黄河三角洲湿地地下水石油污染的数值模拟

ISSN1008-9446

CN13-1265/TE

承德石油高等专科学校学报

JournalofChengdePetroleumCollege

2014年4月第16卷第2期，

Vol．16，No．2，Apr．2014

黄河三角洲湿地地下水石油

污染的数值模拟

12

刘世恩，李波海

（1．承德石油高等专科学校石油工程系，河北承德067000；

2．承德石油高等专科学校化学工程系，河北承德067000）

摘要：以研究区抽水试验的参数作为初值，建立了相应的地下水流值模型；同时结合弥散实验所得参数建立并利用模型数据差值分析对黄河三角洲湿地油气资源开发的生态环境机制进了研究区污染物溶质运移模型，

行探讨，通过水质模型预测，得出常规石油作业污染物在潜水含水层表层大量聚集，如不及时治理，污染物会向承压含水层运移。因此为了保护湿地，降低石油对湿地地下水污染及生态环境的破坏，需要地方政府和油田方面配合，加强沟通、协作和监管。

关键词：地下水；黄河三角洲湿地；地下水流数值模型；溶质运移模型中图分类号：TE991．2

文献标识码：B

9446（2014）02-0004-05文章编号：1008-

NumericalSimulationofUndergroundWaterPollutionby

OilinYellowＲiverDeltaWetland

LIUShi-en1，LIbo-hai2

（1．DepartmentofPetroleumEngineering，ChengdePetroleumCollege，Chengde067000，Hebei，China；2．DepartmentofChemicalEngineering，ChengdePetroleumCollege，Chengde067000，Hebei，China）Abstract：TheYellowＲiverdeltawetlandistheworld'srareestuarywetlandecosystem，anditisoneof“themostbeautifulwetlandsinChina”．Atthesametime，thesecondlargestoilfieldinChina-ShengliOilfieldislocatedthere．Theproblemwemustfaceisthathowtoprotectecologicalre-sourcesduringthedevelopmentofoilandgasresources．Inthispaper，usingpumpingtestparame-tersofthestudyareaasinitialvalue，theundergroundwaterflowmodelwasestablished；combinedwiththediffusionexperimentalparameters，thepollutantsolutetransportmodelwasestablishedforthestudyarea．ThedevelopmentoftheecologicalenvironmentmechanismintheYellowＲiverdeltawetlandduringexploringoilandgasresourceswasdiscussedusingdifferentanalysisofthemodeldata．Keywords：undergroundwater；theYellowＲiverdeltawetland；numericalsimulationofunder-groundwaterflow；solutetransportmodel

黄河三角洲湿地位于山东省东北部的渤海之滨，地处黄河入海口，其地理位置优越，生态类型独特，是中国暖温带最完整、最广阔、最年轻的湿地生态系统，同时也是东北亚内陆和环西太平洋鸟类迁徙的“中转站、，重要越冬栖息和繁殖地”成为世界范围内河口湿地生态系统中极具代表性的范例之一。

胜利油田—中国第二大石油生产基地，位于黄河三角洲湿地，以2700万t的年产量在中国能源供属于环渤海经济圈和黄河流域经济带中的核心产业支柱。然而胜利油田的长给方面发挥着巨大作用，

期开采必然会造成黄河三角洲湿地环境的污染和生态环境的破坏，在开发油气资源的同时，如何保护生

10-18收稿日期：2013-作者简介：刘世恩（1977－），男，山东菏泽人，承德石油高等专科学校石油工程系讲师，主要从事油田开发技术服

务和教学。

刘世恩，等：黄河三角洲湿地地下水石油污染的数值模拟

·5·

态资源，是必须面对的难题。

本文通过模拟与预测胜利油田开发过程中对黄河三角洲湿地可能造成的石油污染的运移情况，为黄河三角洲湿地的可持续发展提供科学的依据。

1

1．1

黄河三角洲湿地地下水流数值模型

水文地质的基础模型

水文地质基础模型包括相关联的含水层结构和数学表达，还有含水系统特征数据。含水层的作用是含水层的储水、导水、传递和传导作用，交换作用或含水层与地下水的物化作用。是从现场和实验中所收集数据的综合，是理论研究和应用之间的一个必须环节，是依据黄河三角洲湿地地区所收集到的数据建立起来的。模型边界以东营油区为主要研究对象，根据区内流场特征和地层结构分析，将该区侧向边界类型确定为不同性质的流量边界。1．2地下水流的渗流数学模型

