裂隙介質(zhì)中LNAPL污染物遷移研究進(jìn)展

（河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

0 引言

近年來，隨著城市化和工、農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，超負(fù)荷的開發(fā)利用使地下水污染逐漸加重，特別是以石油類污染物為代表的有機(jī)物污染己成為國際科學(xué)界的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)[1-6]。造成地下水石油類污染的主要原因是各類污染源的防滲措施不到位，污染源主要有垃圾填埋場、石油加油站、各類輸油管線、儲油罐和各種農(nóng)業(yè)污水溝塘等[7]。石油類污染物一般為不溶于水的持久性有機(jī)污染物，毒性高、難降解、密度比水小，多屬輕非水相流體（Light Non-aqueous Phase Liquid，簡稱LNAPL）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年有1 ×1012kg 的石油類污染物通過各種途徑進(jìn)入環(huán)境中，并通過雨水或地表水下滲導(dǎo)致許多地區(qū)地下水的嚴(yán)重污染，我國每年大約有6.0 × 109kg 的石油進(jìn)入環(huán)境大氣、水體及土壤中造成了嚴(yán)重的污染[7]。石油產(chǎn)品的污染問題已經(jīng)成為我國廣泛關(guān)注和亟待解決的重要環(huán)境安全問題之一。

目前大多數(shù)LNAPL 污染物遷移的研究主要集中在孔隙介質(zhì)中，而在裂隙介質(zhì)中，LNAPL 污染物的遷移屬于多相流問題，其滲透率、飽和度和毛細(xì)壓力等均隨時(shí)間和空間發(fā)生變化，使得LNAPL 污染物的遷移在重力、水壓力和毛細(xì)壓力等共同作用下變得尤為復(fù)雜[8]。本文以地下水的開發(fā)利用與污染修復(fù)為背景，從裂隙介質(zhì)中LNAPL 的遷移規(guī)律和監(jiān)測方法2 個(gè)方面綜述LNAPL 在裂隙介質(zhì)中遷移的研究進(jìn)展，從機(jī)理、模型以及數(shù)值模擬等角度系統(tǒng)分析最新研究成果，并對未來發(fā)展進(jìn)行展望，以期為LNAPL 在裂隙巖體中的遷移預(yù)測和修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 多相流遷移數(shù)學(xué)模型

在裂隙介質(zhì)非飽和帶中，涉及水相、LNAPL 相以及氣相等多個(gè)組分的遷移問題屬于多相流問題，多相流方程基于各組分的質(zhì)量守恒定律、達(dá)西定律、熱量守恒定律以及力平衡定律等。若不考慮溫度和非平衡力的影響，由質(zhì)量守恒定律和達(dá)西定律可得各組分i 的控制方程為[9]：

式中：ρo，ρw和ρg分別為非水相液體、水和氣體的密度；kro，krw和ksg分別為非水相液體、水和氣體的相對滲透率；k 為介質(zhì)的絕對滲透率；μo，μw和μg分別為非水相液體、水和氣體的動(dòng)力粘度；Po，Pw和Pg和分別為非水相液體、水和氣體的壓力；n 為空隙度；So，Sw和Sg和分別為介質(zhì)中非水相液體、水和氣體的飽和度；Rs為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下從非水相液體中逸出的氣體體積與非水相液體的體積之比，即氣體在非水相液體中的溶解度；Rsw為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下從水中逸出的氣體體積與水的體積之比，即氣體在水中的溶解度。

