中国环境科学
CHINA ENVIRONMENTAL SCIENCE
1999年　第19卷　第3期　Vol.19 No.3 1999



数值模拟在土壤环境影响评价中的应用
张　俊　陈家军　王红旗
摘要：根据土壤中溶质迁移转化模型,建立土壤中石油类污染物质迁移转化数值模拟模型,以预测在油井井场附近,石油类污染物质在土壤剖面的分布、迁移和转化.在大庆龙北油田开发建设工程环境影响评价中,应用此模型预测石油对土壤的污染,为环境影响评价提供依据.预测结果与实验结果相近,认为在通常情况下,地表的石油主要积累在30cm以上的土壤中,下渗的最大深度为80cm,不会对地下水造成污染.
关键词：土壤环境；环境影响评价；数值模拟模型
中图分类号：X825 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(1999)03-0234-04
Application of numerical simulation in soil environmental impact assessment.
ZHANG Jun,CHEN Jia-jun, WANG Hong-qi
(Institute of Environmental Sciences, Beijing Normal University, State Key Joint Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control,Beijing 100875,China).China Environmental Science. 1999, 19(3)：234～237
Abstract：Based on the solute transport and transformation model, a numerical simulation model for oil pollutant transport and transformation is presented, which can predict the distribution, migration and transformation of oil pollutant in the soil. In the case study of the environmental impact assessment of Longbei oil field development, the prediction of soil pollution by oil is conducted through the application of this model, and the results similar to the data of experiments. It shows that the oil on ground,which accumulates more than 30cm in the soil, can permeate 80cm at most;and will not pollute the groundwater under common conditions. Key words：soil environment；environmental impact assessment；numerical simulation model 
　　油田开发建设工程环境影响评价中,准确地预测污染物在各控制点的浓度是十分重要的.但在进行土壤环境影响预测时,由于土壤环境条件变化复杂,参数难以确定,因此人们采用的主要是土壤环境容量方法,为污染区域实行总量控制提供定量数据[1,2].目前,虽已有多名评价者[3,4]做过有关石油在土壤中淋溶、降解等方面的实验,对土壤中污染物的浓度分布进行了初步的探讨.李晓华[5]等根据实验结果对土壤石油组分迁移和转化特征进行过实验研究,认为石油烃的浓度与深度间的关系可以用负指数方程表征,其可能影响的最大深度受区域环境条件与石油特性制约.但将数值模拟方法预测土壤中污染物的分布在土壤环境影响评价应用则很少见到报道.
　　为进一步提高油田开发建设工程土壤环境影响评价的准确性和可靠性,根据石油在土壤中的运动过程,对通用的土壤中溶质运动方程进行修改,建立土壤中石油类污染物质迁移转化二维模型,预测石油类污染物质在土壤剖面的分布.并在龙虎泡北部油田开发建设工程土壤影响评价中应用此模型进行预测.
1 石油类污染物质在土壤中的迁移过程
　　在油田的开发建设和稳定投产过程中将会产生大量的石油类污染物.大部分污染物可以得到回收,但仍存在残留在土油池和洒落在地表的原油,这些一般称为落地油,是污染井场附近土壤的重要来源.石油进入土壤后,在土壤中迁移转化,向下淋滤,对地下水构成一定的威胁.石油在土壤中的运动过程十分复杂,但对其在土壤中分布起决定作用的是迁移过程、被吸附过程和自身的衰减作用. 
1.1 石油类污染物质的迁移和吸附
　　土壤是一个多相的疏松的多孔介质,固相中有大量的有机和无机胶体.石油是一种天然的粘油状液体,主要成分为烃类化合物(占80%～90%).烃类化合物是非极性有机物,其偶极矩<1,介电常数<3,在土壤中有一定的吸附作用[6].地表的石油可以在重力作用下入渗,也可能随地面水或雨水沿着土壤毛细管孔隙向下渗透污染土壤,甚至进一步向下淋滤污染地下水.石油类污染物质在土壤入渗过程中,由于土壤中存在着大量的有机和无机的胶体,使得进入土壤中的污染物不断地被吸附.吸附能力与土壤的质地、石油的性质有密切联系.通常,石油烃类在土壤介质吸附程度以分配系数Kd来表示.
Kd=Cs /Ce 
式中:Cs为平衡时固相中的浓度(mg/kg);Ce为平衡时液相中的浓度(mg/L). 
1.2 石油类污染物质降解
　　土壤中存在大量的依靠有机物生活的微生物,如细菌、真菌等.它们对石油有较强的降解能力,这也是土壤中石油得以净化的重要途径之一.降解能力的大小与土壤中微生物的类型、数量和其它环境因素(如pH值、温度等)有关.本文对此进行简单的处理,假设降解速率与污染物的浓度成正比.
2　建立模型预测油井井场的落地油对附近土壤的影响
　　在油田开发建设和稳定投产过程中,油井井场堆积的落地油对土壤造成了污染.为了对土壤中石油的分布情况进行预测,为进一步治理污染源提供定量的依据,建立二维模型进行模拟.
2.1 基本模型
　　目前已建立多种有机污染物和无机离子在土壤和地下水中的迁移模型[7,8],并对部分数学模型在给定条件下,提出了解析解和数值解,但因为尚未形成系统的定量的研究方法,在土壤环境影响评价中并没受到重视和应用.
　　根据土壤中溶质运移模型和石油类污染物质在土壤中的迁移转化过程,考虑吸附作用而忽略石油的挥发,建立石油类污染物质在土壤中迁移转化二维综合模型.它包括水运动方程和石油运动方程.
土壤中水运动方程:  (1)
土壤中石油运动方程:
 (2)
式中:C(h)为比水容量(cm-1);Kx、Kz分别为横向、纵向水力传导系数(cm/d);Dxx、Dzz分别为横向、纵向弥散系数(cm2/d);Rd为滞留因子;c为液相中石油的浓度(mg/L);qx、qz分别为x和z方向的达西流速(cm/d);θ为含水量(%);λ为降解系数(d-1);h为土壤中压力水头(cm).
2.2 初始条件和边界条件
　　根据监测的结果和落地油的分布特征,预测石油类在土壤中迁移过程及石油是否会对地下水造成污染,选择预测范围为:长80m,深6m剖面区域.并对部分问题可进行简化处理,作一些基本假设.假设土壤水最初不含石油,即未受到污染,但土壤中存在一定的本底值,经取样测定取平均值为40.3mg/kg.在土壤的预测范围内,土壤被认为是均质的.
　　对水运动方程上边界确定为Cauchy边界,下边界为Neumann边界.
初始条件: h(x,z)=h0(x,z)t =0
边界条件: 　z= 0
　　　　　　　h=0.0　　　z= -600
式中:ε为降雨-蒸发系数(mm/d).
　　对于溶质运动方程的边界条件和初始条件确定为:
初始条件: c(x,z)= c0(x,z)　t =0
边界条件:
　z=0
式中:nx、nz分别为土壤中x、z的外法向向量.
　z = - 600
3　油井井场石油污染对土壤影响分析
　　根据初始条件和边界条件以及最初的基本假设和参数的值,利用有限元法对综合模型进行数值计算,预测石油类污染物质在不同的时间内在土壤剖面的分布.其中第1年、第5年的浓度计算结果见表1和表2.
表1　1年后土壤中石油类物质的浓度预测值 (mg/kg)
Table 1 The predicted concentration of the oil in soil after one year (mg/kg)
距离10m20m40m60m80m
5cm8556855768012140.3
10cm84084010642.640.3
30cm70.765.746.540.640.3
50cm40.840.844.340.340.3
70cm40.340.344.340.340.3
90cm40.340.340.340.340.3
150cm40.340.340.340.340.3
300cm40.340.340.340.340.3
600cm40.340.340.340.340.3