A为模拟区域四周模型的建立是以渗流微分方程为基础，界定解值条件。假设U为渗流研究区域，

y，z），边界，含水层为非均质各向同性，区内任意一点的地下水位标高为H（x，区域边界f由第一类边界初始水位分布和第二类边界潜水面边界组成。根据水文地质基础模型，黄河三角洲湿地地下水三维非

稳定流数学模型如下所示：

KH+KH+KH=SSH（x，y，z）∈U，t＞0

yztxyzx

H（x，y，z，0）=f（x，y，z）（x，y，z）∈U

H（x，y，z，t）|A=Ho（x，y，z，t）（x，y，z∈U，t）

H=Z

μH=－（K+W）·H+W

zt

lim2πH

r→rwr0Khrdθ]=Qi

u—给水度；

()()()

[∫

式中：

H—地下水位标高/m；

t—时间/d；

x，y，z—坐标变量/m；

A—模拟区四周边界；Z—潜水面水头分布值/m；rw—抽水井的半径/m；

W—研究区三维流的源汇项/（L·d－1）；U—渗流研究区域；

Qi—第i口井的抽水流量/（m3·d－1）；

－1

（r，θ）—研究区三维流的源汇项/（L·d）；

K—渗透系数/（m·d－1）；

Ss—含水层的释水率/L－1；Ho—第一类边界水位标高/m；f（x，y，z）—初始水位分布/m；1．31．3．1

数学模型的离散及条件界定空间的离散

本数据模型运用离散系统的分析和设计方法，要求整个系统统一用离散状态方程来描述，因此使用

连续系统的离散。网格密度是计算时间和求解精度的保障，为了避免疏干单元的出现，油田作业区的网格需要合理的剖分。通常情况下平面上网格密度为10m，垂向上将文地质结构概化为5层，由上至下划分分别为：潜水含水层分6层、弱透水层分4层、浅层承压含水层分3层、弱透水层分4层及深层承压含水层分5层；敏感地区网格适当加密。1．3．2时间的离散

本数学模型的离散时间系统采用两种方法，常规采用输入输出描述法，局部和突发事故时采用状态

·6·

承德石油高等专科学校学报2014年第16卷第2期

变量描述法。状态变量描述法不仅可以给出输入和输出信号之间的关系，还可提供系统内部变量的情

［4］

况，对于多输入、多输出系统，这种方法有其优点。根据湿地长期地下水统测资料，选取2009年1月1日为模拟起始时间，2009年12月31日为模拟的终止时间。设定每月是一个应力期，每天是一个时间

假定每个应力期内含水层补给和排泄强度不变，并控制迭代的误差。步长，1．3．3

边界条件

渗流区域边界上的渗流物理条件统称为边界条件（如运动学条件和动力学条件），由于三维地下水流

［5］

动是不稳定的，故边界上的水位值随时间而变化。根据地下水位动态观测资料，设定每月中旬水位值作为水位观测值，其间利用统计学散列点的插值得到的各层边界上的非稳定形式的水位值作为水位观测值。1．3．4初始条件

黄河三角洲湿地近几年有较完整的资料，可以为数学模型的初始条件提供依据，将实测分层水位和

从而得到黄河三角洲湿地数学模型的初始流场。统计学插值计算结果输入到模型中，1．3．5

水文地质参数

水文地质参数是进行各种水文地质计算不可缺少的数据。黄河三角洲湿地的水文地质参数包括潜

水含水层和承压水含水层的渗透系数、承压水的弹性释水率，反映含水层的水文地质性能。一般可通过

［6］统计数据、野外抽水试验及插值计算等方法求取。抽水试验结合地质、水文地质条件，参照已进行的非稳定流抽水试验的资料所得参数，补充统计学插值计算，输入到地下水流数值模型中。

