（环境工程专业论文）石油类污染物在包气带中迁移转化研究——以曹妃甸地区为例.pdfVIP

s t u d y o nt h em i g r a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o no f o i l c o n t a m i n a n t si nv a d o s ez o n e - f o re x a m p l ei nc a o f e i d i a na r e a ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：d e n gt a o s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gw e n k e c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a ，fiir、if 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：华韬刈。年f 月f 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：牛韬 导师签名：硎 泖f o 年月f 日 孔，年月日 摘要 随着现代工业的发展，石油作为重要的能源及工业原料被广泛的应用，而石油在开 采、运输、加工等过程中会对土壤及地下水造成严重的污染。本文以曹妃甸为研究区域， 选取石油类污染物作为研究对象，以资料收集整理、理论分析研究为基础，通过室内静 态吸附试验及微生物自然降解试验，获取相关参数并利用数学模型模拟了石油类污染物 在包气带中的分布特征，从而揭示了石油在包气带中的迁移转化规律。通过室内试验及 数值模拟研究，得到以下几点研究成果： ( 1 ) 研究区域中四种典型的土壤( 粉砂、砂粉土、粉土、粉质粘土) 在2 0 时吸 附平衡时间都在l h 左右，其动力学吸附符合l a g e r g r e n 拟二级动力学方程。 ( 2 ) 研究区域中粉砂、粉土及砂粉土对石油的吸附等温曲线符合l a n g m u i r 吸附模 式，其理论最大吸附量分别为0 3 3 7 m g g 、1 2 9 4 m g g 、4 6 0 6 m g g 。粉质粘土由于吸附能 力较大，造成平衡浓度处于较小的范围中，其等温曲线符合线性吸附模式。 ( 3 ) 以粉砂作为典型介质，利用h d r u s - - 1 d 软件模拟了石油类污染物在包气带 中的运移规律，结果表明：在定水头入渗连续污染的情况下，污染物大约在2 0 0 d 左 右穿透5 m 的包气带进入地下水，其浓度达到初始浓度；而在定水头一次污染的情况下， 由于污染物被吸附和降解，其浓度随着埋深的增大而减小。在降雨蒸发条件下，污染 物经过1 0 a 的运移，滞留在地表，最大入渗深度仅在2 0 c m 左右，反映出蒸发及吸附作 用对石油类污染物的下渗有一定的阻滞作用。由上述研究结果可知，高浓度的石油废水 有压入渗的情况下，对地下水的威胁最大，在短时间内能到达地下水，而落地石油在自 然降雨条件下对地下水的污染威胁较小。 本次研究为曹妃甸地区的土壤及地下水资源的保护利用提供了科学依据。 关键词：曹妃甸；石油污染；包气带；吸附；数学模型 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e m i n d u s t r y ，o i l2 u sa l li m p o r t a n te n e r g ya n di n d u s t r i a lr a w m a t e r i a l sa r ew i d e l yu s e d ，b u to i lw i l le a u s es e r i o u ss o i la n dg r o u n d w a t e rp o l l u t i o ni n m i n i n g ，t r a n s p o r t a t i o n ，p r o c e s s i n g b a s e do nc a o f e i d i a nr e g i o n ，t h i s a r t i c l es e l e c tf o r p e t r o l e u mc o n t a m i n a n t s 嬲t h er e s e a r c ho b j e c t ，t h r o u g hs t a t i ca d s o r p t i o ne x p e r i m e n t sa n d m i c r o b i a ld e g r a d a t i o ne x p e r i m e n