董姝娟 孫鵬飛 孫　穎 王　振

（青島中油華東院安全環(huán)保有限公司）

石化企業(yè)裝置泄漏對(duì)地下水污染趨勢(shì)研究

董姝娟 孫鵬飛 孫穎 王振

（青島中油華東院安全環(huán)保有限公司）

為研究石化企業(yè)不同裝置、不同污染物的泄漏對(duì)地下水的污染趨勢(shì)，選取某石化廠區(qū)為代表，建立地下水流場(chǎng)模型和污染物運(yùn)移模型，對(duì)不同情形下發(fā)生泄漏時(shí)污染物對(duì)地下水環(huán)境的污染趨勢(shì)進(jìn)行模擬分析，分析了地下水污染物的產(chǎn)生、入滲途徑、擴(kuò)散方式以及污染趨勢(shì)。正常工況無防滲情景：原油的滲漏，在廠區(qū)：滲漏發(fā)生5 a后，潛水含水層原油影響范圍0.194 km2，超標(biāo)范圍為0.080 km2，最大運(yùn)移距離為0.348 km；苯的滲漏，模擬結(jié)果顯示：泄漏的苯在潛水含水層中13 a后擴(kuò)散出廠區(qū)，廠區(qū)下游地下水苯均未超標(biāo)；二甲苯的滲漏，模擬結(jié)果顯示：泄漏的二甲苯在潛水含水層中18 a后擴(kuò)散出廠區(qū)，但不超標(biāo)。

石化企業(yè)；泄漏；原油；苯；二甲苯；地下水污染趨勢(shì)；數(shù)值模擬

0　引 言

石化企業(yè)在長(zhǎng)期運(yùn)行中，裝置設(shè)備存在一定的“跑、冒、滴、漏”現(xiàn)象。根據(jù)對(duì)石化企業(yè)易污染地下水環(huán)境的裝置設(shè)施分析，可能發(fā)生油品“跑、冒、滴、漏”的設(shè)備包括易污染裝置、原油罐區(qū)、污水處理廠等。本次選取某石化廠區(qū)為代表，建立數(shù)值模型，對(duì)不同情形下發(fā)生泄漏時(shí)，污染物對(duì)地下水環(huán)境的污染趨勢(shì)進(jìn)行模擬分析。

1　地下水流場(chǎng)模型

1.1水文地質(zhì)概念模型

水文地質(zhì)概念模型就是對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)條件的簡(jiǎn)化，使得水文地質(zhì)條件盡可能簡(jiǎn)單明了，但是要準(zhǔn)確充分地反映地下水系統(tǒng)的主要功能和特征。受巖性、構(gòu)造和地形地貌控制，本石化區(qū)域地下水含水層分為三個(gè)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(gè)弱透水層。

潛水含水層受多期古河道及現(xiàn)代河流變遷、切割影響，其厚度無明顯變化規(guī)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(guī)律。第二承壓水含水層綜合巖性較簡(jiǎn)單，僅有以細(xì)砂為主和以粉砂為主兩種類型，空間上呈北向東展布。兩個(gè)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(qū)內(nèi)分布連續(xù)，黏性土層總厚度較穩(wěn)定，平均50 m左右［1］。

在分析評(píng)價(jià)區(qū)實(shí)際水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，建立了三維地下水?dāng)?shù)學(xué)模型，其水文地質(zhì)概念模型為：非均質(zhì)各向異性；上邊界為降水補(bǔ)給、蒸發(fā)和井排泄邊界；下邊界為隔水邊界；側(cè)向邊界均概化為流量邊界。

1.2地下水水流三維數(shù)學(xué)模型

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型可寫出如下數(shù)學(xué)模型［2］：

式中：Ω為滲流區(qū)域；h為含水層的水位標(biāo)高，m；K為滲透系數(shù)，m/d；Kn為邊界面法向方向的滲透系數(shù)，m/d；S為自由面以下含水層儲(chǔ)水系數(shù)，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(xiàng)，1/d；p為潛水面的蒸發(fā)和降水等，1/d；h0為含水層的初始水位分布，m；Γ0為滲流區(qū)域的上邊界，即地下水的自由表面；Γ1為滲流區(qū)域的水位邊界；Γ2為滲流區(qū)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(fù)，隔水邊界為0。

1.3評(píng)價(jià)區(qū)模擬范圍及模型網(wǎng)格剖分

根據(jù)石化調(diào)查區(qū)內(nèi)淺層與承壓水流場(chǎng)的空間分布特征、廠區(qū)周邊水源井的分布情況而確定模擬范圍，面積約215.2 km2。

網(wǎng)格間距為100～300 m，對(duì)廠區(qū)位置和周邊水源地進(jìn)行了加密剖分，共剖分有效單元格35 427個(gè)，剖分區(qū)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(xiàng)及水文地質(zhì)參數(shù)選取

源匯項(xiàng)包括灌溉入滲補(bǔ)給、大氣降水入滲補(bǔ)給、側(cè)向徑流補(bǔ)給，以及蒸發(fā)排泄、人工開采等。各項(xiàng)均換算成相應(yīng)分區(qū)上的強(qiáng)度，然后分配到相應(yīng)單元格。

