（环境科学专业论文）地下水石油污染物运移的数值模拟——以保定某炼油厂为例.pdf

a b s t r a c t 印u n d w a t e rm o d e l i n gs y s t e m ( g m s ) s o f t w a r ew a su s e di nt h i sd i s s e r t a t i o nt oc a r r yo n t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fg r o u n d w a t e rs y s t e mo fap e t r o l e u ml e a k a g e1 0 c a t i o ni n b a o d i n g , h e b e ip r o v i n c e f i r s t l y , t h eh y d r o l o g yg e o l o g i c a li n v e s t i g a t i o nw a st a k e nt ot h e r e s e a r c ha r e a , a n dt h ep u m p i n gt e s ta n dt r a c e rt e s tw e r ec a r r i e do n a q u i f e rt e s t , at e s t s o f t w a r e ，a n dac u r v ef i t t i n gm e t h o dw e r eu s e dt os e e kh y d r o g e o l o g yp a r a m e t e r t h e nt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h er e s e a r c ha r e aw i t hg m sw a sc a r r i e do nt oe s t a b l i s hw a t e r c o n c e p t u a lm o d e la n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eg r o u n d w a t e ri nt h er e s e a r c ha r e a t h em o d f l o wm o d u l ew a su s e df o rt h em a t h e m a t i c a lm o d e ls o l u t i o n t h ea q u i f e r p a r a m e t e ro ft h em o d e lw a sd i v i d e di n t o9a r e a sa n dt h eu n i o np u m p i n gt e s td a t aw a s u s e dt om o d u l a t et ot h ea q u i f e rp a r a m e t e r a f t e rt h a t , t h eg o o dr e s u l ti nw h i c ht h e c o m p u t a t i o ne r r o rc o n f o r m e dt ot h en a t i o n a ls t a n d a r dw a so b t a i n e d s oi tc o u l dr e f l e c t w e l lt h ed y n a m i cb e h a v i o ro ft h eg r o u n d w a t e rs y s t e mi nr e s e a r c ha r e a n l ew a t e rq u a l i t ym o d e lo ft h ec h l o r i d ei o no nt h eb a s eo ft h eg r o u n d w a t e rf l o wm o d e l w a se s t a b l i s h e d t h em t 3 dm o d u l ew a su s e df o rt h em a t h e m a t i c a lm o d e ls o l u t i o n t h e w a t e rq u a l i t ym o d e lw a st e s t e db yc o n t r a s t i n gt h ea c t u a ld a t aw i t ht h ep r e d i c t e dd a t ao f t h ed e n s i t yd i s t r i b u t i o no ft h ec h l o r i d ei o nt od e f i n et h ed i s p e r s i t yo ft h e s e9d i s t r i c t si n r e s e a r c ha r e a f o u rk i n d so