大慶市貼不貼泡區多層介質含水系統中石油類污染的數值模擬

弱透水層多層中間水系系統廣泛分布于自然界。例如，在中國的松嫩平原和松遼平原中，分布著這樣的地下水系統，但一些大型油田，如大慶和遼河油田，只分布在上面。這類地下水系統通常受到油氣田開發區的污染。弱透水層不僅是下游承載水層中優質地下水的補充通道，也是污染通道。因此，在這項工作中，選擇大慶的典型納污湖泡沫，而不是泡沫區作為研究區域。首先，我們必須了解弱透水層的滲透規律，然后建立了這一含水量系統中污染物質的運移值的模擬模型。該模型利用該模型預測研究區域內的地下水污染，為廢物的綜合處理提供科學合理的措施，確保油田的可持續發展。1地層內土巖地層研究區位于石油城市大慶市喇嘛甸鎮西北,為一小型閉流盆地,面積約12.28km2,東面與向榮屯、良種場接壤,西面與沈家北泡毗鄰,南面與三棱泡交界,北側與北十里相連(圖1).區內貼不貼泡呈NW—SE向分布,縱向長約3km,橫向寬約1km,四周被風沙、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砂、亞粘土、亞砂土層,厚13~19m.區內貼不貼泡已成為石油化工業的廢水排放處,石油類質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散,構成污染暈.其中心的污染質質量濃度為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的弱透水層.它連接著潛水和承壓水,成為地下水和污染質運移的通道.因此,在建立污染質運移數值模擬模型之前,先要對弱透水層的滲透規律進行研究.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,利用滲壓儀進行不同水頭下的滲透實驗,獲得V-I關系曲線,即OABC折線(圖2),以及V-I關系方程.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為第二階段開始時的初始水力梯度,其值為0.291,I02為第三階段開始時的初始水力梯度,其值為0.440,V01為第二階段開始時的初始滲透速度,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,K2為第二階段的滲透系數,K3為第三階段的滲透系數.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,其滲透規律符合達西定律,并可用線段OA來描述(圖2,式(1)).此時,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動被加強,微孔隙中一部分具有較小抗剪強度的結合水開始移動.該階段滲透系數變化相對較快,但整個階段相對較短.V和I的關系實際由曲線AB來描述,由于曲線AB的彎曲度不大,故用直線AB來近似代替曲線AB.因此達西定律能近似地適用于此階段的滲透(圖2,式(2)).此時,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,而且微孔隙通道中有更多的結合水也已運動.盡管水力梯度很大,而且具有小抗剪強度的結合水已經運動,但是對于具有大抗剪強度的結合水來講,其運動還是很困難的.此階段,滲透系數的增加很緩慢,而且有隨水力梯度的增加趨于常數的趨勢,V和I之間的關系可近似地由線段BC來描述,故可用達西定律來描述該階段的滲透規律(圖2,式(3)).此時,K3=19.954×10-4?m/d.3水系統中污染轉移值的模擬3.1地下水邊界的含水層含水層.含水層邊界是雙研究區內含水介質自下而上依次為:砂礫巖和砂礫石含水層,飽水粘性土層(弱透水層),細砂、亞粘土、亞砂土層.全區所有側向邊界均為第二類邊界,其中承壓含水層側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.地下水在多孔介質中的運動符合達西定律,污染質濃度變化符合Fick定律,無化學反應.地下水運動為非穩定流,含水介質為非均質各向異性.3.2結構參數的測定根據上述含水系統的概化,可建立起描述地下水含水系統的數學模型.該模型由兩部分組成:水分運移模型和污染質運移模型.(1)三維流水分運移數學模型.為了將飽和帶和非飽和帶進行統一描述,采用壓力水頭為狀態變量.數學模型為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,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為經驗系數,由非飽和帶中水分特征曲線確定,m=1-1/nl,且0<m<1,G為補給項(降水入滲等),W為排泄項(蒸發排泄、抽水等),ψ0(x,y,z)為初始壓力水頭,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)三維流污染質運移數學模型.三維飽和—非飽和污染質運移的定解問題為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)為污染質質量濃度,Rd為阻滯因子,D為彌散系數,由縱向彌散度αl和橫向彌散度αt以及滲流速度確定,Ce為污染源的質量濃度,C0(x,y,z)為初始污染質質量濃度,C1(x,y,z,t)為第一類邊界上的污染質質量濃度,f2(x,y,z,t)為第二類邊界上的污染質彌散通量.3.3初支模型的建立先將其進行平面二維三角形剖分,并進行編號,共剖分為137個結點、226個三角單元.垂向上分6層,7個層面分別為地表面、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,然后計算機程序自動將計算區剖分成959個結點、4068個四面體單元,邊界結點除湖水面上的結點為第一類邊界點外,其余的均為第二類邊界點.然后采用特征線法與有限單元法相結合來求解上述數學模型.計算時的初始流場和初始污染質濃度場由專門布設的17個測壓管式觀測孔和3個民井的實測值,經泛Kriging空間插值獲得.由于計算區面積比較小,地層巖性平面上變化不大,故將計算區平面上作為一個參數區,而在垂向上分出4個參數區,即由上至下剖分成的第1層、第2-3層、第4-5層和第6層.參數初值參考已有水文地質資料和室內外實驗測定值給出.由于弱透水層的滲透系數是水力梯度的函數,因此,實際計算時需要利用上述實驗研究得出的弱透水層的滲透規律來解決這一問題.以1995年11月20日實測地下水水頭及石油類質量濃度為初始水動力場和初始石油類污染質質量濃度場,擬合1996年7月9日的實測地下水水頭和石油類污染質質量濃度.經反復擬合計算,計算水頭與實測水頭之差的絕對值小于0.5m的觀測孔數占觀測孔總數的90%,石油類污染質質量濃度計算值與實測值之差的絕對值小于0.1mg/L的觀測孔數占觀測孔總數的85%.最后得到的模型參數見表1.用1996年11月20日的實測數據進行了驗證,證實所建模型可靠.4污染質擴散規律運用上述所建模型即可對大慶市貼不貼泡區的多層介質含水系統中的石油類污染質的運移做出預測.計算時,源、匯項和邊界均按多年平均來處理,非飽和帶的導水率由(6a)式確定,弱透水層的滲透系數由(1)~(3)式確定.結果表明,在已有條件均保持不變的情況下,地下水中石油類污染質的質量濃度變化不大,10a后污染質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,污染質擴散范圍有所加大,但速度比較慢,10a后污染質進入弱透水層近8m.而當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,結果污染質的下移基本被控制.由此可見,弱透水層中非達西流的存在對控制污染質下移起到了決定性的作用.由預測結果可知,在現狀條件下,石油類污染質仍有污染下部承壓含水層優質地下水的趨勢.若加大下部承壓含水層的開采強度,則石油類污染質下移速度會加快.因此,要控制污染質下移,一是要減少污染質的排放量,降低湖泡中石油類污染質的含量;二是要節約用水,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來阻止污染質下移.當污水排放量保持現狀,要使石油類污染質不下移,則潛水和承壓水之間的水頭差不得大于14.55m.5數值模型模型建立的意義(1)由飽和粘性土構成的弱透水層,在自然界中是普遍存在的,對其滲透規律的研究是建