重金属离子和LNAPLs在非饱和土中的运移规律研究

以重金属和轻非水相流体(LNAPLs)为例,介绍了清华大学开展非饱和土中污染物运移规律研究的部分工作成果。利用土工离心机对污染物的运移过程模拟,取样得到污染物的浓度分布特征。同时采用数值分析手段对污染物的长期运移规律和其影响因素进行分析。研究表明:离心模型试验可以有效模拟污染物的运移过程,离心模型试验和数值分析相结合,是研究污染物在非饱和土中运移规律的有效手段。

LNAPLs污染物在层状非均质多孔介质中的运移试验研究

文章通过室内试验研究层状非均质多孔介质中轻非水相液体(Light Non-Aqueous Phase Liquid,LNAPL)的运移机制与分布特性。首先,在二维砂槽上进行LNAPL的入渗试验,试验过程中用数码相机进行拍照,把LANPL的扩散过程以图像的形式记录下来;然后,用AutoCAD对图片进行分析处理,得出不同时刻LNAPL的入渗锋面变化图。结果发现,介质结构突变面改变了LNAPL的迁移模式。在LNAPL由中砂进入细砂层后,由于受到毛细作用的增强,其运移速度加快;而由中砂进入粗砂,受粗砂介质阻滞作用增强的影响,LNAPL运移速度变小。当LNAPL由干砂进入湿润砂体时,由于孔隙水浮托力增大,LNAPL先产生纵向运移,随后以横向迁移的形式在地下水位上部聚积。当达到一定厚度后,LNAPL的压头足以克服浮托力,驱替孔隙水进入砂土孔隙。另外,LNAPL的厚度足够大时,方可克服饱水层受到的浮托力,在地下水位上形成LNAPL池,并因孔隙水向周围砂体排泄,LNAPL池周围的水位上升。

利用时域反射法探测砂土中LNAPLs的适用性室内试验研究

近年来,NAPLs污染物对土壤和地下水的污染日趋严重.快速、准确探测NAPLs污染区域的范围及污染程度,是进行污染场地修复的第一步.本文以柴油和砂土为研究对象,通过室内试验研究了TDR方法探测LNAPLs污染砂土的有效性和适用条件,主要研究工作包括:1)柴油-水-气-砂土均匀混合介质介电常数和电导率的测试;2)柴油污染砂土层状分布时电磁波反射波形特征及其对介电常数测试结果的影响.主要结论有:1)柴油取代砂土中的孔隙水后引起介电常数和电导率显著减小且通过模型可较准确地预测其取代量;2)当柴油仅取代砂土中孔隙气体时,介电常数和电导率有微弱的变化;3)对于柴油污染砂土层状分布在饱和砂土中的情况,其电磁波反射波形可以清晰地分辨出柴油污染砂土层上下界面的位置;4)对于实际场地勘探,当LNAPLs污染物渗入饱和砂土层中时,TDR方法能有效地探测;当LNAPLs污染物渗入非饱和砂土层中时,TDR探测技术的有效性取决于土层的饱和度.本文界定的适用条件为基于TDR方法的LNAPLs污染土勘探技术提供了指导.

LNAPLs迁移的数值模拟和土壤介电性质的变化分析

包气带是地面以下潜水面以上的地带,由非饱和多孔介质构成.LNAPLs泄漏到土壤中后会对包气带和地下水造成严重污染.为了准确探测出LNAPLs的迁移范围,有必要对其迁移规律及迁移对土壤介电常数的影响进行研究.本文从扩散方程出发,采用数值模拟研究了LNAPLs泄露速率对其在包气带中迁移的影响,分析了LNAPLs迁移过程中土壤相对介电常数的变化特征.研究结果表明,LNAPLs在土体中的迁移范围受到渗漏速率的影响:对于均匀渗漏,渗漏速率越大,迁移范围越大;对于非均匀渗漏,单位时问内渗漏量一定时,LNAPLs在土体中的扩散范围短期内受到渗漏速率非均匀性的影响,但长期内并不受此影响.LNAPLs的泄露会使区域中土壤相对介电常数发生变化:在毛细水带以上的非饱和区域,相对介电常数变化较小,但由于LNAPLs的扩散,驱使土壤中残余水向两侧迁移,进而形成明显的"山形";在毛细水带,相对介电常数随LNAPLs量的变化而明显变化,并有明显的横向变化趋势.

