基于HYDRUS-1D模型研究石油烃污染物在土壤中的运移规律

董姝娟，蔡天洲，钱光阳，孟凡伟*

(1.青岛中油华东院安全环保有限公司，山东 青岛 266071；2.中国石油四川石化有限责任公司，四川 彭州 61190；3.西南管道兰成渝输油分公司，四川 成都 610000)

0 引言

石化企业运行过程中发生物料泄漏，不仅会对地下水环境造成影响，也会对土壤环境造成一定影响。在各种污染类型对土壤环境的污染影响中，石油烃污染物对土壤的污染是目前最显著的土壤环境污染问题之一[1-2]，因此对石化企业罐区物料泄漏情景下，石油烃污染物在土壤中的运移研究就十分必要。HYDRUS-1D模型符合HJ 964—2018 《环境影响评价技术导则 土壤环境(试行)》建议的污染物质在土壤环境中垂向运移的计算方法[3-6]。本文选取该模型，构建土壤非饱和带水流模型及溶质运移模型，选取A省B市石化企业作为研究对象，对其罐区在发生短时泄漏的风险情景下，石油烃污染物在土壤环境中的迁移进行模拟计算，预测石油烃类在土壤环境中的运移深度、运移时间及浓度变化，进一步提出石化企业保护土壤环境的相关措施。

1 研究区简介

本石化企业位于A省B市，通过加工原油生产液化气、汽油、航煤、柴油等成品油产品，并发展下游化工产业，进一步生产聚乙烯、溶聚丁苯橡胶、丁烯等化工产品。厂区总平面布置划分为四个功能区：生产装置区、储运区、辅助生产及公用工程区、生产管理区。生产装置区按工艺流程集中紧凑布置，包括常减压蒸馏、催化裂化、连续重整等二十多套装置。储运区布置在厂区西部，分布有原油罐区、中间罐区、产品罐区、化学药剂罐区、仓库、汽车及铁路装卸车设施。辅助生产及公用工程区等分布在联合装置区南、西、北两侧，南侧分布有污水处理场、事故池、危废暂存库，西侧分布有中控制、化验室、动力站、循环水场，北侧有办公楼、消防站、总变电等。

2 研究区土壤条件概况

研究区地貌类型属于丘陵区，天然包气带的厚度约为5～15 m。包气带防污性能的好坏不仅对土壤环境的污染程度有影响，而且对地下水环境的污染程度也有直接的影响。本次研究区的包气带岩性主要为素填土、残积土及风化砂岩泥岩互层等，厚度较大，富水性弱，其综合渗透系数约为2.8×10-5cm/s。研究区内仅有一种土壤类型，为赤红壤，对其理化性质进行取样调查，调查结果如表1所示。

表1 土壤理化特性调查结果表

3 研究方法

3.1 污染情景设置

污染情景设定燃料油储罐发生泄漏，泄漏一段时间后，污染物被发现，及时采取措施对污染源进行控制，污染源得到控制后不再有源强，选择石油烃作为预测因子进行污染预测。石油烃污染物浓度取其密度1.03×106mg/L，泄漏时间为1 h，为瞬时泄漏。

3.2 数学模型

数学模型包括土壤水流运动模型和土壤的溶质迁移模型，其中土壤水流运动模型的控制数学模型为一维垂向饱和-非饱和土壤水中水分运动方程，土壤的溶质运移模型为考虑土壤吸收的饱和-非饱和土壤水中的溶质迁移控制方程[7-8]。

3.3 数值模型

(1)模拟软件选取

在本次论文中选择HYDRUS-1D模型求解非饱和带中的水分及溶质运移方程。

(2)建立模型

根据对企业所在区域的水文地质调查，参照其地质钻孔资料，可知项目区天然包气带厚度约为5～15 m，因此本次模型选择自地表向下5.0 m范围内进行模拟。在计算范围内设定3个污染物迁移观测点，从模型计算范围顶部到底部分别为N1、N2、N3，各个观测点距模型顶部的地表距离分别为0.5 m、1.5 m、2.5 m。

