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石油烃自然衰减模式在调查过程中的应用分析

2025-04-20 58 上传者：管理员

摘要：为了能更好地掌握有机物污染的自然衰减情况，很多国家都针对有机污染物搭建了解析模型。本文以石油烃自然衰减模式为基础，探索了其在其他领域中的应用。通过研究发现，使用BIOSCREEN对石油烃的自然衰减过程进行模拟，可以辅助预测整个修复过程时间以及扩散范围，帮助掌控修复过程。

关键词：
修复过程
有机物污染
水环境修复领域
石油烃
自然衰减模式
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在地下水环境修复领域,石油类有机物污染是个常见的科学问题｡在经济廉价､能耗较低､不追求时效的野外现场修复中,可以使用自然修复技术｡1999年,美国环保署定义自然衰减为无人为干预情况下,在土壤中发生的自然降解､弥散､稀释､吸附､挥发等化学和生物化学作用而降低其浓度､毒性和移动性的自然过程,达到可以保护人体健康和自然环境的标准｡在过去20多年,许多国家和机构编制了相关解析模型,主要针对石油烃和有机氯溶剂类,比较典型的是美国的BIOSCERRN模型､BIOSCREEN-AT模型和BIOCHLOR模型｡

1、自然衰减技术介绍

自20世纪90年代发展监测自然衰减技术开始,美国超级基金中大量应用该技术｡国内21世纪开始研究,起步较晚,且大部分都限制在实验室内,如柴油[1]､氯代烃[2]､BETX[3]､挥发性有机物[4]等的自然衰减｡部分学者将其应用到实际修复过程中,如在北京的石油烃自然衰减的现场验证[5]｡李洋针对某油田通过野外采样､室内分析､水质评价､模型结合的方法,分析石油污染特征和自然衰减,是比较系统的自然衰减技术应用[6]｡本文不针对修复过程的自然衰减进行研究,而是探索自然衰减的其他应用可能｡

2、BIOSCREEN理论推导

BIOSCREEN是由得克萨斯州休斯顿地下水服务公司(GroundwaterServices,Inc.,Houston,Texas,简称GSI),为美国空军卓越中心(AirForceCenterforEnvironmentalExcellence,简称AFCEE)而开发的开源软件,仅针对石油烃类物质,其主要降解类型分为3种:无衰减(溶质传输)､一阶衰减､瞬间生物降解,模拟污染物在没有人工干预情况下的迁移情况｡其核心算法为Domenico解析法,是基于地下水流程稳定流假设,模拟溶质在三维介质中的迁移与反应过程｡该模拟的应用有以下限制条件:1)不适用于有抽水或注水的情况;2)不适用于地下水垂直流向梯度大的情况;3)仅能大致模拟,不适用于精准模拟或者是详尽模拟｡其中,无降解模式不涉及污染物的衰减过程;一阶衰减模式,假设污染物降解的速率仅与污染物初始浓度及衰减系数相关;瞬时生物降解,以瞬时反应模拟生物降解过程｡BIOSCREEN可以获得污染物在没有工程控制或者污染源削减措施的情况下的扩散距离｡

模型中瞬时反应结合了BIOPLUME模型,可以理解为烃的好氧生物降解通常受到地下水含水层中溶解氧等物质可用性的限制,将好氧生物降解模拟为烃和氧气之间的瞬时反应｡

通过对应用软件公式的分析,实际计算公式为:

式中,,Q为流经污染源区的地下水流量,total_mass为输入的污染源区污染物质总量｡

与BIOSCREEN说明书[7]相比,公式头部结构有所变化,但是在实验计算过程中,瞬时反应两个公式数据计算结果一致｡

3、石油烃自然衰减模式在调查过程中的应用实践

根据上海某地块的调查数据,建立地下水模型,用以推测地下水污染物污染羽边界,为后续的修复边界确定提供参考数据｡该地块相应条件如下:

1)污染源区域在2014年之前为化工厂区域的地下油罐区,2015年该厂房拆除,由于未严格按照标准操作,发生油罐泄漏,预估泄漏量约1000kg｡

2)地块下游约70ft存在河流｡

3)污染源分区和浓度主要来源于2018年初步调查数据｡

4)2022年枯水期地块进行详细调查,确定地块内污染相关数据和土工参数｡地块土层自上而下为杂填土､粉质黏土(含粉土夹层)､淤泥质粉质黏土､黏土｡根据详细调查数据,其污染物在土壤中呈纺锤形,在粉土夹层扩散面积最大,粉土层水力传导系数为1.35E-04cm/s｡调查期间,水力梯度约为0.05｡

