含單裂隙非飽和帶中輕非水相流體修復的數(shù)值模擬

趙科鋒，王錦國，曹慧群

(1.長江科學院流域水環(huán)境研究所，湖北 武漢 430010；2.河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100)

隨著石油工業(yè)的不斷發(fā)展，輸油管線、儲油罐、油槽車和油輪的泄漏事故不斷增加，受石油污染的土壤和水體顯著增加。為此，針對土壤和地下水中有機污染開展調查、評價，進行污染控制和治理已勢在必行[1-3]。目前，土壤及地下水污染物理修復方法已有多種，包括：抽水處理法、污染土壤氣提法、地下水曝氣法和自然衰減法等。其中，多相抽提(Multi-Phase Extraction，MPE) 技術屬于抽水處理法的一種土壤原位修復技術，主要通過使用真空抽提手段，同時抽取污染區(qū)域中的氣體、地下水及浮油層，達到降低污染物濃度的目的[4-5]。相比傳統(tǒng)的修復技術，多相抽提影響半徑更大，可減少布井數(shù)量，能同時清除非飽和帶及飽水帶中的輕非水相流體(Light Non-Aqueous Phase Liquids, LNAPL)，尤其適合揮發(fā)性較強的污染物，同樣適合滲透性較低的介質[6-8]。但MPE系統(tǒng)抽提設備復雜，啟動及調試時間較長，修復成本高，限制了其使用及推廣[9-10]。

國內外學者在油污染治理方面做了一些研究。王曉燕等[11]綜合分析了SEAR技術修復土壤及地下水中NAPL污染的原理及發(fā)展。胡黎明等[1]通過離心模型試驗研究了石油烴在非飽和土體中的遷移過程及SVE修復過程中濃度變化特征。王磊等[12]介紹了MPE技術的工藝特點和技術原理，總結了非飽和帶、含水層性質和污染物特性的MPE適用性評估方法。張晶等[13]應用多相抽提技術回收土壤及地下水中的LNAPL，并評估了修復效果。白靜[14]通過試驗，利用表面活性劑強化GCW修復效果，為地下水中揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機物的去除提供新途徑。Leif Nelson等[15]通過試驗，評估了在抽提井兩側注入水-CO2混合物，治理LNAPL污染的可行性。Jaehak Jeong等[16]建立數(shù)學模型預測了多層含水介質受到污染時LNAPL遷移與修復特征。Fatemeh Ebrahimi等[17]建立了一個分析模型，用于估算非均質含水層中LNAPL的分布和回收率。國外在油污染修復治理方面已有豐富的經驗，相關研究成果已用于治理場地土壤及地下水污染。國內學者研究主要集中在污染物遷移規(guī)律及物理化學修復，相關學者雖已開展污染物控制與治理方面的研究[18]，但在原位沖洗修復技術方面的研究較少，鮮見原位沖洗技術相關機理方面的研究。在原位沖洗修復過程中，對污染物遷移規(guī)律認識不足，且限于技術與設備的因素，國內在應用相關技術修復土壤及地下水污染的工作較少。本文研究了土壤及地下水中LNAPL在單井抽提修復及原位沖洗修復時的運移規(guī)律，檢驗了LNAPL修復效果。

在評估修復可行性時，數(shù)值模擬相比物理試驗具有技術成本低廉、可模擬復雜邊界條件、模擬尺度大等優(yōu)勢。本文通過建立數(shù)值模型，分析了LNAPL在含裂隙基質中遷移與分布的規(guī)律。以此為基礎，建立MPE抽提修復模型，分析抽提井的流量、位置及原位沖洗方法中注水井的位置等對修復效果的影響及LNAPL的時空分布規(guī)律。

1 模型網(wǎng)格剖分方案

TOUGH2(transport of unsaturated groundwater and heat)是由美國勞倫斯-伯克利國家實驗室開發(fā)，用于模擬多維孔隙或裂隙介質中，多相、多組分混合水流及熱運移的通用數(shù)值模擬程序[19]。T2VOC是TOUGH2中側重于研究多孔介質或裂隙介質中水相、氣相、非水相(NAPLs)三相流問題的子模塊。主要用來模擬非水相流體(NAPLs)在飽水帶及非飽水帶中時空變化規(guī)律，包括非飽水帶中有機污染物揮發(fā)、擴散及真空抽取模擬，向污染介質中注入空氣及液體修復等模擬。

