数值模拟在长输油气管道工程环评中的应用

赵庆磊 沈茂丁 许立风 纪蕻 刘海超

（1.中国石油天然气管道工程有限公司；2.河北省保定地质工程勘查院；3.中国石油冀东油田公司质量安全环保处）

数值模拟在长输油气管道工程环评中的应用

赵庆磊1沈茂丁1许立风2纪蕻3刘海超1

（1.中国石油天然气管道工程有限公司；2.河北省保定地质工程勘查院；3.中国石油冀东油田公司质量安全环保处）

为更好地掌握长输油气管道工程经过饮用水水源地、湿地保护区、水库等环境敏感目标发生泄漏时污染物的运移规律，用数值模拟的方法，开展假设条件下的石油类污染物泄漏影响范围的模拟预测研究。通过模型概化、参数选取、模型校对及验证、地下水水流模拟，建立了地下水水流模型。根据管道线性工程的特点，结合具体穿越敏感地段的情况，假设两个最大风险泄漏点（距离保护区最近的点和水流到达保护区边界运动最快的点），选取石油类作为模拟因子，并选定初始条件，采用对流—弥散控制方程预测污染物的运移情况，得到假设管道在以上两个最大风险泄漏点发生泄漏事故情况下，污染物在平面上一段时间内的影响到达范围。结果可为环境影响评价提供合理的理论依据。

环境影响评价；长输油气管道；泄漏；数值模拟；石油类；影响范围

0 引 言

近年来，国内长输油气管道工程项目发展迅速，其环境影响评价工作也备受关注。在施工、运营过程中，长输油气管道可能因施工原因、操作原因、管材腐蚀、第三方破坏以及地质灾害和不良地质现象等情况发生破坏。由于运输介质的特殊性，石油管道一旦发生油品泄漏事故，泄漏的油品对泄漏点周围的土壤、植物造成污染；河流穿越段泄漏的油品可直接进入地表河流，对河流和湖泊水质造成污染；还可以通过包气带进入地下水含水层，对周围群众饮水安全以及水源地水质造成威胁［1］。

因此，有必要结合实际情况，开展更为深入的长输油气管道工程环境影响评价研究。本文结合长输油气管道工程环境影响评价工作，针对管道经过的饮用水水源地、湿地保护区、河流、水库等环境敏感目标［2］，用数值模拟的方法，开展假设条件下的石油类污染物模拟预测研究。研究思路见图1。

图1 研究思路

1 资料搜集

石油类污染物的泄漏传播主要是通过地下水运移实现的，本文的关键点是建立比较符合实际的地下水流模型，在地下水流模型的基础上进行污染物模拟预测［3］。然而一个较符合实际的数值模拟，是建立在前期资料搜集分析及现场试验基础之上的。因此搜集资料是工作必不可少的一部分，根据研究内容，需要搜集的资料主要包括以下内容。

①工程项目及敏感目标概况。工程项目概况资料主要包括：长输油气管道工程在敏感目标附近的铺设或穿越方式、工程分析、运输介质的性质等资料；敏感目标的基础资料主要包括：敏感目标概况、国家及地方环境保护方面相关的法律法规。

②水文地质资料。主要包括：敏感目标附近水文地质条件资料、地质资料、现场抽水试验资料、水文资料及气象资料等。

2 地下水流模型的建立

2.1 模型概化

为建立敏感目标地区的地下水流数值模型，首先要对实际水文地质条件进行概化，以建立水文地质概念模型。主要包括：含水层结构概化、边界条件概化、初始条件概化［4］。

2.1.1 含水层结构概化

3.1.1 构建内部控制的基础要以人为本。内部控制取得效果关键在于控制者与被控对象之间的摩擦得到及时解决，而组织文化有助于这种摩擦的解决。组织文化与内部控制加强沟通，缓和两者之间的摩擦，促进单位的发展。融合组织文化构建以人为本的内部控制制度是单位发展的关键[5]。

根据地层柱状图及现场调查资料，划分出敏感目标地区的含水层结构，例如砂土层、碎石层等为较好的透水层，黏土层一般可视为弱透水层或隔水层。把污染物很难进入的地层作为隔水边界，概念模型见图2。

图2 概化的含水层结构

2.1.2 边界条件概化

根据敏感目标地区的水文地质条件，确定水头边界类型，一般水头边界分为定水头边界、流量边界；靠近河流且有水利联系的边界视为河流边界。

2.1.3 初始条件概化

结合敏感目标地区长期水位观测孔、民用井的实测水位资料，绘制研究区在初始时刻的等水头线，确定初始流场。经过此步骤，可以将地下水流系统概化为均质的各向同性或非均质各向异性的地下水三维非稳定系统。

2.2 参数选取

模型建立过程中，需要对必要的水文地质参数及各土体的物理力学参数进行测定，或依据搜集、整理的资料，结合松散岩土经验参考值［5］，如表1和表2所示，运用类比法、经验值和地质综合分析方法结合敏感目标地区实际的地质、水文地质条件情况，综合选取模型水文地质参数等。

