土壤氣抽提多井方案的數(shù)值模擬研究

欒 旭,武曉峰,胡黎明 (清華大學(xué)水利水電工程系,水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

土壤氣抽提多井方案的數(shù)值模擬研究

欒 旭,武曉峰*,胡黎明 (清華大學(xué)水利水電工程系,水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

以存在石油烴污染的北京市某加油站場(chǎng)地為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)了土壤氣抽提(SVE)原位修復(fù)系統(tǒng),應(yīng)用AIR3D軟件對(duì)SVE作用下土壤包氣帶的氣壓場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬.劃定以土壤氣壓強(qiáng)低于或等于101.122kPa的區(qū)域?yàn)槌闅庥绊憛^(qū)域.模擬結(jié)果顯示,單井的抽氣影響區(qū)域不能滿足要求;多井抽氣時(shí),井間區(qū)域土壤氣體真空度受多井共同作用,擴(kuò)大了抽氣的影響區(qū)域.抽氣井不同布置情況下井間距大小對(duì)相互作用效果存在影響.研究發(fā)現(xiàn),井間相互作用隨著井間距的增大而減小,井間距存在臨界值.井間距臨界值與抽氣井的布置形式相關(guān).對(duì)于本研究中的2眼井、3眼井、4眼井情景,此臨界值分別在3～5m、5～8m、8～10m區(qū)間.超過(guò)此臨界值時(shí)井間相互作用將顯著減弱,并導(dǎo)致抽氣影響區(qū)域不能覆蓋整個(gè)井間范圍.

土壤氣抽提；數(shù)值模擬；AIR3D；多井方案

土壤氣抽提(SVE)是治理包氣帶內(nèi)土壤石油烴污染的一種有效的原位物理修復(fù)方法[1-2].它通過(guò)抽氣井保持一定的真空度抽取非飽和土壤中的空氣,土壤中的有機(jī)污染物揮發(fā)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)形式隨抽氣氣流離開土體,將抽出的氣體處理后再予排放,從而達(dá)到清除非飽和區(qū)的揮發(fā)性污染物,修復(fù)土壤包氣帶的目的.

在實(shí)施SVE前,首先需要針對(duì)場(chǎng)地設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)抽氣方案.井?dāng)?shù)及井布置方案是影響工程的成本與治理效果的2個(gè)關(guān)鍵因素.數(shù)值模擬,尤其是三維數(shù)值模擬是研究這2項(xiàng)影響因素的重要手段.

20世紀(jì)80年代起,發(fā)達(dá)國(guó)家在土壤修復(fù)技術(shù)方面進(jìn)行了大量研究.總體上,對(duì)于 SVE的作用機(jī)理已經(jīng)有一定的認(rèn)識(shí)[3],數(shù)學(xué)模型由二維向三維發(fā)展[4-6],并注重對(duì)地表覆蓋情況以及抽氣影響半徑等實(shí)際工程因素的討論[7-11].近幾年,隨著土壤多相流研究以及生物降解研究的不斷深入,SVE與曝氣、與生物降解相結(jié)合的治理手段正越來(lái)越受到重視[12-13].

我國(guó)對(duì)SVE的研究起步較晚,除在國(guó)外研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了數(shù)值模型研究外[14-15],近年來(lái)也開展了一些室內(nèi)實(shí)驗(yàn)[16]及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[17].目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)SVE的研究鮮見針對(duì)多井情況的專門討論,而單井往往不能滿足污染現(xiàn)場(chǎng)的治理要求,與工程實(shí)際應(yīng)用仍有較遠(yuǎn)距離.

