多孔介質中DNAPLs運移及模擬研究

李燕

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

關鍵詞：DNAPLs;多孔介質;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使用過程中進入自然環境，會污染水環境、大氣環境、土壤環境，各地地下水中氯代烴有機物、多氯聯苯、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-水系統中，有機物污染與治理是開展城市土地利用與經濟建設的必要前提。國內外對典型DNAPLs在多孔介質中污染特性、空間分布、運移特性及影響因素進行了研究，本文總結歸納多孔介質中DNAPLs污染與運移分布影響因素和研究模型等內容，為今后深入研究DNAPLs污染機理與修復治理技術提供參考，以期為污染場地風險評估和應急預案制定提供支撐。

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，多具有化學性質相對穩定、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，其溶解態較易溶入水相與孔隙水中形成污染羽。

DNAPLs進入環境后發生遷移、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，并優先通過根孔、裂縫等較大孔隙形成的優勢通道。DNAPLs在非飽和帶中揮發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在多孔介質中運移受其溶解度、密度、揮發性、濕潤性、飽和度、相對滲透率等自身性質與污染物源強、降雨（地表水）補給速率以及土體的均質性等多因素影響[3]。DNAPLs的運動黏度對其遷移滲流有決定性作用，黏度與滲流達西規律成反比，黏度越大，其達西性越弱。此外，多孔介質的孔隙大小、孔隙通道幾何結構及其連通性影響DNAPLs運移速度，孔隙結構直接決定同一流體在不同多孔介質中滲流特征的不同[4]。例如，石油污染物在多孔介質中的滲流狀況更為復雜多變，滲流速度與壓力梯度存在非線性關系，偏離達西定律[5]。在各類影響因素中，地下水流速和介質的均質性是影響DNAPLs運移分布的關鍵。

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污染修復已成為國內外研究熱點。國內外通過室內試驗與數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間毛細壓力減小，側向水流促進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 介質非均質性對DNAPLs運移影響

滲透性是表征自然土體非均質性的重要參數。研究表明，空間非均質性的滲透系數服從正態分布，粗砂和細砂明顯影響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相表現為濕潤相，砂層中殘余大量的DNAPLs;相應的細砂層中DNAPLs運移至粗砂層后亦表現為濕潤相，并在介質界面聚集后明顯朝水平方向遷移擴散，同時存在DNAPLs通過優勢通道繞流至滲透率較大的粗砂層，繞流運移路徑的不規則性和飽和度空間變異性增大。介質非均質性對DNAPLs運移分布的影響與土壤含水率也有直接關系，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，但與相關長度變化反向。

3 DNAPLs運移模型

目前，介質中DNAPLs多相流研究多結合采用物理試驗與數值模型，模型主要有半理論模型、分型模型、數值模型，如表2所示。其中，參數毛細壓力P、相對滲透率K與飽和度S及其相互間關系（K-S-P）研究是關鍵。數學模型模擬復雜的DNAPLs多相流需要多個參數，可通過試驗確定毛細壓差（P-S）關系，利用數值模型模擬計算K。

試驗是驗證理論模型、研究介質中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相關參數，但常存在限制運移路徑、飽和度等測定困難的問題，這也是室內物理試驗研究的主要障礙。由于DNAPLs組成多樣、理化性質差異較大，DNAPLs污染區域范圍大、水文地質條件（如地下水類型、介質非均質性）復雜等因素，試驗或物理模型應用有一定的局限性，而數值模型能夠較好地模擬、預測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在非均質介質中的遷移擴散：泄露量一定時，泄露速率與對其運移的影響程度成反比;介質粗糙面接觸的相關性越差，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，且受介質非均質性與污染物理化性質等多因素影響，數值模型尚無法準確預測其殘余分布。

分形幾何理論是研究石油開發中驅油劑、原油等非牛頓流體滲流與多孔介質水的有效工具。結合分形理論與毛細管束模型，可建立無經驗常數、參數明確的多孔介質滲透率模型，介質分形維數直接用“計盒法”測量，或通過孔隙率與空隙尺寸推導獲取[7]。分形理論應用于多孔介質運移研究較多，卻鮮少在DNAPLs污染場地運移模擬和風險評估等領域應用[8]。因此，以場地DNAPLs污染運移機制研究為基礎，建立大尺度多孔介質DNAPLs性質及流體參數間的定量關系，模擬分析DNAPLs運移影響機制，為場地污染診斷、風險評估、修復治理及應急預案制定提供有力支撐。

4 結論

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中DNAPLs運移和轉化因素，其中地下水流速和多孔介質的非均質性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治理及突發事故應急中具有重要應用價值。

參考文獻：

[1]劉漢樂，周啟友，吳華橋.基于高密度電阻率成像法的輕非水相液體飽和度的確定[J].水利學報，2008（2）：189-195.

[2]US Army corps of engineers.engineering and design：Soil vapor extraction and bioventing[Z].2002.

[3]Myers C E，Green K E.Overview of the Interstate Technology & Regulatory Council's Technical and Regulatory Guidance for Surfactant/Cosolvent Flushing of DNAPL Source Zones （DNAPL-3）[J].Environmental Claims Journal，2003（3）：375-385.

[4]Hartog N，Cho J，Parker B L，et al.Characterization of a heterogeneous DNAPL source zone in the Borden aquifer using partitioning and interfacial tracers：Residual morphologies and background sorption[J].Journal of Contaminant Hydrology，2010（1）：79-89.

[5]蔡建超.低滲透油藏非達西滲流特性的分形研究[D].武漢：華中科技大學，2007.

[6]馬艷飛，鄭西來，馮雪冬，等.均質多孔介質中石油殘留與揮發特性[J].石油學報，2011（6）：141-147.

[7]Yu B，Lee L J，Cao H.A fractal in-plane permeability model for fabrics[J].Polymer Composites，2002（2）：201-221.

[8]戴葉.多孔介質相對滲透率的耦合模型[D].武漢：華中科技大學，2011.