根據(jù)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的分析，并參考野外抽水實(shí)驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果，對(duì)模擬區(qū)含水層滲透系數(shù)進(jìn)行分區(qū)，通過對(duì)模型識(shí)別與驗(yàn)證，最終確定各分區(qū)滲透系數(shù)及給水度。

1.5模型的識(shí)別與檢驗(yàn)

根據(jù)水文地質(zhì)模型所建立的數(shù)學(xué)模型，必須反映實(shí)際流場(chǎng)的特點(diǎn)，因此，在進(jìn)行模擬預(yù)報(bào)前，必須對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行校正（識(shí)別），即校正其參數(shù)以及邊界條件等是否能確切地反映計(jì)算區(qū)的實(shí)際水文地質(zhì)條件。對(duì)模型求解后得到在給定水文地質(zhì)參數(shù)和各均衡項(xiàng)條件下地下水位的時(shí)空分布。

2　污染物運(yùn)移模型

2.1溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

地下水中溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)學(xué)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(zhì)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(zhì)濃度，mg/L。

2.2參數(shù)選擇

本次污染質(zhì)模擬計(jì)算的模型識(shí)別和計(jì)算，受到水質(zhì)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(fā)、生物化學(xué)反應(yīng)，模型中各項(xiàng)參數(shù)予以保守性考慮。

3　地下水環(huán)境污染情景設(shè)定

3.1地下水污染預(yù)測(cè)因子設(shè)定

根據(jù)化工風(fēng)險(xiǎn)分析的情景設(shè)計(jì)及廠區(qū)相關(guān)裝置的位置，確定主要污染源分布位置，選定優(yōu)先控制污染物。原油是石化企業(yè)的主要生產(chǎn)原料，原油和石化企業(yè)生產(chǎn)的成品油、苯和二甲苯均有可能對(duì)地下水環(huán)境產(chǎn)生污染，苯和二甲苯也是石化企業(yè)的主要產(chǎn)品。石化企業(yè)產(chǎn)生的苯和二甲苯等量大，一旦污染會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響，且能很好地反映煉油生產(chǎn)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(yù)測(cè)設(shè)定

對(duì)以下幾種情景進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)期為20 a：

①正常工況無防滲情景預(yù)測(cè)；②正常工況有防滲情景預(yù)測(cè)；③非正常工況有防滲情景預(yù)測(cè)。

4　地下水污染預(yù)測(cè)

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(fā)生原油“跑、冒、滴、漏”的常減壓蒸餾裝置、原油罐區(qū)和火車裝卸區(qū)，裝置區(qū)或貯運(yùn)區(qū)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(jīng)揮發(fā)進(jìn)入環(huán)境空氣，一部分原油可能通過地表進(jìn)入地下水，按泄漏量的5%考慮。

預(yù)測(cè)結(jié)果顯示：

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

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

模擬結(jié)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(kuò)散出廠區(qū)，5 a后廠區(qū)下游地下水原油開始超標(biāo)；第一、第二承壓含水層均未檢測(cè)到原油污染。

4.1.2苯的滲漏

正常工況下，可能發(fā)生苯“跑、冒、滴、漏”的區(qū)域主要為芳烴抽提裝置區(qū)、苯成品罐區(qū)及汽車裝卸區(qū)。裝置區(qū)或貯運(yùn)區(qū)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(jìn)入地下水按泄漏量的5%考慮。

模擬結(jié)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(kuò)散出廠區(qū)，廠區(qū)下游地下水苯均未超標(biāo)。

4.1.3二甲苯的滲漏

正常工況下，可能發(fā)生苯“跑、冒、滴、漏”的區(qū)域主要為連續(xù)重整裝置區(qū)、二甲苯成品罐區(qū)及裝卸車棧臺(tái)。裝置區(qū)或貯運(yùn)區(qū)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(jìn)入地下水按泄漏量的5%考慮。

模擬結(jié)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(kuò)散出廠區(qū)，但不超標(biāo)。

4.2正常工況有防滲情景

預(yù)測(cè)時(shí)考慮假定廠區(qū)100個(gè)滲漏點(diǎn)/km2，每個(gè)滲漏點(diǎn)孔徑10 cm，在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)裝置區(qū)的“跑、冒、滴、漏”對(duì)地下水的影響。

滲漏點(diǎn)面積=7.85×10-7km2

因此該情景下的源強(qiáng)，在無防滲的基礎(chǔ)上核算，滲漏量應(yīng)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(jié)果顯示，根據(jù)本次評(píng)價(jià)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(jù)模型計(jì)算的結(jié)果來看，潛水含水層受到原油影響，但濃度非常低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于檢出限。

4.2.2苯的滲漏

根據(jù)本次評(píng)價(jià)苯的檢出限（0.000 6 mg/L）判斷，潛水含水層無污染。模擬結(jié)果顯示：正常工況有防滲條件下，廠區(qū)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(jù)本次評(píng)價(jià)二甲苯的檢出限（0.000 6 mg/L）判斷，潛水含水層無污染，根據(jù)模型計(jì)算的結(jié)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(fā)生點(diǎn)源滲漏疊加正常工況滲漏的影響。