本研究以北京市某加油站的石油烴污染場(chǎng)地作為研究對(duì)象,針對(duì)SVE系統(tǒng)在井群抽氣情況下的井布置方案及其抽氣效果進(jìn)行數(shù)值模擬,以討論井群間各井的相互影響以及井布置方案、井間距等因素對(duì)抽氣效果的影響,并為現(xiàn)場(chǎng)治理提供指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 SVE基本原理

揮發(fā)性有機(jī)污染物在土壤包氣帶中主要有4種存在形式:氣相、溶解相、吸附相和非水相流體(NAPL)相.其中氣相指污染物揮發(fā)成氣態(tài)的存在形式;溶解相指污染物溶于水的部分;吸附相指污染物吸附在土壤顆粒上的部分;NAPL相是指未溶于水的液態(tài)有機(jī)污染物.當(dāng)NAPL進(jìn)入土壤包氣帶后,將有部分揮發(fā)成氣態(tài)并同時(shí)有部分溶解于土壤水中.一般來(lái)說(shuō),在溶解相和氣相中的污染物均可與土壤顆粒發(fā)生吸附/解吸關(guān)系.對(duì)于SVE中的氣相—土壤吸附,通常情況下,由于土壤固相表面均有水膜覆蓋,氣、固相幾乎沒(méi)有接觸面存在,因而可忽略該過(guò)程.

SVE通過(guò)布置在污染土壤中的抽氣井抽出土壤孔隙中的空氣,形成負(fù)壓,使土壤氣中的揮發(fā)性有機(jī)污染物(VOCs)同時(shí)被抽出.氣相污染物濃度降低之后,溶解相、吸附相以及NAPL相的污染物將進(jìn)一步向氣相轉(zhuǎn)化,從而以土壤氣為載體,通過(guò)不斷抽取氣相污染物的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤中污染物的去除.

土壤氣抽提的流場(chǎng)控制方程為:

式中: μ為氣體黏性系數(shù); θ為土壤孔隙度; P為氣體壓強(qiáng); t為時(shí)間; k~為土壤氣相滲透率張量.

1.2 AIR3D數(shù)值模型

運(yùn)用AIR3D模型進(jìn)行SVE的模擬.AIR3D為三維有限差分法計(jì)算軟件,可以模擬多孔介質(zhì)中氣體滲透過(guò)程和氣壓場(chǎng)分布,由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)開發(fā).穩(wěn)態(tài)時(shí)其控制方程為:

式中:kxx, kyy, kzz分別為沿x,y,z方向的土壤氣相滲透率;φ =P2, P為壓強(qiáng).

模型初始條件各差分網(wǎng)格氣壓均為大氣壓;邊界條件:側(cè)邊界處氣壓為大氣壓,底邊界(地下水水位處)為不透氣邊界,上邊界(地表)可與大氣連通或封閉,抽氣井花管處網(wǎng)格保持抽氣氣壓不變.

1.3 污染場(chǎng)地狀況

本研究對(duì)象為北京市某加油站場(chǎng)地,該加油站采用地下儲(chǔ)油罐儲(chǔ)油,在地表布有加油機(jī).儲(chǔ)油罐下修筑了混凝土防滲槽以防止汽油泄漏污染儲(chǔ)油罐下部的土壤.儲(chǔ)油罐與加油機(jī)間通過(guò)輸油管相連.清華大學(xué)王博[18]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的土壤污染狀況進(jìn)行了檢測(cè).檢測(cè)階段在加油站范圍內(nèi)9個(gè)位置布置取樣點(diǎn),抽取加油站混凝土層下 1m深處氣樣,用氣相色譜聯(lián)用儀對(duì)樣本中總揮發(fā)性有機(jī)物(TVOC)濃度及苯、二甲苯、正己烷等11種污染物濃度進(jìn)行測(cè)定,TVOC濃度結(jié)果如表1所列.并依據(jù)這9個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)繪制了土層1m深處水平面上土壤氣體中TVOC濃度的等值線圖,如圖1所示.

