趙科鋒，王錦國(guó)，曹慧群

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院流域水環(huán)境研究所，湖北 武漢 430010；2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

隨著石油工業(yè)的不斷發(fā)展，輸油管線、儲(chǔ)油罐、油槽車和油輪的泄漏事故不斷增加，受石油污染的土壤和水體顯著增加。為此，針對(duì)土壤和地下水中有機(jī)污染開(kāi)展調(diào)查、評(píng)價(jià)，進(jìn)行污染控制和治理已勢(shì)在必行[1-3]。目前，土壤及地下水污染物理修復(fù)方法已有多種，包括：抽水處理法、污染土壤氣提法、地下水曝氣法和自然衰減法等。其中，多相抽提(Multi-Phase Extraction，MPE) 技術(shù)屬于抽水處理法的一種土壤原位修復(fù)技術(shù)，主要通過(guò)使用真空抽提手段，同時(shí)抽取污染區(qū)域中的氣體、地下水及浮油層，達(dá)到降低污染物濃度的目的[4-5]。相比傳統(tǒng)的修復(fù)技術(shù)，多相抽提影響半徑更大，可減少布井?dāng)?shù)量，能同時(shí)清除非飽和帶及飽水帶中的輕非水相流體(Light Non-Aqueous Phase Liquids, LNAPL)，尤其適合揮發(fā)性較強(qiáng)的污染物，同樣適合滲透性較低的介質(zhì)[6-8]。但MPE系統(tǒng)抽提設(shè)備復(fù)雜，啟動(dòng)及調(diào)試時(shí)間較長(zhǎng)，修復(fù)成本高，限制了其使用及推廣[9-10]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在油污染治理方面做了一些研究。王曉燕等[11]綜合分析了SEAR技術(shù)修復(fù)土壤及地下水中NAPL污染的原理及發(fā)展。胡黎明等[1]通過(guò)離心模型試驗(yàn)研究了石油烴在非飽和土體中的遷移過(guò)程及SVE修復(fù)過(guò)程中濃度變化特征。王磊等[12]介紹了MPE技術(shù)的工藝特點(diǎn)和技術(shù)原理，總結(jié)了非飽和帶、含水層性質(zhì)和污染物特性的MPE適用性評(píng)估方法。張晶等[13]應(yīng)用多相抽提技術(shù)回收土壤及地下水中的LNAPL，并評(píng)估了修復(fù)效果。白靜[14]通過(guò)試驗(yàn)，利用表面活性劑強(qiáng)化GCW修復(fù)效果，為地下水中揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機(jī)物的去除提供新途徑。Leif Nelson等[15]通過(guò)試驗(yàn)，評(píng)估了在抽提井兩側(cè)注入水-CO2混合物，治理LNAPL污染的可行性。Jaehak Jeong等[16]建立數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)了多層含水介質(zhì)受到污染時(shí)LNAPL遷移與修復(fù)特征。Fatemeh Ebrahimi等[17]建立了一個(gè)分析模型，用于估算非均質(zhì)含水層中LNAPL的分布和回收率。國(guó)外在油污染修復(fù)治理方面已有豐富的經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)研究成果已用于治理場(chǎng)地土壤及地下水污染。國(guó)內(nèi)學(xué)者研究主要集中在污染物遷移規(guī)律及物理化學(xué)修復(fù)，相關(guān)學(xué)者雖已開(kāi)展污染物控制與治理方面的研究[18]，但在原位沖洗修復(fù)技術(shù)方面的研究較少，鮮見(jiàn)原位沖洗技術(shù)相關(guān)機(jī)理方面的研究。在原位沖洗修復(fù)過(guò)程中，對(duì)污染物遷移規(guī)律認(rèn)識(shí)不足，且限于技術(shù)與設(shè)備的因素，國(guó)內(nèi)在應(yīng)用相關(guān)技術(shù)修復(fù)土壤及地下水污染的工作較少。本文研究了土壤及地下水中LNAPL在單井抽提修復(fù)及原位沖洗修復(fù)時(shí)的運(yùn)移規(guī)律，檢驗(yàn)了LNAPL修復(fù)效果。

在評(píng)估修復(fù)可行性時(shí)，數(shù)值模擬相比物理試驗(yàn)具有技術(shù)成本低廉、可模擬復(fù)雜邊界條件、模擬尺度大等優(yōu)勢(shì)。本文通過(guò)建立數(shù)值模型，分析了LNAPL在含裂隙基質(zhì)中遷移與分布的規(guī)律。以此為基礎(chǔ)，建立MPE抽提修復(fù)模型，分析抽提井的流量、位置及原位沖洗方法中注水井的位置等對(duì)修復(fù)效果的影響及LNAPL的時(shí)空分布規(guī)律。

