吳國忠，王 宇，齊晗兵，王秋實(shí)，周英明

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318）

綜合評述

地下輸油管道泄漏污染物遷移與殘留實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

吳國忠，王 宇，齊晗兵，王秋實(shí)，周英明

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318）

埋地輸油管道發(fā)生泄漏對周圍環(huán)境會造成巨大的破壞，所以世界各國一直致力于研究石油泄漏的遷移情況。介紹了石油泄漏后可能對環(huán)境造成的危害，綜述了現(xiàn)階段已知的原油泄漏遷移的影響因素。

石油泄漏；多孔介質(zhì)；多相流遷移

在當(dāng)今21世紀(jì)這個化石能源時代，輸油管道遍及世界的各個角落，然而石油是一種對環(huán)境和生物危害極大的有機(jī)污染物，當(dāng)輸油管道發(fā)生泄漏，會迅速危害周邊的土體環(huán)境，并且長時間存在且難以治理。在我國敷設(shè)的所有管道中，單就中國石油天然氣管道局而言就有30 000多公里的大口徑、長距離輸送油、氣等不同介質(zhì)的管道。但是隨著敷設(shè)時間的推移，運(yùn)行過程中的設(shè)備損耗、設(shè)備腐蝕、設(shè)備老化，氣候和地理環(huán)境變遷以及人為損壞等,各種自然及非自然因素導(dǎo)致管道泄漏的發(fā)生[1]。

原油是一種可燃能源，通常還伴隨易揮發(fā)可燃?xì)怏w，當(dāng)原油管道發(fā)生泄漏后，可漂浮在城市水體表面，遇到明火極易發(fā)生爆燃時間，我國已經(jīng)發(fā)生很多起類似事件，如青島輕質(zhì)原油管道爆燃這類事件用巨大的損失告誡我們重視原油管道泄漏的防范和治理。

現(xiàn)在國內(nèi)外主要進(jìn)行土柱實(shí)驗(yàn)、離心模擬實(shí)驗(yàn)、實(shí)地現(xiàn)場研究方法進(jìn)行研究，主要目的是為了了解石油污染物在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化、降解的過程和機(jī)理，其中已經(jīng)有一些成果，為了預(yù)防和治理提供了堅實(shí)的理論依據(jù)。

1 石油管道泄漏對環(huán)境的影響

本文所說原油主要指未經(jīng)加工的剛采出的由多種烴和水泥沙組成的混合物。自20世紀(jì)70年代開始，由于原油儲量的短缺，人們開始逐漸關(guān)注原油泄漏對生態(tài)環(huán)境不斷加重的影響。全球每年開采32億t石油，其中大約有1/1000即320萬t會由于不同原因泄漏到環(huán)境中，換言之將有15億桶石油在未來60年里進(jìn)入環(huán)境中，若這些石油一次性平均分布于世界海洋上，則至少有0.73 mL的石油覆蓋在每平方米海面上[2]。而且原油泄漏發(fā)生時，通常泄漏量巨大，可對環(huán)境造成巨大的破壞（如表1），根據(jù)現(xiàn)有的原油污染實(shí)驗(yàn)中可知，植物群落中與泄漏原油接觸的苔蘚、地衣和多數(shù)雙子葉植物無法在兩年內(nèi)恢復(fù)到原來的生長狀態(tài)；在土壤中僅存 13.5%的殘留油污即可完全抑制大麥和雀麥草的萌發(fā)[3]。油污對于常綠喬木的傷害更為顯著，使其在石油污染后的幾年中將很難再生[4]。根據(jù)研究這些現(xiàn)象主要是油污中毒性成分會包裹植物根部而損害根部功能，植物根部吸收營養(yǎng)物質(zhì)機(jī)能被抑制，并同時影響植物正常吸收氮素[3]。

表1 國內(nèi)外曾發(fā)生的部分嚴(yán)重類石油污染事故Table 1 Some serious oil pollution accidents occurred in the domestic and overseas

2 影響石油污染物在多孔介質(zhì)中的遷移因素

2.1 多孔介質(zhì)含水量

管道泄漏后，原油主要是在土壤中的孔隙中貯存或向下遷移，可以想象土壤中的孔隙中含有越多的水，則原油遷移就會越困難。已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)表明含水量提高時，如柴油一類烴類混合物在相同時間里下滲距離就會減少（實(shí)驗(yàn)圖如圖1）[5]。這主要是由于在土壤多孔介質(zhì)中顆粒表面的結(jié)合水膜會因含水量增多而變厚，這樣可供油分子通過的孔隙就會變小，油品就很難向下滲透。

