地下输油管道泄漏污染物迁移与残留实验研究进展

吴国忠，王 宇，齐晗兵，王秋实，周英明

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318）

综合评述

地下输油管道泄漏污染物迁移与残留实验研究进展

吴国忠，王 宇，齐晗兵，王秋实，周英明

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318）

埋地输油管道发生泄漏对周围环境会造成巨大的破坏，所以世界各国一直致力于研究石油泄漏的迁移情况。介绍了石油泄漏后可能对环境造成的危害，综述了现阶段已知的原油泄漏迁移的影响因素。

石油泄漏；多孔介质；多相流迁移

在当今21世纪这个化石能源时代，输油管道遍及世界的各个角落，然而石油是一种对环境和生物危害极大的有机污染物，当输油管道发生泄漏，会迅速危害周边的土体环境，并且长时间存在且难以治理。在我国敷设的所有管道中，单就中国石油天然气管道局而言就有30 000多公里的大口径、长距离输送油、气等不同介质的管道。但是随着敷设时间的推移，运行过程中的设备损耗、设备腐蚀、设备老化，气候和地理环境变迁以及人为损坏等,各种自然及非自然因素导致管道泄漏的发生[1]。

原油是一种可燃能源，通常还伴随易挥发可燃气体，当原油管道发生泄漏后，可漂浮在城市水体表面，遇到明火极易发生爆燃时间，我国已经发生很多起类似事件，如青岛轻质原油管道爆燃这类事件用巨大的损失告诫我们重视原油管道泄漏的防范和治理。

现在国内外主要进行土柱实验、离心模拟实验、实地现场研究方法进行研究，主要目的是为了了解石油污染物在土壤中的迁移、转化、降解的过程和机理，其中已经有一些成果，为了预防和治理提供了坚实的理论依据。

1 石油管道泄漏对环境的影响

本文所说原油主要指未经加工的刚采出的由多种烃和水泥沙组成的混合物。自20世纪70年代开始，由于原油储量的短缺，人们开始逐渐关注原油泄漏对生态环境不断加重的影响。全球每年开采32亿t石油，其中大约有1/1000即320万t会由于不同原因泄漏到环境中，换言之将有15亿桶石油在未来60年里进入环境中，若这些石油一次性平均分布于世界海洋上，则至少有0.73 mL的石油覆盖在每平方米海面上[2]。而且原油泄漏发生时，通常泄漏量巨大，可对环境造成巨大的破坏（如表1），根据现有的原油污染实验中可知，植物群落中与泄漏原油接触的苔藓、地衣和多数双子叶植物无法在两年内恢复到原来的生长状态；在土壤中仅存 13.5%的残留油污即可完全抑制大麦和雀麦草的萌发[3]。油污对于常绿乔木的伤害更为显著，使其在石油污染后的几年中将很难再生[4]。根据研究这些现象主要是油污中毒性成分会包裹植物根部而损害根部功能，植物根部吸收营养物质机能被抑制，并同时影响植物正常吸收氮素[3]。

表1 国内外曾发生的部分严重类石油污染事故Table 1 Some serious oil pollution accidents occurred in the domestic and overseas

2 影响石油污染物在多孔介质中的迁移因素

2.1 多孔介质含水量

管道泄漏后，原油主要是在土壤中的孔隙中贮存或向下迁移，可以想象土壤中的孔隙中含有越多的水，则原油迁移就会越困难。已经有实验表明含水量提高时，如柴油一类烃类混合物在相同时间里下渗距离就会减少（实验图如图1）[5]。这主要是由于在土壤多孔介质中颗粒表面的结合水膜会因含水量增多而变厚，这样可供油分子通过的孔隙就会变小，油品就很难向下渗透。

但在沙土中烃类石油污染物的下渗湿润锋面随含水率增加会出现先增加后减小的现象，在土柱实验中含水率10%时，所用泄漏柴油穿透土柱时间最短[4]。根据分析，这是因为刚开始孔隙中气体较多，要占据沙土中孔隙中的空气较容易，而当后来孔隙中全被水占据时，石油向下迁移需要克服水的阻力，且下渗通道变少，所以下渗速度随含水量的增大而减慢。在土壤初始含水量较低情况下，相对不同质地土壤而言，其中粉粒含量越多，原油在土壤中下渗速度越慢；随土壤深度逐渐增加，土壤中原油残留物的含量呈波动递减趋势；用对数函数可以拟合原油在土壤中的湿润距离随时间的变化，湿润推进速率与时间的关系可用 Kostiakov 公式拟合[6]。沙土中的含水量还会影响柴油等石油类污染物的挥发，粗砂中含有一定量水分可促进柴油的挥发，而细沙和亚粘土中水分抑制柴油的挥发速率[7]。