1 模型網(wǎng)格剖分方案

TOUGH2(transport of unsaturated groundwater and heat)是由美國(guó)勞倫斯-伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)，用于模擬多維孔隙或裂隙介質(zhì)中，多相、多組分混合水流及熱運(yùn)移的通用數(shù)值模擬程序[19]。T2VOC是TOUGH2中側(cè)重于研究多孔介質(zhì)或裂隙介質(zhì)中水相、氣相、非水相(NAPLs)三相流問(wèn)題的子模塊。主要用來(lái)模擬非水相流體(NAPLs)在飽水帶及非飽水帶中時(shí)空變化規(guī)律，包括非飽水帶中有機(jī)污染物揮發(fā)、擴(kuò)散及真空抽取模擬，向污染介質(zhì)中注入空氣及液體修復(fù)等模擬。

本文采用TOUGH2軟件的T2VOC模塊建立二維數(shù)值模型，模型網(wǎng)格按X、Z方向剖分，模擬區(qū)域有效網(wǎng)格長(zhǎng)30 cm，高40 cm，模型網(wǎng)格剖分見(jiàn)圖1。網(wǎng)格為不均勻剖分，X方向剖分規(guī)則為：-0.5～0和30.0～30.5為左右隔水邊界；0～14和16～30分別平分為7個(gè)長(zhǎng)度為2 cm的網(wǎng)格；14.00～14.85和15.15～16.00剖分為長(zhǎng)度0.85 cm的網(wǎng)格，14.85～15.15剖分為中間長(zhǎng)為0.3 cm的網(wǎng)格，有效網(wǎng)格總長(zhǎng)度為 30 cm，網(wǎng)格不規(guī)則剖分的目的，主要是為了刻畫(huà)中間0.3 cm寬的裂隙。Z方向剖分規(guī)則為：-0.5～0為底部隔水邊界，邊界中間處有0.3 cm寬的排泄孔；0～3為飽水帶，水的模擬飽和度為1；3～14為毛細(xì)帶，總高度為11 cm，平分為5組單元格，每格高2.2 cm；14～37為土壤帶，此帶與大氣相通，14～15為1.0 cm厚的網(wǎng)格，15～37平分為11組，每組高為2.0 cm；37～40為L(zhǎng)NAPL注入?yún)^(qū)，平均分為三組，每組高1.0 cm。根據(jù)以上規(guī)則，共剖分357個(gè)有效單元格，61個(gè)無(wú)效單元格。

圖1 網(wǎng)格剖分圖Fig.1 Schematic diagram of the grid design

2 定解條件及參數(shù)

建立模型時(shí)假定：

(1)模擬的基質(zhì)中存在水相、氣相、LNAPL三相，油、水不混溶，模型中的滲流為等溫的三相滲流。

(2)基質(zhì)和流體不可壓縮，水和油的密度不變。

(3)不考慮水的蒸發(fā)，不考慮油的揮發(fā)。

(4)LNAPL滲入前，模型中不存在油相。

(5)考慮毛細(xì)力、重力及吸附作用，忽略降解作用。

2.1 邊界條件

模型的上邊界為注入?yún)^(qū)，無(wú)基質(zhì)，與大氣相通，壓強(qiáng)為大氣壓，無(wú)水相。油相均勻從上邊界注入，注油速率為1.44×10-4kg/s。下邊界為飽水帶，水的飽和度為1，底部有排泄孔；側(cè)面邊界，為隔水邊界，水相與油相均不能透過(guò)。

2.2 初始條件

模擬初始時(shí)刻模型中沒(méi)有油相，飽水帶水面水平，水的飽和度為1，高度為3 cm；毛細(xì)帶從上至下水的飽和度逐漸增加，高度為14 cm；土壤帶只有氣相，壓強(qiáng)為大氣壓強(qiáng)。初始條件見(jiàn)表1。

表1 初始條件

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 LNAPL注入后運(yùn)移分布

LNAPL均勻注入裂隙-基質(zhì)系統(tǒng)后，平鋪在系統(tǒng)表面，在重力作用下向下遷移[21-22]，濕潤(rùn)性液體LNAPL進(jìn)入干燥的土壤帶后，優(yōu)先進(jìn)入裂隙中。LNAPL初始干-濕界面呈狹長(zhǎng)形，污染區(qū)域飽和度相對(duì)較低；隨著LNAPL的不斷注入，污染面積不斷增大，LNAPL到達(dá)裂隙底部后，在裂隙中聚集，以裂隙為核心向四周擴(kuò)散，飽和度以裂隙為中心向外逐漸減小[20]。LNAPL遷移圖像見(jiàn)圖2。