t si nd a t ac o l l e c t i o n ，a n a l y s i sa n ds t u d yt h e o r yb a s i s ，w h i c h g e tn a t u r a lr e l a t e dp a r a m e t e r s ，t h e r ea r es i m u l a t et h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fo i l i n v a d o s ez o n eb ym a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n ds t u d yt r a n s p o r t a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o no fo i li n t h e v a d o s e b yl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d i e s ，r e s e a r c hr e s u l t sa r et h e f o l l o w i n g ： ( 1 ) b yb a t c ha d s o r p t i o nt e s t ，t h ea d s o r p t i o ne q u i l i b r i u mt i m eo ff o u rt y p i c a ls o i l s a m p l e s ( s i l t ，s a n ds i l t ，s i l t ，s i l t yc l a y ) i n2 0 i n c a o f e i d i a ni sa b o u tl h ，t h ed y n a m i c a d s o r p t i o nf o u n dl a g e r g r e np s e u d os e c o n do r d e rk i n e t i ce q u a t i o n ( 2 ) o i la d s o r p t i o ni s o t h e r m so fs i l t ， s i l ta n ds a n ds i l tw e r ef i tt ol a n g m u i ra d s o r p t i o n m o d e l ，t h em a x i m u ma d s o r p t i o nc a p a c i t yw a s0 3 3 7 m g g ，1 2 9 4 m g g ，4 6 0 6 m g g b e c a u s e s i l t yc l a y h a s l a r g ea d s o r p t i o nc a p a c i t y ，r e s u l t i n g i nas m a l l e rr a n g eo fe q u i l i b r i u m c o n c e n t r a t i o n ，i t sa d s o r p t i o ni s o t h e r m sw e r ef i tt ol i n e a rm o d e l s ( 3 ) i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h er e g i o n a ld i s t r i b u t i o no fs o i l ，a u sat y p i c a ls i l t y s a n dm e d i u m ，a n das o f t w a r eh y d r u s - 1di su t i l i z e dt os i m u l a t ea n df o r e c a s tt r a n s p o r t a t i o n a n dt r a n s f o r m a t i o no fo i lp o l l u t a n t si nt h ev a d o s e i nt h ec a s eo fc o n t i n u o u sp o l l u t i o no f v e r t i c a li n f i l t r a t i o n ，o i lp e n e t r a t ev a d o s ez o n ei n t og r o u n d w a t e ri na b o u t2 0 0 d ，t h a tt h e c o n c e n t r a t i o nr e a c hi n i t i a