任磊，黃廷林
西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安710055

　　 摘要：延河流域石油類污染物的暴雨徑流污染是當(dāng)?shù)氐乇硭w的一種重要污染形式。為了探明石油類物質(zhì)的徑流污染規(guī)律，進(jìn)行了室內(nèi)模擬試驗(yàn)。結(jié)果表明：降雨強(qiáng)度、土壤污染強(qiáng)度、受雨坡面的坡度等因素都能明顯影響降雨徑流污染過(guò)程；污染過(guò)程中的水相石油類物質(zhì)是由徑流含沙量和徑流泥沙石油污染強(qiáng)度共同決定的，在試驗(yàn)條件下，水相污染強(qiáng)度可達(dá)1.56～5.19 mg/L，足以對(duì)徑流造成嚴(yán)重的污染。
　　關(guān)鍵詞：徑流污染；土壤石油污染；降雨徑流
　　中圖分類號(hào)：X74
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：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

　　地處陜北黃土高原的延安市是陜西省重要能源基地，石油開采業(yè)比較發(fā)達(dá)，廣泛分布在溝壑縱橫的黃土坡地上的油井及采、輸油設(shè)施，通過(guò)各種途徑把原油泄漏至地面上，造成了土壤石油類污染。在受污染地面上，當(dāng)降雨產(chǎn)生徑流后，石油類物質(zhì)被坡面水流所攜帶發(fā)生遷移，進(jìn)而污染地表水體。黃土坡面石油類污染物隨地表徑流遷移是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，受到許多因素的影響，如降雨特性、地面特性、石油類物質(zhì)特性等。遷移過(guò)程中，大部分石油類物質(zhì)以吸附態(tài)存在于顆粒物上，一小部分漂浮于水面，其他則以乳化或溶解態(tài)均勻分散于水相中。因此，研究黃土地區(qū)石油類污染物的徑流污染特性必須考慮當(dāng)?shù)貒?yán)重的水土流失特點(diǎn)^［1］，同時(shí)要考慮土壤顆粒與石油類物質(zhì)的相互作用。目前這方面的研究還處于起步階段，本文擬在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)黃土坡面石油類污染物徑流污染的基本特性進(jìn)行探討，為本地區(qū)制定切實(shí)可行的石油類污染物防治及污染源控制方案提供科學(xué)的依據(jù)和理論指導(dǎo)。

　　1 試驗(yàn)方法

　　1.1 試驗(yàn)設(shè)備
　　試驗(yàn)在室內(nèi)模擬坡面上進(jìn)行，試驗(yàn)系統(tǒng)包括可調(diào)坡試驗(yàn)土槽、人工降雨、地表徑流測(cè)量及徑流取樣幾個(gè)子系統(tǒng)。試驗(yàn)土槽長(zhǎng)400cm，寬30cm，高60cm。土槽的徑流出口處有徑流集水槽，用以觀測(cè)流量和提取徑流樣品以分析徑流量、含沙量和水相石油污染強(qiáng)度；降雨采用針頭式降雨器，降雨強(qiáng)度容易控制且均勻性良好^［2］。
　　1.2 試驗(yàn)土料
　　試驗(yàn)用土采用延安當(dāng)?shù)氐狞S土，經(jīng)風(fēng)干、碾壓、過(guò)篩等操作后，把采自延安地區(qū)油井的原油人工拌入土中形成污染土壤樣品。把樣品靜置數(shù)日，待污染物分布均勻后進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)當(dāng)?shù)鼐畧?chǎng)排污量估算和對(duì)井場(chǎng)上污染土采樣分析情況，確定土樣污染源強(qiáng)度系列為721、1369、5214、10474、16060mg/kg。
　　1.3 降雨強(qiáng)度的確定
　　地區(qū)降雨的特點(diǎn)是：分布集中、強(qiáng)度大和歷時(shí)短。根據(jù)這一特點(diǎn)，并參照當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式和降雨強(qiáng)度的實(shí)測(cè)資料^［1］，確定降雨強(qiáng)度系列為0.5、0.8、1.1、1.4、1.7mm/min。
　　1.4 分析方法
　　水相中石油類含量分析采用紫外分光光度法，沉積物中石油總量采用重量法測(cè)定^［3］。測(cè)定時(shí)石油的吸收波長(zhǎng)取254nm，標(biāo)準(zhǔn)油從延安當(dāng)?shù)赜吞锊沙龅脑椭刑崛　?/p>