從模擬結(jié)果可以看出，LNAPL在10 min到達(dá)毛細(xì)帶，由于毛細(xì)力的作用，LNAPL主要以橫向擴(kuò)散為主，干-濕界面由狹長(zhǎng)形逐漸變成橢圓形(圖2中20～40 min)，最后填充整個(gè)系統(tǒng)，形狀如矩形(LNAPL運(yùn)移50 min以后)。相對(duì)于裂隙，兩側(cè)基質(zhì)中LNAPL入滲明顯滯后，初始鋒面較為均勻、平行，隨著時(shí)間的推移，由于受到裂隙的影響，裂隙入滲口處的基質(zhì)受到越來(lái)越多的污染，相比距裂隙較遠(yuǎn)的基質(zhì)，LNAPL的入滲深度較大，從圖2圖像變化可以看出，距離裂隙越遠(yuǎn)，基質(zhì)受到裂隙的影響越小，入滲深度也相對(duì)較小。LNAPL入滲干-濕界面不是平行地到達(dá)飽水帶，而是以裂隙為中心，呈圓滑的錐形遷移到飽水帶。LNAPL入滲的過(guò)程就是一個(gè)油相驅(qū)替水相、氣相，并占據(jù)其空間的過(guò)程，LNAPL在裂隙-基質(zhì)系統(tǒng)中主要以裂隙為介質(zhì)向下入滲至飽水帶[23-24]，裂隙的存在，起到了“快速通道”的作用，降低了LNAPL在中砂基質(zhì)頂部向下入滲的速率，在整體上縮短了LNAPL入滲至飽水帶的時(shí)間，加速了基質(zhì)污染的速率，加重了污染程度。

3.2 LNAPL停止注入后飽和度分布

LNAPL在模擬的第50 min到達(dá)飽水帶，之后停止注入，由于密度比水小，LNAPL漂浮在飽水帶表面，不斷聚集，LNAPL停止注入后的遷移圖像見(jiàn)圖3。從圖中看出，LNAPL停止注入后，裂隙中LNAPL飽和度相比兩側(cè)基質(zhì)中的LNAPL飽和度小，停止注入20 min時(shí)，裂隙中LNAPL的飽和度已經(jīng)降到0.10，并且隨著時(shí)間延長(zhǎng)仍在繼續(xù)減小，到停止注入120 min時(shí)，裂隙中LNAPL飽和度為0.07，飽和度幅度變化較?。换|(zhì)中LNAPL飽和度很大，停止注入20 min時(shí)最大飽和度為0.40，到第120 min時(shí)，最大飽和度為0.20，飽和度隨著時(shí)間變化幅度較大。這說(shuō)明，孔隙越大，吸附性越差，殘留的LNAPL越少。

圖2 LNAPL注入時(shí)飽和度變化圖像Fig.2 Migrate images during the LNAPL injection

圖3 LNAPL停止注入后飽和度變化圖像Fig.3 Migrate images after the LNAPL injection

LNAPL在飽水帶聚集一定量后，由于重力作用，繼續(xù)向下運(yùn)移，飽水帶水面向下凹陷，中間凹陷比兩側(cè)大，這主要是因?yàn)椋琇NAPL通過(guò)中間的裂隙首先達(dá)到飽水帶，并大量聚集，中間聚集的LNAPL較兩側(cè)多，因此會(huì)形成圖3中所示的中間凹陷較多的情形。LNAPL聚集一定量后，迫使水面下移，飽水帶中的水從底部的排泄孔排出，多余的LNAPL從排泄孔排出，最終形成油-水平衡狀態(tài)，飽水帶中同時(shí)存在油相、水相。

LNPAL在遷移到飽水帶的過(guò)程中，仍有部分LNAPL由于受到土壤顆粒的吸附作用長(zhǎng)期殘留在基質(zhì)中，同時(shí)飽水帶表面也會(huì)漂浮大量的LNAPL，這些微溶于水的污染物會(huì)長(zhǎng)期存在，對(duì)土壤和地下水造成嚴(yán)重的污染，因此，對(duì)污染區(qū)域進(jìn)行修復(fù)顯得很有必要。

3.3 單井抽提修復(fù)