lc o n c e n t r a t i o n p u l s eo fp o l l u t i o ni nt h ef i x e dh e a dc a s e ，b e c a u s e c o n t a m i n a n t sa r ea d s o r b e da n dd e g r a d a t i o n ，i t sc o n c e n t r a t i o na n dd e c r e a s e sw i t hd e p t h e v a p o r a t i o no fr a i n f a l lc o n d i t i o n s ，o i lr e m a i n i n gi nt h es u r f a c eo fs o i ld e p t ho f2 0 3 0 c m t h r o u g h10 a ，f o rt h es o i lr e t a r d sp e t r o l e u mp o l l u t a n t s t h ea b o v es t u d yr e s u l t s ，i nt h ec a s eo f t h eh i g hc o n c e n t r a t i o no fo i lw a s t ew a t e ri n f i l t r a t i o ni np r e s s u r es i t u a t i o n s ，t h eg r e a t e s tt h r e a t t og r o u n d w a t e ri nas h o r tt i m et or e a c ht h eg r o u n d ，w h i l ei nn a t u r a lc o n d i t i o n s ，t h eo i li s d i f f i c u l tt og r o u n d w a t e rp o l l u t i o n t h er e s e a r c hi nt h i sd i s s e r t a t i o np r o v i d e ss c i e n t i f i cs u p p o r tt o w a r d sp r o t e c t i o na n d u t i l i z a t i o no fs o i la n du n d e r g r o u n dw a t e rr e s o u r c e si nd e l t ao fc a o f e i d i a n k e y w o r d s ：c a o f e i d i a n ；o i lp o l l u t i o n ；v a d o s ez o n e ；a d s o r p t i o n ：m a t h e m a t i cm o d l e ； i i i 第一章绪论。 目录 1 1 1 研究的目的和意义1 1 2 国内外研究现状一l 1 2 1 石油类污染物的吸附行为研究2 1 2 2 石油类污染物在包气带运移研究3 1 2 3 石油类污染物的生物降解研究5 1 3 存在问题6 1 4 研究内容及技术路线一6 1 4 1 研究内容6 1 4 2 技术路线7 第二章研究区域概况。 2 1 自然地理条件8 2 1 1 地形8 2 1 2 气象9 2 1 3 水文9 2 2 地质地貌条件1o 2 2 1 地貌。1o 2 2 2 地质1 2 2 3 水文地质条件1 3 2 3 1 第四系松散岩类孔隙水1 3 2 3 2 新近系碎屑岩类孑l 隙裂隙水1 7 2 4 研究区域污染概况18 第三章石油类污染物的吸附及降解试验研究2 0 3 1 石油类污染物在包气带中的行为概述2 0 3 1 1 石油类污染物在包气带中的存在形态。2 0 3 1 2 石油类污染物的吸附2 1 3 1 3 石油类污染物在土壤中迁移特征2 l 3 1 4 石油类污染物在环境中的降解。2 1 3 2 石油类污染物的吸附试验研究2 2 3 2 1 吸附的基本理论2 2 3 2 2 吸附试验及结果分析“：。 2 6 3 3 石油类污染物的自然降解试验。3 2 3 3 1 自然降解的基本理论3 2 3 3 2 试验结果3 2 本章小结3 3 第四章石油类污染物在包气带中迁移转化规律及数值模拟。3 4 4 1 石油类污染物的在包气带中运移基本理论3 4 4 2 石油类污染物迁移转化数值模拟3 5 4 2 2 数学模型建立3 5 4 2 3 模型参数求解及边界条件的确定。3 7 4 2 4 模型计算4 1 4 3 模型计算结果及分析4 2 本章小结4 6 结论与建议4 8 结论。