本文采用TOUGH2軟件的T2VOC模塊建立二維數(shù)值模型，模型網(wǎng)格按X、Z方向剖分，模擬區(qū)域有效網(wǎng)格長30 cm，高40 cm，模型網(wǎng)格剖分見圖1。網(wǎng)格為不均勻剖分，X方向剖分規(guī)則為：-0.5～0和30.0～30.5為左右隔水邊界；0～14和16～30分別平分為7個長度為2 cm的網(wǎng)格；14.00～14.85和15.15～16.00剖分為長度0.85 cm的網(wǎng)格，14.85～15.15剖分為中間長為0.3 cm的網(wǎng)格，有效網(wǎng)格總長度為 30 cm，網(wǎng)格不規(guī)則剖分的目的，主要是為了刻畫中間0.3 cm寬的裂隙。Z方向剖分規(guī)則為：-0.5～0為底部隔水邊界，邊界中間處有0.3 cm寬的排泄孔；0～3為飽水帶，水的模擬飽和度為1；3～14為毛細帶，總高度為11 cm，平分為5組單元格，每格高2.2 cm；14～37為土壤帶，此帶與大氣相通，14～15為1.0 cm厚的網(wǎng)格，15～37平分為11組，每組高為2.0 cm；37～40為LNAPL注入?yún)^(qū)，平均分為三組，每組高1.0 cm。根據(jù)以上規(guī)則，共剖分357個有效單元格，61個無效單元格。

圖1 網(wǎng)格剖分圖Fig.1 Schematic diagram of the grid design

2 定解條件及參數(shù)

建立模型時假定：

(1)模擬的基質中存在水相、氣相、LNAPL三相，油、水不混溶，模型中的滲流為等溫的三相滲流。

(2)基質和流體不可壓縮，水和油的密度不變。

(3)不考慮水的蒸發(fā)，不考慮油的揮發(fā)。

(4)LNAPL滲入前，模型中不存在油相。

(5)考慮毛細力、重力及吸附作用，忽略降解作用。

2.1 邊界條件

模型的上邊界為注入?yún)^(qū)，無基質，與大氣相通，壓強為大氣壓，無水相。油相均勻從上邊界注入，注油速率為1.44×10-4kg/s。下邊界為飽水帶，水的飽和度為1，底部有排泄孔；側面邊界，為隔水邊界，水相與油相均不能透過。

2.2 初始條件

模擬初始時刻模型中沒有油相，飽水帶水面水平，水的飽和度為1，高度為3 cm；毛細帶從上至下水的飽和度逐漸增加，高度為14 cm；土壤帶只有氣相，壓強為大氣壓強。初始條件見表1。

表1 初始條件

3 模擬結果及分析

3.1 LNAPL注入后運移分布

LNAPL均勻注入裂隙-基質系統(tǒng)后，平鋪在系統(tǒng)表面，在重力作用下向下遷移[21-22]，濕潤性液體LNAPL進入干燥的土壤帶后，優(yōu)先進入裂隙中。LNAPL初始干-濕界面呈狹長形，污染區(qū)域飽和度相對較低；隨著LNAPL的不斷注入，污染面積不斷增大，LNAPL到達裂隙底部后，在裂隙中聚集，以裂隙為核心向四周擴散，飽和度以裂隙為中心向外逐漸減小[20]。LNAPL遷移圖像見圖2。

從模擬結果可以看出，LNAPL在10 min到達毛細帶，由于毛細力的作用，LNAPL主要以橫向擴散為主，干-濕界面由狹長形逐漸變成橢圓形(圖2中20～40 min)，最后填充整個系統(tǒng)，形狀如矩形(LNAPL運移50 min以后)。相對于裂隙，兩側基質中LNAPL入滲明顯滯后，初始鋒面較為均勻、平行，隨著時間的推移，由于受到裂隙的影響，裂隙入滲口處的基質受到越來越多的污染，相比距裂隙較遠的基質，LNAPL的入滲深度較大，從圖2圖像變化可以看出，距離裂隙越遠，基質受到裂隙的影響越小，入滲深度也相對較小。LNAPL入滲干-濕界面不是平行地到達飽水帶，而是以裂隙為中心，呈圓滑的錐形遷移到飽水帶。LNAPL入滲的過程就是一個油相驅替水相、氣相，并占據(jù)其空間的過程，LNAPL在裂隙-基質系統(tǒng)中主要以裂隙為介質向下入滲至飽水帶[23-24]，裂隙的存在，起到了“快速通道”的作用，降低了LNAPL在中砂基質頂部向下入滲的速率，在整體上縮短了LNAPL入滲至飽水帶的時間，加速了基質污染的速率，加重了污染程度。