2 遷移規(guī)律研究

2.1 遷移機(jī)理

石油類污染物發(fā)生泄漏時(shí)，在下滲進(jìn)入地下的過程中主要受到重力、毛細(xì)壓力、粘滯力以及浮力等的影響。LNAPL 下滲進(jìn)入地下時(shí)，由于比水輕，現(xiàn)有研究大多認(rèn)為會在地下水面聚集，并在地下水位上方形成LNAPL 池。但當(dāng)在地下水面聚集時(shí)，垂直裂隙發(fā)育的巖體中LNAPL 的壓力會壓低地下水位，從而驅(qū)替水流促使LNAPL 進(jìn)入地下水位以下的裂隙網(wǎng)絡(luò)中[10]。同時(shí)，裂隙巖體中裂隙的走向和裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育特征會影響LNAPL 所受浮力大小，從而影響LNAPL 在飽和裂隙巖體中遷移和分布特征，目前尚未建立裂隙系統(tǒng)中LNAPL 污染物的現(xiàn)場研究方法[11]。DOU Z 等[12]利用LBM 法探究了充填單裂隙中NAPL 的遷移機(jī)理，并在隨后的研究中分析了填充物非均質(zhì)性引發(fā)的拖尾效應(yīng)；HUANG Y 等[13]通過室內(nèi)裂隙模擬研究了水平單裂隙對LNAPL 遷移的影響，并詳細(xì)分析了LNAPL 遷移過程中的電阻率變化；盧斌等[14-15]選取甲苯作為LNAPL 的代表污染物，在頁巖透明仿真裂隙中開展了變隙寬條件下LNAPL 的遷移和殘留研究，分別揭示了LNAPL 殘留分布規(guī)律以及“裂隙-水-LNAPL”系統(tǒng)內(nèi)的相互影響機(jī)制：自由相的LNAPL 主要沿著裂隙中的狹長通道遷移到內(nèi)部，在隙寬較小的區(qū)域有少量孤立的LNAPL 液滴殘留，LNAPL 會隨著地下水位的上升而向上遷移；肖岳峰等[4]設(shè)計(jì)了二維有機(jī)玻璃的單裂隙模型，用以研究LNAPL 在含裂隙層狀非均質(zhì)地層中優(yōu)先流現(xiàn)象；HUANG Y 等[16]通過裂隙-孔隙介質(zhì)模型的砂槽試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)先流現(xiàn)象，并且通過驅(qū)替試驗(yàn)揭示了LNAPL 遷移和修復(fù)機(jī)理。

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

裂隙巖體的滲透性能取決于裂隙的發(fā)育特征，裂隙隙寬決定著水流和LNAPL 污染物進(jìn)入裂隙的能力。在裂隙巖體滲流方面，國內(nèi)外很多專家和學(xué)者做了大量的研究工作，總結(jié)現(xiàn)有的研究成果，主要有以下4 種[11]：①等效連續(xù)介質(zhì)模型：把巖體視為等效連續(xù)地質(zhì)體，引入滲透系數(shù)張量的概念；②離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型：忽略巖塊的滲流，巖體基質(zhì)視為不透水，僅研究地下水流在裂隙網(wǎng)絡(luò)中的流動(dòng)；③雙重介質(zhì)模型：將裂隙巖體分為大裂隙導(dǎo)水和孔隙及小裂隙儲水2 部分，認(rèn)為主干-分枝裂隙廣泛存在于整個(gè)研究區(qū)域；④離散介質(zhì)-連續(xù)介質(zhì)耦合模型：用離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型描述主干裂隙中的水運(yùn)動(dòng)，用等效連續(xù)介質(zhì)模型描述次要裂隙和孔隙中的水運(yùn)動(dòng)，由次要裂隙和孔隙等效成的連續(xù)介質(zhì)充滿整個(gè)研究區(qū)域，離散的主干裂隙按實(shí)際產(chǎn)狀分布于連續(xù)介質(zhì)中。裂隙網(wǎng)絡(luò)是由眾多單條裂隙組成的，單一裂隙是構(gòu)成巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)的基本元素，所以研究其滲流基本規(guī)律是巖體水力學(xué)的基本任務(wù)，一般通過立方定律來描述。在非飽和裂隙巖體中，對于水平不連通的裂隙，流體壓力水頭為0 m，LNAPL 不發(fā)生遷移；對于垂直裂隙，裂隙傾角為90°，重力影響大，會成為LNAPL 向地下水面遷移的主要通道。當(dāng)LNAPL 污染物到達(dá)地下水面時(shí)，在飽和裂隙巖體中的遷移取決于流體的密度差、流體界面張力、裂隙隙寬和流體壓力等。同時(shí)，需要指出的是，立方定律的適用條件為光滑單裂隙，對于實(shí)際工程應(yīng)用中的粗糙裂隙，可能符合超立方定律和次立方定律。研究LNAPL 在裂隙介質(zhì)中遷移所需的一些關(guān)鍵參數(shù)見表1。

