石化企業裝置泄漏對地下水污染趨勢研究

董姝娟 孫鵬飛 孫　穎 王　振

（青島中油華東院安全環保有限公司）

石化企業裝置泄漏對地下水污染趨勢研究

董姝娟 孫鵬飛 孫穎 王振

（青島中油華東院安全環保有限公司）

為研究石化企業不同裝置、不同污染物的泄漏對地下水的污染趨勢，選取某石化廠區為代表，建立地下水流場模型和污染物運移模型，對不同情形下發生泄漏時污染物對地下水環境的污染趨勢進行模擬分析，分析了地下水污染物的產生、入滲途徑、擴散方式以及污染趨勢。正常工況無防滲情景：原油的滲漏，在廠區：滲漏發生5 a后，潛水含水層原油影響范圍0.194 km2，超標范圍為0.080 km2，最大運移距離為0.348 km；苯的滲漏，模擬結果顯示：泄漏的苯在潛水含水層中13 a后擴散出廠區，廠區下游地下水苯均未超標；二甲苯的滲漏，模擬結果顯示：泄漏的二甲苯在潛水含水層中18 a后擴散出廠區，但不超標。

石化企業；泄漏；原油；苯；二甲苯；地下水污染趨勢；數值模擬

0　引 言

石化企業在長期運行中，裝置設備存在一定的“跑、冒、滴、漏”現象。根據對石化企業易污染地下水環境的裝置設施分析，可能發生油品“跑、冒、滴、漏”的設備包括易污染裝置、原油罐區、污水處理廠等。本次選取某石化廠區為代表，建立數值模型，對不同情形下發生泄漏時，污染物對地下水環境的污染趨勢進行模擬分析。

1　地下水流場模型

1.1水文地質概念模型

水文地質概念模型就是對研究區水文地質條件的簡化，使得水文地質條件盡可能簡單明了，但是要準確充分地反映地下水系統的主要功能和特征。受巖性、構造和地形地貌控制，本石化區域地下水含水層分為三個含水層組（即潛水含水層組、第一承壓含水層組、第二承壓含水層組）和兩個弱透水層。

潛水含水層受多期古河道及現代河流變遷、切割影響，其厚度無明顯變化規律，總體厚度在8～20 m，平均厚度15 m左右。第一承壓含水層組底板埋深一般在130～150 m，無明顯分布規律。第二承壓水含水層綜合巖性較簡單，僅有以細砂為主和以粉砂為主兩種類型，空間上呈北向東展布。兩個弱透水層的巖性均以黏性土為主。其中潛水含水層與第一承壓含水層間的弱透水層在模擬區內分布連續，黏性土層總厚度較穩定，平均50 m左右［1］。

在分析評價區實際水文地質條件的基礎上，建立了三維地下水數學模型，其水文地質概念模型為：非均質各向異性；上邊界為降水補給、蒸發和井排泄邊界；下邊界為隔水邊界；側向邊界均概化為流量邊界。

1.2地下水水流三維數學模型

根據水文地質概念模型可寫出如下數學模型［2］：

式中：Ω為滲流區域；h為含水層的水位標高，m；K為滲透系數，m/d；Kn為邊界面法向方向的滲透系數，m/d；S為自由面以下含水層儲水系數，1/m；μ為潛水含水層在潛水面上的重力給水度，無量綱；ε為含水層的源匯項，1/d；p為潛水面的蒸發和降水等，1/d；h0為含水層的初始水位分布，m；Γ0為滲流區域的上邊界，即地下水的自由表面；Γ1為滲流區域的水位邊界；Γ2為滲流區域的流量邊界；Γ3為混合邊界；n~為邊界面的法線方向；q（x，y，z，t）定義為二類邊界的單寬流量，m/d；流入為正，流出為負，隔水邊界為0。

