基于土壤预测模型的石油类污染迁移的研究

李新峰 许蔷薇

摘要：选取广东省茂名市某原油储备基地为研究对象，利用土壤常用HYDRUS-1D软件来模拟预测原油储罐发生小孔泄漏后石油类污染物在包气带中的运移情况，计算得出石油类在特定水文地质条件下通过包气带到达地下水面所需时间及不同深度浓度值的变化规律，为地下水影响预测提供可靠的初设条件。

关键词：溶质运移;原油泄漏;土壤预测

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世纪以来，随着我国综合国力的提升，作为国家重要战略储备项目之一的国家石油储备基地工程也在加速建设，自2004年起，我国已陆续在浙江宁波、浙江舟山、山东青岛黄岛、广西北海、广东大亚湾等地建立数个石油储备基地，预计到2020年，石油战略储备量将达到8500万t。石油储备基地的建设，在保障国家能源供给的同时，也成为建设地潜在的环境污染源，以往的环境影响评价工作，重在对地下水环境的影响预测，往往忽略泄漏污染物在土壤包气带中的影响，缺乏对渗入地下水的时间及浓度的定量评估，造成环境应急响应不够精确。

本文运用目前土壤预测最常用且有良好模拟精度的Hydrus-1D软件来建立研究区的水文地质模型，通过构建包气带水流运动和溶质运移模型，模拟储油罐底发生小孔泄漏，石油烃类污染物进入包气带后的迁移转化过程，并预测石油烃类到达潜水含水层时的时间和浓度，为后续地下水影响评价提供影响预测的初始条件。

1 研究区概况

该原油储备基地位于广东省茂名市电白区下村附近，紧邻南海，项目占地面积580亩，设16个10万m3储油罐，储备基地南边界距海岸线约100m，北边界距下村120m。场址区内主要出露地层为第四系全新统，上部为第四系全新统人工堆积层（Q4ml），下部为冲洪积层（Q4al+p1），地层岩性上部为0.5m厚的杂填土，松散，主要成分为粉土、碎石、碎砖等建筑生活垃圾以及13m厚的粗砂层，黄褐色，中等密度，主要成分为长石石英颗粒，呈次圆-浑圆状，较均匀;下部为粉质黏土层，黄褐色，硬塑，土质较均匀，含少量砂砾，富水性差，为区域的相对隔水层。

根据研究区的水文地质勘察报告，该区域地下水埋深为2.7m，包气带内地层为第四系全新统人工堆积层，分为2层，0～0.5m为粉土、碎石层，0.5m～2.7m为粗砂层，区域包气带渗透性强，包气带防护性能弱。

2 研究过程

2.1 模型的构建

本研究应用HYDRUS-1D软件求解非饱和带中的水分与溶质迁移方程，HYDRUS-1D是由美国国家盐改中心（US Salinity laboratory）于1991成功开发的一套用于模拟非饱和多孔介质中水分、能量、溶质运移的数值模型，经改进与完善，得到了广泛的认可与应用。能够较好地模拟水分、溶质与能量在土壤中的分布，时空变化及运移规律，分析人们普遍关注的农田灌溉、环境污染等实际问题。

污染物在包气带的运移和分布受很多因素的控制，如它本身的物理化学性质、土壤性质等。一般认为，水在包气带中运移符合活塞流模式，污染物的弥散、吸附和降解作用所产生的侧向迁移距离远远小于垂向迁移距离，因此，假定污染物在包气带中垂直向下迁移。

2.1.1 水流模型

采用HYDRUS-1D软件中一维垂向饱和-非饱和土壤水中水分运动方程（Richards方程[1]）来刻画水流的运动，即

其中：θ—土壤体积含水率;h—压力水头[L]，饱和带大于零，非饱和带小于零;z、t—分别为垂直方向坐标变量[L]、时间变量[T];k—垂直方向的水力传导度[LT-1];s—作物根系吸水率[T-1]。

初始条件：θ（z，0）=θ0（z）  Z≤z≤0

边界条件：

上边界： z=0

下边界：h（Z，t）=hb（t）

其中：θ0（z）—剖面初始土壤含水率;Z—（地表至下边界距离）[L]，本研究区深度为2.7m，地面为零基准面，此处为-270cm;qs—地表水分通量[LT-1]，蒸散取正值，灌溉和降水入渗取负值，本研究区取负值;hb（t）—下边界压力水头[L]，取自由排水流动边界。

2.1.2 溶质运移模型

根据多孔介质溶质运移理论，考虑土壤吸收的饱和—非饱和土壤溶质运移的数学模型控制方程为：

其中：c—土壤水中污染物浓度[ML-3];ρ—土壤容重[ML-3];s—为单位质量土壤溶质吸附量[MM-1];D—土壤水动力弥散系数[L2T-1];Q—Z方向达西流速[LT-1];A—一般取1。

初始条件：c（z，0）=c0（z）  Z≤z≤0

边界条件：

上边界： z=0

下边界：c（Z，t）=cb（t）

其中：c0（z）为剖面初始土层污染物浓度[ML-3];qz为蒸发强度[LT-1];qs污水下渗水量[LT-1];cs污水中污染物浓度;cb（t）为下边界污染物浓度[ML-3]。