　　2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　短歷時(shí)暴雨引發(fā)的徑流對(duì)地表水水質(zhì)污染最為嚴(yán)重，所以試驗(yàn)以短歷時(shí)暴雨為主要研究對(duì)象。由于該地區(qū)屬干旱半干旱氣候區(qū)，地下水位深，降雨徑流過(guò)程中的地面徑流對(duì)地下水的影響不顯著，故在試驗(yàn)過(guò)程不考慮對(duì)地下水的影響。
　　將處理好的土樣按容積質(zhì)量1.4g/cm3均勻裝入土槽，在坡度為10°條件下進(jìn)行了定雨強(qiáng)變土壤污染強(qiáng)度和定土壤污染強(qiáng)度變雨強(qiáng)的一系列試驗(yàn)。此外還進(jìn)行了旨在討論坡度影響的一組變坡度試驗(yàn)，并連續(xù)測(cè)定徑流量，同時(shí)取樣分析徑流含沙量和水相中污染物濃度。
　　2.1 雨強(qiáng)對(duì)坡面徑流污染過(guò)程的影響
　　2.1.1 雨強(qiáng)對(duì)徑流量過(guò)程的影響
　　徑流量的大小取決于很多因素，如雨強(qiáng)、降雨歷時(shí)、土壤結(jié)構(gòu)、地表植被覆蓋情況、地面坡度、地面平整度等。其中，最大的影響因素是雨強(qiáng)。在土壤污染強(qiáng)度C0=5214 mg/kg的條件下進(jìn)行徑流污染試驗(yàn)的結(jié)果表明，雨強(qiáng)與穩(wěn)態(tài)徑流量的關(guān)系如圖1所示，從中可以看出，在相同的土壤污染強(qiáng)度下，雨強(qiáng)越大則產(chǎn)流量越大。

　　 由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出在試驗(yàn)條件下降雨強(qiáng)度與穩(wěn)態(tài)徑流量的關(guān)系式：
　　Q_r=k_r1i^a　　　　　　　　　(1)
　　式中　Q_r ——穩(wěn)態(tài)產(chǎn)流量，mL/s
　　　　　i——降雨強(qiáng)度，mm/min
　　　　　a——與降雨強(qiáng)度相關(guān)的產(chǎn)流指數(shù)
　　　　　k_rl——綜合產(chǎn)流系數(shù)
　　其中參數(shù)值為：
　　k_rl=11.43；a=1.08。
　　2.1.2 雨強(qiáng)對(duì)徑流含沙量的影響
　　黃土高原的地形條件、土質(zhì)條件、植被條件和水文條件，使這里的徑流表現(xiàn)為世界上罕見的高含沙量。石油類物質(zhì)又是一種疏水物質(zhì)，易于吸附于土壤顆粒表面，徑流中的泥沙含量和泥沙中的污染物含量直接影響著徑流水相的污染狀況。在相同的土壤污染強(qiáng)度下進(jìn)行的一組試驗(yàn)，探討了土壤受一定石油類物質(zhì)污染條件下雨強(qiáng)對(duì)徑流含沙量的影響(見圖2、3)。

　　　　　　
　　圖2是在不同雨強(qiáng)下徑流含沙量S的過(guò)程線?？梢钥闯觯瑑蓷l曲線都有兩個(gè)產(chǎn)沙量的峰值。第一個(gè)峰值大約出現(xiàn)在降雨發(fā)生后的7～10min，這個(gè)峰值主要是由雨滴擊濺產(chǎn)沙被初期降雨形成的徑流所攜帶而形成的。在降雨時(shí)，侵蝕的兩種主要原因是雨滴和流動(dòng)的水。雨滴引起的侵蝕，經(jīng)常是侵蝕的最初階段，它取決于降雨的動(dòng)能，其動(dòng)能隨雨強(qiáng)增加^［4］。該地區(qū)的短歷時(shí)高強(qiáng)度降雨很容易引起強(qiáng)烈的侵蝕作用，雨滴侵蝕的主要結(jié)果是較大的土壤團(tuán)粒分離和表層土壤結(jié)構(gòu)的破壞。這樣，降雨形成的坡面徑流可帶走大量的土
壤顆粒而形成高含沙水流。
　　試驗(yàn)過(guò)程中，可以觀察到降雨發(fā)生10min后，在坡面的末端漸漸出現(xiàn)了毛溝侵蝕的現(xiàn)象，有時(shí)甚至出現(xiàn)了初級(jí)的細(xì)溝。溝道的形成，大大增加了土體與水流的接觸面積，并且破壞了較深層土壤的結(jié)構(gòu)，使表層土壤更容易被水流侵蝕。圖2中第一個(gè)含沙量峰值后的含沙量增長(zhǎng)過(guò)程就是溝道成長(zhǎng)所引起的。而一定的徑流量在一定的坡度下具有的沖刷能力也是一定的，降雨發(fā)生一段時(shí)間后，由于徑流量趨于穩(wěn)定，含沙量也趨于穩(wěn)定，從而形成第二個(gè)含沙量峰值。
　　根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到實(shí)驗(yàn)室條件下受污染土壤在發(fā)生降雨徑流污染時(shí)，降雨強(qiáng)度與徑流含沙量的關(guān)系式：
　　S_r=k_r2i^b　　　　　　　　(2)
　　式中　S_r——徑流穩(wěn)態(tài)含沙量，kg/m3
　　　　　b——與雨強(qiáng)相關(guān)的含沙量指數(shù)
　　　　　k_r2——綜合含沙量系數(shù)
　　并確定參數(shù)為：
　　k_r2=39.64；b=0.59。
　　2.1.3 雨強(qiáng)對(duì)徑流水相含污量影響
　　前已述及，石油類物質(zhì)是疏水性物質(zhì)，徑流中大部分污染物是吸附于泥沙表面，被泥沙攜帶遷移。在坡面降雨徑流過(guò)程中，水流攜沙均為懸移性泥沙，即沿程只發(fā)生泥沙懸浮，不發(fā)生沉積作用。在被石油類物質(zhì)污染的坡面土層上產(chǎn)生徑流后，含油泥沙懸浮于紊動(dòng)的水流中，發(fā)生污染物的釋放，結(jié)果是石油類物質(zhì)在水相和固相上達(dá)到濃度的平衡。試驗(yàn)條件下，雨強(qiáng)與徑流水相污染物濃度關(guān)系如圖4所示。