單井抽提修復(fù)是MPE修復(fù)的一種，抽提量是影響抽提修復(fù)的關(guān)鍵因素之一。抽提量過(guò)小，殘留污染物難以被抽出且抽取時(shí)間長(zhǎng)，效率低；抽提量過(guò)大，對(duì)設(shè)備要求高，成本費(fèi)用高。抽提井真空泵位置同樣影響抽提修復(fù)效果。因此，針對(duì)污染區(qū)域及LNAPL的性質(zhì)，選擇合適的抽提量及抽提井布置位置，將有助于提高污染區(qū)域的修復(fù)效果。

為了研究抽提量對(duì)受污染土壤修復(fù)的影響，設(shè)計(jì)井深30 cm，最大抽提量分別為1.0×10-4，3.0×10-4，5.0×10-4，7.0×10-4kg/s四種方案(圖4a)；為了研究抽提井深對(duì)修復(fù)效果的影響，設(shè)計(jì)抽提流量為3.0×10-4kg/s，井深20，25，30，35 cm四種方案(圖4b)。抽提壓強(qiáng)均為370 Pa，模擬時(shí)長(zhǎng)為2 h。

圖4 抽提井抽提修復(fù)方案Fig.4 Extraction remediation scheme

3.3.1抽提量的影響

不同抽提量下LNAPL飽和度隨時(shí)間變化見(jiàn)圖5。從模擬結(jié)果可以看出，在無(wú)抽提井時(shí)，毛細(xì)水帶基質(zhì)中的LNAPL飽和度隨著時(shí)間逐漸減小，飽和度最大值由0 min的0.20 減小到120 min的0.15，同時(shí)受污染的面積及污染程度也在減小。這表明，LNAPL在重力作用下仍向飽水帶遷移，但遷移速率越來(lái)越小。從圖5(a)可以看出，在第100～120 min，LNAPL飽和度幾乎沒(méi)有變化，油相、水相逐漸達(dá)到平衡。在有抽提井且抽提流量不為0的模型中，LNAPL飽和度隨時(shí)間逐漸減小，不同抽提流量下，LNAPL飽和度變化程度不同。從圖5(b)～(e)圖像變化可以看出，同一時(shí)刻，模型抽提流量越大，LNAPL飽和度變化越大，說(shuō)明從基質(zhì)中抽取出的LNAPL越多，修復(fù)效果越好。從修復(fù)效果看，抽提量為1.0×10-4kg/s時(shí)，在第120 min，飽和度最大值為0.13，下降了0.07，仍有較大面積的污染，且污染區(qū)域的LNAPL飽和度大于0.10，修復(fù)效果最差。抽提量為3.0×10-4kg/s時(shí)，在第60 min，飽和度最大值為0.12，在120 min時(shí)，污染區(qū)域LNAPL飽和度在0.10以下，裂隙中飽和度最小，修復(fù)效果較好。修復(fù)效果最好的是抽提量為7.0×10-4kg/s的模型，在第20 min飽和度達(dá)到約0.12，在第120 min，飽和度最大值為0.07，下降了0.13，污染程度減小的最多，大部分污染區(qū)域經(jīng)抽取LNAPL后，飽和度下降到約0.05。

由此可以看出，抽提流量越大，修復(fù)效果越好，但是水相、氣相、油相被抽取出的越多，造成地下水面下降，可能形成新的環(huán)境問(wèn)題；抽提量越大，成本費(fèi)用越高。因此，在修復(fù)LNAPL造成的污染時(shí)，要充分考慮修復(fù)效果與成本兩方面的因素，合理設(shè)置抽提流量及時(shí)間，在達(dá)到修復(fù)污染場(chǎng)地的同時(shí)，節(jié)約人力、物力、財(cái)力。

圖5 不同抽提量下LNAPL飽和度隨時(shí)間變化圖像Fig.5 Images of the LNAPL saturation change under different extraction volumes

3.3.2抽提井位置的影響

圖6顯示了抽提井真空泵在不同深度下，LNAPL飽和度隨時(shí)間的變化。從模擬結(jié)果可以看出，方案a與方案b修復(fù)效果差別不大，且效果較差，到模擬結(jié)束時(shí)，仍有較大面積的污染區(qū)域LNAPL飽和度在0.16以上。相比而言，方案c與方案d修復(fù)效果較好，方案d修復(fù)效果最好，在模型運(yùn)行到第80 min時(shí)，飽和度降到了0.06以下，而方案c在模型運(yùn)行結(jié)束時(shí)，仍有部分區(qū)域LNAPL飽和度約為0.11，修復(fù)效果稍差。對(duì)比圖像發(fā)現(xiàn)，在毛細(xì)帶及土壤帶，方案c修復(fù)效果比方案d好，模型運(yùn)行結(jié)束時(shí)，方案c毛細(xì)帶及土壤帶中LNAPL飽和度及污染區(qū)域明顯比方案d的小。

