高速公路服務(wù)區(qū)加油站對(duì)地下水的影響研究
——以呼北國(guó)家高速公路山西離石至隰縣段為例

朱二剛

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

近年來(lái)，山西省高速公路建設(shè)規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，根據(jù)《山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃調(diào)整方案（2009—2020年）》，至 2020年，全省高速公路總里程將達(dá)到7 258 km[1]。高速公路服務(wù)區(qū)均配套建設(shè)有加油站等服務(wù)設(shè)施，隨著高速公路規(guī)模的不斷增長(zhǎng)，服務(wù)區(qū)加油站的數(shù)量也在逐漸增加。加油站的埋地儲(chǔ)油罐、輸油管線由于施工缺陷、自身腐蝕、維護(hù)不及時(shí)或地質(zhì)災(zāi)害等各種原因易發(fā)生滲漏或泄漏，將對(duì)地下水環(huán)境造成不利影響[2]。加油站儲(chǔ)油罐或輸油管線一旦發(fā)生泄漏，首先必然會(huì)污染罐區(qū)或管線下面的土壤層，將使土壤層中吸附大量的燃料油，土壤層吸附的燃料油不僅會(huì)造成植物、微生物的死亡，而且土壤層吸附的燃料油還會(huì)進(jìn)一步隨著地表水的下滲進(jìn)入地下水含水層，地下水含水層一旦被污染，其恢復(fù)需幾十年甚至上百年的時(shí)間，因此，世界各國(guó)都非常重視加油站的環(huán)境污染防治工作。呼北國(guó)家高速公路山西離石至隰縣段是呼和浩特至北海國(guó)家高速公路（G59，簡(jiǎn)稱“呼北國(guó)家高速公路”）的重要組成部分，同時(shí)也是山西省“三縱十二橫十二環(huán)”高速公路網(wǎng)規(guī)劃中西縱高速公路主骨架的重要組成部分。本文以呼北國(guó)家高速公路山西離石至隰縣段為例，研究曹家峪服務(wù)區(qū)加油站對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境的影響，為高速公路服務(wù)區(qū)加油站的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)地下水的影響及防治提供一定的參考。

1 服務(wù)區(qū)加油站地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)

正常工況情況下，由于施工時(shí)已對(duì)存儲(chǔ)地下儲(chǔ)罐位置周圍、底部以及地表面進(jìn)行防滲防腐處理，且通常外圍有防滲池等設(shè)施，如嚴(yán)格按照規(guī)章制度進(jìn)行操作的話，加油站汽油或柴油儲(chǔ)罐在一般情況下不會(huì)發(fā)生滲漏或泄露。

本次研究重點(diǎn)分析非正常工況對(duì)地下水的影響。非正常工況為儲(chǔ)油罐和輸油管線由于自身腐蝕或施工缺陷等原因發(fā)生“跑、冒、滴、漏”；非正常工況的極端情況往往為事故安全類，即儲(chǔ)油罐和輸油管線發(fā)生泄漏、滲漏，石油類將會(huì)對(duì)罐區(qū)及輸油管線沿線區(qū)域土壤產(chǎn)生污染，進(jìn)而沿著土壤縫隙下滲至含水層對(duì)區(qū)域地下水產(chǎn)生污染。

1.1 地下水污染途徑及方式

工程所在區(qū)域地表水通過(guò)包氣帶滲漏補(bǔ)給地下水，滲漏或泄漏的石油類等污染物由地表入滲水的載帶作用經(jīng)包氣帶下滲到地下含水層。

1.2 預(yù)測(cè)情景設(shè)定

1.2.1 預(yù)測(cè)范圍

根據(jù)預(yù)測(cè)原則，結(jié)合項(xiàng)目工程分布特征、主要污染源、主要敏感點(diǎn)分布情況以及地下水補(bǔ)給、徑流、排泄情況確定本次預(yù)測(cè)范圍。本次地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)按最不利考慮，對(duì)儲(chǔ)油罐或輸油管線瞬時(shí)泄漏的情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。曹家峪服務(wù)區(qū)地下水流向?yàn)樽詵|北向西南流動(dòng)，預(yù)測(cè)范圍為服務(wù)區(qū)加油站下游地下水環(huán)境敏感保護(hù)目標(biāo)。

1.2.2 預(yù)測(cè)時(shí)段

本次地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)時(shí)段主要為生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)期。

1.2.3 預(yù)測(cè)因子及標(biāo)準(zhǔn)

本次模擬預(yù)測(cè)，根據(jù)工程分析和環(huán)境影響識(shí)別，在選定優(yōu)先控制污染物的基礎(chǔ)上，分別對(duì)地下水污染物在不同時(shí)段的運(yùn)移距離、超標(biāo)范圍進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，污染情景的源強(qiáng)數(shù)據(jù)通過(guò)工程分析類比調(diào)查予以確定。

