高速公路服務區加油站對地下水的影響研究
——以呼北國家高速公路山西離石至隰縣段為例

朱二剛

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

近年來，山西省高速公路建設規模快速增長，根據《山西省高速公路網規劃調整方案（2009—2020年）》，至 2020年，全省高速公路總里程將達到7 258 km[1]。高速公路服務區均配套建設有加油站等服務設施，隨著高速公路規模的不斷增長，服務區加油站的數量也在逐漸增加。加油站的埋地儲油罐、輸油管線由于施工缺陷、自身腐蝕、維護不及時或地質災害等各種原因易發生滲漏或泄漏，將對地下水環境造成不利影響[2]。加油站儲油罐或輸油管線一旦發生泄漏，首先必然會污染罐區或管線下面的土壤層，將使土壤層中吸附大量的燃料油，土壤層吸附的燃料油不僅會造成植物、微生物的死亡，而且土壤層吸附的燃料油還會進一步隨著地表水的下滲進入地下水含水層，地下水含水層一旦被污染，其恢復需幾十年甚至上百年的時間，因此，世界各國都非常重視加油站的環境污染防治工作。呼北國家高速公路山西離石至隰縣段是呼和浩特至北海國家高速公路（G59，簡稱“呼北國家高速公路”）的重要組成部分，同時也是山西省“三縱十二橫十二環”高速公路網規劃中西縱高速公路主骨架的重要組成部分。本文以呼北國家高速公路山西離石至隰縣段為例，研究曹家峪服務區加油站對當地地下水環境的影響，為高速公路服務區加油站的建設及運營過程中對地下水的影響及防治提供一定的參考。

1 服務區加油站地下水環境影響預測

正常工況情況下，由于施工時已對存儲地下儲罐位置周圍、底部以及地表面進行防滲防腐處理，且通常外圍有防滲池等設施，如嚴格按照規章制度進行操作的話，加油站汽油或柴油儲罐在一般情況下不會發生滲漏或泄露。

本次研究重點分析非正常工況對地下水的影響。非正常工況為儲油罐和輸油管線由于自身腐蝕或施工缺陷等原因發生“跑、冒、滴、漏”；非正常工況的極端情況往往為事故安全類，即儲油罐和輸油管線發生泄漏、滲漏，石油類將會對罐區及輸油管線沿線區域土壤產生污染，進而沿著土壤縫隙下滲至含水層對區域地下水產生污染。

1.1 地下水污染途徑及方式

工程所在區域地表水通過包氣帶滲漏補給地下水，滲漏或泄漏的石油類等污染物由地表入滲水的載帶作用經包氣帶下滲到地下含水層。

1.2 預測情景設定

1.2.1 預測范圍

根據預測原則，結合項目工程分布特征、主要污染源、主要敏感點分布情況以及地下水補給、徑流、排泄情況確定本次預測范圍。本次地下水環境影響預測按最不利考慮，對儲油罐或輸油管線瞬時泄漏的情況進行預測。曹家峪服務區地下水流向為自東北向西南流動，預測范圍為服務區加油站下游地下水環境敏感保護目標。

1.2.2 預測時段

本次地下水環境影響預測時段主要為生產運營期。

1.2.3 預測因子及標準

本次模擬預測，根據工程分析和環境影響識別，在選定優先控制污染物的基礎上，分別對地下水污染物在不同時段的運移距離、超標范圍進行模擬預測，污染情景的源強數據通過工程分析類比調查予以確定。

加油站的主要污染物為石油類。

根據評價區內地下水水質現狀以及項目污染源的分布和類型，本次模擬計算選取石油類作為區內的代表性污染物進行預測。由于《地下水質量標準》（GB/T 14848—93）無石油類標準，故本次研究參照《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅲ類標準，石油類質量標準為0.05 mg/L。

由于評價區域水文地質條件較簡單，本次研究采用解析法對地下水環境影響進行預測。

1.3 預測模型概化

1.3.1 水文地質條件概化

根據調查結果，曹家峪服務區地貌類型為基巖中低山區，為典型的巖溶地貌，地下水類型為石灰巖巖溶裂隙水，是呂梁地區幾個大的巖溶泉的主要補給地段。評價區地層結構中上部包氣帶透水性良好，下部為典型的石灰巖巖溶裂隙水。根據場地含水層分布特征以及地下水徑流、排泄情況，水動力彌散特征表現為石灰巖巖溶水運動以巖溶裂隙流為主，且彌散系數以機械彌散系數為主；徑流方向受地勢影響，滲漏形式為較簡單的網狀構造裂隙、孔隙性通道，故以縱向彌散為主，次為橫向彌散，總的表現為地下水主方向的網狀彌散特征。

綜上所述，將模擬區概化為一維穩定流二維水動力彌散問題。

1.3.2 污染源概化

根據加油站污染源排放情況及工程布局，本次地下水環境預測污染源排放形式概化為點源。在非正常工況下發生“跑、冒、滴、漏”等瞬時排放，在非正常工況極端狀態下污染物將大量瞬時進入地下水，因此排放規律可概化為瞬時注入示蹤劑的定濃度邊界模型。

1.3.3 數學模型

本次模擬計算，考慮到場區內地下水埋深、場區周邊地形地貌等因素，當項目非正常工況下，污染物極可能沿著大孔隙以捷徑式入滲的方式快速進入含水層，并隨著地下水流動進行遷移，為此本次模擬計算過程忽略污染物在包氣帶的運移過程。

