波浪作用下沉积物中总石油烃的迁移释放规律.pdf

4期http:/波浪作用下沉积物中总石油烃的迁移释放规律卢芳1,2，王卉3，贾永刚2,3，刘文全2,4（1.山东科技大学海洋科学与工程学院，山东青岛266590；2.青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室，山东青岛266061；3.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东青岛266100；4.自然资源部第一海洋研究所，山东青岛266061）摘要：海底石油管线泄漏可能导致海床内部形成高浓度石油污染。在波浪作用下，海床沉积物易发生再悬浮甚至液化失稳现象，进而导致海床内部石油类污染物通过多种途径向水体再次释放并在土体内部发生迁移，造成更大范围的石油扩散。本研究以总石油烃（Total Petroleum Hydrocarbon，TPH）设为代表性污染物，将污染泥浆以椭球状埋设在沉积物内部，采用波浪水槽试验研究不同强度波浪作用下TPH向上覆水体的释放规律及在沉积物内部的迁移规律。结果表明，在沉积物静置固结阶段前期，TPH随孔隙水由沉积物向上覆水体迁移释放，固结阶段前期TPH向上覆水体的释放量高于后期。在波浪作用未引起沉积物液化阶段，波浪促进石油类污染物向水体释放的作用较弱，由于悬浮泥沙对石油类污染物的吸附作用，水体中石油类污染物的浓度略低于静置固结阶段。在波浪作用引起沉积物液化阶段，随着悬浮泥沙浓度升高，TPH向上覆水体释放量加大；TPH在沉积物内部垂向迁移及平面扩散迁移距离加大，平面迁移距离大于垂向迁移距离，垂向扩散深度与液化深度基本一致，污染土体体积占比约为土体未液化时的3倍。关键词：波浪；沉积物液化；总石油烃（TPH）；迁移释放中图分类号：P736；X14；X55文献识别码：A文章编号：1001-6932(2023)04-0375-10Doi:10.11840/j.issn.1001-6392.2023.04.002收稿日期：2022-07-19；修订日期：2022-10-13基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（41807247）作者简介：卢芳（1985），博士，讲师，主要从事海洋环境评价及预测研究，电子邮箱：通信作者：刘文全，博士，高级工程师，电子邮箱：Wave-induced migration and release of total petroleum hydrocarbonsin sedimentsLU Fang1,2,WANG Hui3,JIA Yonggang2,3,LIU Wenquan2,4（1.College of Marine Science&Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China;2.Laboratory for Marine Geology,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266061,China;3.Key Laboratory of Marine Environment&Ecology,Ministry of Education,Ocean University of China,Qingdao 266100,China；4.First Institute of Oceanography,MNR,Qingdao 266061,China）Abstract:The leakage of submarine oil pipelines can lead to high levels of oil pollution inside the seabed.Under the actionsof waves,the seabed sediments are prone to re-suspension or even liquefaction and instability,which leads to the re-releaseof petroleum pollutants from the seabed to water and migration in the sediment through various channels,resulting in a widerange of oil diffusion.In this study,total petroleum hydrocarbon(TPH)was taken as the representative pollutant,and thecontaminated mud was buried in the sediment in ellipsoid.The wave flume test was used to study the release law of TPH fromthe sediment to the overlying water body and the migration law in the sediment under the action of different waves.The resultsshow that TPH migrates and release with pore water from sediment to overlying water in the early stage of stationaryconsolidation,and the release amount of TPH is higher than that in the later stage.In the stage that sediment liquefaction notcaused by wave action,the effect of wave action