鹽度對多孔介質(zhì)中DNAPL運移和分布的影響

程 洲，徐紅霞，孫媛媛，施小清，廖朋輝，吳吉春

(南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院水科學(xué)系/污染控制與資源化國家重點實驗室，江蘇 南京 210023)

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鹽度對多孔介質(zhì)中DNAPL運移和分布的影響

程 洲，徐紅霞，孫媛媛，施小清，廖朋輝，吳吉春

(南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院水科學(xué)系/污染控制與資源化國家重點實驗室，江蘇 南京 210023)

選用四氯乙烯(PCE)作為典型DNAPL污染物，以NaCl作為地下水中溶解鹽代表，研究鹽度對DNAPL在飽和多孔介質(zhì)中運移和分布的影響。通過批次實驗測定NaCl水溶液/石英砂/PCE三相體系下的接觸角和界面張力，結(jié)果表明，PCE在石英砂表面的接觸角隨著水中NaCl濃度的增大而減小，而PCE和NaCl水溶液的界面張力隨著NaCl濃度的增大而增大，尤其當(dāng)氯化鈉濃度較高時(>0.1 mol/L)，影響程度更為顯著。在此基礎(chǔ)上，采用透射光法監(jiān)測不同介質(zhì)情景下DNAPL在二維砂箱中的運移和分布，定量測定DNAPL在介質(zhì)中的飽和度。實驗結(jié)果表明，地下水鹽度的增加將促進DNAPL的垂向入滲，減少被截留在運移路徑上的DNAPL量，使得DNAPL運移路徑及累積形成的池狀DNAPL(pool)向水流方向偏移。在均質(zhì)多孔介質(zhì)和含有透鏡體的非均質(zhì)多孔介質(zhì)中，隨著鹽度的增加，DNAPL在橫向和垂向上的展布均呈現(xiàn)出增加趨勢，導(dǎo)致污染源區(qū)變大，且介質(zhì)中以離散狀存在的DNAPL量明顯增加。

四氯乙烯； 多孔介質(zhì)；透射光法； 鹽度；運移；重非水相液體；飽和度

在多孔介質(zhì)中，毛細(xì)力、粘滯力和重力等主要作用力控制著重非水相液體(dense non- aqueous phase liquid，DNAPL)的運移和分布[1～3]，這些作用力受DNAPL的理化性質(zhì)、地下水化學(xué)性質(zhì)、巖性等因素的影響。其中毛細(xì)力由界面張力和接觸角(含水層介質(zhì)潤濕性的衡量指標(biāo))確定。潤濕性是指一種流體在另一種不相溶流體存在時優(yōu)先鋪展于固體介質(zhì)表面的趨勢[4]，通常用接觸角(θ)表示，當(dāng)θ在0°～70°時為水相潤濕，當(dāng)接觸角為70°～120°時為中間潤濕狀態(tài)，當(dāng)接觸角大于120°時為油相潤濕狀態(tài)。一般情況下，含水層的介質(zhì)是水潤濕的，但是近些年的研究表明潤濕性可以隨著DNAPL化學(xué)性質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)、含水層中礦物的性質(zhì)和地下水化學(xué)性質(zhì)等因素的改變而發(fā)生改變[5]。地下水化學(xué)性質(zhì)包括pH、離子強度等，這些因素由于自然和人類的影響而發(fā)生很大的改變，這些改變會影響粘滯力以及界面張力和潤濕性，進而影響DNAPL的運移和分布[6]。由于這些物理化學(xué)因素的復(fù)雜性，使得精確描述DNAPL在地下環(huán)境中的形態(tài)變得非常困難，然而，精確描述DNAPL在地下水環(huán)境中運移和分布又是極其重要的。

