多孔介質中NAPLs滲流特性及其模型的研究現狀

馮雪冬，張 毅，馬艷飛，高佩玲，尚貞曉

(1. 山東理工大學 資源與環境工程學院, 山東 淄博 255049；2. 山東理工大學 農業工程與食品科學學院, 山東 淄博 255049)

石油在開采、煉制、貯運和使用過程中出現的跑、冒、滴、漏等問題造成的環境污染已成為世界范圍的環境問題。由于石油及其制品微溶于水，在環境研究領域習慣將其稱為非水相流體( Non-Aqueous Phase Liquids，簡稱NAPLs)。按照NAPLs與水的相對密度大小，將其分為輕質非水相流體(Light Non-Aqueous Phase Liquids， LNAPLs)和重質非水相流體(Dense Non-Aqueous Phase Liquids，DNAPLs)[1]。2017年中國石油產量仍居世界第五，其中80%產自陸地油田，400多個勘探、開發的油田和油氣田周邊約480萬hm2土地的石油含量超過安全值[2]。土壤石油污染問題已相當嚴重，而石油中的大部分石油烴在重力和毛細力作用下垂直向下運動，殘留在非飽和區的孔隙和裂隙中，或者穿過包氣帶直至飽和區，污染地下水系統，進而造成地下水水質的不斷惡化[3-4]。例如，勝利油田位于的黃河三角洲地區地下水埋深淺，天然防污性能差，一旦出現石油污染物泄露將會造成大面積地下水污染，并威脅三角洲濕地生態系統安全[5-6]。

NAPLs進入地下環境后，將在污染場地多孔介質中經歷滲流、吸附和降解等一系列物理化學及生物反應。其中NAPLs的滲流直接關系到污染場地的污染尺度和污染程度，學者們對此進行了大量的研究。本文擬對多孔介質中NAPLs滲流特性及其模型的相關研究現狀進行歸納總結，為今后研究提出新的思路和見解，以期為污染場地風險評估和應急預案制定提供理論依據，這對土壤和地下水污染控制和減緩具有重要的指導意義。

1 多孔介質中NAPLs的滲流特性

多孔介質中NAPLs滲流與多孔介質性質(尤其是微孔結構)、流體性質、流體的運動狀況及其相互作用密切相關[7-8]。流體密度和粘度構成的運動粘度對其滲流起著決定性作用。流體粘度增大，流體滲流規律偏離達西定律，非達西特性增強，啟動壓力梯度越大；當其粘度減小到一定值時，滲流由非達西流轉變為達西流[9]。多孔介質的孔隙大小、孔隙喉道幾何結構及其連通性影響石油污染物運移速度，而同一流體在不同多孔介質中滲流特征的不同，也充分說明孔隙結構的決定性作用[10-11]。水通常被認為是牛頓流體，但當其在多孔介質細小的孔道中流動時則顯示出非牛頓流體的非線性滲流特征，具有啟動壓力梯度[12]。石油污染物更是如此，其粘度大于水，所含石油烴種類繁多，性質各異，密度和粘度大小不一，在多孔介質中滲流狀況更為復雜多變，也會出現非牛頓流體的滲流特性，具有啟動壓力梯度，偏離達西定律，滲流速度與壓力梯度存在非線性關系[13]。因此，對于多孔介質中NAPLs的滲流問題，必須尋求新的方法來解決。

2 NAPLs滲流模型研究

地下環境體系中NAPLs滲流涉及油-水-氣三相流或油-水兩相流，均屬于多孔介質的多相流問題。多相流研究最早開始于石油工業和土壤科學領域，但由于石油產品泄漏引起的嚴重環境問題，水資源領域也已開展多相流的物理機制及NAPLs運移的數學模型研究[14-15]。目前對于多孔介質中NAPLs污染的多相流研究多采用實驗數據結合數學模型的方法，其中毛細壓力(p)、相對滲透率(K)與飽和度(S)是多相流研究中最基本、最關鍵和最復雜的參數[16-17]。三者之間的模型關系(K-S-p)已被廣泛地應用于地下環境中流體流動、物質傳輸等過程中的數值模擬及預測[18]。因此，這3個參數之間相關關系的確定為NAPLs污染尺度和污染效應的預測奠定了基礎。

2.1 半理論模型

由于多相滲流問題的復雜性，數學模型所需的微分方程組(由運動方程和連續性方程組成)因變量居多[19]。因此，目前一般采用試驗與模型相結合的方法確定相對滲透率-飽和度-毛細壓力函數關系(簡稱為(K-S-p)關系)。通過試驗建立的p-S曲線(即毛細壓差關系)，運用數學模型計算各相的相對滲透率。在公認的利用毛細壓差關系計算相對滲透率的模型中，Parker and Lenhard[20]的Van Genuchten-Mualem(VGM)模型和Oostrom and Lenhard[21]提出的Brooks-Corey-Burdine(BCB)模型模擬結果接近實測數據，得到了廣泛應用[22-23]。

VGM模型中油相相對滲透率如下：

(1)

其中:

(2)

(3)

BCB模型中油相相對滲透率如下：

(4)

式中與飽和度有關符號意義同VGM模型，由Brooks-Corey關系式確定[25]。

VGM模型與BCB模型是目前使用最廣泛、不用考慮滯后影響的2個模型，但此類模型屬于依賴試驗數據的半理論模型，試驗耗時長、工作量大并且受限于測試技術，使其在多孔介質中NAPLs滲流領域的應用具有局限性，而且此類模型大多基于達西定律推導獲得，對非線性滲流不能很好的模擬實測結果。

