非均质介质中重非水相污染物运移受泄漏速率影响数值分析

重非水相污染物(DNAPL)在地下介质中运移和分布受多种因素控制,包括DNAPL本身的物理化学性质,土的性质,泄漏条件等等。由于介质的非均质性,使得多相流运移行为更为复杂。基于地下水随机理论构建渗透率随机场,采用蒙特卡罗方法探讨泄漏速率对非均质饱和介质中DNAPL运移的影响。数值结果表明,在泄漏总量一定的情况下,泄漏速率越低,介质非均质性对DNAPL运移的影响程度越高。反之,DNAPL的渗漏速率越高,小尺度地层的非均质性影响越低。由于DNAPL运移过程中在垂直方向受重力的影响,污染羽在空间上的质心位置(一阶矩)以及展布范围(二阶矩)在垂直方向上的变异程度要高于水平方向。     

非均质孔隙介质中两相流的光透法应用研究

地下水中非水相液体(Non-aqueous Phase Liquid,NAPL)的流动及其曝气修复技术是典型的两相流问题。基于实际地下水含水介质的普遍非均质性,本文应用光透法对非均质孔隙介质中两相流进行了定量试验研究,设计了两组砂箱实验,研究气体和重非水相液体(DNAPL)在非均质孔隙介质中的迁移规律,应用了水/气两相和水/NAPL两相饱和度计算模型。实验结果表明:气体主要由不规则通道向上运动,遇到低渗透性透镜体时在其下方堆积,并开始横向运动,绕过透镜体后继续向上运动,最终在砂箱顶部形成连续气体分布,注气速度越大,气体运移范围越宽;DNAPL在自身重力作用下克服毛管压力向下迁移至低渗透性透镜体,DNAPL无法克服该介质的毛管压力,停止垂向入渗,并在其表面堆积,开始横向运移,绕过透镜体后继续向下运动,最终在砂箱底部形成连续DNAPL污染池。均质介质中建立的计算流体饱和度的水/气模型及水/NAPL模型与实验结果较吻合,可用于非均质多孔介质中水/气相和水/NAPL相饱和度的计算。     

水动力和介质非均质性影响下DNAPLs运移数值模拟

选定氯苯为典型DNAPL建立理想的地表污染泄漏多相流运移模型,利用TOUGH系列软件TMVOC模块进行数值模拟,探讨地下水动力、介质非均质性及两种因素协同作用时对DNAPLs运移和分布的影响。研究结果表明:(1)水力梯度增大了DNAPL水平和垂向运移速率;当水平向水力梯度过大时,反而导致垂向速率减小。(2)透镜体主要发挥阻滞作用,绕过透镜体后,下游侧污染指入渗深度明显大于上游侧;水力梯度的存在进一步增强介质非均质性的影响,产生更多集聚和绕流,形成不规则的污染指和污染池交替组合形态。     

盐度对多孔介质中DNAPL运移和分布的影响

选用四氯乙烯（PCE）作为典型DNAPL污染物,以NaCl作为地下水中溶解盐代表,研究盐度对DNAPL在饱和多孔介质中运移和分布的影响。通过批次实验测定NaCl水溶液/石英砂/PCE三相体系下的接触角和界面张力,结果表明,PCE在石英砂表面的接触角随着水中NaCl浓度的增大而减小,而PCE和NaCl水溶液的界面张力随着NaCl浓度的增大而增大,尤其当氯化钠浓度较高时（>0.1 mol/L）,影响程度更为显著。在此基础上,采用透射光法监测不同介质情景下DNAPL在二维砂箱中的运移和分布,定量测定DNAPL在介质中的饱和度。实验结果表明,地下水盐度的增加将促进DNAPL的垂向入渗,减少被截留在运移路径上的DNAPL量,使得DNAPL运移路径及累积形成的池状DNAPL（pool）向水流方向偏移。在均质多孔介质和含有透镜体的非均质多孔介质中,随着盐度的增加,DNAPL在横向和垂向上的展布均呈现出增加趋势,导致污染源区变大,且介质中以离散状存在的DNAPL量明显增加。     

基于集合卡尔曼滤波的多相流模型参数估计——以室内二维砂箱中重质非水相污染物入渗为例

重质非水相有机污染物(DNAPL)泄漏到地下后,其运移与分布特征受渗透率非均质性影响显著。为刻画DNAPL污染源区结构特征,需进行参数估计以描述水文地质参数的非均质性。本研究构建了基于集合卡尔曼滤波方法(EnKF)与多相流运移模型的同化方案,通过融合DNAPL饱和度观测数据推估非均质介质渗透率空间分布。通过二维砂箱实际与理想算例,验证了同化方法的推估效果,并探讨了不同因素对同化的影响。研究结果表明:基于EnKF方法同化饱和度观测资料可有效地推估非均质渗透率场;参数推估精度随观测时空密度的增大而提高;观测点位置分布对同化效果有所影响,布置在污染集中区域的观测数据对于参数估计具有较高的数据价值。     

