任磊，黃廷林
西安建筑科技大學環境與市政工程學院，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地地表水體的一種重要污染形式。為了探明石油類物質的徑流污染規律，進行了室內模擬試驗。結果表明：降雨強度、土壤污染強度、受雨坡面的坡度等因素都能明顯影響降雨徑流污染過程；污染過程中的水相石油類物質是由徑流含沙量和徑流泥沙石油污染強度共同決定的，在試驗條件下，水相污染強度可達1.56～5.19 mg/L，足以對徑流造成嚴重的污染。
　　關鍵詞：徑流污染；土壤石油污染；降雨徑流
　　中圖分類號：X74
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：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，石油開采業比較發達，廣泛分布在溝壑縱橫的黃土坡地上的油井及采、輸油設施，通過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，當降雨產生徑流后，石油類物質被坡面水流所攜帶發生遷移，進而污染地表水體。黃土坡面石油類污染物隨地表徑流遷移是一個復雜的物理化學過程，受到許多因素的影響，如降雨特性、地面特性、石油類物質特性等。遷移過程中，大部分石油類物質以吸附態存在于顆粒物上，一小部分漂浮于水面，其他則以乳化或溶解態均勻分散于水相中。因此，研究黃土地區石油類污染物的徑流污染特性必須考慮當地嚴重的水土流失特點^［1］，同時要考慮土壤顆粒與石油類物質的相互作用。目前這方面的研究還處于起步階段，本文擬在試驗的基礎上，對黃土坡面石油類污染物徑流污染的基本特性進行探討，為本地區制定切實可行的石油類污染物防治及污染源控制方案提供科學的依據和理論指導。

　　1 試驗方法

　　1.1 試驗設備
　　試驗在室內模擬坡面上進行，試驗系統包括可調坡試驗土槽、人工降雨、地表徑流測量及徑流取樣幾個子系統。試驗土槽長400cm，寬30cm，高60cm。土槽的徑流出口處有徑流集水槽，用以觀測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度；降雨采用針頭式降雨器，降雨強度容易控制且均勻性良好^［2］。
　　1.2 試驗土料
　　試驗用土采用延安當地的黃土，經風干、碾壓、過篩等操作后，把采自延安地區油井的原油人工拌入土中形成污染土壤樣品。把樣品靜置數日，待污染物分布均勻后進行試驗。根據當地井場排污量估算和對井場上污染土采樣分析情況，確定土樣污染源強度系列為721、1369、5214、10474、16060mg/kg。
　　1.3 降雨強度的確定
　　地區降雨的特點是：分布集中、強度大和歷時短。根據這一特點，并參照當地暴雨強度公式和降雨強度的實測資料^［1］，確定降雨強度系列為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定^［3］。測定時石油的吸收波長取254nm，標準油從延安當地油田采出的原油中提取。

　　2 試驗結果及分析

　　短歷時暴雨引發的徑流對地表水水質污染最為嚴重，所以試驗以短歷時暴雨為主要研究對象。由于該地區屬干旱半干旱氣候區，地下水位深，降雨徑流過程中的地面徑流對地下水的影響不顯著，故在試驗過程不考慮對地下水的影響。
　　將處理好的土樣按容積質量1.4g/cm3均勻裝入土槽，在坡度為10°條件下進行了定雨強變土壤污染強度和定土壤污染強度變雨強的一系列試驗。此外還進行了旨在討論坡度影響的一組變坡度試驗，并連續測定徑流量，同時取樣分析徑流含沙量和水相中污染物濃度。
　　2.1 雨強對坡面徑流污染過程的影響
　　2.1.1 雨強對徑流量過程的影響
　　徑流量的大小取決于很多因素，如雨強、降雨歷時、土壤結構、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。在土壤污染強度C0=5214 mg/kg的條件下進行徑流污染試驗的結果表明，雨強與穩態徑流量的關系如圖1所示，從中可以看出，在相同的土壤污染強度下，雨強越大則產流量越大。