3.2 LNAPL停止注入后飽和度分布

LNAPL在模擬的第50 min到達飽水帶，之后停止注入，由于密度比水小，LNAPL漂浮在飽水帶表面，不斷聚集，LNAPL停止注入后的遷移圖像見圖3。從圖中看出，LNAPL停止注入后，裂隙中LNAPL飽和度相比兩側基質中的LNAPL飽和度小，停止注入20 min時，裂隙中LNAPL的飽和度已經降到0.10，并且隨著時間延長仍在繼續(xù)減小，到停止注入120 min時，裂隙中LNAPL飽和度為0.07，飽和度幅度變化較??；基質中LNAPL飽和度很大，停止注入20 min時最大飽和度為0.40，到第120 min時，最大飽和度為0.20，飽和度隨著時間變化幅度較大。這說明，孔隙越大，吸附性越差，殘留的LNAPL越少。

圖2 LNAPL注入時飽和度變化圖像Fig.2 Migrate images during the LNAPL injection

圖3 LNAPL停止注入后飽和度變化圖像Fig.3 Migrate images after the LNAPL injection

LNAPL在飽水帶聚集一定量后，由于重力作用，繼續(xù)向下運移，飽水帶水面向下凹陷，中間凹陷比兩側大，這主要是因為，LNAPL通過中間的裂隙首先達到飽水帶，并大量聚集，中間聚集的LNAPL較兩側多，因此會形成圖3中所示的中間凹陷較多的情形。LNAPL聚集一定量后，迫使水面下移，飽水帶中的水從底部的排泄孔排出，多余的LNAPL從排泄孔排出，最終形成油-水平衡狀態(tài)，飽水帶中同時存在油相、水相。

LNPAL在遷移到飽水帶的過程中，仍有部分LNAPL由于受到土壤顆粒的吸附作用長期殘留在基質中，同時飽水帶表面也會漂浮大量的LNAPL，這些微溶于水的污染物會長期存在，對土壤和地下水造成嚴重的污染，因此，對污染區(qū)域進行修復顯得很有必要。

3.3 單井抽提修復

單井抽提修復是MPE修復的一種，抽提量是影響抽提修復的關鍵因素之一。抽提量過小，殘留污染物難以被抽出且抽取時間長，效率低；抽提量過大，對設備要求高，成本費用高。抽提井真空泵位置同樣影響抽提修復效果。因此，針對污染區(qū)域及LNAPL的性質，選擇合適的抽提量及抽提井布置位置，將有助于提高污染區(qū)域的修復效果。

為了研究抽提量對受污染土壤修復的影響，設計井深30 cm，最大抽提量分別為1.0×10-4，3.0×10-4，5.0×10-4，7.0×10-4kg/s四種方案(圖4a)；為了研究抽提井深對修復效果的影響，設計抽提流量為3.0×10-4kg/s，井深20，25，30，35 cm四種方案(圖4b)。抽提壓強均為370 Pa，模擬時長為2 h。

