黄土高原的石油类物质坡面径流污染研究

任磊，黄廷林
西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西 西安710055

　　 摘要：延河流域石油类污染物的暴雨径流污染是当地地表水体的一种重要污染形式。为了探明石油类物质的径流污染规律，进行了室内模拟试验。结果表明：降雨强度、土壤污染强度、受雨坡面的坡度等因素都能明显影响降雨径流污染过程；污染过程中的水相石油类物质是由径流含沙量和径流泥沙石油污染强度共同决定的，在试验条件下，水相污染强度可达1.56～5.19 mg/L，足以对径流造成严重的污染。
　　关键词：径流污染；土壤石油污染；降雨径流
　　中图分类号：X74
　　文献标识码：A
　　文章编号：1000-4602(2000)11-0001-05

Study on Petroleum Runoff Pollution in the Loess Plateau
REN Lei，HUANG Ting lin
(School of Environ.and Munic.Eng.,Xi′an Univ.of Architec.and Tec.,Xi′an 710055,China)

　　Abstract： In Yan River watershed,oil runoff pollution is an important pollution form of surface water body.In order to verify the law of oil runoff pollution,an indoor simulation rainfall runoff experiment was carried out and some conclusions were drawn.The experimental results showed that rainfall intensity,oil pollution intensity of soils and field slope could greatly influence the rainfall pollution process.Oil concentration in water was determined by two factors.The first was the concentration of the sediment in runoff and the second was the oil pollution intensity of the sediment.Under the experiment conditions, the oil concentration ranged from 1.56 to 5.19 mg/L which could cause serious pollution in runoff.
　　Keywords runoff pollution;petroleum-polluted soils;rainfall runoff

　　地处陕北黄土高原的延安市是陕西省重要能源基地，石油开采业比较发达，广泛分布在沟壑纵横的黄土坡地上的油井及采、输油设施，通过各种途径把原油泄漏至地面上，造成了土壤石油类污染。在受污染地面上，当降雨产生径流后，石油类物质被坡面水流所携带发生迁移，进而污染地表水体。黄土坡面石油类污染物随地表径流迁移是一个复杂的物理化学过程，受到许多因素的影响，如降雨特性、地面特性、石油类物质特性等。迁移过程中，大部分石油类物质以吸附态存在于颗粒物上，一小部分漂浮于水面，其他则以乳化或溶解态均匀分散于水相中。因此，研究黄土地区石油类污染物的径流污染特性必须考虑当地严重的水土流失特点^［1］，同时要考虑土壤颗粒与石油类物质的相互作用。目前这方面的研究还处于起步阶段，本文拟在试验的基础上，对黄土坡面石油类污染物径流污染的基本特性进行探讨，为本地区制定切实可行的石油类污染物防治及污染源控制方案提供科学的依据和理论指导。

　　1 试验方法

　　1.1 试验设备
　　试验在室内模拟坡面上进行，试验系统包括可调坡试验土槽、人工降雨、地表径流测量及径流取样几个子系统。试验土槽长400cm，宽30cm，高60cm。土槽的径流出口处有径流集水槽，用以观测流量和提取径流样品以分析径流量、含沙量和水相石油污染强度；降雨采用针头式降雨器，降雨强度容易控制且均匀性良好^［2］。
　　1.2 试验土料
　　试验用土采用延安当地的黄土，经风干、碾压、过筛等操作后，把采自延安地区油井的原油人工拌入土中形成污染土壤样品。把样品静置数日，待污染物分布均匀后进行试验。根据当地井场排污量估算和对井场上污染土采样分析情况，确定土样污染源强度系列为721、1369、5214、10474、16060mg/kg。
　　1.3 降雨强度的确定
　　地区降雨的特点是：分布集中、强度大和历时短。根据这一特点，并参照当地暴雨强度公式和降雨强度的实测资料^［1］，确定降雨强度系列为0.5、0.8、1.1、1.4、1.7mm/min。
　　1.4 分析方法
　　水相中石油类含量分析采用紫外分光光度法，沉积物中石油总量采用重量法测定^［3］。测定时石油的吸收波长取254nm，标准油从延安当地油田采出的原油中提取。

