人工注气及生物产气对孔隙介质中DNAPL运移影响

重非水相液体(DNAPLs)的污染和治理问题是国内外研究热点,由地下水曝气技术注入的人工气体或生物作用等产生的气体必然对DNAPL在地下水系统中的运移及修复产生影响.采用CCD实时监测系统,以TCE为目标污染物,通过3个二维砂箱试验,以饱水条件下DNAPL的运移为对照,研究了人工注气及生物产气对DNAPL在孔隙介质中运移的影响.结果表明:(1)基于CCD相机的透射光监测系统是一种研究二维孔隙介质中多相流迁移规律的有效非侵入式监测方法,应用于实时监测水/NAPL,水/气,水/NAPL/气多相系统中流体渗流过程.(2)人工注气和生物产气两种条件下,气体在多孔介质中的分布特征有差异,前一条件下气体连续分布,后一条件下则以非连续分布的气泡为主.(3)在水/气两相系统中,气体的存在使得DNAPL污染羽的整体形状更加不规则;同时缩短了TCE污染羽前缘整体平均垂向下迁距离;也导致迁移路径上孔隙中TCE的截留量变小.DNAPL的入渗过程受重力影响以垂向渗流为主,垂向渗流时易于驱替孔隙中的水分,然而水平渗流时优先驱替孔隙中的空气.     

利用截留数定量表征流速变化时DANPL驱替运移行为

SEAR(Surfactant-enhanced aquifer remediation)技术被用于修复DANPL,其修复机制分为增溶作用和驱替作用,其中驱替作用对于DNAPL的修复更为有效.多孔介质中DNAPL的驱替运移过程中,定量评价DNAPL的修复行为极为重要.本文利用多相流数值模型UTCHEM探究了流速对DNAPL驱替运移行为的影响.通过截留数定量评价流速变化时DNAPL的驱替行为,结果表明流速变化时,截留数能较准确描述驱替运移行为及流速变化时DNAPL的驱替效率.以截留数的两个分量毛管数和邦德数的比值定义的角度τ能够较准确预测不同流速条件下驱替作用过程中残留DNAPL的运移路径.     

饱和多孔介质中DNAPL污染源区结构及质量溶出

为探究重非水相液体（DNAPL）在地下水中的运移和溶出行为,选取四氯乙烯（PCE）为代表,采用透射光法动态监测PCE在二维砂箱中的运移和分布,并以顶空气相色谱法监测其质量溶出,在此基础上通过乙醇冲洗来改变PCE分布,对比分析相应源区结构和溶出浓度的变化.结果表明：PCE的运移以垂向入渗为主,并伴随由毛细管力引起的横向迁移;污染源区面积和溶出浓度的变化具有明显一致性,均先迅速增大而后趋于平稳,由于泄露量小,70.7%的PCE以ganglia态残留在运移路径上.乙醇主要通过增溶作用改变污染源区结构,对PCE的空间展布影响弱,乙醇冲洗后ganglia态PCE占比增至99.6%,GTP值从2.4增至257.随着乙醇冲洗体积的增加,PCE源区面积从100cm²减至50cm²,对应溶出浓度从114mg/L减至12mg/L,二者呈较好的线性关系（R²=0.76）.此外,连续监测结果显示,在本研究的实验条件下,无论是否经过乙醇冲洗,PCE污染源区结构和其相应的质量溶出可以在一定时间内（至少16PVs）保持稳定.     

地下水中Tween80对DNAPL运移和分布的影响

选用地下环境中普遍存在的四氯乙烯（PCE）为典型DNAPLs污染物,建立二维砂箱模型,研究一种人为引入表面活性剂Tween 80对粗砂介质中DNAPLs迁移和分布的影响.测定了含不同浓度Tween 80水溶液/石英砂/PCE三相体系下的液/液界面张力及PCE在石英介质表面的接触角,结果表明PCE在石英砂表面的接触角随着Tween 80浓度的增大而增大,PCE/水的界面张力随着Tween 80浓度的增大而减小,Tween 80浓度在CMC值附近时变化急剧.随后的二维砂箱实验定量描述地下水中表面活性剂Tween 80对PCE的迁移和最终形态的影响.由于Tween 80可以使石英砂介质由水相润湿转变为中间润湿或油相润湿态,相应地在20~30目的粗砂均质介质中Tween 80对DNAPLs迁移存在明显影响.背景溶液中表面活性剂的存在使得DNAPL的垂直运移速度减小,垂向迁移距离减小,最终使得被截留在运移路径上的残留PCE增加.和纯水流情况下相比,地下水中含有表面活性物剂Tween 80时,使得DNPAL污染羽向水流方向偏移减弱,污染羽展布面积与纯水情形下相比,在垂向上均明显减小,并且以较大饱和度残留的DNAPL量增加.     