基于孔隙网络模型的表面活性剂去除LNAPLs作用力分析

通过多孔介质网络模型试验,并采用可视化技术研究了可溶相液体注入条件下轻质非水相污染物(Light non-aqueous phase liquids,LNAPLs)去除过程中多孔介质孔隙内毛细力和粘滞力的作用机理.实验和理论分析发现,可溶相液体去除孔隙内正十六烷在第一阶段(0～17823s)去除率为40%～50%,第二阶段(17823s之后)去除率为80%～95%,即正十六烷残余饱和度5%～20%;Triton X-100溶液可以大大降低多孔介质孔隙中LNAPLs的残余饱和度,最终正十六烷残留量为4.4%,是蒸馏水注入过程中正十六烷残留量的22.3%.蒸馏水注入过程中的毛细力比1100mg·L-1 Triton X-100溶液驱替NAPLs的毛细力大1个数量级,使得该毛细数位于毛细指进区(logNCa∈10-4),多孔介质内所有滞留的NAPLs保持静止.多孔介质内NAPLs主要被驱替去除;毛细数小的蒸馏水注入条件下,更多的NAPLs滞留在孔隙内;注入液在孔隙内流动溶解了部分NAPLs,导致NAPLs残余饱和度小于孔隙内由于毛细作用滞留的NAPLs初始饱和度.

含低渗透镜体包气带典型LNAPL迁移分布模拟研究

针对地下油品储运设施少量短时泄漏问题,选取甲基叔丁基醚(methyl tert-butyl ether,MTBE)作为典型轻质非水相液体(light non-aqueous phase liquid,LNAPL),通过物理试验和数值模拟方法,选取LNAPL的迁移时间及其滞留在透镜体内的质量等作为迁移分布特征变量,研究了MTBE在含低渗透镜体的多孔介质包气带内的迁移过程及其在透镜体内的滞留分布情况,并通过对模拟数据统计分析,识别出了各特征变量的主控因子。结果表明:MTBE遍历包气带所需时间不仅受包气带水动力参数的影响,还受其厚度的控制;而透镜体内滞留的MTBE质量主要受到基质和透镜体的水动力参数以及透镜体体积的影响;各特征变量与其相关因子之间具有良好的幂函数乘积统计关系。本研究可为LNAPL泄漏事件中的应急管理和污染防控提供预测模型的参考和研究方法的借鉴。

基于T2VOC对比分析LNAPL多种因素运移的数值模拟

本文采用TOUGH2软件对LNAPL进行数值模拟,选取地下水流速率、LNAPL的泄漏强度、地下水位波动等影响因素,对比分析上述几种因素对LNAPL溶解速率的变化及其敏感度,为LNAPL的溶解迁移模拟提供源强依据。结果显示NAPL相饱和度对研究溶解速率变化起关键作用;影响LNAPL溶解速率变化因素:地下水流速率对溶解速率的敏感度最大,其次为地下水位波动的敏感度,泄露速率的敏感度最小。因此,对于地下水流速率较快与经常造成地下水位上升的污染源区,应当格外注意扩大液相的监测,对于渗透速率较快的污染源区,应当注意排查LNAPL的NAPL相。

LNPALs在非饱和土中迁移的离心试验模拟

LNAPLs在非饱和土中的迁移规律是环境岩土工程研究的重要课题。利用土工离心机对BTEX在非饱和土中的迁移进行模拟,得到了BTEX长期的运移规律。试验结果表明,LNAPLs迁移与其化学成分和地质水文条件密切相关。BTEX从泄漏点通过非饱和土层向下运移,在地下水位之上形成高浓度区,同时沿地下水面向侧向迁移。BTEX的泄漏和长期迁移会对土壤和地下水造成污染。试验结果为了解LNAPLs污染物迁移规律、污染范围和选取合适的清污技术提供了依据。

非饱和带中非均质条件下LNAPL运移与分布特性实验研究

本文通过室内实验建立物理模型,研究非饱和带中层状非均质条件下轻非水相液体LNAPL(Light Non-AqueousPhase Liquid)运移机制和分布特性。实验结果发现,介质的结构突变面改变了LNAPL的迁移模式。在LNAPL到达干湿界面以后,由于毛细水压力的作用,其入渗速度明显加快。当LNAPL迁移到夹层上界面时,纵向迁移受到阻碍。随着入渗过程的继续,污染物沿着界面产生向右横向迁移;在夹层上界面下部出现“优势流”现象,污染物由集中走向分散,随着分散块的体积不断增大,最终污染物又连接到一起,由分散走向集中;在夹层下界面附近锋面线集中在一起,说明污染物向下的纵向迁移基本停止。另外,介质的局部密实“透镜体”对LNAPL的局部迁移起到“阻滞”作用,并迫使其改变迁移路径。地下水位的变动将使污染物的产生重新分布。当地下水位降低以后,污染物产生明显的向下迁移。