　　2 试验结果及分析

　　短历时暴雨引发的径流对地表水水质污染最为严重，所以试验以短历时暴雨为主要研究对象。由于该地区属干旱半干旱气候区，地下水位深，降雨径流过程中的地面径流对地下水的影响不显著，故在试验过程不考虑对地下水的影响。
　　将处理好的土样按容积质量1.4g/cm3均匀装入土槽，在坡度为10°条件下进行了定雨强变土壤污染强度和定土壤污染强度变雨强的一系列试验。此外还进行了旨在讨论坡度影响的一组变坡度试验，并连续测定径流量，同时取样分析径流含沙量和水相中污染物浓度。
　　2.1 雨强对坡面径流污染过程的影响
　　2.1.1 雨强对径流量过程的影响
　　径流量的大小取决于很多因素，如雨强、降雨历时、土壤结构、地表植被覆盖情况、地面坡度、地面平整度等。其中，最大的影响因素是雨强。在土壤污染强度C0=5214 mg/kg的条件下进行径流污染试验的结果表明，雨强与稳态径流量的关系如图1所示，从中可以看出，在相同的土壤污染强度下，雨强越大则产流量越大。

　　 由试验数据可得出在试验条件下降雨强度与稳态径流量的关系式：
　　Q_r=k_r1i^a　　　　　　　　　(1)
　　式中　Q_r ——稳态产流量，mL/s
　　　　　i——降雨强度，mm/min
　　　　　a——与降雨强度相关的产流指数
　　　　　k_rl——综合产流系数
　　其中参数值为：
　　k_rl=11.43；a=1.08。
　　2.1.2 雨强对径流含沙量的影响
　　黄土高原的地形条件、土质条件、植被条件和水文条件，使这里的径流表现为世界上罕见的高含沙量。石油类物质又是一种疏水物质，易于吸附于土壤颗粒表面，径流中的泥沙含量和泥沙中的污染物含量直接影响着径流水相的污染状况。在相同的土壤污染强度下进行的一组试验，探讨了土壤受一定石油类物质污染条件下雨强对径流含沙量的影响(见图2、3)。

　　　　　　
　　图2是在不同雨强下径流含沙量S的过程线。可以看出，两条曲线都有两个产沙量的峰值。第一个峰值大约出现在降雨发生后的7～10min，这个峰值主要是由雨滴击溅产沙被初期降雨形成的径流所携带而形成的。在降雨时，侵蚀的两种主要原因是雨滴和流动的水。雨滴引起的侵蚀，经常是侵蚀的最初阶段，它取决于降雨的动能，其动能随雨强增加^［4］。该地区的短历时高强度降雨很容易引起强烈的侵蚀作用，雨滴侵蚀的主要结果是较大的土壤团粒分离和表层土壤结构的破坏。这样，降雨形成的坡面径流可带走大量的土
壤颗粒而形成高含沙水流。
　　试验过程中，可以观察到降雨发生10min后，在坡面的末端渐渐出现了毛沟侵蚀的现象，有时甚至出现了初级的细沟。沟道的形成，大大增加了土体与水流的接触面积，并且破坏了较深层土壤的结构，使表层土壤更容易被水流侵蚀。图2中第一个含沙量峰值后的含沙量增长过程就是沟道成长所引起的。而一定的径流量在一定的坡度下具有的冲刷能力也是一定的，降雨发生一段时间后，由于径流量趋于稳定，含沙量也趋于稳定，从而形成第二个含沙量峰值。
　　根据试验数据，得到实验室条件下受污染土壤在发生降雨径流污染时，降雨强度与径流含沙量的关系式：
　　S_r=k_r2i^b　　　　　　　　(2)
　　式中　S_r——径流稳态含沙量，kg/m3
　　　　　b——与雨强相关的含沙量指数
　　　　　k_r2——综合含沙量系数
　　并确定参数为：
　　k_r2=39.64；b=0.59。
　　2.1.3 雨强对径流水相含污量影响
　　前已述及，石油类物质是疏水性物质，径流中大部分污染物是吸附于泥沙表面，被泥沙携带迁移。在坡面降雨径流过程中，水流携沙均为悬移性泥沙，即沿程只发生泥沙悬浮，不发生沉积作用。在被石油类物质污染的坡面土层上产生径流后，含油泥沙悬浮于紊动的水流中，发生污染物的释放，结果是石油类物质在水相和固相上达到浓度的平衡。试验条件下，雨强与径流水相污染物浓度关系如图4所示。