但在沙土中烴類石油污染物的下滲濕潤鋒面隨含水率增加會出現(xiàn)先增加后減小的現(xiàn)象，在土柱實(shí)驗(yàn)中含水率10%時，所用泄漏柴油穿透土柱時間最短[4]。根據(jù)分析，這是因?yàn)閯傞_始孔隙中氣體較多，要占據(jù)沙土中孔隙中的空氣較容易，而當(dāng)后來孔隙中全被水占據(jù)時，石油向下遷移需要克服水的阻力，且下滲通道變少，所以下滲速度隨含水量的增大而減慢。在土壤初始含水量較低情況下，相對不同質(zhì)地土壤而言，其中粉粒含量越多，原油在土壤中下滲速度越慢；隨土壤深度逐漸增加，土壤中原油殘留物的含量呈波動遞減趨勢；用對數(shù)函數(shù)可以擬合原油在土壤中的濕潤距離隨時間的變化，濕潤推進(jìn)速率與時間的關(guān)系可用 Kostiakov 公式擬合[6]。沙土中的含水量還會影響柴油等石油類污染物的揮發(fā)，粗砂中含有一定量水分可促進(jìn)柴油的揮發(fā)，而細(xì)沙和亞粘土中水分抑制柴油的揮發(fā)速率[7]。

2.2 溫度對石油在多孔介質(zhì)中遷移的影響

生物方面，溫度可以顯著影響微生物的活性，而微生物在石油遷移中起到分解石油類有機(jī)物的作用，當(dāng)微生物活性強(qiáng)時，石油類污染物的含量就會降低?；瘜W(xué)方面，溫度可顯著影響油污在組分的溶解速度和生物降解速率。在物理方面，溫度會影響周圍環(huán)境介質(zhì)的存在狀態(tài)，有實(shí)驗(yàn)表明，在具有溫度梯度的多孔介質(zhì)中，石油的遷移狀態(tài)會發(fā)生巨大改變（如圖2）。

圖1 柴油入滲實(shí)驗(yàn)裝置圖示意圖Fig.1 Experimental devices of diesel infiltration

圖2 凍土實(shí)驗(yàn)中不同土樣高度的石油含量Fig.2 Oil content in different soil sample

這主要是由于原油和成品油粘度隨溫度降低而升高,致使流動性降低,擴(kuò)散率減小.而低分子量組分揮發(fā)會隨溫度升高而加快,油品中的成分會有顯著的改變。高粘度條件和低粘度條件的多相流泄漏過程中的泄漏滲透區(qū)域具有不同的油水相分布，高粘度條件的多相流泄漏過程中的泄漏滲透區(qū)域上方都是水性，低粘度條件的多相流泄漏過程中的泄漏滲透區(qū)域中上部聚集了油相[8]。高粘度條件的多相流泄漏過程中的地表溫度變化呈現(xiàn)地表中心溫度高，逐漸向左右水平遞減的趨勢。在低溫環(huán)境下相變也要成為影響遷移的一大因素[9]。

2.3 多孔介質(zhì)的孔隙率對石油遷移的影響

孔隙率是指多孔介質(zhì)內(nèi)的微小空隙的總體積與該多孔介質(zhì)的總體積的比值，是衡量多孔介質(zhì)中通道數(shù)量的參數(shù)，通常土壤中孔隙率為43%到54%，在一般性實(shí)驗(yàn)中，我們可以利用波義耳-馬略特氣體定律求解，其它還有壓泵法、密度法、吸滲法可用于測量多孔介質(zhì)的孔隙率,有研究表明孔隙率大小直接影響石油遷移的濃度峰值、滲流速度（實(shí)驗(yàn)裝置如圖3）[10]。

多孔介質(zhì)中孔隙是石油污染物傳輸?shù)耐ǖ?，我們知道孔隙率是影響污染物遷移的主要因素，多孔介質(zhì)的密實(shí)度直接影響石油遷移的情況，在污染物遷移的過程中，多孔介質(zhì)的孔隙率越小越會阻礙污染物向下的遷移速度，相反孔隙率越大污染物遷移速度越快，并且相同深度下遷移深度也增加。

圖3 原油遷移特性與沉積特性實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.3 Crude oil migration features and sedimentary characteristics experiment device

