欒 旭,武曉峰,胡黎明 (清華大學(xué)水利水電工程系,水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室,北京 100084)

土壤氣抽提多井方案的數(shù)值模擬研究

欒 旭,武曉峰*,胡黎明 (清華大學(xué)水利水電工程系,水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室,北京 100084)

以存在石油烴污染的北京市某加油站場地為研究對象,設(shè)計了土壤氣抽提(SVE)原位修復(fù)系統(tǒng),應(yīng)用AIR3D軟件對SVE作用下土壤包氣帶的氣壓場進(jìn)行數(shù)值模擬.劃定以土壤氣壓強(qiáng)低于或等于101.122kPa的區(qū)域為抽氣影響區(qū)域.模擬結(jié)果顯示,單井的抽氣影響區(qū)域不能滿足要求;多井抽氣時,井間區(qū)域土壤氣體真空度受多井共同作用,擴(kuò)大了抽氣的影響區(qū)域.抽氣井不同布置情況下井間距大小對相互作用效果存在影響.研究發(fā)現(xiàn),井間相互作用隨著井間距的增大而減小,井間距存在臨界值.井間距臨界值與抽氣井的布置形式相關(guān).對于本研究中的2眼井、3眼井、4眼井情景,此臨界值分別在3～5m、5～8m、8～10m區(qū)間.超過此臨界值時井間相互作用將顯著減弱,并導(dǎo)致抽氣影響區(qū)域不能覆蓋整個井間范圍.

土壤氣抽提；數(shù)值模擬；AIR3D；多井方案

土壤氣抽提(SVE)是治理包氣帶內(nèi)土壤石油烴污染的一種有效的原位物理修復(fù)方法[1-2].它通過抽氣井保持一定的真空度抽取非飽和土壤中的空氣,土壤中的有機(jī)污染物揮發(fā)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)形式隨抽氣氣流離開土體,將抽出的氣體處理后再予排放,從而達(dá)到清除非飽和區(qū)的揮發(fā)性污染物,修復(fù)土壤包氣帶的目的.

在實施SVE前,首先需要針對場地設(shè)計現(xiàn)場抽氣方案.井?dāng)?shù)及井布置方案是影響工程的成本與治理效果的2個關(guān)鍵因素.數(shù)值模擬,尤其是三維數(shù)值模擬是研究這2項影響因素的重要手段.

20世紀(jì)80年代起,發(fā)達(dá)國家在土壤修復(fù)技術(shù)方面進(jìn)行了大量研究.總體上,對于 SVE的作用機(jī)理已經(jīng)有一定的認(rèn)識[3],數(shù)學(xué)模型由二維向三維發(fā)展[4-6],并注重對地表覆蓋情況以及抽氣影響半徑等實際工程因素的討論[7-11].近幾年,隨著土壤多相流研究以及生物降解研究的不斷深入,SVE與曝氣、與生物降解相結(jié)合的治理手段正越來越受到重視[12-13].

我國對SVE的研究起步較晚,除在國外研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了數(shù)值模型研究外[14-15],近年來也開展了一些室內(nèi)實驗[16]及現(xiàn)場試驗研究[17].目前國內(nèi)外針對SVE的研究鮮見針對多井情況的專門討論,而單井往往不能滿足污染現(xiàn)場的治理要求,與工程實際應(yīng)用仍有較遠(yuǎn)距離.

本研究以北京市某加油站的石油烴污染場地作為研究對象,針對SVE系統(tǒng)在井群抽氣情況下的井布置方案及其抽氣效果進(jìn)行數(shù)值模擬,以討論井群間各井的相互影響以及井布置方案、井間距等因素對抽氣效果的影響,并為現(xiàn)場治理提供指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 SVE基本原理

揮發(fā)性有機(jī)污染物在土壤包氣帶中主要有4種存在形式:氣相、溶解相、吸附相和非水相流體(NAPL)相.其中氣相指污染物揮發(fā)成氣態(tài)的存在形式;溶解相指污染物溶于水的部分;吸附相指污染物吸附在土壤顆粒上的部分;NAPL相是指未溶于水的液態(tài)有機(jī)污染物.當(dāng)NAPL進(jìn)入土壤包氣帶后,將有部分揮發(fā)成氣態(tài)并同時有部分溶解于土壤水中.一般來說,在溶解相和氣相中的污染物均可與土壤顆粒發(fā)生吸附/解吸關(guān)系.對于SVE中的氣相—土壤吸附,通常情況下,由于土壤固相表面均有水膜覆蓋,氣、固相幾乎沒有接觸面存在,因而可忽略該過程.

SVE通過布置在污染土壤中的抽氣井抽出土壤孔隙中的空氣,形成負(fù)壓,使土壤氣中的揮發(fā)性有機(jī)污染物(VOCs)同時被抽出.氣相污染物濃度降低之后,溶解相、吸附相以及NAPL相的污染物將進(jìn)一步向氣相轉(zhuǎn)化,從而以土壤氣為載體,通過不斷抽取氣相污染物的方式實現(xiàn)對土壤中污染物的去除.

