基于HYDRUS-1D模型研究石油烴污染物在土壤中的運移規律

董姝娟，蔡天洲，錢光陽，孟凡偉*

(1.青島中油華東院安全環保有限公司，山東 青島 266071；2.中國石油四川石化有限責任公司，四川 彭州 61190；3.西南管道蘭成渝輸油分公司，四川 成都 610000)

0 引言

石化企業運行過程中發生物料泄漏，不僅會對地下水環境造成影響，也會對土壤環境造成一定影響。在各種污染類型對土壤環境的污染影響中，石油烴污染物對土壤的污染是目前最顯著的土壤環境污染問題之一[1-2]，因此對石化企業罐區物料泄漏情景下，石油烴污染物在土壤中的運移研究就十分必要。HYDRUS-1D模型符合HJ 964—2018 《環境影響評價技術導則 土壤環境(試行)》建議的污染物質在土壤環境中垂向運移的計算方法[3-6]。本文選取該模型，構建土壤非飽和帶水流模型及溶質運移模型，選取A省B市石化企業作為研究對象，對其罐區在發生短時泄漏的風險情景下，石油烴污染物在土壤環境中的遷移進行模擬計算，預測石油烴類在土壤環境中的運移深度、運移時間及濃度變化，進一步提出石化企業保護土壤環境的相關措施。

1 研究區簡介

本石化企業位于A省B市，通過加工原油生產液化氣、汽油、航煤、柴油等成品油產品，并發展下游化工產業，進一步生產聚乙烯、溶聚丁苯橡膠、丁烯等化工產品。廠區總平面布置劃分為四個功能區：生產裝置區、儲運區、輔助生產及公用工程區、生產管理區。生產裝置區按工藝流程集中緊湊布置，包括常減壓蒸餾、催化裂化、連續重整等二十多套裝置。儲運區布置在廠區西部，分布有原油罐區、中間罐區、產品罐區、化學藥劑罐區、倉庫、汽車及鐵路裝卸車設施。輔助生產及公用工程區等分布在聯合裝置區南、西、北兩側，南側分布有污水處理場、事故池、危廢暫存庫，西側分布有中控制、化驗室、動力站、循環水場，北側有辦公樓、消防站、總變電等。

2 研究區土壤條件概況

研究區地貌類型屬于丘陵區，天然包氣帶的厚度約為5～15 m。包氣帶防污性能的好壞不僅對土壤環境的污染程度有影響，而且對地下水環境的污染程度也有直接的影響。本次研究區的包氣帶巖性主要為素填土、殘積土及風化砂巖泥巖互層等，厚度較大，富水性弱，其綜合滲透系數約為2.8×10-5cm/s。研究區內僅有一種土壤類型，為赤紅壤，對其理化性質進行取樣調查，調查結果如表1所示。

表1 土壤理化特性調查結果表

3 研究方法

3.1 污染情景設置

污染情景設定燃料油儲罐發生泄漏，泄漏一段時間后，污染物被發現，及時采取措施對污染源進行控制，污染源得到控制后不再有源強，選擇石油烴作為預測因子進行污染預測。石油烴污染物濃度取其密度1.03×106mg/L，泄漏時間為1 h，為瞬時泄漏。

3.2 數學模型

數學模型包括土壤水流運動模型和土壤的溶質遷移模型，其中土壤水流運動模型的控制數學模型為一維垂向飽和-非飽和土壤水中水分運動方程，土壤的溶質運移模型為考慮土壤吸收的飽和-非飽和土壤水中的溶質遷移控制方程[7-8]。

3.3 數值模型

(1)模擬軟件選取

在本次論文中選擇HYDRUS-1D模型求解非飽和帶中的水分及溶質運移方程。

(2)建立模型

根據對企業所在區域的水文地質調查，參照其地質鉆孔資料，可知項目區天然包氣帶厚度約為5～15 m，因此本次模型選擇自地表向下5.0 m范圍內進行模擬。在計算范圍內設定3個污染物遷移觀測點，從模型計算范圍頂部到底部分別為N1、N2、N3，各個觀測點距模型頂部的地表距離分別為0.5 m、1.5 m、2.5 m。

