Estimation of emission from an LNAPL contaminated zone considering groundwater recharge

The aim of this work was to develop an easy to handle semi-analytical method to estimate the temporal development of emission from a multi-component LNAPL pool considering groundwater recharge. The presented approach allows the estimation of the total mass flux out of an LNAPL pool into the gas and the water phase, the latter including the mass fluxes from groundwater recharge, advection through and diffusion out of the LNAPL zone. Therefore, the known set of constitutive relationships to determine fluid saturation profiles of 2- and 3-phase systems is extended in this work to account for dynamic conditions due to groundwater recharge. The methodology is applied to a kerosene pool at a former military airfield and it is found that the mass flux due to groundwater recharge dominates the aqueous mass flux from the kerosene contaminated zone. A sensitivity study using field parameters shows, that the apparent kerosene thicknesses observed in monitoring wells and the lithology control mass flux into the gas phase, whereas the mass flux into groundwater mainly depends on the groundwater recharge rate. For the kerosene found at the site, source emission into the soil gas is estimated to last longer than the emission into groundwater, the latter varying between less than 100 and 400 years.     

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。     

含单裂隙非饱和带中轻非水相流体修复的数值模拟

针对非饱和带中油类污染物时空分布的研究,室内实验很难定量分析运移机理,野外检测成本高且破坏地层。数值模拟法作为一种应用广且成熟的方法,可以用来分析油类污染物在非饱和带中的运移规律。为了研究单井抽提及原位冲洗修复时,含单裂隙非饱和带中轻非水相流体（Light non-aqueous phase liquids,LNAPL）的时空变化规律,建立了数值模型,分析不同条件下LNAPL的修复效果及时空变化规律。模拟结果发现,LNAPL注入时优先流入裂隙,停止注入时优先流出裂隙。单井抽提修复模拟表明,抽提流量越大,修复效率越高。原位冲洗技术能有效补充地下水,防止产生新的环境问题;注水井起到“冲洗”及稀释污染物的作用,模拟最优方案修复面积达到96%,修复率达到75%,LNAPL饱和度控制在约0.05;对比分析发现,注水井布设在污染物范围的上边界时修复效果最好,能有效“冲洗”污染物并携带至抽提井中抽出地表。该研究为受轻油污染的土壤及地下水修复提供了科学的理论依据及有效的评估方法。     

轻非水相液体在地下环境中的运移特征与模拟预测研究

通过自行设计制备的二维砂箱模拟轻非水相液体(LNAPL)在湿润多孔介质中的渗漏,得出LNAPL在地下环境中的入渗、迁移及分布规律,并利用多相流体理论对其污染机理进行分析.在实验基础上建立模型来预测渗漏的基本特征,即渗流带中污染锋面扩展速度和透镜体的最终形状,预测结果与实测结果较为接近.这种预测模型对控制和治理地下水中LNAPL污染是至关重要的.     

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。     

松辽盆地徐深气田火山岩气藏相态与渗流机理

通过徐深气田天然气气体状态方程( PVT) 性质、天然气饱和水汽量和地层水PVT性质测试及全直径岩芯分析的气藏启动压力、储层流速敏感性和应力敏感性评价, 探讨了火山岩储层渗流机理。结果表明: 徐深气田火山岩气藏中CO₂含量差别较大(最高达86.88% ) , 天然气分子量与CO₂含量呈正相关; 偏差系数、饱和水汽含量及地层水中天然气含量受地层温度、压力、天然气组成及地层水矿化度等影响; 火山岩气藏启动压力与束缚水饱和度和空气渗透率均呈幂指数关系; 储层呈气水两相流特征, 具有弱速敏性和较强的应力敏感性, 易造成储层渗透率伤害以及孔隙结构改变。     

A Study of Near- and Super-Critical Fluids Using Diamond Anvil Cell and in-Situ FT-IR Spectroscopy

The phase relation and solution structure of water and NaCl aqueous solution have been observed and examined by using the hydrothermal diamond anvil cell (HDAC) at elevated temperatures and pressures and the in situ FT-IR spectroscopy. The temperature of observations ranges from 25 to 850° C and the pressure up to 10 or 30 kb. At first, we observed the phase transition process from halite+liquid+vapour (H+L+V) to L+H, then to L (or supercritical fluid, SCF), and another path: H+L+V? L+V? L (or SCF) in heating process. By means of the visual microscope, the authors found that in the L+V immiscibility field L+V exhibits an ordered structure, i.e. a large visual cluster of solvent around ions. The liquid phase is manifested by vapour bubbles. When phase transitions are observed, the authors examined their infrared spectra by using the FT-IR microscopy simultaneously. In the case of the phase transition from liquid (L) to liquid + vapor (L+V) immisciblity field of NaCl solutions, a sudden change (strong frequency shift) of infrared spectra of the aqueous solution is observed near the critical temperature of water as the temperature is raised from 25 to 650° C. The frequency of the maximum intensity of OH symmetric and asymmetric vibration varies with respect to temperature. The sharp peak of the OH stretching vibration of the maximum intensity appears in an interval from 300 to 400° C. It is indicated that the hydrogen bonding network is weakened and broken at last near the critical point of water, which causes the aqueous solution to become more associated. Besides, a pressure indicator (a mineral or compound) was introduced to the HDAC.     