　　根據(jù)石油類物質(zhì)的水相釋放特性，可用下式表示含沙量與水相污染物(石油類物質(zhì))濃度關(guān)系：
　　C_r=mS_rC₀/(1+nS_rC₀)　　　　　(3)
　　式中　C_r——水相污染物濃度，mg/L
　　　　　m，n——系數(shù)
　　參數(shù)確定結(jié)果為：
　　m=0.495；n=0.089。
　　2.2 土壤污染強(qiáng)度對(duì)坡面徑流污染過(guò)程的影響
　　2.2.1 污染強(qiáng)度對(duì)徑流強(qiáng)度的影響
　　土壤是由固、液、氣三相物質(zhì)組成的疏松多孔體，固相物質(zhì)包括礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)和土壤生物，在固相物質(zhì)之間為形狀大小不同的孔隙，孔隙中存在著水分和空氣。這幾部分就組成了土壤生態(tài)系統(tǒng)，完成了土壤的各項(xiàng)功能。降水發(fā)生后，水在重力作用下不斷排開土壤中的氣體，占據(jù)土壤孔隙，在土層深度方向上形成互相交錯(cuò)的毛細(xì)管群，向土壤深層運(yùn)送水分，供給植物根部用水和補(bǔ)給淺層地下水。
　　在土壤受石油類物質(zhì)污染的情況下，土壤顆粒表面吸附大量石油類物質(zhì)而變成疏水顆粒，不易被水浸透；如果污染強(qiáng)度很大，石油類物質(zhì)的量超過(guò)了土壤顆粒的吸附能力而直接填充于土壤間的孔隙，就會(huì)破壞土壤的可透水結(jié)構(gòu)。當(dāng)降雨徑流發(fā)生時(shí)，土壤不能形成有效的導(dǎo)水毛細(xì)管路，結(jié)果是下滲量減少，徑流量增加。

　　由圖5可看出，在相同的雨強(qiáng)下，產(chǎn)流量Q與土壤污染強(qiáng)度成正相關(guān)關(guān)系。而且從五條曲線的變化趨勢(shì)看出，污染強(qiáng)度越大曲線上升越快，即產(chǎn)流量穩(wěn)定值出現(xiàn)越早，這與上述的土壤污染影響徑流量的原理是吻合的。
　　根據(jù)試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，圖6和式(4)反映了污染強(qiáng)度與穩(wěn)態(tài)徑流量的相關(guān)關(guān)系：
　　Q_w=k_w1C₀^α　　　　　　　(4)
　　式中　α——與土壤污染強(qiáng)度相關(guān)的產(chǎn)流指數(shù)
　　　　　C0——土壤污染強(qiáng)度，mg/kg
　　　　　kw1——定雨強(qiáng)條件下的綜合產(chǎn)流系數(shù)
　　　　　Qw——不同土壤污染強(qiáng)度下的穩(wěn)態(tài)徑流量，mL/s
　　可得參數(shù)為：
　　kw1=4.08；α=0.064。
　　2.2.2 污染強(qiáng)度對(duì)徑流含沙量的影響
　　當(dāng)土壤被石油類物質(zhì)污染以后，顆粒表面被疏水物質(zhì)所覆蓋，自身變?yōu)槭杷w粒。同時(shí)，存在于顆粒之間的石油類物質(zhì)又加強(qiáng)了土壤的結(jié)團(tuán)能力。降雨時(shí)，雨滴擊濺作用對(duì)土層的破壞由于上述原因而減輕，相應(yīng)的擊濺產(chǎn)沙量就減少。當(dāng)?shù)乇韽搅鳟a(chǎn)生后，水流沖刷作用下的產(chǎn)沙也會(huì)因石油類物質(zhì)的存在而減輕。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到在相同雨強(qiáng)下土壤污染強(qiáng)度對(duì)徑流含沙量的影響(見圖7)，并擬合成以下相關(guān)公式：
　　S_w=k_w2·C₀^β　　　　　　　　(5)
　　式中　β ——與土壤污染強(qiáng)度相關(guān)的含沙量指數(shù)
　　　　　Sw——穩(wěn)態(tài)含沙量，kg/m3
　　　　　kw2——定雨強(qiáng)下的綜合產(chǎn)沙系數(shù)
　　參數(shù)計(jì)算結(jié)果為：
　　kw2=76.09；β=-0.10。

