油气田区承压含水层地下水污染机理及其脆弱性评价武强 王志强赵增敏 刘东海中国矿业大学 资源与安全工程学院 北京河北工业大学 能源与环境工程学院 天津摘要 根据研究区地质构造及水文地质概况 分析了研究区承压含水层地下水有机污染的机理 建立了针对该地区承压含水层地下水污染脆弱性评价指标体系 并应用神经网络技术作为评价体系中参数的赋权方法 由与耦合技术得到的研究区承压含水层地下水污染脆弱性区划图比较好地符合研究区的实际情况关键词 承压含水层 地下水污染 脆弱性 评价体系 参数权重 神经网络中图分类号文献标识码在我国北方一些油田地区 地下石油天然气储藏丰富 地质构造又及其复杂 有些地质单元油气储层埋深较浅 盖层胶结程度相对较低 采油井和注水井星罗棋布 诸多因素造成了作为生活饮用水的深层地下水受到油气污染 甚至相当严重 如年研究区沙井子乡联盟村饮用水井受到油气污染即是一例 该饮水井井深取水层位日采水量当时检测水井油气含量?年 又在该井附近数百米处施工一眼水井 油气含量仍然很高 遇明火即可燃烧 该井水油气发生着火伤人事件后 引起了当地政府高度关注研究区地质概况图研究区地质构造示意研究区石油天然气地质概况 研究区 地理坐标东经北纬位于黄骅坳陷中西部 以沧东断裂为界 西临沧县隆起 东至渤海构造单元主要包括板桥凹陷 歧口凹陷和北大港凸起区内主要断裂包括沧东断裂 北大港断裂和大张坨断裂 研究区断裂发育 断块破碎 该区蕴藏有丰富的石油天然气资源 包括北大港油气田 千米桥油气田和板桥油气田 采油井约口 注水井口 北大港油气田位于板桥凹陷北大港潜山构造上 为上第三系油气藏 含油层为上第三系明化镇组和馆陶组 含油气面积含油气层可达多层 含油气段累计厚度多米 千米桥油气田位于板桥凹陷千米桥潜山构造上 为一夹持于大张坨断层和港 井断层之间的大型潜山构造 油气储层位于埋深多米的奥陶系地层中 含油气面积约板桥油气田位于板桥凹陷板桥断裂构造带的主体部位 为一个不完整的双向挤压背斜构造 油气藏由断层控制 油气储层主要为下第三系沙河街组地层 含油气面积
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研究区水文地质概况 研究区含水系统根据赋存条件 水动力特征 可划分为 个含水系统 浅层含水系统 底界埋深在以上 为潜水 微承压水 中层含水系统 底界埋深在以上 为潜水 咸水承压含水系统 该含水系统地下水目前尚未开采 呈封闭状态 深层含水系统 为赋存于第四系中更新统至上第三系明化镇组松散沉积物中的孔隙水 根据埋藏条件 深层含水系统可进一步划分为第含水组 其中第 含水岩组底板埋深在含水介质为粉细砂 细砂 含水层分布不连续 多呈透镜体状分布 砂层累计厚度大于第 含水岩组底板埋深在含水介质为粉细砂 细砂 粉砂 含水层分布稳定且连续 砂层累计厚度大于第 含水岩组底板埋深在以上 含水介质为中砂 细砂 粉细砂 粉砂 砂层累计厚度大于承压含水层地下水污染机理分析承压含水层地下水污染机理研究对地下水污染脆弱性评价因子的选择具有决定作用 对地下水污染脆弱性评价研究具有重要意义 据研究区地质资料显示 该地区部分区域石油天然气赋存层位埋深较浅 盖层胶结程度相对较低 以北大港油气田为例 该油气田包括唐家河 港东 港西 港中 个油气田 港西地区明化镇组馆陶组是一个 油层厚 埋藏浅 产量高 油质好 的浅层油气藏 在已发现的油藏中 最浅埋深为最深为北大港构造带是黄骅坳陷中区最大的正向二级构造带 北大港主断裂不仅控制着砂体沉积 发育 而且控制着油气分布 该地区断块破碎 断裂发育 由于断裂持续活动 可产生裂缝形成油气运移通道 深层油气可沿主断裂及其产生的次断裂向上运移至明化镇组含水层而对地下水造成污染 如果断层的连通性较好和有较大的落差 油气沿断层走向向岩层上倾方向可以作长距离运移到很远的圈闭中 断层带的位移较小或连通性不好的地段可能使油气停下来或改变油气运移路径 据有关研究 黄骅裂陷歧口凹陷的深层油气就是开始沿北大港断层带呈单向运移 而后往上呈分枝状运移到馆陶组和明化镇组 研究区主要断裂构造剖面如图 所示 运移至明化镇组承压含水层中的油气可在含水层内作水平运移 该运移又受含水介质特性 含水层分布连续性及地下水流场等因素影响 而研究区深层地下水系统基本不接受地表径流补给 地下水流场主要受地下水开采量的控制 