基于主成分分析法的石油开采...壤PAHs污染分级评价方法_渠浩.pdf

2023 年 第 2 期 化学工程与装备 2023 年 2 月 Chemical Engineering&Equipment 261 基于主成分分析法的石油开采区 土壤 PAHs 污染分级评价方法 基于主成分分析法的石油开采区 土壤 PAHs 污染分级评价方法 渠 浩，周文博（陕西延长油田股份有限公司靖边采油厂，陕西 榆林 718500）摘 要：摘 要：传统土壤 PAHs 污染分级评价方法中的一些污染性不强的因子偏高，导致评价结果失去真实性，影响土地治理等一系列的决策，因此设计一种基于主成分分析法的石油开采区土壤 PAHs 污染分级评价方法。首先对石油开采区污染土壤的采样地点进行设计，并完成预处理，将得到的土壤进行 PAHs 污染物的分析，基于主成分分析法对污染物的来源进行解析，最后再计算主成分分析指数，并对其中的参量进行修正。实验结果表明，设计的方法得到的结果与真实情况更加相近，验证了方法的有效性。关键词：关键词：石油开采；PAHs 污染；土壤分析；主成分分析法 引 言 引 言 在石油的勘探、开采、运输以及使用过程中，会产生多种有机类衍生物，包括但不限于重金属类、多环芳烃物质（PAHs）等，对周围的大气、流域以及土壤环境造成一定的危害1。其中石油开采的过程中，工序相对复杂，石油工人在工作过程中也缺少一定的土壤保护意识，难免会造成一些原油遗落在浅层土壤中，经过日积月累，遗留下来的石油原油会导致当地土壤污染，包括但不限于油田的井场、周边的土壤，流失到土壤中的 PAHs 物质具有一定的致癌、致畸和致突变性，逐渐积累会对周围土壤的结构造成破坏，土壤中的多环芳烃物质在扩散作用下，影响微生物的变化，能够流通到大气或是土壤中植物根部，妨碍植物生长的同时，还会进一步渗透到食物链中，危及人类身体健康2，因此对于石油开采区中的土壤进行 PAHs 污染分级评价对于相关的开采、治理管理决策来说，能够提供一定的基础依据，对于人类来说具有重要的意义。传统的土壤 PAHs 污染分级评价方法中，一些污染性不强的因子偏高，会导致评价结果失去真实性，影响土地治理等一系列的决策，因此本文设计一种基于主成分分析法的石油开采区土壤 PAHs 污染分级评价方法。本文中，通过对待评价的石油开采区污染土壤的采样地点进行设计，为有效分析出其中 PAHs 污染物而进行预处理，将得到的土壤进行 PAHs 污染物的分析，并且利用主成分分析法对污染物的来源进行解析，计算出主成分分析指数，对其中的参量进行修正。最后通过对石油开采的实例进行分析，验证本文方法的可靠性和有效性。1 基于主成分分析法的石油开采区土壤 PAHs 污染分级评价方法 1 基于主成分分析法的石油开采区土壤 PAHs 污染分级评价方法 1.1 土壤采样以及处理 想要对石油开采区土壤污染物进行分级评价，首先要对开采区的土壤进行样品采集。本文选择某原油田采油 4 厂的第 13 号采油站。分别选择 2003 年开采的文 11-P3（12B）、2007 年开采的文 35-10（13B）和 2010 年开采的文 31-52（15B）石油开采井的井场。2007 年开采的文 35-10（13B）和 2010 年开采的文 31-52（15B）目前还在生产运行中，文11-P3（12B）已经停产。本文所选择的土壤采样地点的井场面积约为 30m18m，井场的整体是由沙土沥青等建筑材料将其垫高，因此在采油以及运输的过程中，井场的土壤上很多位置都留有残留的油渣油泥和污染物，致使土壤受到严重的危害3。在土壤采样点选取的过程中，首先在 12B 和 13B的井场石油开采位置上具有典型有污点的位置，采集一些土壤样品采集点，分别记作 12B-1 和 13B-1。在 15B 的井场的土壤采样过程中，设置一个采样点，编号记作 15B-1，以该采样点为中心，画出东、西、南、北四个方向的采样放射线，并在距离 15B-1 点处 3m 的距离增加采样点，分别记作15B-2、15B-3、15B-4、15B-54。通过分析该地的气象可知，该地经常刮南风，因此在北方间隔相同的距离增加 2 个采样点。得到的采样点分布如下图所示：图 1 15B 井场采样点分布情况 图 1 15B 井场采样点分布情况 DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.02.011262 渠 浩：基于主成分分析法的石油开采区土壤 PAHs 污染分级评价方法 在上图中的各个采样点挖取，对于土壤的污染主要是由于落地的原油被截留在表层土壤中，因此将各个采样点处015 厘米的浅层土壤作为污染评价的试验样品，将各个采集点得到的土壤样品分别混合均匀制作，成为混合土壤样。