fs c h e m e sw e r eu s e dt of o r e c a s tt h em i g r a t i o ns i t u a t i o no fp e t r o l e u m p o l l u t a n ti nt h er e s e a r c ha r e a 1 1 1 ep r o p o s a liw a s5y e a r sf o r e c a s t t h ep e t r o l e u mp o l l u t a n t f o r m e dt h ec o n t a m i n a t i o np l u m ea n de x p a n d e da r o u i l dy e a rb yy e a r ，a n dt h ep o l l u t a n t c o n c e n t r a t i o ng r e w4 5t i m e sd u r i n g5y e a r si nm a i l l l yp o l l u t e da r e a 1 1 1 ep r o p o s a li i a i m e da tt h es i t u a t i o no ft h ew h o l e y e a rp r e c i p i t a t i o ni n c r e a s e db y5 0 ，t h es c o p eo ft h e c o n t a m i n a t i o np l u m ee x p a n d e da n dt h ec o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e d ，a n dt h em o s tu n i t s i n c r e a s e d6 0 6 p p mw h i c hw a s3t i m e sl a r g e rt h a nb e f o r e 1 1 b ep r o p o s a li i ic o n s i d e r e dt h e s i t u a t i o no ft h ea g r i c u l t u r ew e l lp u m p ，t h ep o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o na l ld o u b l e dt h a nt h a t w h e nt h ea g r i c u l t u r ew e l lp u m pw a sn o tc o n s i d e r e di nt h et h r e ep o l l u t i o na r e a s t h e p r o p o s a li vc o n s i d e r e dt h ed e g e n e r a t i o no fm i c r o o r g a n i s m st ot h ep e t r o l e u mp o l l u t a n t , t h ep o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o nd r o p p e d10 i nt h ep o l l u t i o na r e a i n r e s p e c to ft h e h y d r o c a r b o nd e g r a d a t i o nb a c t e r i ai nt h er e s e a r c ha r e a , i n - s i t ub i o r e m e d i a t i o nc o u l db e a na d v a n t a g e o u sa n de c o n o m i c a lf e a s i b l em e t h o dt oc o n t r o lt h ep e t r o l e u mp o l l u t i o ni n t h i sa r e a k e yw o r d s ：g r o u n d w a t e r ；p e t r o l e u mp o l l u t i o n ；p u m p i n gt e s t ；t r a c e rt e s t ；g m s ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名： 互哥日期：肋9 年多月1 1 日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密瓯 ( 请在以上方框内打“一) 论文作者签名： 导师签名： 丕寸 孙孢埤 1 日期：励年月日 日期：三驴妊f 月1 1 日 ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何人不得擅自使用) 8 0 第一章引言 第一章引言 1 1 研究的目的意义 从改革开放以来，我国经济得到前所未有的发展。