石油开采对陕北生态脆弱区地质环境影响成灾机理分析*

宁奎斌，陶 虹，孙晓东，李 勇，郑苗苗，5，李文莉，5

(1.矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室，陕西 西安 710054；2.陕西省地质调查院，陕西 西安 710043；3.陕西省地质环境监测总站，陕西 西安 710054；4.陕西省国土资源厅，陕西 西安 710082；5.长安大学，陕西 西安 710054)

陕北位于陕西省北部，油、气、煤、盐等资源优势突出，但自然条件恶劣、生态环境脆弱。石油预测资源总量约40亿t，居全国第5位。石油的规模化开采从2003年开始，至今已有10余年，油井总数达到2万余口。石油开采在为国家经济建设做出巨大贡献的同时，也对陕北的生态环境造成较大破坏和污染。在我国石油开采对环境影响及其恢复治理方法研究启步较晚，研究方向以探索石油污染物在大气、水体、土壤等介质中的运移规律为主[1-10]，对区域污染现状、影响因素及成灾机理研究较少。随着开采规模的不断加大，石油污染物危害也逐年加剧，在油井开采及管输经过区域，石油污染已严重威胁到当地群众的饮用水安全，成为一种特殊的人为灾害。2017年，陕西省国土资源厅、陕西省地质调查院组织开展“陕北石油开采区地质环境调查”，通过广泛收集资料、野外调查取样和室内测试等方法，初步掌握了陕北石油开采区地表水、土壤、地下水区域污染现状。本文以该项目为基础，综合分析石油开采对陕北生态脆弱区地质环境影响因素及成灾机理，对陕北石油开采区提出了地质环境保护措施建议。

1研究区概况

1.1 地质环境背景条件

1.1.1 地形地貌

研究区位于鄂尔多斯盆地南部，地貌复杂多样。北端为风沙滩地，属毛乌素沙漠，包括定边、靖边北部，地面开阔平缓，地形起伏较小，海拔1 123～1 450 m，总体从南向北微倾，坡度3°～7°。南部为黄土高原，延安以北为黄土梁峁区，沟壑纵横，地面非常破碎，延安以南为中低山夹黄土塬，塬面平坦。研究区总的地势是西北高，东南低，海拔800～1 400 m。

1.1.2 地质构造

研究区地处华北地台鄂尔多斯地块的东南部，构造上受鄂尔多斯盆地伊陕斜坡控制，表现为一向西缓倾的单斜构造，倾角1°～3°，断裂和褶皱构造不发育。

1.1.3 气象水文

研究区属半干旱大陆性季风气候，四季分明、日照充足、昼夜温差大,年均降水量300～500 mm，年蒸发量为900～1 000 mm。降水量由东南向西北递减，而蒸发量由南向北递增。降水量季节性变化大，分配极不均匀，降水量的年际变化也较明显。10月下旬到翌年4月上旬为冻土期，冻土厚度达1～1.2 m。夏季气温高，各月平均气温在20℃以上，冬季平均气温-7.8～4.1℃。

研究区属黄河流域，区内河流较为发育，主要有洛河、延河、清涧河等。

1.1.4 水文地质条件

研究区地下水按含水介质及埋藏类型可分为松散岩类孔隙裂隙水和碎屑岩类孔隙裂隙水(图1)。

图1 工作区水文地质图

1.1.4.1 松散岩类孔隙裂隙水

(1)风积、冲湖积粉细砂、粉土孔隙潜水

主要分布于长城沿线以北沙漠滩地，含水层主要为上更新统冲湖积相萨拉乌苏组粉细砂、中细砂夹粉土。含水层厚度主要受古地形地貌控制，古河道、古洼地中心最厚，由中心向外逐渐变薄，一般厚度25～50 m。在较大滩地的中部，地下水均较丰富，地下水位埋深1～4 m，单井出水量720～1 200 m3/d，富水性中等。

(2)风积黄土孔隙、裂隙潜水

主要分布在黄土塬区，含水层主要为第四系中、上更新统黄土状粉质粘土和古土壤层，局部地段可至下更新统黄土状粉质粘土层。其富水性的一般规律是中、上更新统黄土层较下更新统好。水位埋深多为50～80 m，单井出水量20～80 m3/d。以降水入渗补给为主，在沟谷中多以泉水排泄。由于补给、迳流、排泄畅通，地下水矿化度均小于1 g/L。

(3)冲积砂、砂卵石层孔隙潜水

主要分布于洛河、延河、清涧等河谷低阶地，含水层为中更新统至全新统砂、砂砾卵石层。厚度一般小于30 m，水位埋深1～10 m，富水性差别很大，降深4～6 m，单井出水量150～300 m3/d。地下水主要来源于河水侧渗补给。

