（河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100）

0 引言

近年來，隨著城市化和工、農業(yè)的快速發(fā)展，超負荷的開發(fā)利用使地下水污染逐漸加重，特別是以石油類污染物為代表的有機物污染己成為國際科學界的研究熱點和難點[1-6]。造成地下水石油類污染的主要原因是各類污染源的防滲措施不到位，污染源主要有垃圾填埋場、石油加油站、各類輸油管線、儲油罐和各種農業(yè)污水溝塘等[7]。石油類污染物一般為不溶于水的持久性有機污染物，毒性高、難降解、密度比水小，多屬輕非水相流體（Light Non-aqueous Phase Liquid，簡稱LNAPL）。據(jù)統(tǒng)計，全球每年有1 ×1012kg 的石油類污染物通過各種途徑進入環(huán)境中，并通過雨水或地表水下滲導致許多地區(qū)地下水的嚴重污染，我國每年大約有6.0 × 109kg 的石油進入環(huán)境大氣、水體及土壤中造成了嚴重的污染[7]。石油產品的污染問題已經(jīng)成為我國廣泛關注和亟待解決的重要環(huán)境安全問題之一。

目前大多數(shù)LNAPL 污染物遷移的研究主要集中在孔隙介質中，而在裂隙介質中，LNAPL 污染物的遷移屬于多相流問題，其滲透率、飽和度和毛細壓力等均隨時間和空間發(fā)生變化，使得LNAPL 污染物的遷移在重力、水壓力和毛細壓力等共同作用下變得尤為復雜[8]。本文以地下水的開發(fā)利用與污染修復為背景，從裂隙介質中LNAPL 的遷移規(guī)律和監(jiān)測方法2 個方面綜述LNAPL 在裂隙介質中遷移的研究進展，從機理、模型以及數(shù)值模擬等角度系統(tǒng)分析最新研究成果，并對未來發(fā)展進行展望，以期為LNAPL 在裂隙巖體中的遷移預測和修復提供科學依據(jù)。

1 多相流遷移數(shù)學模型

在裂隙介質非飽和帶中，涉及水相、LNAPL 相以及氣相等多個組分的遷移問題屬于多相流問題，多相流方程基于各組分的質量守恒定律、達西定律、熱量守恒定律以及力平衡定律等。若不考慮溫度和非平衡力的影響，由質量守恒定律和達西定律可得各組分i 的控制方程為[9]：

式中：ρo，ρw和ρg分別為非水相液體、水和氣體的密度；kro，krw和ksg分別為非水相液體、水和氣體的相對滲透率；k 為介質的絕對滲透率；μo，μw和μg分別為非水相液體、水和氣體的動力粘度；Po，Pw和Pg和分別為非水相液體、水和氣體的壓力；n 為空隙度；So，Sw和Sg和分別為介質中非水相液體、水和氣體的飽和度；Rs為標準狀態(tài)下從非水相液體中逸出的氣體體積與非水相液體的體積之比，即氣體在非水相液體中的溶解度；Rsw為標準狀態(tài)下從水中逸出的氣體體積與水的體積之比，即氣體在水中的溶解度。

2 遷移規(guī)律研究

2.1 遷移機理

石油類污染物發(fā)生泄漏時，在下滲進入地下的過程中主要受到重力、毛細壓力、粘滯力以及浮力等的影響。LNAPL 下滲進入地下時，由于比水輕，現(xiàn)有研究大多認為會在地下水面聚集，并在地下水位上方形成LNAPL 池。但當在地下水面聚集時，垂直裂隙發(fā)育的巖體中LNAPL 的壓力會壓低地下水位，從而驅替水流促使LNAPL 進入地下水位以下的裂隙網(wǎng)絡中[10]。同時，裂隙巖體中裂隙的走向和裂隙網(wǎng)絡發(fā)育特征會影響LNAPL 所受浮力大小，從而影響LNAPL 在飽和裂隙巖體中遷移和分布特征，目前尚未建立裂隙系統(tǒng)中LNAPL 污染物的現(xiàn)場研究方法[11]。DOU Z 等[12]利用LBM 法探究了充填單裂隙中NAPL 的遷移機理，并在隨后的研究中分析了填充物非均質性引發(fā)的拖尾效應；HUANG Y 等[13]通過室內裂隙模擬研究了水平單裂隙對LNAPL 遷移的影響，并詳細分析了LNAPL 遷移過程中的電阻率變化；盧斌等[14-15]選取甲苯作為LNAPL 的代表污染物，在頁巖透明仿真裂隙中開展了變隙寬條件下LNAPL 的遷移和殘留研究，分別揭示了LNAPL 殘留分布規(guī)律以及“裂隙-水-LNAPL”系統(tǒng)內的相互影響機制：自由相的LNAPL 主要沿著裂隙中的狹長通道遷移到內部，在隙寬較小的區(qū)域有少量孤立的LNAPL 液滴殘留，LNAPL 會隨著地下水位的上升而向上遷移；肖岳峰等[4]設計了二維有機玻璃的單裂隙模型，用以研究LNAPL 在含裂隙層狀非均質地層中優(yōu)先流現(xiàn)象；HUANG Y 等[16]通過裂隙-孔隙介質模型的砂槽試驗驗證了優(yōu)先流現(xiàn)象，并且通過驅替試驗揭示了LNAPL 遷移和修復機理。