黏滞性对LNAPL在非饱和多孔介质中优先流影响的试验研究

为探究轻非水相液体(LNAPL)在非饱和带通过裂隙快速通道产生的优先流对地下含水层造成污染的影响,选取大豆油和0号柴油2种不同黏滞性的LNAPL,通过室内试验,研究不同黏滞性的LNAPL在通过非饱和多孔介质中单裂隙快速通道产生的优先流迁移规律。试验结果表明:黏滞性小的LNAPL通过裂隙产生的优先流的运移速度快;LNAPL进入地下水毛细带后受毛细水的顶托力作用,垂向迁移速率减缓,横向扩散速度增大,LNAPL优先流锋面形态逐渐变缓;优先流不仅能通过裂隙非均质条件产生,而且可以在基质中以指流的形式存在,黏滞性大的LNAPL更容易产生多个狭长形的指流。

LNAPL污染土壤介电性质的实验研究——以石英砂为例

为研究轻非水相液体污染土壤的介电性质,在实验室条件下,利用石英砂(粒径0.106～0.212mm)、柴油和水的混合物模拟LNAPL污染土壤,采用开口同轴探头法利用高频电磁波(200 MHz～3GHz)在污染土壤中的反射获得介电常数,并分析土壤中油水体积含量变化与相对介电常数的变化规律。实验结果表明:非饱和状态下石英砂的相对介电常数随着体积含水量和含油量的增大而增大,达到饱和状态后体积含油量的增加对相对介电常的影响不明显;被污染的非饱和状态的砂样在放置过程中,相对介电常数随着放置时间的延长呈现先增大最后趋于稳定的变化趋势。

土壤中LNAPL的自然衰减实验研究

目前,石油污染及其治理问题受到环境工作者的广泛关注。本文选用柴油作为LNAPL的代表,通过实验分析了LNAPL的自然衰减规律(挥发作用、生物降解作用和吸附作用等),估算了低浓度时各种作用对土壤中柴油去除的贡献率。结果表明,土壤中的LNAPL在自然条件下能发生一定的衰减作用,而且当浓度较低时,自然衰减作用对柴油去除率较高,达到了62.86%。因此,在适当的条件下,利用LNAPL的自然衰减作用可以有效地分解LNAPL化合物,达到降低污染物浓度的目的,为进一步研究LNAPL的治理和防护奠定了基础。

LNAPL在含裂隙层状非均质地层中运移模拟研究

为研究轻非水相流体(LNAPL)泄露后在土壤中扩散情况,基于室内试验,使用TOUGH2软件进行数值模拟,分析探讨含裂隙层状非均质地层中LNAPL的运移及分布情况。并对LNAPL入渗过程及停止入渗并静置一定时间后,不同粒径砂层及裂隙中LNAPL的分布特征及残留含量进行对比研究。在LNAPL泄露入土壤后,优先进入土壤中的裂隙,形成快速通道,使LNAPL的扩散方式不局限于自上而下逐层渗入,同时也从裂隙中向两侧水平扩散,加快了LNAPL扩散入地层中的速度;停止入渗并静置一定时间后,包气带细砂中的LNAPL饱和度大于粗砂中的饱和度,而饱水带中两种砂土中的LNAPL饱和度相差较小。

LNAPL在二维空间的运移机制与分布特性研究

本文利用改进多谱图象分析方法,对实验获得的图象进行处理,获取不同时刻LNAPL含量差值(LNAPL Content Difference)在二维空间上的分布图。通过图象分析探讨LNAPL在非饱和带中非均质条件下的迁移机制和分布特性。结果说明,介质的非均质性和流体特性对污染物的迁移产生重大影响;在"油-气"二相体系中,LNAPL含量差值分布呈现出较好的对称性,而在复杂的"水-油-气"三相体系中,LNAPL含量差值分布呈现出不对称性和非均匀性,这种不均匀性也反映了毛细带中含水量分布的不均匀性。

轻非水相液体在土壤和地下水中迁移行为的探讨

轻非水相液体(LNAPL)进入地下环境后会造成地下环境系统的污染,给人类的生存环境带来巨大危害。本文主要对LNAPL在土壤和地下水中的迁移行为探讨,对地下水位上下波动对LNAPL迁移产生的影响进行分析,并提出关于地下水的合理开采和保护的一些建议。