利用 4 分法除去多余的样品，最后保留 1.5kg 左右，取材质为聚乙烯的塑料样品袋作为土壤保存的方式，并在实验室条件下进行避光，风干土壤中包含的石子以及植物残留等物质需要经过去除，并在研磨之后过筛，在 4条件下存放。在实验室条件下，将经过前处理的样品进行超声辅助提取并分级纯化经过气相色谱质谱联用的方法对样品进行分析，得到 16 种 PAHs 混合标样的图谱。1.2 基于主成分分析法的土壤 PAHs 源解析 对于污染分级评价来说，本文使用第三方分析软件SPSS17.0，利用主成分分析法对石油开采区的土壤中的 16种 PAHs 进行源解析。通过对采样得到的不同土壤样品中的16 种 PAHs 的含量进行主成分分析，用主成分上各 PAHs 的因子荷载来推断各主成分代表的 PAHs 的来源5。在分析之前要对土壤中的 PAHs 浓度数据进行预处理，这样可以将其中的一些非人为差异作为噪声数据进行剔除，保证数据所呈现出来的特征不受到特殊因素的影响，保持原有的数据特征。经过预处理之后，利用方差极大的方法将数据进行标准化旋转，将具有最佳荷载的最小化因子中的变量数提取出来，以实现因子的简化。对土壤样品中 PAHs 含量进行主成分分析的情况如下表所示：表 1 石油开采区表土中 PAHs 主成分分析的因子载荷 表 1 石油开采区表土中 PAHs 主成分分析的因子载荷 PAHs 组分 因子 1 因子 2 因子 3 ACY 0.823 0.263 0.932 ACE 0.732 0.355 0.153 ANT 0.665 0.548 0.046 BaA 0.964 0.916 0.015 BaP 0.551 0.822 0.064 BbF 0.343 0.431 0.098 BkF 0.215 0.121 0.020 BghiP 0.531 0.604 0.511 CHR 0.951 0.214 0.142 DahA 0.525 0.145 0.223 FLA 0.014 0.345 0.232 FLO 0.041 0.552 0.011 NaP 0.032 0.482 0.021 PHE 0.421 0.541 0.034 PYR 0.551 0.425 0.064 IcdP 0.652 0.122 0.025 方差/%32.17 25.11 67.21 累计方差/%32.17 63.24 25.83 来源 炼焦、工业燃煤、薪柴燃烧、交通源等复合来源 炼焦、薪柴燃烧 炼焦、复合来源 根据上表中石油开采区的土壤 PAHs 含量采用方差极大标准化旋转法的分析结果可以看出，因子 1 中所对应的数据可以显示出不同类型多环芳烃的载荷，因子 2 中则反映出了相对的载荷系统，因子 3 中只有 ACY 这一种单体较大。在本文的主成分分析法中，因子 1、2、3 的来源都为 PAHs 的复合污染源。以上表为基础进行多元线性回归，求解相关参数，能够分析出各类 PAHs 污染物的来源情况。1.3 石油开采区土壤 PAHs 污染分级评价 在分级评价过程中，选择土壤环境质量技术规范作为 PAHs 污染物的评价指标，如表 2 所示6：表 2 主成分分析指数与 PAHs 污染物 分级评价的分级判断关系 表 2 主成分分析指数与 PAHs 污染物 分级评价的分级判断关系 序号 主成分分析指数（Pn）污染分级 1 Pn0.3 健康 2 0.3Pn0.7 亚健康 3 0.7Pn1.4 轻污染 4 1.42.1 重污染 由于土壤在整个生物圈循环过程中的复杂性和多样性，使得相同的污染物在不同位置的土壤中会显示出不同的危害，因此在计算得到的主成分分析指数中，需要进行一定的修正7。主成分分析指数的计算公式如公式（1）所示：max2iinPPP+=（1）上式中，iP表示主成分分析指数的平均值，maxiP表示其中的最大值，在修正过程中，利用加权平均值代替平均值进行计算，能够更好的反映土壤中 PAHs 污染物的平均污染情况，与此同时还能体现出污染物在不同采样点的差异性。对于主成分分析指数的最大值的修正来说，如果在最大值与其他值相比特别大的时候，那么久说明其他的主成分分析指数较低，在这种情况下，会导致总体的主成分分析指数偏高。从以上的推理可以看出，主成分分析指数最大值如果出现较大偏差，那么则会导致出现“一票否决”的情况出现，而且，最大值不一定是危害性最高的因子，综合以上原因可以得知，在当下这种科学、严谨的评价工作中，需要对最大的污 渠 浩：基于主成分分析法的石油开采区土壤 PAHs 污染分级评价方法 263 染指数进行修正，才能保证得到的结果真实、客观。