旱寒地區(qū)石油對(duì)灰漠土滲透性影響分析

朱博

摘要：本文針對(duì)新疆克拉瑪依地區(qū)采油廠灰漠土在旱寒氣候多次凍融循環(huán)作用下，石油污染對(duì)土壤滲透性的影響展開研究。首先對(duì)研究區(qū)不同污染條件下的未凍融土樣做變水頭試驗(yàn)，分析其滲透系數(shù)變化規(guī)律，結(jié)合污染土樣掃描電鏡結(jié)果，分析滲透性變化原因;然后對(duì)試樣進(jìn)行多次凍融循環(huán)試驗(yàn)，循環(huán)溫度區(qū)間依據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛟O(shè)置為-20℃—40℃，循環(huán)次數(shù)為6次，測(cè)其滲透系數(shù)，并對(duì)各試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。研究成果可為該地區(qū)采油廠土壤修復(fù)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：凍融循環(huán);原油污染;土壤滲透系數(shù);克拉瑪依

引言：

克拉瑪依作為新疆油田的“主戰(zhàn)場(chǎng)”，針對(duì)該地區(qū)特有的氣候特點(diǎn)、土壤性質(zhì)和原油種類，開展該地區(qū)石油在灰漠土中的滲透性影響研究顯得尤為突出，尤其是凍融循環(huán)的影響。本文選用克拉瑪依市春風(fēng)采油廠所產(chǎn)原油，在擬新建采油井周邊取土壤樣品，采用室內(nèi)凍融循環(huán)和變水頭試驗(yàn)方法結(jié)合掃描電鏡微觀解析，分析并探討了影響該地區(qū)凍融循環(huán)作用下受石油污染土壤的滲透系數(shù)變化因素。

1實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)所用土樣采自克拉瑪依市勝利油田排66區(qū)塊擬新建采油井周邊。試驗(yàn)制樣及過程嚴(yán)格依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-1999）[16]進(jìn)行，去除表土在同一深度用TST-55型環(huán)刀（61.8mm*40mm）取樣18件，再根據(jù)土壤剖面每層取樣3kg。土壤剖面見圖1。

實(shí)驗(yàn)制樣分由三部分組成：第一部分，取六件樣，依次編號(hào)為1#～6#，依據(jù)前人研究結(jié)果，對(duì)試樣進(jìn)行原油污染，據(jù)試樣編號(hào)分別加入0.00%、0.61%、1.20%、1.81%、2.41%、和3.01%的原油進(jìn)行污染，對(duì)試樣進(jìn)行48 h常溫養(yǎng)護(hù)，隨后在常溫下進(jìn)行變水頭試驗(yàn)，試驗(yàn)過程嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)》（SL237-1999）進(jìn)行;第二部分取六件樣，依次編號(hào)為7#～12#，再對(duì)其進(jìn)行凍融循環(huán)，凍融循環(huán)試驗(yàn)儀器選用可程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱（JW-2002），箱體內(nèi)的溫度、濕度可以控制在一定的區(qū)間。結(jié)合克拉瑪依地區(qū)多年溫度變化情況，設(shè)置試樣循環(huán)低溫為-20℃，高溫為40℃，此次試驗(yàn)對(duì)試件進(jìn)行6次循環(huán)，單次循環(huán)為8 h。循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束再對(duì)此試件進(jìn)行變水頭試驗(yàn)，試驗(yàn)過程及要求同第一部分;第三部分對(duì)第一、二部分中的試件土樣經(jīng)研磨過100目篩進(jìn)行掃描電鏡測(cè)試。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1土樣分析

將采集的土壤篩分，進(jìn)行顆分試驗(yàn)可得其顆粒累計(jì)分布曲線和不同粒徑顆粒分布曲線。

針對(duì)克拉瑪依地區(qū)的特殊地理環(huán)境，此次進(jìn)行了三組有針對(duì)性的等量顆分試驗(yàn)：第一組為原狀樣，將采集的土壤風(fēng)干后直接進(jìn)行顆分試驗(yàn);第二組為烘干樣，根據(jù)克拉瑪依地區(qū)多年來天氣變化資料的分析，模擬土壤經(jīng)歷酷暑時(shí)節(jié)，遂將采集的土壤進(jìn)行50℃恒溫烘烤，烘烤24h，該過程使用的儀器是北京市永光明醫(yī)療儀器廠101型電熱鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行烘制，待土壤冷卻至室溫時(shí)再進(jìn)行顆分試驗(yàn);第三組為凍融樣，實(shí)驗(yàn)室模擬該地土壤所經(jīng)歷的溫度變化-20℃—40℃，循環(huán)6次，單次8 h，該過程使用的儀器為觸摸可程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱（JW-2002），待土壤冷卻至室溫時(shí)再進(jìn)行顆分試驗(yàn)。

