石化企业装置泄漏对地下水污染趋势研究

董姝娟 孙鹏飞 孙　颖 王　振

（青岛中油华东院安全环保有限公司）

石化企业装置泄漏对地下水污染趋势研究

董姝娟 孙鹏飞 孙颖 王振

（青岛中油华东院安全环保有限公司）

为研究石化企业不同装置、不同污染物的泄漏对地下水的污染趋势，选取某石化厂区为代表，建立地下水流场模型和污染物运移模型，对不同情形下发生泄漏时污染物对地下水环境的污染趋势进行模拟分析，分析了地下水污染物的产生、入渗途径、扩散方式以及污染趋势。正常工况无防渗情景：原油的渗漏，在厂区：渗漏发生5 a后，潜水含水层原油影响范围0.194 km2，超标范围为0.080 km2，最大运移距离为0.348 km；苯的渗漏，模拟结果显示：泄漏的苯在潜水含水层中13 a后扩散出厂区，厂区下游地下水苯均未超标；二甲苯的渗漏，模拟结果显示：泄漏的二甲苯在潜水含水层中18 a后扩散出厂区，但不超标。

石化企业；泄漏；原油；苯；二甲苯；地下水污染趋势；数值模拟

0　引 言

石化企业在长期运行中，装置设备存在一定的“跑、冒、滴、漏”现象。根据对石化企业易污染地下水环境的装置设施分析，可能发生油品“跑、冒、滴、漏”的设备包括易污染装置、原油罐区、污水处理厂等。本次选取某石化厂区为代表，建立数值模型，对不同情形下发生泄漏时，污染物对地下水环境的污染趋势进行模拟分析。

1　地下水流场模型

1.1水文地质概念模型

水文地质概念模型就是对研究区水文地质条件的简化，使得水文地质条件尽可能简单明了，但是要准确充分地反映地下水系统的主要功能和特征。受岩性、构造和地形地貌控制，本石化区域地下水含水层分为三个含水层组（即潜水含水层组、第一承压含水层组、第二承压含水层组）和两个弱透水层。

潜水含水层受多期古河道及现代河流变迁、切割影响，其厚度无明显变化规律，总体厚度在8～20 m，平均厚度15 m左右。第一承压含水层组底板埋深一般在130～150 m，无明显分布规律。第二承压水含水层综合岩性较简单，仅有以细砂为主和以粉砂为主两种类型，空间上呈北向东展布。两个弱透水层的岩性均以黏性土为主。其中潜水含水层与第一承压含水层间的弱透水层在模拟区内分布连续，黏性土层总厚度较稳定，平均50 m左右［1］。

在分析评价区实际水文地质条件的基础上，建立了三维地下水数学模型，其水文地质概念模型为：非均质各向异性；上边界为降水补给、蒸发和井排泄边界；下边界为隔水边界；侧向边界均概化为流量边界。

1.2地下水水流三维数学模型

根据水文地质概念模型可写出如下数学模型［2］：

式中：Ω为渗流区域；h为含水层的水位标高，m；K为渗透系数，m/d；Kn为边界面法向方向的渗透系数，m/d；S为自由面以下含水层储水系数，1/m；μ为潜水含水层在潜水面上的重力给水度，无量纲；ε为含水层的源汇项，1/d；p为潜水面的蒸发和降水等，1/d；h0为含水层的初始水位分布，m；Γ0为渗流区域的上边界，即地下水的自由表面；Γ1为渗流区域的水位边界；Γ2为渗流区域的流量边界；Γ3为混合边界；n~为边界面的法线方向；q（x，y，z，t）定义为二类边界的单宽流量，m/d；流入为正，流出为负，隔水边界为0。

