基于土壤預(yù)測(cè)模型的石油類污染遷移的研究

李新峰 許薔薇

摘要：選取廣東省茂名市某原油儲(chǔ)備基地為研究對(duì)象，利用土壤常用HYDRUS-1D軟件來(lái)模擬預(yù)測(cè)原油儲(chǔ)罐發(fā)生小孔泄漏后石油類污染物在包氣帶中的運(yùn)移情況，計(jì)算得出石油類在特定水文地質(zhì)條件下通過(guò)包氣帶到達(dá)地下水面所需時(shí)間及不同深度濃度值的變化規(guī)律，為地下水影響預(yù)測(cè)提供可靠的初設(shè)條件。

關(guān)鍵詞：溶質(zhì)運(yùn)移;原油泄漏;土壤預(yù)測(cè)

Abstract：Taking a crude oil reserve base in Maoming City of Guangdong Province as the research object，the movement of petroleum pollutants in the aeration zone after the small hole leakage of crude oil storage tank is simulated and predicted by using the software hydraus-1d commonly used in the soil，and the time required for petroleum to reach the groundwater surface through the aeration zone under the specific hydrogeological conditions and the change rule of concentration values at different depths are calculated， which is the groundwater Impact prediction provides reliable initial design conditions.

Key words：Solute transport;Crude oil leakage;Soil prediction

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提升，作為國(guó)家重要戰(zhàn)略儲(chǔ)備項(xiàng)目之一的國(guó)家石油儲(chǔ)備基地工程也在加速建設(shè)，自2004年起，我國(guó)已陸續(xù)在浙江寧波、浙江舟山、山東青島黃島、廣西北海、廣東大亞灣等地建立數(shù)個(gè)石油儲(chǔ)備基地，預(yù)計(jì)到2020年，石油戰(zhàn)略儲(chǔ)備量將達(dá)到8500萬(wàn)t。石油儲(chǔ)備基地的建設(shè)，在保障國(guó)家能源供給的同時(shí)，也成為建設(shè)地潛在的環(huán)境污染源，以往的環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作，重在對(duì)地下水環(huán)境的影響預(yù)測(cè)，往往忽略泄漏污染物在土壤包氣帶中的影響，缺乏對(duì)滲入地下水的時(shí)間及濃度的定量評(píng)估，造成環(huán)境應(yīng)急響應(yīng)不夠精確。

本文運(yùn)用目前土壤預(yù)測(cè)最常用且有良好模擬精度的Hydrus-1D軟件來(lái)建立研究區(qū)的水文地質(zhì)模型，通過(guò)構(gòu)建包氣帶水流運(yùn)動(dòng)和溶質(zhì)運(yùn)移模型，模擬儲(chǔ)油罐底發(fā)生小孔泄漏，石油烴類污染物進(jìn)入包氣帶后的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程，并預(yù)測(cè)石油烴類到達(dá)潛水含水層時(shí)的時(shí)間和濃度，為后續(xù)地下水影響評(píng)價(jià)提供影響預(yù)測(cè)的初始條件。

1 研究區(qū)概況

該原油儲(chǔ)備基地位于廣東省茂名市電白區(qū)下村附近，緊鄰南海，項(xiàng)目占地面積580畝，設(shè)16個(gè)10萬(wàn)m3儲(chǔ)油罐，儲(chǔ)備基地南邊界距海岸線約100m，北邊界距下村120m。場(chǎng)址區(qū)內(nèi)主要出露地層為第四系全新統(tǒng)，上部為第四系全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml），下部為沖洪積層（Q4al+p1），地層巖性上部為0.5m厚的雜填土，松散，主要成分為粉土、碎石、碎磚等建筑生活垃圾以及13m厚的粗砂層，黃褐色，中等密度，主要成分為長(zhǎng)石石英顆粒，呈次圓-渾圓狀，較均勻;下部為粉質(zhì)黏土層，黃褐色，硬塑，土質(zhì)較均勻，含少量砂礫，富水性差，為區(qū)域的相對(duì)隔水層。

根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)勘察報(bào)告，該區(qū)域地下水埋深為2.7m，包氣帶內(nèi)地層為第四系全新統(tǒng)人工堆積層，分為2層，0～0.5m為粉土、碎石層，0.5m～2.7m為粗砂層，區(qū)域包氣帶滲透性強(qiáng)，包氣帶防護(hù)性能弱。

2 研究過(guò)程

2.1 模型的構(gòu)建

本研究應(yīng)用HYDRUS-1D軟件求解非飽和帶中的水分與溶質(zhì)遷移方程，HYDRUS-1D是由美國(guó)國(guó)家鹽改中心（US Salinity laboratory）于1991成功開(kāi)發(fā)的一套用于模擬非飽和多孔介質(zhì)中水分、能量、溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)值模型，經(jīng)改進(jìn)與完善，得到了廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用。能夠較好地模擬水分、溶質(zhì)與能量在土壤中的分布，時(shí)空變化及運(yùn)移規(guī)律，分析人們普遍關(guān)注的農(nóng)田灌溉、環(huán)境污染等實(shí)際問(wèn)題。