但经济发展的同时，环境也 受到污染，地下水资源也未能幸免于难。除了来自生活垃圾、工业废水及农药、化 肥的污染外，地下水资源还受到石油渗漏污染。 石油化工行业是石油污染的主要来源，大量的有机污染物经由各种途径进入人 类的生存环境。石油的开采、冶炼和运输过程的渗漏事故，以及含油废水的排放、 污水灌溉，各种石油制品的挥发等引起一系列石油污染问题，都会造成油类经包气 带土层进入地下水中，危害地下水资源。 渗漏石油中的有机物质进入土壤环境后，会发生一系列的物理、化学和生化作 用，造成土壤水环境系统严重的污染。而且这些污染物随着土壤水的运动迁移到地 下水中，造成地下水中的污染组分含量迅速升高，有毒有害污染物的分布范围不断 扩大，地下水水质不断地恶化，不仅造成生态环境的破坏，还会严重危害人类的身 体健康。因为石油烃中含有多种致癌、致畸、致突变的潜在性化学物质。最常见的 污染物质为b t e x ，即苯( b e n z e n e ) 、甲苯( t o l u e n e ) 、乙苯( e t h y lb e n z e n e ) 和二甲 苯( x y l e n e ) ，其中苯和甲苯是致癌物质。石油烃进入人体后，能溶解细胞膜和干扰 酶系统，引起肝、肾等内脏病变。国外有调查报告说明：受到石油污染的地下水， 控制污染源以后，在自然状态下水质一般几十年都难以恢复。所以，石油引起的地 下水和地表下的污染已成为当前和今后最突出的环境问题之一。 本文研究的河北保定某石油渗漏场地可以说是中国加油站、石油化工厂、原油 泄漏等石油类污染场地的缩影，其污染特征具有很强的代表性。本文试图对该研究 区的地下水文过程进行数值模拟，并用数值模拟法预测地下水中石油污染情况，量 化描述有机污染物在地下水中的时空分布特征和迁移转化规律，为有机污染的治理 控制以及该地区的有效利用提供科学支持和理论依据。 首先根据现场调查、野外试验以及资料的收集，建立河北保定某石油渗漏场地 的水文地质概念模型，并进一步构建表征该水文地质概念模型的数学模型；基于对 数学模型的校正和验证，预测该地区地下水石油污染的发展趋势；进而提出相应的 治理措施，为该地区地下水资源的可持续利用提供依据。 鉴于目前对研究区水文地质条件的认识程度和数据资料的有限性，本次工作建 立研究区浅部地下水( 埋深2 0 米以上) 水位、水质( 以石油烃为模拟因子) 模型。 并利用该模型预测不同时间不同条件下地下水石油烃污染分布形态。依据数值模拟 的结果，尝试提出对该地区地下水石油污染的修复措施。主要进行以下几个方面的 青岛人学硕士学位论文 工作： ( 1 ) 进行野外抽水试验及弥散试验，利用监测数据确定含水层各水文地质参数， 如导水系数、渗透系数、贮水系数( 或给水度) 和弥散度； ( 2 ) 建立该地区地下水运动的概念模型和数学模型； ( 3 ) 在对数学模型进行校正和验证的基础上，预测不同时间不同情况下该石油 渗漏场地地下水中石油污染情况； ( 4 ) 提出该地区地下水石油污染的修复措施。 1 2 国内外研究动态 地下水数值模拟的形成与发展是水力学、物理学、数学等多学科综合应用在研 究地下水运动特征及规律的结果。随着电子计算机和数值方法的发展，数值模拟逐 渐取代传统的模拟技术，成为研究地下水运动的一种有效的研究方法【l 】。 1 2 1 地下水水流及溶质运移数值模拟的发展 十九世纪初，自然科学领域基础学科的迅速发展使人们开始认识和研究地下水 的运动规律。在1 8 0 5 年，f i c k 提出了分子扩散定割2 1 。1 8 5 6 年，法国水利学家h e n r y d a r c y 结合法国迪昂市的喷泉通过实验提出了水在孔隙介质中渗流的基本运动规律 达西定律【3 】，这个定律标志着对地下水渗流运动定量认识的开始，奠定了地下 水流计算的基础。不久，法国水力学者裘布依( j d u p u i t ) 于1 8 6 3 年在达西定律的 基础上建立了自己的假定，提出了计算取水工程的地下水稳定流公式【4 】。1 9 世纪8 0 年代，前苏联科学家茹可夫斯基导出了地下水渗流的微分方程式，从而奠定了地下 水稳定流理论的基础【5 】。 从2 0 世纪6 0 年代初开始，随着电子计算机运算速度和容量的提高，数值模拟 开始广泛地应用于大规模实际地下水流的计算。1 9 6 4 年t y s o n 和w e b e r 成功地把不 规则网格有限差分法用于美国加利福尼亚州的含水层模拟中。到了7 0 年代，随着应 用数学的发展，许多学者把运筹学中最优化技术运用到逆问题求解模型中使得求参 模型迅速发展。在模型的实际应用中，c l i f t o n 等( 1 9 8 2 年) 首先将k r i g i n g 方法应 用于南亚利桑那州的a v r av a l l e y 含水层的模拟。随后学者们在研究溶质运移参数弥 散度过程中发现了尺度效应现象【6 】。