2.2 参数及边界条件的设置

2.2.1 参数设置

2.2.1.1土壤水力参数及溶质运移参数

本次研究对象为储油罐底的小孔泄漏，该类型的泄漏特点为不易察觉且持续时间久，模拟时间选择上，考虑研究区土壤岩性属于强渗透区域，泄漏时间单位选择分钟，模拟时长取800min。区域内包气带土壤特征参数参考美国农业部使用的包气带基本岩性参数，并根据区域滲水试验及土壤理化特性调查结果进行修正，土壤水流模型选用最常用的van Genuchten-Mualem模型。其主要参数见表1。

土壤溶质运移模型选用Equilibrium Model模型，模型中弥散系数参考L W.Gelhar等[2]（1992）对59个不同现场所弥散度的研究成果得出，弥散系数取值35cm2/d，土壤容重2.7g/cm，自由水中扩散系数为22cm2/d。

2.2.1.2渗漏源强（Q）及初设浓度的确定

本研究区渗漏源强按下式计算：Q=K×I

K—场址区包气带垂向等效渗透系数;Ki为第i层的渗透系数;Mi为第i层的厚度，本研究区粉土、碎石层渗透系数为0.62cm/min，粗砂层为1.11cm/min，计算得K=1.02cm/min。

I—水力梯度，由泄漏污染物的液体深度与包气带厚度比值得出，深度根据《石油化工工程防渗技术规范》中10万方储油罐环墙式罐基础的设计要求来确定，罐底板与防渗膜之间有1m的砂垫层，因此深度取最大值1m;包气带厚度2.7m，计算得I=0.37。

则渗漏源强（Q）为0.377cm/min。

根据相关研究结果表明[3-4]，原油溶解在水中成为可溶性油，一般溶解量很少，同时，烃类碳氢化合物在水中的溶解度随其分子量的增大而降低，分子量较小的石油产品，其可溶性可达到0.02～0.08mg/cm3。本研究按危害最大化取值，假设发生“跑、冒、滴、漏”事故状况后，部分油类物质经水稀释溶解后作为非饱水带模型的上边界，初设浓度为0.1mg/cm3（100mg/L）。

2.2.2 边界条件的界定

水流模型：上边界为定通量边界，渗漏源强取通量为-0.377cm/min（负值代表下渗），设定土壤剖面初始压力水头为-270cm。下边界为潜水含水层自由水面，选为自由排水边界。

溶质运移模型：根据储罐区的实际情况，溶质运移模型上边界选择浓度通量边界，污水中石油类浓度为100mg/L，故选择模型上边界初始浓度为100mg/L，下边界选择零浓度梯度边界，土壤中石油类的初始浓度为零。

2.3 网格剖分及观测点

利用HYDRUS-1D中的模块对研究区包气带土层进行剖分，将2.7m土层分2大层，270小层，并分别在N1（30cm）、N2（60cm）、N3（100cm）、N4（200cm）和N5（270cm）等5个不同深度设观测点读取石油类浓度值。包气带分层情况及观测点设置见图1。

3 模拟结果分析

经模型预测，储罐发生原油泄漏进入包气带之后，距离地表以下30cm处（N1观测点）在16.4min时已可以监测到石油类（按检出限0.01mg/L来计），在29.2min时石油类浓度已达污染源浓度的一半，在401.15min时达到恒定浓度0.1mg/cm3;N2、N3、N4和N5观测点分别在泄漏后35.3min、70.3min、158min、218.5min时可以监测到石油类;深处土壤（2m以下）在150min～220min时间段内石油类浓度增加快速，在400min后，逐渐趋于稳定;下边界（2.7m处）在泄漏721.1min后石油类浓度达到污染源浓度。

石油类在5个观测点的浓度随时间变化见图2。

4 结论

本文选取的研究区位于沿海区域，土壤包气带渗透性强，用HYDRUS-1D软件预测了原油罐底发生小孔泄漏后原油在土壤中的运移过程。经预测，不同深度石油类污染物到达时间虽有所不同，但总体来看，泄漏物料在土壤中运移速度很快，距地面以下30cm处，在泄漏后16.4min时已监测到石油类，最深处土层也在泄漏后218.5min，不足4h内到达，下边界最终污染物浓度值与污染源浓度持平。因此，以往在不考虑土壤影响情况下，地下水模拟预测的浓度选取污染源浓度，与实际结果是基本吻合的。土壤阻隔的时间根据包气带的岩性不同而有所差别，在渗透性强的区域，污染物穿透土壤的时间会很短，进而到达含水层，将污染更大区域。因此，针对包气带防护性能差的区域，做好防渗工作更应该成为减缓项目对土壤及地下水环境影响的重要途径。

参考文献

[1]李玮，何江涛，刘丽雅，等.Hydrus-1D软件在地下水污染风险评价中的应用[J].中国环境科学，2013，33（4）：639-647.

[2]Lynn W.Gelhar，Claire Welty，Kenneth，R.Rehfeldt.A critical Review of Data on Field-Scale Dispersion in Aquifers[J].WATER RESOURCES RESEARCH，1992，28（7）：1955-1974.

[3]庄志东.浅议地下储油库（罐）的防泄漏安全措施和地下水的污染防护[J].水文地质工程地质，1999，43（5）：30-32.

[4]邓韬.石油类污染物在包气带中迁移转化研究——以曹妃甸地区为例[D].西安：长安大学硕士学位论文，2010：20-21.

收稿日期：2020-06-14

作者简介：李新峰（1984-），男，工程师，硕士研究生，研究方向为地下水环境、环境影响评价。