2.2 試驗模型

裂隙巖體的滲透性能取決于裂隙的發(fā)育特征，裂隙隙寬決定著水流和LNAPL 污染物進入裂隙的能力。在裂隙巖體滲流方面，國內外很多專家和學者做了大量的研究工作，總結現(xiàn)有的研究成果，主要有以下4 種[11]：①等效連續(xù)介質模型：把巖體視為等效連續(xù)地質體，引入滲透系數(shù)張量的概念；②離散裂隙網(wǎng)絡模型：忽略巖塊的滲流，巖體基質視為不透水，僅研究地下水流在裂隙網(wǎng)絡中的流動；③雙重介質模型：將裂隙巖體分為大裂隙導水和孔隙及小裂隙儲水2 部分，認為主干-分枝裂隙廣泛存在于整個研究區(qū)域；④離散介質-連續(xù)介質耦合模型：用離散裂隙網(wǎng)絡模型描述主干裂隙中的水運動，用等效連續(xù)介質模型描述次要裂隙和孔隙中的水運動，由次要裂隙和孔隙等效成的連續(xù)介質充滿整個研究區(qū)域，離散的主干裂隙按實際產狀分布于連續(xù)介質中。裂隙網(wǎng)絡是由眾多單條裂隙組成的，單一裂隙是構成巖體裂隙網(wǎng)絡的基本元素，所以研究其滲流基本規(guī)律是巖體水力學的基本任務，一般通過立方定律來描述。在非飽和裂隙巖體中，對于水平不連通的裂隙，流體壓力水頭為0 m，LNAPL 不發(fā)生遷移；對于垂直裂隙，裂隙傾角為90°，重力影響大，會成為LNAPL 向地下水面遷移的主要通道。當LNAPL 污染物到達地下水面時，在飽和裂隙巖體中的遷移取決于流體的密度差、流體界面張力、裂隙隙寬和流體壓力等。同時，需要指出的是，立方定律的適用條件為光滑單裂隙，對于實際工程應用中的粗糙裂隙，可能符合超立方定律和次立方定律。研究LNAPL 在裂隙介質中遷移所需的一些關鍵參數(shù)見表1。