圖4 抽提井抽提修復方案Fig.4 Extraction remediation scheme

3.3.1抽提量的影響

不同抽提量下LNAPL飽和度隨時間變化見圖5。從模擬結果可以看出，在無抽提井時，毛細水帶基質中的LNAPL飽和度隨著時間逐漸減小，飽和度最大值由0 min的0.20 減小到120 min的0.15，同時受污染的面積及污染程度也在減小。這表明，LNAPL在重力作用下仍向飽水帶遷移，但遷移速率越來越小。從圖5(a)可以看出，在第100～120 min，LNAPL飽和度幾乎沒有變化，油相、水相逐漸達到平衡。在有抽提井且抽提流量不為0的模型中，LNAPL飽和度隨時間逐漸減小，不同抽提流量下，LNAPL飽和度變化程度不同。從圖5(b)～(e)圖像變化可以看出，同一時刻，模型抽提流量越大，LNAPL飽和度變化越大，說明從基質中抽取出的LNAPL越多，修復效果越好。從修復效果看，抽提量為1.0×10-4kg/s時，在第120 min，飽和度最大值為0.13，下降了0.07，仍有較大面積的污染，且污染區(qū)域的LNAPL飽和度大于0.10，修復效果最差。抽提量為3.0×10-4kg/s時，在第60 min，飽和度最大值為0.12，在120 min時，污染區(qū)域LNAPL飽和度在0.10以下，裂隙中飽和度最小，修復效果較好。修復效果最好的是抽提量為7.0×10-4kg/s的模型，在第20 min飽和度達到約0.12，在第120 min，飽和度最大值為0.07，下降了0.13，污染程度減小的最多，大部分污染區(qū)域經抽取LNAPL后，飽和度下降到約0.05。

由此可以看出，抽提流量越大，修復效果越好，但是水相、氣相、油相被抽取出的越多，造成地下水面下降，可能形成新的環(huán)境問題；抽提量越大，成本費用越高。因此，在修復LNAPL造成的污染時，要充分考慮修復效果與成本兩方面的因素，合理設置抽提流量及時間，在達到修復污染場地的同時，節(jié)約人力、物力、財力。

圖5 不同抽提量下LNAPL飽和度隨時間變化圖像Fig.5 Images of the LNAPL saturation change under different extraction volumes

3.3.2抽提井位置的影響

圖6顯示了抽提井真空泵在不同深度下，LNAPL飽和度隨時間的變化。從模擬結果可以看出，方案a與方案b修復效果差別不大，且效果較差，到模擬結束時，仍有較大面積的污染區(qū)域LNAPL飽和度在0.16以上。相比而言，方案c與方案d修復效果較好，方案d修復效果最好，在模型運行到第80 min時，飽和度降到了0.06以下，而方案c在模型運行結束時，仍有部分區(qū)域LNAPL飽和度約為0.11，修復效果稍差。對比圖像發(fā)現(xiàn)，在毛細帶及土壤帶，方案c修復效果比方案d好，模型運行結束時，方案c毛細帶及土壤帶中LNAPL飽和度及污染區(qū)域明顯比方案d的小。

由此看來，抽提井真空泵深度對修復效果影響較大。LNAPL在重力作用下主要聚集在飽水帶表面及毛細帶下部，這部分是LNAPL飽和度最大的區(qū)域，方案a與方案b抽提井真空泵埋深太淺，距LNAPL聚集的區(qū)域較遠，由于抽提流量及抽提壓強的限制，很難清除深部的污染物；方案d抽提井真空泵位于飽水帶上部2 cm處，也是大部分LNAPL聚集的區(qū)域，因而抽提效果最好，由此可以看出合理的布設井位能彌補設備不足的缺點。方案d相比方案c，毛細帶上部的修復效果稍差。抽提井真空泵埋深越大，對設備的要求越高。因此，在實際操作時，需充分了解LNAPL污染物的分布范圍及污染程度，合理設計抽提井真空泵埋深，在設備允許的范圍內，同時達到規(guī)定的修復效果及節(jié)約成本的目的。

圖6 不同井深下LNAPL飽和度隨時間變化圖像Fig.6 Images of the LNAPL saturation change at different well depths

3.4 注水井位置對原位沖洗修復的影響

單井修復影響半徑有限，針對大的污染區(qū)域，修復效果不理想，實際操作時，多采用群井的方式進行修復[25-27]。由于水泵對地下水的抽提作用，潛水位下降，原來被水侵沒的土壤暴露出來，造成部分區(qū)域水位下降，引起新的環(huán)境問題。鑒于此，在抽提井兩側添加注水井，通過向土壤污染帶或飽水帶中注水的方式修復污染區(qū)域，這是單井抽水處理法的衍生方法，稱為原位沖洗技術。