　　根据石油类物质的水相释放特性，可用下式表示含沙量与水相污染物(石油类物质)浓度关系：
　　C_r=mS_rC₀/(1+nS_rC₀)　　　　　(3)
　　式中　C_r——水相污染物浓度，mg/L
　　　　　m，n——系数
　　参数确定结果为：
　　m=0.495；n=0.089。
　　2.2 土壤污染强度对坡面径流污染过程的影响
　　2.2.1 污染强度对径流强度的影响
　　土壤是由固、液、气三相物质组成的疏松多孔体，固相物质包括矿物质、有机质和土壤生物，在固相物质之间为形状大小不同的孔隙，孔隙中存在着水分和空气。这几部分就组成了土壤生态系统，完成了土壤的各项功能。降水发生后，水在重力作用下不断排开土壤中的气体，占据土壤孔隙，在土层深度方向上形成互相交错的毛细管群，向土壤深层运送水分，供给植物根部用水和补给浅层地下水。
　　在土壤受石油类物质污染的情况下，土壤颗粒表面吸附大量石油类物质而变成疏水颗粒，不易被水浸透；如果污染强度很大，石油类物质的量超过了土壤颗粒的吸附能力而直接填充于土壤间的孔隙，就会破坏土壤的可透水结构。当降雨径流发生时，土壤不能形成有效的导水毛细管路，结果是下渗量减少，径流量增加。

　　由图5可看出，在相同的雨强下，产流量Q与土壤污染强度成正相关关系。而且从五条曲线的变化趋势看出，污染强度越大曲线上升越快，即产流量稳定值出现越早，这与上述的土壤污染影响径流量的原理是吻合的。
　　根据试验得出的数据，图6和式(4)反映了污染强度与稳态径流量的相关关系：
　　Q_w=k_w1C₀^α　　　　　　　(4)
　　式中　α——与土壤污染强度相关的产流指数
　　　　　C0——土壤污染强度，mg/kg
　　　　　kw1——定雨强条件下的综合产流系数
　　　　　Qw——不同土壤污染强度下的稳态径流量，mL/s
　　可得参数为：
　　kw1=4.08；α=0.064。
　　2.2.2 污染强度对径流含沙量的影响
　　当土壤被石油类物质污染以后，颗粒表面被疏水物质所覆盖，自身变为疏水颗粒。同时，存在于颗粒之间的石油类物质又加强了土壤的结团能力。降雨时，雨滴击溅作用对土层的破坏由于上述原因而减轻，相应的击溅产沙量就减少。当地表径流产生后，水流冲刷作用下的产沙也会因石油类物质的存在而减轻。根据试验数据，得到在相同雨强下土壤污染强度对径流含沙量的影响(见图7)，并拟合成以下相关公式：
　　S_w=k_w2·C₀^β　　　　　　　　(5)
　　式中　β ——与土壤污染强度相关的含沙量指数
　　　　　Sw——稳态含沙量，kg/m3
　　　　　kw2——定雨强下的综合产沙系数
　　参数计算结果为：
　　kw2=76.09；β=-0.10。