溶解鹽在地下水中普遍存在，其中以氯化鈉最為常見。受人類和自然因素的影響，這些溶解鹽在地下水中的濃度變化范圍較大。關(guān)于化學(xué)物質(zhì)對DNAPL在多孔介質(zhì)中運移的影響，前人已經(jīng)有相關(guān)的研究[5,7～10]。Lord 等[7]探討了在NAPL/水/石英三相體系下化學(xué)條件的改變對界面張力和接觸角的影響。Ondovcin等[8]和Boufadel等[9]的理論研究表明水相中鹽濃度的升高會使地下水的密度和粘度升高。Molnar等[5]研究了在DNAPL存在條件下，介質(zhì)潤濕性的改變對DNAPL運移的影響。Chen等[10]通過一維砂柱實驗研究了離子強度對飽和多孔介質(zhì)中有機污染物運移的影響。這些研究大多數(shù)都是基于理論的研究以及在溶液、石英玻璃表面或者一維砂柱中進行的實驗。本文選用在地下環(huán)境中普遍存在的四氯乙烯(PCE)為典型DNAPL污染物，以NaCl為地下水中溶解鹽代表，通過接觸角和界面張力的測定，結(jié)合室內(nèi)二維砂箱實驗，采用透射光法定量研究地下水鹽度的變化對PCE在飽和多孔介質(zhì)中遷移和分布的影響。本文的研究結(jié)果可以拓展對DNAPL在地下水中遷移的認(rèn)識，尤其是為地下水鹽度較高地區(qū)的相關(guān)重非水相污染物研究提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

本文選用純度為99.5%的四氯乙烯(PCE)(分析純)作為DNAPL的典型代表物，PCE購于Sigma- Aldrich化學(xué)品公司。PCE的密度為1.625 g/mL (25 ℃)，分子量為165.82 g/mol，水中溶解度約224 mg/L (25 ℃)，PCE和水的界面張力為44.4 mN/m[11]。用溶于有機物而不溶于水的染色劑油紅-O(Fisher Scientific，F(xiàn)air Lawn，NJ) 將無色的PCE染成紅色，染色濃度為0.05 g/L，以便于觀察和透射光法分析，染色后PCE的理化性質(zhì)無顯著改變[11]。氯化鈉為分析純，購于中東化玻有限公司。用超純水配制不同濃度的氯化鈉溶液備用，設(shè)置氯化鈉的濃度范圍為0.005 85 ～58.5 g/L，這與地下水中鹽度的變化范圍類似。選擇0.005 85 g/L和32 g/L的NaCl溶液作為四組砂箱實驗的背景溶液，研究鹽度對DNAPL遷移和分布的影響。本實驗所用流體的物理化學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 實驗中所用流體的物理化學(xué)性質(zhì)

A=Air; l=W (water) or N (NAPL); n.a.=not applicable 。

a來源于 Taylor 等[11]，在 25 ℃條件下測定；b在 22 ℃條件下測定。

砂箱中填充介質(zhì)為半透明石英砂，實驗選用六種規(guī)格的美國Vnimin公司生產(chǎn)的Accusand(表2)。Accusand具有較高的純度，有機物含量極低，并且具有較好的透光性，適用于在透射光法中使用。石英砂的清洗方法和裝填方法參見文獻(xiàn)[12]。

1.2 界面張力和接觸角的測定

接觸角測定采用懸滴法[7]，利用2 mL的測微注射器將PCE滴到浸沒在水相溶液中的石英玻璃平板表面，待其穩(wěn)定后，利用接觸角測定儀(DSA 100, Kruss, Germany)測定，采用軸對稱形狀分析法(axisymmetric drop shape analysis，ADSA)測算接觸角。DNAPL和不同濃度NaCl溶液的界面張力用ADSA方法測定，儀器為旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀(Model 500, Kino Industry,USA)，樣品準(zhǔn)備與接觸角測定一樣。實驗在室溫條件下進行。

表2 所用石英砂的相關(guān)性質(zhì)

1.3 二維砂箱實驗

采用一種玻璃與鋁合金材料構(gòu)建的二維砂箱對DNAPL在多孔介質(zhì)中的運移進行物理模擬(圖 1)。砂箱尺寸為60 cm (長)×45 cm (高)×1.4 cm (厚)，砂箱由三個鋁制框和兩片鋼化玻璃組成，有利于DNAPL運移的可視化觀察。兩個U型井位于砂箱的兩側(cè)，以便于實現(xiàn)均勻流流場。井在整個深度上都被不銹鋼鋼網(wǎng)包裹。砂箱頂端采用可拆卸的頂蓋實現(xiàn)承壓含水層狀態(tài)，利用橡膠條密封鋁制框與鋼化玻璃之間的間隙。外部鋁框用螺絲固定，確保內(nèi)框與玻璃間的牢固，同時通過擠壓橡膠條達(dá)到隔水的目的。水流通過蠕動泵從左側(cè)三個均勻分布的流入口流入砂箱，出水從三個流出口流出進入廢液瓶。在砂箱中間位置的上端設(shè)置注入點模擬DNAPL從污染源區(qū)的泄漏。

