飽和黏性土中重質(zhì)非水相有機(jī)污染物縱向遷移數(shù)值模擬

高彥斌，張松波，李 韜，沈 超

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092；2.中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司，湖北武漢430064；3.湖北中建三局建筑工程技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北武漢430070；4.上?？辈煸O(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海200093）

非水相有機(jī)污染物（NAPL）是地下環(huán)境污染防治焦點(diǎn)之一，其按照密度分為兩種：比水重的稱為重質(zhì)非水相有機(jī)污染物（DNAPL），比水輕的稱為輕非水相有機(jī)污染物（LNAPL）。從20世紀(jì)60年代開始，國(guó)內(nèi)外對(duì)NAPL類水土污染問(wèn)題開展了大量研究工作，尤其是DNAPL在重力作用下的豎向遷移。目前大部分研究工作集中在DNAPL在砂質(zhì)含水層中的與重力作用有關(guān)的縱向遷移、與地下水徑流有關(guān)的橫向遷移以及黏土質(zhì)隔水層頂部自由相DNAPL池的形成［1-4］，在遷移特征和遷移機(jī)理方面積累了豐富的研究成果，普遍認(rèn)為DNAPL-水兩相流以及對(duì)流彌散作用是控制DNAPL在砂質(zhì)含水層中遷移的主要因素。

那么，到達(dá)滲透率較低的飽和黏性土隔水頂板處的DNAPL是否會(huì)再繼續(xù)向下侵入到較深的位置，是一個(gè)需要探討的問(wèn)題。Essaid等［5］在對(duì)NAPL的遷移和歸趨的研究綜述中指出，在20世紀(jì)80年代以前，人們普遍認(rèn)為所有黏土或淤泥沉積物都可以有效防止地下水被污染，但隨著對(duì)一些地區(qū)污染場(chǎng)地的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)承壓含水層也會(huì)有這類污染物的存在。我國(guó)沿海地區(qū)地表十幾米深度范圍內(nèi)廣泛分布著飽和黏性土（包括粉質(zhì)黏土和黏土兩大類），舊農(nóng)藥廠和化工廠排放了大量的DNAPL污染物。上海地區(qū)舊農(nóng)藥廠區(qū)多次發(fā)現(xiàn)DNAPL在這類場(chǎng)地中遷移到十余米深度的案例。余梅［6］也曾報(bào)道了武漢市某化工廠的氯苯類有機(jī)物在飽和黏性土地層中遷移至較深位置。國(guó)外有學(xué)者認(rèn)為黏土層中的裂隙（fractures）或孔洞是DNAPL進(jìn)入土層的優(yōu)先選擇通道［7］；也有學(xué)者認(rèn)為由于飽和黏性土中的地下水流速較低，分子擴(kuò)散作用是DNAPL在飽和黏性土中遷移的主要方式［8］。總體上講，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)飽和黏性土場(chǎng)地的DNAPL遷移規(guī)律和機(jī)理的認(rèn)識(shí)還非常有限。

由于滲透性低，飽和黏性土中DNAPL的遷移會(huì)表現(xiàn)出與砂土含水層中不同的特征：①地下水流速?。◣缀蹯o止），因而與流速有關(guān)的對(duì)流彌散作用會(huì)大大消弱；②土中孔隙較小，DNAPL難以大量侵入，造成了室內(nèi)試驗(yàn)研究的一些困難，如難以獲得DNAPL的準(zhǔn)確含量；③土的滲透性小，遷移速度慢，室內(nèi)試驗(yàn)周期長(zhǎng)。這些客觀因素制約了相關(guān)試驗(yàn)研究的進(jìn)展，也是導(dǎo)致目前國(guó)內(nèi)外對(duì)飽和黏性土場(chǎng)地的DNAPL遷移規(guī)律和機(jī)理的認(rèn)識(shí)非常有限的一個(gè)重要原因。本文采用數(shù)值分析法進(jìn)行這方面的研究，討論DNAPL-水兩相流以及對(duì)流彌散作用這兩種物理作用對(duì)飽和黏性土場(chǎng)地中DNAPL縱向遷移的影響，揭示其主要規(guī)律及機(jī)理。