由此看來(lái)，抽提井真空泵深度對(duì)修復(fù)效果影響較大。LNAPL在重力作用下主要聚集在飽水帶表面及毛細(xì)帶下部，這部分是LNAPL飽和度最大的區(qū)域，方案a與方案b抽提井真空泵埋深太淺，距LNAPL聚集的區(qū)域較遠(yuǎn)，由于抽提流量及抽提壓強(qiáng)的限制，很難清除深部的污染物；方案d抽提井真空泵位于飽水帶上部2 cm處，也是大部分LNAPL聚集的區(qū)域，因而抽提效果最好，由此可以看出合理的布設(shè)井位能彌補(bǔ)設(shè)備不足的缺點(diǎn)。方案d相比方案c，毛細(xì)帶上部的修復(fù)效果稍差。抽提井真空泵埋深越大，對(duì)設(shè)備的要求越高。因此，在實(shí)際操作時(shí)，需充分了解LNAPL污染物的分布范圍及污染程度，合理設(shè)計(jì)抽提井真空泵埋深，在設(shè)備允許的范圍內(nèi)，同時(shí)達(dá)到規(guī)定的修復(fù)效果及節(jié)約成本的目的。

圖6 不同井深下LNAPL飽和度隨時(shí)間變化圖像Fig.6 Images of the LNAPL saturation change at different well depths

3.4 注水井位置對(duì)原位沖洗修復(fù)的影響

單井修復(fù)影響半徑有限，針對(duì)大的污染區(qū)域，修復(fù)效果不理想，實(shí)際操作時(shí)，多采用群井的方式進(jìn)行修復(fù)[25-27]。由于水泵對(duì)地下水的抽提作用，潛水位下降，原來(lái)被水侵沒(méi)的土壤暴露出來(lái)，造成部分區(qū)域水位下降，引起新的環(huán)境問(wèn)題。鑒于此，在抽提井兩側(cè)添加注水井，通過(guò)向土壤污染帶或飽水帶中注水的方式修復(fù)污染區(qū)域，這是單井抽水處理法的衍生方法，稱為原位沖洗技術(shù)。

原位沖洗技術(shù)既彌補(bǔ)了單井抽提影響半徑過(guò)小的問(wèn)題，又補(bǔ)充地下水，防止水位下降過(guò)多的問(wèn)題，是較為理想的清除LNAPL污染的方法。注水井的布設(shè)尤其重要，為此建立相關(guān)模型研究注水井布設(shè)位置對(duì)原位沖洗法修復(fù)效率的影響。設(shè)計(jì)方案如圖7所示，抽提井真空泵長(zhǎng)度均為2 cm，位于橫向中間位置，豎直方向位于10～12 cm，抽提流量為3.0×10-4kg/s，抽提壓強(qiáng)為370 Pa。兩口注水井流量均為1.0×10-4kg/s，其中橫向(X方向)注水井布設(shè)見(jiàn)圖7(a)。豎直方向?yàn)V網(wǎng)長(zhǎng)度為10 cm，位于10～20 cm處，抽提井兩側(cè)對(duì)稱布設(shè)注水井。方案a～d注水井距抽提井距離分別確定為11，8，5，2 cm。豎直向(Z方向)布設(shè)見(jiàn)圖7(b)。兩口注水井在抽提井兩側(cè)，對(duì)稱分布，距抽提井距離均為8 cm，豎直方向設(shè)計(jì)4種方案，方案A注水井濾網(wǎng)位于20～30 cm，方案B注水井濾網(wǎng)位于15～25 cm，方案C注水井濾網(wǎng)位于10～20 cm，方案D注水井濾網(wǎng)位于5～10 cm。通過(guò)不同布設(shè)方案探究注水井位置對(duì)修復(fù)效果的影響。

圖7 注水井布設(shè)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the water injection well design