1.3评价区模拟范围及模型网格剖分

根据石化调查区内浅层与承压水流场的空间分布特征、厂区周边水源井的分布情况而确定模拟范围，面积约215.2 km2。

网格间距为100～300 m，对厂区位置和周边水源地进行了加密剖分，共剖分有效单元格35 427个，剖分区域在垂向上共分为五层，分别为潜水含水层、第一弱透水层、第一承压含水层、第二弱透水层、第二承压含水层。

1.4源汇项及水文地质参数选取

源汇项包括灌溉入渗补给、大气降水入渗补给、侧向径流补给，以及蒸发排泄、人工开采等。各项均换算成相应分区上的强度，然后分配到相应单元格。

根据地质、水文地质条件的分析，并参考野外抽水实验的计算结果，对模拟区含水层渗透系数进行分区，通过对模型识别与验证，最终确定各分区渗透系数及给水度。

1.5模型的识别与检验

根据水文地质模型所建立的数学模型，必须反映实际流场的特点，因此，在进行模拟预报前，必须对数学模型进行校正（识别），即校正其参数以及边界条件等是否能确切地反映计算区的实际水文地质条件。对模型求解后得到在给定水文地质参数和各均衡项条件下地下水位的时空分布。

2　污染物运移模型

2.1溶质运移数学模型

地下水中溶质运移的数学模型可表示为［3］：

式中：αijmn为含水层的弥散度，m2/d；Vm，Vn分别为m 和n方向上的速度分量，m/d；为速度模；C为模拟污染质的浓度，mg/L；ne为有效孔隙度；W为源汇单位面积上的通量，1/d，；Vi为 渗流速度，m/d；C′为源汇的污染质浓度，mg/L。

2.2参数选择

本次污染质模拟计算的模型识别和计算，受到水质资料的限制，模拟过程未考虑污染物在含水层中的吸附、挥发、生物化学反应，模型中各项参数予以保守性考虑。

3　地下水环境污染情景设定

3.1地下水污染预测因子设定

根据化工风险分析的情景设计及厂区相关装置的位置，确定主要污染源分布位置，选定优先控制污染物。原油是石化企业的主要生产原料，原油和石化企业生产的成品油、苯和二甲苯均有可能对地下水环境产生污染，苯和二甲苯也是石化企业的主要产品。石化企业产生的苯和二甲苯等量大，一旦污染会对环境产生较为严重的影响，且能很好地反映炼油生产过程中污染物的排放特征，具有代表性［4］，因此本次模拟特征污染物选择石油类、苯和二甲苯。

3.2地下水污染情景预测设定

对以下几种情景进行模拟预测，预测期为20 a：

①正常工况无防渗情景预测；②正常工况有防渗情景预测；③非正常工况有防渗情景预测。

4　地下水污染预测

4.1正常工况无防渗情景

4.1.1原油的渗漏

正常工况下，可能发生原油“跑、冒、滴、漏”的常减压蒸馏装置、原油罐区和火车装卸区，装置区或贮运区的“跑、冒、滴、漏”量（即无组织排放量）按流通量或贮存量的0.01%考虑；原油中只有少部分经挥发进入环境空气，一部分原油可能通过地表进入地下水，按泄漏量的5%考虑。

预测结果显示：

在厂区：渗漏发生5 a后，潜水含水层原油影响范围0.194 km2，超标范围为0.080 km2，最大运移距离为0.348 km；10 a后原油影响范围为0.310 km2，原油超标范围为0.129 km2，最大运移距离为0.487 km；20 a后原油影响范围为0.528 km2，超标范围为225 km2，最大运移距离为0.846 km。

火车装卸区：渗漏发生5 a后，潜水含水层原油影响范围1.012 km2，超标范围为0.298 km2，最大运移距离为0.604 km；10 a后原油影响范围为1.157 km2，原油超标范围为0.578km2，最大运移距离为0.673 km；20 a后原油影响范围为1.439 km2，超标范围为0.789 km2，最大运移距离为0.901 km。

