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。     

某石化污染场地含水层自然降解BTEX能力评估

地下水污染问题是国家关注的重要环境问题之一,监测与评估含水层自然降解污染物能力是防治地下水污染的基本手段,也是国外地下水中修复技术研究热点课题。以华北平原某石油化工类场地为案例,通过调查场地水文地质条件、土壤及地下水污染现状,监测场地地下水中苯系物(BTEX)浓度及相关化学参数变化,运用微生物水文地球化学方法和水文地质方法,估算了该场地含水层自然降解苯系物量。这一研究成果为评估我国石油类场地地下水污染的自然修复能力提供了实证和基础数据。     

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。     

Field investigation into the biodegradation of TCE and BTEX at a former metal plating works

The paper is based on a recent programme of groundwater monitoring at an industrial site in west London. Redevelopment of the site in 1997 revealed high levels of soil and groundwater pollution by hydrocarbon fuels, trichloroethylene (TCE) and soluble metal salts (e.g. free cyanide, chromium VI and nickel). The pollution originated from a previous metal plating and galvanising works at the site. As part of the redevelopment works, the owners undertook limited excavation works and groundwater extraction to remove the pollutant. However, groundwater sampling has continued to show high levels of pollution. Following discussion with the environment regulator in late 1998, a groundwater monitoring programme was agreed to investigate the potential for co-degradation of the petroleum fuel and TCE. Groundwater samples have been taken from six existing boreholes (1C to 6C). The location of the monitoring boreholes relates to past pollution spillages and the layout of the new factory building. Chemical analyses of groundwater samples show elevated aqueous concentrations of chloroethenes with a classical reduction pathway for trichloroethylene (TCE) leading to an accumulation of vinyl chloride.     

Geochemical heterogeneity and isotope geochemistry of natural attenuation processes in a gasoline-contaminated aquifer at the Hnevice site,Czech Republic

The geochemical processes, water–rock interactions and stable isotopes distribution (δ¹³C of DIC and δ¹⁸O and δ³⁴S of \({\text{SO}}^{{{\text{2 - }}}}_{{\text{4}}} \)) were investigated in the gasoline-contaminated aquifer at the Hnevice site, 50  km northwest of Prague, Czech Republic. Diesel, gasoline and oil leaks originate from a large fuel storage area causing heavy contamination of the saturated and unsaturated zones in an area of about 0.7  km². Groundwater investigations were conducted using five multilevel sampler wells with emphasis on redox parameters and degradation by-products and a solid-phase study focused on iron speciation and determination of principal and secondary minerals. Based on the study of groundwater and solid-phase geochemistry, four different geochemical zones were described. Zone I is thought to be background consisting of an aerobic aquifer and the absence of reduced species in significant concentrations. Zone II is situated in the plume core with methanogenic, sulphate and iron-reducing conditions accompanied by ankerite and kutnahorite precipitates and significant depletion of the oxidation capacity of the aquifer. Zone III is a mixing (corona) zone, situated at the fringe of the plume with high biodegradation rates and Fe(III)-precipitants. In zone IV, reoxidation of Fe(II) minerals (with e.g. the occurrence of psilomelane and cornelite) is typical.     

含水层层状非均质对地下水流系统的影响

区域尺度上含水层非均质具有复杂的结构性和随机性,难以准确刻画,造成非均质对区域地下水流系统的影响机制研究不够深入。本文以鄂尔多斯盆地白垩系地下水流系统为研究实例,选择典型剖面,采用剖面二维随机数值模拟方法,通过对比不同非均质刻画方法下地下水流场的变化,探讨含水层层状非均质对地下水流系统的影响机制。结果显示,均质条件下模型各向异性（含水层水平和垂向渗透系数比值Kh/Kv）取值为1000时,地下水流场与实际条件较为接近;非均质条件下,渗透系数方差取值0.91,水平相关长度取值5000 m,Kh/Kv取值150时,接近实际条件。研究表明,在大尺度地下水流模拟研究中,采用水平相关长度、渗透系数方差和各向异性值三个变量生成的随机场能很好地刻画含水层的层状非均质特征及其对水流系统的影响控制作用。由于含水层不同尺度层状非均质的叠加效应,采用均质各向异性介质等效概化含水层层状非均质性会造成等效各向异性值偏大失真的效应。     

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。     

多个相关随机参数的空间变异性对溶质运移的影响

根据给定渗透系数、孔隙度以及吸附系数的概率分布,采用顺序高斯模拟生成相关的多参数随机场的实现,作为地下水流和溶质运移模型的输入参数,对污染物浓度进行随机分析。研究结果表明,与仅考虑渗透系数空间变异性相比,考虑相关的多参数空间变异性导致污染羽的扩散程度有显著不同。当孔隙度与渗透系数呈正相关关系时,会减少污染羽的扩散程度,反之,当孔隙度与渗透系数为负相关关系时,会加剧污染羽的扩散程度。吸附系数也是如此。在考虑吸附系数的空间变异性之后,污染羽的分布表现出拖尾现象。同时考虑渗透系数、孔隙度以及吸附系数空间变异性时,孔隙度非均质性对溶质运移的影响较吸附系数非均质性的影响更大。     

