基于HYDRUS-1D模型研究石油烴污染物在土壤中的運移規(guī)律

董姝娟，蔡天洲，錢光陽，孟凡偉*

(1.青島中油華東院安全環(huán)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(yè)運行過程中發(fā)生物料泄漏，不僅會對地下水環(huán)境造成影響，也會對土壤環(huán)境造成一定影響。在各種污染類型對土壤環(huán)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(huán)境污染問題之一[1-2]，因此對石化企業(yè)罐區(qū)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(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 土壤環(huán)境(試行)》建議的污染物質(zhì)在土壤環(huán)境中垂向運移的計算方法[3-6]。本文選取該模型，構(gòu)建土壤非飽和帶水流模型及溶質(zhì)運移模型，選取A省B市石化企業(yè)作為研究對象，對其罐區(qū)在發(fā)生短時泄漏的風(fēng)險情景下，石油烴污染物在土壤環(huán)境中的遷移進行模擬計算，預(yù)測石油烴類在土壤環(huán)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(yè)保護土壤環(huán)境的相關(guān)措施。

1 研究區(qū)簡介

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

2 研究區(qū)土壤條件概況

研究區(qū)地貌類型屬于丘陵區(qū)，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(huán)境的污染程度有影響，而且對地下水環(huán)境的污染程度也有直接的影響。本次研究區(qū)的包氣帶巖性主要為素填土、殘積土及風(fēng)化砂巖泥巖互層等，厚度較大，富水性弱，其綜合滲透系數(shù)約為2.8×10-5cm/s。研究區(qū)內(nèi)僅有一種土壤類型，為赤紅壤，對其理化性質(zhì)進行取樣調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如表1所示。

表1 土壤理化特性調(diào)查結(jié)果表

3 研究方法

3.1 污染情景設(shè)置

污染情景設(shè)定燃料油儲罐發(fā)生泄漏，泄漏一段時間后，污染物被發(fā)現(xiàn)，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(yù)測因子進行污染預(yù)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(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型包括土壤水流運動模型和土壤的溶質(zhì)遷移模型，其中土壤水流運動模型的控制數(shù)學(xué)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(zhì)運移模型為考慮土壤吸收的飽和-非飽和土壤水中的溶質(zhì)遷移控制方程[7-8]。

3.3 數(shù)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(zhì)運移方程。

(2)建立模型

根據(jù)對企業(yè)所在區(qū)域的水文地質(zhì)調(diào)查，參照其地質(zhì)鉆孔資料，可知項目區(qū)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(nèi)進行模擬。在計算范圍內(nèi)設(shè)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(shè)定壓力水頭邊界，模型下邊界設(shè)定為自由排水邊界。

②污染物質(zhì)遷移模型

污染物質(zhì)遷移模型上邊界設(shè)定為濃度通量邊界，下邊界設(shè)定為零濃度梯度邊界。

4 預(yù)測計算結(jié)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(jù)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(huán)境影響較大，發(fā)生泄漏時應(yīng)及時采取措施，從而避免對土壤環(huán)境的影響。

5 土壤污染防治措施

依據(jù)前述HYDRUS-1D的計算結(jié)果，石化企業(yè)一旦發(fā)生裝置設(shè)備的物料泄漏，土壤環(huán)境中石油烴污染物的濃度增量較大，對土壤環(huán)境的影響較大。因此必須采取措施，按照“源頭控制、末端響應(yīng)”的原則，從污染物質(zhì)的產(chǎn)生、擴散、收集、治理各階段進行全方位控制。

(1)項目區(qū)范圍內(nèi)應(yīng)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(jù)項目區(qū)所在地的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和全廠可能發(fā)生泄漏的物料性質(zhì)，進行分區(qū)防滲措施。

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

(4)建立有關(guān)規(guī)章制度和崗位責任制，每天巡檢一次。制定風(fēng)險預(yù)警方案，設(shè)立應(yīng)急設(shè)施，一旦發(fā)生物料泄漏，立即啟動應(yīng)急預(yù)案，及時收集、清理，妥善處置。

(5)針對石化企業(yè)容易發(fā)生物料泄漏以及發(fā)生泄漏后不容易發(fā)現(xiàn)處置的裝置設(shè)備區(qū)域，設(shè)置長期土壤監(jiān)控點位，定期對其土壤環(huán)境質(zhì)量進行監(jiān)測，及時掌握土壤環(huán)境質(zhì)量變化情況，從而可及時采取防治土壤污染的相應(yīng)措施，減少對土壤環(huán)境的影響。

6 結(jié)語

本文針對石化企業(yè)可能發(fā)生的罐區(qū)泄漏情景，采用HJ 964—2018 《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 土壤環(huán)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(yù)測計算。根據(jù)預(yù)測結(jié)果可知，在發(fā)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(jiān)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(jiān)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(jiān)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(huán)境影響較大。石化企業(yè)應(yīng)從源頭至末端采取各類相應(yīng)措施，避免污染事故發(fā)生，保護土壤環(huán)境。