原位沖洗技術既彌補了單井抽提影響半徑過小的問題，又補充地下水，防止水位下降過多的問題，是較為理想的清除LNAPL污染的方法。注水井的布設尤其重要，為此建立相關模型研究注水井布設位置對原位沖洗法修復效率的影響。設計方案如圖7所示，抽提井真空泵長度均為2 cm，位于橫向中間位置，豎直方向位于10～12 cm，抽提流量為3.0×10-4kg/s，抽提壓強為370 Pa。兩口注水井流量均為1.0×10-4kg/s，其中橫向(X方向)注水井布設見圖7(a)。豎直方向濾網(wǎng)長度為10 cm，位于10～20 cm處，抽提井兩側對稱布設注水井。方案a～d注水井距抽提井距離分別確定為11，8，5，2 cm。豎直向(Z方向)布設見圖7(b)。兩口注水井在抽提井兩側，對稱分布，距抽提井距離均為8 cm，豎直方向設計4種方案，方案A注水井濾網(wǎng)位于20～30 cm，方案B注水井濾網(wǎng)位于15～25 cm，方案C注水井濾網(wǎng)位于10～20 cm，方案D注水井濾網(wǎng)位于5～10 cm。通過不同布設方案探究注水井位置對修復效果的影響。

圖7 注水井布設示意圖Fig.7 Schematic diagram of the water injection well design

3.4.1注水井橫向位置的影響

為了研究注水井與抽提井之間的距離對修復效果的影響，設計了4種橫向(X方向)注水井方案，研究LNAPL飽和度隨時間變化(圖8)。從模擬結果可以看出， LNAPL飽和度隨時間減小，模型運行結束時，注水井附近LNAPL飽和度均保持在約0.05，比抽提井附近LNAPL飽和度小，且以注水井為中心，向外LNAPL飽和度有變大的趨勢。方案a在模擬的第40 min，注水井附近的LNAPL飽和度明顯降低，低飽和度的分布區(qū)有向上部及下部擴散的趨勢，這是由于注水井距隔水邊界較近，注入大量的水受到阻擋后，向豎直方向擴散的緣故。方案a中注水井距抽提井較遠，大于兩者共同作用下的影響半徑；方案b位于抽提井影響半徑邊緣。方案b修復效果明顯優(yōu)于方案a和方案c，圖8(c)LNAPL飽和度變化圖像顯示，注水井與隔水邊界之間的污染物濃度變化較小，模型結束時，LNAPL飽和度最小的區(qū)域集中在注水井與抽提井之間，這是因為注水井距抽提井太近，注水井注入的水很快運移到抽提井中，被抽取出，由于運移距離過短而未能攜帶大量的污染物，導致只有注水井與抽提井附近污染物被抽取出，邊界附近的污染物濃度依然很大。方案d修復效果最差，LNAPL飽和度只在注水井與抽提井附近的小范圍內比較小，相比圖5(c)同等狀態(tài)下(不存在注水井的情況)，修復效果差。

由此看出，注水井與抽提井的距離不宜過大或過小。距離過大或超出影響半徑，注入的水運移速率較慢，修復時間長，效果差；距離過小，注入的水很快進入抽提井被抽出，攜帶的污染物量小，修復效率低。實際布井時，需根據(jù)場地土壤的滲透性、顆粒大小及污染物的分布范圍及污染物的性質進行合理布井[28-30]。

圖8 注水井距抽提井不同距離時LNAPL飽和度隨時間變化圖像Fig.8 Images of the LNAPL saturation at different distances between the injection well and extraction well

3.4.2注水井埋深的影響

從圖8看出，方案b是最優(yōu)的修復方案，但注水井上部與下部LNAPL飽和度依然很大，污染物依舊大量存在?？梢?，注水井濾網(wǎng)埋深的布設存在不合理之處。為此，設計了圖7(b)所示的布井方案，探究注水井埋深對修復效果的影響。LNAPL飽和度隨時間變化圖像見圖9。

抽提井的位置直接影響了污染物的抽取效率，注水井的位置影響到污染物除去的范圍以及修復程度。從模擬結果看，方案D至方案A修復效果依次變好。方案D的修復效果最差，LNAPL去除程度最低，殘留的污染物主要集中在遠離注水井的非飽和帶上部，飽和度約為0.10。對比方案A與方案D，方案A飽水帶以上區(qū)域LNAPL飽和度已降到0.07以下，在第80 min 時LNAPL飽和度變化已較緩慢，基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，總體修復效果最好；方案D只有飽水帶附近污染物濃度較低，土壤帶及毛細帶污染物濃度依然較高。

