)系可近似地由線段BC來(lái)描述,故可用達(dá)西定律來(lái)描述該階段的滲透規(guī)律(圖2,式(3)).此時(shí),K3=19.954×10-4?m/d.3水系統(tǒng)中污染轉(zhuǎn)移值的模擬3.1地下水邊界的含水層含水層.含水層邊界是雙研究區(qū)內(nèi)含水介質(zhì)自下而上依次為:砂礫巖和砂礫石含水層,飽水粘性土層(弱透水層),細(xì)砂、亞粘土、亞砂土層.全區(qū)所有側(cè)向邊界均為第二類邊界,其中承壓含水層側(cè)向邊界為已知流量邊界,其余為隔水邊界.頂部邊界湖泡水體為第一類邊界,其余為入滲補(bǔ)給邊界.承壓含水層底板為底部隔水邊界.地下水在多孔介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)符合達(dá)西定律,污染質(zhì)濃度變化符合Fick定律,無(wú)化學(xué)反應(yīng).地下水運(yùn)動(dòng)為非穩(wěn)定流,含水介質(zhì)為非均質(zhì)各向異性.3.2結(jié)構(gòu)參數(shù)的測(cè)定根據(jù)上述含水系統(tǒng)的概化,可建立起描述地下水含水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型.該模型由兩部分組成:水分運(yùn)移模型和污染質(zhì)運(yùn)移模型.(1)三維流水分運(yùn)移數(shù)學(xué)模型.為了將飽和帶和非飽和帶進(jìn)行統(tǒng)一描述,采用壓力水頭為狀態(tài)變量.數(shù)學(xué)模型為A(ψ)?ψ?t=??x(Κ(ψ)x?ψ?x)+??y(Κ(ψ)y?ψ?y)+??z(Κ(ψ)z?ψ?z)+??zΚ(ψ)z+G-W,(x,y,z)∈Ω,t＞0A(ψ)?ψ?t=??x(K(ψ)x?ψ?x)+??y(K(ψ)y?ψ?y)+??z(K(ψ)z?ψ?z)+??zK(ψ)z+G?W,(x,y,z)∈Ω,t＞0;(4a)ψ(x,y,z,t)|t=0=ψ0(x,y,z),(x,y,z)∈Ω,t=0ψ(x,y,z,t)|t=0=ψ0(x,y,z),(x,y,z)∈Ω,t=0;(4b)ψ(x,y,z,t)|Γ1=ψ1(x,y,z,t),(x,y,z)∈Γ1,t＞0ψ(x,y,z,t)|Γ1=ψ1(x,y,z,t),(x,y,z)∈Γ1,t＞0;(4c)Κ(ψ)?ψ?n|Γ2=f1(x,y,z,t),(x,y,z)∈Γ2,t＞0K(ψ)?ψ?n∣∣Γ2=f1(x,y,z,t),(x,y,z)∈Γ2,t＞0.(4d)式中:A(ψ)={?θ/?ψ,(ψ＜0)；μ*,(ψ≥0).(5)Κ(ψ)={Κs{1-(α|ψ|)nl-1?[1+(α|ψ|)nl]-m}2[(1+(α|φ|)nl]1/2m?(ψ＜0)；(6a)Κs?(ψ≥0).(6b)Ks為飽和滲透系數(shù),在飽和弱透水粘性土層中其值由式(1~3)確定.ψ(x,y,z,t)為壓力水頭,μ*為貯水率,θ為體積含水率,α,nl為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),由非飽和帶中水分特征曲線確定,m=1-1/nl,且0<m<1,G為補(bǔ)給項(xiàng)(降水入滲等),W為排泄項(xiàng)(蒸發(fā)排泄、抽水等),ψ0(x,y,z)為初始?jí)毫λ^,ψ1(x,y,z,t)為第一類邊界上的壓力水頭,f1(x,y,z,t)為第二類邊界上的水分通量,n為邊界外法線向量,Γ1,Γ2分別為第一、第二類邊界.(2)三維流污染質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型.三維飽和—非飽和污染質(zhì)運(yùn)移的定解問題為Rd?(θC)?t=??x[θ(Dxx?C?x+Dxy?C?y+Dxz?C?z-CVx)]+??y[θ(Dxy?C?x+Dyy?C?y+Dyz?C?z-CVy)]+??z[θ(Dxz?C?x+Dyz?C?y+Dzz?C?z-CVz)]+GCe-WC,(x,y,z)∈Ω,t＞0;(7a)C(x,y,z,t)|t=0=C0(x,y,z),(x,y,z)∈Ω,t=0;(7b)C(x,y,z,t)|Γ1=C1(x,y,z,t),(x,y,z)∈Γ1,t＞0;(7c)θD?C?n|Γ2=f2(x,y,z,t),(x,y,z)∈Γ2,t＞0.(7d)式中:C(x,y,z,t)為污染質(zhì)質(zhì)量濃度,Rd為阻滯因子,D為彌散系數(shù),由縱向彌散度αl和橫向彌散度αt以及滲流速度確定,Ce為污染源的質(zhì)量濃度,C0(x,y,z)為初始污染質(zhì)質(zhì)量濃度,C1(x,y,z,t)為第一類邊界上的污染質(zhì)質(zhì)量濃度,f2(x,y,z,t)為第二類邊界上的污染質(zhì)彌散通量.3.3初支模型的建立先將其進(jìn)行平面二維三角形剖分,并進(jìn)行編號(hào),共剖分為137個(gè)結(jié)點(diǎn)、226個(gè)三角單元.