模拟结果显示：正常工况无防渗措施泄漏的条件下，泄漏的原油在潜水含水层中1 a后扩散出厂区，5 a后厂区下游地下水原油开始超标；第一、第二承压含水层均未检测到原油污染。

4.1.2苯的渗漏

正常工况下，可能发生苯“跑、冒、滴、漏”的区域主要为芳烃抽提装置区、苯成品罐区及汽车装卸区。装置区或贮运区的“跑、冒、滴、漏”量按流通量或贮存量的0.05%考虑；苯通过地表进入地下水按泄漏量的5%考虑。

模拟结果显示：正常工况无防渗措施泄漏的条件下，泄漏的苯在潜水含水层中13 a后扩散出厂区，厂区下游地下水苯均未超标。

4.1.3二甲苯的渗漏

正常工况下，可能发生苯“跑、冒、滴、漏”的区域主要为连续重整装置区、二甲苯成品罐区及装卸车栈台。装置区或贮运区的“跑、冒、滴、漏”量按流通量或贮存量的0.05%考虑；二甲苯通过地表进入地下水按泄漏量的5%考虑。

模拟结果显示：正常工况无防渗措施泄漏的条件下，泄漏的二甲苯在潜水含水层中18 a后扩散出厂区，但不超标。

4.2正常工况有防渗情景

预测时考虑假定厂区100个渗漏点/km2，每个渗漏点孔径10 cm，在此基础上预测装置区的“跑、冒、滴、漏”对地下水的影响。

渗漏点面积=7.85×10-7km2

因此该情景下的源强，在无防渗的基础上核算，渗漏量应为原有的7.85×10-7。

4.2.1原油的渗漏

此情景条件下原油渗漏的地下水污染模拟结果显示，根据本次评价的原油的检出限（0.01 mg/L）判断，潜水含水层未受到污染，根据模型计算的结果来看，潜水含水层受到原油影响，但浓度非常低，远远小于检出限。

4.2.2苯的渗漏

根据本次评价苯的检出限（0.000 6 mg/L）判断，潜水含水层无污染。模拟结果显示：正常工况有防渗条件下，厂区下游边界处，泄漏的苯在潜水层中未检出。

4.2.3二甲苯的渗漏

根据本次评价二甲苯的检出限（0.000 6 mg/L）判断，潜水含水层无污染，根据模型计算的结果来看，潜水含水层可能受到二甲苯的影响，但浓度非常低，远远小于检出限。

4.3非正常工况有防渗情景

非正常工况，采取防渗措施，发生点源渗漏叠加正常工况渗漏的影响。

情景设定：石化装置的设备或管线由于连接处（如法兰、焊缝）开裂或腐蚀磨损等原因，会发生物料泄漏［5］。若发生泄漏处的地下水防渗层断裂或破坏，则将导致泄漏污染物污染地下水。

源项选择：选择同一污染物的主要产生源叠加。

源强计算：设定防渗过程中采取的渗漏检测发现及修复非正常工况时间为7 d，破裂泄漏孔径为2 mm，计算源强。

模拟结果显示：潜水含水层未受到污染，但根据模型计算的结果来看，潜水、含水层受到原油、苯、二甲苯泄漏影响，但浓度非常低，远远小于检出限。

5　石化企业地下水污染趋势分析

5.1地下水污染物的产生

通过对石化企业各装置设备特性的分析，确定石化企业易对地下水产生污染的装置包括：各类原油储罐等液态物料储罐基础，可能泄漏含油污水、含硫污水的部分装置，埋地生产污水处理设施、污水池、污油池，埋地污水管道及检查井等。