地下水的超量开采会加速污染物在地下水中的运移扩散 由此也影响到地下水的污染范围 研究发现 地下水开采量比较大的地区 地下水有机污染物含量相对较高 因此地下水开采量也是油气在含水层迁移扩散的一个主要原因图研究区断裂构造剖面研究区承压含水层地下水的污染同时还受到石油开采等生产活动的影响 在石油开采和注水驱油过程中 由于采油井或注水井结构或成井工艺等问题使得含油气层的少量油气进入松散地层或承压含水层 采油井老化 注水井的注水压力较高都会使管道破裂而出现泄露问题 采油井因老化所至井壁出现裂缝或废弃油井而导致地下水污染的情况在油气田地区相当普遍 水质检测表明承压含水层地下水含有一定量的阴离子表面活性剂组分 而该组分为注水驱油所应用的化学添加剂 说明地下水受到注水所污染 并且发现在采油井和注水井分布密集的地区 地下水有机污染问题比较严重 其它地区相对较小综上所述 研究区承压含水层地下水污染原因比较复杂 主要因素为地质构造 断裂分布及充填介
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质 介质岩性与厚度等 地下油气赋存面积及储量 采油井及注水井分布 地下水开采量等承压含水层地下水污染脆弱性评价地下水污染脆弱性评价及其制图是目前及将来一段时期国际水文地质和环境科学领域的研究热点和前沿课题 是地下水污染防治的基础 虽然地下水污染脆弱性评分结果提供的仅是一个相对概念 地下水污染脆弱性评分也不能反映研究区地下水是否受到污染 但地下水污染脆弱性区划图对城市规划建设有直接的指导作用 可根据评价分区结果 对地下水污染脆弱性指数较高的地区采取有效的保护措施 对地下资源的合理开采提供直接性的指导建议 为城市规划管理部门的重大决策提供科学依据目前 国内外众多学者多以浅层地下水为主要评价研究对象 进行了大量的研究工作 但随着地下水的超量开采 广大城镇农村地区越来越依靠承压含水层的地下水作为生产 生活用水水源 因此 开展承压含水层地下水污染脆弱性研究具有更重要的意义本文针对地质构造比较复杂的油田地区承压含水层地下水油气污染问题 研究了该地区承压含水层地下水污染的机理 据此确定承压含水层地下水污染脆弱性评价因子 建立了承压含水层地下水污染脆弱性评价体系 并应用神经网络技术确定评价体系参数权重 对承压含水层地下水污染脆弱性进行评价并应用技术完成研究区地下水污染脆弱性区划制图地下水脆弱性概念及其评价体系 地下水脆弱性概念于年由首次提出 但当时并没有对其做进一步的解释 其后许多学者和研究机构对其概念从不同方面给予了不同的解释 目前应用较广的当属年美国国家科学技术委员会给予的定义 地下水脆弱性是污染物到达最上层含水层某特定位置的倾向性与可能性 同时 该委员会将地下水脆弱性分为 类 一类是本质脆弱性即只考虑含水层内部水文地质因素而对污染的易损性 另一类是特殊脆弱性即地下含水层对某一特定污染源或人类活动的脆弱性地下水脆弱性评价模型国外应用较多的当属年美国环保署提出的地下水脆弱性评价分级指标体系模型 该模型考虑以下 个因素 地下水埋深含水层净补给含水层岩性土壤类型地表类型包气带影响含水层水力传导系数即为该 个参数英文首字母缩写 每个因素根据对地下水污染可能影响的大小 被赋予一个权重因子且指标值越大 则该水文地质单元相对于其它单元更易被污染年王焰新在基础上 根据我国情况提出了模型该模型考虑以下 个因素 地下水埋深含水层净补给含水层岩性含水层厚度包气带影响污染物影响即为该 个参数英文首字母缩写 且但这些评价体系都是针对浅层地下水污染脆弱性的评价模型 并且模型参数的赋权方法都为常数给定法 比较机械 目前国内外关于承压含水层地下水污染脆弱性尚无相关研究 但又具有重要的现实意义 为此 本文在传统概念的基础上 根据评价研究对象 将地下水污染脆弱性概念定义为 地下水污染脆弱性是指污染物到达某特定含水层特定位置的倾向性与可能性 同样 地下水脆弱性可分为本质脆弱性和特殊脆弱性 个方面 本质脆弱性指含水层由于自然地质因素引起含水层污染的易损性 特殊脆弱性指由于人类生产活动而引起含水层污染的易损性承压含水层地下水污染脆弱性评价参数及指标值的确定 评价参数的恰当选取是地下水污染脆弱性本质的刻画 对地下水污染脆弱性评价结果精确性的影响很大 根据研究区地质概况及承压含水层地下水污染机理的分析 本文选取影响承压含水层地下水污染脆弱性的主要因素包括自然地质因素和人为因素 个方面 自然地质因素主要包括地下油气赋存量及赋存面积 油气储层至含水层的距离及介质岩性 断裂分布及其裂缝充填介质特性 含水层介质渗透性及其连续性等 项指标 作为本质脆弱性评价参数 人为因素主要包括采油井数量及分布 注水井数量及分布和地下水区域开采量等 项指标 作为特殊脆弱性评价参数 各参数意义及其评分标准如表 所示
