郭 恒， 殷德順， 曹晨曦

（河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，南京 211100）

土壤污染是人類面臨的全球性問題［1］，我國的土壤污染情況也同樣不容樂觀，這增大了對土壤修復(fù)的需求［2-3］. 原位氧化還原技術(shù)是治理土壤污染時常用的修復(fù)手段，通過向土壤中注入化學(xué)藥劑與污染物產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)達到去除土壤污染物的目的. 其中高壓旋噴法是在靜壓注漿的基礎(chǔ)上引入高壓水流而開發(fā)的氧化劑投加方法，通過高壓氣流和液流作用，將化學(xué)藥劑注入土壤及地下水中并使其充分擴散［4-5］. 然而在實際施工過程中，往往會存在返漿和藥劑在土壤中擴散不充分的問題［6］，影響修復(fù)效率. 因此，探究土壤性質(zhì)對地下土壤中水分擴散及溶質(zhì)運移的影響是十分必要的，這對于指導(dǎo)施工具有重要意義.

藥劑在進入土壤后，主要沿土壤孔隙通道進行擴散，因此土壤質(zhì)地構(gòu)造、土壤含水率對藥劑的擴散有很大影響［7］. 不同的場地中土壤污染物分布深度情況有所不同，所對應(yīng)的土壤圍壓也有所差別. 針對不同試樣的研究表明，圍壓對孔隙介質(zhì)的滲透系數(shù)有明顯的影響. 張改玲和王雅敬［8］利用高壓三軸滲透試驗系統(tǒng)，對某礦區(qū)深部的粗砂和細砂進行了高圍壓條件下的滲透試驗. 研究表明，高圍壓條件下，砂土滲透系數(shù)隨圍壓增大而減??；袁榮宏等［9］利用改進的常規(guī)三軸儀壓力室作為柔性壁式滲透儀，進行了滲透系數(shù)最低有效圍壓的試驗研究，結(jié)果表明，當圍壓較低時，水泥土滲透系數(shù)較大，隨著圍壓的增大，滲透系數(shù)迅速減小. 此外，土壤初始含水率的變化會影響土壤液相占比，從而藥劑的擴散造成影響，Cueto等［10］從含水量空間分布的角度研究了初始土壤狀態(tài)對富溶質(zhì)水脈沖入滲的影響，研究表明，在入滲開始時，指狀結(jié)構(gòu)和土壤水的空間分布造成的優(yōu)先流和通道之間存在著強烈的相互作用；Hamlen和Kachanoski［11］考察了初始條件對溶質(zhì)脈沖運輸?shù)挠绊?，得到了初始含水率對溶質(zhì)突破曲線的影響. 這些研究表明土壤含水率是影響藥劑溶液在地下土壤中擴散的重要因素. 同時，劉小文等［12］在研究中指出，在相同的干密度下，隨著含水率的增加，基質(zhì)吸力呈現(xiàn)出急劇減小的趨勢，而基質(zhì)吸力對土壤水分擴散以及溶質(zhì)運移都有相當?shù)淖饔茫?3］. 綜上所述，土壤圍壓和土壤含水率對藥劑在土壤中擴散都具有重要影響，探究圍壓和含水率對擴散的影響是十分必要的.

除了土壤物理性質(zhì)，施工參數(shù)的設(shè)置也會影響藥劑在土壤中的擴散. 在實際工程中，通常采用提高藥劑注入速度來縮短工期，但過大的注入速度往往導(dǎo)致返漿問題的出現(xiàn)，影響修復(fù)效果. 何杰和辛文杰［14］在研究中指出，水動力環(huán)境減弱會造成污染物擴散速度減慢；Cao等［15］通過試驗和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，研究了不同流速、土壓力條件下非飽和土中水分擴散和溶質(zhì)運移；Yasuda等［16］和Bejat等［17］也探討了孔隙水流速對擴散系數(shù)的影響. 綜合各研究表明，探究注入速度對藥劑擴散的影響是十分必要的，對工程施工有指導(dǎo)意義.

