物探和油品泄露風險評估在地鐵下穿油庫中的應用

劉慶濤，吳邵芳，冀東，王曄，3，仇革

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島巖土工程技術研究中心，山東 青島 266032；3.青島海泊爾建設工程檢測有限公司，山東 青島 266032)

1 引 言

近年來，隨著城市建設的發展，交通壓力變得陡然增加，地鐵作為重要的交通工具變得日益重要，和我們日常生活也是密不可分，國內許多重要城市地鐵建設也是如火如荼。由于地鐵屬于地下工程，在建設的過程中必然受地上及周邊環境的影響較大。地鐵近距離穿越既有管線、加油站、構建筑物等重要基礎設施引起的不利影響已成為當前的研究熱點之一[1]。目前，地鐵線路下穿重要建筑物的實例比比皆是，但是下穿儲油罐的實例還比較少見。儲油罐一般位于地下，一旦發生泄漏事故，對地下巖土體造成的污染及地鐵建設至關重要。康永盛[2]通過有限元和現場監控量測的方法，對地鐵下穿加油站進行了的數值模擬。對于地鐵側穿既有加油站設施，任志亮等[3]采用控制爆破震速，停運加油站，打設減震孔等施工措施。高春陽等[4]結合使用膜界面探測法和地球物理法進行了污染場地的調查，確定了場地中的渣油罐區、柴油罐區和汽油罐區存在污染現象。夏群等[5]采用高密度電阻法對某農藥污染場地進行調查的同時對比了傳統取樣技術的測試數據，結果顯示兩種技術得出的污染結論基本吻合。石油類物質在土中的運移研究得較多，李智霖[6]從試驗研究和數值模擬兩個方向出發，對汽油在非飽和土中的運移規律展開研究。但是對于在巖石中，尤其微風化巖石中的石油遷移研究還比較少。

本文結合工程案例采用地球物理探測結合油品泄露風險評估的兩種方法分別對油庫是否會出現滲漏以及如果出現滲漏，是否會危及地鐵建設來進行研究。其研究成果，對類似工程具有指導和借鑒意義。

2 工程背景

青島某地鐵線路下穿油庫，經調查該油庫位于巖石硐室中，經與油庫相關人員訪談得知，油庫于20世紀70年代開始建造，80年代正式啟用，儲油罐材質為鋼結構，油庫于2008年廢棄，儲油罐及管道內所儲油均已清理完畢。共分布有4個儲油罐，儲油罐長約 72 m、寬約 9.5 m。根據地鐵設計資料可知，地鐵設計拱頂標高大約為 3 m～5 m，油庫底部標高約為 46 m，地鐵隧道下穿油庫段，油庫底部標高與地鐵拱頂標高高差約 40 m～45 m。地鐵拱頂覆巖以微風化花崗巖為主，局部節理發育，局部揭露有煌斑巖巖脈，無明顯的斷裂構造痕跡，地質情況如圖1所示。

圖1 地質剖面圖

3 地球物理探測

3.1 探地雷達工作原理

探地雷達是利用電磁波傳播原理開展工作的一類探測技術，如圖2所示。工作時，發射天線T向地下介質發射一定主頻的電磁波，電磁脈沖在地層介質中傳播時，遇到地下介質中的物性分界面(主要指電導率和介電常數分界面)時，發生波的反射和透射；反射電磁波傳播到地表，被接收天線R接收，由主控臺控制并接收從接收天線傳回的地下反射回波的信息，再存儲每一測點的波形序列、振幅及波的旅行時間。沿整條測線等間隔移動天線，在每一觀測點上可以獲得一個波形序列。

圖2 雷達探測時的工作原理

根據相關研究成果，污染后的水土介質與原狀水土介質相比，電磁波特性會發生改變。短期形成的石油污染土常呈現低介電常數和低電導率特征，經歷長期生化降解過程的污染土通常呈現高電導率特征，這是應用物探方法開展石油烴類污染調查的物理前提。短期內形成的包氣帶內油污染區主要表現為厚度不一、形狀不定的反射信號增強的高幅異常區；毛細帶內油類污染區主要表現為圍繞潛水面上下分布散落的、有相連趨勢的斑點狀或混亂的片狀高幅異常區；含水層內油類污染區主要表現為聚集在含水層頂部的反射信號增強的振幅異常區。經歷長期生化降解過程的污染區在雷達剖面上表現為信號衰減異常，且異常區下方再無有效反射信號。現場工作照片如圖3所示。

圖3 現場工作照片

3.2 數據處理分析

對采集的雷達數據處理采用雷達數據處理分析系統。首先對雷達數據進行批預處理，批預處理主要包括：修改文件頭參數、增益自動調節、帶通濾波、背景消除、滑動平均、反褶積等，依據雷達反射波的相位、頻率與幅值變化綜合判別，從異常中剔除地下管線、地下管井、地下建筑物及地面各種干擾引起的異常，并將確定的異常劃分為地下空洞、脫空異常、土層疏松異常、基巖構造異常、富含水、石油烴污染等類型。