　　2.2.3 污染强度对水相含污量的影响
　　当颗粒物上的污染物浓度变化时，平衡释放过程也会有相应的变化。径流水相浓度与径流含沙量和径流泥沙含污量有关，根据式(3)，可得如下公式：
　　C=MSC₀/(1+NSC₀)　　　　　　　(6)
　　式中　C ——水相污染物浓度，mg/L
　　　　　S——径流泥沙含量，g/L　
　　　　　M、N——系数
　　根据试验数据率定得：
　　M=9.5×10^-5N=1.7×10^-5。
　　2.3 坡度对径流污染过程的影响
　　坡度是地貌形态特征的主要要素，也是影响径流过程的一个因素。坡度大时坡面径流流速快，反映在流域上就是汇流速度快，起峰时间早。当地又是以短历时的集中暴雨为主，汇流速度加快后，流域出现全流域汇流的可能性增大，从而使洪峰流量增大。坡度对坡面侵蚀产沙的影响比较显著，当坡度在一定范围内增大时，流速增大的水流挟沙能力明显增大。结果是坡面水流含沙量随着坡度增大而明显增大。坡度影响侵蚀的另一个原因是坡度越陡，在相同坡长条件下引起细沟侵蚀的可能性越大。
　　从表1～3可得出以下结论：①坡度能明显加快径流的汇流速度，而基本不影响其稳态径流量；②坡度能显著地影响径流含沙量，在试验坡度条件下，两者呈正相关系；③由于水相污染物浓度受到径流含沙量的影响，所以坡度间接地对其产生了作用。

表1 坡度对径流过程的影响(i=1.0mm/min) 时间(min) 坡度(°) 5 10 15 径流量(mL/s) 5 4.05 5.66 8.32 10 9.53 10.43 11.50 15 11.83 11.93 11.95

表2 坡度对径流稳态含沙量的影响 坡度(°) 雨强(mm/min)　　 0.5 1.0 1.5 含沙量(kg/m3) 5 10.5 19.5 27.9 10 22.8 44.0 53.9 15 53.2 77.6 109.8

表3 坡度对径流水相污染物浓度的影响 坡度(°) 雨强(mm/min) 　 　 0.5 1.0 1.5 石油类浓度(mg/L) 5 3.20 3.91 4.00 10 3.98 4.69 4.78 15 4.85 5.05 5.19 注 表1～3中均采用污染强度为7050mg/kg的污染土样。

　　3 结论

　　①延河流域由于典型的易受侵蚀的地质条件和多发暴雨的气候条件，使这一地区水土流失严重，径流易形成高含沙水流。分散的石油类物质污染源产生的污染物，在降雨径流过程中会形成高浓度石油污染水流。
　　②受污染土层的降雨径流过，实际上是受石油污染沉积物的迁移及其向水中释放的过程。在相同土层污染强度条件下，随着雨强增大，径流量增大，径流含沙量增大。在相同雨强下，随着污染强度增大，径流量增大，径流含沙量减少。此外，坡度对径流污染过程也有一定影响。
　　③整个试验结果表明，径流水相石油类浓度与径流泥沙含量和泥沙污染强度密切相关。

　　参考文献：
　　［1］景可，陈永宗，李风新.黄河泥沙与环境［M］.北京：科学出版社，1993.
　　［2］沈晋，王文焰，沈冰，等.动水水文试验研究［M］.西安：陕西科学技术出版社，1991.
　　［3］杨承义.环境监测［M］.天津：天津大学出版社，1993.
　　［4］B.T.哈特.水质管理——水环境中污染物的迁移和归宿［M］.北京：中国环境科学出版社，1991.

---

作者简介：任磊(1975-)，男，河南人，西安建筑科技大学在读博士研究生，研究方向：水资源保护与微污染控制。
电话：(029)7585478
E-mail:[email protected]
收稿日期：2000-04-20