2.3 數(shù)值模擬

由于LNAPL 的運動不僅與裂隙隙寬、粗糙度以及飽和度有關，同時還受到LNAPL 的密度、粘滯性、表面張力以及溫度等的影響，遷移機理較為復雜。傳統(tǒng)的室內物理模型僅能模擬一般工況下LNAPL 的遷移過程和規(guī)律，對于復雜工況下的LNAPL 的遷移預測需要通過數(shù)值模擬來完成。最早應用于NAPL在土壤中遷移的二相流數(shù)值模型表明大部分污染物集中在淺層地表；考慮到LNAPL 遷移的不確定性，可以構建不混溶流體的二維模型模擬了飽和以及非飽和2 種條件下的遷移特征；SOOKHAK L K 等[17]綜合LNAPL 遷移的特點，對污染場地的模型構建方法和修復技術的模擬優(yōu)化提供了一定參考；AHMED W 等[20]為查明LNAPL 的滲透率和回收率，通過多相流DUMUX 模型模擬了NAPL、水和空氣三相條件下的流動，隨后使用改進的Bouwer-Rice 法驗證了該模型；根據(jù)現(xiàn)場地層特征和水文地質條件，采用API/Charbenau 模型預測分析了LNAPL 羽流的分布，進而驗證LNAPL 修復去除的可行性；巖體基質進入壓力對于非水相液體在裂隙巖體中遷移的重要性，可通過CompFlow 模型模擬垂直單裂隙以及某場地的非水相液體遷移過程；利用CompFlow 模型預測分析某白云巖區(qū)非水相液體污染物的分布，與監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合度很高，運用HGS 模型對場地內8 口抽提井的修復效果進行了模擬評估。盧斌等[14]在單裂隙室內試驗的基礎上，運用FEFLOW 模擬了粗糙單裂隙中LNAPL 的遷移過程以及LNAPL 殘留態(tài)對水流運動的影響；為研究包氣帶中裂隙對LNAPL 遷移和分布的影響，趙科峰等[6]構建了室內試驗模型和TOUGH2 數(shù)值模型，并對其進行分析預測；肖岳峰等[4]通過PetraSim 模擬預測了LNAPL 在含裂隙層狀非均質地層中的運移。

多年來，裂隙網(wǎng)絡系統(tǒng)模型的建立主要通過現(xiàn)場實測統(tǒng)計完成，包括裂隙的組數(shù)、產狀、裂隙間距以及跡線長度等，進而建立統(tǒng)計模型。自20 世紀50年代開始，許多學者致力于裂隙網(wǎng)絡系統(tǒng)的模擬技術研究。應用在計算機裂隙網(wǎng)絡模擬上的Monte-Carlo 方法得到快速發(fā)展，按照已知的密度函數(shù)進行隨機抽樣，從而得到與實際分布函數(shù)相似或相對應的人工隨機變量，進而推算出每條裂隙的端點坐標，研究通過建立多層次的Monte-Carlo 方法，在三維裂隙網(wǎng)絡的流量計算中表現(xiàn)良好。

3 監(jiān)測方法研究

現(xiàn)階段，識別和查明LNAPL 污染物的現(xiàn)場監(jiān)測方法主要依靠在污染場地內布設一定數(shù)量的監(jiān)測井，采集井中水樣分析判斷LNAPL 污染羽的厚度，這對查明LNAPL 遷移過程的幫助是有限的[19-20]。目前，裂隙巖體中依靠監(jiān)測井來模擬和評估LNAPL 遷移的模型主要有2 種，一種是傳統(tǒng)的Darcy’s 定律，建立遷移速度與裂隙滲透率、梯度、粘滯系數(shù)等的函數(shù)關系；另一種是引入毛細壓力-飽和度的概念，等效為孔隙介質模型處理。在離散的裂隙介質中，裂隙巖體一般滲透性很低，裂隙連通效果不詳，并且LNAPL 的遷移還受到裂隙幾何特性、介質特性以及LNAPL 本身性質的影響；在隙寬較大的垂直裂隙中，LNAPL 污染物并不只是存在于地下水面附近，其在重力等因素的影響下會入滲到地下水深處；通過監(jiān)測井獲取場地的LNAPL 污染數(shù)據(jù)，受裂隙網(wǎng)絡連通性、裂隙與監(jiān)測井的交叉角度等的制約，監(jiān)測井無法切穿所有裂隙，未切穿的裂隙中存在的污染物無法被查明，并且在某種特殊情況下，監(jiān)測井會同時切穿2 條本不連通的裂隙，形成了裂隙網(wǎng)絡水流運動和污染物遷移的通道，造成更大范圍的污染。因此，在復雜裂隙網(wǎng)絡巖體中，通過監(jiān)測井技術獲取的污染物厚度和遷移范圍很難準確反映LNAPL 的分布情況，孔隙介質模型在復雜裂隙網(wǎng)絡介質中推廣具有一定的局限性。