污染物在包氣帶的運(yùn)移和分布受很多因素的控制，如它本身的物理化學(xué)性質(zhì)、土壤性質(zhì)等。一般認(rèn)為，水在包氣帶中運(yùn)移符合活塞流模式，污染物的彌散、吸附和降解作用所產(chǎn)生的側(cè)向遷移距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于垂向遷移距離，因此，假定污染物在包氣帶中垂直向下遷移。

2.1.1 水流模型

采用HYDRUS-1D軟件中一維垂向飽和-非飽和土壤水中水分運(yùn)動(dòng)方程（Richards方程[1]）來(lái)刻畫(huà)水流的運(yùn)動(dòng)，即

其中：θ—土壤體積含水率;h—壓力水頭[L]，飽和帶大于零，非飽和帶小于零;z、t—分別為垂直方向坐標(biāo)變量[L]、時(shí)間變量[T];k—垂直方向的水力傳導(dǎo)度[LT-1];s—作物根系吸水率[T-1]。

初始條件：θ（z，0）=θ0（z）? Z≤z≤0

邊界條件：

上邊界： z=0

下邊界：h（Z，t）=hb（t）

其中：θ0（z）—剖面初始土壤含水率;Z—（地表至下邊界距離）[L]，本研究區(qū)深度為2.7m，地面為零基準(zhǔn)面，此處為-270cm;qs—地表水分通量[LT-1]，蒸散取正值，灌溉和降水入滲取負(fù)值，本研究區(qū)取負(fù)值;hb（t）—下邊界壓力水頭[L]，取自由排水流動(dòng)邊界。

2.1.2 溶質(zhì)運(yùn)移模型

根據(jù)多孔介質(zhì)溶質(zhì)運(yùn)移理論，考慮土壤吸收的飽和—非飽和土壤溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型控制方程為：

其中：c—土壤水中污染物濃度[ML-3];ρ—土壤容重[ML-3];s—為單位質(zhì)量土壤溶質(zhì)吸附量[MM-1];D—土壤水動(dòng)力彌散系數(shù)[L2T-1];Q—Z方向達(dá)西流速[LT-1];A—一般取1。

初始條件：c（z，0）=c0（z）? Z≤z≤0

邊界條件：

上邊界： z=0

下邊界：c（Z，t）=cb（t）

其中：c0（z）為剖面初始土層污染物濃度[ML-3];qz為蒸發(fā)強(qiáng)度[LT-1];qs污水下滲水量[LT-1];cs污水中污染物濃度;cb（t）為下邊界污染物濃度[ML-3]。

2.2 參數(shù)及邊界條件的設(shè)置

2.2.1 參數(shù)設(shè)置

2.2.1.1土壤水力參數(shù)及溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)

本次研究對(duì)象為儲(chǔ)油罐底的小孔泄漏，該類型的泄漏特點(diǎn)為不易察覺(jué)且持續(xù)時(shí)間久，模擬時(shí)間選擇上，考慮研究區(qū)土壤巖性屬于強(qiáng)滲透區(qū)域，泄漏時(shí)間單位選擇分鐘，模擬時(shí)長(zhǎng)取800min。區(qū)域內(nèi)包氣帶土壤特征參數(shù)參考美國(guó)農(nóng)業(yè)部使用的包氣帶基本巖性參數(shù)，并根據(jù)區(qū)域滲水試驗(yàn)及土壤理化特性調(diào)查結(jié)果進(jìn)行修正，土壤水流模型選用最常用的van Genuchten-Mualem模型。其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

土壤溶質(zhì)運(yùn)移模型選用Equilibrium Model模型，模型中彌散系數(shù)參考L W.Gelhar等[2]（1992）對(duì)59個(gè)不同現(xiàn)場(chǎng)所彌散度的研究成果得出，彌散系數(shù)取值35cm2/d，土壤容重2.7g/cm，自由水中擴(kuò)散系數(shù)為22cm2/d。

2.2.1.2滲漏源強(qiáng)（Q）及初設(shè)濃度的確定

本研究區(qū)滲漏源強(qiáng)按下式計(jì)算：Q=K×I

K—場(chǎng)址區(qū)包氣帶垂向等效滲透系數(shù);Ki為第i層的滲透系數(shù);Mi為第i層的厚度，本研究區(qū)粉土、碎石層滲透系數(shù)為0.62cm/min，粗砂層為1.11cm/min，計(jì)算得K=1.02cm/min。