LNAPL在二维含水介质中运移规律的研究

为研究LNAPL(轻质非水相液体)污染物在均匀含水介质中的运移规律,本文建立微元模型推导出LNAPL在均匀含水介质中的对流--弥散方程。针对不同的介质模型,对二维对流--弥散方程运用差分法进行数值模拟,求其数值解。分析LNAPL污染物的运移特征,得出在均匀介质和非均匀层状介质中运移规律:LNAPL污染物在含水介质中的运移规律遵循对流--弥散方程,介质的弥散系数是影响LNAPL污染物运移的主要因素。

利用GPR天线-目标极化的瞬时属性分析方法探测LNAPL污染土壤

轻非水相流体(LNAPL)泄漏后会对土壤和地下水造成严重污染,为了准确探测出LNAPL泄漏范围,本文将GPR天线-目标极化的瞬时属性分析方法应用于轻非水相流体污染土壤探测的研究中。采用注入柴油的石英砂砂箱在实验室建立污染土壤模型,利用探地雷达对该污染土壤分别进行天线方位为0°、90°的测量。LNAPL土壤污染物形状、大小、结构并不规则,因此可以通过0°和90°方位天线测量来分析天线-目标极化特征,了解目标物的走向、形状等地下介质信息。通过对预处理后的包含天线-目标极化特征的信息进行瞬时属性分析,LNAPL污染范围可以被清晰地识别,提高了GPR探测能力。

基于低场核磁共振的二元结构含水层LNAPL迁移及分布规律研究

为进一步提高对不同地层中水油分布运移规律的认识,利用低场核磁共振技术,对“上粗下细”的常规二元结构含水层和“上细下粗”的倒转二元结构含水层中的污染物迁移及分布规律进行研究。分别对单层和双层多孔介质模型进行NMR测试和T2谱分析,并结合理论模型对比验证。研究结果表明:在二元结构地层中,轻非水相液体(LNAPL)的运移扩散方式为横向扩散和逆向渗吸,而决定扩散方式的主要因素为污染物的泄漏位置:当LNAPL泄漏在常规地层顶部或倒转地层内部时,污染物的运移主要以横向扩散为主;而当LNAPL泄漏在常规地层内部或倒转地层顶部时,二元结构内部发生逆向渗吸现象;在逆向渗吸过程中,毛细管力对水的牵引方向决定渗吸方向,LNAPL重力的存在影响渗吸速率:当渗吸方向与LNAPL重力方向一致时,渗吸速率明显提高,渗吸过程完成时间提前52.69%;反之,渗吸方向与重力方向相反时,渗吸速率降低25.80%。

基于全极化探地雷达偏移算法的LNAPL污染土壤探测研究

本文将极化偏移算法应用于轻非水相液体(LNAPL)污染土壤的探测研究。采用石英砂作为土壤,柴油作为LNAPL污染物,在实验室建立LNAPL污染土壤模型。利用全极化探地雷达系统对污染土壤进行探测。对预处理后的数据进行极化偏移成像后,LNAPL污染范围可以被清晰地识别。通过对包含极化特征的信息进行重构和成像,提高了探地雷达的探测能力。

基于参数敏感性分析的轻质非水相液体在非均质包气带中迁移模拟研究

利用TOUGH2程序构建室内实验尺度多相流数值模型,基于扰动分析法,对模型中的介质孔隙度、绝对渗透率、残余水饱和度(S wr)、残余非水相(NAPL)饱和度(S nr)、进气值参数(α)进行敏感性分析,在此基础上设计中砂夹粗砂层和夹细砂层两种非均质条件情景,探究轻质非水相液体(LNAPL)以不同速率泄漏以及地下水位波动时的迁移过程。结果表明:(1)模型参数敏感度呈绝对渗透率>S nr>α>S wr>孔隙度的规律,S nr、α、S wr与LNAPL稳定饱和度呈正线性相关,绝对渗透率与其呈负线性相关。(2)主要由于介质间绝对渗透率的差异,中砂介质中的细砂夹层阻滞、粗砂夹层促进LNAPL迁移,泄漏速率的增大致使细砂夹层阻滞作用更为显著。(3)地下水位波动扩大LNAPL横、纵向污染范围,降低夹层内LNAPL饱和度,水位上升,细砂夹层下界面、粗砂夹层上界面阻滞LNAPL抬升,主要由于介质绝对渗透率的差异,两种非均质情景对地下水位波动的响应特征不同。