因此在污染分级评价的过程中，不仅要考虑因子的大小，还需要考虑危害性大小的影响，因此，经过修正，可以得到的主成分分析评价指数计算公式如公式（2）所示：max2iinPPP+=（2）上式中，iP表示加权平均值，maxiP表示危害性最大因子的值。其中：11=niiiPPn=（3）其中，iP表示加权值，在以上计算方式下，还需要详细获取 PAHs 物质的致癌风险。且存在：1=miiwiPPm=（4）上式中，iwP表示选择的第 m 项组分的平均值，m表示超过 60 分的项数。PAHs 的口腔暴露途径下的计量计算公式为：ooocaCSABSSFCAT=（5）上式中，CS表示土壤中 PAHs 的实测质量浓度，oABS表示吸收效率因子，oSF表示口腔摄入斜率因子，caAT表示摄入参考计量。PAHs 的皮肤接触暴露途径下的计量计算公式为：dddcdCSABSSFCAT=（6）上式中，下角标为 d 的表示皮肤接触的相关参数。PAHs的呼吸吸入暴露途径下的计量计算公式为：pppcpCSABSSFCAT=（7）上式中，下角标为 p 的表示皮肤接触的相关参数。其中总的暴露量计算公式为：odpCCCC=+（8）通过以上计算能够获取到主成分分析值，实现污染分级评价。至此完成基于主成分分析法的石油开采区土壤 PAHs污染分级评价方法的设计。2 实例分析 2 实例分析 为了验证本文设计的基于主成分分析法的石油开采区土壤 PAHs 污染分级评价方法具有一定的有效性，需要在本节进行实例分析。以上文中所选择的采油井作为实验对象，分别使用本文设计的评价方法 和传统的评价方法 对文中的采油井附近的土壤 PAHs 污染物进行分级评价，并对两种评价方法的结果进行分析与对比。得到的各个采样点分级评价结果如下表所示：表 3 石油开采区土壤污染级别分布 表 3 石油开采区土壤污染级别分布 污染级别 本文方法 评价占比 传统方法 评价占比 健康 1.2%65.3%亚健康 63.21%12.3%轻污染 11.3%2.6%中污染 12.6%0.86%重污染 11.69%18.94%通过上表中的结果对两种方法进行比较，可以看出两种不同的分级评价方法下污染级别的判定有很大的出入，在所有的采样点中共有 103 个采样点的级别发生了变化，占采样总数的 90%以上。本文所设计的评价方法下，很多采样点有健康的状态转变为亚健康状态，从整体上来说土壤的污染程度增加。3 结束语 3 结束语 石油开采区土壤的污染问题直接关系着人类的身体健康以及石油开采与生态共存的可持续发展，在最近几年逐渐受到了人们的重视。多环芳烃是一种持久性的有机污染物，难以降解，具有一定的非极性与憎水性，一旦进入食物链循环中，具有一定的致癌，致畸以及致基因突变的危害。本文针对传统的土壤多环芳烃污染分级评价方法中所存在的弊端，引入主成分分析法对土壤进行评级。首先对石油开采区污染土壤的采样地点进行设计，并完成预处理，将得到的土壤进行 PAHs 污染物的分析，基于主成分分析法对污染物的来源进行解析，最后再计算主成分分析指数，对其中的参量进行修正，并通过实验验证，取得了一定的成果。由于技术和经验等方面的限制，土壤污染具有很高的复杂性与多样性，本文方法还有一定的不足，在今后的研究中还需要不断的改进。参考文献 参考文献 1 解小凡,刘月仙,邱慧,等.黄河三角洲石油化工区农田土壤-玉米体系 PAHs 的分布特征及风险评价J.生态学报,2021,41(03):987-997.264 渠 浩：基于主成分分析法的石油开采区土壤 PAHs 污染分级评价方法 2 吴志远,张丽娜,夏天翔,等.基于土壤重金属及PAHs 来源的人体健康风险定量评价:以北京某工业污染场地为例J.环境科学,2020,41(09):4180-4196.3 胡宗达,王明全,李育华,等.泸沽湖大草海湖滨带表层土壤的多环芳烃污染状况及其生态风险评价J.湿地科学,2020,18(01):62-70.4 陈苗苗,孙淑,周震峰.典型废旧塑料再生基地周边农田土壤中 PAHs 污染特征及健康风险评价J.环境科学学报,2020,40(05):1836-1847.5 李文静,李杨,傅晓文,等.油田居住区土壤中多环芳烃污染特征与风险评价以胜利油田为例J.科学技术与工程,2021,21(22):9634-9643.6 任加国,龚克,马福俊,等.基于 BP 神经网络的污染场地土壤重金属和 PAHs 含量预测J.环境科学研究,2021,34(09):2237-2247.7 杨帆,罗红雪,钟艳霞,等.宁东能源化工基地核心区表层土壤中多环芳烃的空间分布特征源解析及风险评价J.