多沙河流中石油类污染物迁移的一维数学模型Ⅰ.吸附模型

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1、水利学报2004年9月SHUILIXUEBAO第9期文章编号:0559-9350(2004)09-0105-06多沙河流中石油类污染物迁移的一维数学模型Ⅰ.吸附模型12黄廷林，任磊(1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安710055；2.中国石油规划总院环保安全所，北京100083)摘要：本文研究了黄土高原丘陵区域径流受石油类污染的两种过程和与之相对应的两种模型，根据石油类污染物污染过程特点和延河水文与径流特点及流域自然地理特征，建立了一维多沙河流中石油类污染物的吸附模型。模型中主要考虑了河流悬移

2、质、推移质泥沙和底泥与石油类的相互作用以及河流的弥散作用对石油类迁移的影响。运用拉普拉斯变换得到了模型的解析解。由室内静态和动态试验，确定模型中各参数；并分析了几个主要参数变化对模拟结果的影响。运用实测资料对模型进行了验证，并根据延安环保局监测资料预测分析了两个典型的石油类污染源排污对水体的影响。预测结果表明：在15min内两污染源分别造成了600m和500m的石油类污染带。关键词：石油类污染物；多沙河流；迁移模型；吸附模型中图分类号：X522文献标识码：A地处黄河中游流域的西北黄土高原丘陵沟壑区，地表土质

3、疏松、坡陡沟深，极不平坦，侵蚀强烈。“干流深切，支沟密布”是该地区河流分布的主要特点。作为温带半干旱气候区，年平均降水量500mm左右，河流径流补给与径流量较小，河道断面较狭窄。由于表土含水率低，植被覆盖条件差，在降雨径流过程中易形成高含沙径流。延河是黄河的主要支流之一，河长287km，其主要支流有坪桥川、西川河、南川河、潘龙川、杏子河2等，流域面积5891km。延河流域的地形、地貌、水文和气候条件在其所处的黄土高原丘陵沟壑区内具有很强的代表性。延河是当地最重要的饮用水水源和灌溉水源，同时又是最大的纳污水体

4、，因此，对延河的水污染研究与控制是保障河流水域功能正常发挥的重要环节。本文研究的主要是延河安塞县段，该河段包括延河干流和坪桥川、杏子河等流域。近10多年来，该流域上石油开采业得到迅猛发展。由于当前采取多层次开采的管理体制，不少油井脱水和采油废水处理工艺相对落后，大量的石油类污染物被排入环境，其中绝大部分最终通过各种途径进入[1～3]河流，对延河水质构成了严重威胁。河流石油类污染物水质模型的研究，对于确定河流纳污能力，进[4，5]而防治河流的石油污染具有重要意义。本文针对研究区域的污染现状建立石油类河流污染过

5、程模型，分析石油类污染物在黄土高原丘陵沟壑区内径流中迁移过程和分布规律，结合水质标准，预测和评估石油污染源对水环境造成的危害。1污染过程分析根据污染物的物理化学特性，当地的石油类污染可以概化为两个相对独立的污染过程。第一种过程主要是指点源排放的含油废水进入河流后，石油类污染物被泥沙和底泥吸附而形成污染物收稿日期:2003-05-20基金资助:国家自然科学基金项目资助(50378077)；教育部高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划资助作者简介:黄廷林(1962-),男,山东昌邑人,教授,从事水资源保护与微污染

6、控制等研究.1水利学报2004年9月SHUILIXUEBAO第9期再分布的过程。在这一过程中，水中的石油类通过水固两相的分配作用吸附在土壤颗粒表面，其吸附动力主要是有机质间的相似相溶原理和极性基团的静电吸附作用，在这一过程中，由于水分子的隔离，石油分3子（或石油分散集团）与土壤颗粒间的吸附强度较弱。静态吸附试验结果表明，当体系含沙量S＜5kg/m，体系温度为25℃时，研究区域内石油类污染物吸附等温式为CSa=kaCWa(1)式中：CSa为吸附平衡体系中，单位重量土壤颗粒吸附石油类污染物量；CWa为吸附平衡体

7、系中，水相平衡石[6]油类污染物浓度；ka为研究区域条件下石油类污染物总吸附常数，计算得ka=157.7L/kg。第二种过程主要是指，在降雨形成坡面漫流并汇集成地表径流过程中，采油井场内或油田开发区内受石油类污染的表层土以两种途径影响地表水体石油类含量，一是土壤颗粒直接被冲刷进入地表径流，其所携带的石油类污染物解吸进入水相；另一方面在河道中沉积下来的受污染泥沙作为底泥向上覆水体解吸石油类污染物。参与此类解吸过程的石油类污染物是落于井场上的原油渗入土层造成的，所以污染是在土壤表层干燥（含水率较低，颗粒表面未被

8、水分子完全包被）的条件下发生的，石油类直接吸附于颗粒表面，3其粘附力强，不易解吸。这种情况下的解吸试验结果表明，当体系含沙量悬浮物含量S＜5kg/m，体系温度为25℃时，其静态解吸试验条件下其等温式为CSd=kdCWd(2)式中：CSd为解吸平衡体系中单位重量土壤颗粒吸附石油类污染物量；CWd为解吸平衡体系中，水相平衡石油[6]类污染物浓度；kd为研究区域条件下石油类污染物总解附常数，计算得kd=1710L/kg