4 8 建议4 8 参考文献4 9 j l i 谢5 4 i i 长安大学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 石油被称为“工业的血液 ，是决定工业以及整个国民经济发展的物质基础和战略 资源。石油的提炼物，如柴油、汽油等是交通运输、电力、机械制造等工业的重要能源， 而且石油也为化工、轻工和纺织等行业提供必需的原材料。由于石油的开采、运输、加 工等工业化过程绝大部分都是在陆地上，因此，在这些过程中的漏油、突发性泄油事故 以及含油废水不合理排放等，不仅会造成大量的石油烃进入包气带造成土壤污染，而且 会使石油类污染物进入地下水系统。由于石油特殊的物理化学性质，会给土壤带来一系 列的危害，对局部生态、经济作物等造成严重的毒害，而石油类污染物也会随土壤水渗 透到地下水中，污染浅层地下水环境从而影响地下水水质。石油中所含的烷烃、环烷烃、 多环芳烃已经成为地下水污染中普遍的污染物，而其中苯、萘、葸及它们的衍生物等具 有致癌、致变、致畸等作用，它们能通过食物链在动植物体内逐级富集而危及人类健康 0 - 5 o 曹妃甸地区地处唐山南部的渤海湾西岸，位于天津港和京唐港之间，背靠京津唐地 区，交通极为便利，也是北方的天然深水良港，该地区不仅已经探明了l o 亿吨大油田， 而且正在建设以进口石油、矿石、天然气和煤炭为主的专业化、大型化码头。因此，石 油类污染物极有可能对该地区的土壤甚至地下水造成严重的环境威胁。一旦石油对该地 区的土壤及地下水资源造成不可挽回的污染，那么必将严重影响曹妃甸工业区的可持续 发展，造成人们的生存条件与经济发展的矛盾，而地下水系统的污染其治理和恢复的难 度及代价是巨大的。 本文以石油类污染物为研究对象，通过资料收集，理论分析，实验室试验及数值模 拟等方法，研究了石油类污染物在包气带中的吸附和自然降解行为，以及石油污染穿透 包气带向地下水污染的过程，建立石油在包气带中的迁移转化模型，为该地区土壤及地 下水保护利用提供科学依据。 1 2 国内外研究现状 当石油类污染物进入土壤包气带中，复杂的土壤环境就对其进行着各种各样的物理 化学过程：土壤颗粒及有机质对污染物有吸附解吸作用、石油在土壤水中的对 第一章绪论 流弥散、土壤中的微生物及化学成分对其有氧化还原降解作用，不光如此，在土壤表面 的石油也受到光解和挥发等作用。在这些作用中吸附、对流弥散及微生物降解在其迁移 规律中起着至关重要的作用。因此，国内外许多研究学者对上述这三种作用进行了大量 的研究。 1 2 1 石油类污染物的吸附行为研究 自从c w s h e e l e ( 1 7 7 3 年) 1 6 】第一个对木炭吸附气体的现象进行科学观察开始，国 外的许多学者针对不同的物质在不同的吸附剂上的吸附做了大量的试验工作，为解释吸 附作用的机理打好了基础。k a r i c k h o f f l 7 1 、w 0 8 1 和w e b e x 9 1 分别研究了疏水性有机物在自 然沉积物和悬浮物上吸附的热力学和动力学模式；a m y 等【l o 】研究了不同性质土壤对不 同结构的石碳酸的吸附解吸作用的影响，表明土壤有机质和自由基金属氧化物与石碳酸 的吸附解吸关系密切。g a b o r i a u 等【1 1 】的研究表明，高岭石对沥青质和燃料油的吸附等温 线均较好地符合l a n g m u i r 吸附等温式，而f r e u n d l i c h 等温吸附方程对菲在高岭石中的吸 附等温线拟合效果较好，并且有机污染物会增大菲的吸附量：q u 等【1 2 】认为两种含p a h s 的表层砂质壤土对菲的吸附等温线均较好地符合线型理想吸附模式；m o r s e l l i 等【l3 】的研 究表明，在有丙酮存在时，大分子量p a h s 的回收率要大于小分子量p a h s 的回收率， 随着污染物浓度的增大，其吸附量减小，从而回收率增大；p r a d u b m o o k 等【1 4 】认为溶液 p h 值的增大不利于甲苯和已酰苯在沉积硅土中的吸附；w a l t e r 等【1 5 】的研究表明，亲油 相的存在会影响p a h s 在土壤中的吸附作用，低粘性油如合成油和柴油的存在会大幅度 降低土壤对p a h s 的吸附量，而高粘性油如废油的存在对p a h s 在土壤中的吸附行为的 影响较小。 在国内石油类有机污染物吸附作用研究较晚，最初的国内吸附研究主要集中在土壤 环境、污染物性质等对吸附动力学以及等温吸附平衡曲线的影响。在这方面李春玲、岳 钦艳【1 6 】等研究了重金属离子在不同p h 、温度及可溶性腐殖酸量对吸附的影响，得出吸 附量随温度升高而减小，随p h 的升高而增大，可溶性腐殖酸可以促进重金属离子的吸 附的结论；张彦【l 。