表1 各檢測(cè)點(diǎn)位TVOC濃度[18]Table 1 TVOC concentration at each detection point[18]

圖1 土壤氣體中TVOC濃度等值線[18]Fig.1 TVOC concentration contour in soil gas[18]

2 數(shù)值模擬

2.1 多井聯(lián)合抽氣的疊加效應(yīng)

根據(jù)研究區(qū)TVOC濃度的分布,確定將高濃度區(qū)10m×10m的正方形區(qū)域作為目標(biāo)治理區(qū)域,如圖1所示.用AIR3D建立30m×30m×3m的三維模型,模擬 SVE穩(wěn)態(tài)時(shí)的抽氣效果,場(chǎng)地地質(zhì)參數(shù)及抽氣井設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所列.

表2 模型相關(guān)參數(shù)Table 2 Parameters in the AIR3D model

為判斷抽氣效果的優(yōu)劣,在模擬得到的土壤氣壓等值線圖中,劃定壓強(qiáng)低于或等于101.122kPa(0.998倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)的區(qū)域?yàn)?SVE的有效影響區(qū)域.

首先模擬單井抽氣的情況,井布置在目標(biāo)治理區(qū)域中心,模擬結(jié)果如圖 2所示.在單井情況下,SVE有效影響區(qū)域?yàn)閳A形,影響半徑為2m左右,未能覆蓋整個(gè)目標(biāo)治理區(qū)域.為了能夠覆蓋整個(gè)治理區(qū)域,需要設(shè)計(jì)多井抽氣的方案.

圖2 單井抽氣時(shí)SVE有效覆蓋范圍Fig.2 SVE effective area when single well is in use

對(duì)于多井抽氣的情況,井群中各井對(duì)土壤氣壓分布存在相互影響.圖3顯示了間隔5m布置2個(gè)相同抽氣井同時(shí)作用,2井花管位置連線上的土壤氣體真空度分布,井的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示.真空度在抽氣井附近達(dá)到最大值,隨著距抽氣井距離的增加真空度降低.在2井中間的區(qū)域,真空度比單井作用時(shí)高,表明多井的抽氣效果疊加,使該范圍內(nèi)的土壤氣壓進(jìn)一步降低.

圖3 兩井同時(shí)抽氣情況下土壤中氣體真空度分布Fig.3 Soil vacuum distribution when two wells are extracting at the same time

多井聯(lián)合作用下抽氣效果的疊加同時(shí)體現(xiàn)在SVE影響范圍的變化上,多井聯(lián)合作用下影響區(qū)域的大小會(huì)大于多個(gè)抽氣井單獨(dú)作用時(shí)影響區(qū)域之和.以本研究北京市某加油站場(chǎng)地的模擬結(jié)果為例,當(dāng)在同一SVE系統(tǒng)中布置相互間隔5m的 4個(gè)井聯(lián)合抽氣時(shí),影響區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)近似的圓角四邊形,如圖4所示;而將4個(gè)單井SVE系統(tǒng)的影響區(qū)域疊加,則得到4個(gè)互不相連的圓形,如圖5所示.可以看出 4個(gè)抽氣井聯(lián)合作用提高了井間土壤區(qū)域的真空值,增大了SVE的影響區(qū)域.

圖4 四井聯(lián)合抽氣時(shí)的SVE有效覆蓋范圍Fig.4 SVE effective area for 4-well system

2.2 多井抽氣井間距對(duì)相互作用效果的影響

對(duì)于含有多個(gè)抽氣井的井群,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮各抽氣井的間距以及井的排列方式對(duì)壓強(qiáng)場(chǎng)的影響,這2項(xiàng)因素都會(huì)影響SVE的設(shè)計(jì)方案.本研究針對(duì)直線式、三角形式、矩形式3種不同的井群排布方式分別進(jìn)行了3組模擬.3組模擬中,抽氣井間的區(qū)域分別受2眼井、3眼井、4眼井的共同影響.在每組模擬中再變化抽氣井的間距以討論井間距與抽氣影響區(qū)域的關(guān)系,模擬結(jié)果如圖6～圖8所示.