探究溶液在土壤中的擴散規(guī)律，通常采用室內(nèi)土柱［18-20］、野外土柱、野外采集等開展研究. 在高壓旋噴修復(fù)土壤污染的過程中，藥劑進入土壤后向四周擴散，因此需要探究藥劑在土壤中水平擴散的規(guī)律. 用水平入滲實驗計算土壤水分擴散率的方法最早由Bruce［21］提出，該方法是利用一個半無限長的水平土柱來進行入滲試驗，可以忽略重力作用；Kirkham［22］采用水平土柱進行硝酸鹽的擴散實驗，并獲得相應(yīng)的模型參數(shù). 結(jié)合工程實際情況和已有研究結(jié)果，需要對污染治理藥劑在橫向擴散情況下的擴散規(guī)律進行探究.

綜上所述，為了解決實際工程中存在的問題，對采集自某土壤修復(fù)場地的土壤進行了一維橫向土柱擴散試驗，探究了不同土壤圍壓、土壤初始含水率以及藥劑注入速度對藥劑在土壤中擴散的影響規(guī)律，并通過土壤的最終pH分析了土壤污染治理效果.

1 試驗裝置及方案

1.1 試驗裝置

在實際修復(fù)工程中，水平方向有效修復(fù)半徑往往是衡量修復(fù)效果和效率的標準. 因此，本文對地下土壤中水分運移的研究主要集中在水平方向的擴散部分，未考慮豎直方向的擴散. 圖1 為室內(nèi)試驗裝置連接示意圖，通過此裝置可開展不同影響因素（圍壓、含水率、注入速度）對藥劑在土壤中擴散的研究.

圖1 橫向擴散實驗裝置圖Fig.1 Diagram of lateral diffusion experimental device

試驗裝置主要由擴散試驗筒、加壓系統(tǒng)、注液系統(tǒng)以及檢測系統(tǒng)四部分組成. 擴散試驗筒內(nèi)直徑90 mm，總長1200 mm，在試驗筒側(cè)壁開有一個加液孔和編號為1～9的9個檢測孔，加液孔及各測量孔間距100 mm.加壓系統(tǒng)由空氣壓縮泵、氣囊、土壓力傳感器及靜態(tài)應(yīng)變儀組成，通過氣囊底板用于隔絕氣囊和實驗土柱，使試驗土柱平均受壓. 試驗過程中，采用KCS PRO蠕動泵通過加液孔向土柱中恒速定量的注入溶液；將土壤含水率檢測儀插入至1～9號檢測孔中，實時檢測擴散過程中各位置含水率變化情況，擴散結(jié)束后在檢測孔處采集土樣測量土壤最終pH.

1.2 試驗材料

試驗所用土壤采集自某土壤修復(fù)場地，經(jīng)過除雜、烘干后，配置成試驗所需含水率的土壤. 經(jīng)測定，原狀土呈弱酸性，原始含水率為17.58%，土壤顆粒組成見表1.

表1 土壤顆粒組成Tab.1 Soil particle composition

由于采集的土樣呈弱酸性，因此采用水解呈堿性的磷酸鈉用于模擬土壤污染治理藥品，將磷酸鈉配置成一定濃度的溶液用于模擬污染修復(fù)藥劑. 試驗中，將磷酸鈉溶液注入土柱中，使得溶液與土壤發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，以此模擬在工程中土壤修復(fù)藥劑治理土壤的過程.

1.3 試驗方案

將試驗筒豎直放置填充配置好的試驗土壤，邊填充邊搗實，形成均勻的土柱，試驗裝置橫放進行后續(xù)試驗. 最前端的加液孔是模擬藥劑的注入孔，通過KCS PRO蠕動泵定時定量以恒速將配置好的試驗溶液注入試驗土體中. 利用插入1～9號孔的土壤含水率檢測儀進行時間的數(shù)據(jù)記錄，對擴散過程中含水率變化進行實時測量. 試驗筒靠近注入孔端部可安置氣囊，并通過空氣壓縮泵充氣至一定壓力來模擬地下土壤受到的圍壓. 擴散完成后，在1～9號檢測孔進行取樣，測定土壤樣品的pH值，探究藥劑與土壤的反應(yīng)情況，以此確定土壤修復(fù)情況. 同一組試驗均進行兩至三次誤差在一定范圍內(nèi)的有效重復(fù)，盡量提高本試驗的精確度并確保其可重復(fù)性. 具體的影響因素取值見表2.