3.4.1注水井橫向位置的影響

為了研究注水井與抽提井之間的距離對(duì)修復(fù)效果的影響，設(shè)計(jì)了4種橫向(X方向)注水井方案，研究LNAPL飽和度隨時(shí)間變化(圖8)。從模擬結(jié)果可以看出， LNAPL飽和度隨時(shí)間減小，模型運(yùn)行結(jié)束時(shí)，注水井附近LNAPL飽和度均保持在約0.05，比抽提井附近LNAPL飽和度小，且以注水井為中心，向外LNAPL飽和度有變大的趨勢(shì)。方案a在模擬的第40 min，注水井附近的LNAPL飽和度明顯降低，低飽和度的分布區(qū)有向上部及下部擴(kuò)散的趨勢(shì)，這是由于注水井距隔水邊界較近，注入大量的水受到阻擋后，向豎直方向擴(kuò)散的緣故。方案a中注水井距抽提井較遠(yuǎn)，大于兩者共同作用下的影響半徑；方案b位于抽提井影響半徑邊緣。方案b修復(fù)效果明顯優(yōu)于方案a和方案c，圖8(c)LNAPL飽和度變化圖像顯示，注水井與隔水邊界之間的污染物濃度變化較小，模型結(jié)束時(shí)，LNAPL飽和度最小的區(qū)域集中在注水井與抽提井之間，這是因?yàn)樽⑺喑樘峋⑺⑷氲乃芸爝\(yùn)移到抽提井中，被抽取出，由于運(yùn)移距離過(guò)短而未能攜帶大量的污染物，導(dǎo)致只有注水井與抽提井附近污染物被抽取出，邊界附近的污染物濃度依然很大。方案d修復(fù)效果最差，LNAPL飽和度只在注水井與抽提井附近的小范圍內(nèi)比較小，相比圖5(c)同等狀態(tài)下(不存在注水井的情況)，修復(fù)效果差。

由此看出，注水井與抽提井的距離不宜過(guò)大或過(guò)小。距離過(guò)大或超出影響半徑，注入的水運(yùn)移速率較慢，修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，效果差；距離過(guò)小，注入的水很快進(jìn)入抽提井被抽出，攜帶的污染物量小，修復(fù)效率低。實(shí)際布井時(shí)，需根據(jù)場(chǎng)地土壤的滲透性、顆粒大小及污染物的分布范圍及污染物的性質(zhì)進(jìn)行合理布井[28-30]。

圖8 注水井距抽提井不同距離時(shí)LNAPL飽和度隨時(shí)間變化圖像Fig.8 Images of the LNAPL saturation at different distances between the injection well and extraction well

3.4.2注水井埋深的影響

從圖8看出，方案b是最優(yōu)的修復(fù)方案，但注水井上部與下部LNAPL飽和度依然很大，污染物依舊大量存在?？梢?jiàn)，注水井濾網(wǎng)埋深的布設(shè)存在不合理之處。為此，設(shè)計(jì)了圖7(b)所示的布井方案，探究注水井埋深對(duì)修復(fù)效果的影響。LNAPL飽和度隨時(shí)間變化圖像見(jiàn)圖9。

抽提井的位置直接影響了污染物的抽取效率，注水井的位置影響到污染物除去的范圍以及修復(fù)程度。從模擬結(jié)果看，方案D至方案A修復(fù)效果依次變好。方案D的修復(fù)效果最差，LNAPL去除程度最低，殘留的污染物主要集中在遠(yuǎn)離注水井的非飽和帶上部，飽和度約為0.10。對(duì)比方案A與方案D，方案A飽水帶以上區(qū)域LNAPL飽和度已降到0.07以下，在第80 min 時(shí)LNAPL飽和度變化已較緩慢，基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，總體修復(fù)效果最好；方案D只有飽水帶附近污染物濃度較低，土壤帶及毛細(xì)帶污染物濃度依然較高。

注水井在向受污染區(qū)域注水的過(guò)程中，除了向兩側(cè)擴(kuò)散外，還在重力作用下向下擴(kuò)散，注入的水不僅降低了污染物濃度，而且起到了“沖洗”吸附在土壤顆粒上污染物的作用。注水井周圍的污染物隨著水的注入不斷被稀釋，并被攜帶到非飽和帶下部，被抽取至地表。

從圖9看出，方案B、方案C、方案D修復(fù)效果不明顯，主要是因?yàn)?，注水井濾網(wǎng)距離污染范圍的上邊界較遠(yuǎn)，而水受重力作用只會(huì)向下運(yùn)移，故而起不到稀釋與“沖洗”的作用，導(dǎo)致修復(fù)效果不理想。在采用注水井與抽提井同時(shí)工作時(shí)，需充分掌握污染物的分布范圍，注水井埋深不宜過(guò)大，濾網(wǎng)上部與修復(fù)范圍的上邊界齊平為最佳。