測線1整體自南向北探測，沿巷道中部布設。根據圖4，0 m～3 m深度范圍內同相軸連續，電磁波反射能量較強，根據現場情況推測為測線右側平行于雷達測線直徑約 40 cm的輸油管道的側向反射。圖中油庫位置自上而下形態相似的強反射弧為拱頂位置的管道反射信號，整個雷達剖面反射信號多為洞內管道和構件的側向反射和干擾反射，除輸油管道的側向反射和巷道拱頂的管道干擾雷達圖像未見其他明顯異常。

圖4 1號測線成果解譯

測線2整體自西向東探測，沿巷道中部布設。根據圖5，0 m～3 m深度范圍內同相軸連續，電磁波反射能量較強，根據現場情況推測為測線右側平行于雷達測線直徑約 40 cm的輸油管道的側向反射。每隔 5 m雷達圖像在深度方向上呈現強反射，推測為測線一側用于支撐管道的金屬立柱的側向反射。圖中油庫位置自上而下形態相似的強反射弧為拱頂位置的管道反射信號，整個雷達剖面反射信號多為洞內管道和構件的側向反射和干擾反射，雷達圖像除上述強反射和巷道拱頂的管道干擾外未見其他明顯異常。

圖5 2號測線成果解譯

4 油品泄露風險評估

由于油庫所處圍巖巖性為微風化花崗巖，油品向下滲漏遷移的能力較弱，但由于油庫歷史運營期久遠，其歷史運營活動等相關信息較為缺乏，因此不排除運營過程油庫存在油品泄漏的情形及泄漏產生潛在環境影響的可能性，因此需要對其開展泄漏風險評估工作。

4.1 泄露情景

由于目前沒有關于油庫歷史運營的詳細信息(如油庫巡檢、維修、油庫構造、防滲措施等資料)，因此本次評估通過假定油庫泄漏情景進行分析，具體情景條件如下：

(1)油庫高度為4 m，即油液面標高為50 m；

(2)油庫泄漏口設置在油庫罐體底部；

(3)油庫底面不考慮混凝土對泄漏的阻隔作用；

(4)僅考慮細微泄漏口缺陷造成泄漏；

(5)油庫泄漏的油品假定為20 C條件下汽油；

(6)油庫運營過程配備有應急機制，即存在人為階段性的巡檢活動，預防大泄漏等事故發生及應急補救。

4.2 泄漏源強分析

4.2.1 源強估算方法

根據《建設項目環境風險評價技術導則》(HJ/T169-2018)附錄F中關于液體泄漏的計算，即通過伯努利方程得出的泄漏量計算公式。如式(1)所示。

(1)

其中，QL—液體泄漏速率，kg/s；

P—容器內壓力，Pa；

P0—環境壓力，Pa；

ρ—泄漏液體密度，kg/m3；

g—重力加速度，9.81 m/s2；

h—裂口之上的液位高度，m；

Cd—液體泄漏系數，本次綜合參考相關文獻關于薄壁孔口的泄漏流量系數，取值0.62，屬于無量綱參數；

A—缺陷裂口面積，m2。

由于油庫僅用于儲油用途，不涉及其他生產工藝，油庫罐體不施加任何壓力，因此式(1)中關于容器壓力P=0；由于油庫與外界輸油管道聯通，不屬于密閉容器，因此不涉及環境壓力P0對罐體壓力的影響，因此對式(1)進行簡化，如式(2)所示。

(2)

4.2.2 源強估算結果

根據前期收集到關于油庫及區域資料，本次源強估算以最大泄漏高差條件下，對泄漏口為 1 mm圓形缺陷口、10 mm圓形缺陷口及20 mm圓形缺陷口的情景進行計算分析。采用4.2.1章節中關于泄露量計算公式，具體泄露計算參數及取值如表1所示。

根據表1的源強參數計算出泄漏源強結果，如表2所示。

泄漏源強估算參數及取值 表1

泄漏源強計算結果 表2

根據表2可知，在泄漏口半徑為5 mm及 10 mm的情形下，1天的泄漏量分別為 27.57 t和 110.27 t，因此在存在人員巡檢干預的情形下，該泄漏量極容易引起巡檢人員的關注并觸發泄漏應急機制，因此在后續的評估中排除泄漏口半徑為 5 mm和 10 mm的情景，僅考量泄漏口為 1 mm時庫存容量變化差異不明顯的情形。

4.2.3 單個油罐泄漏排空時間估算

(1)無外加壓力維持油液面情景

為考察單個油罐在發生微小泄漏的情形下排空1個罐體所需的時間，對罐體泄漏過程的非恒定出流進行建模分析。假定油罐在泄漏前后的t1和t2時間內，油液面高度分別為H1和H2，油罐底面為S(如前表1所示，S=684 m2)，則泄漏前后的高差為dH，如圖6所示。

圖6 非恒定流的泄漏過程圖示

因此泄漏過程滿足方程(3)：

(3)

通過對方程(3)進行微積分運算得出泄漏時間滿足式(4)。

(4)

因此在非恒定流的泄漏、無外加壓力維持油液面的情景下排空1個罐體所需的時間滿足式(5)。

(5)