根據污染特點，本次預測數學模型選取瞬時注入示蹤劑——平面瞬時點源數學模型進行預測，當取平行地下水流動方向為x軸正方向時，則求取污染物濃度分布模型如式（1）：

式中：x、y為計算點處的位置坐標；t為時間，d；C（x，y，t） 為 t時刻點 x，y 處的示蹤劑濃度，mg/L；M 為承壓含水層的厚度，m；mM為長度為M的線源瞬時注入的示蹤劑質量，kg；u為水流速度，m/d；n為有效孔隙度，無量綱；DL為縱向彌散系數，m2/d；DT為橫向y方向的彌散系數，m2/d；π為圓周率。

1.3.4 模型參數的獲取

采用瞬時注入示蹤劑——平面瞬時點源數學模型。模型需要參數有：外泄污染物質量m；含水層厚度M；水流的實際平均流速u；含水層有效孔隙度n；污染物在含水層中的彌散系數DL、DT；這些參數主要通過類比勘查成果資料確定。

含水層厚度M：根據調查水文資料，曹家峪服務區地下含水層平均總厚度在10 m以上。

含水層的平均有效孔隙度n：曹家峪服務區場地含水層按砂質泥巖考慮，根據類比經驗值取n=0.15。

水流的實際平均流速u：根據含水層巖性等相關資料，確定含水層滲透系數為4.5 m/d。

曹家峪地下水徑流方向為由東北向西南呈一維流動，根據調查，水力坡度I平均為0.001 6，因此地下水的平均滲透速度v=KI=4.5 m/d×0.001 6=0.007 2 m/d，污染物在含水層中的運移速度即平均實際流速u=v/n=0.048 m/d。

縱向x方向的彌散系數DL：參考相關資料，模型計算中縱向彌散度αL選用10 m。由此計算曹家峪服務區附近含水層中的縱向彌散系數DL=αL×u=10 m×0.048 m/d=0.48 m2/d。

橫向y方向的彌散系數DT：根據經驗一般αT/αL=0.1，因此橫向彌散度 αT=0.1×αL=1 m，由此計算曹家峪服務區橫向y方向彌散系數DT，則DT=αT×u=0.048 m2/d。

1.4 源強計算

油罐泄漏量采用環境風險評價系統（RiskSystem）V1.2.0.4計算，服務區擬設兩個油罐，等效為體積90 m3的汽油油罐，罐底裂口面積按底面積的1%計算，底面積約11 m2，則裂口面積為0.11 m2。參數選取見表1。

表1 油罐泄漏量計算參數表

綜上，可以計算出汽油泄漏源強為309.57 kg/s。

2 預測結果及分析

本次預測分別對不同污染點源、不同工況下，各主要污染因子在地下水中不同時間段的濃度進行預算，預測時不考慮各種防滲措施的作用，假設各污染因子在發生滲漏后直接對場地地下水環境產生影響。將確定的參數帶入污染物濃度分布模型中，便可求出含水層不同位置、不同時刻的石油類濃度分布情況及影響趨勢。

污染物在水動力條件作用下，主要自東南向西北流動。預測結果見圖1和圖2。

圖1 加油站罐區泄漏100 d時石油類濃度隨距離分布圖（單位：mg/L）

由圖1可以得出罐區泄漏發生以后第100天時，下游達標距離為48.57 m。

圖2 加油站罐區泄漏365 d時石油類濃度隨距離分布圖（單位：mg/L）

由圖2可以得出罐區泄漏發生以后第365天時，下游達標距離為95.54 m。

距離曹家峪服務區最近的下游水井為石寶莊村水井，直線距離約2.1 km，距離較遠，根據上述預測結果，加油站罐區發生泄漏365 d時，下游距離95.54 m處石油類濃度能達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅲ類標準要求，而且曹家峪服務區地貌類型為基巖低中山區，場地含水層為泥質灰巖，泥巖隔水性能較好，因此，不會對其水井水質造成影響。

3 結論及建議

3.1 結論

a）通過以呼北國家高速公路山西離石至隰縣段為例，采用解析法預測了服務區罐區石油類泄漏對地下水的影響范圍。結果表明，罐區泄漏發生100 d時，石油類下游距離達標距離為48.57 m；泄漏發生365 d時，石油類下游達標距離95.54 m。

b）由于不同高速公路服務區加油站所在區域的環境敏感性及水文地質條件差異較大，對地下水產生的影響程度也不盡相同。地下水含水層一旦被污染，其恢復需要很長時間且很難治理。因此，罐區底部必須采取可靠的防滲防漏措施，并采取嚴格的監測措施，防止重大事故或者事故處理不及時油品泄漏對地下水環境造成影響。

3.2 建議

高速公路服務區加油站須對儲油罐內外表面、油罐區地面、輸油管線外表面均做防滲防腐處理。罐體應根據相關技術規范的要求采用雙層罐，油罐區設置防滲池，防滲池采用防滲鋼混凝土整體澆注，防滲池的內表面應襯玻璃鋼或其他材料防滲層，防滲池內的空間，應采用中性沙回填，防滲池的上部，應采取防止雨水、地表水和外部泄漏油品滲入池內的措施，埋地加油管道應采用雙層管道。此外，油罐、防滲池和管道系統的滲漏檢測應采用在線監測系統[3]。