高速公路服务区加油站对地下水的影响研究——以呼北国家高速公路山西离石至隰县段为例

朱二刚

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

近年来，山西省高速公路建设规模快速增长，根据《山西省高速公路网规划调整方案（2009—2020年）》，至 2020年，全省高速公路总里程将达到7 258 km[1]。高速公路服务区均配套建设有加油站等服务设施，随着高速公路规模的不断增长，服务区加油站的数量也在逐渐增加。加油站的埋地储油罐、输油管线由于施工缺陷、自身腐蚀、维护不及时或地质灾害等各种原因易发生渗漏或泄漏，将对地下水环境造成不利影响[2]。加油站储油罐或输油管线一旦发生泄漏，首先必然会污染罐区或管线下面的土壤层，将使土壤层中吸附大量的燃料油，土壤层吸附的燃料油不仅会造成植物、微生物的死亡，而且土壤层吸附的燃料油还会进一步随着地表水的下渗进入地下水含水层，地下水含水层一旦被污染，其恢复需几十年甚至上百年的时间，因此，世界各国都非常重视加油站的环境污染防治工作。呼北国家高速公路山西离石至隰县段是呼和浩特至北海国家高速公路（G59，简称“呼北国家高速公路”）的重要组成部分，同时也是山西省“三纵十二横十二环”高速公路网规划中西纵高速公路主骨架的重要组成部分。本文以呼北国家高速公路山西离石至隰县段为例，研究曹家峪服务区加油站对当地地下水环境的影响，为高速公路服务区加油站的建设及运营过程中对地下水的影响及防治提供一定的参考。

1 服务区加油站地下水环境影响预测

正常工况情况下，由于施工时已对存储地下储罐位置周围、底部以及地表面进行防渗防腐处理，且通常外围有防渗池等设施，如严格按照规章制度进行操作的话，加油站汽油或柴油储罐在一般情况下不会发生渗漏或泄露。

本次研究重点分析非正常工况对地下水的影响。非正常工况为储油罐和输油管线由于自身腐蚀或施工缺陷等原因发生“跑、冒、滴、漏”；非正常工况的极端情况往往为事故安全类，即储油罐和输油管线发生泄漏、渗漏，石油类将会对罐区及输油管线沿线区域土壤产生污染，进而沿着土壤缝隙下渗至含水层对区域地下水产生污染。

1.1 地下水污染途径及方式

工程所在区域地表水通过包气带渗漏补给地下水，渗漏或泄漏的石油类等污染物由地表入渗水的载带作用经包气带下渗到地下含水层。

1.2 预测情景设定

1.2.1 预测范围

根据预测原则，结合项目工程分布特征、主要污染源、主要敏感点分布情况以及地下水补给、径流、排泄情况确定本次预测范围。本次地下水环境影响预测按最不利考虑，对储油罐或输油管线瞬时泄漏的情况进行预测。曹家峪服务区地下水流向为自东北向西南流动，预测范围为服务区加油站下游地下水环境敏感保护目标。

1.2.2 预测时段

本次地下水环境影响预测时段主要为生产运营期。

1.2.3 预测因子及标准

本次模拟预测，根据工程分析和环境影响识别，在选定优先控制污染物的基础上，分别对地下水污染物在不同时段的运移距离、超标范围进行模拟预测，污染情景的源强数据通过工程分析类比调查予以确定。

加油站的主要污染物为石油类。

根据评价区内地下水水质现状以及项目污染源的分布和类型，本次模拟计算选取石油类作为区内的代表性污染物进行预测。由于《地下水质量标准》（GB/T 14848—93）无石油类标准，故本次研究参照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类标准，石油类质量标准为0.05 mg/L。

由于评价区域水文地质条件较简单，本次研究采用解析法对地下水环境影响进行预测。

1.3 预测模型概化

1.3.1 水文地质条件概化

根据调查结果，曹家峪服务区地貌类型为基岩中低山区，为典型的岩溶地貌，地下水类型为石灰岩岩溶裂隙水，是吕梁地区几个大的岩溶泉的主要补给地段。评价区地层结构中上部包气带透水性良好，下部为典型的石灰岩岩溶裂隙水。根据场地含水层分布特征以及地下水径流、排泄情况，水动力弥散特征表现为石灰岩岩溶水运动以岩溶裂隙流为主，且弥散系数以机械弥散系数为主；径流方向受地势影响，渗漏形式为较简单的网状构造裂隙、孔隙性通道，故以纵向弥散为主，次为横向弥散，总的表现为地下水主方向的网状弥散特征。

综上所述，将模拟区概化为一维稳定流二维水动力弥散问题。

1.3.2 污染源概化

根据加油站污染源排放情况及工程布局，本次地下水环境预测污染源排放形式概化为点源。在非正常工况下发生“跑、冒、滴、漏”等瞬时排放，在非正常工况极端状态下污染物将大量瞬时进入地下水，因此排放规律可概化为瞬时注入示踪剂的定浓度边界模型。

1.3.3 数学模型

本次模拟计算，考虑到场区内地下水埋深、场区周边地形地貌等因素，当项目非正常工况下，污染物极可能沿着大孔隙以捷径式入渗的方式快速进入含水层，并随着地下水流动进行迁移，为此本次模拟计算过程忽略污染物在包气带的运移过程。