2.2 温度对石油在多孔介质中迁移的影响

生物方面，温度可以显著影响微生物的活性，而微生物在石油迁移中起到分解石油类有机物的作用，当微生物活性强时，石油类污染物的含量就会降低。化学方面，温度可显著影响油污在组分的溶解速度和生物降解速率。在物理方面，温度会影响周围环境介质的存在状态，有实验表明，在具有温度梯度的多孔介质中，石油的迁移状态会发生巨大改变（如图2）。

图1 柴油入渗实验装置图示意图Fig.1 Experimental devices of diesel infiltration

图2 冻土实验中不同土样高度的石油含量Fig.2 Oil content in different soil sample

这主要是由于原油和成品油粘度随温度降低而升高,致使流动性降低,扩散率减小.而低分子量组分挥发会随温度升高而加快,油品中的成分会有显著的改变。高粘度条件和低粘度条件的多相流泄漏过程中的泄漏渗透区域具有不同的油水相分布，高粘度条件的多相流泄漏过程中的泄漏渗透区域上方都是水性，低粘度条件的多相流泄漏过程中的泄漏渗透区域中上部聚集了油相[8]。高粘度条件的多相流泄漏过程中的地表温度变化呈现地表中心温度高，逐渐向左右水平递减的趋势。在低温环境下相变也要成为影响迁移的一大因素[9]。

2.3 多孔介质的孔隙率对石油迁移的影响

孔隙率是指多孔介质内的微小空隙的总体积与该多孔介质的总体积的比值，是衡量多孔介质中通道数量的参数，通常土壤中孔隙率为43%到54%，在一般性实验中，我们可以利用波义耳-马略特气体定律求解，其它还有压泵法、密度法、吸渗法可用于测量多孔介质的孔隙率,有研究表明孔隙率大小直接影响石油迁移的浓度峰值、渗流速度（实验装置如图3）[10]。

多孔介质中孔隙是石油污染物传输的通道，我们知道孔隙率是影响污染物迁移的主要因素，多孔介质的密实度直接影响石油迁移的情况，在污染物迁移的过程中，多孔介质的孔隙率越小越会阻碍污染物向下的迁移速度，相反孔隙率越大污染物迁移速度越快，并且相同深度下迁移深度也增加。

图3 原油迁移特性与沉积特性实验装置图Fig.3 Crude oil migration features and sedimentary characteristics experiment device

2.4 土壤毛细力

由于毛细管或微毛细管组成了石油污染土体的孔隙结构，而毛细力的产生主要是由于液体在管中流动时，各相的不同内力形成的弯曲液面。毛细力的方向和大小分别与土颗粒表面的润湿性和张力及界面的曲率有关。当毛细管道内被油相和水相充填，由于既有水相毛细力，又有油相毛细力，所以毛细管道两端的压力差会决定管道内液相的迁移方向。油相的迁移方向还与土质有关，尤其是土中有机质含量会对油相迁移产生较大影响。这是由于土颗粒中的有机质属于亲油疏水介质，当毛细管道表面含有较多的有机质，会对石油污染物迁移产生有利的影响，反之，则对石油污染物迁移产生不利的影响[11]。在土壤中这种作用不仅受到污染物自身的物理化学性质影响，还会受到含水层介质的岩性、颗粒大小等的影响[12]。