本實驗共設(shè)置四組砂箱。兩組砂箱裝填20～30目的石英砂模擬均質(zhì)背景介質(zhì)(圖1a)，分別標(biāo)記為Fw- 1和Sw- 1；另兩組砂箱，以20～30 目的石英砂作為背景介質(zhì)，設(shè)置不同粒徑組成的層狀透鏡體模擬非均質(zhì)介質(zhì)(圖1b)，標(biāo)記為Fw- 2和Sw- 2。在所有四組砂箱中，底部和頂部均設(shè)置1 cm厚的細(xì)砂層(70～80目)以防止PCE從砂箱頂部或底部溢出。Fw- 1、Sw- 1和Fw- 2、Sw- 2四組砂箱的孔隙度分別為0.278、0.269、0.302和0.298。

圖1 實驗砂箱示意圖Fig.1 Schematic diagram of the 2- D sandboxa—70～100目; b—70～80目; c—40～50目; d—50～70目; e—30～40目

在每組實驗開始前，先從左端流入口泵入背景溶液對整個砂箱進行水力沖刷，流速恒定在1.5 m/d，該流速值與自然環(huán)境中常見的地下水流速相一致。其中，在Fw- 1和Fw- 2實驗中泵入的是0.005 85 g/L的 NaCl溶液，在Sw- 1和Sw- 2實驗中泵入的是32 g/L 的NaCl溶液。利用氣密注射泵(Cole Palmer 74900 series, Anjou, QC)將一定量的染色PCE以0.5 mL/min的恒定速度通過注入孔注入到砂箱中，PCE在砂箱中充分運移分布直至達(dá)到穩(wěn)定(24 h)。在這個過程中按照預(yù)設(shè)的時間間隔，利用透射光監(jiān)測系統(tǒng)記錄砂箱中PCE的運移和分布。

1.4 分析方法

本文使用一種改進的透射光法(light trans- mission method，LTM)分析染色PCE在砂箱中的遷移和再分布行為[13]。該透射光監(jiān)測系統(tǒng)主要包含二維砂箱、光源和一個CCD (AP2E, Apogee Instrumnets, Auburn, CA)相機以及相關(guān)的控制軟件(Maxim DL, Ottawa, ON)。砂箱的一側(cè)為由6根日光燈管組成的燈箱，作為光源，CCD相機放在砂箱的另一側(cè)，相機鏡頭(Nikon D90)對準(zhǔn)砂箱中間位置，距離砂箱大約1.8 m。實驗基于染色PCE的光吸附峰值，選擇543 nm的帶通濾波器，濾波器安裝在相機鏡頭的前面。砂箱與相機之間的空間以遮光板封閉，以保證位于砂箱另一側(cè)的 CCD 相機所接受的光線皆來自燈箱發(fā)出穿過砂箱后的光線。在實驗期間，CCD相機設(shè)置為每隔一定時間拍照一次記錄光強變化，對DNAPL的入滲過程和再分布過程進行動態(tài)監(jiān)測。采集的圖像使用MATLAB R2012a 軟件分析圖像和計算飽和度。實驗過程的室內(nèi)溫度保持在22 ℃±1.0 ℃。

砂箱中PCE的飽和度通過透射光光強值計算轉(zhuǎn)換而來，之前的研究已經(jīng)表明了兩者的函數(shù)關(guān)系[13]。本次實驗是模擬飽和含水層，只有水油兩相，DNAPL的飽和度(So)計算利用Bob等[13]建立的模型，兩相系統(tǒng)內(nèi)的油相飽和度計算公式為:

(1)