1 飽和土中DNAPL遷移控制方程

1.1 DNAPL的存在狀態(tài)及轉(zhuǎn)化過(guò)程

DNAPL在飽和黏土中的存在狀態(tài)有3種：水中溶解相、吸附于土顆粒的固態(tài)以及可流動(dòng)的自由相。圖1給出了這3種狀態(tài)（相）之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。自由相的DNAPL可以溶解于水中，溶解相DNAPL可以被黏土顆粒部分吸附。溶解相濃度的最大值為其在水中的溶解度。

圖1 DNAPL在土中存在的三種狀態(tài)Fig.1 Three phases of DNAPL in soil

自由相DNAPL在水中的溶解過(guò)程可用下式模擬：

式中：De為DNAPL在土中的分子擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1；d50為土顆粒平均粒徑，m。大量的砂土試驗(yàn)的結(jié)果證明，參數(shù)Sh的大小與水的流速有關(guān)［9-11］。

溶解相DNAPL吸附于土顆粒的過(guò)程用以下線性平衡吸附過(guò)程模擬：

式中：Esn/w為吸附速率，g·cm-3·s-1；ρb為土的干密度，g·cm-3；ρ為溶解相DNAPL的質(zhì)量濃度，kg·m-3；Kd為吸附分配系數(shù)，cm3·g-1，吸附分配系數(shù)Kd的大小主要與土中有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)。

1.2 DNAPL遷移控制方程

DNAPL污染源在飽和黏性土中的縱向遷移主要包括兩種過(guò)程：一種是自由相DNAPL以連續(xù)流體方式的遷移，這個(gè)過(guò)程受DNAPL-水毛管壓力的控制，稱為兩相流；另外一種是DNAPL溶解于水中后在水中的遷移，也被稱為溶質(zhì)運(yùn)移，這個(gè)過(guò)程受對(duì)流彌散作用的控制，但在靜水條件下，主要受分子擴(kuò)散作用的控制。根據(jù)土孔隙中各物質(zhì)的質(zhì)量平衡，水溶液、自由相DNAPL和溶解相DNAPL的控制方程分別為

式中：ε為土的孔隙度；Sw和Snw分別為水和自由相DNAPL的飽和度；vw和vnw分別為水和自由相DNAPL的達(dá)西流速，m·s-1；Dw為水動(dòng)力彌散系數(shù)，m2·s-1；ρw和ρnw分別為水溶液和自由相DNAPL的密度，g·cm-3和分別為溶解速率和吸附速率。方程（4）和（5）構(gòu)成了經(jīng)典的兩相流方程，方程（6）是經(jīng)典的對(duì)流彌散溶質(zhì)運(yùn)移方程。

水動(dòng)力彌散系數(shù)Dw是個(gè)二階張量，包括機(jī)械彌散（與水的流速有關(guān)）和分子擴(kuò)散（與水的流速無(wú)關(guān)）兩部分，表達(dá)式為

式中：uwx、uwy和uwz為水的真實(shí)流速分量，m·s－1；|uw|為水的真實(shí)流速大小，m·s－1；αL和αT分別為縱向和橫向彌散度，m，對(duì)于黏性土，典型數(shù)值為αL＝0.1～1.0 m，αT＝（0.1～0.3）αL；De為有效分子擴(kuò)散系數(shù)，m2·s－1，與DNAPL的分子擴(kuò)散系數(shù)以及土的結(jié)構(gòu)性有關(guān)，即

式中：Daq是DNAPL在水中的分子擴(kuò)散系數(shù)，m2·s－1），一般在10-10～10-9m2·s－1；ω為彎曲因子，與土的結(jié)構(gòu)性有關(guān)，一般在0.1～0.5之間。

