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
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、 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
9、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
10、.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
11、 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
12、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
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