代入表1的計算參數取值得出，在無外加壓力維持油液面條件下，排空1個罐體內油品即Vd=2 736 m3的油品量，需要的時間為T=3 672.2天，即約需要10年，泄漏流量為8.62e-06 m3/s。

(2)有外加壓力維持罐體滿容量情景

在有外力施加(如持續輸入油品)使罐體滿容，即油液面始終保持在 4 m的高度上，根據前述表2的源強計算結果可知，該條件下泄漏流量為 1.725E-05 m3/s，該情景下泄漏出口為恒定流。因此排空 2 736 m3的單個油罐內油品所需時間為 1 836.12天，約為 5.03年。

4.3 泄漏穿透巖層時間估算

4.3.1 油品穿透模型概化

油庫所在位置以下為巖層主要為微風化花崗巖，其節理較發育，賦水性及滲透性較差。由于實際情況下裂隙滲流運動屬于復雜的多相流運動，并且目前尚無關于微風化花崗巖的裂隙分布、寬度等信息，本次評估將不對裂隙流中的復雜性問題進行細化分析、計算及驗證，而是將穿越段區域的裂隙流概化為孔隙流進行討論，即假設油庫以下地層視為可滲透的多孔介質層，巖層內為飽和含水層，以及水或油品在其間的運動滿足達西定律進行油品下滲遷移的評估。

4.3.2 油品穿透時間計算

假設油品泄漏可以持續維持油品下滲，根據達西定律，油品穿透 40 m厚的巖層滿足式(6)。

(6)

其中，Tat—油品穿透40 m厚巖層所需的時間(年，a)；

Dt—巖層厚度，即40 m；

Koil—油品在巖層中傳導系數，即滲透系數(m/d)；

θe—巖層的孔隙度，無量綱參數；通常花崗巖的孔隙度在0.4%～2.8%，本次評估考慮保守情形，選取最大值2.8%，即0.028；

R—巖層的阻滯因子，即介質孔隙本身對油品的阻滯作用，本次評估取值為孔隙度的70%；

根據青島地區經驗，微風化花崗巖段的滲透系數為 0.001 m/d。參考英國環保署與殼牌公司編著的《An Illustrated Handbook of LNAPL Transport and Fate in the Subsurface》關于油品在飽和帶中的水平方向的傳導系數，即滲透系數計算公式，如式(7)所示。該公式通過水的滲透系數折算油品的滲透系數。

(7)

其中，Koil—油品在巖層中傳導系數，即滲透系數(m/d)；

ρn—油品的密度(kg/m3)，本次評估汽油的密度為 740 kg/m3；

ρw—水的密度(kg/m3)，本次評估取值為20 C時水的密度 998.232 kg/m3；

μw—水的動力黏度，本次取值0.001005 Pa·s；

μn—油品的動力黏度，本次評估取值0.00062 Pa·s；

υw—水的運動黏度，本次計算得出1.01e-06 m2/s；

υn—油品的運動黏度，本次計算得出8.38e-07 m2/s；

km—油與水的相對滲透率，無量綱參數。

km—為油品的相對滲透率，其在多孔介質體系中的與自身飽和度與水的飽和度相關，如圖7所示。

圖7 油品自由相與水的相對滲透率與飽和度關系曲線

考慮到泄漏垂向遷移的概化條件下，地層中水接近100%，因此km取值為0.1。此外考慮到飽和帶中垂向滲透系數通常為水平向滲透系數的10%，因此根據上述參數取值代入式(6)和式(7)中，計算出的油品穿透時間約為76.6年，如表3所示。

油品穿透巖層時間計算結果(年，a) 表3

由于油庫于2008年停止使用，目前油庫內罐體油品已清空，從1980年代啟用至今，其為歷史運營期不超出28年。對比4.3.2節的計算結果，即使在假定保守情形下，即將巖層視為和土層類似的、可以滿足油品垂向上遷移擴散的情景下，即使油品存在微小泄漏，在 0.001 m/d的滲透系數條件下，油品在垂向上仍無法穿透 40 m厚的巖層，因此初步識別出油庫歷史運營活動的潛在泄漏不會對地鐵施工產生潛在環境影響。

5 結 論

(1)根據地球物理探測，1號測線和2號測線在雷達圖像上除洞內管道和構件的側向反射和干擾反射，未見其他明顯異常，表明油庫未見滲漏跡象。

(2)油品(假定為汽油)在外力維持其滿容、油液面在 4 m高度、泄漏缺陷在 1 mm的情形下，其滲流為恒定流，泄漏流量為 1.72e-5 m3/s，排空1個罐體體積油品即 2 736 m3的油品需要大約5.03年；

(3)油品在沒有外力維持油液面、在自然重力條件下以非恒定流的方式泄漏，泄漏流量為 8.62e-06 m3/s，排空1個罐體體積油品即2 736 m3的油品需要大約10年；

(4)在將裂隙流概化為孔隙流的假定條件下，結合油品遷移規律和經驗取值，油品持續泄漏并穿透 40 m厚度巖層需要大約76.6年的時間，而油庫歷史運營時間僅為28年，初步判斷油品即使泄漏也未能穿透巖層，油庫的歷史運營不會對地鐵穿越該段區域產生潛在環境影響。