根據(jù)達(dá)西定律，真實(shí)流速uw（水）、unw（NAPL）以及達(dá)西流速vw（水）、vnw（NAPL）之間的關(guān)系可表示為

式中：κ為土體固有滲透率，m2；krw和krnw分別為水和DNAPL的相對(duì)滲透率；pw和pnw分別為水和DNAPL的壓力，Pa。

毛管壓力pc（=pnw－pw）、相對(duì)滲透率kr和飽和度S三者之間的關(guān)系，即kr-S-p關(guān)系，是兩相流的重要本構(gòu)關(guān)系。根據(jù)Parker等［12］提出的縮放理論，由van Genuchten［13］模型給出的DNAPL-水毛管壓力pc與水的飽和度Sw的關(guān)系如下：

式中：β 為水-氣表面張力 σaw（=72 mN·m-1）與DNAPL-水表面張力σow（mN·m-1）的比值，對(duì)于大多數(shù)DANPL，σow=30～45 mN·m-1；m和n為土水特征曲線的參數(shù)，且m=1－1/n。

采用 Mualem［14］提出的方法，由 van Genuchten模型得到的相對(duì)滲透率krw（水）、krnw（DNAPL）與水的飽和度Sw的關(guān)系

注意相對(duì)滲透系數(shù)只與參數(shù)m（m=1－1/n）有關(guān)，而和α無(wú)關(guān)。

1.3 方程求解

基于COMSOL Multiphysics軟件開發(fā)了求解偏微分方程（4）～（6）的模塊，需求解的變量為pw、pnw和ρ。COMSOL Multiphysics軟件是一種自動(dòng)有限元軟件，采用有限元方法求解偏微分方程組。計(jì)算結(jié)果輸出中土中自由相DNAPL的含量用飽和度表示，溶解相DNAPL的含量用濃度表示，二者均可以轉(zhuǎn)化為質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，即單位質(zhì)量的土（飽和土）中DNAPL的質(zhì)量。

2 分析模型及基本參數(shù)

DANPL在飽和黏性土中一維遷移數(shù)值分析模型如圖2所示。模擬對(duì)象為深度為10 m的均質(zhì)飽和黏性土土柱。DNAPL選取氯苯，根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［15］規(guī)定，這種污染物在土中的篩選值為68 mg·kg－1（即0.068 mg·g-1）。土柱頂面的水壓pw為0，自由相DANPL壓力pnw為5 kPa（即0.5 m水頭），溶解相DANPL的質(zhì)量濃度ρ0為溶解度S*。土柱底面為一排水界面，水壓pw維持在100 kPa。黏性土中的孔隙水并沒(méi)有賦予一個(gè)流速，地下水處于靜止?fàn)顟B(tài)。即使在自由相DNAPL的驅(qū)替下，黏性土中水的流速也非常低，這一點(diǎn)從后面給出的分析結(jié)果中可看出。

圖2 數(shù)值分析模型Fig.2 Model of numerical analysis

計(jì)算參數(shù)分為三類：第一類為兩相流方程參數(shù)，第二類為對(duì)流彌散方程參數(shù)，第三類為溶解作用參數(shù)。這些參數(shù)的取值如表1所示，所取參數(shù)值均為典型數(shù)值。土的參數(shù)選用的是沿海地區(qū)典型飽和粉質(zhì)黏土的參數(shù)，孔隙度ε取0.5，固有滲透率κ為1×10－15m2（飽和滲透系數(shù)為1×10－6cm·s－1）。土的Sw-Pc模型參數(shù)取值參照Lu等［16］給出的黏土的參數(shù)的變化范圍，α在0.001～0.01 kPa－1之間，n在1.1～2.5之間。對(duì)于溶解作用參數(shù)Sh=2，參照了一些學(xué)者在水流緩慢情況下得到的NAPL在砂土中的溶解速率值［9-11］。