(3)边界条件

对于模型中边界条件概化方法，综述如下：

①水流运动模型

选定模型上边界设定压力水头边界，模型下边界设定为自由排水边界。

②污染物质迁移模型

污染物质迁移模型上边界设定为浓度通量边界，下边界设定为零浓度梯度边界。

4 预测计算结果

各观测点的污染物浓度随着时间的变化如图1所示，各时间点石油烃污染物的浓度随深度变化情况如图2所示。石油烃污染物检出浓度为6 mg/kg，换算为观测浓度为0.019 7 mg/cm3。由图可知，石油烃污染物进入包气带之后，距离地面以下0.5 m处(N1观测点)在渗漏后6 d开始观测到石油烃污染物，在第79 d石油烃污染物达到最大浓度222.6 mg/cm3；距离地面以下1.5 m处(N2观测点)渗漏后64 d开始观测到石油烃污染物，在第300 d石油烃污染物达到最大浓度110.8 mg/cm3；距离地面以下2.5 m处(N3观测点)渗漏后165 d开始观测到石油烃污染物，在第530 d石油烃污染物达到最大浓度82.8 mg/cm3，之后土壤中石油烃污染物浓度逐步减小至未检出。

图1 包气带各观测点石油烃污染物浓度随时间变化示意图

图2 包气带各时间点石油烃污染物的浓度随深度变化示意图

根据土壤含水率、土壤容重、土壤中污染物各观测点达到的最大浓度核算，N1、N2、N3点所在土壤中石油烃污染物最大增量分别为6.770×104mg/kg、3.37×104mg/kg、2.52×104mg/kg，浓度增量较大，对土壤环境影响较大，发生泄漏时应及时采取措施，从而避免对土壤环境的影响。

5 土壤污染防治措施

依据前述HYDRUS-1D的计算结果，石化企业一旦发生装置设备的物料泄漏，土壤环境中石油烃污染物的浓度增量较大，对土壤环境的影响较大。因此必须采取措施，按照“源头控制、末端响应”的原则，从污染物质的产生、扩散、收集、治理各阶段进行全方位控制。

(1)项目区范围内应尽可能进行绿化，以种植有较强吸附能力的植物为主，减少地面裸露，增强对污染物吸附阻隔的功能。

(2)根据项目区所在地的工程地质、水文地质条件和全厂可能发生泄漏的物料性质，进行分区防渗措施。

(3)根据建设项目所在地的地形特点优化地面布局，必要时设置地面硬化、围堰或围墙，以防止土壤环境污染。

(4)建立有关规章制度和岗位责任制，每天巡检一次。制定风险预警方案，设立应急设施，一旦发生物料泄漏，立即启动应急预案，及时收集、清理，妥善处置。

(5)针对石化企业容易发生物料泄漏以及发生泄漏后不容易发现处置的装置设备区域，设置长期土壤监控点位，定期对其土壤环境质量进行监测，及时掌握土壤环境质量变化情况，从而可及时采取防治土壤污染的相应措施，减少对土壤环境的影响。

6 结语

本文针对石化企业可能发生的罐区泄漏情景，采用HJ 964—2018 《环境影响评价技术导则 土壤环境(试行)》中推荐的计算方法，利用HYDRUS-1D软件，对特征污染物石油烃在土壤中的运移进行了预测计算。根据预测结果可知，在发生瞬时泄漏情景下，石油烃污染物进入包气带之后，距离地面以下0.5 m处(N1观测点)在渗漏后6 d开始监测到石油烃污染物，距离地面以下1.5 m处(N2观测点)渗漏后64 d开始监测到石油烃污染物，距离地面以下2.5 m处(N3观测点)渗漏后165 d开始监测到石油烃污染物，石油烃污染物在包气带中浓度增量较大，对土壤环境影响较大。石化企业应从源头至末端采取各类相应措施，避免污染事故发生，保护土壤环境。