表2 影響因素取值Tab.2 Values of influencing factor

2 結(jié)果與分析

2.1 圍壓對藥劑擴散的影響

根據(jù)試驗結(jié)果可以得出土壤圍壓對藥劑在土壤中擴散的影響，圖2 為土壤含水率為15%、注入速度為20 mL/min 時，各圍壓情況下含水率達到25%所需時間. 觀察圖2 可知，在圍壓較?。ㄐ∮?5 kPa）的時候，隨著圍壓增大，藥劑擴散所需時間逐漸減??；當圍壓較大（大于15 kPa）時，隨著圍壓增大，擴散所需時間逐漸增大，這說明藥劑的擴散速度隨圍壓先增大后減小. 根據(jù)擴散規(guī)律發(fā)生變化的節(jié)點，將圖2分解為圖3（a）、（b），可以明顯看出，當土壤圍壓為15 kPa時，藥劑擴散速度最大. 因此可以推斷，在其他條件一定的情況下，存在一個圍壓使得藥劑擴散速度最快，據(jù)此可以確定土壤修復(fù)高壓旋噴技術(shù)的最佳深度.

圖2 不同圍壓下含水率達到25%所需時間Fig.2 Times required for water content to reach 25%under different confining pressures

圖3 不同圍壓下土壤含水率達到25%所需時間Fig.3 Times required for soil water content to reach 25%under different confining pressures

擴散結(jié)束后，采集1～5 號孔的土壤樣本，測量其pH值，以便更好地觀察. 圖4 為不同圍壓情況下各觀測孔的最終pH值，圖5為根據(jù)大小圍壓將圖4進行分解.

分析圖4、圖5 可知，在圍壓較小的時候，最終pH 值隨著圍壓的增加逐漸增加，且各點的pH 值相差不大，這說明在一定程度上，增大土壤圍壓會促進藥劑溶質(zhì)擴散. 當土壤圍壓較大（大于20 kPa）時，1 號孔處最終pH 明顯大于后方各觀測孔，即過大的圍壓會抑制藥劑擴散，使得藥劑聚集在注入位置.

圖4 不同圍壓下各孔最終pH值Fig.4 The final pH of each hole under different confining pressures

圖5 不同圍壓下各孔pH值Fig.5 The final pH of each hole under different confining pressures

通過以上結(jié)果可以得知，土壤圍壓是影響污染治理藥劑擴散的一個關(guān)鍵因素. 藥劑在進入土體之后，從注入點處沿土壤孔隙通道向各個方向進行擴散. 由于本試驗中土壤圍壓是橫向加載，因此土柱在收到壓力后，縱向孔隙會率先收到壓縮，橫向孔隙在壓力的作用下被聯(lián)通，所以在較小圍壓情況下，藥劑擴散速度會隨著土壤圍壓增大而增大. 持續(xù)增大壓力，當土壤圍壓達到一定數(shù)值后，各個方向的孔隙進一步被壓縮，藥劑擴散變得非常困難，因而此時會出現(xiàn)隨著圍壓增大，藥劑擴散速度逐漸減小的趨勢，并且藥劑會在注液孔附近聚集，使得1號孔處pH值遠大于后方各孔，造成土壤污染修復(fù)不徹底，而且會導(dǎo)致注液孔附近藥劑殘留，有二次污染的風險.

在實際工程中，不同場地污染物深度不同，對應(yīng)的圍壓也不相同. 當污染物深度較淺時，土壤圍壓可以促進藥劑擴散，當污染物深度較深時，土壤圍壓會抑制藥劑的擴散，此時可以通過改變其他條件，以達到更好的修復(fù)效果.