垂向上分6層,7個(gè)層面分別為地表面、潛水面(湖泡底部為地下5m)、地下10m、弱透水層頂板、弱透水層頂板以下8m、弱透水層底板和承壓含水層底板.采用三棱柱單元輸入信息,然后計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)將計(jì)算區(qū)剖分成959個(gè)結(jié)點(diǎn)、4068個(gè)四面體單元,邊界結(jié)點(diǎn)除湖水面上的結(jié)點(diǎn)為第一類邊界點(diǎn)外,其余的均為第二類邊界點(diǎn).然后采用特征線法與有限單元法相結(jié)合來(lái)求解上述數(shù)學(xué)模型.計(jì)算時(shí)的初始流場(chǎng)和初始污染質(zhì)濃度場(chǎng)由專門布設(shè)的17個(gè)測(cè)壓管式觀測(cè)孔和3個(gè)民井的實(shí)測(cè)值,經(jīng)泛Kriging空間插值獲得.由于計(jì)算區(qū)面積比較小,地層巖性平面上變化不大,故將計(jì)算區(qū)平面上作為一個(gè)參數(shù)區(qū),而在垂向上分出4個(gè)參數(shù)區(qū),即由上至下剖分成的第1層、第2-3層、第4-5層和第6層.參數(shù)初值參考已有水文地質(zhì)資料和室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)測(cè)定值給出.由于弱透水層的滲透系數(shù)是水力梯度的函數(shù),因此,實(shí)際計(jì)算時(shí)需要利用上述實(shí)驗(yàn)研究得出的弱透水層的滲透規(guī)律來(lái)解決這一問題.以1995年11月20日實(shí)測(cè)地下水水頭及石油類質(zhì)量濃度為初始水動(dòng)力場(chǎng)和初始石油類污染質(zhì)質(zhì)量濃度場(chǎng),擬合1996年7月9日的實(shí)測(cè)地下水水頭和石油類污染質(zhì)質(zhì)量濃度.經(jīng)反復(fù)擬合計(jì)算,計(jì)算水頭與實(shí)測(cè)水頭之差的絕對(duì)值小于0.5m的觀測(cè)孔數(shù)占觀測(cè)孔總數(shù)的90%,石油類污染質(zhì)質(zhì)量濃度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之差的絕對(duì)值小于0.1mg/L的觀測(cè)孔數(shù)占觀測(cè)孔總數(shù)的85%.最后得到的模型參數(shù)見表1.用1996年11月20日的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證,證實(shí)所建模型可靠.4污染質(zhì)擴(kuò)散規(guī)律運(yùn)用上述所建模型即可對(duì)大慶市貼不貼泡區(qū)的多層介質(zhì)含水系統(tǒng)中的石油類污染質(zhì)的運(yùn)移做出預(yù)測(cè).計(jì)算時(shí),源、匯項(xiàng)和邊界均按多年平均來(lái)處理,非飽和帶的導(dǎo)水率由(6a)式確定,弱透水層的滲透系數(shù)由(1)~(3)式確定.結(jié)果表明,在已有條件均保持不變的情況下,地下水中石油類污染質(zhì)的質(zhì)量濃度變化不大,10a后污染質(zhì)鋒面未穿透弱透水層,但已污染了弱透水層4m多.在目的層大量開采造成承壓水頭下降10m的情況下,污染質(zhì)擴(kuò)散范圍有所加大,但速度比較慢,10a后污染質(zhì)進(jìn)入弱透水層近8m.而當(dāng)開采目的層減少開采量,并將潛水和承壓水之間的水頭差保持在14.55m,也就是降低了弱透水層中的水力梯度,結(jié)果污染質(zhì)的下移基本被控制.由此可見,弱透水層中非達(dá)西流的存在對(duì)控制污染質(zhì)下移起到了決定性的作用.由預(yù)測(cè)結(jié)果可知,在現(xiàn)狀條件下,石油類污染質(zhì)仍有污染下部承壓含水層優(yōu)質(zhì)地下水的趨勢(shì).若加大下部承壓含水層的開采強(qiáng)度,則石油類污染質(zhì)下移速度會(huì)加快.因此,要控制污染質(zhì)下移,一是要減少污染質(zhì)的排放量,降低湖泡中石油類污染質(zhì)的含量;二是要節(jié)約用水,減少承壓水的開采量,以減小潛水與承壓水之間的水頭差,利用弱透水層的性質(zhì)來(lái)阻止污染質(zhì)下移.當(dāng)污水排放量保持現(xiàn)狀,要使石油類污染質(zhì)不下移,則潛水和承壓水之間的水頭差不得大于14.55m.5數(shù)值模型模型建立的意義(1)由飽和粘性土構(gòu)成的弱透水層,在自然界中是普遍存在的,對(duì)其滲透規(guī)律的研究是建