变流速条件下非达西裂隙流溶质运移特征研究

单裂隙介质中水流和溶质运移特性问题是裂隙地下水污染的研究基础,其水流和溶质运移规律目前尚未完全清楚。以Izbash和指数变化的地下水流速方程为基础,建立了变流速条件下单裂隙介质非达西流溶质运移模型,通过积分变换方法得到了模型的解析解,并模拟分析了非达西流和指数变化的地下水流速下裂隙介质中的溶质运移特征。结果表明:变流速条件下,非达西参数n越大,则溶质运移速度越快;在非达西流作用下,地下水流速衰减指数λ越大,地下水流速衰减得也越快,溶质运移速度越慢;此外,随着渐进流速增大,对流作用增强,从而导致溶质穿透曲线(BTC)发生了较大的变化。该模拟结果不仅探讨了存在变流速、非达西流下裂隙介质中溶质运移的时空变化规律,同时也为该条件下地下水污染研究提供了理论依据。     

DNAPL在透镜体及表面活性剂作用下的运移研究

选择四氯乙烯(PCE)作为典型重非水相液体(DNAPLs)污染物,进行PCE在二维砂箱中的运移及修复实验,采用一种改进光透法探讨DNAPL在含不同透镜体非均质含水层中的运移和饱和度分布特性.在此基础上,考察非离子表面活性剂(吐温80)对DNAPL的原位冲洗修复效果.结果表明,在模拟天然地下水流条件下,当PCE运移到达各透镜体时,PCE均未进入透镜体而是在其上方聚集形成污染池,然后逐渐侧向扩散,即使在较粗透镜体(20/30目和40/60目石英砂按 1:1质量比例混合)上也无法进入.吐温80对PCE的修复效果显著,冲洗58h后,94.2%的PCE被去除.表面活性剂的引入能够减小PCE和水的界面张力,界面张力的减小量可达38.8dyn/cm,相应各透镜体上覆界面处的毛细压力水头值会有不同程度的减小,在较粗透镜体上的PCE可以穿透透镜体并继续向下运移.透镜体的毛细截留作用会限制修复后期的修复效率,修复75,3520min的修复效率分别为0.63,0.05g/g,其中较粗透镜体上截留的PCE相对其他较细透镜体容易移出.     

光透法定量两相流中流体饱和度的模型及其应用

基于光透法定量流体饱和度的原理及其在两相流中的应用,设计了两组密封砂箱实验来研究气体或重非水相流体(DNAPL)在饱和孔隙介质中的迁移,观察了气体或DNAPL在孔隙介质中的迁移规律,应用并验证了2个水/气两相流中的光强-饱和度(LIS)模型,特别是建立并应用了适用于NAPL/水两相流系统的2个新LIS模型.结果表明,气体以不规则的"指状"通道向上迁移直到在砂箱顶部聚集,最终形成连续的气体分布;TCE由于自身重力的影响向下迁移直至砂箱底部,最终在砂箱中形成不规则的污染羽并在砂箱底部形成污染池.利用实验结果应用并验证4个光透法模型得到:2个水/气系统中LIS模型(WG-A和WG-B)整体适用于本实验数据;2个NAPL/水系统的LIS模型(NW-A和NW-B)得到与实测资料较吻合的结果,其中基于单个孔隙水驱替假设的模型NW-A与实验结果更加接近,对量化多孔介质中的NAPL/水系统各相饱和度具有一定的参考意义.     

污染场地地下水中砷的运移模拟研究

为研究污染场地地下水中砷(As)的运移规律,选取我国西南某机械制造厂污染场地为研究区,根据场地调查和污染物检测结果,利用GMS软件建立了地下水流和溶质运移模型,分析了不确定性因素补给量、含水层渗透系数和抽水量对污染场地地下水中砷运移的影响.结果表明:污染场地中部地下水中砷污染羽呈辐射状递减分布;砷的运移分布范围与补给量...     

4种NAPLs污染物在二维砂箱中的指进锋面形态特征研究

为明确介质和流体性质等因素对非水相液体(NAPLs)在多孔介质中入渗迁移的影响,利用数码图像分析技术对甲苯、柴油、1,2-二氯乙烷和四氯乙烯这4种NAPLs在4种不同粒径多孔介质中的非饱和入渗特性进行了实验研究.结果表明,数码图像分析技术能够动态、全过程记录NAPLs的迁移锋面;NAPLs在驱替气体过程中会出现指进形式的不稳定流;指进生长过程中出现分叉、合并和屏蔽等现象;NAPLs的迁移特性受介质性质和流体特性的共同影响,入渗过程中垂向上的迁移速率和污染面积增长率与介质粒径大小呈正相关,与流体密度呈正相关(甲苯除外),入渗过程中形成的指进与介质和流体本身性质也密切相关.相同时间内,DNAPL相较于LNAPL入渗的距离更深,造成的污染面积更大,其环境风险明显大于LNAPL.     