表1 參數(shù)基本值Tab.1 Basic values of parameters

3 靜水條件下溶解相DNAPL分子擴(kuò)散

首先僅模擬溶解相DNAPL自土柱頂面向下遷移的過(guò)程，不考慮自由相DNAPL的兩相流遷移，物理上為靜水條件下的分子彌散過(guò)程。土柱頂面的邊界條件為：①溶解相DANPL的質(zhì)量濃度ρ0為溶解度S*；②水壓力pw為0；③自由相DANPL的壓力為0。

分析得到的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wad（包括溶解相和吸附相，為其質(zhì)量與土的總質(zhì)量之比）以及溶解相的質(zhì)量濃度比ρ/ρ0隨深度h的變化如圖3所示。在選取的參 數(shù) 值 下（De=2.9×10－10m2·s－1，Kd=3.63cm3·g－1），遷移過(guò)程是非常緩慢的，10年的最大遷移深度為0.5 m，平均每年0.05 m。溶解相DNAPL含量的最大值出現(xiàn)在地表，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.4 mg·g－1，隨深度的增大而減小。

有效分子擴(kuò)散系數(shù)De和分配系數(shù)Kd是影響靜水條件下的分子擴(kuò)散的最重要的兩個(gè)參數(shù)，下面分析這兩個(gè)參數(shù)的取值對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

3.1 有效分子擴(kuò)散系數(shù)De

有效分子擴(kuò)散系數(shù)De的大小決定了溶解相DNAPL分子在土中擴(kuò)散的速度。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，黏土中NAPL有效分子彌散系數(shù)De在（1～5）×10－10m2·s－1之間［17-19］。將De分別取 1×10－10m2·s－1和1×10－9m2·s－1，其他參數(shù)按照表1 中的對(duì)流彌散方程參數(shù)設(shè)置，計(jì)算得到的溶解相DNAPL在土中的遷移過(guò)程如圖4所示。有效分子擴(kuò)散系數(shù)增大10倍，DNAPL遷移速度僅增大到原來(lái)的3倍左右，10年的最大遷移深度也僅為1 m左右。

3.2 分配系數(shù)Kd

圖3 靜水條件下溶解相DNAPL的分子彌散Fig.3 Molecular diffusion of dissolved DNAPL under hydrostatic condition

圖4 有效分子擴(kuò)散系數(shù)參數(shù)分析Fig.4 Parameter analysis of effective molecular diffusion coefficient

黏土中有機(jī)質(zhì)含量較高，故研究吸附作用對(duì)溶解相DNAPL遷移的影響很有必要。線性吸附分配系數(shù)Kd分別取0 cm3·g－1（不考慮吸附）和10 cm3·g－1，其他溶質(zhì)運(yùn)移參數(shù)為表1中給出的數(shù)值，得到的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從圖5可知，分配系數(shù)Kd越大，阻滯作用越明顯，DNAPL遷移速度越慢。在不考慮吸附的情況下（Kd=0 cm3·g－1），10年的遷移深度增大到2 m左右?？梢?，飽和黏性土的吸附作用會(huì)顯著影響溶解相DNAPL的遷移。

以上分析結(jié)果表明，水流靜止條件下，加上吸附所導(dǎo)致的阻滯，DNAPL在飽和黏性土中的彌散遷移速度非常緩慢，十幾年和幾十年內(nèi)不會(huì)造成飽和黏性土的深部污染。

4 連續(xù)注入下兩相流-對(duì)流彌散遷移分析

圖5 線性吸附分配系數(shù)參數(shù)分析Fig.5 Parameter analysis of distribution coefficient of linear sorption