1 9 9 4 年n e u m a n 进一步研究了水平水力传导率 k 与测量尺度间的关系，认为对于各种不同的地质介质，二者的关系为一简单的指 数关系；但r o v e y 研究了不同地质单元的尺度行为，发现水力传导率k 与被测范围 的尺度关系依赖于介质性质，不能一概而论为一简单的指数关系；s c h u l z e 等对这一 问题做了进一步研究，他们分析了各类沉积物，从实验室范围到区域性现场，系统 地研究了水力传导率与测量范围尺度的关系，得出以下结论：对于均质介质，如石 2 第一章引言 英砂，其水力传导率k 值为常数，对于非均质介质，水力传导率k 与被测介质的体 积v 满足k = c ( y ) 4 ，其中c 是特征参数，表征介质特征，m 为指数，其取值范围 为o 5 1 【7 】。关于尺度效应的机理目前尚不清楚，多数学者认为它是由介质的非均质 性引起的。经过多年对溶质运移的数值模拟方面的研究，国内外学者得出了很多有 效的数学模型，可归纳为确定性模型、随机模型和传递函数模型，但绝大多数是用 确定性模型。确定性模型中变量取确定值，该模型是由一个或一组微分方程及其相 应的定解条件所构成。近三十年来随机理论迅速应用于地下水中污染物运移等领域 的研究，并取得了一批突破性的成果，从而改变了人们对化学物质在地下水中运移、 弥散的传统认识【s 】。目前，国外许多学者主要针对数值模拟法的薄弱环节进行研究， 采用新的研究方法和数学工具，合理地描述地下水系统中的不确定性和模糊因素。 我国自1 9 7 3 年以来在地下水的数值模拟方面开始发展，前期主要是建立水流模 型【9 】，从2 0 世纪8 0 年代初开始对溶质运移数值模拟方面进行研究。早期做过这方 面工作的有王秉忱、杨天行等，他们以山东省济宁市部分市区为模拟试验研究区， 进行了地下水质模拟试验的一系列研究工作【l 们。随后我国水文地质工作者应用有限 元数值模拟技术解决了一大批矿坑涌水量预测、海水入侵、污染物在地下水中运移 过程等问题，特别是薛禹群，谢春红对井附近地下水流的对数插值法的提出，改进 了传统有限元法在计算地下水流时把井作为一个几何点处理的缺陷，考虑了井径和 井附近接近于对数曲线的水头变化，提高了井附近计算的精度【l 。2 0 0 4 年薛禹群等 介绍了多尺度有限元法的基本原理，并将其应用于非均质多孔介质中的流动问题， 通过计算结果的比较得出多尺度有限元法比传统有限元法有效的结论【l2 1 。随着应用 数学的发展，许多学者把运筹学中最优化技术运用到逆问题求解模型中，陈余道运 用k r i g i n g 插值法成功地模拟了齐鲁石化地区裂隙岩溶含水层中地下水流的运动【1 3 1 。 近年来随着计算机技术的迅猛发展，国外学者开发的许多软件可应用到地下水数值 模拟研究领域，我国学者也利用这些软件对地下水系统进行数值模拟并用其做出预 测。朱学愚等采用m o d f l o w 和m t 3 d 软件对山东淄博大武水源地裂隙岩溶水中 污染物运移进行数值模拟【l 训。张春志利用m o d f l o w 对白沙河一城阳河下游水源 地水质进行了研究，建立了白沙河一城阳河下游水源地的模型，对其水质进行了预 测，并提出了m o d f l o w 在地下水水质预测中存在的问趔1 5 】。卢文喜对地下水运 动数值模拟过程中边界条件的涵义和处理方法进行了分析和探讨，提出在模型预报 前要考虑自然因素、人类活动( 人工开采和人工补给) 影响及邻区水流条件变化而 产生的耦合效应，先对边界条件进行预报【l 6 1 。 随着科学技术的发展，我国学者在模拟地下水系统时不断发现问题，在理论和 方法上不断创新以解决问题，从而提高模拟结果的可靠性。 3 青岛大学硕士学位论文 1 2 2 石油的数值模拟研究动态 我国对石油数值模拟的研究与溶质运移开始于同一时代，早在1 9 8 0 年周维四等 对胜坨油田一区进行了数值模拟研究【l 。7 】；袁益让等在9 0 年代对含油气盆地进行三维 模拟，并将其应用到胜利油田的资源评估中【l 引。随着地下水数值模拟的发展，研究 方向逐渐从单纯的石油数值模拟转向地下水石油污染数值模拟当中来。陈余道等对 淄博市临淄地区地下水源地石油烃污染特征进行了基础性研究【19 】；朱学愚在分析研 究淄博市大武水源地裂隙岩溶含水层的水力性质和污染物运移特征的基础上，对裂 隙岩溶水的水头和石油污染物运移进行数值研究，并用多种数值方法求解对流占优 的污染物运移问题，求得最优解法是总变异消减法( t 、巾法) 和混合特征线法 ( h m o c ) 【1 4 1 ；郑西来通过采用氯化钠作示踪剂测定含水层的弥散系数，并根据实 测的溶解油吸附等温线来确定含水介质对石油污染物运移的阻滞系数，从而把反应 性石油污染物在地下水中运移转化为示踪剂的对流一弥散迁移和溶解油在水相与固 相之间转移的叠加，得出地下水中石油污染物运移的耦合模型，并将其应用于评价 大庆油田排污干渠对地下水污染问趔z o 】；刘五星，骆永明对于强化土壤修复高效菌 株乳化石油能力的方法申请了专利【2 1 1 。 l d ed o m e n i c o 等通过试验证明遥感法和荧光分光光度法者适用于监测石油烃 污染，并且效果一到2 2 j 。g i l l i a n a d a m 通过研究表明添加了乙醇的石油和柴油燃料在 地下储油和地上漏油过程中更容易发生地下水污染。