2地下水水质模型

在黄河三角洲湿地的石油作业区，由于石油钻井、采油、作业及储运过程中，不可避免的会出现喷、跑、溢、滴、漏等造成地下水的污染，特别是钻井井喷和石油管道穿孔等突发事故时，会对地下水造成高浓度、大面积的污染。对常规情况下的污染和突发事故时的污染物运移情况进行预测，便于做出防范、预警和事故处理方案。2．1

溶质运移的数学模型

水动力弥散方程以线性弥散定律和溶质质量守恒定律为基础，溶质在地下水流中的运移概况通常

［7］

采用对流弥散方程求解的方法，溶质运移的数学模型包括弥散项、吸附项、对流项及源汇项。

1－n

c+FTnc（x，y，z，t）|c（x，y，z，t）|

()

=

c－Vc+c0qw

Diji

nxixixj

()

t=0Γ=0

=0=0

（x，y，z）∈Ω，t=0（x，y，z）∈Ω，t＞0

Dij—水动力弥散系数张量（T/L2）；c0—源汇项的浓度（M/L3）；

qw—源（正值）或汇（负值）的单位流量（L/T）；

Ω—研究区空间流域；y，z）—空间位置；（x，

Γ—研究区边界；

式中：

c—溶解于水中的污染物浓度（M/L3）；

n—时间（T）；

F—固相表面的溶质浓度（M/L3）；Vi—地下水渗透流速（L/T）；xi—空间坐标（L）；n—孔隙度，无量纲；2．2

水质模型

水质模型以地下水流数值模型为基础，加入包含运动方程的水流方程和连续性方程与对流弥散方程的耦合。本模型假定流体是不可压缩的均质流体，密度和粘度为常数，而且边界类型划分、含水层结构及边界类型均与地下水流数学模型相同。2．2．1模拟因子

水质模型计算是模拟因子选取的基础。根据黄河三角洲地区的实际情况，将研究区域油田污染物

刘世恩，等：黄河三角洲湿地地下水石油污染的数值模拟

·7·

的运移分三种情况预测。对于正常工况和突发事故污染情况的预测采用普通惰性示踪剂进行预测；当污染物与地层中发生化学反应和物理吸附时，选用特殊型示踪剂（如CFCs示踪剂、食用酵母示踪剂及天然荧光示踪剂），保证预测污染物测定的准确性。2．2．2边界和初始条件

地下水流数学模型可以给出水质模型中边界条件和初始条件的界定或依据。模型主要是在黄河三角洲湿地易发生石油污染的作业区域进行，其它地方地表及地下水中有机物含量很少，可以忽略。2．2．3

模型参数

KH

。nL

K—含水层渗透系数（LT－1）；n—含水介质孔隙度；

H/L—地下水流的水力坡度；

1）地下水渗流速度。按照公式V=v/n=－

式中：

V—地下渗流速度（LT－1）；

v—地下水平均流速（LT－1）；2）纵向弥散系数

确定纵向弥散系数的主要方法有现场示踪剂实验测定、经验公式估算和积分公式以及最优搜索等本次研究采用现场定点加随机取样的方法，确保纵向弥散系数的准确性，并用地质统计学理论方法，