7 】等研究了活性碳投加量、温度、吸附时间及p h 等因素对活性炭吸附 马拉硫磷的影响；李崇明等【l8 1 以煤油、柴油和机油为例，研究了泥砂对乳化油的吸附和 解吸规律，分析了泥砂粒径和含盐量对吸附作用的影响，通过大量的研究发现吸附作用 可以很好的应用在污水、废水处理上。因此，近几年以活性碳为吸附剂对污水及废水处 理的研究逐渐多起来，包括蓝庭钊1 9 1 ，李子龙1 2 0 1 ，唐登勇【2 1 1 等一大批学者，他们对活性 2 长安大学硕士学位论文 炭吸附污水废水中的有机物、重金属离子的特性进行了研究。岳勇【2 2 1 ，赵文岩【2 3 1 ，范娟 2 4 1 ；王文静【2 5 1 等许多学者对改性活性碳和= 些其它吸附剂、( 如蒲草根、树脂等) 对污染 物的吸附性能进行了细致的研究，得出活性炭及其他一些吸附剂的改性能更好的增大吸 附量的结果。随着吸附科学深入研究，逐渐偏重于对吸附机理的研究，建立了很多吸附 动力学与吸附等温平衡曲线的模式，并通过热力学函数方程计算出吸附熵变和焓变来解 释吸附机理。李静【2 6 】，郑西来2 7 1 ，史红星【2 引，楚伟华【2 9 】等其研究结果都表明在一定的 平衡浓度内，石油类污染物的吸附模式符合线性吸附，其吸附量随着温度升高而减小。 周琰【3 0 】等通过对高岭土对油田废水的吸附得出其等温吸附模式适合l a n g m u i r 方程，吸 附动力学符合伪二级动力学模式，计算出高岭土对原油吸附过程的标准焓变为正值，说明 吸附过程是吸热的；各种温度条件下的标准吉布斯自由能变均为负值，说明各温度下高岭 土对原油的吸附过程均是自发的。 1 2 2 石油类污染物在包气带运移研究 石油类污染物在包气带中的运移实际上属于溶质运移范畴中，以1 8 0 5 年f i c k 提出 的分子扩散定律为基础，l a w i s ( 1 8 8 1 ) 提出了水和溶质在土壤中的运移速率不是一致 的，s l i c h e r ( 1 9 0 5 ) 得出了相似的观点【2 3 - 2 6 。随后，从2 0 世纪5 0 年代起，t a y l o r 、b e a r 、 n i e l s e n 、b r e a s l e r 等通过实验提出混合置换理论，并从实验和理论的角度进一步说明了 土壤溶质运移过程中对流、弥散和化学反应的耦合性质，为土壤溶质运移提供了理论基 础【2 7 3 1 。3 3 1 。1 9 5 2 年l a p i d u s 和a m u n d s o n l 2 4 】首次将一个类似于对流扩散方程的模型应用 于溶质运移问题的研究中，却并没有对模型的推导和物理意义作出任何的解释。因此， n i e l s o n 在随后系统的论述了c d e ( 对流弥散) 方程的科学性和合理性，以此为基础， b u a e r s 和j u r y ( 19 8 9 ) 把土壤溶质运移模型分为3 类：确定性模型、随机模型和传递函数 模型1 2 8 。3 0 t3 4 ，3 熨。至此，溶质运移的理论发展基本完善，绝大部分溶质运移问题以此为 理论基础进行研究。 近几年，随着计算机技术应用的发展，众多的学者以n i e l s o n 所提出的c d e 方程为 核心进行溶质的数学模型研究，提出了许多符合各种实际情况的数学模型及其理论。具 有代表性的有v e r s t r a e t e 3 6 l 模拟了石油烃在非饱和土壤中的突破和流动并得出了石油烃 的突破曲线；c o o k e 3 7 】运用离心模型模拟了流体和污染物在非饱和土壤中的运移； l a r s e n 【3 8 】通过土柱实验测定了3 种含水介质中1 2 种石油化合物的突破曲线，进而确定 了它们的阻滞系数；g r a t h w o h l l 3 9 , 4 0 】通过含水介质中多环芳香族化合物的释放，建立起平 第一章绪论 衡和非平衡模型，指出有机污染含水介质的恢复是一个非常缓慢的过程，常常需几年或 几十年；c a 4 l 】等( 1 9 8 9 ) 用不同粘度的碳轻质油做柱体入渗实验，预测非饱和带内土 壤中油的入渗和再分布。在此基础上，国外学者又致力于把多孔介质流体力学理论引入 到土壤及地下水污染之中，并且将模型发展成为二维、三维，并且将用于模拟的流体由 单相发展成为多相。f a u s t l 4 2 ，4 3 1 在模拟二维有机污染物运移问题的基础上，建立了一种 描述多孔介质中饱和、非饱和条件下水与另一种非溶混流体同时流动的三维流动的数学 模型，该模型可应用于地下水和非混溶污染物相结合的许多问题，并且证明了其有效性 和实用性。a b r i o l a 和p i n d e r l 4 4 1 提出了一种有机化合物污染的含水层建模的多相方法，从 而使三相流体来描述一种化学污染模拟运输成为可能。k a l u a r a c h c h i 和p a r k e r f 4 5 j 建立了 一种预测三相流体体系中油水流动的二维有限元模型，并采用加辽金有限元和迎风差分 格式进行数值模拟，大大提高了数学模型的精度。