单裂隙中LNAPL残留特点及残留体对水流运动的影响

轻非水相液体(LNAPL)在变隙宽裂隙中的迁移和残留机理复杂,在"裂隙-水-LNAPL"三相系统中,LNAPL和水流运动之间相互作用和影响,同时两者又共同受到裂隙表面和隙宽的影响和控制。采用27.4 cm×20.0 cm(长×宽)的透明仿真裂隙开展甲苯(地下水中常见的LNAPL污染物之一)迁移试验,监测并获取变隙宽裂隙中LNAPL的迁移过程与残留分布的图像,通过数学统计和数值模拟的方法,分别揭示LNAPL 残留分布规律以及"裂隙-水-LNAPL"系统内的相互影响机制。研究结果表明:自由相的LNAPL主要沿着裂隙中的狭长通道迁移到内部,在隙宽较小的区域有少量孤立的LNAPL液滴残留。LNAPL在变隙宽裂隙中的迁移、残留与裂隙隙宽的分布密切相关,LNAPL残留的隙宽符合正态分布规律。甲苯残留的隙宽分布范围为0.01~1.40 mm,残留最多的隙宽分布在0.20~0.30 mm。LNAPL的残留增大了裂隙内水流运动的阻力,使得裂隙两端的压力差增加。LNAPL残留使裂隙内水流流速重新分布,同时也改变了裂隙原有的沟槽流分布和数量。     

Gold transport during magmatic degassing: Model experiments

Interaction of metallic gold with (Na, K)Cl salt melts was investigated by the weight-loss method at 700–1000°C using silica glass ampoules. Interaction was not detected in hermetic evacuated ampoules over the whole temperature interval and even after the addition of 5 wt % Na₂SO₄ as a possible oxidizer to the salt. Gold solubility increased sharply in open ampoules, but this was accompanied by the evaporation of salt melt and, possibly, AuCl_x. The limiting gold solubility in the salt melt at 860°C was estimated as 1 wt % or 10000 ppm. The model of gold transport in a gas phase during magmatic degassing invokes shallow gold extraction by salt melt, melt evaporation, and removal of precipitated metallic particles by the gas phase.     

软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯数值模拟及试验

水力冲孔是煤层瓦斯增透抽采的主要技术措施,其主要以出煤量考察卸压效果,但是也存在出煤量大、卸压不均一、应力易集中等问题。因此,提出软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯技术,考虑瓦斯压力压缩和煤基质吸附瓦斯膨胀对本体变形的影响,建立应力场、裂隙场、渗流场耦合条件下的多物理场理论模型,并结合COMSOL数值模拟软件对软煤夹层水射流分支数、卸压影响范围内煤体的瓦斯压力和瓦斯含量变化规律进行了研究。研究表明:当水射流分支长半轴为2 m,短半轴为0.22 m时,水射流分支数为6个时较为合理;在相同出煤率情况下,相同时间内瓦斯压力和含量均随着与钻孔距离的增加而减小,抽采180 d,水射流层状卸压有效抽采半径约为常规水力冲孔有效抽采半径的2.14倍,且在有效影响范围2 m时,水射流层状卸压瓦斯含量降低量为7 m3/t,而常规水力冲孔瓦斯含量降低量为4.1 m3/t,水射流层状卸压瓦斯降低量为常规水力冲孔的1.71倍;在新义煤矿现场试验中发现,当水射流层状卸压出煤率为常规冲孔出煤率的0.29~0.71倍,抽采较高浓度瓦斯时长仍是常规水力冲孔的2倍。软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯技术的提出,对未来煤矿井下软煤夹层水力冲孔技术的发展有着重要的意义,为井下瓦斯的治理提供了新的方法和方向。      