非均质性对DNAPL污染源区结构特征影响的实验研究

重非水相液体(DNPALs)在地下环境中的运移分布与残余捕获受多种因素控制。选择四氯乙烯(PCE)作为DNAPLs特征污染物,通过二维砂箱实验探究介质非均质性对PCE运移及污染源区结构特征的影响。采用透射光法监测PCE在砂箱内的运移过程,定量测量PCE的饱和度。采用空间矩分析PCE污染体的平均运移行为随时间的变化,并采用离散状与池状PCE体积比(GTP)定量表征污染源区结构特征。结果表明,由于无法克服毛细压力,PCE在细砂透镜体上方聚积并侧向扩散,水平扩散范围显著增大。随机非均质介质中,PCE绕开细砂透镜体,沿着粗砂透镜体构成的优势通道运移,运移路径的不规则性及饱和度分布的空间变异性增强。PCE的捕获主要为毛细屏障和拉断效应两种形式。运移路径延长,路径上残留的离散状PCE增多,低饱和度的比例与GTP增大。非均质性显著影响PCE的运移路径、捕获及空间分布。     

轻非水相液体污染源区结构的影响因素数值分析

轻非水相液体（light non-aqueous phase liquid,LNPAL）在地下介质中的运移分布与残余捕获受多种因素影响和控制。LNAPL污染场地概念模型中一般视LNAPL从地表泄漏后穿过包气带至潜水面。然而地下介质的非均质性与包气带含水量的空间变异分布可形成复杂的LNAPL污染源区结构,LNAPL可能无法到达潜水面,而在毛细水带蓄积。文章基于数值模型综合分析了LNAPL泄漏量、介质非均质性与含水量空间变异分布、潜水面周期性变化等多种因素对LNAPL污染源区结构的影响。研究表明:（1）当泄漏量较大时,LNAPL可运移至潜水面;（2）当泄漏量较小时,对于上粗下细的层状非均质条件,LNAPL可能在毛细水带边缘发生蓄积,无法到达潜水面;（3）包气带中黏土透镜体并非都是LNAPL运移的阻碍,LNAPL可以穿透低含水量的黏土透镜体,只有高含水量的黏土透镜体才对LNAPL的入渗有阻碍作用;（4）潜水面周期性变化将导致污染范围扩大。     

水位波动下包气带透镜体影响LNAPL迁移的数值模拟研究

轻质非水相液体（LNAPLs）在土壤包气带中具有多相态特征,非均质性、地下水位波动等因素将显著增加包气带内LNAPLs污染的复杂程度。已有研究多关注于揭示包气带内自由相LNAPLs的污染过程,少有更为深入地探究水位波动时非均质结构对LNAPLs迁移及各相态分布规律的影响。基于TOUGH2程序构建包气带多相流数值模型,以揭示透镜体结构与地下水位波动共同作用下LNAPLs迁移过程及相态分布。研究结果表明:（1）含水率变化是LNAPLs迁移分布的主要控制因素,包气带内受透镜体介质岩性、水位波动影响所呈现的含水率变化直接控制LNAPLs迁移规律及分布特征;（2）水位恒定时,细砂透镜体使LNAPL呈“蓄积穿透-横向扩展-绕流”迁移,粗砂透镜体则是LNAPL垂向迁移的“优势通道”,水位波动引起的细砂透镜体含水率变化使“绕流”显著增强,粗砂透镜体则进一步呈现“优势空间”作用;（3）水位恒定时,细砂透镜体模型中LNAPL滞留于透镜体内部,粗砂模型中LNAPL则集中于透镜体下方,水位波动下透镜体附近LNAPL分布范围扩展,两模型LNAPL分布面积较水位恒定时分别增大51%、63%;（4）两模型中LNAPL挥发通量均呈“先减小-后增大”规律,并受LNAPL-气体接触条件及LNAPL分布状况共同作用,水位波动打破三相平衡状态,主要表现为水位抬升阶段LNAPL挥发增强,此时两模型中平均挥发量较水位恒定时增大124%～126%。研究为非均质石油污染场地中的LNAPL污染过程认识提供了科学的理论依据。     

