李燕

摘 要：重非水相流體（DNAPLs）污染特性及在介質(zhì)中運移分布規(guī)律研究是開展場地污染風(fēng)險評估與修復(fù)治理的必要前提。本文闡述了多孔介質(zhì)中DNAPLs污染特性及運移過程中三相分配與轉(zhuǎn)化，總結(jié)了影響DNAPLs運移及空間分布的因素，論述了介質(zhì)非均質(zhì)性及水文地質(zhì)條件的影響機理，綜合分析了DNAPLs污染模型的應(yīng)用特性。

關(guān)鍵詞：DNAPLs;多孔介質(zhì);運移;模型

Abstract： Studying the pollution characteristics of dense non-aqueous phase fluids （DNAPLs） and the law of transport distribution in the medium are necessary prerequisites for site pollution risk assessment and remediation. The paper described the contamination characteristics of DNAPLs in porous media and their three-phase distribution and transformation during the migration， summarized the factors influencing the migration and spatial distribution of DNAPLs， and then discussed the influencing mechanism of media heterogeneity and hydrogeological conditions， finally comprehensively analyzed the application characteristics of DNAPLs pollution model.

Keywords： DNAPLs;porous media;migration;model

有機化工試劑在生產(chǎn)使用過程中進入自然環(huán)境，會污染水環(huán)境、大氣環(huán)境、土壤環(huán)境，各地地下水中氯代烴有機物、多氯聯(lián)苯、石油類等DNAPLs頻繁檢出。相對于水來說，DNAPLs密度較大，但是可溶性低，具有穿透性強、黏滯性低、毒性強以及“三致”特性，土壤-地下水系統(tǒng)中，DNAPLs通過呼吸道、皮膚接觸等途徑影響人體健康。場地土-水系統(tǒng)中，有機物污染與治理是開展城市土地利用與經(jīng)濟建設(shè)的必要前提。國內(nèi)外對典型DNAPLs在多孔介質(zhì)中污染特性、空間分布、運移特性及影響因素進行了研究，本文總結(jié)歸納多孔介質(zhì)中DNAPLs污染與運移分布影響因素和研究模型等內(nèi)容，為今后深入研究DNAPLs污染機理與修復(fù)治理技術(shù)提供參考，以期為污染場地風(fēng)險評估和應(yīng)急預(yù)案制定提供支撐。

1 DNAPLs污染特性

一般密度大于1.01 g/cm3、溶解度（水）小于20 g/L的有機污染物被稱為DNAPLs，多具有化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定、水溶性低、密度大、黏滯性低、密度大于水等特點，常見的DNAPLs污染物有氯代烴化合物、多氯聯(lián)苯、煤焦油、雜酚油和重油等。其中，有機氯代烴化合物是最常見的DNAPLs污染物，廣泛用于洗劑、脫脂劑、有機溶劑和殺蟲劑等。氯代烴化合物密度較大（1.46 kg/L）、水溶性較高，在疏水性土體中運移吸附量小，其溶解態(tài)較易溶入水相與孔隙水中形成污染羽。

DNAPLs進入環(huán)境后發(fā)生遷移、三相分配（液相、吸附相、氣相）和自然降解。其中，遷移以重力作用下的垂向向下為主，并優(yōu)先通過根孔、裂縫等較大孔隙形成的優(yōu)勢通道。DNAPLs在非飽和帶中揮發(fā)進入土壤和水中成為氣相和溶解相[1]，DNAPLs-水相之間的分配受其溶解度影響，DNAPLs化合物在地下水中的濃度遠(yuǎn)低于其溶解度;蒸氣壓和沸點影響DNAPLs-土壤間分配，在水-土壤間的分配關(guān)系服從Henry定律[2]。DNAPLs污染運移主要有非飽和帶、穿越非飽和帶沿弱透水層運移、多層污染與巖石或黏土層裂縫四種情況（見表1）。

2 DNAPLs運移影響

DNAPLs在多孔介質(zhì)中運移受其溶解度、密度、揮發(fā)性、濕潤性、飽和度、相對滲透率等自身性質(zhì)與污染物源強、降雨（地表水）補給速率以及土體的均質(zhì)性等多因素影響[3]。DNAPLs的運動黏度對其遷移滲流有決定性作用，黏度與滲流達(dá)西規(guī)律成反比，黏度越大，其達(dá)西性越弱。此外，多孔介質(zhì)的孔隙大小、孔隙通道幾何結(jié)構(gòu)及其連通性影響DNAPLs運移速度，孔隙結(jié)構(gòu)直接決定同一流體在不同多孔介質(zhì)中滲流特征的不同[4]。例如，石油污染物在多孔介質(zhì)中的滲流狀況更為復(fù)雜多變，滲流速度與壓力梯度存在非線性關(guān)系，偏離達(dá)西定律[5]。在各類影響因素中，地下水流速和介質(zhì)的均質(zhì)性是影響DNAPLs運移分布的關(guān)鍵。

