基于多相流数值模拟的某石油污染场地地下水中VOCs自然衰减过程识别及能力评估

监测自然衰减(monitoring natural attenuation,MNA)技术是目前普遍认可的去除地下水中挥发性有机污染物(volatile organic compounds,VOCs)的技术。但受其修复周期长、监测费用昂贵等因素的影响,实地开展MNA技术修复污染场地具有一定的局限性。基于此,本研究运用多相流数值模拟手段识别了某石油污染场地内典型VOCs污染物(苯、甲苯、萘)在地下水中的自然衰减过程并评估了其自然衰减能力。结果表明:采用TMVOC所建立的多相流数值模拟模型能较好地预测和识别VOCs在地下水中的衰减规律;在研究区中,苯、甲苯和萘由于理化性质差异,在地下水中的污染羽分布特征不同,其自然衰减过程受挥发、吸附和生物降解作用的影响程度也不同;挥发和生物降解作用对VOCs自然衰减的影响程度均为苯>甲苯>萘,而吸附作用对VOCs自然衰减的影响程度为萘>甲苯>苯;在污染源被阻断的前提下,苯、甲苯和萘分别在泄漏发生7.0、6.5和6.0年后通过自然衰减达到理想去除效果。本文研究成果可以为水文地质条件类似的VOCs污染场地MNA修复方案的制定和修复效果评估提供理论支撑。     

石油污染场地浅层地下水MNA原位修复潜能及微生物降解效益评估

监测式自然衰减（MNA）能够高效低耗地原位修复石油污染地下水的场地,微生物对污染物的降解对MNA过程起到了重要作用。在分析东北石油污染场地地下水中总石油烃（TPH）、电子受体的质量浓度分布和变化规律基础上,划分了微生物功能区。采用溶质通量计算法,对MNA原位修复的潜能及其微生物降解效果进行了评估。结果显示,场地微生物降解正在发生,利用的电子受体不同,划分为Mn、Fe和SO^2-₄还原区。污染通量模型计算显示：上游地区微生物降解强度不断增强,下游地区微生物降解强度不断降低。监测期内石油烃总量降低了394 kg,微生物降解为自然衰减过程中的主要作用,其贡献率为64%~93%,每个通量断面内微生物降解率为0.18~0.73 kg/d。由此可以证明,MNA可以有效地修复地下水中的石油污染。     

应用质量通量评估地下水中BTEX和乙醇的自然衰减

近年来,应用于修复石油烃污染地下水的监测自然衰减技术得到了广泛深入研究,同时质量通量方法已逐渐成为评 估地下水燃油污染场地自然衰减监测修复效能的重要手段。通过在室内砂槽中添加乙醇汽油组分,监测其自然衰减,利用 质量通量方法,得出了BTEX和乙醇的质量减少率、自然衰减速率常数K;结合非反应示踪剂溴离子,评价了BTEX和乙醇 自然衰减因素中吸附和微生物的联合降解效应。结果表明,自然衰减是地下水中燃油组分修复的重要机制,质量通量方法 是评估自然衰减的有效方法之一。BTEX和乙醇在自然衰减过程中被去除的比例分别为78.88%和98.71%,其中约98%的 BTEX 因吸附和生物降解联合作用被去除,接近100%的乙醇因内在生物降解作用被去除;BTEX 的自然衰减速率为 0.077d-1~0.167d-1,乙醇为0.353d-1,自然条件下乙醇比BTEX更容易衰减。     

北京市朝阳区沙子营垃圾污染物在潜水含水层中迁移规律的现场模拟实验

选择北京平原区水文地质、环境地质等方面都比较典型的沙子营垃圾堆放场,建立了其水文地质模型。在充分收集资料、分析得出部分计算所需参数后,采用现场弥散实验、勘查取样测试等方法,求得了该含水层的弥散系数等参数;用二维非稳定流溶质运移方程对污染物在此含水层中的迁移扩散规律、速度和污染范围等进行了模拟计算;采用现场钻探、取样测试分析等方法,评价了该含水层的实际污染状况。实验模拟计算和现场调查结果表明:污染物在潜水含水层中的运移规律遵循二维非稳定流场中的溶质运移方程,污染物在潜水含水层中的运移速度约为86.25m/a,迁移扩散主要发生在地下水流向上,侧向扩散宽度极小,是地下水流向上的1/17。     