1.3評價區模擬范圍及模型網格剖分

根據石化調查區內淺層與承壓水流場的空間分布特征、廠區周邊水源井的分布情況而確定模擬范圍，面積約215.2 km2。

網格間距為100～300 m，對廠區位置和周邊水源地進行了加密剖分，共剖分有效單元格35 427個，剖分區域在垂向上共分為五層，分別為潛水含水層、第一弱透水層、第一承壓含水層、第二弱透水層、第二承壓含水層。

1.4源匯項及水文地質參數選取

源匯項包括灌溉入滲補給、大氣降水入滲補給、側向徑流補給，以及蒸發排泄、人工開采等。各項均換算成相應分區上的強度，然后分配到相應單元格。

根據地質、水文地質條件的分析，并參考野外抽水實驗的計算結果，對模擬區含水層滲透系數進行分區，通過對模型識別與驗證，最終確定各分區滲透系數及給水度。

1.5模型的識別與檢驗

根據水文地質模型所建立的數學模型，必須反映實際流場的特點，因此，在進行模擬預報前，必須對數學模型進行校正（識別），即校正其參數以及邊界條件等是否能確切地反映計算區的實際水文地質條件。對模型求解后得到在給定水文地質參數和各均衡項條件下地下水位的時空分布。

2　污染物運移模型

2.1溶質運移數學模型

地下水中溶質運移的數學模型可表示為［3］：

式中：αijmn為含水層的彌散度，m2/d；Vm，Vn分別為m 和n方向上的速度分量，m/d；為速度模；C為模擬污染質的濃度，mg/L；ne為有效孔隙度；W為源匯單位面積上的通量，1/d，；Vi為 滲流速度，m/d；C′為源匯的污染質濃度，mg/L。

2.2參數選擇

本次污染質模擬計算的模型識別和計算，受到水質資料的限制，模擬過程未考慮污染物在含水層中的吸附、揮發、生物化學反應，模型中各項參數予以保守性考慮。

3　地下水環境污染情景設定

3.1地下水污染預測因子設定

根據化工風險分析的情景設計及廠區相關裝置的位置，確定主要污染源分布位置，選定優先控制污染物。原油是石化企業的主要生產原料，原油和石化企業生產的成品油、苯和二甲苯均有可能對地下水環境產生污染，苯和二甲苯也是石化企業的主要產品。石化企業產生的苯和二甲苯等量大，一旦污染會對環境產生較為嚴重的影響，且能很好地反映煉油生產過程中污染物的排放特征，具有代表性［4］，因此本次模擬特征污染物選擇石油類、苯和二甲苯。

3.2地下水污染情景預測設定

對以下幾種情景進行模擬預測，預測期為20 a：

①正常工況無防滲情景預測；②正常工況有防滲情景預測；③非正常工況有防滲情景預測。

4　地下水污染預測

4.1正常工況無防滲情景

4.1.1原油的滲漏

正常工況下，可能發生原油“跑、冒、滴、漏”的常減壓蒸餾裝置、原油罐區和火車裝卸區，裝置區或貯運區的“跑、冒、滴、漏”量（即無組織排放量）按流通量或貯存量的0.01%考慮；原油中只有少部分經揮發進入環境空氣，一部分原油可能通過地表進入地下水，按泄漏量的5%考慮。

預測結果顯示：

在廠區：滲漏發生5 a后，潛水含水層原油影響范圍0.194 km2，超標范圍為0.080 km2，最大運移距離為0.348 km；10 a后原油影響范圍為0.310 km2，原油超標范圍為0.129 km2，最大運移距離為0.487 km；20 a后原油影響范圍為0.528 km2，超標范圍為225 km2，最大運移距離為0.846 km。

火車裝卸區：滲漏發生5 a后，潛水含水層原油影響范圍1.012 km2，超標范圍為0.298 km2，最大運移距離為0.604 km；10 a后原油影響范圍為1.157 km2，原油超標范圍為0.578km2，最大運移距離為0.673 km；20 a后原油影響范圍為1.439 km2，超標范圍為0.789 km2，最大運移距離為0.901 km。