多孔介质界面对重非水相液体迁移过程影响的图像法研究

重非水相液体(dense nonaqueous phase liquid,DNAPL)污染土壤和地下水的问题已引起广泛关注,研究其在不同粒径多孔介质及其界面的运移特征形态是确定污染区域、修复治理土壤和地下水环境的前提。文章通过室内试验研究多孔介质界面对DNAPL运移与分布特性的影响。首先在二维砂槽上进行DNAPL污染物的入渗试验,试验过程中用数码相机拍照,将DNAPL扩散过程以图像的形式记录下来;然后用AutoCAD对图片进行处理,绘制出DNAPL迁移过程的锋面变化图。结果表明:DNAPL入渗过程中,迁移主要受到重力作用与毛细作用的控制,毛细作用力随着介质粒径的增大逐层减小,重力作用逐渐起主导作用使污染物入渗速度逐层增大;介质结构影响DNAPL的迁移形态,介质粒径逐层增大,DNAPL污染物的渗流面与指进扩散宽度逐层减小,扩散方式由面状变为指状;在不同粒径介质界面介质结构发生突变时,DNAPL迁移锋面线曲率也相应变大,此时DNAPL的迁移呈现“凸”型特征,另外,不同的界面横向扩散的滞留宽度不同,随着介质粒径的增大,界面的横向扩散宽度相对变短。     

非均质包气带三氮累积转化模拟砂箱试验

为研究包气带非均质结构对氮素迁移转化的影响,采用室内砂箱实验模拟了1.72 mm/h降雨强度下NH₄-N污染非均质包气带的过程。通过观测出水及土壤溶液中NH₄-N、NO₂-N和NO₃-N质量浓度变化,分析探讨了NH₄-N在含有两个亚粘土透镜体的非均质包气带介质中的迁移转化和累积时空分布特征。结果表明：经过89 d物理吸附和微生物作用,出水NH₄-N首先迅速增加然后逐渐减小,而出水NO₃-N含量持续增加,其间NO₂-N出现累积峰,系统最终达到平衡稳定状态;土壤溶液中NH₄-N在两亚粘土透镜体上表面累积较多,NO₃-N和NO₂-N在上透镜体中的累积含量大于下透镜体;而砂槽上部土壤中出现明显的NO₃-N累积,NH₄-N和NO₂-N则在下部土壤和亚粘土透镜体中累积较多。包气带介质质地、粗 细交互结构及降雨淋溶、水分运移对“三氮”的迁移转化和富集有重要影响。     

二维孔隙介质中重非水相液体饱和度测定与分析

在二维均质饱和孔隙介质中利用光透法与高密度电阻率法定量监测重非水相液体(DNAPL)的运移过程与饱和度。 将光透法与高密度电阻率法相结合,进行高密度电阻率法对 DNAPL 在饱和多孔介质中渗流过程的定量监测。在二维砂箱 中进行 DNAPL 的入渗试验,应用光透法与高密度电阻率法进行动态监测,分别利用 CCD 相机、LCR 数字电桥采集数据。 光透法的数据处理采用“水-DNAPL”两相中 DNAPL 饱和度的计算公式。而高密度电阻率法的数据处理是将获得的电阻值 数据转化为电阻率值,然后利用 Archie 公式获得重非水相液体的饱和度空间分布。Archie 公式中参数β值本文采用与光透法 相结合的新方法来获取,克服了传统方法获取β值时存在的困难。根据不同时刻的饱和度空间分布可以估算注入砂箱内的 DNAPL 总量,并将其与实测的入渗量进行对比。结果表明,与光透法结合后的高密度电阻率成像法能定量监测饱和孔隙介 质中 DNAPL 的入渗过程,且估算的 DNAPL 入渗量与实测值比较吻合,提出的基于光透法计算β值的新方法是有效且可行的。     

Use of geostatistical models in DNAPL source zone architecture and dissolution profiles assessment in spatially variable aquifer

