油田特征污染物在包氣帶中的遷移規(guī)律

高文宇 李 娜 王 萌

(中國石油大慶油田質(zhì)量安全環(huán)保監(jiān)督評價中心)

0 引 言

土壤是經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，保護好土壤環(huán)境是推進生態(tài)文明建設(shè)和維護國家生態(tài)安全的重要內(nèi)容。當前我國土壤環(huán)境總體狀況堪憂，根據(jù)2014年4月17日《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，我國土壤環(huán)境總的點位超標率為16.1%，已成為全面建成小康社會的突出短板之一。

為切實加強土壤污染防治，打好凈土保衛(wèi)戰(zhàn)，2016年5月國務(wù)院發(fā)布了《土壤污染防治行動計劃》國發(fā)[2016]31號；2018年8月31日人大常委會第五次會議審議通過了《中華人民共和國土壤污染防治法》；為貫徹落實以改善土壤環(huán)境質(zhì)量為核心，堅持預(yù)防為主、保護優(yōu)先的源頭防控理念，2018年9月13日生態(tài)環(huán)境部批準了HJ 964—2018《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 土壤環(huán)境(試行)》。其規(guī)定了土壤環(huán)境影響評價的一般性原則、工作程序、內(nèi)容、方法和要求，填補了現(xiàn)有環(huán)評導(dǎo)則的體系空缺。同時導(dǎo)則首次提出包氣帶中污染物溶質(zhì)的垂直運移預(yù)測方法，對非飽和帶的運移規(guī)律給予了量化說明，彌合了地下水導(dǎo)則中地面至地下水含水層之間的預(yù)測空窗。

該導(dǎo)則于2019年7月1日實施，但與導(dǎo)則提供的預(yù)測模型應(yīng)用鮮有報道，通過文獻查閱發(fā)現(xiàn)[1-5]，HYDRUS-1D軟件中的溶質(zhì)運移模型[6]與導(dǎo)則中提出的預(yù)測方法一致，可精確模擬非飽和帶介質(zhì)中的運移。

本文運用該軟件構(gòu)建水流運動和溶質(zhì)運移模型，模擬D油田E采油廠生產(chǎn)過程中特征污染物石油烴在非正常情況下遺撒至包氣帶后的遷移過程，預(yù)測其到達潛水含水層時的時間和濃度，為該類污染在潛水含水層中的運移提供初始時間和初始濃度值。

1 工程概況

該工程位于A市B區(qū)C村，隸屬于D油田E采油廠，調(diào)查了油田29 km2區(qū)域內(nèi)的水文地質(zhì)情況，布設(shè)水文地質(zhì)點數(shù)15個，調(diào)查范圍見圖1。由室內(nèi)原位滲透試驗獲得滲透系數(shù)。調(diào)查結(jié)論如下。

圖1 調(diào)查區(qū)域示意

該地區(qū)地表普遍被第四系覆蓋。地面海拔高程在145.4～148.6 m，相對高差3.2 m。地表為緩波狀起伏的低平原地貌景觀。第四系(Q)地層在調(diào)查區(qū)廣泛，其厚度一般55.5～69.0 m。第四系地層上部為粉質(zhì)黏土-黏土，底部為砂礫石，具有較大孔隙。見圖2。

圖2 調(diào)查區(qū)域地質(zhì)剖面

根據(jù)淺部鉆孔資料，所揭露的地層按照巖土成因、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)綜合劃分3層，分別為粉質(zhì)黏土、粉細砂、黏土。

1)粉質(zhì)黏土：黃褐-灰黃色，沖積成因，滲透性差，為微透水層，土質(zhì)均勻。滲透系數(shù)實測值K=0.022 m/d，孔隙度實驗室實測值n=43.68%；層頂高程145.4～148.6 m，層厚1.5～8.0 m。

2)粉細砂：黃色，沖積成因，滲透性較好，為透水層，主要成分為石英-長石，局部含粉土。滲透系數(shù)值K=2.0 m/d，孔隙度值n=40.0%。

3)黏土：灰色，淤積成因，滲透性差，可視為隔水層，土質(zhì)均勻。滲透系數(shù)實驗室實測值K=0.000 2 m/d，孔隙度實驗室實測值n=40.82%。

根據(jù)上述資料，工程所在包氣帶厚度最大值為4.5 m。粉質(zhì)黏土及粉細砂，局部夾粉土。其中粉質(zhì)黏土約為0～3.5 m，粉細砂約為3.5～4.5 m。見圖3。

圖3 調(diào)查區(qū)域包氣帶厚度等值線

2 研究方法

2.1 污染物源強設(shè)定

油田在正常生產(chǎn)情況下已有完善的施工作業(yè)流程，在作業(yè)期間會采取鋪設(shè)防滲布等措施保證原油不會進入土壤，但在非正常工況下可能會產(chǎn)生少量落地油，通過多年經(jīng)驗數(shù)據(jù)，每口油井作業(yè)期間可能落地的原油按50 kg/井次計，本次設(shè)定為1口油井在非正常工況下，作業(yè)產(chǎn)生落地油50 kg。原油落地后以溶質(zhì)形式進行擴散，原油在其中的濃度約為500 mg/L。

2.2 邊界條件設(shè)定

參照Richards方程[7]中的邊界定義來界定模型的地質(zhì)邊界和濃度邊界。模型地質(zhì)上邊界定義為大氣邊界(定義為0)，下邊界設(shè)定為潛水自由水面處(定義為450 cm)；濃度上邊界選擇濃度通量邊界(500 mg/L)，下邊界選擇零濃度梯度邊界(取值為0)。