注水井在向受污染區(qū)域注水的過程中，除了向兩側擴散外，還在重力作用下向下擴散，注入的水不僅降低了污染物濃度，而且起到了“沖洗”吸附在土壤顆粒上污染物的作用。注水井周圍的污染物隨著水的注入不斷被稀釋，并被攜帶到非飽和帶下部，被抽取至地表。

從圖9看出，方案B、方案C、方案D修復效果不明顯，主要是因為，注水井濾網(wǎng)距離污染范圍的上邊界較遠，而水受重力作用只會向下運移，故而起不到稀釋與“沖洗”的作用，導致修復效果不理想。在采用注水井與抽提井同時工作時，需充分掌握污染物的分布范圍，注水井埋深不宜過大，濾網(wǎng)上部與修復范圍的上邊界齊平為最佳。

圖9 注水井篩管距底部邊界不同距離時LNAPL飽和度隨時間變化圖像Fig.9 Images of the LNAPL saturation at different distances from the bottom border of the injection well screen

3.5 原位沖洗修復下LNAPL飽和度變化規(guī)律

原位沖洗技術設計主要有布井位置、數(shù)量、濾網(wǎng)位置、運行參數(shù)等。井位布設建立在充分了解污染物分布的基礎上，在設計時要充分考慮設備的可行性、成本費用及環(huán)境保護等問題[31-32]。

3.5.1布井方案

設計注水井、抽提井及觀測點位置，如圖10 所示?？紤]到效率因素，抽提井流量取3.0×10-4kg/s，抽提真空泵位于5～7 cm處(圖6中最優(yōu)方案)，注水井綜合考慮橫向與豎直方向的影響，選取最優(yōu)方案(橫向距抽提井8 cm，豎直方向濾網(wǎng)位于20～30 cm處)。觀測點監(jiān)測相應點位LNAPL飽和度的變化，因LNAPL飽和度分布以中間裂隙為軸左右對稱，故點位布設裂隙左側。觀測點Ob1、Ob2、Ob3探究不同深度LNAPL飽和度的變化，觀測點Ob4、Ob5、Ob6分別監(jiān)測鄰近裂隙、裂隙中及抽提真空泵處的LNAPL飽和度變化。從模型運行開始到結束，6 個觀測點共采集數(shù)據(jù)180 組。

3.5.2不同位置LNAPL飽和度變化規(guī)律

圖11為各觀測點LNAPL飽和度變化情況。觀測點Ob1、Ob2、Ob3、Ob6處LNAPL飽和度均是隨時間逐漸減小，四個觀測點飽和度降幅分別為0.108，0.196，0.122，0.128。同一時刻，各觀測點LNAPL飽和度：Ob1

從觀測井Ob1、Ob2、Ob3處飽和度對比看出，深度越大，LNAPL飽和度越大；從飽和度變化速率看，Ob2處飽和度變化最大(Ob1、Ob2、Ob3處前4 000 s LNAPL飽和度下降平均速率分別為2.61×10-5，2.90×10-5，2.73×10-5s-1)。對比Ob4、Ob5、Ob6處飽和度，前1 300 s，Ob5Ob6。

觀測點Ob4位于注水井中下部分靠近裂隙的地方，當注水井開始注水，會迫使水-油鋒面向Ob4遷移，增大LNAPL的濃度，當水-油鋒面過后，注入的水開始運移到Ob4處，此時LNAPL濃度逐漸降低。圖11中觀測點Ob4處LNAPL飽和度在615 s之前增大，在之后緩慢降低。隨后水-油鋒面到達裂隙中的觀測點Ob5處，導致LNAPL飽和度緩慢增大，這是由于裂隙滲透性很大，模型未運行之前LNAPL飽和度已近乎最低，處于平衡狀態(tài)，隨著注水井的注水，水-油混合物遷移到裂隙中，增加了裂隙中污染物濃度。當注水井繼續(xù)工作時，大量的水運移到裂隙中，稀釋了裂隙中的混合物，同時裂隙中的水-油混合物在重力作用下向下運移，進入到抽提井中抽出至地表，于是在模型運行4 800 s 后，Ob5處再次出現(xiàn)LNAPL飽和度下降。初始時刻觀測點Ob6處LNAPL飽和度最大(飽和度為0.2)，相比觀測點Ob3初始值0.197略大，但隨模型運行飽和度很快變小，并在同時刻小于Ob3處的值。

