基于土壤預測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備基地為研究對象，利用土壤常用HYDRUS-1D軟件來模擬預測原油儲罐發生小孔泄漏后石油類污染物在包氣帶中的運移情況，計算得出石油類在特定水文地質條件下通過包氣帶到達地下水面所需時間及不同深度濃度值的變化規律，為地下水影響預測提供可靠的初設條件。

關鍵詞：溶質運移;原油泄漏;土壤預測

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

進入21世紀以來，隨著我國綜合國力的提升，作為國家重要戰略儲備項目之一的國家石油儲備基地工程也在加速建設，自2004年起，我國已陸續在浙江寧波、浙江舟山、山東青島黃島、廣西北海、廣東大亞灣等地建立數個石油儲備基地，預計到2020年，石油戰略儲備量將達到8500萬t。石油儲備基地的建設，在保障國家能源供給的同時，也成為建設地潛在的環境污染源，以往的環境影響評價工作，重在對地下水環境的影響預測，往往忽略泄漏污染物在土壤包氣帶中的影響，缺乏對滲入地下水的時間及濃度的定量評估，造成環境應急響應不夠精確。

本文運用目前土壤預測最常用且有良好模擬精度的Hydrus-1D軟件來建立研究區的水文地質模型，通過構建包氣帶水流運動和溶質運移模型，模擬儲油罐底發生小孔泄漏，石油烴類污染物進入包氣帶后的遷移轉化過程，并預測石油烴類到達潛水含水層時的時間和濃度，為后續地下水影響評價提供影響預測的初始條件。

1 研究區概況

該原油儲備基地位于廣東省茂名市電白區下村附近，緊鄰南海，項目占地面積580畝，設16個10萬m3儲油罐，儲備基地南邊界距海岸線約100m，北邊界距下村120m。場址區內主要出露地層為第四系全新統，上部為第四系全新統人工堆積層（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，主要成分為長石石英顆粒，呈次圓-渾圓狀，較均勻;下部為粉質黏土層，黃褐色，硬塑，土質較均勻，含少量砂礫，富水性差，為區域的相對隔水層。

根據研究區的水文地質勘察報告，該區域地下水埋深為2.7m，包氣帶內地層為第四系全新統人工堆積層，分為2層，0～0.5m為粉土、碎石層，0.5m～2.7m為粗砂層，區域包氣帶滲透性強，包氣帶防護性能弱。

2 研究過程

2.1 模型的構建

本研究應用HYDRUS-1D軟件求解非飽和帶中的水分與溶質遷移方程，HYDRUS-1D是由美國國家鹽改中心（US Salinity laboratory）于1991成功開發的一套用于模擬非飽和多孔介質中水分、能量、溶質運移的數值模型，經改進與完善，得到了廣泛的認可與應用。能夠較好地模擬水分、溶質與能量在土壤中的分布，時空變化及運移規律，分析人們普遍關注的農田灌溉、環境污染等實際問題。

污染物在包氣帶的運移和分布受很多因素的控制，如它本身的物理化學性質、土壤性質等。一般認為，水在包氣帶中運移符合活塞流模式，污染物的彌散、吸附和降解作用所產生的側向遷移距離遠遠小于垂向遷移距離，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動方程（Richards方程[1]）來刻畫水流的運動，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變量[L]、時間變量[T];k—垂直方向的水力傳導度[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]，本研究區深度為2.7m，地面為零基準面，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值，本研究區取負值;hb（t）—下邊界壓力水頭[L]，取自由排水流動邊界。

2.1.2 溶質運移模型

根據多孔介質溶質運移理論，考慮土壤吸收的飽和—非飽和土壤溶質運移的數學模型控制方程為：

其中：c—土壤水中污染物濃度[ML-3];ρ—土壤容重[ML-3];s—為單位質量土壤溶質吸附量[MM-1];D—土壤水動力彌散系數[L2T-1];Q—Z方向達西流速[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為蒸發強度[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 參數及邊界條件的設置