该研究工作可以使人更好的理 解土壤成份在决定石油烃运移中的作用，可用该方法快速估计石油烃和其它有机污 染物在不同的土壤类型中的运移【2 ”。e l w i p f l e r 用数值化多相水流模型s t o m p 模 拟轻质非水溶相液体( l n a p l ) 在层状多孔介质中的渗透与再分布情况，研究结果 发现粗砂与细砂间的毛细现象差别是l n a p l 最终分布的主要控制因子【2 4 】。c k e e h a v a r z i 对渗流区的l n a p l 的非混相流动进行了二维实验室模拟，结果表明可以 通过量化流域中l n a p l 压力和水压以及饱和度之间的关系来精确模型的预测能力 【2 5 1 。v f l e r i al a b u d 研究了柴油、汽油和原油这三种不同类型的石油污染对沙土和粘 土的微生物属性的作用，以及在这些作用下对土壤特性的影响【2 6 1 。 1 3 地下水石油烃污染治理的研究进展 石油烃污染地下水的治理技术归纳起来主要有：物理处理法、化学处理法、生 物处理法和综合处理法等。 物理处理法：包括屏蔽法、被动收集法、水力控制法、抽出处理法等。徐绍辉 等用水力截获技术对淄博堠皋一金岭一带进行了治理试验，试验结果表明该技术不 仅可以去除地下水中部分石油污染物，而且可以通过改变地下水的水流模式，来防 4 第一章引言 止污染物向下游的进一步运移【z 7 1 。 化学处理法：原位化学氧化( i n s i t uc h e m i c a lo x i d a t i o n , i s c o ) 是近十年来提 出的能够有效处理土壤及地下水中苯系物的一种技术。实践证明，i s c o 对生物修复 有促进作用。目前i s c o 所用的氧化剂主要是二氧化氯( c 1 0 2 ) 和臭氧( 0 3 ) 。刘青 岩等利用c 1 0 2 复合消毒剂对淄博市受石油污染的地下水进行了氧化处理，原水浓度 为2 5 9 2m g l 时，去除率达到了9 2 8 。这说明c 1 0 2 可以有效地去除地下水中的石 油类有机物【2 引。 生物处理法：包括渗透反应格栅技术( p e r m e a b l er e a c t i v eb a r r i e r ，p r b ) 、地下 水曝气法( a i rs p a r g i n g ，a s ) 、微生物治理技术。应用于石油烃污染修复的渗透反 应格栅主要是生物降解格栅，其主要机理是提供微生物生长所必须的氧源和电子受 体【2 9 】。b i a n c h i 等利用i 9 0 2 作为释氧化合物去除地下水中的苯和甲苯。运行1 8 d 后， 在监测井的水中苯和甲苯的质量浓度均低于0 5m g l 。地下水曝气法也称为生物注 气法( b i o v c n t i n g ) ，是原位修复石油烃污染的有效技术。武强等在德州的胜利油田 进行了地下水现场曝气治理技术研究，采用溶解氧浓度法研究曝气操作条件对地下 水石油污染曝气治理技术的影响【划。王志强等在山东滨州石油开采区现场考察了地 下水石油污染曝气治理效果，曝气影响区地下水石油平均去除率为6 0 【3 1 1 。b e n n e r 等在美国芝加哥附近运用a s 技术对砂质土壤和地下水进行去除t e x 的研究，在现 场t e x 浓度下降了8 8 ，其中9 7 以上的t e x 去除是由于有氧生物降解的作用。 赵荫薇等在山东淄博地区用微生物治理技术处理地下水源石油污染，将混合菌群 m z 9 4 0 2 投入1 1 d 后在地下水流段面形成较稳定的微生物带，降油率保持在3 5 左 右【3 2 1 。 国家环保局用综合处理法在山东淄博地区进行地下水修复项目，水力控制法、 原位化学氧化法和原位生物法都得到了应用，取得了较好的效果【3 3 1 。 1 4 地下水系统数值模拟 近年来由于计算机技术的迅猛发展，国外学者开发的许多软件可应用到地下水 数值模拟研究领域。关于地下水系统数值模拟软件有g m s 、v i s u a lm o d f l o w 、 h s t 3 d 、3 d h y d r o g e o c h e m 等。它们共同的特点是适用的范围广，可以将数值 模拟的前处理、模型计算和后处理全过程中的各个步骤很好地连接起来 3 4 1 。 1 4 1 地下水模拟系统( g m s ) 简介 g m s 是地下水模拟系统( g r o u n d w a t e rm o d e l i n gs y s t e m ) 的简称，它是由美国 b r i g h a i ny o u n gu n i v e r s i t y 环境模拟研究实验室( e n v i r o n m e n t a lm o d e l i n gr e s e a r c h l a b o r a t o r y ) 和美国陆军排水工程实验工作站在综合已有的m o d f l o w 、m t 3 d m s 、 5 青岛大学硕士学位论文 m o d p a t h 、f e m w a t e r 、s e e p 2 d 、s e a m 3 d 、r t 3 d 、u t c h e m 等地下水模型的 基础上开发的地下水环境模拟软件包【3 5 1 。