on the release of petroleum pollutants to water is weak.Due to the adsorptionof petroleum pollutants by suspended sediment,the concentration of petroleum pollutants in water is slightly lower than that海洋通报MARINE SCIENCE BULLETIN第42卷第4期2023年8月Vol.42,No.4Aug.202342卷海洋通报http:/in the stage of static consolidation.During the stage of sediment liquefaction caused by wave action,the release of TPH tooverlying water increased with the increase of suspended sediment concentration.The vertical migration and horizontal diffusionmigration distance of TPH in the sediment increased,and the horizontal migration distance was larger than the vertical migrationdistance.The vertical diffusion depth was basically the same as the liquefaction depth,and the volume proportion of thecontaminated soil was about three times that of the soil without liquefaction.Keywords:waves;sediment liquefaction;total petroleum hydrocarbon(TPH);migration and release图1波浪水槽示意图波高仪和浊度计静水面消波板造波板气缸波向沉积物0.6 m0.3 m1.7 m0.9 m0.5 m4.0 m海上石油开采和石油运输等人类活动会引起石油泄漏，使大量石油烃排放到海洋中1。这些石油烃严重威胁海洋环境，会对海洋生物的生存、生物多样性和海洋生态系统造成严重影响2。海洋沉积物是污染物的“贮存库”3，在波浪作用下，沉积物颗粒起动再悬浮，污染物通过与再悬浮沉积物颗粒的解吸作用以及随沉积物中孔隙水向上覆水体释放等方式再次进入水环境4-5，并以可被生物利用的形式或有毒性的化学形式存在，进而影响上覆水体生态环境6-8。黄河三角洲地区海底沉积物容易发生液化运动，沉积物内部细粒物质被输运到沉积物表面，进而进入上覆水体成为再悬浮颗粒物9。已有研究表明，黄河三角洲沉积物在波浪扰动导致液化的条件下，沉积物中重金属向上覆水体的释放量明显增加，且波浪扰动越大对重金属释放的促进作用越明显10。Sun等11研究表明，沉积物液化阶段总 Zn 浓度比沉积物固结阶段最高增加了 26 倍。Parsa等12研究表明，在波浪水槽试验中不同波浪参数条件下，水面油膜在水体中扩散的浓度呈先上升后下降的趋势。Yuan等13研究表明，随着环境因素的变化，被石油污染的沉积物可能导致海水的二次污染，沉积物悬浮会加剧二次污染。由此可见，研究波浪对海底沉积物中总石油烃（TotalPetroleum Hydrocarbon，TPH）诱发二次污染的规律尤为重要。关于沉积物中TPH的迁移释放，先前的研究较多集中于石油烃在水体中的释放规律12-13，而对石油烃在沉积物内部的迁移规律以及在特殊海况下诱发沉积物液化时内部石油烃的迁移释放规律的研究较少。因此，本文利用波浪水槽并采用放射状取沉积物样的方法探究不同波浪条件下海底沉积物中TPH的迁移及向上覆水体的释放规律，以期为易发生海床沉积物液化现象的海域生态环境保护与地质环境污染控制提供参考。1材料与方法本文所用的波浪水槽（4.0 m0.4 m1.2 m）结构如图1所示。水槽通过气缸来回推拉造波板从而扰动水体产生不同波高的波浪，波浪到达左侧消波装置后削弱。水槽中下部为盛放沉积物的泥槽（0.6 m0.4 m 0.3 m）。1.1底床沉积物制备与铺设用来铺设底床沉积物的土体取自黄河三角洲潮滩粉质土，主要成分为粉砂、砂土和黏土。为3764期http:/保证底床的均一性，将取回的潮滩粉质土摊平风干，结块拍散并混合均匀，经0.18 mm筛子筛选后用于底床铺设，其理化性质见表1。所用上覆水体为采用海水素配置的盐度为35的标准海水。1.186 kg 轻质石油（BASRAH，0.874 3 g/cm3（15）与3.925 kg潮滩粉质干土混合制备污染泥浆，静置2 d（避光密封低温保存）。126.000 kg干土与 38.052 kg标准海水混合制备无污染泥浆。无污染泥浆与污染泥浆的固液比相同。将配制好的净土泥浆用铲子填装到泥槽中，填至泥浆高度为17 cm，在其上层中央位置铺设短轴为10 cm、长轴为20 cm的形似椭球体的含石油污染泥浆层，再在其上层及四周铺设未污染的泥浆，使底床沉积物的总厚度为30 cm。在沉积物土体填装完成后，利用水泵向水槽添加盐度为35的人工海水至水深50 cm（图2）。将浊度计与水质取样器一同安装在水槽中间位置，浊度计的浊度探头位置与水体下部取样点位置相同，均在底床沉积物上方5 cm处，以对该点水体浊度情况进行实时监测。将孔隙水压力传感器埋设在底床沉积物7 cm和14 cm深度处，用于测量孔隙水压力变化。1.2波致沉积物中TPH迁移释放的模拟参数及样品采集水槽试验以如下三个阶段进行，无波浪作用阶段（阶段），波浪作用沉积物未液化阶段（阶段），波浪作用沉积物液化阶段（阶段）。在第阶段，不施加波浪作用，整个水槽处于静止状态，此时含污染物的沉