2.3 數(shù)值模擬

由于LNAPL 的運(yùn)動(dòng)不僅與裂隙隙寬、粗糙度以及飽和度有關(guān)，同時(shí)還受到LNAPL 的密度、粘滯性、表面張力以及溫度等的影響，遷移機(jī)理較為復(fù)雜。傳統(tǒng)的室內(nèi)物理模型僅能模擬一般工況下LNAPL 的遷移過程和規(guī)律，對于復(fù)雜工況下的LNAPL 的遷移預(yù)測需要通過數(shù)值模擬來完成。最早應(yīng)用于NAPL在土壤中遷移的二相流數(shù)值模型表明大部分污染物集中在淺層地表；考慮到LNAPL 遷移的不確定性，可以構(gòu)建不混溶流體的二維模型模擬了飽和以及非飽和2 種條件下的遷移特征；SOOKHAK L K 等[17]綜合LNAPL 遷移的特點(diǎn)，對污染場地的模型構(gòu)建方法和修復(fù)技術(shù)的模擬優(yōu)化提供了一定參考；AHMED W 等[20]為查明LNAPL 的滲透率和回收率，通過多相流DUMUX 模型模擬了NAPL、水和空氣三相條件下的流動(dòng)，隨后使用改進(jìn)的Bouwer-Rice 法驗(yàn)證了該模型；根據(jù)現(xiàn)場地層特征和水文地質(zhì)條件，采用API/Charbenau 模型預(yù)測分析了LNAPL 羽流的分布，進(jìn)而驗(yàn)證LNAPL 修復(fù)去除的可行性；巖體基質(zhì)進(jìn)入壓力對于非水相液體在裂隙巖體中遷移的重要性，可通過CompFlow 模型模擬垂直單裂隙以及某場地的非水相液體遷移過程；利用CompFlow 模型預(yù)測分析某白云巖區(qū)非水相液體污染物的分布，與監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合度很高，運(yùn)用HGS 模型對場地內(nèi)8 口抽提井的修復(fù)效果進(jìn)行了模擬評估。盧斌等[14]在單裂隙室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用FEFLOW 模擬了粗糙單裂隙中LNAPL 的遷移過程以及LNAPL 殘留態(tài)對水流運(yùn)動(dòng)的影響；為研究包氣帶中裂隙對LNAPL 遷移和分布的影響，趙科峰等[6]構(gòu)建了室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蚑OUGH2 數(shù)值模型，并對其進(jìn)行分析預(yù)測；肖岳峰等[4]通過PetraSim 模擬預(yù)測了LNAPL 在含裂隙層狀非均質(zhì)地層中的運(yùn)移。

多年來，裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型的建立主要通過現(xiàn)場實(shí)測統(tǒng)計(jì)完成，包括裂隙的組數(shù)、產(chǎn)狀、裂隙間距以及跡線長度等，進(jìn)而建立統(tǒng)計(jì)模型。自20 世紀(jì)50年代開始，許多學(xué)者致力于裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的模擬技術(shù)研究。應(yīng)用在計(jì)算機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬上的Monte-Carlo 方法得到快速發(fā)展，按照已知的密度函數(shù)進(jìn)行隨機(jī)抽樣，從而得到與實(shí)際分布函數(shù)相似或相對應(yīng)的人工隨機(jī)變量，進(jìn)而推算出每條裂隙的端點(diǎn)坐標(biāo)，研究通過建立多層次的Monte-Carlo 方法，在三維裂隙網(wǎng)絡(luò)的流量計(jì)算中表現(xiàn)良好。