情景設(shè)定：石化裝置的設(shè)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(huì)發(fā)生物料泄漏［5］。若發(fā)生泄漏處的地下水防滲層斷裂或破壞，則將導(dǎo)致泄漏污染物污染地下水。

源項(xiàng)選擇：選擇同一污染物的主要產(chǎn)生源疊加。

源強(qiáng)計(jì)算：設(shè)定防滲過程中采取的滲漏檢測(cè)發(fā)現(xiàn)及修復(fù)非正常工況時(shí)間為7 d，破裂泄漏孔徑為2 mm，計(jì)算源強(qiáng)。

模擬結(jié)果顯示：潛水含水層未受到污染，但根據(jù)模型計(jì)算的結(jié)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于檢出限。

5　石化企業(yè)地下水污染趨勢(shì)分析

5.1地下水污染物的產(chǎn)生

通過對(duì)石化企業(yè)各裝置設(shè)備特性的分析，確定石化企業(yè)易對(duì)地下水產(chǎn)生污染的裝置包括：各類原油儲(chǔ)罐等液態(tài)物料儲(chǔ)罐基礎(chǔ)，可能泄漏含油污水、含硫污水的部分裝置，埋地生產(chǎn)污水處理設(shè)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(fā)生“跑、冒、滴、漏”的裝置設(shè)施滲漏出來，自裝置設(shè)備區(qū)滲漏處滲入包氣帶，通過包氣帶進(jìn)入含水層，進(jìn)入地下水環(huán)境，主要為間歇入滲型或連續(xù)入滲型。

5.3地下水污染物的擴(kuò)散方式

污染物進(jìn)入地下水環(huán)境后，隨著地下水的流動(dòng)而進(jìn)行遷移擴(kuò)散。污染物隨水流的運(yùn)移主要是水平方向的，污染物在地下水中的運(yùn)移除受到對(duì)流、彌散作用影響以外，還存在物理、化學(xué)、微生物等作用，這些作用常常會(huì)使污染濃度衰減。在模型建立模擬預(yù)測(cè)中，由于各種作用參數(shù)難以確定，一般只考慮運(yùn)移過程中的對(duì)流、彌散作用［6］。

5.4地下水污染趨勢(shì)

根據(jù)對(duì)三種情形下污染物泄漏后在地下水中的運(yùn)移進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，可以得知：

①當(dāng)石化企業(yè)裝置設(shè)備發(fā)生滲漏，在不采取防滲措施時(shí)，污染物直接進(jìn)入地下水環(huán)境。通過模擬預(yù)測(cè)，石油類、苯、二甲苯均會(huì)對(duì)地下水環(huán)境產(chǎn)生一定的污染。隨著滲漏時(shí)間的增長(zhǎng)，污染物影響范圍、超標(biāo)范圍、運(yùn)移距離都會(huì)逐漸擴(kuò)大，這種影響直至污染物停止?jié)B漏才可能有所緩解。不同類型的污染物，由于物料性質(zhì)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(dāng)石化企業(yè)采取了有效的防滲措施，裝置設(shè)備發(fā)生滲漏時(shí)，滲漏量較無防滲措施時(shí)大幅度減小，因此對(duì)地下水環(huán)境的影響也相應(yīng)大幅度減小。根據(jù)模擬預(yù)測(cè)，在有防滲措施時(shí)裝置設(shè)備發(fā)生滲漏，石油類、苯、二甲苯在地下水中均為未檢出。

③當(dāng)石化企業(yè)采取了有效的防滲措施，裝置設(shè)備或管線由于開裂或腐蝕磨損等原因，發(fā)生滲漏，滲漏時(shí)間為7d，根據(jù)模擬預(yù)測(cè)，石油類、苯、二甲苯在地下水中均濃度非常低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于檢出限。

6　結(jié) 論

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

正常工況有防滲情景：原油的滲漏，根據(jù)模型計(jì)算的結(jié)果來看，潛水含水層受到原油影響，但濃度非常低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于檢出限；苯的滲漏，模擬結(jié)果顯示：正常工況有防滲條件下，廠區(qū)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(jù)模型計(jì)算的結(jié)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于檢出限。

非正常工況有防滲情景：采取防滲措施，發(fā)生點(diǎn)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(jié)果顯示，潛水含水層未受到污染，但根據(jù)模型計(jì)算的結(jié)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1985（1）：36-39.

［2］ 薛禹群，吳吉春.地下水動(dòng)力學(xué)［M］.北京：地質(zhì)出版社，2010.

［3］ HJ 610—2011環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境［S］.

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

［5］ 芮勝波.石化行業(yè)閥門滲漏的原因分析及對(duì)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(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地下水科學(xué)與工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)在青島中油華東院安全環(huán)保有限公司從事環(huán)評(píng)工作。通信地址：山東省青島市市南區(qū)延安三路113號(hào)甲，266071