圖9 注水井篩管距底部邊界不同距離時(shí)LNAPL飽和度隨時(shí)間變化圖像Fig.9 Images of the LNAPL saturation at different distances from the bottom border of the injection well screen

3.5 原位沖洗修復(fù)下LNAPL飽和度變化規(guī)律

原位沖洗技術(shù)設(shè)計(jì)主要有布井位置、數(shù)量、濾網(wǎng)位置、運(yùn)行參數(shù)等。井位布設(shè)建立在充分了解污染物分布的基礎(chǔ)上，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮設(shè)備的可行性、成本費(fèi)用及環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題[31-32]。

3.5.1布井方案

設(shè)計(jì)注水井、抽提井及觀測(cè)點(diǎn)位置，如圖10 所示?？紤]到效率因素，抽提井流量取3.0×10-4kg/s，抽提真空泵位于5～7 cm處(圖6中最優(yōu)方案)，注水井綜合考慮橫向與豎直方向的影響，選取最優(yōu)方案(橫向距抽提井8 cm，豎直方向?yàn)V網(wǎng)位于20～30 cm處)。觀測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)相應(yīng)點(diǎn)位LNAPL飽和度的變化，因LNAPL飽和度分布以中間裂隙為軸左右對(duì)稱，故點(diǎn)位布設(shè)裂隙左側(cè)。觀測(cè)點(diǎn)Ob1、Ob2、Ob3探究不同深度LNAPL飽和度的變化，觀測(cè)點(diǎn)Ob4、Ob5、Ob6分別監(jiān)測(cè)鄰近裂隙、裂隙中及抽提真空泵處的LNAPL飽和度變化。從模型運(yùn)行開(kāi)始到結(jié)束，6 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)共采集數(shù)據(jù)180 組。

3.5.2不同位置LNAPL飽和度變化規(guī)律

圖11為各觀測(cè)點(diǎn)LNAPL飽和度變化情況。觀測(cè)點(diǎn)Ob1、Ob2、Ob3、Ob6處LNAPL飽和度均是隨時(shí)間逐漸減小，四個(gè)觀測(cè)點(diǎn)飽和度降幅分別為0.108，0.196，0.122，0.128。同一時(shí)刻，各觀測(cè)點(diǎn)LNAPL飽和度：Ob1

從觀測(cè)井Ob1、Ob2、Ob3處飽和度對(duì)比看出，深度越大，LNAPL飽和度越大；從飽和度變化速率看，Ob2處飽和度變化最大(Ob1、Ob2、Ob3處前4 000 s LNAPL飽和度下降平均速率分別為2.61×10-5，2.90×10-5，2.73×10-5s-1)。對(duì)比Ob4、Ob5、Ob6處飽和度，前1 300 s，Ob5Ob6。

觀測(cè)點(diǎn)Ob4位于注水井中下部分靠近裂隙的地方，當(dāng)注水井開(kāi)始注水，會(huì)迫使水-油鋒面向Ob4遷移，增大LNAPL的濃度，當(dāng)水-油鋒面過(guò)后，注入的水開(kāi)始運(yùn)移到Ob4處，此時(shí)LNAPL濃度逐漸降低。圖11中觀測(cè)點(diǎn)Ob4處LNAPL飽和度在615 s之前增大，在之后緩慢降低。隨后水-油鋒面到達(dá)裂隙中的觀測(cè)點(diǎn)Ob5處，導(dǎo)致LNAPL飽和度緩慢增大，這是由于裂隙滲透性很大，模型未運(yùn)行之前LNAPL飽和度已近乎最低，處于平衡狀態(tài)，隨著注水井的注水，水-油混合物遷移到裂隙中，增加了裂隙中污染物濃度。當(dāng)注水井繼續(xù)工作時(shí)，大量的水運(yùn)移到裂隙中，稀釋了裂隙中的混合物，同時(shí)裂隙中的水-油混合物在重力作用下向下運(yùn)移，進(jìn)入到抽提井中抽出至地表，于是在模型運(yùn)行4 800 s 后，Ob5處再次出現(xiàn)LNAPL飽和度下降。初始時(shí)刻觀測(cè)點(diǎn)Ob6處LNAPL飽和度最大(飽和度為0.2)，相比觀測(cè)點(diǎn)Ob3初始值0.197略大，但隨模型運(yùn)行飽和度很快變小，并在同時(shí)刻小于Ob3處的值。

