LNAPLs在包氣帶中運(yùn)移機(jī)理及模擬研究.pdf

1、輕非水相液體(LNAPLs)屬典型的有機(jī)污染物,其泄漏后進(jìn)入包氣帶,對(duì)土壤及地下水污染嚴(yán)重,已成為當(dāng)前地下水環(huán)境保護(hù)中的核心課題。本文以多孔介質(zhì)流體動(dòng)力學(xué)、溶質(zhì)運(yùn)移動(dòng)力學(xué)和水文地質(zhì)學(xué)理論為指導(dǎo),以柴油作為代表污染質(zhì),從物理模擬試驗(yàn)入手,模擬 LNAPLs在包氣帶的污染行為,重點(diǎn)研究 LNAPLs在包氣帶中的運(yùn)移規(guī)律,并從三相流角度建立了 LNAPLs在包氣帶運(yùn)移的多相流數(shù)學(xué)模型,定性定量研究 LNAPLs在包氣帶中運(yùn)移問(wèn)題,揭示了 LN

2、APLs在包氣帶中的運(yùn)移機(jī)理,主要研究成果如下:
　　 1)利用自制物理模擬試驗(yàn)裝置,開(kāi)展了 LNAPLs在不同介質(zhì)中的油水驅(qū)替試驗(yàn),揭示了 LNAPLs在包氣帶中的運(yùn)移規(guī)律及特征。得出 LNAPLs在滲漏初期主要受重力作用驅(qū)動(dòng),鋒面尚未到達(dá)地下水毛細(xì)區(qū)上邊緣時(shí),其運(yùn)動(dòng)以垂向遷移為主,并保持規(guī)則的、圓弧形移動(dòng),當(dāng)鋒面到達(dá)毛細(xì)區(qū)上邊緣以后,柴油沿著毛細(xì)區(qū)上邊緣橫向擴(kuò)展,垂向進(jìn)入毛細(xì)區(qū)和地下水中的部分有限；在不同介質(zhì)中油流鋒面具有不

3、同分布特征,即均質(zhì)介質(zhì)油流鋒面可分為殘余油區(qū)及毛細(xì)帶聚集油區(qū),上細(xì)下粗型介質(zhì)為聚集區(qū)-殘余油區(qū)-聚集油區(qū)組合形式,含夾層型介質(zhì)為殘余油區(qū)及聚集油區(qū)交替出現(xiàn)型；影響油流鋒面分布特征的因素主要有包氣帶巖性、初始水相壓力、流場(chǎng)變化等；鋒面最大發(fā)育寬度受孔隙度及介質(zhì)滲透性能限制,當(dāng)存在弱滲透性介質(zhì)時(shí),鋒面橫向發(fā)育加大尤為明顯,反映出弱滲透性介質(zhì)對(duì)污染物的阻滯作用,上述規(guī)律為揭示機(jī)理奠定基礎(chǔ)。
　　 2)利用砂性漏斗試驗(yàn)裝置所獲取的兩相系

4、統(tǒng)各流體對(duì)之間的s-p關(guān)系,并借助F.F.Fagerlund折算理論將兩相系統(tǒng) k-s-p關(guān)系擴(kuò)展到三相系統(tǒng),系統(tǒng)研究了三相系統(tǒng)中 k-s-p關(guān)系。三相系統(tǒng)中,油、水兩相的k～s曲線(xiàn)形狀均為上凹型,各相相對(duì)滲透率曲線(xiàn)變化在小于等滲點(diǎn)飽和度之前,水相相對(duì)滲透率增加較慢而油相氣相相對(duì)滲透率減小較快,當(dāng)大于等滲點(diǎn)飽和度后,水相相對(duì)滲透率增加較快而油相緩慢減少至零。上述研究為分析多相流動(dòng)以及對(duì)多相流問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬奠定基礎(chǔ)。
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5、借助油氣藏滲流力學(xué)理論,從多相流角度出發(fā)構(gòu)建了描述LNAPLs在包氣帶運(yùn)移的多相流動(dòng)力學(xué)模型,并運(yùn)用TOUGH2軟件求解模型,反演后參數(shù)與實(shí)測(cè)參數(shù)基本吻合,為L(zhǎng)NAPLs的污染預(yù)測(cè)及機(jī)理分析提供了定量支撐。
　　 4)基于物理模擬試驗(yàn)及數(shù)學(xué)模型,定性定量研究了LNAPLs在包氣帶中的遷移機(jī)理。得出在一定滲漏量下,均質(zhì)介質(zhì)顆粒越粗,LNAPLs越易到達(dá)毛細(xì)帶。而進(jìn)入毛細(xì)帶中則以橫向遷移為主,其中粗粒相橫向遷移面積大于細(xì)粒相遷移面積

6、,但在細(xì)粒相中LNAPLs聚集區(qū)的飽和度大于粗粒相。不論哪種砂性介質(zhì),油相發(fā)生橫向遷移時(shí)水相飽和度為0.45。對(duì)于以砂性介質(zhì)為主的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)地層,弱滲透性介質(zhì)存在對(duì)油相下移盡管有一定阻滯作用,但對(duì)于長(zhǎng)期泄漏源,弱滲透夾層存在不足以完全阻滯油相下移,故應(yīng)該重視輸油管道泄漏等問(wèn)題。
　　 本文研究對(duì)于定量化研究有機(jī)污染物在地下環(huán)境系統(tǒng)中遷移、污染預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)和試驗(yàn)支持,對(duì)于確保地下水資源的可持續(xù)利用以及有效控制及修復(fù)LNAPLs