柴油污染含水层的自然衰减作用

柴油污染对人类健康和生态环境具有很大危害。自然衰减以其经济、易操作、对人危害小和降解污染物彻底等优点,成为国内外比较常用的水土污染修复方式之一。采用室内实验的方式,以柴油作为修复对象,模拟了含水层系统中柴油污染物随地下水迁移转化的过程,以自然衰减作为修复方式,研究其修复机理。通过分析计算总石油烃(TPH)污染晕的变化规律,计算修复时间和截留率等方法,研究了柴油污染含水层中的自然衰减强度及修复效能。结果显示,柴油进入含水层后,逐渐形成了稳定的污染晕,并在地下水流场中沿各个方向不断迁移并衰减,其迁移速率由快变慢,并趋于稳定,且沿流向上的迁移作用最强,垂向上次之;"断源"后,含水层中的TPH浓度随时间呈明显的下降趋势,自然衰减作用变得明显;结合一阶反应动力学方程,计算出下部含水层的修复时间为1.0~1.5a,表层注油点位置地下水的修复时间约为2.6a;含水层对柴油具有截留作用,截留作用初期较为稳定,近饱和后作用渐弱,停止注油后,截留作用重新渐变明显;自然衰减可作为修复地下水柴油污染的有效方式。     

基于GMS软件对某污染厂区地下水污染规律研究

以某污染厂区为研究对象,通过野外调查并结合已有资料,利用GMS软件建立研究区域地下水流场模型和溶质运移模型,并且详细分析了地下水污染规律。研究结果表明:降雨入渗扩散方式下,污染物在地下水中的迁移速率与污染物的浓度及地下水介质密切相关。在潜水含水层中,污染物主要以垂向运移为主,并且受污染源强影响较大,污染物浓度越高,其垂向运移速率越快,污染物在水平面上的扩散速率受污染源强的影响较小;在承压含水层中,污染物沿水流方向迁移,并且呈现匀速扩散趋势。     

西宁市贵德县河滨公园林场第四系含水层弥散试验研究

地下水污染问题日益严重,研究溶质运移的弥散理论开始应用于实际问题。建立地下水溶质运移模型,对地下水中污染物的运移及发展趋势进行准确预测,是对地下水进行保护、对地下水污染进行控制的基础。而弥散参数的确定则是地下水溶质运移模型建立的关键环节之一,直接影响着模型预测结果的精度和准确性。 对西宁市贵德县地下水污染的水质运移规律进行分析,在贵德县河滨公园林场采用径向收敛流水动力弥散理论方法进行了第四系含水层现场弥散试验,计算了试验场地潜水含水层的弥散度,获得纵向弥散度(a_L)为0.843~0.998 cm,横向弥散度(a_T)经验推断值为0.17~0.20 cm,为进一步建立该地区的地下水溶质运移模型、预测地下水污染的发展趋势和评价该地区地下水环境质量提供了数据参考。     

基于溶质运移模拟的某化工场地污染物对拟建水库污染风险预测

溶质运移模拟是污染风险预测的一种有效手段。本研究为查明研究区内某有机污染场地作为污染源对拟建水库的影响,基于对区内流场的精确测量,建立了准确的地下水流模型和化工厂泄露有机污染物的溶质运移模型,预测分析了研究区拟建水库修建前、后地下水流场及污染物迁移情形的变化。模拟结果表明：水库和周边两种设计水头的截渗沟建成后,改变了自然条件下的流场,形成水库向截渗沟排泄、截渗沟向周边排泄以及水库和周边区域均向截渗沟排泄两种地下水流场。某些污染羽扩散范围虽比自然条件下有所增大,但向水库方向的扩散均未超出300 m,不会对水库水质构成污染风险。     

北方物流城地下水环境影响预测与评价

北方物流城在运行过程中会产生生产垃圾与生产废水、生活垃圾和生活污水,区域地下水环境质量较差,分析地下水流场变化特征,根据污染物排放情况,确定污染指标,设定污染情景和源强,采用Mod Flow三维水流模型和溶质运移模型对北方物流城地下水环境影响进行预测和评价,结果显示:区域内浅层潜水水质相对较差,主要超标污染物为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮,含水层岩性为中粗砂和卵砾石,渗透性强,地下水流水力坡度大,污染物运移快,地下水极易受到污染,主要污染物为氨氮和CODCr。在无防渗或事故有防渗破裂情境下,浅层潜水会受到污染,如果叠加出现防渗层破损情况,造成地下水污染的风险会加大。为保护地下水环境提供科学依据。     

