山东淄博裂隙岩溶水中石油污染物分布和迁移特征

朱学愚　刘建立　朱俊杰　陈余道

摘要 裂隙岩溶水是中国北方的重要供水水源, 而石油污染又是地下水污染的-一种重要类型. 和孔隙水相比, 裂隙岩溶水中石油污染物具有不同的分布和运移特征. 裂隙岩溶水具有比孔隙水大得多的实际平均流速, 污染物运移是一个对流占绝对优势的问题. 石油污染的范围可以扩展到离污染源数公里远, 但这不是浮油池造成的, 而是由溶于水的石油组分和乳化油造成的. 石油污染物的空间分布, 在平面上集中于强导水带, 剖面上最高浓度出现在污染源坐落的层位. 水井中污染物浓度随时间的变化非常剧烈, 浓度-时间关系曲线大起大落. 这和裂隙岩溶水大的流动速度、由于抽水和停抽造成的频繁的局部流场变化以及污染物运移通道的复杂性和包气带中残留油的淋滤有关. 认识这些特点, 对于裂隙岩溶含水层中石油污染的控制和防治有实际意义.
关键词 裂隙岩溶水 石油污染物 苯 示踪试验 浓度-时间关系曲线 空间分布

　　裂隙岩溶水由于易遭受污染, 国际上较少利用它作为饮用水或城市供水水源. 但我国由于水资源短缺, 人均拥有的水资源量不足世界平均水平的四分之一, 而且时空分布不均匀. 在我国北方, 人均水资源的占有量不足全国平均水平的四分之一, 在需水季节往往河流干枯, 因此地下水成为生活用水和城市供水的重要水源. 许多大、中城市, 如济南、太原、徐州、淄博等, 都利用裂隙岩溶水进行城市供水. 保护这一类水资源免遭污染有重要的理论和实际意义. 石油污染是地下水污染的一种重要类型, 随着我国高速公路的建设, 汽车的数量和石油化工厂将愈来愈多, 石油污染将变得更普遍、更严重. 本文将以山东淄博市作为一个典型地区, 研究我国北方裂隙岩溶水中石油污染物的分布和运移特征, 为进一步的石油污染治理提供一些理论基础.

1 地质、水文地质概况

　　研究区位于山东淄博市东部约10 km处, 为一大型水源地?大武水源地. 地质构造上位于淄博向斜的东翼, 地层走向北东东, 倾向北北西, 倾角10°左右(见图1). 含水层为中奥陶统马家沟灰岩的上部O₂⁴, O₂⁵, O₂⁶. 岩性为厚层灰岩、豹皮状灰岩、白云质灰岩和白云岩, 裂隙、岩溶发育, 形成统一的含水层^[1]. 裂隙岩溶水接受南部山区的降水入渗补给和东部的淄河渗漏补给, 向北流动, 遇石炭系、二叠系的煤系地层阻挡, 形成一个特大型的水源地. 平均的地下水开采量为52×10⁴～54×10⁴m³/d. 该水源地供应淄博市500 000人口的城市供水和某石化公司、某发电厂等国有大型企业的生产用水, 有很大的重要性.

图1 大武水源地的地质略图
(a) 1示第四系, 2示中奥陶统马家沟组4段, 3示中奥陶统马家沟组5段,
4示岩层产状, 5示断层, 6示地下水流向, 7示中石炭系;
(b) 1示石灰岩, 2示白云岩, 3示亚粘土, 4示地下水面, 5示地下水流向, 6示石油污染物

2 污染源

　　在80年代中期, 某石化公司在柳杭－堠皋－西夏一线以南建设了300 000 t乙烯工程（包括烯烃厂、氯碱厂、塑料厂、储运厂等）(见图2). 厂区南部直接座落在奥陶系灰岩上, 北部的第四系覆盖层也仅1～12 m. 许多地下排污管线或直接放置在石灰岩上, 或放置在土层中但离灰岩很近. 而一些污废水具有腐蚀性. 泄漏的污废水极易进入含水层, 造成地下水的污染. 根据“八五”期间进行的47个点的钻探和坑探, 结果发现有10处持续泄漏点. 包气带中总油的最大含量约为89 245.5 mg/kg, 苯约为452 mg/kg. 这些泄漏点主要分布在厂区西南部的裂解车间和油品罐区(见图2). 该区裂隙岩溶灰岩和白云岩埋藏很浅. 泄漏的油通过包气带进入含水层, 成为地下水的污染源. 而污染源区正好位于大武水源地上游的补给区, 对供水水源构成很大的威胁.