验证。

2．3地下水石油污染的模拟与预测

利用VisualModflow软件，以石油污染物的溶质运移数学模型为基础，通过调研统计黄河三角洲湿

对地下水污染物的迁移物特征及地下水可能的污染趋势进行运移模拟对地下水的石油污地动态资料，

染情况实时预测，为研究区域地下水的污染防治提供依据。

2．3．1预测正常工况下污染物的运移

并根据石油作业风险分析，确定污染源分布和强模拟在目前油田开采条件下研究区实际供水量，

模拟在一定时间范围内（2009年1月～12月）不同条件、不同范围、浓度变度。选定有代表性的污染物，

并在模拟计算时输入弥散项、对流、源汇项、吸附项及化学反应项等。附上模拟结果，并化的污染情况，

加以评价。

3

模拟在实际供水量19～21亿m条件下，根据石油作业风险分析，确定污染源分布和强度。由于石

油开采的各个环节—开采、储运、加工及事故等因素都会造成污染，因此，本次模拟选定有代表性、不同类型的污染物—落地原油污染物模拟不同时间、不同条件、不同范围、浓度变化的污染情况，并在模拟计算时输入弥散项、对流、源汇项、吸附项及化学反应项等，模拟结果发现重油类的石油污染物沉入水底，随降水进入地下浅层或周围水域，轻油漂浮于表面，并进一步扩大污染源；同时模拟结果显示，污染物在降水条件下，由于毛管力、重力等作用，会向地下深层迁移，从而污染地下水源，甚至危害地下饮用水安全。2．3．2

预测突发事故时污染物的运移

可以按照两个思路描述：一是预测突发大面积石油污染，可在同等浓度的预测突发石油事故污染，

基础上，将污染范围扩大4～8倍；二是选择2～3倍浓度的污染源进行模拟。本次预测，采用小浓度示

踪剂进行模拟，模拟时间从2009年1月～2009年12月31日突发事大面积石油污染物在含水层中的运

模拟结果显示，污染物浓度超标且影响周围地下水，污染物的浓度最大值150mg/L，且有向周围地移，

下水源运移的趋势。

3结论

1）通过分析研究黄河三角洲湿地的水文气象资料、含水层结构及地下水流动特征，通过空间和时间

·8·

承德石油高等专科学校学报2014年第16卷第2期

的离散，运用现场定点加随机取样的方法，融合插值计算的参数作为初值，运用VisualMODFLOW建立黄河三角洲湿地地下水流数学模型。

2）在地下水流数值模型的基础上，结合弥散实验所得参数建立了研究区污染物溶质运移模型，对正常工况和突发事故时的污染物运移情况进行了预测。

3）通过水质模型预测得出，在一年的时间内常规石油作业污染物一般是在潜水含水层的表层大量聚集，承压含水层没有受到污染，如果不及时治理，污染物会向含水层运移。4）通过上述模拟分析的成果，不难看出，为了保护黄河三角洲湿地，减少石油对湿地地下水的污染及生态环境的破坏，需要地方政府及油田方面的配合，加强沟通、协作和监管。参考文献：

［1］李胜男．黄河三角洲典型区域地下水动态分析［J］．地理科学进展，2008（5）：67－69．［2］李胜男．黄河三角洲典型区域地下水动态分析［J］．地理科学进展，2008（9）：71－72．［3］郑君里，M］．北京：人民教育出版社，1981．杨为理，应启珩．信号和系统［［4］郭东屏，M］．西安：陕西科学技术出版社，1994．宋众勋，钱会，等．地下水动力学［［5］郑环．现代地下水资源数值模拟技术研究［J］．节水灌溉，2008（7）：37－41．

［6］弓永峰．地下水石油污染模拟及防治措施研究———以宁夏炼油厂为例［D］．西安：长安大学，2010．［7］孙钠正．地下水流的数值模型和数值方法［M］．北京：地质出版社，1981．

（上接第3页）

4结论及认识

1）铝胺双封堵钻井液抑制性好，封堵能力强，解决了长裸眼段及煤层的井壁失稳问题，特别是西山窑组的煤层失稳难题。

2）施工中井壁稳定，起下钻畅通无阻，井身质量良好，二开井径平均扩大率为8．95%，西山窑组井径平均扩大率为6．39%。

3）提高了施工效率。二开预计纯钻时间为2000h，实际只用367．5h；预计机械钻速为1．59m/h，实际机械钻速为8．89m/h，机械钻速提高了5．59倍。4）该区块二开裸眼段长，上部地层和下部地层压差大，钻到下部地层前，必须提前加足封堵材料，提高地层的封堵性，增加上部地层的承压能力。5）煤层段井壁稳定的关键是钻井液具有良好的封堵性和抑制性，基础是钻井液具有良好的流变性，前提是必须保持钻井液液柱对地层的正压差，这样才能保证煤层段的井壁稳定。参考文献：

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