下面進(jìn)行連續(xù)注入情況下的兩相流與對(duì)流彌散耦合分析。采用圖2所示的邊界條件，在土柱頂面的自由相DNAPL施加0.5 m的水頭，即5 kPa的壓力（也就是約45 cm氯苯的高度）。這種情況下自由相的DNAPL會(huì)在重力作用下逐漸向下遷移。下面主要介紹分析得到的自由相DNAPL的縱向遷移規(guī)律，以及參數(shù)取值對(duì)分析結(jié)果的影響。

4.1 自由相DNAPL含量、壓力以及流速

計(jì)算得到的不同時(shí)間的自由相DNAPL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wnw（自由相DNAPL的質(zhì)量與土的總質(zhì)量之比）和飽和度Snw隨深度h的變化如圖6所示?？梢钥闯?，10年后的遷移深度達(dá)到2.5 m左右，大于圖3給出的不考慮兩相流情況下的遷移深度，平均遷移速度為0.25 m·年－1。自由相DNAPL的飽和度在0.003以內(nèi)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1 mg·g－1以內(nèi)，與前面給出的溶解態(tài)DNAPL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)。盡管這個(gè)數(shù)量級(jí)是非常低的，但是仍然超出污染物氯苯的篩選值（0.068 mg·g－1）。因此，兩相流遷移可能是導(dǎo)致深部飽和黏性土中DNAPL檢出值超標(biāo)的原因。

圖7給出了DNAPL壓力pnw、水壓力pw以及毛管壓力pc隨深度的變化?？梢钥闯?，水壓力pw幾乎始終維持在靜水壓力，而DNAPL壓力pnw則隨著遷移深度的增加逐漸向深部傳遞。毛管壓力pc決定了自由相DNAPL的飽和度。毛管壓力最大值為5 kPa，出現(xiàn)在地表。

圖6 飽和黏性土中自由相DNAPL的含量Fig.6 Content of free DNAPL in soil

圖7 pnw、pw和pc隨深度的變化Fig.7 DNAPL pressure,water pressure，and capillary pressure

圖8 給出了vnw和vw隨深度的變化。在自由相DNAPL遷移深度范圍內(nèi)，水的達(dá)西流速隨深度的增加而增大，DNAPL的達(dá)西流速隨深度的增加而減小。下面來(lái)分析造成這種現(xiàn)象的原因。隨著深度的增大，DNAPL的飽和度減小導(dǎo)致相對(duì)滲透率減小，而壓力梯度略有增大，因而達(dá)西流速減小。對(duì)于孔隙水，隨著深度的增大，水的飽和度增大導(dǎo)致滲透系數(shù)增大，而壓力梯度基本不變，因此水的達(dá)西流速增大。在DNAPL侵入深度以下，水的飽和度為100%而水力梯度不變，因此水的速度沿深度基本不變。

圖8中給出的DNAP和水的達(dá)西流速為一個(gè)數(shù)量級(jí)，在0～0.3 mm·年－1之間，這個(gè)速度是非常小的。然而由于二者飽和度的巨大差別（自由相DNAPL的飽和度在0.003以內(nèi)，而水的飽和度接近1），因此根據(jù)式（9）得到的DNAPL和水的真實(shí)流速也差別較大。圖9給出了DNAPL和水的真實(shí)流速uw和unw，DNAP的真實(shí)流速達(dá)到100～200 mm·年－1，是水的幾百倍，這與圖6中給出的平均每年遷移0.25 m的速度是吻合的。注意DNAPL真實(shí)流速隨深度的增大而增大，與達(dá)西流速隨深度的變化正好相反。在DNAPL飽和度接近0的深度處，DNAPL真實(shí)速度會(huì)出現(xiàn)突變的現(xiàn)象，這是因?yàn)橛?jì)算真實(shí)速度時(shí)，當(dāng)式（9）分母中的飽和度接近0時(shí)得到的結(jié)果會(huì)不穩(wěn)定。