土壤氣抽提的流場控制方程為:

式中: μ為氣體黏性系數(shù); θ為土壤孔隙度; P為氣體壓強(qiáng); t為時間; k~為土壤氣相滲透率張量.

1.2 AIR3D數(shù)值模型

運(yùn)用AIR3D模型進(jìn)行SVE的模擬.AIR3D為三維有限差分法計算軟件,可以模擬多孔介質(zhì)中氣體滲透過程和氣壓場分布,由美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)開發(fā).穩(wěn)態(tài)時其控制方程為:

式中:kxx, kyy, kzz分別為沿x,y,z方向的土壤氣相滲透率;φ =P2, P為壓強(qiáng).

模型初始條件各差分網(wǎng)格氣壓均為大氣壓;邊界條件:側(cè)邊界處氣壓為大氣壓,底邊界(地下水水位處)為不透氣邊界,上邊界(地表)可與大氣連通或封閉,抽氣井花管處網(wǎng)格保持抽氣氣壓不變.

1.3 污染場地狀況

本研究對象為北京市某加油站場地,該加油站采用地下儲油罐儲油,在地表布有加油機(jī).儲油罐下修筑了混凝土防滲槽以防止汽油泄漏污染儲油罐下部的土壤.儲油罐與加油機(jī)間通過輸油管相連.清華大學(xué)王博[18]對現(xiàn)場的土壤污染狀況進(jìn)行了檢測.檢測階段在加油站范圍內(nèi)9個位置布置取樣點,抽取加油站混凝土層下 1m深處氣樣,用氣相色譜聯(lián)用儀對樣本中總揮發(fā)性有機(jī)物(TVOC)濃度及苯、二甲苯、正己烷等11種污染物濃度進(jìn)行測定,TVOC濃度結(jié)果如表1所列.并依據(jù)這9個采樣點的數(shù)據(jù)繪制了土層1m深處水平面上土壤氣體中TVOC濃度的等值線圖,如圖1所示.

表1 各檢測點位TVOC濃度[18]Table 1 TVOC concentration at each detection point[18]

圖1 土壤氣體中TVOC濃度等值線[18]Fig.1 TVOC concentration contour in soil gas[18]

2 數(shù)值模擬

2.1 多井聯(lián)合抽氣的疊加效應(yīng)

根據(jù)研究區(qū)TVOC濃度的分布,確定將高濃度區(qū)10m×10m的正方形區(qū)域作為目標(biāo)治理區(qū)域,如圖1所示.用AIR3D建立30m×30m×3m的三維模型,模擬 SVE穩(wěn)態(tài)時的抽氣效果,場地地質(zhì)參數(shù)及抽氣井設(shè)計參數(shù)如表2所列.

表2 模型相關(guān)參數(shù)Table 2 Parameters in the AIR3D model

為判斷抽氣效果的優(yōu)劣,在模擬得到的土壤氣壓等值線圖中,劃定壓強(qiáng)低于或等于101.122kPa(0.998倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)的區(qū)域為 SVE的有效影響區(qū)域.

首先模擬單井抽氣的情況,井布置在目標(biāo)治理區(qū)域中心,模擬結(jié)果如圖 2所示.在單井情況下,SVE有效影響區(qū)域為圓形,影響半徑為2m左右,未能覆蓋整個目標(biāo)治理區(qū)域.為了能夠覆蓋整個治理區(qū)域,需要設(shè)計多井抽氣的方案.

圖2 單井抽氣時SVE有效覆蓋范圍Fig.2 SVE effective area when single well is in use

對于多井抽氣的情況,井群中各井對土壤氣壓分布存在相互影響.圖3顯示了間隔5m布置2個相同抽氣井同時作用,2井花管位置連線上的土壤氣體真空度分布,井的設(shè)計參數(shù)如表2所示.真空度在抽氣井附近達(dá)到最大值,隨著距抽氣井距離的增加真空度降低.在2井中間的區(qū)域,真空度比單井作用時高,表明多井的抽氣效果疊加,使該范圍內(nèi)的土壤氣壓進(jìn)一步降低.

圖3 兩井同時抽氣情況下土壤中氣體真空度分布Fig.3 Soil vacuum distribution when two wells are extracting at the same time

多井聯(lián)合作用下抽氣效果的疊加同時體現(xiàn)在SVE影響范圍的變化上,多井聯(lián)合作用下影響區(qū)域的大小會大于多個抽氣井單獨作用時影響區(qū)域之和.以本研究北京市某加油站場地的模擬結(jié)果為例,當(dāng)在同一SVE系統(tǒng)中布置相互間隔5m的 4個井聯(lián)合抽氣時,影響區(qū)域為一個近似的圓角四邊形,如圖4所示;而將4個單井SVE系統(tǒng)的影響區(qū)域疊加,則得到4個互不相連的圓形,如圖5所示.可以看出 4個抽氣井聯(lián)合作用提高了井間土壤區(qū)域的真空值,增大了SVE的影響區(qū)域.