加油站的主要污染物為石油類。

根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)地下水水質(zhì)現(xiàn)狀以及項(xiàng)目污染源的分布和類型，本次模擬計(jì)算選取石油類作為區(qū)內(nèi)的代表性污染物進(jìn)行預(yù)測(cè)。由于《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—93）無(wú)石油類標(biāo)準(zhǔn)，故本次研究參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，石油類質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為0.05 mg/L。

由于評(píng)價(jià)區(qū)域水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，本次研究采用解析法對(duì)地下水環(huán)境影響進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1.3 預(yù)測(cè)模型概化

1.3.1 水文地質(zhì)條件概化

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，曹家峪服務(wù)區(qū)地貌類型為基巖中低山區(qū)，為典型的巖溶地貌，地下水類型為石灰?guī)r巖溶裂隙水，是呂梁地區(qū)幾個(gè)大的巖溶泉的主要補(bǔ)給地段。評(píng)價(jià)區(qū)地層結(jié)構(gòu)中上部包氣帶透水性良好，下部為典型的石灰?guī)r巖溶裂隙水。根據(jù)場(chǎng)地含水層分布特征以及地下水徑流、排泄情況，水動(dòng)力彌散特征表現(xiàn)為石灰?guī)r巖溶水運(yùn)動(dòng)以巖溶裂隙流為主，且彌散系數(shù)以機(jī)械彌散系數(shù)為主；徑流方向受地勢(shì)影響，滲漏形式為較簡(jiǎn)單的網(wǎng)狀構(gòu)造裂隙、孔隙性通道，故以縱向彌散為主，次為橫向彌散，總的表現(xiàn)為地下水主方向的網(wǎng)狀彌散特征。

綜上所述，將模擬區(qū)概化為一維穩(wěn)定流二維水動(dòng)力彌散問(wèn)題。

1.3.2 污染源概化

根據(jù)加油站污染源排放情況及工程布局，本次地下水環(huán)境預(yù)測(cè)污染源排放形式概化為點(diǎn)源。在非正常工況下發(fā)生“跑、冒、滴、漏”等瞬時(shí)排放，在非正常工況極端狀態(tài)下污染物將大量瞬時(shí)進(jìn)入地下水，因此排放規(guī)律可概化為瞬時(shí)注入示蹤劑的定濃度邊界模型。

1.3.3 數(shù)學(xué)模型

本次模擬計(jì)算，考慮到場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水埋深、場(chǎng)區(qū)周邊地形地貌等因素，當(dāng)項(xiàng)目非正常工況下，污染物極可能沿著大孔隙以捷徑式入滲的方式快速進(jìn)入含水層，并隨著地下水流動(dòng)進(jìn)行遷移，為此本次模擬計(jì)算過(guò)程忽略污染物在包氣帶的運(yùn)移過(guò)程。

根據(jù)污染特點(diǎn)，本次預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型選取瞬時(shí)注入示蹤劑——平面瞬時(shí)點(diǎn)源數(shù)學(xué)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，當(dāng)取平行地下水流動(dòng)方向?yàn)閤軸正方向時(shí)，則求取污染物濃度分布模型如式（1）：

式中：x、y為計(jì)算點(diǎn)處的位置坐標(biāo)；t為時(shí)間，d；C（x，y，t） 為 t時(shí)刻點(diǎn) x，y 處的示蹤劑濃度，mg/L；M 為承壓含水層的厚度，m；mM為長(zhǎng)度為M的線源瞬時(shí)注入的示蹤劑質(zhì)量，kg；u為水流速度，m/d；n為有效孔隙度，無(wú)量綱；DL為縱向彌散系數(shù)，m2/d；DT為橫向y方向的彌散系數(shù)，m2/d；π為圓周率。

1.3.4 模型參數(shù)的獲取

采用瞬時(shí)注入示蹤劑——平面瞬時(shí)點(diǎn)源數(shù)學(xué)模型。模型需要參數(shù)有：外泄污染物質(zhì)量m；含水層厚度M；水流的實(shí)際平均流速u；含水層有效孔隙度n；污染物在含水層中的彌散系數(shù)DL、DT；這些參數(shù)主要通過(guò)類比勘查成果資料確定。

含水層厚度M：根據(jù)調(diào)查水文資料，曹家峪服務(wù)區(qū)地下含水層平均總厚度在10 m以上。

含水層的平均有效孔隙度n：曹家峪服務(wù)區(qū)場(chǎng)地含水層按砂質(zhì)泥巖考慮，根據(jù)類比經(jīng)驗(yàn)值取n=0.15。

水流的實(shí)際平均流速u：根據(jù)含水層巖性等相關(guān)資料，確定含水層滲透系數(shù)為4.5 m/d。

曹家峪地下水徑流方向?yàn)橛蓶|北向西南呈一維流動(dòng)，根據(jù)調(diào)查，水力坡度I平均為0.001 6，因此地下水的平均滲透速度v=KI=4.5 m/d×0.001 6=0.007 2 m/d，污染物在含水層中的運(yùn)移速度即平均實(shí)際流速u=v/n=0.048 m/d。