　　 由試驗數據可得出在試驗條件下降雨強度與穩態徑流量的關系式：
　　Q_r=k_r1i^a　　　　　　　　　(1)
　　式中　Q_r ——穩態產流量，mL/s
　　　　　i——降雨強度，mm/min
　　　　　a——與降雨強度相關的產流指數
　　　　　k_rl——綜合產流系數
　　其中參數值為：
　　k_rl=11.43；a=1.08。
　　2.1.2 雨強對徑流含沙量的影響
　　黃土高原的地形條件、土質條件、植被條件和水文條件，使這里的徑流表現為世界上罕見的高含沙量。石油類物質又是一種疏水物質，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度下進行的一組試驗，探討了土壤受一定石油類物質污染條件下雨強對徑流含沙量的影響(見圖2、3)。

　　　　　　
　　圖2是在不同雨強下徑流含沙量S的過程線。可以看出，兩條曲線都有兩個產沙量的峰值。第一個峰值大約出現在降雨發生后的7～10min，這個峰值主要是由雨滴擊濺產沙被初期降雨形成的徑流所攜帶而形成的。在降雨時，侵蝕的兩種主要原因是雨滴和流動的水。雨滴引起的侵蝕，經常是侵蝕的最初階段，它取決于降雨的動能，其動能隨雨強增加^［4］。該地區的短歷時高強度降雨很容易引起強烈的侵蝕作用，雨滴侵蝕的主要結果是較大的土壤團粒分離和表層土壤結構的破壞。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。
　　試驗過程中，可以觀察到降雨發生10min后，在坡面的末端漸漸出現了毛溝侵蝕的現象，有時甚至出現了初級的細溝。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構，使表層土壤更容易被水流侵蝕。圖2中第一個含沙量峰值后的含沙量增長過程就是溝道成長所引起的。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，降雨發生一段時間后，由于徑流量趨于穩定，含沙量也趨于穩定，從而形成第二個含沙量峰值。
　　根據試驗數據，得到實驗室條件下受污染土壤在發生降雨徑流污染時，降雨強度與徑流含沙量的關系式：
　　S_r=k_r2i^b　　　　　　　　(2)
　　式中　S_r——徑流穩態含沙量，kg/m3
　　　　　b——與雨強相關的含沙量指數
　　　　　k_r2——綜合含沙量系數
　　并確定參數為：
　　k_r2=39.64；b=0.59。
　　2.1.3 雨強對徑流水相含污量影響
　　前已述及，石油類物質是疏水性物質，徑流中大部分污染物是吸附于泥沙表面，被泥沙攜帶遷移。在坡面降雨徑流過程中，水流攜沙均為懸移性泥沙，即沿程只發生泥沙懸浮，不發生沉積作用。在被石油類物質污染的坡面土層上產生徑流后，含油泥沙懸浮于紊動的水流中，發生污染物的釋放，結果是石油類物質在水相和固相上達到濃度的平衡。試驗條件下，雨強與徑流水相污染物濃度關系如圖4所示。

　　根據石油類物質的水相釋放特性，可用下式表示含沙量與水相污染物(石油類物質)濃度關系：
　　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
　　參數確定結果為：
　　m=0.495；n=0.089。
　　2.2 土壤污染強度對坡面徑流污染過程的影響
　　2.2.1 污染強度對徑流強度的影響
　　土壤是由固、液、氣三相物質組成的疏松多孔體，固相物質包括礦物質、有機質和土壤生物，在固相物質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系統，完成了土壤的各項功能。降水發生后，水在重力作用下不斷排開土壤中的氣體，占據土壤孔隙，在土層深度方向上形成互相交錯的毛細管群，向土壤深層運送水分，供給植物根部用水和補給淺層地下水。
　　在土壤受石油類物質污染的情況下，土壤顆粒表面吸附大量石油類物質而變成疏水顆粒，不易被水浸透；如果污染強度很大，石油類物質的量超過了土壤顆粒的吸附能力而直接填充于土壤間的孔隙，就會破壞土壤的可透水結構。當降雨徑流發生時，土壤不能形成有效的導水毛細管路，結果是下滲量減少，徑流量增加。