表1 松散岩土渗透系数参考值m/d

表2 松散岩土给水度参考值

模型校对与验证也是建立一个地下水流数值模型的关键步骤。工程实际中，可以结合前人实测资料或进行现场试验等，对模型进行验证，通过不断对模型各项参数进行合理的调整，达到使模型能够比较准确地反映敏感目标地区水文地质条件的目的。

2.4 地下水水流模拟

通过对模型的含水层结构、边界条件及分层岩性等的概化，相关参数（渗透系数K、给水度μ等）的选取确定，结合前人研究成果，经过模型的校对和反复验证之后，通过相关模拟软件（如Visual M O DFL O W等）可以得到地下水流场模型（以某管道模拟概化图为例）见图3。

图3 地下水流场模拟

3 污染物模拟预测

式中：C为溶解于水中的污染物的浓度，m g/L；R为迟滞系数，无量纲；t为时间，d；xi为空间坐标，m；Dij为水动力弥散系数张量，m2/d；νi为地下水渗透流速，m/d；θ为孔隙度，无量纲；x，y，z为空间位置坐标，m；c0为初始浓度，m g/L；Ω为模型模拟区域。

3.1 假设条件

根据管道线性工程的特点，结合具体穿越敏感地段的情况，假设两个最大风险泄漏点。分别是距离保护区最近的d点和水流到达水源保护区边界运动最

通过地下水流场模型，可以得到各含水层的等水位线图、水流迹线图及地下水流向图等，再结合污染物的性质和污染物模拟假设条件、初始条件等，可通过如M T3D M S等溶质运移模拟模块，实现地下水溶质运移模拟和预测。

根据相关资料，不考虑土壤吸附以及生物、化学反应项，可以用对流—弥散控制方程式（1）来描述石油类污染物在三维地下水流中的运移情况。快的f点，分别对其进行模拟预测，结果见图4。

图4 假设条件下的模拟点

3.2 模拟因子

应选取比较有代表性的、并与建设项目排放的污染物有关的特征因子，以及一些长期接触会对人体或动植物产生危害作用的污染物，特别是持久性的有机污染物。因此，在长输油气管道工程环评项目中一般把石油类污染物作为模型的模拟因子［6］。

3.3 初始条件

初始条件包括模拟初始时间、初始浓度及最低检测浓度，初始时间可以选定在发现漏油事故之初或以前；模拟因子初始浓度可以参照某石化炼油厂事故爆炸案地下水检测到的石油类污染物浓度为40 000～50 000 m g/L。最低检测浓度参考G B 3838—2002《地表水环境质量标准》，石油类污染物在Ⅲ类水体的标准检出限值为0.05 m g/L；在G B 5749—2006《生活饮用水卫生标准》中，烷烃、烯烃类多数检出限都低于0.05 m g/L或持平。

3.4 模型预测

通过运行模型，实现对地下水石油类污染物运移情况的模拟预测，得到了假设管道在距离水源保护区最近的点和水流到达水源保护区边界最快的点发生管道石油泄漏事故时，污染物在平面上一段时间内的影响到达范围（以某管道模拟预测图为例），见图5、图6。

图5 距保护区最近的点

图6 地下水运动最快的点

3.5 预测结果分析

由模拟预测结果图5和图6对比可知，污染物沿水流方向扩散较快，横向扩散稍慢，污染物浓度沿水流方向逐渐降低，污染物在扩散最前缘的浓度为最低检出限0.05 m g/L。随着时间的推移，污染物最终可能会先后达到水源保护区边界，对水源保护区产生影响。

4 结 论

运用有关地下水模拟软件（如Visual M O DFL O W），通过对假设距离保护区最近的d点和水流到达水源保护区边界运动最快的f点这两个模拟点发生石油类污染物泄漏的模拟预测，可以比较直观地反映出污染物的扩散半径，也能够清楚看出距离保护区最近的点并不一定是污染物达到保护区边界最快的点。这为开展环境污染预防工作提供了方向，为污染治理工作争取了时间。从环境影响评价角度讲，该数值模拟方法的运用，对预防和减少环境污染事件的发生起到积极作用，也为环境影响评价的科学性提供了理论保证。

［1］ 肖长来，梁秀娟，王彪.水文地质学［M］.北京：清华大学出版社，2010.

［2］ H J 610—2011环境影响评价技术导则地下水环境［S］.

［3］ 方东晓.影响天然气管道安全的危害因素分析及对策探讨［J］.上海煤气，2008（3）：38-41.

［4］ 解红军，赵庆磊，康永尚.长输油气管道项目地下水环境影响评价要术探讨［J］.中国化工贸易，2012（10）：183-184.

［5］ 弓永锋.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.

［6］ 王洪涛，罗剑，李雨松，等.石油污染物在土壤中运移的数值模拟初探［J］.环境科学学报，2000，20（6）：755-760.

（编辑 王薇）

10.3969/j.issn.1005-3158.2015.05.019

1005-3158（2015）05-0065-03

2015-03-03）

赵庆磊，2013年毕业于中国石油大学（北京）地质工程专业，现在中国石油天然气管道工程有限公司从事大型油气管道建设项目工程地下水环境影响评价和勘察设计工作。通信地址：河北省廊坊市广阳区金光道54号勘察事业部（中油朗威一楼），065000