5.2地下水污染物的入渗途径

地下水污染物由可能发生“跑、冒、滴、漏”的装置设施渗漏出来，自装置设备区渗漏处渗入包气带，通过包气带进入含水层，进入地下水环境，主要为间歇入渗型或连续入渗型。

5.3地下水污染物的扩散方式

污染物进入地下水环境后，随着地下水的流动而进行迁移扩散。污染物随水流的运移主要是水平方向的，污染物在地下水中的运移除受到对流、弥散作用影响以外，还存在物理、化学、微生物等作用，这些作用常常会使污染浓度衰减。在模型建立模拟预测中，由于各种作用参数难以确定，一般只考虑运移过程中的对流、弥散作用［6］。

5.4地下水污染趋势

根据对三种情形下污染物泄漏后在地下水中的运移进行模拟预测，可以得知：

①当石化企业装置设备发生渗漏，在不采取防渗措施时，污染物直接进入地下水环境。通过模拟预测，石油类、苯、二甲苯均会对地下水环境产生一定的污染。随着渗漏时间的增长，污染物影响范围、超标范围、运移距离都会逐渐扩大，这种影响直至污染物停止渗漏才可能有所缓解。不同类型的污染物，由于物料性质不同，各种污染物的浓度及渗漏量均有所不同，因此其影响范围也各自不同。

②当石化企业采取了有效的防渗措施，装置设备发生渗漏时，渗漏量较无防渗措施时大幅度减小，因此对地下水环境的影响也相应大幅度减小。根据模拟预测，在有防渗措施时装置设备发生渗漏，石油类、苯、二甲苯在地下水中均为未检出。

③当石化企业采取了有效的防渗措施，装置设备或管线由于开裂或腐蚀磨损等原因，发生渗漏，渗漏时间为7d，根据模拟预测，石油类、苯、二甲苯在地下水中均浓度非常低，远远小于检出限。

6　结 论

正常工况无防渗情景：原油的渗漏，在厂区：渗漏发生5 a后，潜水含水层原油影响范围0.194 km2，超标范围为0.080 km2，最大运移距离为0.348 km；苯的渗漏，模拟结果显示：泄漏的苯在潜水含水层中13 a后扩散出厂区，厂区下游地下水苯均未超标。二甲苯的渗漏，模拟结果显示：泄漏的二甲苯在潜水含水层中18 a后扩散出厂区，但不超标。

正常工况有防渗情景：原油的渗漏，根据模型计算的结果来看，潜水含水层受到原油影响，但浓度非常低，远远小于检出限；苯的渗漏，模拟结果显示：正常工况有防渗条件下，厂区下游边界处，泄漏的苯在潜水层中未检出；二甲苯的渗漏，根据模型计算的结果来看，潜水含水层可能受到二甲苯的影响，但浓度非常低，远远小于检出限。

非正常工况有防渗情景：采取防渗措施，发生点源渗漏叠加正常工况渗漏的影响。此情景下的地下水污染模拟结果显示，潜水含水层未受到污染，但根据模型计算的结果来看，潜水、含水层受到原油、苯、二甲苯泄漏影响，但浓度非常低，远远小于检出限。

［1］ 陈墨香，邓孝，王钧，等.华北平原地下水热水形成条件与赋存特征［J］.中国地质大学学报，1985（1）：36-39.

［2］ 薛禹群，吴吉春.地下水动力学［M］.北京：地质出版社，2010.

［3］ HJ 610—2011环境影响评价技术导则地下水环境［S］.

［4］ 肖春宝，宁宁.石油化工企业地下水污染防渗［J］.石油化工安全环保技术，2014，30（2）：6-8.

［5］ 芮胜波.石化行业阀门渗漏的原因分析及对策［J］.安全密封，2009（5）：56-57.

［6］ 王焰新.地下水污染与防治［M］.北京：高等教育出版社，2007.

（编辑 李娟）

10.3969/j.issn.1005-3158.2015.06.005

1005-3158（2015）06-0019-04

2015-02-10）

董姝娟，2010年毕业于中国地质大学（北京）地下水科学与工程专业，硕士，现在青岛中油华东院安全环保有限公司从事环评工作。通信地址：山东省青岛市市南区延安三路113号甲，266071