圖8 vw和vnw隨深度的變化Fig.8 Darcy velocities of water and DNAPL

圖9 uw和unw隨深度的變化Fig.9 Real velocities of water and DNAPL

4.2 自由相DNAPL的溶解

為了對(duì)自由相NDAPL在土中的溶解速度有一個(gè)直觀的印象，這里先分析靜止條件下（DNAPL和水的流速均為0）自由相DNAPL在土中的溶解。靜止條件下自由相DNAPL的溶解可以表示為

上述微分方程的解為

取氯苯的 De=3×10－10m2·s－1，黏土 d50≈0.01 mm，孔隙度ε=0.5，水的飽和度Sw=0.9，修伍德準(zhǔn)數(shù)Sh=2，得到

令ρ（t）/S=0.999，計(jì)算得到t=0.52 s。意味著在t=0.52 s時(shí)，水中氯苯的質(zhì)量濃度就達(dá)到了溶解度。溶解平衡過(guò)程是迅速的，其原因是黏土的平均粒徑d50要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于砂土，因此按式（2）計(jì)算得到的溶解平衡速率 kf較大。Lenczewski等［20］通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，TCE（三氯乙烯）能夠迅速進(jìn)入富含黏土的細(xì)粒土中，并快速溶解在孔隙水中。因此可以認(rèn)為自由相DNAPL在飽和黏性土中的溶解平衡過(guò)程幾乎是瞬時(shí)的。

圖13給出了分析得到的溶解相DNAPL在土中的分布。與圖3對(duì)比可以看出，自由相DNAPL的溶解使得溶解相DNAPL的分布發(fā)生了顯著的變化。在自由相DNAPL遷移深度范圍內(nèi)，溶解相DNAPL的質(zhì)量濃度均達(dá)到溶解度。且由于機(jī)械彌散作用，10年時(shí)溶解相的最大遷移深度比自由相的（約2.5 m）還要深，達(dá)到3.0 m左右。以上分析表明，飽和黏性土中溶解相DNAPL含量受兩相流和溶解作用控制，而不是對(duì)流彌散作用。兩相流分析對(duì)土中溶解態(tài)DNAPL含量的分析同樣非常重要。

圖10 溶解相DNAPL的分布（Sh=2）Fig.10 Profile of dissolved DNAPL(Sh=2)

4.3 滲透率的影響

土體固有滲透率κ是影響自由相DNAPL遷移的一個(gè)最重要的參數(shù)，它決定了自由相DNAP的遷移速率。 將κ從1×10－15m2減小至1×10－16m2和1×10－17m2，也就是飽和滲透系數(shù) ks從 1×10－6cm·s－1減小至 1×10－7cm·s－1和 1×10－8cm·s－1，其余參數(shù)均不變。這種滲透性的變化相當(dāng)于由滲透性較大的粉質(zhì)黏土變?yōu)闈B透性低的壓實(shí)黏土。計(jì)算得到的自由相DNAPL的遷移剖面如圖11所示。

圖11 固有滲透率不同取值的分析結(jié)果Fig.11 Paramter analysis of intrinsic pemibility

從圖11可以看出，滲透系數(shù)降低以后，自由相DNAPL的遷移速度和遷移深度均降低。當(dāng)κ減小100倍時(shí)，遷移深度減小至原來(lái)的1/10。只有當(dāng)飽和黏性土的滲透率很低時(shí)，自由相DNAPL向下的遷移才會(huì)非常緩慢。對(duì)于天然飽和粉質(zhì)黏土，其滲透系數(shù)往往會(huì)達(dá)到1×10－6cm·s－1的數(shù)量級(jí)，這種地層中自由相DNAPL的向下遷移是不可忽視的。

4.4 Sw-pc關(guān)系的影響

Sw-pc關(guān)系對(duì)兩相流有直接的影響。改變參數(shù)α和n的數(shù)值，參數(shù)α分別取0.002 5（減?。┖?.010 0（增大），參數(shù)n分別取1.2（減小）和2.0（增大）以了解Sw-pc關(guān)系對(duì)自由相DNAPL遷移的影響。計(jì)算得到的自由相DNAPL的遷移剖面分別如圖12和圖13所示。