2.3 預(yù)測場景設(shè)定

在特定情況下，假定落地原油未被及時發(fā)現(xiàn)，至下次檢修作業(yè)期間持續(xù)遺留在地面?？紤]實際情況，作業(yè)檢修期間隔時間約為100～200 d，故設(shè)定預(yù)測時間為100 d(N1～N5)、200 d(N6)，設(shè)定為連續(xù)注入點源情景。

2.4 土壤水力參數(shù)的設(shè)定

根據(jù)工程勘查鉆孔資料及相關(guān)的地質(zhì)柱狀圖，確定工程包氣帶厚度為4.5 m，垂向按1 cm每格將其剖分為450格，在剖分圖上設(shè)置6個觀察點，其分布見圖4。

圖4 剖分示意

根據(jù)實際情況結(jié)合軟件，土壤水力參數(shù)見表1。

表1 土壤水力參數(shù)

2.5 數(shù)學(xué)模型的建立

本次預(yù)測主要利用非飽和帶水分運移模型和非飽和帶溶質(zhì)運移模型。

2.5.1 非飽和帶水分運移模型

假定水文運移過程中氣象作用、溫度梯度作用可忽略，其水文運移采用Richards方程的形式表示，公式如下：

(1)

(2)

θ(z,t)=θsz=0,t≥0

(3)

θ(z,t)=θ00

(4)

式中：θ為土壤體積含水率，L3/L3；t為水分運移時間，T；K為土壤水的非飽和水力傳導(dǎo)率，L/T；h為非飽和帶壓力水頭，L；θs為飽和含水率；θθ為初始含水率；V為滲透通量，L/T；H為非飽和帶深度，L0。

2.5.2 非飽和帶溶質(zhì)運移模型

忽略污染物在氣相中的擴散，忽略液相中通過對流和彌散作用進行溶質(zhì)運移時的化學(xué)反應(yīng)，運用對流-彌散方程[8]描述以為溶質(zhì)運移，公式如下：

(5)

式中：C為土壤液相中石油烴濃度，mg/cm3；S為土壤固相中的石油烴濃度，mg/cm3；D為綜合彌散系數(shù)，cm2/d；q為滲流速率，cm/d；Ф為源匯項。

3 模擬預(yù)測結(jié)果

3.1 石油烴濃度與時間變化關(guān)系

石油烴濃度-時間關(guān)系曲線見圖5。

圖5 石油烴濃度-時間關(guān)系曲線

由圖5可知，石油烴進入包氣帶后，經(jīng)約4 d遷移至地下34 cm(觀察點N2)，經(jīng)約20 d達到峰值濃度；經(jīng)約40 d遷移至地下450 cm(觀察點N6)，經(jīng)約140 d達到濃度峰值。

由此結(jié)果可知，如已知原油落地時間(生產(chǎn)單位可通過油井作業(yè)日期和發(fā)現(xiàn)原油時間推算)，可精確的計算出需要治理污染土壤的剖面深度，為油田日常的環(huán)保管理和污染防治措施提供了有力的技術(shù)支持。

3.2 石油烴濃度與包氣帶深度關(guān)系

石油烴濃度-深度關(guān)系見圖6。

圖6 石油烴濃度-深度關(guān)系

由圖6可知，在10～70 d內(nèi)石油烴在包氣帶剖面濃度分布情況，隨著時間的增加，石油烴濃度逐漸趨于一致，最終石油烴達到平衡濃度。

4 模型驗證

4.1 運用溶質(zhì)運移土柱試驗驗證模型準確性

為驗證模型的準確性，通過對研究地區(qū)的土壤進行溶質(zhì)運移土柱試驗得出的實測結(jié)果與該模型預(yù)測數(shù)據(jù)進行橫向測評。

設(shè)定剖面深度為21 cm，測試時間為48 h，溶質(zhì)濃度值為500 mg/L。實測值與預(yù)測值對比見圖7。由圖7可知，石油烴隨深度增加濃度成倍遞減，且兩者數(shù)值擬合程度較高。故該模型能較準確的反映污染物在包氣帶中的運移規(guī)律。

圖7 實測值與預(yù)測值對比曲線

4.2 運用物料分析驗證模型精度

根據(jù)土壤巖性分布，縱向設(shè)置0，9，21，300，450 cm共計5個觀察點。模型計算總耗時0.15 s，迭代次數(shù)為210。

物料平衡分析見表2。由表2可知，水分及污染物等物料在模擬范圍內(nèi)基本守恒。

表2 模型物料平衡分析

5 結(jié) 論

本次應(yīng)用HJ 964—2018《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 土壤環(huán)境(試行)》中推薦的預(yù)測模型，運用HYDRUS軟件對油田特征污染物-石油烴在包氣帶中的遷移建立了數(shù)學(xué)模型。通過預(yù)測可知，在該區(qū)域內(nèi)當石油烴進入包氣帶后，經(jīng)約4 d遷移至地下34 cm(N2)，經(jīng)約20 d達到峰值濃度；經(jīng)約38 d遷移至地下450 cm(N6)，經(jīng)約140 d達到濃度峰值。但因包氣帶有一定的阻滯作用，使得石油烴進入潛水層時間較長，油田應(yīng)針對落地油落地的時間對受污染的土壤進行不同層位的垂向清理，避免石油烴進一步污染地下水體。

該模型尚有需要進一步深入的研究方面：未考慮植物根吸附、土壤顆粒吸附、降雨、蒸騰及自然降解等因素，導(dǎo)致模擬結(jié)果為最不利情況下數(shù)據(jù)。