不同含水率条件下土壤中赤霉酸自然衰减规律研究

作为一种施用范围广、用量大的微毒农药,赤霉酸（GA3）的高溶解度会造成其在土壤中的弱吸附和强迁移并伴随强烈的自然衰减,且受到间歇性灌溉过程中变化土壤含水率的影响,因此有必要系统研究不同含水率条件下土壤中GA3的自然衰减规律。通过设置10%、20%、30%的3种土壤含水率,研究了不同土壤含水率条件下GA3的自然衰减规律,分析了土壤微生物对GA3自然衰减过程的影响,定性识别了GA3自然衰减产物。结果表明：（1）实验结束（34 d）时初始含水率为10%、20%和30%的灭菌组和未灭菌组土壤中GA3的自然衰减率分别为87.77%、89.70%、90.70%和87.70%、94.47%、95.87%,其自然衰减半衰期分别为12.38,12.16,12.60 d和8.56,6.80,7.07 d;（2）含水率对灭菌组土壤GA3的自然衰减速率无显著影响,未灭菌组在不同土壤含水率条件下GA3自然衰减速率有差异（20%土壤含水率最大）;（3）在水解作用的基础上,土壤微生物降解进一步促进了GA3的自然衰减,且生物降解贡献率为39.62%±7.58%;（4）GA3主要自然衰减产物为异构赤霉酸与赤霉烯酸（其中异构赤霉酸占比更大）,未来需要进一步关注GA3自然衰减产物在环境中的生物毒性与环境风险。上述研究结果有助于进一步深入理解农业生产过程土壤中GA3的环境行为,并为其环境毒性及潜在风险评估与管控提供数据支撑。     

河床地形影响潜流交换作用的数值分析

选取对潜流交换具有重要影响的河床地形作为主要研究内容,采用数值模拟(MODFLOW程序)的方法研究在河床横剖面地形不均匀的条件下,潜流交换量的空间分布以及地下水流场的演变机制。结果表明:在河床地形起伏不均的情况下,潜流交换量更易发生在河道的深水区域;地下水流向受河床地形影响较小;近河床界面处的地下水流速受地形起伏影响剧烈,深水区域的地下水流速远大于浅水区地下水流速;通过与现场试验结果对比分析,得出河床地形起伏是引起潜流带渗透系数非均质现象的重要原因之一。     

含水层渗透系数空间变异性对地下水数值模拟的影响

地下水数值模拟是目前定量研究地下水水量和水质的重要手段。使用基于随机理论的MonteCarlo方法来进行地下水数值模拟。这种方法能较好地考虑水文地质参数的空间变异性。主要将MonteCarlo方法和确定性模型模拟方法的模拟结果在渗透系数场、水头场、速度场和浓度场等方面进行了比较。结果表明:在模拟三维非均质含水层中的溶质运移问题时,充分考虑了含水层渗透系数空间变异性的MonteCarlo法比确定性方法更为有效,模拟精度提高了很多,且对模拟误差及误差来源有合理的数学解释。     

黄土高原北部坡面尺度土壤饱和导水率分布与模拟

为探明黄土高原北部坡面土壤饱和导水率(K_s)空间分布特征,为土壤水文过程模拟与预测提供理论依据,采用经典统计学和地统计学的空间变异分析方法,分析了坡面尺度土壤K_s的空间变异特征,并用一阶自回归状态空间模型对K_s的空间分布进行了模拟.研究区坡面尺度K_s的变异为中等程度变异,具有中等程度空间依赖性,变程为42 m.K_s与容重、砂粒、粉粒和黏粒含量在不同滞后距离下均具有自相关关系和交互相关关系.容重和土壤颗粒是影响坡面K_s空间分布的主要因素.状态空间模拟结果表明,基于容重和土壤颗粒的状态空间方程可以很好地解释坡面K_s的变异状况(R2>0.9).一阶自回归状态空间模型可用于田间条件下坡面尺度K_s分布特征的预测.     