式中：Is與Ioil——在完全飽水和與完全飽油條件下的每一個計算單元的光強值；

So——油相的飽和度；

I——透射光光強。

2 結(jié)果及討論

2.1 界面張力和接觸角分析

在飽和多孔介質(zhì)中，相與相之間的界面特性對油相(DNAPL)在地下水環(huán)境中的運移和最終形態(tài)有著重要影響。圖2顯示的是在不同氯化鈉濃度條件下，PCE/NaCl溶液界面張力以及PCE在石英表面上的接觸角(θ)。當(dāng)水相中無NaCl存在時，PCE/水的界面張力及接觸角分別為47.5 mN/m 和44.4°，這與Molnar等[5]報道的結(jié)果一致。從圖中可以看出，在由水相(NaCl水溶液)、油相(PCE)和固相(石英玻璃)組成的三相體系中，隨著水相中NaCl濃度的增大，水/油兩相之間的界面張力表現(xiàn)為增大的趨勢，PCE在石英玻璃表面的接觸角呈現(xiàn)出減小的趨勢。當(dāng)氯化鈉的濃度從1×10-4mol/L增加至1 mol/L時，PCE/NaCl溶液的界面張力從47.5 mN/m增加到55.5 mN/m(圖2a)，接觸角從44.4°降低至36°(圖2b)。當(dāng)氯化鈉的濃度變化范圍為1×10-4～0.01 mol/L時，界面張力和接觸角的改變幅度均較??；當(dāng)氯化鈉的濃度超過0.1 mol/L時，界面張力急劇增加；當(dāng)氯化鈉的濃度超過0.01 mol/L時，接觸角的變化顯著。上述實驗結(jié)果表明，當(dāng)?shù)叵滤}度在較低范圍內(nèi)變化時(NaCl濃度< 0.1 mol/L)，對DNAPL/水/石英砂三相之間的界面特性產(chǎn)生的影響較?。划?dāng)?shù)叵滤}度較高時(>0.1 mol/L)，對上述三相體系的接觸角尤其是液液界面張力影響顯著，從而可能進一步影響到DNAPL在多孔介質(zhì)中的運移和分布。

圖2 氯化鈉濃度對DNAPL/(NaCl溶液/石英砂體系中)界面張力和接觸角的影響Fig.2 Effects of NaCl concentration on interfacial tension and advancing contact angle in the PCE/(NaCl solution/quartz) system

2.2 PCE在砂箱中的運移

選擇0.005 85 g/L(1×10-4mol/L)和32 g/L(0.55 mol/L)的NaCl溶液作為背景溶液進行實驗，定量研究鹽度對DNAPL運移和分布的影響。圖3為不同時刻PCE的飽和度分布結(jié)果。PCE泄漏到砂箱中以后，PCE快速的垂向入滲，同時伴隨一定的側(cè)向遷移。實驗結(jié)束后，在運移路徑上存在一定量截留PCE，在由細(xì)砂構(gòu)成的透鏡體和砂箱底端細(xì)砂層上方有累積形成的DNAPL污染池(pool)。本次運移實驗的地下水流速為1.5 m/d，該側(cè)向水流對DNAPL污染羽向水流方向移動有一定的影響，但影響較弱，與課題組前期研究成果一致[14]。

在均質(zhì)介質(zhì)中(圖3a，3b)，注入的PCE在重力作用下快速向下運移，形成一個邊緣較尖銳的污染羽。在Fw- 1和Sw- 1兩組實驗中，均可以觀察到較為明顯的優(yōu)先流(finger flow)現(xiàn)象，這是由裝砂過程中人為因素導(dǎo)致的局部非均質(zhì)造成的，表明即使是很微小的非均質(zhì)環(huán)境也會對DNAPL的移動產(chǎn)生很強的影響[15]。在非均質(zhì)介質(zhì)中，地下水鹽度較低時(Fw- 2)，PCE向下遷移到達(dá)了其中4個透鏡體(a，c，d，e)(圖3 c)，在116 min時運移到底端形成三個pool，并在148 min時融為一個pool；而在Sw- 2實驗中，DNAPL運移到達(dá)所有的透鏡體(圖3 d)，且實驗進行80 min后，PCE即到達(dá)砂箱底端形成兩個污染池，并在128 min時兩個pool融為一個pool。