大区域地下水流数值模拟研究现状及存在问题

在分析大区域地下水流数值模型构建缘起的前提下,系统论述了近年来地下水流数值模拟在大区域地下水资源评价、水文地质参数确定、地面沉降、溶质运移、海水入侵、盐渍化、风险评估、地下水管理及地表水与地下水的联合开发利用等方面的国内外研究应用现状;归纳、总结了目前大区域地下水流数值模型在灵敏度分析、裂隙和岩溶介质中模型建立、基于地下水流数值模拟的溶质运移模型建立、地下水流数值模型构建所需工作量等理论和方法研究及实际建模过程中存在的一些问题;展望了今后大区域地下水流数值拟在研究范围、模拟技术与方法以及与其它模型耦合等方面的发展趋势。      

Field investigation of the natural attenuation and intrinsic biodegradation rates at an underground storage tank site

 Contamination of groundwater by petroleum-hydrocarbons is a widespread environmental problem. Natural attenuation is a passive remedial approach to degrade and dissipate contaminants in soil and groundwater. In this study, a mass flux approach was used to calculate the contaminant mass reduction and field-scale decay rate at a gasoline spill site. The mass flux technique is accomplished using the differences in total contaminant mass flux across two cross sections of the contaminant plume. The mass flux calculation shows that up to 88% of the dissolved BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene isomers) removal was observed by natural attenuation processes. The efficiency of intrinsic biodegradation was evaluated by the in situ tracer method. A first-order decay model was applied for the natural attenuation and intrinsic biodegradation rate calculation. Results reveal that intrinsic biodegradation process was the major cause of the BTEX reduction among the natural attenuation mechanisms, and iron reduction was the dominant biodegradation pattern within the plume. Approximately 87% of the BTEX removal was caused by intrinsic biodegradation processes. The calculated BTEX natural attenuation and intrinsic biodegradation rates were 0.24 and 0.16% l/day, respectively. Results suggest that natural attenuation mechanisms can effectively contain the plume, and the mass flux method is useful in assessing the efficiency of the natural attenuation. Received: 6 December 1999 · Accepted: 11 July 2000     

Effect of contaminant concentration on in situ bacterial sulfate reduction and methanogenesis in phenol-contaminated groundwater

The availability of dissolved O₂ can limit biodegradation of organic compounds in aquifers. Where O₂ is depleted, biodegradation proceeds via anaerobic processes, including NO₃-, Mn(IV)-, Fe(III)- and SO₄-reduction and fermentation/methanogenesis. The environmental controls on these anaerobic processes must be understood to support implementation of management strategies such as monitored natural attenuation (MNA). In this study stable isotope analysis is used to show that the relative significance of two key anaerobic biodegradation processes (bacterial SO₄ reduction (BSR) and methanogenesis) in a phenol-contaminated sandstone aquifer is sensitive to spatial and temporal changes in total dissolved phenols concentration (TPC) (= phenol + cresols + dimethylphenols) over a 5-a period. In general, ³⁴SO₄-enrichment (characteristic of bacterial SO₄ reduction) is restricted spatially to locations where TPC < 2000 mg L⁻¹. In contrast, ¹³C-depleted CH₄ and ¹³C-enriched CO₂ isotope compositions (characteristic of methanogenesis) were measured at TPC up to 8000 mg L⁻¹. This is consistent with previous studies that demonstrate suppression of BSR at TPC of >500 mg L⁻¹, and suggests that methanogenic microorganisms may have a higher tolerance for TPC in this contaminant plume. It is concluded that isotopic enrichment trends can be used to identify conditions under which in situ biodegradation may be limited by the properties of the biodegradation substrate (in this case TPC). Such data may be used to deduce the performance of MNA for contaminated groundwater in similar settings.     

岩溶裂隙含水层中石油类有机物的自然衰减机制

石油类有机物污染是地下水环境领域亟须解决的关键课题.本次研究耦合数值模拟和水文地球化学技术模拟岩溶裂隙含水层中石油类有机物的自然衰减过程并定量计算其自然衰减机制.基于BIOSCREEN模型的模拟计算可知,近30年对流、弥散、稀释等物理过程和生物降解过程对石油类有机物衰减贡献率的平均值分别为31.53%和68.47%,生物降解作用是岩溶裂隙含水层自然修复能力的主要机制.利用质量守恒定律分析水化学（HCO₃-、NO₃-）和同位素（δ15N_NO3、δ18O_NO3和δ13C_DIC）之间的相关关系可知石油类有机物生物降解贡献地下水HCO₃-的平均值为33.93%;石油类有机物生物降解消耗主要电子受体NO₃-贡献地下水δ13C_DIC的百分率为30.77%且其占总生物降解的90.69%.      