2.1 流速對DNAPLs運移的影響

由于低黏滯性、低溶解性和難降解性等特點，場地DNAPLs污染修復(fù)已成為國內(nèi)外研究熱點。國內(nèi)外通過室內(nèi)試驗與數(shù)值模擬研究了地下水流速對DNAPLs運移分布的影響。在靜水和動水條件下，NDAPLs（HFE-700）均因毛細(xì)壓力作用無法進入低滲透性含水層。動水條件下，孔隙水-HFE間毛細(xì)壓力減小，側(cè)向水流促進HFE的垂向運移;地下水較大流速促進低黏滯性DNAPLs水平和垂向運移以及再分布過程，減小其殘余飽和度及殘余捕獲量，且流速與非均質(zhì)共同作用可明顯影響DNAPLs（如PCE）的運移途徑及污染源的空間位置。

2.2 介質(zhì)非均質(zhì)性對DNAPLs運移影響

滲透性是表征自然土體非均質(zhì)性的重要參數(shù)。研究表明，空間非均質(zhì)性的滲透系數(shù)服從正態(tài)分布，粗砂和細(xì)砂明顯影響DNAPLs（如四氯乙烯）的空間運移分布，DNAPLs的垂向入滲深度是含水層厚度的30%～60%。在完全干燥的粗砂中，NAPL相表現(xiàn)為濕潤相，砂層中殘余大量的DNAPLs;相應(yīng)的細(xì)砂層中DNAPLs運移至粗砂層后亦表現(xiàn)為濕潤相，并在介質(zhì)界面聚集后明顯朝水平方向遷移擴散，同時存在DNAPLs通過優(yōu)勢通道繞流至滲透率較大的粗砂層，繞流運移路徑的不規(guī)則性和飽和度空間變異性增大。介質(zhì)非均質(zhì)性對DNAPLs運移分布的影響與土壤含水率也有直接關(guān)系，明顯的非飽和帶影響大于飽和帶，且滲透率與DNAPLs的下滲總量、深度、遷移擴散范圍大小成正比，但與相關(guān)長度變化反向。

3 DNAPLs運移模型

目前，介質(zhì)中DNAPLs多相流研究多結(jié)合采用物理試驗與數(shù)值模型，模型主要有半理論模型、分型模型、數(shù)值模型，如表2所示。其中，參數(shù)毛細(xì)壓力P、相對滲透率K與飽和度S及其相互間關(guān)系（K-S-P）研究是關(guān)鍵。數(shù)學(xué)模型模擬復(fù)雜的DNAPLs多相流需要多個參數(shù)，可通過試驗確定毛細(xì)壓差（P-S）關(guān)系，利用數(shù)值模型模擬計算K。

試驗是驗證理論模型、研究介質(zhì)中DNAPLs運移機制最行之有效的手段，用一維柱和二維箱式試驗可直接測定流體和介質(zhì)相關(guān)參數(shù)，但常存在限制運移路徑、飽和度等測定困難的問題，這也是室內(nèi)物理試驗研究的主要障礙。由于DNAPLs組成多樣、理化性質(zhì)差異較大，DNAPLs污染區(qū)域范圍大、水文地質(zhì)條件（如地下水類型、介質(zhì)非均質(zhì)性）復(fù)雜等因素，試驗或物理模型應(yīng)用有一定的局限性，而數(shù)值模型能夠較好地模擬、預(yù)測DNAPLs在土壤（飽和/非飽和帶）與地下水中的運移分布，例如，T2VOC程序模擬分析DNAPLs在非均質(zhì)介質(zhì)中的遷移擴散：泄露量一定時，泄露速率與對其運移的影響程度成反比;介質(zhì)粗糙面接觸的相關(guān)性越差，污染范圍越大，DNAPLs向下運移的速率越大[6]。此外，DNAPLs的非擴展性影響其非水相液體的殘余分布，且受介質(zhì)非均質(zhì)性與污染物理化性質(zhì)等多因素影響，數(shù)值模型尚無法準(zhǔn)確預(yù)測其殘余分布。

分形幾何理論是研究石油開發(fā)中驅(qū)油劑、原油等非牛頓流體滲流與多孔介質(zhì)水的有效工具。結(jié)合分形理論與毛細(xì)管束模型，可建立無經(jīng)驗常數(shù)、參數(shù)明確的多孔介質(zhì)滲透率模型，介質(zhì)分形維數(shù)直接用“計盒法”測量，或通過孔隙率與空隙尺寸推導(dǎo)獲取[7]。分形理論應(yīng)用于多孔介質(zhì)運移研究較多，卻鮮少在DNAPLs污染場地運移模擬和風(fēng)險評估等領(lǐng)域應(yīng)用[8]。因此，以場地DNAPLs污染運移機制研究為基礎(chǔ)，建立大尺度多孔介質(zhì)DNAPLs性質(zhì)及流體參數(shù)間的定量關(guān)系，模擬分析DNAPLs運移影響機制，為場地污染診斷、風(fēng)險評估、修復(fù)治理及應(yīng)急預(yù)案制定提供有力支撐。

4 結(jié)論

本文綜述了DNAPLs污染特性及在土壤和地下水中的遷移分布和三相分配，分析了影響多孔介質(zhì)中DNAPLs運移和轉(zhuǎn)化因素，其中地下水流速和多孔介質(zhì)的非均質(zhì)性DNAPLs可明顯改變其運移途徑、運移速率、殘余量和空間位置。同時，本文歸納了應(yīng)用于DNAPLs運移分布及影響因素研究的主要模型理論及其適用性，其中分形模型在場地污染與修復(fù)治理及突發(fā)事故應(yīng)急中具有重要應(yīng)用價值。

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