其中，m o d f l o w 是美国地质调查局8 0 年代开发出的一套专门用于孔隙介质中地下水流动的三维有限差分数值模拟软件 【3 6 1 。它被广泛用来模拟井流、河流、排泄、蒸发和补给对非均质和复杂边界条件的 水流系统的影响。m t 3 d m s 是模拟地下水系统中对流、弥散和化学反应的三维溶质 运移模型。模拟计算时，m t 3 d m s 需和m o d f l o w 一起使用。g m s 具有良好的操 作界面，强大的前处理、后处理功能及优良的三维可视效果，目前已成为国际上比 较受欢迎的地下水模拟软件之一。 地下水模拟系统g m s 可以满足本次论文的研究内容的要求，本次研究将通过 g m s 对研究区的地下水系统进行数值模拟。 1 4 2 地下水系统数值模拟的基本步骤 地下水系统数值模拟一般遵循以下步犁了7 】： ( 1 ) 建立地下水系统的概念模型。天然地质体一般比较复杂，为了便于解决实 际问题，必须忽略研究区内一些与当前问题无关或者关系不大的因素，使问题简化。 这样得到的天然地质体或原问题的物理模型称为概念模型【3 】。建立概念模型是整个 建模过程中至关重要的一步，是建立数学模型的基础。g m s 软件建立概念模型时有 网格化方式和概念化方式。对于实际应用中比较复杂的问题，通常采用概念化方式 建立水文地质概念模型 ( 2 ) 建立地下水系统的数学模型。从概念模型出发，用一组数学关系式来刻画系 统的数量关系和空间形式，从而反映所研究地质体的地质、水文地质条件和地下水 运动或溶质运移的基本特征，达到复制或再现一个实际地下水系统基本状态的目的。 ( 3 ) 模型识别或模型校正。采用合适的解法对所建立的数学模型进行求解，把数 值模拟的结果和野外试验( 如抽水试验、弥散实验等) 得到的实际观测结果或长期 动态观测资料进行比较，看两者是否一致。若不一致，通过调整模型参数对模型进 行修正，直到满意为止。 ( 4 ) 模型的检验和验证。为了使建立的模型能代表实际含水层的状态和行为，必 须对所建立的模型进行检验。在参数不变的前提下，把另一段时间内模型预测的结 果与相应时间段的实际观测结果进行比较来进一步检验模型。 ( 5 ) 模型预测。经过校正后的模型，能够反映研究区地下水流的实际特征。可以 根据实际需要，用来预测不同条件下地下水系统的状态和行为。 1 4 3 模型求解的主要数值方法 求解地下水模型的方法有解析法、数值法和物理模拟法。数值法是目前求解模 6 第一章引言 型所用的主要方法。数值法包括有限差分法( f d m ) 、有限单元法( f e m ) 、有限分 析法( f a m ) 和边界单元法等，其中应用最广泛的是有限差分法和有限单元法。而 g m s 就是运用有限差分法来进行数值求解。 有限差分法是一种应用的较为成熟的数值计算方法，其基本原理是以差商代替 微商，即将解析法中连续的函数进行离散化，经过有限的差分以后变成为断续的函 数。在每一个差分研究区内，把函数取极限求导的计算变换成有限值的比率计算。 经变换后，原地下水非稳定流偏微分方程变成差分方程，成为可以直接求解的代数 方程组。所以这种方法的实质就是把描述地下水运动的偏微分方程，近似地用和它 相对应的差分方程来代替，然后对差分方程求解【3 引。在物理概念上，是以每一个差 分网格区作为一个独立的均衡区域，根据水量均衡原理建立结点方程式。有限差分 法虽然对客观现象作了一定程度的假设，但只要网格大小和时段的长短离散合理， 仍能很好地逼近实际情况。 7 第二章研究区含水层抽水试验及水文地质参数的求解 第二章研究区含水层抽水试验及水文地质参数的求解 为了建立河北保定某石油渗漏场地( 研究区) 的水文地质模型，首先确定研究 区概况，进而求取该地区的水文地质参数。在研究区的含水层布置井孔进行抽水试 验，确定该含水层的水文地质参数。研究区内共布井孔2 4 个进行日常水位监测，其 中9 个用作抽水试验井孔。通过抽水前期、抽水中期、抽水后期水位监测数据，借 助t h e i s 配线法、c o o p e r - j a c o b 直线图解法，以及恢复水位法确定含水层水文地质参 数：导水系数t 、渗透系数k 、贮水系数s 。 2 1 研究区概况 2 1 1 研究区地理位置 保定市位于河北省中西部，地理坐标为北纬3 8 0 1 0 - - 3 8 0 4 0 ，东经1 1 3 0 4 0 一 1 1 6 0 2 0 ，东西最大横距约2 4 0 公里，南北最大纵距约2 0 0 公里，北面与北京、张家 口相邻、东北与廊坊相接、西与山西省接壤、南临石家庄、东南面与衡水、沧州相 接。保定市区距北京1 4 0 千米，距天津1 7 0 千米，据石家庄1 2 5 千米，地处京、津、 石三角区的中心。 2 1 2 气候条件 保定市处于欧亚大陆的东岸，属暖温带半干早大陆性季风气候区，四季分明， 春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季秋高气爽，冬季寒冷少雪。年平均降水量5 7 5 4 毫米，降水主要集中在夏季的6 、7 、8 三个月内。