2.2.1 參數設置

2.2.1.1土壤水力參數及溶質運移參數

本次研究對象為儲油罐底的小孔泄漏，該類型的泄漏特點為不易察覺且持續時間久，模擬時間選擇上，考慮研究區土壤巖性屬于強滲透區域，泄漏時間單位選擇分鐘，模擬時長取800min。區域內包氣帶土壤特征參數參考美國農業部使用的包氣帶基本巖性參數，并根據區域滲水試驗及土壤理化特性調查結果進行修正，土壤水流模型選用最常用的van Genuchten-Mualem模型。其主要參數見表1。

土壤溶質運移模型選用Equilibrium Model模型，模型中彌散系數參考L W.Gelhar等[2]（1992）對59個不同現場所彌散度的研究成果得出，彌散系數取值35cm2/d，土壤容重2.7g/cm，自由水中擴散系數為22cm2/d。

2.2.1.2滲漏源強（Q）及初設濃度的確定

本研究區滲漏源強按下式計算：Q=K×I

K—場址區包氣帶垂向等效滲透系數;Ki為第i層的滲透系數;Mi為第i層的厚度，本研究區粉土、碎石層滲透系數為0.62cm/min，粗砂層為1.11cm/min，計算得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《石油化工工程防滲技術規范》中10萬方儲油罐環墻式罐基礎的設計要求來確定，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，計算得I=0.37。

則滲漏源強（Q）為0.377cm/min。

根據相關研究結果表明[3-4]，原油溶解在水中成為可溶性油，一般溶解量很少，同時，烴類碳氫化合物在水中的溶解度隨其分子量的增大而降低，分子量較小的石油產品，其可溶性可達到0.02～0.08mg/cm3。本研究按危害最大化取值，假設發生“跑、冒、滴、漏”事故狀況后，部分油類物質經水稀釋溶解后作為非飽水帶模型的上邊界，初設濃度為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，滲漏源強取通量為-0.377cm/min（負值代表下滲），設定土壤剖面初始壓力水頭為-270cm。下邊界為潛水含水層自由水面，選為自由排水邊界。

溶質運移模型：根據儲罐區的實際情況，溶質運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 網格剖分及觀測點

利用HYDRUS-1D中的模塊對研究區包氣帶土層進行剖分，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個不同深度設觀測點讀取石油類濃度值。包氣帶分層情況及觀測點設置見圖1。

3 模擬結果分析

經模型預測，儲罐發生原油泄漏進入包氣帶之后，距離地表以下30cm處（N1觀測點）在16.4min時已可以監測到石油類（按檢出限0.01mg/L來計），在29.2min時石油類濃度已達污染源濃度的一半，在401.15min時達到恒定濃度0.1mg/cm3;N2、N3、N4和N5觀測點分別在泄漏后35.3min、70.3min、158min、218.5min時可以監測到石油類;深處土壤（2m以下）在150min～220min時間段內石油類濃度增加快速，在400min后，逐漸趨于穩定;下邊界（2.7m處）在泄漏721.1min后石油類濃度達到污染源濃度。

石油類在5個觀測點的濃度隨時間變化見圖2。

4 結論

本文選取的研究區位于沿海區域，土壤包氣帶滲透性強，用HYDRUS-1D軟件預測了原油罐底發生小孔泄漏后原油在土壤中的運移過程。經預測，不同深度石油類污染物到達時間雖有所不同，但總體來看，泄漏物料在土壤中運移速度很快，距地面以下30cm處，在泄漏后16.4min時已監測到石油類，最深處土層也在泄漏后218.5min，不足4h內到達，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，地下水模擬預測的濃度選取污染源濃度，與實際結果是基本吻合的。土壤阻隔的時間根據包氣帶的巖性不同而有所差別，在滲透性強的區域，污染物穿透土壤的時間會很短，進而到達含水層，將污染更大區域。因此，針對包氣帶防護性能差的區域，做好防滲工作更應該成為減緩項目對土壤及地下水環境影響的重要途徑。

參考文獻

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[3]莊志東.淺議地下儲油庫（罐）的防泄漏安全措施和地下水的污染防護[J].水文地質工程地質，1999，43（5）：30-32.

[4]鄧韜.石油類污染物在包氣帶中遷移轉化研究——以曹妃甸地區為例[D].西安：長安大學碩士學位論文，2010：20-21.

收稿日期：2020-06-14

作者簡介：李新峰（1984-），男，工程師，碩士研究生，研究方向為地下水環境、環境影響評價。