最后得到結(jié)論，三組試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的圖像走勢(shì)基本一致。相比較而言，原狀樣的累計(jì)分布曲線更加陡，烘干樣次之，而凍融樣則較為平緩;在級(jí)配角度看來，凍融樣級(jí)配最好，烘干樣次之，原狀樣最差。由不同粒徑顆粒分布曲線可知，無論是原狀樣、烘干樣和凍融樣，顆粒分布趨勢(shì)一致，各土樣的主要粒徑區(qū)間均為0.5-0.1mm，土樣在進(jìn)行烘烤和凍融后顆粒分布波峰基本重合，相較于原狀樣波峰下降約15%，說明土壤在進(jìn)行烘干、凍融之后，顆粒分布較原狀樣更加均勻;土壤在經(jīng)過烘烤和凍融處理之后，0.5-10mm間的顆粒百分比明顯多于原狀樣。綜上可得知，灰漠土在經(jīng)歷外界強(qiáng)烈的干擾后，物理性質(zhì)有了明顯的變化。

2.2石油對(duì)灰漠土滲透率的影響

2.2.1石油對(duì)原狀樣滲透性的影響

該區(qū)域土壤（1#）的滲透系數(shù)為1.76×10-4cm/s，當(dāng)石油污染土壤后，其滲透性先急劇減小，隨后趨于平穩(wěn);變化最明顯的過程是土樣中石油含量為0.00%（1#）到0.61%（2#），該過程土壤的滲透性減小66.42%，說明石油作為土壤的外來干擾物，對(duì)土壤的滲透性影響劇烈。但是當(dāng)石油的含量大于1.20%之后，土壤的滲透性基本趨于穩(wěn)定，變化率為5%左右，滲透系數(shù)在1.99×10-5cm/s至8.18×10-6cm/s間，此時(shí)，滲透性與含油率之間表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)性（R=0.97），這與M. Khamehchiyan et al.[1]的研究結(jié)果一致。

2.2.2石油對(duì)凍融樣滲透性的影響

土壤在經(jīng)歷凍融循環(huán)處理之后，滲透系數(shù)（7#）為4.36×10-4cm/s，是原狀樣（1#）的1.47倍，由此說明連續(xù)的凍融循環(huán)對(duì)土壤滲透性的影響顯著，滲透性變化的原因可能是凍融循環(huán)影響了土體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變了土壤的滲透性。當(dāng)石油污染土壤后，其滲透性整體表現(xiàn)為先急劇陡降，后平穩(wěn)。

隨著土樣中石油含量的增加，土壤的滲透性急劇減小，減小最明顯的過程為土樣中石油含量0.00%的7#試樣到0.61%的8#試樣，滲透系數(shù)減小0.74倍。當(dāng)含油率處于1.81%—2.41%區(qū)間時(shí)，凍融條件已不再是影響土壤滲透率的主控因素，此時(shí)隨含油率的增加凍融土樣的滲透系數(shù)趨向于某一區(qū)間;此時(shí)，土樣中石油含量與滲透性有良好的（負(fù)）相關(guān)性（R>0.9）。

當(dāng)土樣中含油率在0～1.20%區(qū)間時(shí)，同條件下的凍融樣滲透性遠(yuǎn)優(yōu)于原狀樣的滲透性;當(dāng)土樣中含油率在1.20%～3.01%區(qū)間時(shí)，同條件下的原狀樣滲透性略優(yōu)于凍融樣的滲透性。比較1#和7#可知，在不被石油污染的情況下，凍融樣的滲透性比原狀樣的大147%;而當(dāng)含油率為1.20%時(shí)，土體的孔隙結(jié)構(gòu)已趨于穩(wěn)定，同時(shí)受到石油物質(zhì)的膠結(jié)，使得滲透性變化率趨于穩(wěn)定。

3結(jié)論

（1）研究區(qū)土壤的主要粒徑區(qū)間為0.25mm—0.075mm。經(jīng)土力學(xué)相關(guān)計(jì)算可知：研究區(qū)土壤的曲率系數(shù)Cc=1.09，處于1和3之間，根據(jù)以往文獻(xiàn)及現(xiàn)場(chǎng)施工結(jié)果表明該區(qū)域土壤為級(jí)配連續(xù)的土壤。

（2）克拉瑪依地區(qū)土壤的滲透系數(shù)為1.76×10-4cm/s，凍融情況下的滲透系數(shù)為4.36×10-4cm/s。

參考文獻(xiàn)：

[1]常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(cè)[M].4.中國建筑工業(yè)出版社， 2007 ：488-499.