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石油开采区多环芳烃多介质环境行为及其生态风险研究

胡艳  
【摘要】:随着国民经济的快速发展,未来石油供需矛盾突出,我国势必要动用更多的陆地石油地质储量以提高原油产量,这无疑会导致石油开采区逐步向低丰度、低渗透率、低产能贫矿或尾矿储量的石油资源地区转移,由此将引发更多的累积污染和更严峻的石油开采生态风险。对此,查明石油开采污染源头、掌握石油开采产生的典型污染物的迁移转化规律及其生态风险效应,将会为减少源头污染、实现清洁生产,以及污染治理与控制提供科学依据。陆地石油开采过程中产生的多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)等污染物通过轻烃挥发、落地原油、含油废水排放等方式进入到大气、水体、土壤等多介质环境系统中,势必会对石油开采区及其周边环境产生无法忽视的生态影响。然而,现有研究多为针对石油开采污染物对水体、土壤或沉积物单一环境介质污染规律、机理研究,且对风险评价过程中存在的不确定性通常采用概率分析方法进行表征,而针对污染物在石油开采区多介质环境迁移转化规律及生态风险评价,并采用多种不确定性表征方法对生态风险评价中存在的不确定性进行综合定量表征的研究成果较少。本论文对选定的典型陆地石油开采区PAHs多介质环境迁移转化规律、源解析进行了初步研究,研究了土壤介质中PAHs时空分布规律,评价了土壤污染现状,揭示了土壤发光菌毒性与污染物来源间的关系,评价了研究区域内PAHs的动态综合生态风险,并建立了定量表征生态风险评价过程中多种不确定性的方法。 通过对研究区域多介质环境(大气、水、土壤、沉积物)建立稳态、动态及区间动态多介质逸度模型,研究陆地石油开采区PAHs多介质迁移转化、归趋及源解析等环境行为。研究结果表明,石油开采过程中产生的PAHs多以落地原油形式进入环境系统,并以土壤中降解为主要输出途径,土壤介质是PAHs的主要归宿。多介质环境中PAHs的苯环构成结构研究表明,空气相中多为大于4环的PAHs,水中多为2-3环PAHs,土壤中多为3环PAHs,沉积物中多为3-4环PAHs。基于本研究开发的区间动态多介质逸度模型,对1985-2010年间PAHs动态源解析结果表明,大气和土壤介质中PAHs的主要来源是高温燃烧,而水和沉积物介质中PAHs的主要来源是生物质和煤的燃烧。同时,随着陆地石油开采强度的不断增大,PAHs的来源逐渐倾向于石油源的释放。 研究表明,土壤介质是PAHs的主要归宿。因此,本研究应用主成分分析、人工神经网络等方法建立不同来源PAHs土壤发光菌生物毒性神经网络模型对土壤生物毒性进行源解析,并对不同来源PAHs对生物毒性的贡献进行定量表征。模型模拟结果显示,不同PAHs来源对土壤生物毒性的贡献分别为:交通源占13.2%、石油源占37.4%、煤燃烧占36.0%、焦油源占13.4%。此外,基于土壤介质实际采样测试分析结果,对土壤介质中PAHs的空间分布规律及污染等级进行评价,确定影响土壤PAHs污染等级的因素包括井场落地油情况、开采量、开采年限及其周边环境因素(植被状况、土壤类型等)等。计算得到研究区域内重污染、中污染及轻污染采样点分别占8.02%,8.02%和2.29%。 本研究以区间动态多介质逸度模型模拟结果为基础数据,结合模糊理论、概率分析等不确定性表征方法,通过构建模糊的环境质量标准和模糊的健康风险判定标准,构建基于区间动态多介质逸度模型的动态多介质生态风险评价方法框架,并利用所建方法对1985-2020年间研究区域内的PAHs进行动态多介质综合生态风险评价。评价结果显示,NAP和ANY具有最高的环境质量风险,均达到中等风险或低-中风险。进一步将环境质量风险评价结果与PAHs源解析相结合可以看出,本文研究区域中环境质量风险主要来自石油开采和焦炭。此外,1985-2020年间16种PAHs人体健康风险评价结果表明NAP和4环以上PAHs具有较高的人体健康风险,主要来自人体对土壤介质的暴露(90%),包括土壤摄食(35%),吸入土壤颗粒(35%),皮肤接触土壤(25%)。最后,通过构建模糊规则库,对研究区域内PAHs综合生态风险水平进行表征,NAP、BaA、CHR、BbF、BkF、BaP、IPY和DBA具有“非常高”综合生态风险,应采取全部可能的措施来处理石油开采场地。


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