模擬結果顯示：正常工況無防滲措施泄漏的條件下，泄漏的原油在潛水含水層中1 a后擴散出廠區，5 a后廠區下游地下水原油開始超標；第一、第二承壓含水層均未檢測到原油污染。

4.1.2苯的滲漏

正常工況下，可能發生苯“跑、冒、滴、漏”的區域主要為芳烴抽提裝置區、苯成品罐區及汽車裝卸區。裝置區或貯運區的“跑、冒、滴、漏”量按流通量或貯存量的0.05%考慮；苯通過地表進入地下水按泄漏量的5%考慮。

模擬結果顯示：正常工況無防滲措施泄漏的條件下，泄漏的苯在潛水含水層中13 a后擴散出廠區，廠區下游地下水苯均未超標。

4.1.3二甲苯的滲漏

正常工況下，可能發生苯“跑、冒、滴、漏”的區域主要為連續重整裝置區、二甲苯成品罐區及裝卸車棧臺。裝置區或貯運區的“跑、冒、滴、漏”量按流通量或貯存量的0.05%考慮；二甲苯通過地表進入地下水按泄漏量的5%考慮。

模擬結果顯示：正常工況無防滲措施泄漏的條件下，泄漏的二甲苯在潛水含水層中18 a后擴散出廠區，但不超標。

4.2正常工況有防滲情景

預測時考慮假定廠區100個滲漏點/km2，每個滲漏點孔徑10 cm，在此基礎上預測裝置區的“跑、冒、滴、漏”對地下水的影響。

滲漏點面積=7.85×10-7km2

因此該情景下的源強，在無防滲的基礎上核算，滲漏量應為原有的7.85×10-7。

4.2.1原油的滲漏

此情景條件下原油滲漏的地下水污染模擬結果顯示，根據本次評價的原油的檢出限（0.01 mg/L）判斷，潛水含水層未受到污染，根據模型計算的結果來看，潛水含水層受到原油影響，但濃度非常低，遠遠小于檢出限。

4.2.2苯的滲漏

根據本次評價苯的檢出限（0.000 6 mg/L）判斷，潛水含水層無污染。模擬結果顯示：正常工況有防滲條件下，廠區下游邊界處，泄漏的苯在潛水層中未檢出。

4.2.3二甲苯的滲漏

根據本次評價二甲苯的檢出限（0.000 6 mg/L）判斷，潛水含水層無污染，根據模型計算的結果來看，潛水含水層可能受到二甲苯的影響，但濃度非常低，遠遠小于檢出限。

4.3非正常工況有防滲情景

非正常工況，采取防滲措施，發生點源滲漏疊加正常工況滲漏的影響。

情景設定：石化裝置的設備或管線由于連接處（如法蘭、焊縫）開裂或腐蝕磨損等原因，會發生物料泄漏［5］。若發生泄漏處的地下水防滲層斷裂或破壞，則將導致泄漏污染物污染地下水。

源項選擇：選擇同一污染物的主要產生源疊加。

源強計算：設定防滲過程中采取的滲漏檢測發現及修復非正常工況時間為7 d，破裂泄漏孔徑為2 mm，計算源強。

模擬結果顯示：潛水含水層未受到污染，但根據模型計算的結果來看，潛水、含水層受到原油、苯、二甲苯泄漏影響，但濃度非常低，遠遠小于檢出限。

5　石化企業地下水污染趨勢分析

5.1地下水污染物的產生

通過對石化企業各裝置設備特性的分析，確定石化企業易對地下水產生污染的裝置包括：各類原油儲罐等液態物料儲罐基礎，可能泄漏含油污水、含硫污水的部分裝置，埋地生產污水處理設施、污水池、污油池，埋地污水管道及檢查井等。