3 石油污染物在土壤中的残留量

由于石油污染物主要是长碳链的有机物，不易被微生物自然降解，在土壤中长期滞留，所以研究泄漏石油污染物在土壤中的残留量对今后的治理有重要意义。在不同种类土壤中，石油污染物的残留量变化巨大，相同时间和深度亚粘土可是粗砂残留量的20多倍[13]。通常当石油污染物发生泄漏，在较短的时间里，土壤会将大多数污染物拦截在表层，但当污染物含量较大，且泄漏时间较长时，土壤的深部就可能会受到石油污染物的污染。在壤土和沙土中，石油污染物随深度的残留量表现不同，壤土中的石油污染物随深度先增加再减小，在土柱中部达到最大值，最高值出现的位置会随含水量的增加而略微下降，而在沙土中，上部到中部变化不大，但在下部石油污染物会随含水量增加而重新呈现递增，并且最底部的残留量最大[4]。残留态石油污染物主要由于吸附或毛细作用而残留在多孔介质中，以其固态或者液态得的形式[14]，在LNAPL污染物还会发生挥发而产生气体，这些都具有很大的研究前景。

4 结 论

随着石油能源的开发，人类不断建设长距离输送管道，管道的泄漏会对环境造成严重危害，所以及时的探查出泄漏地点和估计污染面积对减小损失，降低石油污染长期影响意义巨大。泄漏石油污染物在土壤中的迁移主要和土壤的种类、含水率、温度、土壤毛细力等因素有关，在这些方面国内外已经进行了一些研究，但大多都是进行单一因素的验证讨论，并没有进行多种因素耦合来研究石油污染物的迁移情况，对影响因素探究的整合具有重要的理论价值和现实意义。

［1］袁朝庆．埋地管道泄漏三维大地温度场仿真分析[J]. 西安石油大学学报，2007，22(2)：166-172.

［2］朱艳吉，王宝辉，盖翠萍．石油类污染物的环境行为及其对环境的影响[J]．化工时刊，2006(09)：66-69．．

［3］WALKER D A, WEBBER P J, EVERETT K R, et al. Effects of crude and diesel oil spills on plant communities at prudhoe bay, Alaska, and the derivation of oil spill sensitivity MAPS[J]. Arctic, 1978, 31(3): 242-259.

［4］JENKINS T F, JOHNSON L A, COLLINS C M, et al. The physical chemical and biological effects of crude oil spill on black spruce forest[J]. Arctic, 1978, 31(3): 305-323.

［5］李永霞，郑西来，马艳飞．土壤非饱和带柴油入渗的试验研究[J].环境污染与防治，2011(05)：27-31．［6］张博闻，邵明安．初始含水率对土壤中原油入渗的影响[J]．农业工程学报，2010(03)：9-13．

［7］马艳飞．非饱和含水介质中石油污染物迁移转化与淋洗技术研究[D]．青岛：中国海洋大学，2011．

［8］李兴柏，李国玉．温度梯度对多年冻土区石油迁移影响的研究[J]．甘肃科学学报，2013(01)：73-76．．

［9］邢畅．埋地输油管道泄漏过程多相流传热分析[D]．大庆：东北石油大学，2012．

［10］陈星欣，白冰，闫瑜龙，等．悬浮颗粒的浓度对其在饱和多孔介质中迁移和沉积特性的影响[J]．岩土力学，2012(08)：2343-2348．

［11］李兴柏．多年冻土区石油污染物迁移试验研究[D]．兰州：兰州理工大学，2012．

［12］王威．浅层地下水中石油类特征污染物迁移转化机理研究[D]．长春：吉林大学，2012．．

［13］宁丽，曾溅辉，陈广．柴油在土壤中迁移的试验模拟研究[J]．安全与环境学报，2008(03)：1-6．

［14］李永霞，郑西来，马艳飞．石油污染物在土壤中的环境行为研究进展[J]．安全与环境工程，2011(04)：43-47．

Research Progress in Experiments of Migration and Residue of Contaminants From Underground Oil Pipeline Leakage

WU Guo-zhong，WANG Yu，QI Han-bing，WANG Qiu-shi，ZHOU Ying-ming
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

Buried pipeline leak can cause enormous damage to the surrounding environment, so the research on migration of leaked oil is very important. In this paper, the possible harm of oil leakage to the environment was described, and factors to affect the migration of leaked oil were summarized.

Oil leakage; Porous media; Multiphase flow migration

TQ 832

： A

： 1671-0460（2015）03-0510-03

国家自然基金项目，项目号：51274071。

2014-10-23

吴国忠（1961-），男，黑龙江海伦人，教授，博士，2008年毕业于东北石油大学油气储运专业，研究方向：传热传质。E-mail：wgzdq@126.com。