年均径流量2 4 5 亿立方米，境内 河流主要属海河流域大清河水系，永定河流经东北部边界【3 9 1 。 2 1 3 地貌特征 保定市地势由西北向东南倾斜。地貌分为山区、平原和洼淀三大类。以黄海高 程1 0 0 米等高线划分，山区面积占总面积的5 0 ，平原占总面积的3 9 ，洼淀区占 总面积的1 1 。保定市在地质发展过程中形成了多种地层。西部山区分布着太古代 的片麻岩，北部分布着元古代震旦砂质灰岩，河谷两侧及山间盆地分布着新生代第 三系地层的砾岩，东部冲积平原为古生代以来的沉降区，覆盖着巨厚的新生代沉积 物。保定市西部山区蕴涵丰富的矿产资源，白洋淀周围及东部平原的石油、天然气 和地热储量丰富【删。 2 1 4 工作区概况 石油类污染工作区位于保定市西北郊约8 公里的一个石油炼制厂及其周边区 r 青岛大学硕士学位论文 域。污染场地位于石油炼制厂内。该厂1 9 7 2 年建成，2 0 0 0 年转产。原来主要炼制 ( 9 0 、7 0 号) 汽油、( 0 、5 、1 0 号) 柴油、( 2 0 0 号) 溶剂油、( 1 0 号) 建筑沥青、 液化石油气、工业燃料等。 据钻孔揭露，该工作区1 0 0 米深度内岩层由松散第四系砂、粘性土交互沉积构 成，形成了多层叠置的含水层系统。据场地钻孔资料揭露，0 - 1 0 米为杂性土层( 填 土、根植土、淤泥质土等) ；1 1 1 5 米为细砂一含粒粗砂层：1 2 5 0 米为粉质粘土夹粉 土层，上部含较多姜石；5 0 - 1 0 0 米砂层与粘性土层呈交互式沉积。浅部地下水( 含 水层埋深小于5 0 米) 流场的空间特征是：在平面上，地下水由西南流向东北；在垂 向上，上部含水段水位高于下部含水段的水位。 2 2 含水层抽水试验 2 2 1 抽水试验类型及场地布置 抽水试验场地位于石油类污染区的西北部( 见图2 1 ) 。根据场地试验井、多级 监测井、简易观测井的分布，选定为多孔抽水试验。即在一个主孔内抽水，在其周 围设置若干个观测井观测地下水位【4 1 1 。通过多孔抽水试验可以求得较为准确的水文 地质参数。本次抽水试验采用非稳定流抽水试验方法，按定流量、变降深进行。因 为试验地周边没有定水头或定流量的补给条件，不能形成稳定流抽水的条件。选定 s h 1 0 作为抽水井，据其成井结构( 见图2 2 ) ，以地面算起，井深1 8 0 - 4 9 6 m 为滤 水管，滤水管完全穿过了含水层。所以抽水试验采用完整井抽水【4 2 】。 根据场地s h 1 0 孔周围地下水埋深及水文地质结构，含水层为承压含水层。原 因有两个方面：( 1 ) 据多次水位观测，地下水水位埋深在1 5 5 1 7 5 米之间，而含水 层埋藏于2 0 3 0 m 米深度内，即地下水位高于含水层的顶板标高。( 2 ) 据水文地质结 构，在深度1 5 5 2 0 m ，岩性为含钙质结核的粉土层一粉质粘土层，可概化为相对隔 水层；在深度2 0 3 0 m 内有3 个含水段( 2 0 0 2 1 4 m 为粉细砂层，厚1 4 m ：2 3 2 2 3 8 m 为细砂层，厚0 6 m ；2 6 1 2 8 6 m 为粉细砂层夹钙质结核层，厚2 5 m ) ，含水段的累 计厚度为4 5 m ，可概化为含水层；在深度3 0 5 0 m ，岩性为粉质粘土层，可概化为相 对隔水层。 对均质无限边界含水层来说，一般平行、垂直或与地下水流向呈4 5 度角布置一 排观测井，以垂直地下水流向布置为最好 4 3 1 。所以本次试验以s h 1 0 为抽水井，平 行地下水水流方向有s h 6 井l 号管、s h 7 井l 号管、y q l 2 三个孔；垂直地下水 水流方向有y q l 6 、s h 6 井1 号管、s h 3 井3 号管三个孔，以及s h 7 井l 号管、 s h 8 井l 号管两个孔；与地下水流向呈4 5 度角有y q l 8 和y q l 9 两个孔。抽水井、 观测井布置见图2 3 所示。各观测井与抽水井s h 1 0 的距离见表2 1 。 9 董o o 、 、 、 i 、 i i i 、 善o - i l ) 卜z l i 川 川 f ii i、 ，| l ，| ； l、j 渣豫章越冈吩*洫薄*_i式嚣滔*h藩泳吩蝉墨辫赣 、 、 i 、 n i l i li_il p o 青岛大学硕士学位论文 石油化工厂s 1 0 抽水孔成井图 孔深 岩性 层底 岩性 成井 眯) 名称 深度 剖面 成井结侮示意图 成井说明 ( 米) 材料 锚孔 孔岔 孙桑5 4 纽 目肚0 g翻闱鹃强g 觋 黼 阍 柏生嘲抽利懒牡6 2 葡舭& 7黝 橛l 唧 直径：铀i 耪土m 6 壁匣：已h 单限长瞄& 耢眇1 3 0糍 阌 黧 水民 总燧i5 l 6 鱼 l 耪土l 1 35 j瓣 突枣 细中眇l5 5 位巨o - l b i l 粼细眇瞎螺 实蜀鹤电器蓝封圈 滤水管 位苴1 8 4 t 矗 沉涫誊氟西5 l 伍 过期五 材质：不瞎钢 醣隈魁强豫 目效：1 i t 牡 咀 细眇a 4瞄缩嚣韪规 鞔胜 红1 t 少z z 黼 日8 = i 啦丙q f 6 e 出 耪土 照i 包裹两层 澍件 规恪： ? 