l e n h a d 和p a r k e r e 4 6 j ( 1 9 9 2 ) 对控制多 相流动的基本关系进行研究，并将二相饱和度与压力关系推广到三相流体的体系中去。 o s t e n d o r f t 4 7 l 等( 1 9 9 3 ) 研究了砂土中有机污染的滞留特性，应用基本理论成功的从汽油 溢滞带获得的区域数据并建立模型。e e k b e r g 和s u n a d a 4 8 】通过实验调查了非承压层中由 石油溢漏而引起的三相流的分布，对多孔介质中非稳定三相非溶混流体的入渗规律进行 研究。 在国内，溶质运移相关的研究起步较晚，但是依靠国外研究经验其发展很快。对石 油类污染物的运移研究主要是以土壤中溶质的运移方程为主，加上水和污染物耦合方 程，其中的主要方程是依据质量守恒定律，并用解析法求取解析解或有限差分、变分原 理进行数值解的求取。王秉忱【2 8 1 ( 1 9 8 5 ) 、刘兆昌( 1 9 9 1 ) 等关于地下水中有机化合 物的迁移转化的机理方面做过介绍；刘新华、沈照理【5 0 】等( 1 9 9 6 ) 对含油的污水在粘性 土层中多相流迁移特征进行研究；李晓华等【5 i 】对石油组分在土壤中的迁移特征进行研 究，得出了石油烃的浓度与深度间关系可以用负指数方程来表示，不同馏分对土壤中的 生物作用不同和芳烃在土壤中从表层向下逐层增多的特征；郑西来等5 2 。5 4 1 测定含水介质 对溶解油的吸附等温线从而得到阻滞系数，并应用于地下系统石油污染的分析、评价和 预测，其研究结果表明，石油污染物在含水介质中的吸附符合l a n g m u i r 方程，是一种 理想的物理吸附；王洪涛等【5 5 , 5 6 1 对石油污染物在土壤中运移的数值模拟进行了探讨，分 析了石油污染物在土壤中运移的规律，并建立了非饱和带污染物迁移地下水运动模型； 赵东风等【57 】通过土柱淋滤实验、原油渗透实验和降解实验，研究石油类污染物在土壤中 的迁移渗透规律；王东海等【5 8 】依据现场条件设计了室内土柱实验研究了包气带中残油的 4 长安大学硕士学位论文 动态释放，得出了不同水头、间接进水和不同淋滤液油类浓度对残油释放的影响关系； 束善治等唧运用离心模型模拟有机污染物在包气带中的迁移，通过模拟三相流体系的实 验得出在包气带的水气二相体系和水一油气三相体系中，试验箱的尺寸和注入的非水相 污染物的量被比例化后，可找到物质在箱内的迁移与实际中的迁移存在相似比例关系。 1 2 3 石油类污染物的生物降解研究 近几年，由于石油污染严重，国内外开始重视石油污染的修复技术，而微生物修复 石油污染具有成本低廉、没有二次污染、处理效果较好等优点，被国内外广泛采用。微 生物降解石油研究主要集中在从土著微生物中筛选高效降解菌及加强降解条件这两方 面。s s z i n j a r d e t 6 0 】等从污染的海岸中采集到2 0 种样品，将样品分别接入以原油为唯一 碳源的液体培养基中，连续转接三次，从中筛选到5 0 株石油降解菌，对给定石油的总 降解率可以达到l o 以上，对饱和烃的最大降解率达到了7 8 。m t b a l b a 6 1 】等在援救 生物修复科威特油湖底石油污染物时认为生物修复在处理石油污染土壤是非常有效的， 并认为这种方法要成功的进行修复，就必须确保有适当和足够的微生物，通过工程设计 优化微生物的生存条件，以提高微生物的生长活动，同时认为对于修复石油污染土壤靠 单一菌种很难修复彻底，要达到理想的结果，则需要多种微生物共同作用，并认为这是 由于不同的微生物只分解不分子量的有机物，降解率的提高主要被微生物所需的营养物 质和氧的限制。b y u n g h o o c h 0 1 6 2 】等在微生物降解石油污染土壤中分别加入了树皮、裸藻、 木炭和几种表面活性剂，以求促进微生物的降解效率，试验结果显示，木炭对提高微生 物降解效果最为显著。 在国内由于石油污染加重，开展了对微生物对石油污染的治理研究，主要集中在实 验室内降解条件的优化上。隋红、姜斌【6 3 】( 2 0 0 4 ) 等以苯、甲苯和对二甲苯( b t x ) 为 研究污染物，研究了生物通风原位土壤修复方法去除土壤中石油污染物的效果。用一维 生物通风土柱实验和控制实验对比了有生物降解和无生物降解土柱中b t x 的去除情况。 根据实验数据估算得到生物通风过程中苯、甲苯及对二甲苯的生物降解贡献率分别为 1 7 8 、3 0 0 和3 2 3 。用间歇实验探讨了多组分污染物之间的相互影响作用，发现甲 苯的降解能够促进对二甲苯和苯的降解。王彤、乐建君 1 6 4 1 ( 2 0 0 6 ) 分析了降解石油烃的配 伍菌对原油组成和流变性变化的影响。