2.2 土壤含水率對藥劑擴散的影響

在討論土壤含水率對藥劑擴散的時候，由于所配置的土柱初始含水率不同，因此選用各孔含水率增加10%所需時間進行研究，根據(jù)實驗結(jié)果，圖6（a）、（b）為注入速度分別為40 mL/min和60 mL/min、自由擴散情況下，不同含水率對藥劑擴散速度的影響.

圖6 土壤含水率增加10%所需時間Fig.6 Times required for soil moisture content to increase by 10%

通過圖6可以看出，在其他條件相同的情況下，短距離內(nèi)（1號孔處），土壤初始含水率較低時，土壤水分擴散速度較快，而隨著擴散的持續(xù)進行，通過后方幾個觀測孔含水率變化可以看出，在擴散后期初始含水率較高時藥劑擴散速度更快. 產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是本實驗所配置的土樣均為非飽和土，在相同的干密度下，非飽和土的基質(zhì)吸力對含水率的變化比較敏感，隨著含水率的增加，基質(zhì)吸力呈現(xiàn)出急劇減小的趨勢［12］. 因此，在距離加液孔較近的1號孔處有含水率較低的土壤的含水率增長速度最快的現(xiàn)象. 隨著實驗的繼續(xù)，土壤含水率逐漸增大，土壤孔隙逐漸被藥劑溶液填充，形成液體孔隙通道，土壤含水率越高有效孔隙占比越多，因此在擴散后期，初始含水率較高的土柱中藥劑擴散更快.

擴散結(jié)束后，采集各觀測孔處土壤樣品，測量其pH值以此反應(yīng)土壤與藥劑溶液的反應(yīng)情況，評估擴散效果，圖7（a）、（b）為注入速度分別為40 mL/min和60 mL/min時各觀測孔處土壤pH檢測曲線. 可以發(fā)現(xiàn)，不同含水率情況下，土壤最終pH相差不大，這說明不同含水率情況下，土壤污染物與藥劑溶液反應(yīng)情況基本相當，即土壤初始含水率不影響綜合治理效果.

圖7 不同含水率情況下土壤最終pHFig.7 The final pH of soil under different water contents

2.3 藥劑注入速度對藥劑擴散的影響

通過試驗結(jié)果可以得到注入速度對藥劑在土壤中擴散的影響，圖8（a）、（b）為藥劑質(zhì)量濃度為15 g/L，土壤含水率分別為10%和20%時，不同注入速度情況下各觀測孔含水率達到25%所需時間.

圖8 不同注入速度下土壤含水率達到25%所需時間Fig.8 Times required for soil moisture content to reach 25%under different injection rates

通過圖8可以看出，隨著注入速度的增加，擴散所需時間明顯變短，即擴散速度變大，然而擴散速度的增加與注入速度的增加不成正比. 注入速度從20 mL/min 增加至40 mL/min 時，擴散速度明顯增大，然而當從40 mL/min增加至60 mL/min時，擴散速度基本不變.

在實際工程中，污染場地內(nèi)的污染物總量是一定的，因此治理土壤污染所用的藥劑總量也是一定的. 考慮到在不同注入速度情況下相同藥劑注入所需的總時間不同，在此引入了相對時間的概念，即

其中：Tˉ為相對時間；T為觀測孔處土壤含水率達到25%所需時間；T0為該組試驗所花費的總時間.

圖9（a）、（b）為兩種不同初始含水率的情況下，不同注入速度所對應(yīng)的土壤含水率達到25%所需的相對時間. 可以看到，在相同的擴散距離情況下，隨著注入速度的增大，藥劑擴散所需相對時間有著先減小后增大的趨勢. 因此，要增大單位時間內(nèi)的擴散效率，需要根據(jù)土壤性質(zhì)選擇合適的注入速度.