(3)邊界條件

對于模型中邊界條件概化方法，綜述如下：

①水流運動模型

選定模型上邊界設定壓力水頭邊界，模型下邊界設定為自由排水邊界。

②污染物質遷移模型

污染物質遷移模型上邊界設定為濃度通量邊界，下邊界設定為零濃度梯度邊界。

4 預測計算結果

各觀測點的污染物濃度隨著時間的變化如圖1所示，各時間點石油烴污染物的濃度隨深度變化情況如圖2所示。石油烴污染物檢出濃度為6 mg/kg，換算為觀測濃度為0.019 7 mg/cm3。由圖可知，石油烴污染物進入包氣帶之后，距離地面以下0.5 m處(N1觀測點)在滲漏后6 d開始觀測到石油烴污染物，在第79 d石油烴污染物達到最大濃度222.6 mg/cm3；距離地面以下1.5 m處(N2觀測點)滲漏后64 d開始觀測到石油烴污染物，在第300 d石油烴污染物達到最大濃度110.8 mg/cm3；距離地面以下2.5 m處(N3觀測點)滲漏后165 d開始觀測到石油烴污染物，在第530 d石油烴污染物達到最大濃度82.8 mg/cm3，之后土壤中石油烴污染物濃度逐步減小至未檢出。

圖1 包氣帶各觀測點石油烴污染物濃度隨時間變化示意圖

圖2 包氣帶各時間點石油烴污染物的濃度隨深度變化示意圖

根據土壤含水率、土壤容重、土壤中污染物各觀測點達到的最大濃度核算，N1、N2、N3點所在土壤中石油烴污染物最大增量分別為6.770×104mg/kg、3.37×104mg/kg、2.52×104mg/kg，濃度增量較大，對土壤環境影響較大，發生泄漏時應及時采取措施，從而避免對土壤環境的影響。

5 土壤污染防治措施

依據前述HYDRUS-1D的計算結果，石化企業一旦發生裝置設備的物料泄漏，土壤環境中石油烴污染物的濃度增量較大，對土壤環境的影響較大。因此必須采取措施，按照“源頭控制、末端響應”的原則，從污染物質的產生、擴散、收集、治理各階段進行全方位控制。

(1)項目區范圍內應盡可能進行綠化，以種植有較強吸附能力的植物為主，減少地面裸露，增強對污染物吸附阻隔的功能。

(2)根據項目區所在地的工程地質、水文地質條件和全廠可能發生泄漏的物料性質，進行分區防滲措施。

(3)根據建設項目所在地的地形特點優化地面布局，必要時設置地面硬化、圍堰或圍墻，以防止土壤環境污染。

(4)建立有關規章制度和崗位責任制，每天巡檢一次。制定風險預警方案，設立應急設施，一旦發生物料泄漏，立即啟動應急預案，及時收集、清理，妥善處置。

(5)針對石化企業容易發生物料泄漏以及發生泄漏后不容易發現處置的裝置設備區域，設置長期土壤監控點位，定期對其土壤環境質量進行監測，及時掌握土壤環境質量變化情況，從而可及時采取防治土壤污染的相應措施，減少對土壤環境的影響。

6 結語

本文針對石化企業可能發生的罐區泄漏情景，采用HJ 964—2018 《環境影響評價技術導則 土壤環境(試行)》中推薦的計算方法，利用HYDRUS-1D軟件，對特征污染物石油烴在土壤中的運移進行了預測計算。根據預測結果可知，在發生瞬時泄漏情景下，石油烴污染物進入包氣帶之后，距離地面以下0.5 m處(N1觀測點)在滲漏后6 d開始監測到石油烴污染物，距離地面以下1.5 m處(N2觀測點)滲漏后64 d開始監測到石油烴污染物，距離地面以下2.5 m處(N3觀測點)滲漏后165 d開始監測到石油烴污染物，石油烴污染物在包氣帶中濃度增量較大，對土壤環境影響較大。石化企業應從源頭至末端采取各類相應措施，避免污染事故發生，保護土壤環境。