圖4 四井聯(lián)合抽氣時的SVE有效覆蓋范圍Fig.4 SVE effective area for 4-well system

2.2 多井抽氣井間距對相互作用效果的影響

對于含有多個抽氣井的井群,在設(shè)計時應(yīng)考慮各抽氣井的間距以及井的排列方式對壓強(qiáng)場的影響,這2項因素都會影響SVE的設(shè)計方案.本研究針對直線式、三角形式、矩形式3種不同的井群排布方式分別進(jìn)行了3組模擬.3組模擬中,抽氣井間的區(qū)域分別受2眼井、3眼井、4眼井的共同影響.在每組模擬中再變化抽氣井的間距以討論井間距與抽氣影響區(qū)域的關(guān)系,模擬結(jié)果如圖6～圖8所示.

3組模擬結(jié)果表明,隨著井間距增大,多井的相互作用減弱,且抽氣井間距存在一臨界值,當(dāng)井間距小于此值時,抽氣井井間區(qū)域土壤氣體真空度達(dá)到治理目標(biāo),此區(qū)域中的氣體污染物可被有效去除.當(dāng)井間距大于此值時,井間區(qū)域不能完全達(dá)到治理所要求的真空度,有效治理范圍不能覆蓋全部井間區(qū)域.

圖5 四個單獨作用的抽氣井有效范圍的疊加Fig.5 Superimposition of the SVE effective area of 4 single functional well

對比3組模擬結(jié)果,對于不同的井布置方案,這一臨界值的大小不同:雙井抽氣時這一值在3～5m間;3井抽氣時,這一值在5～8m間;4井抽氣時,這一值在8～10m間.

3 結(jié)論

3.1 數(shù)值模擬的結(jié)果表明,SVE過程中多井聯(lián)合抽氣時井間區(qū)域土壤氣的壓強(qiáng)受到多個抽氣井的共同影響.多井聯(lián)合作用下影響區(qū)域的大小會大于多個抽氣井單獨作用時影響區(qū)域之和.

3.2 劃定101.122kPa土壤氣壓強(qiáng)等值線為抽氣的影響范圍邊界,改變抽氣井的井間距,抽氣井的井間相互影響隨著抽氣井井間距增大而減小.

3.3 對于2眼井、3眼井、4眼井的3種不同井布置,井間距分別存在一個臨界值,使多井的抽氣效果與影響范圍最佳.且這一值與井的不同布置有關(guān),隨著井?dāng)?shù)增多而增大.在該案例中,2眼井時,這一值在3～5m間;3眼井時,這一值在5～8m間;4眼井時,這一值在8～10m間.

圖6 雙井聯(lián)合抽氣時抽氣井有效范圍Fig.6 SVE effective area for 2-well system

圖7 三井聯(lián)合抽氣時抽氣井的有效范圍Fig.7 SVE effective area for 3-well system

圖8 四井聯(lián)合抽氣時抽氣井的有效范圍Fig.8 SVE effective area for 4-well system

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Simulation of multiple wells system in soil vapor extraction.

LUAN Xu, WU Xiao-feng*, HU Li-ming (State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Department of Hydraulic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China). China Environmental Science, 2012,32(3)：535～540

A numerical simulation of the air pressure distribution in the contaminated vadose zone was conducted using the AIR3D model, based on the designed in-situ SVE remediation system for the contaminated gas-station site. An affected area was defined as the domain which has an air pressure lower than 101.122kPa. At first, a single well was used in the simulation, but the result turned out that the affected area was not sufficient to cover the contaminated zone. Then a multiple wells system was proposed, and the combined and enhanced effect was observed. Further, the influence of well interval and well distribution on the affected area was discussed in the multiple wells system. The numerical results showed that interaction between wells decreases along with the increase of the well interval. There existed a critical value representing the maximum well interval of the combined effect. The critical well interval varied with the change of the well distribution pattern. The critical well intervals in the 2-well, 3-well, 4-well systems discussed in this study are in intervals of 3-5m, 5-8m, 8-10m respectively. In well systems with larger well intervals than the critical values, interaction between wells would decrease significantly, and the affected area would not cover the entire inter-well area.

soil vapor extraction；numerical simulation；AIR3D；multiple wells system

X53

A

1000-6923(2012)03-0535-06

2011-06-12

北京市科技計劃項目(D07050601510000)

* 責(zé)任作者, 副教授, wuxiaofeng@tsinghua.edu.cn

欒 旭(1987-),男,北京人,清華大學(xué)碩士研究生,研究方向為地下水水環(huán)境.