图2 污染源和水源地分布图

3 污染物运移的水动力背景

　　研究区位于大武水源地的范围内. 大武水源地由若干水井和若干相对集中的小水源地组成. 东部为南仇水源和辛店水源, 由东向西依次为东风水源、西夏水源、堠皋水源和湖田水源. 形成一个以东风水源为中心的区域降落漏斗, 但每一个小水源地都是一个小漏斗(见图3). 地下水的流场非常复杂.

图3 大武水源地（研究区及其外围）的地下水面形态（1996年12月）

　　根据我们用三角形单元、线性插值的有限元方法（1255个单元, 661个节点）的计算结果, 研究区及其邻域导水系数的分布见图4. 主导水方向为NEE向, 数值高达35 000～50 000 m²/d.

图4 研究区及其邻域的导水性等值线

　　根据3次示踪试验的结果^[2], 示踪剂在裂隙岩溶含水层中的移动速度见表1. 由表可知, 示踪剂在研究区的裂隙岩溶含水层中有很大的运移速度, 因此该区污染物的运移是一个对流占绝对优势的问题.

表1 示踪试验综合成果表

　　根据从1992年开始的长期观测资料, 石油污染物的高浓度区分布在堠皋一带的C9和C10孔. 石油污染物总量最高为78.232 mg/L（C9井, 1994年7月）, 超标达1563.64倍. 在西夏-堠皋-柳杭地段都是石油污染区(见图5), 但未到达东风水源地. 东部的污染范围到达西夏水源地的几眼水井, 距离污染源约3～5 km.

图5 石油污染物总量的平面分布（1996年5月底）

　　石油是一种由多种有机化合物组成的混合物, 是比水轻的与水不相混溶的液体, 即LNAPLs^[3]. 石油在地下泄漏以后, 主要成为三部分, 一部分残留在包气带孔隙中成为残留油；一部分到达地下水面, 漂浮在水面上成为浮油池；一部分溶于水中或与水混合成为乳化油, 随地下水流动^[3]. 由于石油的粘滞度比水大得多, 而且地下水面的坡度在本区很小, 因此浮油池多存在于污染源附近. 经过多年的监测, 在厂区范围以外没有发现浮油池存在. 因此, 造成大面积地下水石油污染是由溶于水的石油组分和乳化油造成. 在石油组分中, 苯(C₆H₆)在水中的溶解度为1 791 mg/L, 较易溶于水. 而且容易降解和挥发. 由于上述运移特点, 使得在石油污染区, 尤其是重污染区堠皋一带, 苯的检出值较高, 但分布的范围比总油小.
　　在平面上, 主要污染区大致从污染源开始, 沿NEE方向分布, 这和强导水带的方向和示踪试验的结果一致.

5 石油污染物浓度的垂向变化特征

　　在多孔介质中, 由于石油污染物是LNAPL, 比水轻, 并且地下水流动速度较慢, 重力分异的结果使得愈接近地下水面石油浓度愈高, 当石油含量多时在地下水面上形成浮油层^[3]. 在裂隙岩溶含水层中是否具有相同的规律？山东省地质环境监测总站和我们在进行研究时, 曾选择C9, C10, C12和C6孔在地下水面以下定深取样, 取样深度选择在裂隙岩溶发育部位, 分析其总油含量, 结果如图6所示. 由图可以看出, 总油浓度最高的点不在潜水面附近, 而出现在O₂⁵段的岩溶发育带. 我们认为造成这一现象的原因和水文地质条件有关. 厂区的地基直接为O₂⁵灰岩和白云岩, 泄漏的油进入了O₂⁵中的裂隙岩溶带, 沿地层的倾向向北运移. 在C9和C10井处, 上部为O₂⁶和Q覆盖, 通过钻井才揭穿O₂⁵层. 由于裂隙岩溶水的运动速度相当快, 没有充分的重力分异时间, 故在和污染源相连的岩溶发育带的水样具有较高的石油浓度.