對DNAPL在砂箱底端細(xì)砂層上污染池(pool)的起始位置和長度進行分析，同時計算PCE污染羽的平均飽和度和底端pool的最大飽和度。在Fw- 1中(圖 3a)，PCE污染羽幾乎均勻地分布在注入點的兩側(cè)，當(dāng)PCE分布達(dá)到穩(wěn)定后(T= 24 h)，pool的起始位置開始于X=15.27 cm，即注入點所在位置的上游14.73 cm，整個pool的長度為34.28 cm (表 3)；而在Sw- 1中(圖 3b)，DNAPL污染池開始于10.19 cm處，整個pool的長度達(dá)到48.75 cm，表明地下水鹽度的增大促進DNAPL污染池的長度增加。高鹽度地下水的粘滯性比低鹽度大，水流粘滯力的作用促進了DNAPL污染池的移動[16]，因此在高鹽度組Sw- 1中所形成的pool池較長。在Fw- 1和Sw- 1兩組實驗中，運移達(dá)到穩(wěn)定后被截留在運移路徑上(計算區(qū)域為圖中的虛線框區(qū)域)的DNAPL量分別為15.72 mL和12.26 mL。界面張力的增大和接觸角的減小(圖2)，將導(dǎo)致毛管阻力的增加[17]，不利于DNAPL的向下運移。鹽度的增加會增加地下水粘滯性(表1)，從而促進DNAPL遷移。綜合分析，鹽度變化造成的粘滯性改變在本研究中起主要作用，最終表現(xiàn)為促進DNAPL的向下運移并減小DNAPL在運移路徑上的截留量。非均質(zhì)情形下，當(dāng)DNAPL分布穩(wěn)定后，F(xiàn)w- 2和Sw- 2實驗中砂箱底部污染池的起始位置分別為12.76 cm和 21.7 cm，長度分別為40.85 和 37.02 cm，污染池長度縮短，這與Fw- 1和Sw- 1實驗中得到的結(jié)果不一致。這是因為在Sw- 2中PCE到達(dá)了每一個透鏡體，使得相較于Fw- 2情況下的到達(dá)底部的DNAPL的總量減小。Fw- 2和Sw- 2實驗中底部污染池的中心位置分別位于X=33.7 cm 和X=43.5 cm，表明非均質(zhì)介質(zhì)中地下水鹽度的增加也會促進DNAPL污染池向水流方向移動。

圖3 運移過程中PCE的飽和度分布Fig.3 Infiltration and redistribution of PCE

在所有4組砂箱實驗中，隨著地下水鹽度的增加，DNAPL污染羽的平均飽和度以及砂箱底部細(xì)砂層上的DNAPL污染池的最大飽和度均隨之降低(表3)。對砂箱中運移達(dá)到穩(wěn)定的PCE污染羽偏移角(注入點與質(zhì)量中心點所在直線與注入點所在垂直線形成的角度)進行分析計算。計算得到的數(shù)據(jù)(表3)表明，高鹽度水流促進DNAPL向水流方向偏移。均質(zhì)條件下，兩組實驗的偏移角分別為1.92°(Fw- 1)和 3.97°(Sw- 1)；在非均質(zhì)條件下，兩組實驗的偏移角為18.7°(Fw- 2)和 29.5°(Sw- 2)。以上這些實驗結(jié)果均表明，地下水鹽度對飽和多孔介質(zhì)中DNAPL的遷移和形態(tài)分布有較大影響，地下水鹽度的增加將促進DNAPL的垂向入滲，并使得DNAPL運移路徑及累積形成的池狀DNAPL向水流方向偏移。