该配伍菌在原油中培养，生物降解原油组分，其 烷烃和芳烃质量分数发生变化，非烃组分质量分数平均增加2 0 9 ，沥青质质量分数平 均减少1 2 9 。原油经配伍菌作用后含蜡质量分数平均降低1 7 5 6 ，含胶质量分数平均 第一章绪论 降低2 6 5 4 ，处理后的原油表观黏度与处理前相比降低5 0 ，原油流动性得到改善。 黄廷林，肖洲强【6 5 】( 2 0 0 7 ) 等对陕北石油污染上壤分离得到的优势菌进行生态环境因素 影响实验研究。实验表明投加优势菌种的土壤中石油降解率明显高于不加菌土壤，这说 明实验室分离出的优势菌剂对陕北石油污染土壤修复效果显著；而同时翻耕可进一步提 高微生物的降解效率，加菌翻耕土壤中石油的降解率在4 2d 达到了9 6 6 2 ，并且微生 物在较低温度下仍保持显著的降解效果。添加不同膨松剂的实验结果显示在供试土样中 添加麦皮效果最好，降解率达到8 7 9 6 ，其次为稻壳，降解率达到7 1 1 9 ，添加 锯末效果最差，降解率仅为3 8 9 8 。徐金兰、黄廷林、唐智别6 6 】( 2 0 0 7 ) 等从陕北石 油污染土壤中富集分离优选出7 株菌株，降油试验结果表明降解8 d 后，加菌试样的石 油烃降解率均达到8 0 左右。接种量越大，石油菌数量越多，石油烃降解率随接种量的 增加而提高。 1 3 存在问题 通过对国内外关于石油类污染物在包气带中的吸附、运移及微生物降解研究的总 结，发现国内外学者针对石油类污染物在包气带中迁移转化规律研究已经较为详细，但 是还有下述两点科学问题有待解决： 1 、国内外学者针对于石油类污染物在土壤中的吸附行为展开了大量的研究工作， 但是对于曹妃甸地区的石油吸附性能及自然降解研究尚不多见。 2 、利用数值模拟对水溶性有机物在包气带中的迁移转化规律研究较为常见，但运 用数值模拟针对曹妃甸地区典型包气带中水溶性石油污染物的迁移转化规律研究较少。 1 4 研究内容及技术路线 1 4 1 研究内容 1 、在基本了解曹妃甸地区自然地理条件的基础上，选取该地区典型土壤，通过室 内静态吸附试验研究了该地区土壤对石油类污染物的吸附特性。 2 、通过室内试验研究了土壤中微生物对石油类污染物的自然降解行为。 3 、通过试验测算出水文地质模型的参数，并以石油类污染物为主要污染物，建立 数学模型，模拟可溶性石油类污染物在包气带土壤中的迁移转化规律。 6 长安大学硕士学位论文 1 4 2 技术路线 在了解研究地区地质地貌、水文地质条件等自然地理条件的基础上，以水动力弥散 理论为指导，采用室内试验与数值模拟相结合的方法，研究了石油在包气带中的迁移转 化规律，其技术路线如下图所示： 图1 1 技术路线 7 第二章研究区域概况 第二章研究区域概况 研究区位于河北省唐山市南部沿海地带。按以综合研究和重点调查两个层次来确定 工作范围( 图2 1 ) 。其中，以综合研究为主的工作区范围：陆上包括乐亭县、滦南县、 丰南区、唐海县全域，及滦河口至河北与天津北界1 5 - 2 0 m 海水等深线的海域。地理坐 标：东经1 1 7 0 5 27 1 1 9 0 1 9 ，北纬3 8 0 5 5 - - 3 9 0 3 9 ，面积7 7 5 0 k m 2 ( 其中，陆域面积 4 9 0 0 k m 2 ，海域面积2 8 5 0 k m 2 ) ；重点调查区范围：陆域为唐海县城京唐港规划区以南， 海域原则上以1 5 - - - 2 0 m 海水等深线为界。地理坐标：东经1 1 8 0 2 57 1 1 4 0 4 0 ，北纬3 6 0 5 5 7 3 6 0 1 1 ，面积3 4 5 0 k m 2 ( 其中，陆域面积1 4 3 0 k m 2 ，海域面积2 0 2 0 k m 2 ) 。 2 1 自然地理条件 图2 1 研究工作区和重点工作区范围图 2 1 1 地形 本区地处燕山山前冲洪积平原，地势由北向南倾斜，地形较为平坦。地面标高多为 lo - - - 5 0 m ，地面坡降0 6 9 o o 左右。主要地貌单元有滦河一洋河山前冲洪积扇( 裙) 和滨海 冲海积平原。滦河一洋河山前冲洪积扇( 裙) 地面标高l o - - 5 0 m ，由滦河、陡河、沙河、 洋河等河流的冲洪积扇组成，以滦河冲洪积扇为主。滨海冲海积平原沿渤海湾北岸分布， 地势低平，地面标高多在4 m 以下。 8 长安大学硕士学位论文 2 1 2 气象 本区属暖温带半湿润滨海大陆性季风气候，四季分明，冬季多西北风，寒冷干燥； 春季多风沙，蒸发量大；夏季炎热多雨，受海洋气候影响，多东南风，降水集中；秋季 温和凉爽，光照资源充足。曹妃甸岛虽属暖温带半湿润季风型气候，但与邻近大陆相比， 海洋气候十分显著，主要表现在春季气温偏低，秋冬气温偏暖，年及日气温温差较小， 湿度大、风速大、对流性天气弱，雾少等特征。 区内多年平均气温1 1 4 。c ，7 月份平均气温2 5 7 。