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表地下水污染脆弱性评价参数分级及其指标值参数范围? 描述指标值参数范围?描述指标值油气赋存情况?断裂分布及裂缝充填介质特性油水层之间距离及介质岩性?三级断裂 砂泥比三级断裂 砂泥比二级断裂 砂泥比二级断裂 砂泥比一级断裂 砂泥比一级断裂 砂泥比泥岩页岩火成岩石灰岩砂岩含水层介质渗透系数 ? ?采油井数量及分布 ? 口?注水井数量及分布 ? 口?区域采水量??承压含水层地下水污染脆弱性评价体系的建立 地下水污染脆弱性评价指标体系建立是地下水污染脆弱性评价的关键 基于上述对研究区评价参数的分析 本文继承美国环保署于年提出的浅层地下水脆弱性评价体系建立的思想 提出针对本研究区承压含水层地下水污染脆弱性综合评价指标体系数学模型 如式所示式中为地下水污染脆弱性综合评分结果为地下水本质脆弱性评分结果为地下水特殊脆弱性评分结果分别为本质脆弱性参数和特殊脆弱性参数的权重 可通过神经网络方法确定分别为本质脆弱性参数和特殊脆弱性参数的评分值图网络结构模型网络结构及算法 地下水污染脆弱性评价体系中参数的权重反映了各评价因子对地下水污染脆弱性影响程度的大小 参数权重的确定对地下水污染脆弱性评价结果影响很大评价体系采用常数给定方法不能够准确描述各项参数对地下水污染脆弱性的影响程度 评价结果和实际情况之间往往存在较大误差 神经网络技术具有良好的自适应性 自组织性及较强的学习和容错抗干扰能力 可实现输入到输出之间的高度非线性映射的这些特征能够正确反映评价体系各参数对地下水污染脆弱性影响的高度非线性特征神经网络模型有多种类型 其中误差反向传播神经网络是神经网络模型中应用最广泛的一种 它由输入层 隐含层和输出层构成 当一对学习模式提供给网络后 它采用了边向后传播误差 边修正权重的方法进行学习 随着误差逆向传播修正的不断进行 网络输入响应的正确率也逐渐提高 在达到允许的误差阈值要求后自动收敛为此 本研究采用神经网络技术为地下水污染脆弱性评价体系中参数的赋权方法以克服目前地下水脆弱性评价体系参数加权的机械性问题根据对评价区污染脆弱性特征的综合研究 本文确定网络模型的输入层为 个神经元 隐含层 个神经元 输出层 个神经元 其网络结构如图 所示本文采用算法步骤为初始化网络 为各连接权重赋值
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向网络提供训练样本的输入向量与期望输出向量选用函数为神经元的激活函数 对于第 层的 神经元的输入值与输出值按下式计算?式中为前一层 即第层 神经元的个数为第层 神经元与第层 神经元之间的连接权值 对于网络输入层有对网络输出层有与分别为训练样本的输入向量与输出向量的第 个分量 记网络输出层 神经元的模拟值与实际值之间的误差采用网络的均方根误差?为判断网络迭代是否结束的判别函数 式中 为训练样本的容量为输出层神经元的个数表示第 个样本位于输出层 神经元处的模拟误差 若预先设定的允许误差阈值 结束学习过程 否则跳转到下一步运用带动量项的最速下降法修正连接权值对于输出神经元对于隐层神经元式中 为当前迭代次数为学习率为惯性项系数转到第步直至迭代结束根据以上算法思想编写计算程序以自动实现模拟过程评价体系参数权重的确定方法 建立神经网络学习算法的目的是确定评价指标的权重 而神经网络训练得到的结果只是各神经网络神经元之间的关系 要想得到输入因素相对于输出因素之间的真实关系 也就是输入因素对输出因素的决策权重 还需要对各神经元之间的权重加以分析处理 为此利用以下几项指标来描述输入因素和输出因素之间的关系显著相关系数?其中相关指数?其中绝对影响系数式中 为神经网络输入单元为神经网络输出单元为神经网络隐含单元为输入层神经元 和隐含层神经元 之间的权系数为输出层神经元 和隐含层神经元 之间的权系数根据式对各神经元之间的权重加以分析处理 便可得到输入因素对输出因素的决策权重即权重系数 上面 个相关系数中 绝对影响系数 即为脆弱性评价体系参数的权重评价过程中 取样本点数据对神经网络进行训练 根据训练集数据序列 利用人工神经网络的自适应与学习功能 以简单函数的多次迭代 实现对映射函数 的逐次逼近 最终得到满意的预测模型 将研究区承压含水层地下水样本点参数逐一取值形成输入输出模式对 同时将地下水样本点参数随机分