细观非均匀性对脆性岩石材料宏观破坏形式的影响

岩石材料的宏观力学特征是材料内部细观力学特性的综合反映。对于脆性岩石材料,其内部的非均匀性对材料的宏观破坏形式有着重要的影响。应用演化细胞自动机方法（ECA）对岩石的非均匀性进行了初步的探讨。该方法以位移、力、应力和应变等矢量和张量作为系统的基本变量,定量计算了反映岩石破坏过程中应力集中以及应力重新分布的过程。在宏观上则认为脆性岩石材料是一种非均匀性材料,并假定脆性岩石材料的非均匀性符合Weibull分布,坡度参数m是Weibull分布中的反映分布非均匀程度的重要参数。通过对符合Weibull分布中不同坡度参数的脆性岩石材料进行数值模拟试验,发现由Weibull分布中的坡度参数表示的非均匀性是影响脆性岩石材料破坏方式的重要因素,材料的坡度参数越小,材料越不均匀,其破坏形式则越具有随机性;材料的坡度参数越大,材料越趋于均匀,其破坏形式越具有规则性,即趋于弹性材料的破坏形式,这与试验结果是吻合的。     

Effects of natural attenuation processes on groundwater contamination caused by abandoned waste sites in Berlin

The aim of this research project is to identify, characterize and quantify natural attenuation (NA) processes in groundwater affected by emissions of abandoned waste disposal sites in Berlin-Kladow/Gatow, Germany. It is part of the funding priority called KORA established by the Federal Ministry for Education and Research (BMBF) to explore the extent to which NA can be used for remedial purposes for varied forms of soil and groundwater contamination. Information on the emission behaviour of individual parameters is generated on the basis of hydrogeochemical comparison of 20 years old and new data. Using groundwater-modelling and CFC-analysis, information on the transport and retention of pollutants in groundwater is compiled. The microbial colonization of contaminated aquifers is characterized by molecular biological methods [polymerase chain reaction (PCR) and denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE)] to differentiate between contaminated and not contaminated zones.     

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。     

单程波法地震波衰减特征数值模拟分析

在非均匀粘弹性介质中,地震波衰减研究能够有效揭示地层吸收特性对地震波的影响。这里从单程波方程出发,结合粘弹性介质中的复波数理论,考虑介质的横向变化,采用分步傅立叶波场延拓技术,推导出适用于横向变速介质的带Q地震记录计算公式,最后将此方法应用于四个不同含Q地层模型。试验表明：单程波法计算速度快,波场信息简单清晰,易于深入分析和反演算法的建立。并且,Q值对地震波波形、能量、频率等都产生了较为明显的影响,对实际资料能量补偿、地震资料分辨率的提高,以及利用衰减特征进行储层识别有一定指导价值。     

基于野外水力试验的玄武岩渗透性及尺度效应

在金沙江溪洛渡水电站坝区玄武岩中,进行了3种水力试验,探讨玄武岩渗透性及其尺度效应。平硐渗水试验的试验尺度为1～2 m,渗透系数为10-4～101 m/d,非常离散;地下水示踪试验的尺度为70～145 m,渗透系数为10-0.5～100.5 m/d,非常集中;压水试验的试验尺度为4～7 m,渗透系数值10-2～100 m/d。试验结果显示渗透系数随着试验尺度的增加而增大,笔者认为产生尺度效应的原因在于非均质性。小尺度试验常作用在局部基质段或单条裂隙上,而大尺度试验常穿越几条大裂隙,所获得的渗透系数值要大于前者。在进行裂隙岩体地下水渗流研究时,针对不同尺度的研究对象,应选择不同尺度的野外水力试验来求取渗透系数。     

河床沉积物非均质性影响下的潜流交换数值模拟

为了揭示河床沉积物非均质性对潜流交换的影响,构建了沙波地形作用下的地表水-地下水耦合模型,通过生成不同的渗透系数随机场,讨论了不同地表水动力过程和河床沉积物非均质性对潜流交换通量、交换空间及平均停留时间的影响规律。结果表明,所构建的地表水-地下水耦合模型能够准确刻画水沙界面附近流场,模型具有良好的适用性;均质或非均质河床沉积物情景下,水沙界面上的平均交换通量、停留时间与雷诺数之间均呈现幂函数关系,潜流交换深度则在地表水进入完全紊流之后趋于稳定。结果还表明,较强的河床沉积物非均质性能够有效增强水沙界面上潜流交换通量和空间交换频率,但会制约潜流交换空间并缩短水流在潜流带中的停留时间。     

天然裂缝影响下的花岗岩水力裂缝扩展数值模拟

水力压裂技术是成功实现干热岩资源开发利用的重要手段之一,数值模拟技术能够精准预测水力裂缝扩展。针对典型花岗岩,借助黏性单元法,分别模拟了致密花岗岩和天然裂缝存在情况下的水力裂缝扩展特征,得出以下结论:致密花岗岩的水力裂缝形态单一,天然裂缝的存在增加了压裂后裂缝的复杂性;致密花岗岩水力裂缝拓展主要分为憋压和拓展两个交替往复的阶段,当存在天然裂隙时,水力压裂过程会变得复杂;天然裂缝存在时,水力裂缝的缝长和缝宽分别为致密花岗岩的5.7倍和1.7倍;缝网的形成需要借助复杂的压裂工艺实现。研究结果可以为增强型地热系统(EGS)储层水力刺激工作提供理论支持。