东天山香山镁铁-超镁铁岩中富CH4流体包裹体的特征及其意义

香山岩体是东天山镁铁-超镁铁杂岩带的一个典型岩体，相带发育。各相带都含有韭闪石质普通角闪石巨晶，后环绕橄榄石和拉长石生长，构成包橄结构和包含结构，表明母岩浆富水。本研究的样品采自于香山岩体中岩体。拉长石和橄榄石中的流体包裹体孤立分布，或成群分布，大小不等，无明显方向性，或成串分布，平行于寄主矿物的颗粒边界和生长晶面。流体包裹体主要为原生，一部分为次生或假次生，是在以角闪石结晶为标志的岩浆流体大量出溶期间捕获的，因而代表了岩浆源区的流体。运用显微激光拉曼光谱仪，在100～4000cm。全波段范围内对拉长石和橄榄石中的50多个流体包裹体的气泡进行了分析。结果表明，流体包裹体的气体成分分为4类：a)富CH4气体；b)富H2O气体；c)H2O CH4混合气体；d)多组分(C2H6 N2 CH4，C2H6 CH4 N2 C4H6)混合气体。因而，香山岩体所携带的流体是一种富CH4等还原性挥发份和富H2O的流体。由于上地幔处于相对氧化状态，上地幔的挥发份以CO2为主。因而，香山岩体的母岩浆和流体应该来自于地幔过渡带或软流圈，这同时也表明新疆北部晚古生代的地幔过渡带或软流圈可能是未被氧化的、含C—H系列流体的圈层。俯冲板片的再循环，为地幔深处的H2O提供了来源。富CH4还原性C—H流体和富H2O流体，为地幔深处的熔融发挥了重要作用，进而产生了新疆北部造山后广泛分布的镁铁一超镁铁岩浆以及铜镍硫化物矿床。     

五大连池火山群喷气锥成因机制探讨

五大连池火山群1537个喷气锥中,多数分布在火烧山熔岩流中,在水量充足的五池到四池之间的熔岩台地上,喷气锥数量集中、个体较大、发育良好。通过对五大连池火山群喷气锥的形态结构和集中分布特点进行分析,认为水蒸气在混合气体形成喷气锥中起主导作用,重力也在喷气锥形态塑造上有一定意义。含挥发分的基性岩浆溢流到在靠近水域的地区时表层冷凝固结,内部熔岩仍温度高、粘度低,与地下水作用形成火山气体和水蒸气构成的混合气体,气体冲破表层间歇溢出时,带动熔岩外掀堆叠在喷气孔周围形成喷气锥,中央保留气体多次逸出的通道形成中空结构。当气体压力不足以使熔岩从喷口溢出,喷气锥的生长停止。     

An experimental investigation of LNAPL migration in an unsaturated/saturated sand

Accidental spills of hydrocarbons, such as Light Non-Aqueous Phase Liquids (LNAPLs), are one of the most common sources of subsurface contamination. Migration of LNAPL in a porous medium is influenced by various factors such as the number of fluids present in the unsaturated/saturated zones and the proportion of pores occupied by each fluid. The results for relationship between matric suction and degree of saturation are presented in this paper for water–air, water–LNAPL and LNAPL–air systems in a sand. A simple and reliable setup using Buchner funnel was designed to obtain these relations. It was found that the relationship between matric suction head and degree of saturation is hysteretic for all the fluid systems (water–air, water–LNAPL and LNAPL–air). Furthermore, the amount of hysteresis depended upon the fluid system, with the maximum hysteresis occurring for water–air system. The results suggest that the amount of trapped air depends upon the reversal degree of saturation from drying to wetting.     

流体沸腾机制探讨及在石油地质中的可能性——来自合成流体包裹体的证据

本文通过对流体包裹体的合成实验研究,探讨了流体沸腾机制及在石油地质中的可能性。研究表明,流体沸腾作用的发生,主要跟降压或降温降压作用以后流体落入一定盐度流体气相线与TP(H2O)-CP(H2O)-CP(NaCl-H2O)曲线的下方L V或L V H(石盐)相图区的温度与压力范围内有关。由于深大断裂的存在,可能使部分油气流体发生间歇性的沸腾作用,这对于加速油气运移、提高油气成熟度和促进天然气藏的形成可能具有十分重要的意义。     

用VOF方法模拟静止浅水环境中的垂向紊动射流

以k-ε紊流模型为基础,针对浅水环境垂向射流的水面会有明显突起情况,采用VOF(Volume of Fluid)方法追踪自由面,建立了适合浅水环境垂向平面紊动射流的二维数学模型.对不同入射速度、水深、入射口宽度组合进行了大量的数值模拟实验,对整个流场的分布作了分析,发现自由面的分布特点和速度矢量场的分布特点相对应;中轴线附近的自由面隆起具有自相似性,文中给出了拟合表达式;由于水面的阻滞,中轴线上垂向速度的衰减较自由射流快,衰减规律随水深和射流宽度而异.     