觀測(cè)點(diǎn)Ob6位于抽提井真空泵處，隨著抽提作用，大量的水相、氣相、油相混合物被迅速抽出系統(tǒng)，因而LNAPL飽和度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)下降；觀測(cè)點(diǎn)Ob3距抽提井相對(duì)較遠(yuǎn)，受抽提作用影響較小，在359 s之前飽和度降速較慢，在之后抽提作用影響擴(kuò)展到觀測(cè)點(diǎn)Ob3，故而在359 s之后，LNAPL飽和度迅速下降。對(duì)比Ob4與Ob6，Ob6處LNAPL下降平均速率為2.10×10-5s-1，遠(yuǎn)離注水井與抽提井的Ob4處LNAPL飽和度變化相對(duì)緩慢很多，速率為5.79×10-6s-1。由于遠(yuǎn)離注水井，LNAPL得不到有效“沖洗”，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)被攜帶至抽提井處抽出，同時(shí)由于沒(méi)有有效的稀釋，故而變化速率較為緩慢。

3.6 原位沖洗修復(fù)效果檢驗(yàn)

根據(jù)原位沖洗修復(fù)時(shí)LNAPL飽和度變化規(guī)律及井位布設(shè)規(guī)律，原位沖洗修復(fù)最優(yōu)模式為：抽提井埋深到達(dá)飽水帶(35 cm處)，注水井橫向位于抽提井影響半徑邊緣(距抽提井8 cm)，豎向位于污染區(qū)域上邊緣。

圖12為原位沖洗修復(fù)最優(yōu)模擬方案下，LNAPL飽和度隨時(shí)間變化圖像。從模擬結(jié)果可以看出，在第80 min時(shí)，污染物已得到有效控制，修復(fù)面積達(dá)到96%，修復(fù)率達(dá)到75%。在第80～120 min污染物濃度變化不大，但仍在繼續(xù)減小。到第120 min時(shí)，修復(fù)面積接近100%，LNAPL飽和度控制在0.05。由此看出，原位沖洗方法能較好地清除LNAPL。相比單井抽提模式，原位沖洗模式修復(fù)效率高、效果好，在某種程度上能彌補(bǔ)對(duì)設(shè)備要求較高的限制，而且不會(huì)引起大面積的地下水位下降，避免在修復(fù)污染物時(shí)造成新的環(huán)境問(wèn)題。

圖10 井位布設(shè)及LNAPL飽和度觀測(cè)點(diǎn)位置示意圖Fig.10 Schematic diagram of the well position and the LNAPL saturation observation points

圖12 LNAPL飽和度隨時(shí)間變化圖像Fig.12 Images of the LNAPL saturation at different times

4 結(jié)論

(1)LNAPL均勻注入裂隙-基質(zhì)系統(tǒng)后，優(yōu)先進(jìn)入裂隙，形成狹長(zhǎng)形的入滲通道，LNAPL隨時(shí)間逐漸以橫向擴(kuò)散為主，干-濕界面變成橢圓形，直至充填整個(gè)系統(tǒng)。裂隙起到了“快速通道”的作用，縮短了污染物遷移到飽水帶的時(shí)間。

(2)LNAPL停止注入后，裂隙中污染物快速向下遷移，形成以裂隙為中心的飽和度向外逐漸增大的污染區(qū)。水-油界面非均勻向下推移，裂隙中污染物首先遷移到飽水帶表面，在其表面形成向下的凹液面，逐漸迫使水排出系統(tǒng)。

(3)抽提井流量與布井位置是影響修復(fù)效率的主要因素。抽提流量過(guò)小，污染物難以被抽取出且修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)；抽提井真空泵埋深淺，則難以影響到深部污染物，埋深過(guò)大或深入飽水帶，則抽取物中水占比重較大，同樣降低修復(fù)效率。

(4)單井抽取三相混合物時(shí)，同時(shí)減少了土壤及地下水含水量，甚至導(dǎo)致地下水水位下降，造成新的環(huán)境問(wèn)題。相比單井抽提修復(fù)，原位沖洗方法在修復(fù)污染時(shí)，注入的水有效補(bǔ)充了地下水，并對(duì)污染物起到了“沖洗”與稀釋作用，迫使污染物隨水流運(yùn)移到抽提井中抽取至地表，增加修復(fù)效率。

(5)MPE系統(tǒng)能有效清除非飽和帶中輕油類污染物，實(shí)際操作中，需充分了解污染物的分布，合理設(shè)計(jì)抽取流量、抽提壓強(qiáng)、布井位置及濾網(wǎng)埋深等，達(dá)到既高效修復(fù)污染，又節(jié)約成本的目的。