1.1.4.2 碎屑岩类孔隙裂隙水

广泛分布于研究区，除沟谷中有出露外，多被第四系覆盖。地下水常具有承压性质，潜水或承压水头埋深由十余米至百余米不等，于沟谷中有的呈自流溢出地表，自流水头高者可达15 m以上。由于基岩在区内倾斜平缓，近于水平，地层中砂岩、泥岩互层迭置，裂隙稀疏，且很少张开，补给条件差，因而基岩裂隙水也难于富集，一般所见的基岩裂隙泉流量估测多在0.1 L/s左右。

1.2 石油开采概况

陕北石油开采自1907年始，已超过100年历史。由于陕北石油具有油藏规模小、分散、油层低渗透的特点，原油开发多年产量较低。2003年后以油气并举为突破，产量实现了1 000万t，之后的10年产量迅速上升，2012年油气产量超过4 500万t，初步实现“西部大庆”的建设目标。目前油田开采分属长庆和延长两家大型企业，共有采油井超过2万口，运输以管输为主，管道总长超过2万km。

2 灾害现状评价

2.1 致灾概况

本次共调查近年陕北管道破裂、油井事故等原油泄漏事故29起，石油污染已破坏开采区内的耕地、林地及部分河段，部分村庄村民饮用水已严重污染。2013年4月7日，陕北某镇井场试油过程中发生井喷事故，外喷原油约30 t左右，造成污染土地面积近0.67 hm2；2014年6月24日，延安市某地输油管线被挖掘机挖破，泄漏原油30 t左右，原油直接流入某镇繁华街道，造成较大经济损失；2015年8月2日，某采油厂一油井平台4195井场发生原油泄漏，导致3.8 m3原油泄漏，污染河水从河道流入，共污染河道约8 km，流经了陕西省、甘肃省的3个县。大量事实表明，原油污染事件逐年增加，已对陕北群众生活构成一定程度危害，是陕北石油开采区新的灾害类型。

2.2 现状评价

2.1.1 工作方法

本次石油开采对地质环境影响现状评价，以取样化验分析结果为依据，共统计取样点212组，其中地下水样本39组、地表水样本89组、土壤样本84组(图2)。样品主要取自输油管线及开采作业区，地下水取样以潜水为主，地表水取样点一般位于漏油点或采油作业区500 m以内的河沟内，土壤取样点位于漏油点或采油作业区地表以下20～30 cm处。

图2 取样点分布示意图

图3 石油物质检出点分布示意图

2.1.2 评价标准

地下水各项指标污染评价限值由《地下水质量标准》(GBT14848-2014)[11]Ⅲ类水质标准值确定，由于《地下水质量标准》(GBT14848-2014)中无石油类取值标准，故石油类测试超标限值参考《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)[12]Ⅲ类水质标准，取0.05 mg/L；地表水污染评价指标限值根据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅲ类水质标准限值，石油类为0.05 mg/L；土壤石油物质超标限值由《土壤环境质量标准》(GB15618-2008)[13]第二级标准的农业用地标准值确定，限值500 mg/kg(表1)。

表1 石油类测试标准值一览表

2.1.3 地质环境现状分析

本次调查研究表明，石油开采对陕北生态脆弱区地质环境的污染以土壤为主，84组土壤样品中，石油物质有检出的样品72组，占样品总数的85.7%；对地表水有一定程度影响， 89组地表水样品中，石油物质有检出的样品17组，占样品总数的19.1%；地下水目前基本未受石油泄漏污染(图3)。

(1)地表水

经取样分析，地表水89套样品中，石油物质未检出(石油物质含量 ≤ 0.02 mg/L)的样本72组，占本次综合分析样本总数的80.9%；石油物质有检出但未达到超标限值(0.02 < 石油物质含量 ≤ 0.05)16组，占本次综合分析样本总数的18.0%；石油物质超标点1组，占本次综合分析样本总数的1.1%。此外，氯化物、硫酸盐、硝酸盐、氨氮、铬(六价铬)有不同程度超标，超标点主要位于洛河流域。

(2)土壤

84组土壤样本中石油物质未检出的有12组，占样本总数的14.3%；石油物质有检出但含量低于《GB15618-2008土壤环境质量标准》一级土壤质量标准限值(100 mg/kg)的样品有61组，占全部样品的72.6%，说明该点位土壤环境处于一级土壤质量，受石油开采运输影响较小；石油物质含量在100 ～500 mg/kg的样品11组，占全部样品的13.1%，说明该点位已受到石油开采的影响，但尚处于标准规定的范围之内。土壤样品石油物质最高测试值为329 mg/kg。

(3)地下水

39组地下水样均无石油类超标，反映出工作区内地下水基本未受到原油污染。

研究区内地下水主要超标项为TDS、总硬度、SO42-、 CL-、NO3-、大肠杆菌超标，部分取样点Cr6+等超标，均反映出原生地质环境和人类活动对地下水的影响。工作区大部分位于陕北黄土高原，松散层孔隙裂隙潜水及基岩风化壳中的浅层潜水在水平方向上随地貌单元及地质条件的不同，水质有明显差异。在吴起～郝滩西北一带，地下水化学类型复杂，为重碳酸-硫酸、硫酸氯化物或氯化物型水，矿化度一般为1～3 g/L，在定边一带，达到3 g/L以上。在吴起地区，由于黄土区西北边缘黄土本身的可溶盐含量较高，加之气候干旱、降水量少，盐分淋滤流失作用较弱，使得该区矿化度较高，一般为3～10 g/L。