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，參數(shù)α對(duì)DNAPL飽和度的影響較大，對(duì)DNAPL侵入深度的影響較小。參數(shù)n對(duì)DNAPL遷移速度和遷移深度影響很大，在n=1.2的情況下，連續(xù)注入10年的遷移深度可達(dá)到10 m；而在n=2.0的情況下，連續(xù)注入10年的遷移深度只有1 m。因此，遷移速度和深度對(duì)參數(shù)n的取值非常敏感。這和公式（11）是一致的，相對(duì)滲透率僅與參數(shù)n有關(guān)，而和α無(wú)關(guān)。

圖12 參數(shù)α不同取值的計(jì)算結(jié)果Fig.12 Parameter analysis of α

圖13 參數(shù)n不同取值的計(jì)算結(jié)果Fig.13 Parameter analysis of n

4.5 DNAPL污染源消失后的縱向遷移

前面分析了土柱表面DNAPL污染源在5 kPa壓力下連續(xù)注入10年情況下的DNAPL遷移特性。在連續(xù)污染10年后，將土柱頂部的DNAPL壓力設(shè)為0，代表工廠關(guān)閉等原因?qū)е碌奈廴驹聪?，分析得到了污染源消失?0年DNAPL在土中的遷移過(guò)程。

圖14給出了污染源消失后（階段B）自由相DNAPL的飽和度剖面，并與前期連續(xù)注入10年（階段A）的計(jì)算結(jié)果對(duì)比。頂部污染源消失后，DNAPL完全在重力作用下繼續(xù)向下遷移，最大飽和度出現(xiàn)的深度也逐漸下移。由于DNAPL總量基本不變，因此隨著遷移深度的增加，最大飽和度逐漸減小。在第60年時(shí)最大遷移深度達(dá)到近6 m，平均遷移速度約0.08 m·年－1，比階段A的平均遷移速度0.25 m·年－1要小一些。

圖14 污染源消失后自由相DNAPL的分布Fig.14 DNAPL distribution after removing pollution source

5 結(jié)論

基于COMSOL Multiphysics軟件平臺(tái)，開發(fā)了DNAPL-水兩相流分析以及考慮吸附、溶解作用的溶質(zhì)運(yùn)移分析模塊，進(jìn)行了均質(zhì)飽和黏土中DNAPL縱向遷移過(guò)程的分析，得到了一些有意義的結(jié)論。

（1）飽和黏性土中溶解態(tài)DNAPL的分子擴(kuò)散遷移過(guò)程非常緩慢，不能在幾十年內(nèi)造成土體深部污染。自由相DNAPL的縱向遷移速度主要受固有滲透率k以及毛管壓力-飽和度關(guān)系的影響，可在一定條件下成為飽和黏性土中DNAPL豎向遷移的主控因素。

（2）毛管壓力-飽和度模型中參數(shù)n以及土的固有滲透率k控制著自由相DNAPL的縱向遷移速度以及含量。盡管在低毛管壓力下自由相DNAPL難以大量侵入飽和黏性土（飽和度只有千分之幾），但仍然會(huì)超過(guò)污染物的環(huán)境篩選值。對(duì)于滲透系數(shù)較大的飽和黏性土地層（如粉質(zhì)黏土層），這種微量的、真實(shí)流速可達(dá)每年幾十厘米的流動(dòng)足以造成DNAPL在幾十年內(nèi)遷移到十幾米的深度。

以上基于數(shù)值分析得到的結(jié)論，能夠初步解釋一些舊農(nóng)藥廠廠區(qū)飽和黏性土場(chǎng)地中深部存在DNAPL污染的現(xiàn)象。關(guān)于飽和黏性土中的DNAPL-水兩相流分析，仍然需要進(jìn)行更為深入和系統(tǒng)的研究工作。