表3 DNAPL污染羽在介質(zhì)中的分布特征

為了進一步說明地下水鹽度變化對DNAPL在多孔介質(zhì)運移的影響，本文計算并分析了不同實驗條件下PCE入滲鋒面的運移速率，結(jié)果如圖4所示。鹽度對DNAPL入滲鋒面的運移有明顯影響，32 g/L NaCl水流條件下PCE入滲鋒面的運移速率明顯加快。在Fw- 1/Sw- 1和Fw- 2/Sw- 2四組實驗中，PCE到達(dá)砂箱底端細(xì)砂層的時間分別為30、14.0、92和56 min。結(jié)合不同濃度氯化鈉濃度條件下的接觸角和界面張力的測定，地下水鹽度增大時，界面張力隨之增大，同時接觸角減小使得石英砂潤濕性從水潤濕狀態(tài)變?yōu)閺娝疂櫇駹顟B(tài)。一般地，根據(jù)Young- Laplace方程，隨著界面張力的增大和接觸角的減小，PCE需要克服更大的毛管阻力向下運移，而本實驗結(jié)果顯示在高鹽度的地下水流條件下，PCE的下滲鋒面運移的更快。這進一步說明，本研究中地下水鹽度變化所導(dǎo)致的粘滯性改變主要影響著DNAPL在多孔介質(zhì)中的運移行為。

圖4 PCE入滲鋒面平均運移速率Fig.4 Average advancing velocities of the PCE fronts

2.3 DNAPL污染羽的形態(tài)特征

2.3.1 展布范圍

本文對DNAPL污染羽在水平和垂直方向上的展布范圍(二階矩)隨時間的變化規(guī)律進行了分析，如圖5所示。在前期注入過程中，由于存在注入壓力，污染羽快速擴展，表現(xiàn)為水平和垂直的展布范圍快速增大，隨著時間的延長，擴展逐漸減慢，最后達(dá)到穩(wěn)定。圖5a顯示的是在20～30目均質(zhì)條件下的展布范圍，在32 g/L NaCl的高鹽度地下水流條件下，由于增加的粘滯性起主要作用，無論是在垂直方向還是水平方向的展布范圍與0.005 85 g/L NaCl水流條件下相比均明顯增大。在水平方向上的展布隨著鹽度的增加，其增加幅度尤為顯著，主要是由地下水鹽度的增加促進砂箱底部的污染池向水流方向移動使得其長度和面積變大造成的。在非均質(zhì)條件下，PCE污染羽展布范圍的變化規(guī)律呈現(xiàn)出與均質(zhì)條件下相似的變化規(guī)律(圖5b)，并且透鏡體的存在使得PCE橫向和縱向展布在注入期內(nèi)的增加趨勢表現(xiàn)得更加明顯。

圖5 PCE在砂箱中的展布范圍Fig.5 Horizontal spread ) and vertical

2.3.2 DNAPL污染羽的飽和度分布

圖6顯示的是每一組砂箱實驗中不同時刻(與圖3中的時間對應(yīng))的PCE飽和度直方圖，橫坐標(biāo)表示飽和度(飽和度間隔0.01)，縱坐標(biāo)為該飽和度區(qū)間PCE的體積分?jǐn)?shù)。從圖中可以看出，和0.005 85 g/L NaCl水流條件下相比，PCE飽和度峰值在高鹽度地下水流條件下均向左移動，即無論是在均質(zhì)還是在非均質(zhì)條件下，鹽度的增加都會導(dǎo)致砂箱中被截留PCE的飽和度降低，飽和度直方圖中峰值對應(yīng)的飽和度區(qū)間也相應(yīng)減小，還表現(xiàn)為DNAPL飽和度均值的降低(表3)。這進一步表明，即使是在較低地下水流速條件下(1.5 m/d)，高鹽度地下水同樣會促進DNAPL遷移，使得DNAPL以較小的飽和度殘留。

圖6 PCE四組實驗中PCE在不同時刻的飽和度直方圖Fig.6 Histograms of PCE saturation of the four experiments at different times

2.3.3 “GTP”

DNAPL飽和度低于殘余飽和度時稱為不連續(xù)的離散狀DNAPL(ganglia)，相應(yīng)地，高于殘余飽和度的稱為pool?！癎TP”(ganglia to pool)即為離散狀DNAPL和池狀DNAPL的比值，本文采用該比值來表征PCE污染羽的結(jié)構(gòu)特征[1]。本文所用20～30目石英砂的殘留飽和度為0.11[18]。四組實驗(Fw- 1，Sw- 1，F(xiàn)w- 2，Sw- 2)均達(dá)到穩(wěn)定后，對應(yīng)的GTP值分別為0.046，0.083，0.076和0.13。在Fw- 1實驗中，GTP值為0.046即表明有1.41 mL(4.4%)的PCE以ganglia離散狀形式存在。分別比較均質(zhì)和非均質(zhì)介質(zhì)中在不同鹽度條件下的GTP值，可以看出地下水鹽度的變化對多孔介質(zhì)中PCE污染羽的結(jié)構(gòu)特征具有非常顯著的影響。地下水鹽度的增加不僅能夠減少殘留在運移路徑上的DNAPL總量，還使得污染區(qū)域中以離散狀(ganglia)存在的DNAPL量明顯增加。