近年來，隨著技術水平的提升，地球物理方法在土壤和地下水污染探測方面的研究越來越多，包括電法、地震勘探、探地雷達等[21-24]。許多研究從LNAPL污染介質的電阻率特性展開，通過二維或三維砂箱或水槽，探究介質組成、污染物種類、含水飽和度、含油飽和度以及水位波動等因素對污染介質電阻率的影響，進而還原LNAPL 的遷移和分布。潘玉英等[25]為深入探究柴油在濱海砂質含水層中的動態(tài)遷移過程，自行開發(fā)研制了基于Wenner 法的電阻率探桿自動監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測結果采用Archie 公式擬合，很好地估算了柴油透鏡體的厚度；陶佳輝等[26]通過TOUGH 2 中的T2VOC 模塊模擬研究了LNAPL 污染源區(qū)的多相流，詳細模擬了泄漏量、非均質性、含水量以及潛水面周期變化等因素對LNAPL 分布的影響；尤志鑫等[27]認為污染介質的相對介電常數(shù)會隨著體積含水量和含油量的增加而增大，直到達到飽和狀態(tài)，逐漸趨于穩(wěn)定，并且與DCLOOR 模型理論值相近；但史柏語[28]認為LNAPL 引起的介電常數(shù)變化并不明顯，隨后運用全極化探地雷達系統(tǒng)對污染場地進行了探測，運用極化偏移算法重構的效果很好；關于透鏡體厚度的計算，羅凌云[29]運用BC，VG 和FX 模型分別擬合預測了LNAPL 在包氣帶中形成的透鏡體厚度，并結合室內水槽實驗在地下水位波動條件下進行了驗證。獲取遷移數(shù)據(jù)的一些代表性的表征方法見表2。

表2 裂隙介質中LNAPL 表征方法

4 結論與展望

（1）目前孔隙介質滲流問題的探究已建立較為系統(tǒng)的理論體系，并且對巖體裂隙滲流研究也取得豐富成果。但由于裂隙網(wǎng)絡中水流運動的非均質性和各向異性，關于充填物組成對裂隙網(wǎng)絡中水流運動影響的研究還很少，僅有少部分關于水平或垂直單裂隙的研究成果，不符合真實地質情況，對于野外大量存在的交叉充填裂隙網(wǎng)絡的系統(tǒng)研究還不足。

（2）在LNAPL 遷移規(guī)律的研究方面，國內外許多學者通過室內試驗和現(xiàn)場試驗、解析法和數(shù)值法等多種手段對LNAPL 在孔隙介質中的遷移和分布進行了系統(tǒng)研究。但關于裂隙巖體中LNAPL 遷移的有關研究大多以多種假設條件下的實驗室仿真裂隙為主，并通過數(shù)碼相機等定性分析和數(shù)值模擬處理，會造成結果的失真，缺乏實驗室地下水流場條件下針對LNAPL 在真實裂隙巖體中的遷移機制研究和定量分析，LNAPL 在裂隙巖體中遷移引起的壓力值變化還不明確，缺少統(tǒng)一認識。

（3）LNAPL 的遷移不僅與裂隙隙寬、粗糙度以及飽和度有關，同時還受到LNAPL 的密度、粘滯性、表面張力以及溫度等的影響，遷移機理較為復雜，且開展污染場地現(xiàn)場試驗的成本很高，針對復雜工況下LNAPL 在裂隙巖體中的遷移往往通過數(shù)值模擬來完成。國內對于LNAPL 遷移的相關研究開展較晚，且大多集中在孔隙介質領域和實驗室中，少有真實裂隙巖體污染場地的研究，國外已經(jīng)采用了CompFlow，HGS，STOMP 以及DUMUX 等模型模擬污染場地中NAPL 的遷移和分布。但上述模型大多都存在模型條件苛刻、裂隙數(shù)量有限、數(shù)據(jù)工作量大以及參數(shù)校正困難等問題，應用Monte-Carlo 算法推算裂隙端點坐標的隨機裂隙網(wǎng)絡生成技術對真實裂隙網(wǎng)絡的反映具有良好的效果。

（4）目前地球物理方法在污染物探測領域的應用主要集中在孔隙介質中，針對裂隙巖體，基于過程可視化與電阻率參數(shù)響應污染溶質對于充填裂隙地下水滲流和運移特性研究及有效信息提取等方面的應用研究還很少，在應用過程中，容易出現(xiàn)探測效果不好，遷移范圍不明確，不同程度的LNAPL 低阻異常問題。考慮到裂隙網(wǎng)絡的復雜性，監(jiān)測LNAPL 的遷移具有很多的不確定性，尋求多種方法的聯(lián)合使用可能是未來的發(fā)展方向。