3組模擬結(jié)果表明,隨著井間距增大,多井的相互作用減弱,且抽氣井間距存在一臨界值,當(dāng)井間距小于此值時(shí),抽氣井井間區(qū)域土壤氣體真空度達(dá)到治理目標(biāo),此區(qū)域中的氣體污染物可被有效去除.當(dāng)井間距大于此值時(shí),井間區(qū)域不能完全達(dá)到治理所要求的真空度,有效治理范圍不能覆蓋全部井間區(qū)域.

圖5 四個(gè)單獨(dú)作用的抽氣井有效范圍的疊加Fig.5 Superimposition of the SVE effective area of 4 single functional well

對(duì)比3組模擬結(jié)果,對(duì)于不同的井布置方案,這一臨界值的大小不同:雙井抽氣時(shí)這一值在3～5m間;3井抽氣時(shí),這一值在5～8m間;4井抽氣時(shí),這一值在8～10m間.

3 結(jié)論

3.1 數(shù)值模擬的結(jié)果表明,SVE過(guò)程中多井聯(lián)合抽氣時(shí)井間區(qū)域土壤氣的壓強(qiáng)受到多個(gè)抽氣井的共同影響.多井聯(lián)合作用下影響區(qū)域的大小會(huì)大于多個(gè)抽氣井單獨(dú)作用時(shí)影響區(qū)域之和.

3.2 劃定101.122kPa土壤氣壓強(qiáng)等值線為抽氣的影響范圍邊界,改變抽氣井的井間距,抽氣井的井間相互影響隨著抽氣井井間距增大而減小.

3.3 對(duì)于2眼井、3眼井、4眼井的3種不同井布置,井間距分別存在一個(gè)臨界值,使多井的抽氣效果與影響范圍最佳.且這一值與井的不同布置有關(guān),隨著井?dāng)?shù)增多而增大.在該案例中,2眼井時(shí),這一值在3～5m間;3眼井時(shí),這一值在5～8m間;4眼井時(shí),這一值在8～10m間.

圖6 雙井聯(lián)合抽氣時(shí)抽氣井有效范圍Fig.6 SVE effective area for 2-well system

圖7 三井聯(lián)合抽氣時(shí)抽氣井的有效范圍Fig.7 SVE effective area for 3-well system

圖8 四井聯(lián)合抽氣時(shí)抽氣井的有效范圍Fig.8 SVE effective area for 4-well system

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Simulation of multiple wells system in soil vapor extraction.

LUAN Xu, WU Xiao-feng*, HU Li-ming (State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Department of Hydraulic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China). China Environmental Science, 2012,32(3)：535～540

A numerical simulation of the air pressure distribution in the contaminated vadose zone was conducted using the AIR3D model, based on the designed in-situ SVE remediation system for the contaminated gas-station site. An affected area was defined as the domain which has an air pressure lower than 101.122kPa. At first, a single well was used in the simulation, but the result turned out that the affected area was not sufficient to cover the contaminated zone. Then a multiple wells system was proposed, and the combined and enhanced effect was observed. Further, the influence of well interval and well distribution on the affected area was discussed in the multiple wells system. The numerical results showed that interaction between wells decreases along with the increase of the well interval. There existed a critical value representing the maximum well interval of the combined effect. The critical well interval varied with the change of the well distribution pattern. The critical well intervals in the 2-well, 3-well, 4-well systems discussed in this study are in intervals of 3-5m, 5-8m, 8-10m respectively. In well systems with larger well intervals than the critical values, interaction between wells would decrease significantly, and the affected area would not cover the entire inter-well area.

soil vapor extraction；numerical simulation；AIR3D；multiple wells system

X53

A

1000-6923(2012)03-0535-06

2011-06-12

北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(D07050601510000)

* 責(zé)任作者, 副教授, wuxiaofeng@tsinghua.edu.cn

欒 旭(1987-),男,北京人,清華大學(xué)碩士研究生,研究方向?yàn)榈叵滤h(huán)境.