5)污染物质主要为石油烃,成分含苯､甲苯､乙苯､二甲苯等,其中主要超标成分为苯｡

6)预计2025年进行地块修复｡本次调查的总模拟时间为10年,在软件自动运行结束后,可以在“CenterlineOutput”界面看到BIOSCREEN在不同模式下的计算结果｡

表1输入参数及来源

将模拟时间提前到6年,可以发现其无降解模型的数据线与现场获得的数据拟合情况最好,瞬时降解模型的浓度线显示其浓度基本为0mg/L,一阶降解模型运行的浓度均低于实际检测数据｡在模拟时间少于6年的情况下,一阶降解模型的拟合度依旧不如无降解模型数据;在将时间长度拉长的情况下,时间越长,一阶降解模型的浓度越低,更加偏离实测数据｡因此推测,在本地块内,降解类为无降解模型｡

在“PlumeOutput”界面中,可以选择不同模式类型的计算结果｡在数据结果的表格中,污染物呈现出三维的污染羽分布情形｡同时,在右下角的表格中,展现了污染物质量平衡的计算结果｡但是该页面中改变表格左下角的时间并不能回溯时间,因此,若需要计算不同时间的污染羽三维分布和质量平衡结果,需要回到“Input”界面,修改其中时间变量｡

石油烃在《地下水质量标准》(GB/T14848-2017)中对应的IV类水质标准限值为0.6mg/L｡因此,在污染羽输出界面,其目标值设为0.6mg/L｡当然,这只是一个粗略的估算方法,在后续修复阶段使用过程中,可以将其设置为修复目标值｡

在模型中选择无降解模型,时间为6年,绘图数据中选择仅目标｡结果显示,经过6年的扩散,污染源区域的石油烃总量由开始的1000kg降低至889.7kg｡当前的污染羽中地下水流量约为34.8ac-ft(即42925.8m3),流经污染源区的年流量约为3.268ac-ft/y(即4031.078m3/y)｡

若地块预计在2025年进行修复,由于和2022年又间隔了3年,理论上,为了高效修复,应在修复前进行补充调查,明确修复期污染物分布,那么,将模拟时间设定为10年,模型选定为无降解模型,则可以大致模拟出修复当下,污染物的分布情况,辅助其布点采样｡

根据其预测结果,根据无降解模型的趋势线,在距离中性线约0~125ft的区域约为超标(0.6mg/L)区域｡在10年后,污染源区还遗留约823kg的污染物｡

4、BIOSCREEN扩展研究

在应用过程中,BIOSCREEN的界面输入相对复杂,且部分功能应用中较少涉及,因此,在不改变其公式结构的情况下,基于MicrosoftExcel,采用VisualBasicApplication设计实现该程序的简化应用,编辑并注册了石油烃自然衰减软件(软著登字第12198380号)｡该软件为中文界面,仅针对石油烃类物质的无衰减(溶质传输)､一阶衰减､瞬间生物降解,仅保留了模拟时间下展示各时间节点的污染物二维､三维分布情况,但是实现了同时展示二维浓度预测(BIOSCREEN中CenterlineOutput界面)和三维污染物分布(PlumeOutput界面中除了质量平衡的部分)的时间回溯功能,操作简单,易于理解,将在后期工作中起到辅助作用｡将本次参数输入石油烃自然衰减软件,得到结果与BIOSCREEN一致｡

参考文献:

[1]赵勇胜,王冰,屈智慧,等.柴油污染包气带砂层中的自然衰减作用[J].吉林大学学报(地球科学版),2010,40(2):389-393.

[2]何江涛,史敬华,崔卫华,等.浅层地下水氯代烃污染天然生物降解的判别依据[J].地球科学(中国地质大学学报),2004,29(3):357-362.

[3]周睿,赵勇胜,任何军,等.BTEX在地下环境中的自然衰减[J].环境科学,2009,30(9):310-314.

[4]谢云峰,曹云者,李发生,等.地下水挥发性有机污染物自然衰减能力评价方法[J].环境工程技术学报,2013,3(2):104-112.

[5]贾慧,武晓峰,胡黎明,等,石油类污染物自然衰减能力现场试验验证研究[J].环境污染与防治,2012,34(1):42-47.

[6]李洋.浅层地下水石油类污染物自然衰减评价与预测[D].长春:吉林大学,2012.

基金资助:上海建工集团股份有限公司重点科研项目“原位微生物强化修复药剂及装备”(22YJKF-29);

文章来源:丁婵媛.石油烃自然衰减模式在调查过程中的应用分析[J].黑龙江环境通报,2025,38(04):34-36.