图6 C9 ( W1 )和C12 ( W4 )井中不同深度的总油
含量(1996年9月)和岩溶发育段位置
1示岩溶发育段位置；2示石油污染物浓度曲线

6 石油污染物浓度随时间变化特征

　　一般在多孔介质中, 由于对流和弥散的共同作用, 在一个水井中当污染物到达以前, 其浓度为背景值. 到达后出现一个陡的锋面, 以后浓度基本上稳定在一个较高的数值^[3,4]. 一般不会出现浓度随时间大起大落的现象. 但在淄博的裂隙岩溶含水层中则不同, 图7表示出在污染严重的堠皋地区二眼水井的石油污染物总量（总油）和苯的长期观测结果. 污染物的浓度急剧变化, 随时间大起大落. 几乎研究区的所有水井都有这一现象, 这显然有内在原因. 我们分析有如下原因：(1) 相当大的地下水实际流速. 根据多次示踪试验的结果和导水系数的情况, 本区裂隙岩溶水的实际流速相当大, 比多孔介质中的地下水流速要大成百上千倍, 是一个对流占绝对优势的问题. 只要污染源有任何变化, 很快反应在水井中的污染浓度变化. (2) 局部流场频繁变化的影响. 研究区是一个大型水源地, 共有数十眼抽水井. 抽水井分属不同的单位, 有不同的供水目的. 此开彼停, 造成很复杂而频繁的局部流场变化、这种变化必将造成水井中石油污染物浓度的变化. 由于抽水造成的局部流场变化对井中污染物浓度的影响从下例可以看出. 在氯碱厂的下游有二眼井T23和T22, 相距400m（图2）. 氯碱厂的泄漏造成T23和T22的地下水中Cl^-污染. 在1997年6月4日至6月5日T23井抽水, 此时污染物流向T23井, T23井的Cl^-浓度高达320 mg/L , 而T22为100～150 mg/L. 以后T23停抽, 该井Cl^-浓度降至150 mg/L左右, 而T22则升至400～500 mg/L , 但有10～20 h的时间滞后(见图8). 由此可知, 不同水井的抽水停抽的变化将造成石油污染物浓度的急剧变化. (3)降雨对包气带中残留油淋洗的影响. 本区包气带厚达数十米, 包气带中有较多的残留油. 由于油的密度小而粘度大, 本身的运移较慢. 但在雨季大的降雨以后, 入渗的水会将较多的残油淋洗到地下水中. 从图9的曲线可以看出, 各年总油浓度的峰值大多出现于降雨的峰值以后. (4)污染源的变化. 污染源主要来自管道的泄漏, 而且泄漏点很多. 近年来石化公司正在治理泄漏、更换管道. 污染源的位置不断变化. (5)裂隙岩溶含水层中污染物运移通道的复杂性.

图7 C9孔(a)和T23孔(b)的总油和苯随时间变化曲线

图8 T23井抽水对T23和T22井中Cl-浓度的影响
(a) T22水质检出结果, (b)T23水质检出结果

图9 T23孔（堠皋1^#）地下水中石油类含量(虚线)与降水(实线)的关系

7 结论

　　通过研究, 我们认为我国北方裂隙岩溶水（以淄博为例）中的石油污染物的分布和运移特征和孔隙水有很大的不同.
　　(1)造成大范围的地下水石油污染的不是漂浮在地下水面上的浮油池, 而是溶于水中的石油组分和分散在水中的乳化油. 它们随地下水流动, 由于裂隙岩溶水的运动速度很大, 所以污染不仅仅局限在污染源附近, 而是可以到达数公里之遥.
　　(2)地质和水文地质条件对裂隙岩溶含水层中石油污染物的运移和分布有较大的影响. 在平面上往往沿主要的强导水带分布. 在剖面上石油污染物浓度最高的位置不一定出现在潜水面附近, 而往往出现在污染源的层位, 尤其是和污染源相连通的溶蚀裂隙和岩溶带处污染物的浓度最高.
　　(3)和多孔介质不同, 裂隙岩溶含水层的水井中石油污染物浓度随时间急剧变化. 同一水井的浓度-时间关系曲线大起大落. 这和裂隙岩溶含水层的本身特点有关.
　　(4)当研究区有较多的抽水井时, 由于不同水井的抽水和停抽所造成的局部流场的变化, 对于污染物的时、空间分布有较大的影响.

国家自然科学基金(批准号: 49772162)和博士点基金资助项目
朱学愚（南京大学地球科学系, 南京 210093）
刘建立（南京大学地球科学系, 南京 210093）
朱俊杰（南京大学化学系, 南京 210093）
陈余道（桂林工学院建工系, 桂林 541004）

参 考 文 献
1，Zhu X, Zhu G, Liu Y, et al. Modeling of karst-fracture groundwater resource in Xindian Area, China. Memores of the 22nd Congress of IAH, 1990, 22: 56～65
2，朱学愚, 徐绍辉, 司进峰. 示踪试验在淄博裂隙岩溶水污染治理中的应用. 中国岩溶, 1997, 16 (2): 131～137
3，Fetter C W. Contaminant Hydrogeology. New York : Macmillan Publishing Company, 1993. 202～241
4，Bear J. Dynamics of Fluids in Porous Media. New York : American Elsevier Publishing Company, 1972. 579～660