圖9 不同注入速度下土壤含水率達到25%所需相對時間Fig.9 Relative times required for soil moisture content to reach 25%under different injection rates

擴散結(jié)束后，采集各觀測孔處土壤樣品，圖10（a）、（b）為土壤含水率分別為10%和20%時，各觀測孔處土壤pH檢測曲線，

圖10 不同注入速度情況下土壤最終pHFig.10 The final pH of soil under different injection rates

觀察圖10，在注入速度為20 mL/min 和40 mL/min時，各個觀測孔處土壤最終pH基本平穩(wěn)，當注入速度提升到60 mL/min 時，各觀測孔pH 由明顯波動，擴散并不穩(wěn)定，分析此現(xiàn)象：土壤呈弱酸性，治理藥劑呈堿性，1號孔附近中和反應(yīng)基本結(jié)束，持續(xù)注入的藥劑使此處pH較高；2～4號孔中和反應(yīng)也基本結(jié)束，但還未有新的藥劑擴散，因此pH較低；5～7號孔中和反應(yīng)仍在發(fā)生，藥劑還有殘留，此處pH較高；8、9兩孔處藥劑幾乎未擴散到此處，由于土壤呈弱酸性，因此pH較低.

通過以上結(jié)果，可以看出在采用高壓旋噴法修復(fù)土壤污染工程中，藥劑注入速度是相當重要的施工參數(shù). 當藥劑注入速度變化在一定范圍之內(nèi)時，藥劑溶質(zhì)擴散會較為均勻，在一定范圍內(nèi)都有很好的治理效果，并且注入速度增大，藥劑注入速度也隨之增大，單位時間內(nèi)擴散效率也更高. 而當注入速度大于一定數(shù)值之后，藥劑溶質(zhì)的擴散會出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，治理范圍也會變小，且此時提高注入速度，并不會明顯提升擴散速度，反而會使得單位時間內(nèi)擴散效率變低.

藥劑在進入土壤后，主要沿土壤液相和孔隙通道進行擴散，隨著藥劑注入速度增大，參與到擴散過程的土壤孔隙占比逐漸增大，此時隨著注入速度增大，藥劑擴散速度也隨之增大. 當注入速度大于一定數(shù)值之后，孔隙通道全部參與到擴散過程中，持續(xù)增大注入速度，孔隙通道不足以通過大量藥劑，因此擴散速度增長會減慢. 此外，當注入速度過大時，短時間內(nèi)大量藥劑進入土壤，超出土壤擴散能力，藥劑逐漸累積，這會對土壤結(jié)構(gòu)造成破壞，抑制藥劑向后擴散，影響藥劑的擴散距離，使得治理范圍變小.

3 結(jié)論

針對在采用高壓旋噴法修復(fù)土壤污染工程中存在的返漿和藥劑擴散不充分的問題進行了室內(nèi)模擬實驗，通過對不同土壤圍壓、土壤含水率、藥劑注入速度進行研究，得出了這些影響因素對藥劑在土壤中的擴散速度和擴散效果的影響規(guī)律.

1）隨著土壤圍壓的增大，藥劑擴散速度表現(xiàn)出現(xiàn)增大后減小的趨勢，存在某一個圍壓使擴散速度達到最快. 同時，當圍壓過大的時候，由于土壤被壓實，藥劑難以擴散而集中到注射孔附近，使藥劑擴散得不均勻.

2）受土壤基質(zhì)吸力的影響，擴散初期含水率較低的情況下（10%左右）藥劑的擴散速度會比較快，隨著擴散持續(xù)進行，藥劑在含水率較高的土柱中擴散得更快. 此外，由最終pH反應(yīng)的治理結(jié)果表明，土壤含水率變化基本不影響綜合治理效果.

3）在一定范圍內(nèi)，隨著藥劑注入速度的增加，藥劑擴散速度逐漸增大，超出范圍后，繼續(xù)增大注入速度并不會明顯增大擴散速率，反而單位時間內(nèi)藥劑擴散速率會變低，藥劑利用率變低. 另外，過大的注入速度會使得藥劑溶液在注液孔附近產(chǎn)生聚集，對土壤孔隙結(jié)構(gòu)造成破壞，影響藥劑擴散距離，造成擴散范圍變小的現(xiàn)象.