甲苯在北京褐潮土中的运移分布及其STOMP模拟研究

针对我国日益严峻的土壤突发泄漏事故等环境问题,采用二维土槽装置模拟非水相液体(甲苯)发生瞬时泄漏后,其在北京褐潮土中的运移及分布规律,并采用STOMP模型对其进行了模拟.结果表明,泄漏9 h后,含量>1 g.kg-1和>20 g.kg-1的甲苯污染羽横向与垂向距离比分别约为2.3和3.这是由于北京褐潮土的渗透性能较差(渗透系数为0.12 cm.h-1),因此对甲苯的入渗过程有较强的阻滞作用,导致甲苯运移方式主要以水平扩散为主,垂向迁移能力较小.采用STOMP模型对非均质性土层结构(北京褐潮土-砂土和砂土-北京褐潮土2种结构)中的甲苯运移模拟结果表明,由于砂土渗透系数(29.70cm.h-1)远大于北京褐潮土,因此土层分界面的相对渗透率突变是影响甲苯重新分布的主要因素之一.本研究可为非水相液体污染物发生突发泄漏后,及时获取其在土壤中的分布情况提供理论支持.     

热修复过程中重质非水相液体(DNAPL)共沸实验

本研究开展单组分和多组分DNAPL加热实验,旨在建立热处理过程中温度与DNAPL去除之间的联系.结果表明,单组分DNAPL实验中可以观察到明显的共沸温度平台,而多组分DNAPL实验则是一段温度逐渐上升的共沸区域,两组实验中共沸时间均与初始DNAPL饱和度呈正相关.仅根据局部温度数据判断热修复进程可能会导致错误的结论,当温度结果显示共沸结束后,体系内仍残留有饱和度0.94%~1.60%的DNAPL.温度数据会受到DNAPL组成和温度监测点位置影响,它通常仅能反映局部加热情况,修复时可结合气体和土壤样品中污染物组分变化情况辅助判断修复进程.     

复杂DNAPL污染源区溶解相污染通量的升尺度计算

重非水相液体(DNAPL)污染场地中NAPL相污染物会持续溶解于地下水中,释放出溶解相污染羽,对人体健康产生威胁.准确评估DNAPL污染场地源区下游的溶解相污染通量至关重要.由于介质的非均质性常形成复杂DNAPL污染源区,其溶解相污染通量往往呈现出阶段性变化.目前溶解相污染通量计算普遍采用Christ等提出的双域升尺度模型,但该模型仅适用于弱非均质性的污染源区.本文基于大量强非均质性条件下的污染源区数值算例,修正了Christ双域模型中污染源区衰减指数的经验公式,将该模型的适用范围推广至强非均质性的复杂污染源区.通过蒙特卡罗数值算例及两个二维砂箱试验数据验证了修正模型的适用性和精度.对比结果表明:修正模型可广泛适用于不同结构的复杂DNAPL污染源区,与以往的计算方法相比,修正模型计算的溶解相污染通量精度提高了约35%.     

低温条件下基于TMVOC的土壤气相抽提技术数值模拟

为研究低温条件下土壤气相抽提技术对包气带中苯系物的去除效果、解决修复技术有效性评估等难题,基于TMVOC模型模拟砂箱试验,从浓度梯度、相间转化、饱和度变化等方面分析土壤气相抽提技术对污染物空间分布规律的影响机理.结果表明,TMVOC模拟苯系物浓度的计算值与试验测量值的拟合效果较好;低温条件下,砂箱土体中苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯的去除率分别为89.8%、71.3%、29.7%、14.4%.两次抽提过程中,苯在"气-液-NAPL（non-aqueous phase liquid）"三相中的质量均减少,减少比例近似为2:7:1,苯在液相中的质量减幅最大;在间歇期,苯由"NAPL相"以近似3:7的比例向"气、液"两相运移.在砂箱土体上部和中部NAPL相饱和度保持为0,"气-液"两相共存,间接表明苯系物在"气-液"两相间发生运移;在砂箱土体底部污染源附近"气-液-NAPL"相共存,间接表明苯系物在"气-液-NAPL"相间发生运移,抽提作用使得气相与液相饱和度升高、NAPL相饱和度降低.