Following the accidental subsurface release of dense nonaqueous phase liquids (DNAPLs), spatial variability of physical and chemical soil/contaminant properties can exert a controlling influence on infiltration pathways and organic entrapment. DNAPL spreading, fingering, and pooling typically result in source zones characterized by irregular contaminated regions with complex boundaries. Spatial variability in aquifer properties also influences subsequent DNAPL dissolution and aqueous transport dynamics. An increasing number of studies have investigated the effects of subsurface heterogeneity on the fate of DNAPL; however, previous work was limited to the examination of the behavior of single-component DNAPL in systems with simple and well-defined aqueous and solid surface chemistry. From a DNAPL remediation point of view, such an idealized assumption will bring a large discrepancy between the designs based on the model simulation and the reality. The research undertaken in this study seeks to stochastically explore the influence of spatially variable porous media on DNAPL entrapment and dissolution profiles in the saturated groundwater aquifer. A 3D, multicomponent, multiphase, compositional model, UTCHEM, was used to simulate natural gradient water flooding processes in spatially variable soils. Porosity was assumed to be uniform or simulated using sequential Gaussian simulation (SGS) and sequential indicator simulation (SIS). Soil permeability was treated as a spatially random variable and modeled independently of porosity, and a geostatistical method was used to generate random distributions of soil permeability using SGS and SIS (derived from measured grain size distribution curves). Equally possible 3D ensembles of aquifer realizations with spatially variable permeability accounting of physical heterogeneity could be generated. Tetrachloroethene (PCE) was selected as a DNAPL representative as it was frequently discovered at many contaminated groundwater sites worldwide, including Thailand. The randomly generated permeability fields were incorporated into UTCHEM to simulate DNAPL source zone architecture under 96-L hypothetical PCE spill in heterogeneous media and stochastic analysis was conducted based on the simulated results. Simulations revealed considerable variations in the predicted PCE source zone architecture with a similar degree of heterogeneity, and complex initial PCE source zone distribution profoundly affected PCE recovery time in heterogeneous media when subject to natural gradient water flush. The necessary time to lower PCE concentrations below Thai groundwater quality standard ranged from 39 years to more than 55 years, suggesting that spatial variability of subsurface formation significantly affected the dissolution behavior of entrapped PCE. The temporal distributions of PCE saturation were significantly altered owing to natural gradient water flush. Therefore, soil heterogeneity is a critical factor to design strategies for characterization and remediation of DNAPL contaminated sites. The systematic and comprehensive design algorithm developed and described herein perhaps serves as a template for application at other DNAPL sites in Thailand.     

介质润湿性和非均质性对重非水相运移影响孔隙尺度机制研究

重非水相(DNAPLs)是地下水常见的有机污染物,理解其运移机制对于污染物修复具有重要意义.为解释实验中多孔介质润湿性对DNAPL的流动速度及残余饱和度的影响,使用多相流相场法,在构造的二维孔隙中模拟DNAPL液滴的下落过程.结果表明:模拟能准确刻画多相流界面的不稳定性,重现与实验室尺度相似的现象.文章提出的双界面模型...     

非均质裂隙介质中重非水相流体运移

由于裂隙介质具有强烈非均质性,使得重非水相流体(DNAPLs)在裂隙介质中的运移行为较孔隙介质更为复杂.基于指示模拟算法模拟裂隙介质的二元变量(粗糙面接触和裂隙开口),综合模拟退火算法构建裂隙渗透率随机场.采用T2VOC模拟DNAPLs在裂隙介质的运移,探讨粗糙面接触的相关长度、各向异性比、倾角以及非均质性程度对DNAPLs运移分布的影响.数值分析结果表明,粗糙面接触的相关性越差,DNAPLs污染范围越大;粗糙面接触的各向异性比和倾角增大,将导致更多DNAPLs残留;而相关长度和各向异性比增大以及倾角减小,都会引起DNAPLs锋面运移速率增大;随着渗透率非均质性增强,会导致局部粗糙面接触上蓄积的DNAPLs饱和度增大,运移速率减小.     

叠前时间偏移技术在潞安矿区的应用

潞安某矿区构造较复杂,地层倾角大,以往开展的叠后时间偏移成像精度低且空间位置不够准确,为此对该区进行了三维叠前时间偏移处理。根据Krehhoff积分法叠前时间偏移处理原理,对该区叠前数据进行净化、振幅补偿、静校正等准备工作,并对其处理过程进行细化,以求得准确的偏移速度场。通过该区叠前时间偏移和叠后时间偏移的应用效果对比,可以看出,叠前时间偏移处理能较好地反映深层复杂构造及大倾角地层情况,其叠前时间偏移剖面中下组15#煤的同相轴连续性明显变好,断陷点更清晰,断层及断点空间位置更趋合理。结合本次实践经验,指出该项技术在实际应用中应注意其适用范围、处理流程及速度建模等问题。     

裂隙介质中流速及倾斜度对四氯乙烯的运移影响研究

文章选用四氯乙烯（PCE）为代表性重非水相液体（DNAPL）,采用透射光法监测PCE在单裂隙介质中的运移过程和形态分布,探究流速及裂隙面倾斜度对PCE运移分布行为的影响。结果表明,单裂隙介质中PCE呈团块状脱离注样针,并在运移过程中呈近椭圆状。地下水流速越大,初始面积Fs越大,近椭圆的PCE离心率e越小;裂隙面倾斜度越大,初始面积Fs越小,近椭圆的PCE离心率e越小。不同流速或倾斜度条件下,入渗稳定后的PCE团块面积与离心率均明显下降。地下水流速及裂隙面倾斜度的增大对于PCE纵向运移具有促进作用,使PCE污染物前端锋面运移速率增大,在相同时间内更快运移到裂隙底部。PCE入渗停止后,流速增大促使污染源区PCE饱和度降低,使饱和度峰值随水流速度增大而减小;倾斜度增大抑制污染源区PCE饱和度降低,使饱和度峰值随倾斜度增大而增大。