　　2.2.3 污染強(qiáng)度對(duì)水相含污量的影響
　　當(dāng)顆粒物上的污染物濃度變化時(shí)，平衡釋放過(guò)程也會(huì)有相應(yīng)的變化。徑流水相濃度與徑流含沙量和徑流泥沙含污量有關(guān)，根據(jù)式(3)，可得如下公式：
　　C=MSC₀/(1+NSC₀)　　　　　　　(6)
　　式中　C ——水相污染物濃度，mg/L
　　　　　S——徑流泥沙含量，g/L　
　　　　　M、N——系數(shù)
　　根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)率定得：
　　M=9.5×10^-5N=1.7×10^-5。
　　2.3 坡度對(duì)徑流污染過(guò)程的影響
　　坡度是地貌形態(tài)特征的主要要素，也是影響徑流過(guò)程的一個(gè)因素。坡度大時(shí)坡面徑流流速快，反映在流域上就是匯流速度快，起峰時(shí)間早。當(dāng)?shù)赜质且远虤v時(shí)的集中暴雨為主，匯流速度加快后，流域出現(xiàn)全流域匯流的可能性增大，從而使洪峰流量增大。坡度對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響比較顯著，當(dāng)坡度在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，流速增大的水流挾沙能力明顯增大。結(jié)果是坡面水流含沙量隨著坡度增大而明顯增大。坡度影響侵蝕的另一個(gè)原因是坡度越陡，在相同坡長(zhǎng)條件下引起細(xì)溝侵蝕的可能性越大。
　　從表1～3可得出以下結(jié)論：①坡度能明顯加快徑流的匯流速度，而基本不影響其穩(wěn)態(tài)徑流量；②坡度能顯著地影響徑流含沙量，在試驗(yàn)坡度條件下，兩者呈正相關(guān)系；③由于水相污染物濃度受到徑流含沙量的影響，所以坡度間接地對(duì)其產(chǎn)生了作用。

表1 坡度對(duì)徑流過(guò)程的影響(i=1.0mm/min) 時(shí)間(min) 坡度(°) 5 10 15 徑流量(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 坡度對(duì)徑流穩(wěn)態(tài)含沙量的影響 坡度(°) 雨強(qiáng)(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 坡度對(duì)徑流水相污染物濃度的影響 坡度(°) 雨強(qiáng)(mm/min) 　 　 0.5 1.0 1.5 石油類濃度(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中均采用污染強(qiáng)度為7050mg/kg的污染土樣。

　　3 結(jié)論

　?、傺雍恿饔蛴捎诘湫偷囊资芮治g的地質(zhì)條件和多發(fā)暴雨的氣候條件，使這一地區(qū)水土流失嚴(yán)重，徑流易形成高含沙水流。分散的石油類物質(zhì)污染源產(chǎn)生的污染物，在降雨徑流過(guò)程中會(huì)形成高濃度石油污染水流。
　?、谑芪廴就翆拥慕涤陱搅鬟^(guò)，實(shí)際上是受石油污染沉積物的遷移及其向水中釋放的過(guò)程。在相同土層污染強(qiáng)度條件下，隨著雨強(qiáng)增大，徑流量增大，徑流含沙量增大。在相同雨強(qiáng)下，隨著污染強(qiáng)度增大，徑流量增大，徑流含沙量減少。此外，坡度對(duì)徑流污染過(guò)程也有一定影響。
　?、壅麄€(gè)試驗(yàn)結(jié)果表明，徑流水相石油類濃度與徑流泥沙含量和泥沙污染強(qiáng)度密切相關(guān)。

　　參考文獻(xiàn)：
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作者簡(jiǎn)介：任磊(1975-)，男，河南人，西安建筑科技大學(xué)在讀博士研究生，研究方向：水資源保護(hù)與微污染控制。
電話：(029)7585478
E-mail:huangtl@pub.xaonline.com
收稿日期：2000-04-20