縱向x方向的彌散系數(shù)DL：參考相關(guān)資料，模型計(jì)算中縱向彌散度αL選用10 m。由此計(jì)算曹家峪服務(wù)區(qū)附近含水層中的縱向彌散系數(shù)DL=αL×u=10 m×0.048 m/d=0.48 m2/d。

橫向y方向的彌散系數(shù)DT：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般αT/αL=0.1，因此橫向彌散度 αT=0.1×αL=1 m，由此計(jì)算曹家峪服務(wù)區(qū)橫向y方向彌散系數(shù)DT，則DT=αT×u=0.048 m2/d。

1.4 源強(qiáng)計(jì)算

油罐泄漏量采用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)（RiskSystem）V1.2.0.4計(jì)算，服務(wù)區(qū)擬設(shè)兩個(gè)油罐，等效為體積90 m3的汽油油罐，罐底裂口面積按底面積的1%計(jì)算，底面積約11 m2，則裂口面積為0.11 m2。參數(shù)選取見(jiàn)表1。

表1 油罐泄漏量計(jì)算參數(shù)表

綜上，可以計(jì)算出汽油泄漏源強(qiáng)為309.57 kg/s。

2 預(yù)測(cè)結(jié)果及分析

本次預(yù)測(cè)分別對(duì)不同污染點(diǎn)源、不同工況下，各主要污染因子在地下水中不同時(shí)間段的濃度進(jìn)行預(yù)算，預(yù)測(cè)時(shí)不考慮各種防滲措施的作用，假設(shè)各污染因子在發(fā)生滲漏后直接對(duì)場(chǎng)地地下水環(huán)境產(chǎn)生影響。將確定的參數(shù)帶入污染物濃度分布模型中，便可求出含水層不同位置、不同時(shí)刻的石油類濃度分布情況及影響趨勢(shì)。

污染物在水動(dòng)力條件作用下，主要自東南向西北流動(dòng)。預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 加油站罐區(qū)泄漏100 d時(shí)石油類濃度隨距離分布圖（單位：mg/L）

由圖1可以得出罐區(qū)泄漏發(fā)生以后第100天時(shí)，下游達(dá)標(biāo)距離為48.57 m。

圖2 加油站罐區(qū)泄漏365 d時(shí)石油類濃度隨距離分布圖（單位：mg/L）

由圖2可以得出罐區(qū)泄漏發(fā)生以后第365天時(shí)，下游達(dá)標(biāo)距離為95.54 m。

距離曹家峪服務(wù)區(qū)最近的下游水井為石寶莊村水井，直線距離約2.1 km，距離較遠(yuǎn)，根據(jù)上述預(yù)測(cè)結(jié)果，加油站罐區(qū)發(fā)生泄漏365 d時(shí)，下游距離95.54 m處石油類濃度能達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)要求，而且曹家峪服務(wù)區(qū)地貌類型為基巖低中山區(qū)，場(chǎng)地含水層為泥質(zhì)灰?guī)r，泥巖隔水性能較好，因此，不會(huì)對(duì)其水井水質(zhì)造成影響。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

a）通過(guò)以呼北國(guó)家高速公路山西離石至隰縣段為例，采用解析法預(yù)測(cè)了服務(wù)區(qū)罐區(qū)石油類泄漏對(duì)地下水的影響范圍。結(jié)果表明，罐區(qū)泄漏發(fā)生100 d時(shí)，石油類下游距離達(dá)標(biāo)距離為48.57 m；泄漏發(fā)生365 d時(shí)，石油類下游達(dá)標(biāo)距離95.54 m。

b）由于不同高速公路服務(wù)區(qū)加油站所在區(qū)域的環(huán)境敏感性及水文地質(zhì)條件差異較大，對(duì)地下水產(chǎn)生的影響程度也不盡相同。地下水含水層一旦被污染，其恢復(fù)需要很長(zhǎng)時(shí)間且很難治理。因此，罐區(qū)底部必須采取可靠的防滲防漏措施，并采取嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)措施，防止重大事故或者事故處理不及時(shí)油品泄漏對(duì)地下水環(huán)境造成影響。

3.2 建議

高速公路服務(wù)區(qū)加油站須對(duì)儲(chǔ)油罐內(nèi)外表面、油罐區(qū)地面、輸油管線外表面均做防滲防腐處理。罐體應(yīng)根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求采用雙層罐，油罐區(qū)設(shè)置防滲池，防滲池采用防滲鋼混凝土整體澆注，防滲池的內(nèi)表面應(yīng)襯玻璃鋼或其他材料防滲層，防滲池內(nèi)的空間，應(yīng)采用中性沙回填，防滲池的上部，應(yīng)采取防止雨水、地表水和外部泄漏油品滲入池內(nèi)的措施，埋地加油管道應(yīng)采用雙層管道。此外，油罐、防滲池和管道系統(tǒng)的滲漏檢測(cè)應(yīng)采用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3]。