钨的气态迁移与岩浆-热液成矿作用:实验研究及其成矿学意义

低密度的水热蒸气和超临界似气流体广泛存在于中地壳至地球表面的各种地质环境中, 是成矿金属搬运和富集的重要介质。火山喷气凝结水、火山结壳和升华物、矿床的流体包裹体气相中均存在具有地质意义的W含量或含钨矿物, 表明W同样可在含水气相中溶解和迁移。本文在350 ℃~400 ℃和压力为60~200 bar的实验条件下, 测定了WO₃-H₂O体系中W在水蒸气和似气流体中的溶解度, 考察了水蒸气压力对W溶解度的影响。结果显示, W在水蒸气中的逸度(或含量)远高于依据无水体系中固体WO₃挥发性数据计算的蒸气压力, 证明气态溶质W与溶剂水蒸气之间存在促进W溶解的水合作用。经热力学方法分析, 认为可能形成了WO₃·nH₂O(g)形式的水合气体物种, 其水合数n在350 ℃、370 ℃和400 ℃时分别为1.4、1.6和2.9。因此WO₃·3H₂O(g)或H₂WO₄·2H₂O(g)及H₆WO₆(g)在温压较高的岩浆-热液或气成-热液成矿环境中(如斑岩系统)对W的气态迁移和浓集可能具有重要作用, 而在温压较低的水热蒸气条件下, W的迁移形式可能以水合数较小的WO₃·H₂O(g)(或H₂WO₄)和WO₃·2H₂O(g)(或H₂WO₄·H₂O)物种为主, 其含量或比例随水蒸气的压力而改变。某些斑岩型和脉型钨(钼)矿床常存在富气体包裹体, 伴随酸性岩浆结晶出溶的以低盐度含水蒸气占优势的岩浆流体对斑岩系统中W、Mo在高温阶段的气态迁移和矿质在花岗岩体顶部和上覆岩层的聚集具有重要意义, 之后蒸气冷凝可产生高盐度的含矿卤水或与渗流地下水混合形成低-中等盐度的成矿流体, 流体的减压沸腾(相分离)和对围岩的交代蚀变导致W、Mo等金属在不同阶段和构造-岩性部位沉淀富集。     

非饱和冻土水汽迁移与相变过程的光滑粒子法模拟

为了研究多年冻土表层的水热分布情况,在非饱和冻土的能量守恒方程和水分迁移的质量控制方程的基础上考虑冰水相变和水汽相变过程,并考虑水汽运移传热及温度势对水汽迁移的影响,建立了非饱和冻土的水-热-汽耦合模型。采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法可方便地计算它们的演化过程。为此,在计算中先求解能量守恒方程的含冰量及气态水含量,再对未冻水含量和温度场进行求解,从而实现了温度场与水汽场的耦合。在此基础上,模拟计算了第1类热边界条件下半无限空间介质内非稳态温度场、体积含水率及水汽通量的分布情况,并将计算结果与未考虑耦合的解析解进行比较,结果显示水汽耦合的作用不容忽略。最后,针对处于季节性周期温度边界下路基的水热场的分布情况进行计算。研究表明,相比于水-热耦合模型,所建立的水-热-汽耦合模型得到的计算结果更为接近实际监测结果,可很好地揭示非饱和冻土中的水热汽迁移特征及其相变过程。     

低渗透煤层气-水流固耦合数学模型及数值模拟

基于有效应力原理,结合弹塑性几何方程、本构方程及平衡方程建立了应力场控制方程。依据流体力学中的质量守恒原理建立了煤层气、水和煤岩体固体颗粒的渗流场方程;以上方程再配以辅助方程和定解条件构成了应力作用下煤层 气-水流固耦合的数学模型,并对简化模型进行了单相流流-固耦合数值模拟分析,得到了压力动态分布曲线,分析了耦合和非耦合情况对压力分布的影响,进一步为煤层气流-固耦合分析提供了一定的理论基础。     

铜在水蒸气相中溶解的初步实验

近年来地质证据和少量的实验研究证实, 相当量的铜可以在气相中迁移, 人们认识到铜在气相中迁移是一种重要的地球化学过程, 但目前关于铜在气相中溶解反应机理的研究还相当缺乏.本文通过溶解度法, 在310~350℃, 压力为4.2~10MPa的条件范围内, 实验研究了铜在不饱和水蒸气相中的溶解度.结果表明: 水蒸气的存在大大增强了铜在气相中的溶解度; 恒定温度下, 铜在气相中的溶解度随着水蒸气压的增加而增大; 气相中铜可能以水合物的形式存在, 铜在气相中的溶解可由以下反应表述: CuCl_msolid+nH₂O gas=CuCl_m·(H₂O)_ngas(m=1, 2), 其中水合数随着温度升高而下降, 温度为310℃水合数n为~6, 330℃为~5, 350℃为~4.研究结果明确显示, 气体溶剂H₂O与铜之间的反应可大大增强铜在气相中的溶解和迁移能力.