2.4 土壤毛細(xì)力

由于毛細(xì)管或微毛細(xì)管組成了石油污染土體的孔隙結(jié)構(gòu)，而毛細(xì)力的產(chǎn)生主要是由于液體在管中流動時，各相的不同內(nèi)力形成的彎曲液面。毛細(xì)力的方向和大小分別與土顆粒表面的潤濕性和張力及界面的曲率有關(guān)。當(dāng)毛細(xì)管道內(nèi)被油相和水相充填，由于既有水相毛細(xì)力，又有油相毛細(xì)力，所以毛細(xì)管道兩端的壓力差會決定管道內(nèi)液相的遷移方向。油相的遷移方向還與土質(zhì)有關(guān)，尤其是土中有機(jī)質(zhì)含量會對油相遷移產(chǎn)生較大影響。這是由于土顆粒中的有機(jī)質(zhì)屬于親油疏水介質(zhì)，當(dāng)毛細(xì)管道表面含有較多的有機(jī)質(zhì)，會對石油污染物遷移產(chǎn)生有利的影響，反之，則對石油污染物遷移產(chǎn)生不利的影響[11]。在土壤中這種作用不僅受到污染物自身的物理化學(xué)性質(zhì)影響，還會受到含水層介質(zhì)的巖性、顆粒大小等的影響[12]。

3 石油污染物在土壤中的殘留量

由于石油污染物主要是長碳鏈的有機(jī)物，不易被微生物自然降解，在土壤中長期滯留，所以研究泄漏石油污染物在土壤中的殘留量對今后的治理有重要意義。在不同種類土壤中，石油污染物的殘留量變化巨大，相同時間和深度亞粘土可是粗砂殘留量的20多倍[13]。通常當(dāng)石油污染物發(fā)生泄漏，在較短的時間里，土壤會將大多數(shù)污染物攔截在表層，但當(dāng)污染物含量較大，且泄漏時間較長時，土壤的深部就可能會受到石油污染物的污染。在壤土和沙土中，石油污染物隨深度的殘留量表現(xiàn)不同，壤土中的石油污染物隨深度先增加再減小，在土柱中部達(dá)到最大值，最高值出現(xiàn)的位置會隨含水量的增加而略微下降，而在沙土中，上部到中部變化不大，但在下部石油污染物會隨含水量增加而重新呈現(xiàn)遞增，并且最底部的殘留量最大[4]。殘留態(tài)石油污染物主要由于吸附或毛細(xì)作用而殘留在多孔介質(zhì)中，以其固態(tài)或者液態(tài)得的形式[14]，在LNAPL污染物還會發(fā)生揮發(fā)而產(chǎn)生氣體，這些都具有很大的研究前景。

4 結(jié) 論

隨著石油能源的開發(fā)，人類不斷建設(shè)長距離輸送管道，管道的泄漏會對環(huán)境造成嚴(yán)重危害，所以及時的探查出泄漏地點(diǎn)和估計污染面積對減小損失，降低石油污染長期影響意義巨大。泄漏石油污染物在土壤中的遷移主要和土壤的種類、含水率、溫度、土壤毛細(xì)力等因素有關(guān)，在這些方面國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了一些研究，但大多都是進(jìn)行單一因素的驗(yàn)證討論，并沒有進(jìn)行多種因素耦合來研究石油污染物的遷移情況，對影響因素探究的整合具有重要的理論價值和現(xiàn)實(shí)意義。

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Research Progress in Experiments of Migration and Residue of Contaminants From Underground Oil Pipeline Leakage

WU Guo-zhong，WANG Yu，QI Han-bing，WANG Qiu-shi，ZHOU Ying-ming
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

Buried pipeline leak can cause enormous damage to the surrounding environment, so the research on migration of leaked oil is very important. In this paper, the possible harm of oil leakage to the environment was described, and factors to affect the migration of leaked oil were summarized.

Oil leakage; Porous media; Multiphase flow migration

TQ 832

： A

： 1671-0460（2015）03-0510-03

國家自然基金項(xiàng)目，項(xiàng)目號：51274071。

2014-10-23

吳國忠（1961-），男，黑龍江海倫人，教授，博士，2008年畢業(yè)于東北石油大學(xué)油氣儲運(yùn)專業(yè)，研究方向：傳熱傳質(zhì)。E-mail：wgzdq@126.com。