觀測點Ob6位于抽提井真空泵處，隨著抽提作用，大量的水相、氣相、油相混合物被迅速抽出系統(tǒng)，因而LNAPL飽和度會在短時間內下降；觀測點Ob3距抽提井相對較遠，受抽提作用影響較小，在359 s之前飽和度降速較慢，在之后抽提作用影響擴展到觀測點Ob3，故而在359 s之后，LNAPL飽和度迅速下降。對比Ob4與Ob6，Ob6處LNAPL下降平均速率為2.10×10-5s-1，遠離注水井與抽提井的Ob4處LNAPL飽和度變化相對緩慢很多，速率為5.79×10-6s-1。由于遠離注水井，LNAPL得不到有效“沖洗”，無法在短時間內被攜帶至抽提井處抽出，同時由于沒有有效的稀釋，故而變化速率較為緩慢。

3.6 原位沖洗修復效果檢驗

根據(jù)原位沖洗修復時LNAPL飽和度變化規(guī)律及井位布設規(guī)律，原位沖洗修復最優(yōu)模式為：抽提井埋深到達飽水帶(35 cm處)，注水井橫向位于抽提井影響半徑邊緣(距抽提井8 cm)，豎向位于污染區(qū)域上邊緣。

圖12為原位沖洗修復最優(yōu)模擬方案下，LNAPL飽和度隨時間變化圖像。從模擬結果可以看出，在第80 min時，污染物已得到有效控制，修復面積達到96%，修復率達到75%。在第80～120 min污染物濃度變化不大，但仍在繼續(xù)減小。到第120 min時，修復面積接近100%，LNAPL飽和度控制在0.05。由此看出，原位沖洗方法能較好地清除LNAPL。相比單井抽提模式，原位沖洗模式修復效率高、效果好，在某種程度上能彌補對設備要求較高的限制，而且不會引起大面積的地下水位下降，避免在修復污染物時造成新的環(huán)境問題。

圖10 井位布設及LNAPL飽和度觀測點位置示意圖Fig.10 Schematic diagram of the well position and the LNAPL saturation observation points

圖12 LNAPL飽和度隨時間變化圖像Fig.12 Images of the LNAPL saturation at different times

4 結論

(1)LNAPL均勻注入裂隙-基質系統(tǒng)后，優(yōu)先進入裂隙，形成狹長形的入滲通道，LNAPL隨時間逐漸以橫向擴散為主，干-濕界面變成橢圓形，直至充填整個系統(tǒng)。裂隙起到了“快速通道”的作用，縮短了污染物遷移到飽水帶的時間。

(2)LNAPL停止注入后，裂隙中污染物快速向下遷移，形成以裂隙為中心的飽和度向外逐漸增大的污染區(qū)。水-油界面非均勻向下推移，裂隙中污染物首先遷移到飽水帶表面，在其表面形成向下的凹液面，逐漸迫使水排出系統(tǒng)。

(3)抽提井流量與布井位置是影響修復效率的主要因素。抽提流量過小，污染物難以被抽取出且修復時間較長；抽提井真空泵埋深淺，則難以影響到深部污染物，埋深過大或深入飽水帶，則抽取物中水占比重較大，同樣降低修復效率。

(4)單井抽取三相混合物時，同時減少了土壤及地下水含水量，甚至導致地下水水位下降，造成新的環(huán)境問題。相比單井抽提修復，原位沖洗方法在修復污染時，注入的水有效補充了地下水，并對污染物起到了“沖洗”與稀釋作用，迫使污染物隨水流運移到抽提井中抽取至地表，增加修復效率。

(5)MPE系統(tǒng)能有效清除非飽和帶中輕油類污染物，實際操作中，需充分了解污染物的分布，合理設計抽取流量、抽提壓強、布井位置及濾網(wǎng)埋深等，達到既高效修復污染，又節(jié)約成本的目的。