浅层地下水氯代烃污染天然衰减速率的估算

天然衰减恢复技术是恢复和控制浅层地下水氯代烃污染的技术之一,如何简便获取可靠的氯代烃衰减速率常数是该技术应用的一个关键。趋势线分析方法是一种简便有效的方法,在污染羽状体稳定的条件下,通过地下水流向上至少3口监测井的资料,能够比较准确地估算出污染物的天然衰减速率常数和生物降解速率常数。某氯代烃污染典型区的应用实例研究表明,该区四氯乙烯(PCE)的天然衰减速率常数和生物降解速率常数分别为0·000925d-1和0·000537d-1,证实该区浅层地下水中的PCE存在天然生物降解,但降解速率比较缓慢。忽略吸附作用的天然衰减容量计算所得出的天然衰减速率常数明显小于实际结果,说明尽管典型区包气带及含水层介质的有机碳含量很少,但它们对PCE的吸附作用不容忽视。     

The effect of aquifer heterogeneity on natural attenuation rate of BTEX

Monitored natural attenuation can be a viable option for remediation of groundwater contamination by BTEX compounds. Under the field conditions, the rate of contaminant mass attenuation through natural processes, such as biodegradation, to a large extent affected by the groundwater flow regime, which is primarily controlled by the aquifer heterogeneity. Numerical simulation techniques were used to describe quantitatively the relationship between biodegradation rate of BTEX and aquifer heterogeneity. Different levels of aquifer heterogeneity were described by random hydraulic conductivity fields (K) having different statistical parameters, the coefficient of variation (CV) and the correlation length (h). The Turning Bands Algorithm was used to generate such K fields. Visual MODFLOW/RT3D was used to simulate the fate and transport of dissolved BTEX plume within heterogeneous aquifers. The multispecies reactive transport approach described BTEX degradation using multiple terminal electron-accepting processes. First-order biodegradation rate constants were calculated from simulated BTEX plumes in heterogeneous flow fields. The results showed that aquifer heterogeneity significantly affected biodegradation rate; it decreased with increasing CV when h was in the range of up to 12 m, whereas it increased with increasing CV when h was greater than about 12 m. For well characterized aquifers, this finding could be of great value in assessing the effectiveness of natural attenuation during feasibility studies at BTEX contaminated sites.     

浅层地下水氯代烃污染天然生物降解的判别依据

天然条件下氯代烃生物降解的判别, 是确定氯代烃污染天然衰减恢复治理技术是否可以采用的关键, 可为天然衰减恢复治理技术的应用提供技术支持.通过分析氯代烃生物降解的特性发现, 地下水环境中氯代烃的生物降解, 必然伴随有第一基质、电子受体、中间产物以及有关的一些间接性指标, 在污染羽状体不同位置及污染羽状体内外产生明显变化, 这些指标的变化均可以不同程度地指示氯代烃生物降解的产生.据此总结出氯代烃生物降解衰减的判别依据分别为电子受体、第一基质(能源和碳源) 及降解中间产物三类指标.      

Natural Attenuation of Fuel Hydrocarbon Contaminants:Correlation of Biodegradation with Hydraulic Conductivity in a Field Case Study

Two biodegradation models are developed torepresent natural attenuation of fuel－hydrocarbon contaminants as observed in a comprehensive natural-gradient tracer test in a heterogeneous aquifer on the Columbus Air Force Basein Mississippi,USA．The first, a first-order mass loss model,describes the irreversible losses of BTEX and its individual components, i．e．,benzene（B）,toluene（T）,ethyl benzene（E）,and xylene（X）．The second, a reactive pathway model,describe ssequential degradation pathways for BTEX utilizing multiple electron acceptors,including oxygen,nitrate,iron and sulfate,and via methanogenesis．The heterogeneous aquifer is represented by multiple hydraulic conductivity（ K） zones delineated on the basis of numerous flowmeter K measurements．A direct propagation artificial neural network（DPN）is used as an inverse modeling tool to estimate the biodegradation rate constants associated with each of the K zones．In both the mass loss model and the reactive pathway model,the biodegradation rate constants show an increasing trend with the hydraulic conductivity．The finding of correlation between biodegradation kinetics and hydraulic conductivity distributions is of general interest and relevance to characterization and modeling of natural attenuation of hydrocarbons in other petroleum-product contaminated sites．