5.2地下水污染物的入滲途徑

地下水污染物由可能發生“跑、冒、滴、漏”的裝置設施滲漏出來，自裝置設備區滲漏處滲入包氣帶，通過包氣帶進入含水層，進入地下水環境，主要為間歇入滲型或連續入滲型。

5.3地下水污染物的擴散方式

污染物進入地下水環境后，隨著地下水的流動而進行遷移擴散。污染物隨水流的運移主要是水平方向的，污染物在地下水中的運移除受到對流、彌散作用影響以外，還存在物理、化學、微生物等作用，這些作用常常會使污染濃度衰減。在模型建立模擬預測中，由于各種作用參數難以確定，一般只考慮運移過程中的對流、彌散作用［6］。

5.4地下水污染趨勢

根據對三種情形下污染物泄漏后在地下水中的運移進行模擬預測，可以得知：

①當石化企業裝置設備發生滲漏，在不采取防滲措施時，污染物直接進入地下水環境。通過模擬預測，石油類、苯、二甲苯均會對地下水環境產生一定的污染。隨著滲漏時間的增長，污染物影響范圍、超標范圍、運移距離都會逐漸擴大，這種影響直至污染物停止滲漏才可能有所緩解。不同類型的污染物，由于物料性質不同，各種污染物的濃度及滲漏量均有所不同，因此其影響范圍也各自不同。

②當石化企業采取了有效的防滲措施，裝置設備發生滲漏時，滲漏量較無防滲措施時大幅度減小，因此對地下水環境的影響也相應大幅度減小。根據模擬預測，在有防滲措施時裝置設備發生滲漏，石油類、苯、二甲苯在地下水中均為未檢出。

③當石化企業采取了有效的防滲措施，裝置設備或管線由于開裂或腐蝕磨損等原因，發生滲漏，滲漏時間為7d，根據模擬預測，石油類、苯、二甲苯在地下水中均濃度非常低，遠遠小于檢出限。

6　結 論

正常工況無防滲情景：原油的滲漏，在廠區：滲漏發生5 a后，潛水含水層原油影響范圍0.194 km2，超標范圍為0.080 km2，最大運移距離為0.348 km；苯的滲漏，模擬結果顯示：泄漏的苯在潛水含水層中13 a后擴散出廠區，廠區下游地下水苯均未超標。二甲苯的滲漏，模擬結果顯示：泄漏的二甲苯在潛水含水層中18 a后擴散出廠區，但不超標。

正常工況有防滲情景：原油的滲漏，根據模型計算的結果來看，潛水含水層受到原油影響，但濃度非常低，遠遠小于檢出限；苯的滲漏，模擬結果顯示：正常工況有防滲條件下，廠區下游邊界處，泄漏的苯在潛水層中未檢出；二甲苯的滲漏，根據模型計算的結果來看，潛水含水層可能受到二甲苯的影響，但濃度非常低，遠遠小于檢出限。

非正常工況有防滲情景：采取防滲措施，發生點源滲漏疊加正常工況滲漏的影響。此情景下的地下水污染模擬結果顯示，潛水含水層未受到污染，但根據模型計算的結果來看，潛水、含水層受到原油、苯、二甲苯泄漏影響，但濃度非常低，遠遠小于檢出限。

［1］ 陳墨香，鄧孝，王鈞，等.華北平原地下水熱水形成條件與賦存特征［J］.中國地質大學學報，1985（1）：36-39.

［2］ 薛禹群，吳吉春.地下水動力學［M］.北京：地質出版社，2010.

［3］ HJ 610—2011環境影響評價技術導則地下水環境［S］.

［4］ 肖春寶，寧寧.石油化工企業地下水污染防滲［J］.石油化工安全環保技術，2014，30（2）：6-8.

［5］ 芮勝波.石化行業閥門滲漏的原因分析及對策［J］.安全密封，2009（5）：56-57.

［6］ 王焰新.地下水污染與防治［M］.北京：高等教育出版社，2007.

（編輯 李娟）

10.3969/j.issn.1005-3158.2015.06.005

1005-3158（2015）06-0019-04

2015-02-10）

董姝娟，2010年畢業于中國地質大學（北京）地下水科學與工程專業，碩士，現在青島中油華東院安全環保有限公司從事環評工作。通信地址：山東省青島市市南區延安三路113號甲，266071