3 成灾机理分析

3.1 主要成灾原因

陕北石油污染以报废油井污染、采油废水污染及事故泄漏污染为主。调查研究表明，输油管线泄漏污染是石油开采影响地质环境的主要因素之一。

3.1.1 报废油井污染

陕北油田开发历史较长，自20世纪规模开采以来，报废油井数量逐年增多。受当时开采工艺及技术条件限制，井管防腐措施十分落后，这些废弃井并未实行规范的封井措施，井管破损是引发土壤、地下水污染的隐患之一。

3.1.2 采油废水排放污染

陕北石油开采井多面广，含水率高，采油废水就地排放时对井场周围及地表水造成严重污染。虽然近年企业已加大了对采油废水的治理，但从本次监测结果看，井场周边土壤、地表水污染仍是区内石油物质污染高发区，使得污染河段地表水高氯化物、高矿化度。

3.1.3 开发事故污染

石油开采及运输过程中，井场事故、管线泄漏、修井喷油等，均可造成原油泄漏而引发污染；人为打眼盗油、污油处理不当，都使油区地质环境受到严重污染。仅2016年，陕北就有二十余起漏油事件发生，引起社会广泛关注。

3.2 成灾机理分析

目前，输油管线泄漏是陕北地质环境污染主要致灾因素之一。

输油管道一般敷设在地表下数米，当管道在埋地敷设段内发生泄漏，原油则在土壤内部由于重力作用沿垂直方向渗透，由于原油黏度和凝固点较高且流动性较差，加上黄土对原油具有很强的截流能力，因此泄漏原油很难向土壤深层迁移。影响原油污染范围的因素有原油的泄漏量、存留时间及环境温度等。一般原油泄漏事故能被及时发现，并得到控制及清理，影响范围不大，原油下渗到地下水中的可能性很小，故陕北石油开采区地下水质基本没有受到污染。

输油管原油泄漏对土壤的影响，随着土壤深度增加而呈逐渐递减的趋势。在某一漏油点，分别在地表5～30 cm处、管道上50 cm、管道上10 cm、管道下5～10 cm、管道下30 cm、管道下60 cm进行剖面取样，石油含量测值分别为246、153、107、未检出、27、19.9 mg/kg (图4)，反映出随着土壤深度增大，石油物质含量逐渐减少。在距地表30 cm以内，石油物质测值可达246 mg/kg，而60 cm处取样，石油物质含量迅速降至背景值水平以下，该地区地下水石油类物质未检出。陕北黄土高原区地下水位埋深十余米至百余米不等，土壤对石油物质的过滤起到了保护地下水不受污染的作用。

图4 石油物质随土壤深度含量变化曲线

输油管线泄漏对地表水的污染一般在管道沟、谷处，管线一般采用索跨、桁架或河底穿越方式通过，若发生泄露，原油顺着沟道向下游迁移，可能进入下游河流中对地表水体产生污染影响。石油类污染物在水体中的迁移转化的方式主要有水面扩散、弥散和降解三种，油类在水体表面扩散的速度很快，一般情况下，油类在水表面1 d就可以完全扩散，形成临界厚度的原油薄膜层，而后分裂为油膜碎片。油膜的存在，将导致水体与空气之间的物质交换途径被阻断，造成水体溶氧的困难。水中缺氧将使水质变坏，影响水中生物的生存。

4 对策建议

本次调查结果表明陕北石油开采区地下水质量受石油开采影响较小，石油长期开发污染土壤、地表水等环境，造成较大的社会影响，应予以高度重视。

(1)针对主要开采作业区及影响较大的原油泄漏区开展地质环境污染详细调查，建立石油污染综合评价指标体系，开展大比例尺石油污染现状及污染风险性评价，为有针对性地开展陕北石油开采污染治理提供技术支撑。

(2)建立地质环境污染监测网络，对油区地质环境质量变化情况定期监测，确保能及时发现污染问题并采取措施，使地质环境问题作到可控可防，支撑国土部门履行“监测、监督防止地下水过量开采和污染”的行政职能。

(3)国土部门加强监管。石油作为能源矿产，其开采过程中对地质环境的影响不容忽视，国土部门作为其监管单位，应坚持预防为主、防治结合，谁开发谁保护、谁破坏谁治理、谁投资谁受益的原则，严格按照《矿山地质环境保护规定》，协同环保、公安等部门做好监督管理工作；督促石油矿山企业(延长石油、长庆油田)加强地质环境保护意识，在生产过程当中做好地质环境保护工作；对于违反《矿山地质环境保护规定》的行为依法查处。