I—水力梯度，由泄漏污染物的液體深度與包氣帶厚度比值得出，深度根據(jù)《石油化工工程防滲技術(shù)規(guī)范》中10萬(wàn)方儲(chǔ)油罐環(huán)墻式罐基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要求來(lái)確定，罐底板與防滲膜之間有1m的砂墊層，因此深度取最大值1m;包氣帶厚度2.7m，計(jì)算得I=0.37。

則滲漏源強(qiáng)（Q）為0.377cm/min。

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果表明[3-4]，原油溶解在水中成為可溶性油，一般溶解量很少，同時(shí)，烴類碳?xì)浠衔镌谒械娜芙舛入S其分子量的增大而降低，分子量較小的石油產(chǎn)品，其可溶性可達(dá)到0.02～0.08mg/cm3。本研究按危害最大化取值，假設(shè)發(fā)生“跑、冒、滴、漏”事故狀況后，部分油類物質(zhì)經(jīng)水稀釋溶解后作為非飽水帶模型的上邊界，初設(shè)濃度為0.1mg/cm3（100mg/L）。

2.2.2 邊界條件的界定

水流模型：上邊界為定通量邊界，滲漏源強(qiáng)取通量為-0.377cm/min（負(fù)值代表下滲），設(shè)定土壤剖面初始?jí)毫λ^為-270cm。下邊界為潛水含水層自由水面，選為自由排水邊界。

溶質(zhì)運(yùn)移模型：根據(jù)儲(chǔ)罐區(qū)的實(shí)際情況，溶質(zhì)運(yùn)移模型上邊界選擇濃度通量邊界，污水中石油類濃度為100mg/L，故選擇模型上邊界初始濃度為100mg/L，下邊界選擇零濃度梯度邊界，土壤中石油類的初始濃度為零。

2.3 網(wǎng)格剖分及觀測(cè)點(diǎn)

利用HYDRUS-1D中的模塊對(duì)研究區(qū)包氣帶土層進(jìn)行剖分，將2.7m土層分2大層，270小層，并分別在N1（30cm）、N2（60cm）、N3（100cm）、N4（200cm）和N5（270cm）等5個(gè)不同深度設(shè)觀測(cè)點(diǎn)讀取石油類濃度值。包氣帶分層情況及觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置見(jiàn)圖1。

3 模擬結(jié)果分析

經(jīng)模型預(yù)測(cè)，儲(chǔ)罐發(fā)生原油泄漏進(jìn)入包氣帶之后，距離地表以下30cm處（N1觀測(cè)點(diǎn)）在16.4min時(shí)已可以監(jiān)測(cè)到石油類（按檢出限0.01mg/L來(lái)計(jì)），在29.2min時(shí)石油類濃度已達(dá)污染源濃度的一半，在401.15min時(shí)達(dá)到恒定濃度0.1mg/cm3;N2、N3、N4和N5觀測(cè)點(diǎn)分別在泄漏后35.3min、70.3min、158min、218.5min時(shí)可以監(jiān)測(cè)到石油類;深處土壤（2m以下）在150min～220min時(shí)間段內(nèi)石油類濃度增加快速，在400min后，逐漸趨于穩(wěn)定;下邊界（2.7m處）在泄漏721.1min后石油類濃度達(dá)到污染源濃度。

石油類在5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的濃度隨時(shí)間變化見(jiàn)圖2。

4 結(jié)論

本文選取的研究區(qū)位于沿海區(qū)域，土壤包氣帶滲透性強(qiáng)，用HYDRUS-1D軟件預(yù)測(cè)了原油罐底發(fā)生小孔泄漏后原油在土壤中的運(yùn)移過(guò)程。經(jīng)預(yù)測(cè)，不同深度石油類污染物到達(dá)時(shí)間雖有所不同，但總體來(lái)看，泄漏物料在土壤中運(yùn)移速度很快，距地面以下30cm處，在泄漏后16.4min時(shí)已監(jiān)測(cè)到石油類，最深處土層也在泄漏后218.5min，不足4h內(nèi)到達(dá)，下邊界最終污染物濃度值與污染源濃度持平。因此，以往在不考慮土壤影響情況下，地下水模擬預(yù)測(cè)的濃度選取污染源濃度，與實(shí)際結(jié)果是基本吻合的。土壤阻隔的時(shí)間根據(jù)包氣帶的巖性不同而有所差別，在滲透性強(qiáng)的區(qū)域，污染物穿透土壤的時(shí)間會(huì)很短，進(jìn)而到達(dá)含水層，將污染更大區(qū)域。因此，針對(duì)包氣帶防護(hù)性能差的區(qū)域，做好防滲工作更應(yīng)該成為減緩項(xiàng)目對(duì)土壤及地下水環(huán)境影響的重要途徑。

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收稿日期：2020-06-14

作者簡(jiǎn)介：李新峰（1984-），男，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)榈叵滤h(huán)境、環(huán)境影響評(píng)價(jià)。