3 - 1 1 材质：河i 陌 位置：1 8 - 5 1 矗 耪眵 2 矗b糕 甚琶岂渊 鞫科 赫槲， 3 0 耪 瓢0 彩锄 挽魁 置0 彩彩普圃捆魅剜领翻衢 r , 1 1 , 1 i 圈 圭搠位置il l - l 丘l l 细醐舞械瞢l f f l b l l 耢土3 q 0 洗懈 i l l 粉尉牡 m 5i j x y , ；, 单骊黼 出柏量1 0 【屯刷埘 l 畦电0 霾霾 钙凰翰结 出水鲁芍舀h 屯3jz z z 。z z z z ? 茨井时虱】刮耐 氲0z z z ：鞔舒i ；吐 洗井j 操水漓砂睁 姐6 勒 田 , i x j x粉耻 印t 飘2 骚麟 孔掀 绘图审核批准2 嘞月1 6 日 1 1 第二章研究区含水层抽水试验及水文地质参数的求解 i _ l _ - i l l i - i t q l 8 y q l 9 s h - 1 ( y q l 6 l 一一一一一一一一一 禽一百 擎禽s h - s 耳一3 隅 一一一r 一一一一飞广一- y q l 2 y 讯3 o t q l 图2 3 场地抽水井、观测井分布图 表2 1 各观测井与抽水井s h - i o 的距离 o t q l l o y q i o 2 2 2 抽水试验观测要求 ( 1 ) 非稳定流抽水，在用s 1 西关系计算水文地质参数时，一般要有两个以上 的对数周期的数据，即最好延续1 0 0 0 分种以上( 1 2 2 4 小时) 【州。 ( 2 ) 对非稳定流抽水，为了使实测抽水资料绘制的曲线能按时间的每个对数周 期展开，要求每个对数时间周期内最少有1 0 个点较均匀通过。 ( 3 ) 对非稳定流抽水，要求在开泵的1 0 2 0 分钟内，尽量准确记录较多的数 据【4 5 】。 ( 4 ) 抽水井与观测井水位必须同步观测。 ( 5 ) 涌水量观测应与水位观测同步进行，钻孔涌水量应保持常量，其变化幅度 不大于5 。 ( 6 ) 进行非稳定流抽水试验时，需要在现场整理和绘制s - t 、s 1 昏曲线，其目 的是了解试验的进程，检查有无反常现象。 ( 7 ) 抽水结束后，应观测恢复水位，观测频率应与抽水时一致，水位应恢复到 接近抽水前的静止水位。 1 2 青岛大学硕士学位论文 2 2 3 抽水试验前准备工作 ( 1 ) 抽水井与观测井功能确认：进行试抽工作，检核抽水井水质是否清澈稳定， 必要时需再次进行洗井工作。 ( 2 ) 井距与井口高程测量：进行抽水试验前，先测定抽水井与各观测井高程， 以及各并间距离。 ( 3 ) 观测静水位：抽水试验前先观测各井静水位。 ( 4 ) 水位量测设备：水位自计仪、简易水位仪( 由电表、电线、测线组装) 。 ( 5 ) 水量量测设备：流量桶，秒表。 2 2 4 抽水试验 正式抽水试验从2 0 0 8 年1 1 月2 日1 0 ：4 0 开始至1 1 月3 日1 3 ：3 0 结束，历时 2 6 小时5 0 分。接交流电为潜水泵供电，潜水泵规格是1 5 立方粕时。抽水井中的井 水由水泵抽出后经过出水管道排入排水沟中。 抽水试验开始后，按以下时间进行观测：( 累计时间以分计) 1 、2 、3 、4 、5 、6 、 7 、8 、9 、1 0 、1 5 、2 0 、3 0 、4 0 、5 0 、6 0 、7 0 、8 0 、9 0 、1 0 0 、1 3 0 、1 6 0 、1 9 0 、2 2 0 、 2 5 0 、3 0 0 ( 五个小时) 、以后每1 2 个小时观测一次，直到1 0 0 0 分钟以上。 抽水井s h 1 0 及观测井y q l 6 、y q l 8 、y q l 9 水位用水位自计仪观测，其它五 个观测井水位用简易水位仪观测。水量每l 一2 小时观测一次，观测流量约为1 4 5 7 7 立方米时，其变化幅度不大于5 ，符合定流量抽水试验的要求。 现场整理和绘制降深一时间( s t ) 、s - l 酉曲线图，部分图见图2 4 一图2 7 。由图 可以看出水位降深稳定，抽水试验进行正常。 抽水结束后，观测恢复水位，观测频率与抽水时一致：( 累计时间以分计) l 、2 、 3 、4 、5 、6 、7 、8 、9 、1 0 、1 5 、2 0 、3 0 、4 0 、5 0 、6 0 、7 0 、8 0 、9 0 、1 0 0 、以后每 1 个小时观测一次，直到水位恢复到接近抽水前的静止水位。 2 3 试验结果分析探讨 对于无越流含水层中完整井的非稳定流抽水试验，可利用t h e i s 配线法、 c o o p e r - j a c o b 直线图解法，以及恢复水位法来求导水系数t 、渗透系数k 及贮水系 数s 。 2 3 1t h eis 配线法 t h e i s 配线法即w ( u ) 1 u 配线法，其基本原理是t h e i s 公式，此法是一种通过 实测曲线( s 、t 的双对数曲线) 与理论曲线w ( u ) 1 u 的对比来确定参数的方法，又 称为标准曲线对比法。 1 3 第二章研究区含水层抽水试验及水文地质参数的求解 图2 4 抽水井s h - i o 井内的8 _ t 曲线图 图2 5 观测井s h _ 3 井内的s _ t 曲线图 图2 6 抽水井s h - i o 井内的s - l g t 曲线图