　　由圖5可看出，在相同的雨強下，產流量Q與土壤污染強度成正相關關系。而且從五條曲線的變化趨勢看出，污染強度越大曲線上升越快，即產流量穩定值出現越早，這與上述的土壤污染影響徑流量的原理是吻合的。
　　根據試驗得出的數據，圖6和式(4)反映了污染強度與穩態徑流量的相關關系：
　　Q_w=k_w1C₀^α　　　　　　　(4)
　　式中　α——與土壤污染強度相關的產流指數
　　　　　C0——土壤污染強度，mg/kg
　　　　　kw1——定雨強條件下的綜合產流系數
　　　　　Qw——不同土壤污染強度下的穩態徑流量，mL/s
　　可得參數為：
　　kw1=4.08；α=0.064。
　　2.2.2 污染強度對徑流含沙量的影響
　　當土壤被石油類物質污染以后，顆粒表面被疏水物質所覆蓋，自身變為疏水顆粒。同時，存在于顆粒之間的石油類物質又加強了土壤的結團能力。降雨時，雨滴擊濺作用對土層的破壞由于上述原因而減輕，相應的擊濺產沙量就減少。當地表徑流產生后，水流沖刷作用下的產沙也會因石油類物質的存在而減輕。根據試驗數據，得到在相同雨強下土壤污染強度對徑流含沙量的影響(見圖7)，并擬合成以下相關公式：
　　S_w=k_w2·C₀^β　　　　　　　　(5)
　　式中　β ——與土壤污染強度相關的含沙量指數
　　　　　Sw——穩態含沙量，kg/m3
　　　　　kw2——定雨強下的綜合產沙系數
　　參數計算結果為：
　　kw2=76.09；β=-0.10。

　　2.2.3 污染強度對水相含污量的影響
　　當顆粒物上的污染物濃度變化時，平衡釋放過程也會有相應的變化。徑流水相濃度與徑流含沙量和徑流泥沙含污量有關，根據式(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
　　根據試驗數據率定得：
　　M=9.5×10^-5N=1.7×10^-5。
　　2.3 坡度對徑流污染過程的影響
　　坡度是地貌形態特征的主要要素，也是影響徑流過程的一個因素。坡度大時坡面徑流流速快，反映在流域上就是匯流速度快，起峰時間早。當地又是以短歷時的集中暴雨為主，匯流速度加快后，流域出現全流域匯流的可能性增大，從而使洪峰流量增大。坡度對坡面侵蝕產沙的影響比較顯著，當坡度在一定范圍內增大時，流速增大的水流挾沙能力明顯增大。結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原因是坡度越陡，在相同坡長條件下引起細溝侵蝕的可能性越大。
　　從表1～3可得出以下結論：①坡度能明顯加快徑流的匯流速度，而基本不影響其穩態徑流量；②坡度能顯著地影響徑流含沙量，在試驗坡度條件下，兩者呈正相關系；③由于水相污染物濃度受到徑流含沙量的影響，所以坡度間接地對其產生了作用。

表1 坡度對徑流過程的影響(i=1.0mm/min) 時間(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 坡度對徑流穩態含沙量的影響 坡度(°) 雨強(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 坡度對徑流水相污染物濃度的影響 坡度(°) 雨強(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中均采用污染強度為7050mg/kg的污染土樣。

　　3 結論

　　①延河流域由于典型的易受侵蝕的地質條件和多發暴雨的氣候條件，使這一地區水土流失嚴重，徑流易形成高含沙水流。分散的石油類物質污染源產生的污染物，在降雨徑流過程中會形成高濃度石油污染水流。
　　②受污染土層的降雨徑流過，實際上是受石油污染沉積物的遷移及其向水中釋放的過程。在相同土層污染強度條件下，隨著雨強增大，徑流量增大，徑流含沙量增大。在相同雨強下，隨著污染強度增大，徑流量增大，徑流含沙量減少。此外，坡度對徑流污染過程也有一定影響。
　　③整個試驗結果表明，徑流水相石油類濃度與徑流泥沙含量和泥沙污染強度密切相關。

　　參考文獻：
　　［1］景可，陳永宗，李風新.黃河泥沙與環境［M］.北京：科學出版社，1993.
　　［2］沈晉，王文焰，沈冰，等.動水水文試驗研究［M］.西安：陜西科學技術出版社，1991.
　　［3］楊承義.環境監測［M］.天津：天津大學出版社，1993.
　　［4］B.T.哈特.水質管理——水環境中污染物的遷移和歸宿［M］.北京：中國環境科學出版社，1991.

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