根据污染特点，本次预测数学模型选取瞬时注入示踪剂——平面瞬时点源数学模型进行预测，当取平行地下水流动方向为x轴正方向时，则求取污染物浓度分布模型如式（1）：

式中：x、y为计算点处的位置坐标；t为时间，d；C（x，y，t） 为 t时刻点 x，y 处的示踪剂浓度，mg/L；M 为承压含水层的厚度，m；mM为长度为M的线源瞬时注入的示踪剂质量，kg；u为水流速度，m/d；n为有效孔隙度，无量纲；DL为纵向弥散系数，m2/d；DT为横向y方向的弥散系数，m2/d；π为圆周率。

1.3.4 模型参数的获取

采用瞬时注入示踪剂——平面瞬时点源数学模型。模型需要参数有：外泄污染物质量m；含水层厚度M；水流的实际平均流速u；含水层有效孔隙度n；污染物在含水层中的弥散系数DL、DT；这些参数主要通过类比勘查成果资料确定。

含水层厚度M：根据调查水文资料，曹家峪服务区地下含水层平均总厚度在10 m以上。

含水层的平均有效孔隙度n：曹家峪服务区场地含水层按砂质泥岩考虑，根据类比经验值取n=0.15。

水流的实际平均流速u：根据含水层岩性等相关资料，确定含水层渗透系数为4.5 m/d。

曹家峪地下水径流方向为由东北向西南呈一维流动，根据调查，水力坡度I平均为0.001 6，因此地下水的平均渗透速度v=KI=4.5 m/d×0.001 6=0.007 2 m/d，污染物在含水层中的运移速度即平均实际流速u=v/n=0.048 m/d。

纵向x方向的弥散系数DL：参考相关资料，模型计算中纵向弥散度αL选用10 m。由此计算曹家峪服务区附近含水层中的纵向弥散系数DL=αL×u=10 m×0.048 m/d=0.48 m2/d。

横向y方向的弥散系数DT：根据经验一般αT/αL=0.1，因此横向弥散度 αT=0.1×αL=1 m，由此计算曹家峪服务区横向y方向弥散系数DT，则DT=αT×u=0.048 m2/d。

1.4 源强计算

油罐泄漏量采用环境风险评价系统（RiskSystem）V1.2.0.4计算，服务区拟设两个油罐，等效为体积90 m3的汽油油罐，罐底裂口面积按底面积的1%计算，底面积约11 m2，则裂口面积为0.11 m2。参数选取见表1。

表1 油罐泄漏量计算参数表

综上，可以计算出汽油泄漏源强为309.57 kg/s。

2 预测结果及分析

本次预测分别对不同污染点源、不同工况下，各主要污染因子在地下水中不同时间段的浓度进行预算，预测时不考虑各种防渗措施的作用，假设各污染因子在发生渗漏后直接对场地地下水环境产生影响。将确定的参数带入污染物浓度分布模型中，便可求出含水层不同位置、不同时刻的石油类浓度分布情况及影响趋势。

污染物在水动力条件作用下，主要自东南向西北流动。预测结果见图1和图2。

图1 加油站罐区泄漏100 d时石油类浓度随距离分布图（单位：mg/L）

由图1可以得出罐区泄漏发生以后第100天时，下游达标距离为48.57 m。

图2 加油站罐区泄漏365 d时石油类浓度随距离分布图（单位：mg/L）

由图2可以得出罐区泄漏发生以后第365天时，下游达标距离为95.54 m。

距离曹家峪服务区最近的下游水井为石宝庄村水井，直线距离约2.1 km，距离较远，根据上述预测结果，加油站罐区发生泄漏365 d时，下游距离95.54 m处石油类浓度能达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类标准要求，而且曹家峪服务区地貌类型为基岩低中山区，场地含水层为泥质灰岩，泥岩隔水性能较好，因此，不会对其水井水质造成影响。

3 结论及建议

3.1 结论

a）通过以呼北国家高速公路山西离石至隰县段为例，采用解析法预测了服务区罐区石油类泄漏对地下水的影响范围。结果表明，罐区泄漏发生100 d时，石油类下游距离达标距离为48.57 m；泄漏发生365 d时，石油类下游达标距离95.54 m。

b）由于不同高速公路服务区加油站所在区域的环境敏感性及水文地质条件差异较大，对地下水产生的影响程度也不尽相同。地下水含水层一旦被污染，其恢复需要很长时间且很难治理。因此，罐区底部必须采取可靠的防渗防漏措施，并采取严格的监测措施，防止重大事故或者事故处理不及时油品泄漏对地下水环境造成影响。

3.2 建议

高速公路服务区加油站须对储油罐内外表面、油罐区地面、输油管线外表面均做防渗防腐处理。罐体应根据相关技术规范的要求采用双层罐，油罐区设置防渗池，防渗池采用防渗钢混凝土整体浇注，防渗池的内表面应衬玻璃钢或其他材料防渗层，防渗池内的空间，应采用中性沙回填，防渗池的上部，应采取防止雨水、地表水和外部泄漏油品渗入池内的措施，埋地加油管道应采用双层管道。此外，油罐、防渗池和管道系统的渗漏检测应采用在线监测系统[3]。