3 結(jié)論

(1)地下水中溶解鹽(NaCl)的存在會對不同相之間的界面特性產(chǎn)生影響。在石英砂/水/PCE三相體系里，PCE和水之間的界面張力隨著水中NaCl濃度的增大而增大，PCE在石英砂表面的接觸角隨著NaCl濃度的增大而減小，尤其當(dāng)NaCl濃度高于0.1 mol/L時，影響顯著。

(2)無論是在均質(zhì)還是在含有層狀透鏡體的非均質(zhì)介質(zhì)中，地下水鹽度的增加都會促進DNAPL入滲鋒面的垂直運移，使得截留在運移路徑上的殘留DNAPL總量減少。此外，地下水鹽度的增加還會使得DNAPL運移路徑及累積形成的連續(xù)池狀DNAPL(pool)向水流方向偏移。

(3)在粗砂介質(zhì)(20～30目石英砂)中，地下水鹽度的增加直接影響DNAPL污染羽的形態(tài)特征。DNAPL在水平方向和垂直方向上的展布范圍均隨著地下水鹽度的增加而變大，污染羽的GTP值也隨之增加，介質(zhì)中以不連續(xù)離散狀(ganglia)形式存在的DNAPL量明顯增加。

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責(zé)任編輯：張若琳

Effect of salinity on DNAPL migration and distribution in saturated porous media

CHENG Zhou, XU Hongxia, SUN Yuanyuan, SHI Xiaoqing, LIAO Penghui, WU Jichun

(StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourceReuse,DepartmentofHydrosciences/SchoolofEarthSciencesandEngineering,NanjingUniversity,Nanjing,Jiangsu210023,China)

In this work the effect of salinity on the migration and distribution of DNAPL in saturated porous media was investigated. Tetrachloroethylene (PCE) was selected as the representative DNAPL (Dense Non- aqueous Phase liquid), and sodium chloride (NaCl) was used as the typical dissolved salt in groundwater. Batch experiments were first conducted to measure the contact angles and interfacial tensions (IFTs) of the NaCl solutions/PCE/quartz system. The results show that the contact angles of PCE decrease and IFTs between PCE and NaCl solution increase with the increasing concentration of NaCl, and the effects are more obvious at high concentrations of NaCl (>0.1 mol/L). Four 2- D flow cell experiments were then conducted, and the light transmission method was used to monitor the migration process of PCE and quantitatively measure the PCE saturation distribution in the porous media. The experimental results show that the increasing salinity in groundwater promotes the vertical migration of DNAPL, decreases the volumes of DNAPL entrapped along the migration path, and leads to the inclination of the migration path and pooled DNAPL towards the water flow direction. Moreover, in both homogeneous and heterogeneous (lenses) porous media, the horizontal and vertical spreading of DNAPL increases with the increasing salinity, resulting in a larger source- zone and the increasing PCE ganglia.

PCE; porous media; light transmission method; salinity; migration； DNAPL; Saturation distribution

10.16030/j.cnki.issn.1000- 3665.2017.04.20

2016- 08- 15;

2016- 10- 17

國家自然科學(xué)基金(U1503282、41030746和41172207)；教育部博士點基金(20110091110039); 南京大學(xué)研究生跨學(xué)科科研創(chuàng)新基金(2014CL10)

程洲(1986- )，男，博士研究生，主要從事土壤及地下水中有機污染物遷移及修復(fù)研究。E- mail：czhounju@ 126.com

吳吉春(1968- )，男，教授，主要從事水文地質(zhì)學(xué)、土壤和地下水污染研究。E- mail: jcwu@nju.edu.cn

P641.3

A

1000- 3665(2017)04- 0129- 08