2.2 分形模型的應用

近幾年，分形理論在多孔介質滲流領域的應用研究成為熱點，該方法的優點是可以將宏觀的、非線性的物理現象用微觀的物理參數來表達[26]。眾所周知，多孔介質孔隙微結構極其復雜，孔的分布往往是非均勻、無序、非規則的，用數學模型求得的滲透率表達式往往含有多個沒有物理意義的經驗常數，不能客觀反映多孔介質輸運特性的物理機理[27]。已有大量研究表明，多孔介質具有分形特征，且分形幾何理論已被證實是描述多孔介質中水分以及非牛頓流體滲流特性的強有力工具[28-29]。分形理論在多孔介質中非牛頓流體滲流特性的應用研究中，非牛頓流體滲流一般指在油田開發工業中使用的驅油劑(聚合物、膠束和泡沫溶液等)以及采油過程中原油的滲流過程。將分形理論和毛細管束模型相結合，建立的多孔介質滲透率模型的解析方程中沒有任何經驗常數，而且相關參數物理意義明確[30]。對于分形模型中的多孔介質孔隙分形維數和迂曲度分形維數可直接用“計盒法”來測量，或者運用分形理論通過易測的多孔介質孔隙率和孔隙尺寸等參數推導出分形維數，這解決試驗耗時長并不易實現的問題[31]。同時，模型中流體性質參數也較易獲取。目前，分形模型在該領域的應用也僅限于模型模擬，鮮見有關驗證此類模型有效性的試驗研究報道。研究表明，分形理論在多孔介質中NAPLs運移方面有所應用，分形維數用于定量表征NAPLs滲流形態[32-33]，但尚未用于石油污染場地污染尺度預測和風險評估等領域，若分形理論在滲流形態研究和滲流尺度預測的應用相結合，將會解決半理論模型中參數確定存在的耗時長并定量難等問題，也將給多孔介質中NAPLs滲流研究帶來重大突破。

3 NAPLs滲流實驗研究

試驗研究對探明多孔介質中石油污染物滲流與運移起到重要作用，同時也是驗證理論模型有效性的有效手段。一般采用一維土柱或二維箱式試驗研究多孔介質中NAPLs滲流過程[34]。通過一維土柱試驗，可確定多孔介質對石油污染物運移的阻滯系數、p(S)和K(S)關系以及建立非飽和帶污染物遷移地下水運動模型等[35-36]。一維土柱試驗往往限制石油污染物的遷移路徑，而二維箱式試驗中有機污染物飽和度分布的測定技術已成為多相流室內模擬研究的最大障礙，由于缺乏定量化的實驗數據，也使數學模型的驗證缺少可靠的依據，在一定程度上限制了數學模型的發展。描述多孔介質中NAPLs滲流的K、S和p參數，p可用連接壓力傳感器的陶土壓力計測得[37]，而難題在于油相殘留飽和度的獲取。隨著測量技術的發展，研究者開始嘗試運用伽瑪射線、Х射線衰減技術、多譜段影像分析技術以及電阻率成像技術定量描述多孔介質中油相飽和度的分布[38-39]。圖象分析方法在分析整個污染區域的流體動態飽和度分布具有優勢，因此在許多與反射光強度有關的流體飽和度或溶解物濃度測定的試驗中得到應用。劉漢樂等[40]通過改進的多譜圖象分析方法獲取不同時刻LNAPL含量差值在二維空間上的分布圖，探討LNAPL在非飽和帶中層狀非均質條件下的遷移機制和分布特性。Kechavarzi等[41]將多譜圖象分析方法用于均質含水介質中LNAPL的滲透和分布實驗模擬。DiFilippo等[42]借助于圖像分析技術研究淋溶狀態下均質和非均質含水介質中DNAPL(三氯乙烯)溶解量與含水介質結構特性之間的關系。同時，圖像分析技術用于分析層狀多孔介質中LNAPL分布的主要影響因素[43]。因此，以先進分析技術為基礎，采用試驗方法研究多孔介質中NAPLs滲流特征可行性強，為應用模型的修正和驗證提供有力保障。

4 展望

多孔介質中流體滲流特征因多孔介質性質、流體性質以及流動狀態而異。不同石油污染場地的多孔介質性質各異，不同土層深度的多孔介質性質也存在差異；另外，石油為多組分石油烴的混合物，各組分性質不同，這些決定了多孔介質中NAPLs滲流特征的可變性。目前針對不同地區石油污染物滲流缺少系統的研究。分形模型將多孔介質微孔結構和流體性質變化囊括其中，在土壤水分特征曲線和多孔介質中非牛頓流體滲流特性的定量表征上體現出其優越性。同時，分形模型摒棄以往模型中經驗常數多、物理意義不明確等問題。分形理論成功地應用于多孔介質輸運性質的研究已20多年，但是較少有研究用分形理論來分析溢出和泄漏在污染場地中NAPLs的滲流和運移。因此，以污染場地多孔介質中NAPLs滲流特征的試驗研究為基礎，建立多孔介質和NAPLs性質參數與流體滲透參數之間的定量關系，探明多孔介質中NAPLs滲流的影響機制，構建分形模型，這將為污染場地的風險評估、應急預案制定以及修復治理提供理論依據和研究思路。