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成两部分 一部分供网络学习之用 另一部分用来校验模型预测精度 设定学习率惯性系数网络迭代停止阈值经不断迭代之后 样本模拟值与目标值的相关系数为网络收敛 精度达到要求 各神经元间的连接权值得以确定 并可据此计算各评价参数对于输出目标值的相对影响程度 即各评价参数的权重 如表 所示表评价体系参数权重值评价参数权重值研究区承压含水层地下水污染脆弱性评价及其制图 根据以上研究形成的研究区承压含水层地下水污染脆弱性评价方法 对每个因子在各个评价单元上进行评分 得到研究区各个因子的子专题评分图 应用技术的地理分析功能 对这 个因子所对应的子专题评分图进行图层间的加权叠加分析以生成分类泰森多边形的形式输出 并按照属性累计频数统计直方图的结果 确定脆弱性分区的阈值从而得到承压含水层地下水污染脆弱性评价分区成果图根据评价结果 将研究区的地下水污染脆弱性按各单元脆弱性指数的大小分为 个等级 高脆弱性区 脆弱性指数较高脆弱性区 脆弱性指数中等脆弱性区 脆弱性指数较低脆弱性区 脆弱性指数和低脆弱性区 脆弱性指数最后得到研究区承压含水层地下水污染脆弱性区划图 如图 所示图研究区承压含水层地下水污染脆弱性区划由图 可以知道研究区承压含水层地下水污染脆弱性分布情况 高污染脆弱性区主要分布在研究区中部地区 包括大苏庄 联盟 马棚口等地 较高污染脆弱性区主要分布研究区北大港水库及南大港附近区域 中等脆弱性区分布在其外围的沈青庄 翟庄建国等地 较低污染脆弱性区主要分布在研究区北部和西部地区 其余为低污染脆弱性区 将研究区承压含水层地下水污染脆弱性区划图与年 月根据承压含水层地下水有机污染物阴离子合成洗涤剂 石油类及甲烷气 含量及采用模糊综合评判分析法所得地下水有机污染综合评价结果 的对比分析可知 承压含水层地下水污染脆弱性区划图与地下水有机污染物含量及综合评价情况基本吻合 所得承压含水层地下水污染脆弱性区划图比较好地反映了研究区的实际情况 评价为相对高或较高污染脆弱性的地区正是地下水污染已经比较严重的地区 这也是对所提出的研究区承压含水层地下水污染脆弱性评价方法的客观性与准确性进行了初步检验结论根据研究区地质构造及水文地质概况 分析了研究区承压含水层地下水有机污染机理 确定了影响承压含水层地下水污染脆弱性的影响因素 建立了针对该地区承压含水层地下水污染脆弱性的评价模型
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采用神经网络技术确定承压含水层地下水污染脆弱性评价体系中参数的权重 克服了传统评价体系中参数权重常数给定法的机械性 提高了评价体系中参数权重的精度研究区承压含水层地下水污染脆弱性评价结果比较好地符合了当地的具体情况 对该地区承压含水层地下水污染脆弱性评价研究取得了初步性成果 基于技术得到的研究区承压含水层地下水污染脆弱性区划图对该地区的资源开发 地下水资源的合理利用与保护及该地区的规划发展具有一定的指导意义致谢 感谢天津市地质工程勘察院提供研究中涉及的相关资料参 考 文 献天津市大港地区地下水有机污染机理与评价研究报告天津 天津市地质工程勘察院姜桂花 地下水脆弱性研究进展世界地质戴国锋 武强 赵增敏 等 基于与技术的地下水有机污染敏感性分析中国矿业大学 北京 第二届 研究生教育论坛 论文集北京 中国矿业大学屈忠义 陈亚新 史海滨 等 地下水文预测中网络的模型结构及算法探讨水利学报姚磊华 李竞生 李钊 用改进的遗传算法反演地下水数值模型参数水利学报阎平凡 张长水 人工神经网络与模拟进化计算北京 清华大学出版社责任编辑 吕斌秀
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