据石臼坨岛气象观测资料，年平 均气温为1 0 6 。c ，其中7 月份平均气温2 4 3 。c ，与北京、天津相比低2 左右，全年最 高气温在3 0 以上的日数仅有1 1 1 8 5 天。 研究区多年平均降水量6 0 7 m m ，年最大降水量1 0 0 5 2i n i 1 ( 1 9 6 4 年) ，年最小降水 量3 1 8 1 m m ( 2 0 0 2 年) 。该区域地处欧亚大陆东部海域，受季风影响明显，全年降水量 适中，多年平均降水量为6 1 7 5r a i n 。夏季雨量多而集中，6 - - 8 月份降水量为4 6 5n l l l l ， 约占全年降水总量的7 5 。年降水量差异较大，少雨的1 9 6 8 年降水量仅1 9 3 m m ，而多 雨的1 9 6 4 年降水量高达1 2 2 6 m m 。 多年平均相对湿度为7 4 ，年均蒸发量为1 6 7 7 m m 。 2 1 3 水文 本区为滦河流域和蓟运河流域，河流主要有滦河、沙河、陡河、溯河、小青龙河等， 均发源于燕山山区( 表2 1 ) 。溯河为人工开挖的渠道，1 9 8 1 - 2 0 0 2 年平均放水量总干渠 为8 6 0 4 9 万m 3 。区内平原地表水库有古河水库、柳赞水库和柏农灌区系统的平原水库 等。 表2 1 曹妃甸地区主要河流情况一览表 9 第二章研究区域概况 2 2 地质地貌条件 i 2 2 1 地貌 本区位于冀东平原南部，包括部分山前倾斜平原区、滨海冲积海积平原( 包括海积 滩涂区和海积浅海区) 以及海积浅海区。 l 、山前倾斜平原区 山前倾斜平原区地面标高一般为5 - - - 3 5 m ，地势开阔，地形平坦，由北向南、西南 缓倾斜，地面坡降2 0 - 0 7 9 6 0 。在古冶以南到柏各庄，分布有垄岗沙丘，一般高l - - 3 m ， 个别达4 - - 5 m 。在本区西南部，地势低洼并有沣碱地分布，标高在2 0 - - 3 1 m ，分布有 油葫芦泊和草泊等平原水库，目l j i 基本处于干涸状态( 图2 2 ) 。 、麓辱点棚 * r i 微 h t “ r _ = = ：搿 厂】嚣搿 口搿 l j l j v - 1 ，- “ r m i _ m 啦然一 一鼍辊辱卷符号分 r ，啪& # 它 p 叶蜣 舯 r ” 匕二j 一l - t - _ _ 图2 2 研究区域地貌图 2 、滨海冲积海积平原区 该区可分为滨海低平原区和沿海滩涂洼地区。其中，滨海低平原区地势低平，海拔 多在4 m 以下，为冲积海积平原。第四纪海水几次入侵。多为地势低洼的盐碱地，高出 地面2 - - 3 m 。由于排水不畅，多形成泥沼、洼地和沙堤；滨海滩涂沣地区由海岸线向浅 海区方向延伸宽3 - - 5 k m ，岸外有海成沙坝、沙岛、贝壳堤地等，多呈带状断续分布。 海岸有人工修筑的海挡坝防潮，以土坝为主。海挡以内地表以盐田为主，其次为养鱼池、 养虾池等人工开垦的水域。 3 、海积浅海区 由于滦河入海口的频繁改道，以及沿岸流、海面的变化等因素影响，使得该区近 1 0 。纂辫三燃三-l| 一一一一一一一一一一一一一一一一一 长安大学硕士学位论文 海地貌类型十分丰富。 ( 1 ) 水下三角洲 滦河是一条游荡性河流，自全新世以来，东西迁徙频繁，在南堡至洋河口之间形成 了分布广泛、相互叠置的多期三角洲，其外缘水深一般在5 m 左右。其中南堡至北港岸 外，在曹妃甸至蛤坨以南水域，外缘在2 0 - - 一3 0 m 等深线；南堡至北港的滨海区，曹妃甸 至蛤坨以北，外缘在1 5 - 2 0 m 等深线。水下三角洲沉积物较粗，以灰黄色、灰褐色的细 砂及中细砂为主。三角洲之上还有古河床形成的砂砾石及灰黄色的泥质粉砂沉积。 ( 2 ) 潮流脊 南堡至黑沿子南侧的水域，分布有走向南东1 0 0 0 的潮流脊。南北宽约5 k m ，东西长 约2 8 k m ，与岸线平行。潮脊走向近乎平行排列。以槽状地形为主，槽长4 - - - 2 0 k m ，宽 0 2 - - 2 5 k m ，西部计槽之间相对高差3 - - 4 m ；东部一般为l o m ，最大达1 4 m ，其东南端潜 入南堡南侧的浅海，西北部与黑沿子大神堂邑一带的浅海相连。脊上沉积物较粗，以细 砂、粉砂为主；槽中物质较细，以粘土质粉砂为主。该潮脊是在平行海岸潮流作用下形 成。脊上沉积物以细砂、粉砂为主。 ( 3 ) 冲蚀槽 从曹妃甸至石臼坨向陆一侧为辽阔的浅滩区，这里曾是滦河入海口，由于滦河改道， 废弃的滦河河床在潮流作用下，不断被冲刷，浅滩区外侧成为潮流侵蚀槽，宽度平均为 2 o k m ，长度在2 5 o k m 左右，最大水深在1 5 m 以上，在其两侧还有两条小型侵蚀槽， 它们成为沟通曹妃甸与外海联系的通道。 ( 4 ) 侵蚀凹地 在曹妃甸一蛤坨一西坨一带，侵蚀槽两侧分布着大片的侵蚀凹地。