　　同样,可以算出10、15、20年后土壤中石油类污染物质的浓度剖面分布结果.为了对不同的时段,石油对土壤的影响趋势和污染变化进行比较,作出在不同的时间内,石油影响土壤环境趋势图和石油污染土壤变化趋势图,分别见图1和图2.
表2　5年后土壤中石油类物质的浓度预测值 (mg/kg)
Table 2 The predicted concentration of the oil in soil after five years (mg/kg)
距离10m20m40m60m80m
5cm9346934674813440.3
10cm3296329629074.340.3
30cm26126156.342.640.3
50cm464640.740.440.3
70cm40.340.340.340.340.3
90cm40.340.340.340.340.3
150cm40.340.340.340.340.3
300cm40.340.340.340.340.3
600cm40.340.340.340.340.3


图1 土壤中石油影响变化等值线
Fig.1 The contour of the variety of oil penetration in soil (based on 41mg/kg)
以41mg/kg为影响基准值

图2　土壤中石油污染变化等值线
Fig.2 The contour of the variety of oil pollution in soil (based on 70mg/kg)
以70mg/kg为污染基准值
4　结果分析与实验对比
　　预测结果表明,堆积在地表的石油使土壤的表层受到了严重的污染,但它的影响范围不大,主要集中在污染源附近,垂直方向则在30cm之内,随着深度的增加,石油类污染物质的浓度迅速减小.假设在稳定源强下,10年以后,土壤中石油的分布近似处于平衡状态,受石油影响的深度达到80cm,受到污染(以70mg/kg为标准)的深度为50cm,基本上不会对地下水造成污染.
　　研究石油对土壤的污染问题时,许多学者[3,4]进行过实验.他们的实验结果表明,在原油渗透和降雨淋滤作用下,石油大部分集中在0～30cm深度的土壤表面,在50～70cm土层内几乎所有试验结果均达到或接近区域石油背景值.
5　结　论
　　运用提出的土壤中石油类污染物质的迁移转化模型进行数值模拟,预测结果表明,地表的石油主要积累在30cm之内,最深可达到80cm,对地下水基本不造成影响.预测结果与实验数据的比较,认为用这种模型预测石油在土壤剖面的分布具有一定的合理性和可靠性.相对于环境容量模式而言,这种机理模型能更好的反映各污染源与控制点的浓度关系,在土壤环境影响评价中,对总量控制和削减量的分配具有一定的实用价值,为环境影响评价提供可靠的依据.
　　此外,如果对此数值模拟模型作适当的修改(如初始条件和边界条件等),该模型还可进一步推广,适用于不同条件.同样,对不同的污染物,只要对模型作部分修改,也能适用.
基金项目：国家自然科学基金资助项目(2977001)
作者简介：张　俊(1973-),男,湖北黄冈人,北京师范大学环境科学研究所硕士研究生,主要从事城市环境研究工作.曾参加“城市生活污水土地处理净化过程模拟技术研究”等项目,参与多项建设项目环境影响评价工作.发表论文1篇.
作者单位：（北京师范大学环境科学研究所,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京100875）
参考文献：
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收稿日期：1998-09-22