环境科学,2021,42(05):2490-2501.Classification and evaluation method of soil PAHs pollution in petroleum exploitation area based on principal component analysis Qu Hao Zhou Wenbo(Jingbian Oil Production Plant,Shaanxi Yanchang Oilfield Co.,Ltd.,Yulin,Shaanxi,718500)Abstract:Abstract:Some of the less polluting factors in the traditional soil PAHs pollution grading evaluation method are too high,which leads to the loss of authenticity of the evaluation results and affects a series of decisions such as land management.Therefore,an oil mining area based on principal component analysis is designed Evaluation method of soil PAHs pollution classification.Firstly,the sampling site of the polluted soil in the oil exploitation area is designed,and the pretreatment is completed.The obtained soil is analyzed for PAHs pollutants,and the source of the pollutants is analyzed based on the principal component analysis method.Finally,the principal component analysis index is calculated.and modify the parameters.The experimental results show that the results obtained by the designed method are more similar to the real situation,which verifies the effectiveness of the method.Key words:Key words:oil exploitation;PAHs pollution;soil analysis;principal component analysis;（上接第 248 页）_（上接第 248 页）_ 7 黄有波,董炳燕,吕淑然,等.天然气管道泄漏孔形状对喷射火影响模拟研究J.中国安全科学学报,2015,25(07):62-67.8 张媛媛,黄有波,吕淑然.矩形泄漏孔水平喷射火热辐射研究J.中国安全科学学报,2017,27(06):73-78.9 马子超,吕淑然,王春雪,等.高压天然气管道泄漏孔位置对喷射火的影响J.消防科学与技术,2017,36(01):13-15.10 王强.不同环境条件下扩散射流火焰形态特征与推举吹熄行为研究D.中国科学技术大学,2015.11 Zhang X C,Hu L H,Zhu W,et al.Axial temperature profile in buoyant plume of rectangular source fuel jet fire in normal and a sub atmospheric pressureJ.Fuel,2014,134:455-459.12 Laboureur D M,Gopalaswami N,Zhang B,et al.Experimental study on propane jet fire hazards:Assessment of the main geometrical features of horizontal jet flamesJ.Journalof Loss Prevention in the Process Industries,2016,41:355-364.