3 監(jiān)測方法研究

現(xiàn)階段，識別和查明LNAPL 污染物的現(xiàn)場監(jiān)測方法主要依靠在污染場地內(nèi)布設(shè)一定數(shù)量的監(jiān)測井，采集井中水樣分析判斷LNAPL 污染羽的厚度，這對查明LNAPL 遷移過程的幫助是有限的[19-20]。目前，裂隙巖體中依靠監(jiān)測井來模擬和評估LNAPL 遷移的模型主要有2 種，一種是傳統(tǒng)的Darcy’s 定律，建立遷移速度與裂隙滲透率、梯度、粘滯系數(shù)等的函數(shù)關(guān)系；另一種是引入毛細(xì)壓力-飽和度的概念，等效為孔隙介質(zhì)模型處理。在離散的裂隙介質(zhì)中，裂隙巖體一般滲透性很低，裂隙連通效果不詳，并且LNAPL 的遷移還受到裂隙幾何特性、介質(zhì)特性以及LNAPL 本身性質(zhì)的影響；在隙寬較大的垂直裂隙中，LNAPL 污染物并不只是存在于地下水面附近，其在重力等因素的影響下會入滲到地下水深處；通過監(jiān)測井獲取場地的LNAPL 污染數(shù)據(jù)，受裂隙網(wǎng)絡(luò)連通性、裂隙與監(jiān)測井的交叉角度等的制約，監(jiān)測井無法切穿所有裂隙，未切穿的裂隙中存在的污染物無法被查明，并且在某種特殊情況下，監(jiān)測井會同時(shí)切穿2 條本不連通的裂隙，形成了裂隙網(wǎng)絡(luò)水流運(yùn)動(dòng)和污染物遷移的通道，造成更大范圍的污染。因此，在復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)巖體中，通過監(jiān)測井技術(shù)獲取的污染物厚度和遷移范圍很難準(zhǔn)確反映LNAPL 的分布情況，孔隙介質(zhì)模型在復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)中推廣具有一定的局限性。

近年來，隨著技術(shù)水平的提升，地球物理方法在土壤和地下水污染探測方面的研究越來越多，包括電法、地震勘探、探地雷達(dá)等[21-24]。許多研究從LNAPL污染介質(zhì)的電阻率特性展開，通過二維或三維砂箱或水槽，探究介質(zhì)組成、污染物種類、含水飽和度、含油飽和度以及水位波動(dòng)等因素對污染介質(zhì)電阻率的影響，進(jìn)而還原LNAPL 的遷移和分布。潘玉英等[25]為深入探究柴油在濱海砂質(zhì)含水層中的動(dòng)態(tài)遷移過程，自行開發(fā)研制了基于Wenner 法的電阻率探桿自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測結(jié)果采用Archie 公式擬合，很好地估算了柴油透鏡體的厚度；陶佳輝等[26]通過TOUGH 2 中的T2VOC 模塊模擬研究了LNAPL 污染源區(qū)的多相流，詳細(xì)模擬了泄漏量、非均質(zhì)性、含水量以及潛水面周期變化等因素對LNAPL 分布的影響；尤志鑫等[27]認(rèn)為污染介質(zhì)的相對介電常數(shù)會隨著體積含水量和含油量的增加而增大，直到達(dá)到飽和狀態(tài)，逐漸趨于穩(wěn)定，并且與DCLOOR 模型理論值相近；但史柏語[28]認(rèn)為LNAPL 引起的介電常數(shù)變化并不明顯，隨后運(yùn)用全極化探地雷達(dá)系統(tǒng)對污染場地進(jìn)行了探測，運(yùn)用極化偏移算法重構(gòu)的效果很好；關(guān)于透鏡體厚度的計(jì)算，羅凌云[29]運(yùn)用BC，VG 和FX 模型分別擬合預(yù)測了LNAPL 在包氣帶中形成的透鏡體厚度，并結(jié)合室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)在地下水位波動(dòng)條件下進(jìn)行了驗(yàn)證。獲取遷移數(shù)據(jù)的一些代表性的表征方法見表2。

表2 裂隙介質(zhì)中LNAPL 表征方法

4 結(jié)論與展望

（1）目前孔隙介質(zhì)滲流問題的探究已建立較為系統(tǒng)的理論體系，并且對巖體裂隙滲流研究也取得豐富成果。但由于裂隙網(wǎng)絡(luò)中水流運(yùn)動(dòng)的非均質(zhì)性和各向異性，關(guān)于充填物組成對裂隙網(wǎng)絡(luò)中水流運(yùn)動(dòng)影響的研究還很少，僅有少部分關(guān)于水平或垂直單裂隙的研究成果，不符合真實(shí)地質(zhì)情況，對于野外大量存在的交叉充填裂隙網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)研究還不足。

（2）在LNAPL 遷移規(guī)律的研究方面，國內(nèi)外許多學(xué)者通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)、解析法和數(shù)值法等多種手段對LNAPL 在孔隙介質(zhì)中的遷移和分布進(jìn)行了系統(tǒng)研究。但關(guān)于裂隙巖體中LNAPL 遷移的有關(guān)研究大多以多種假設(shè)條件下的實(shí)驗(yàn)室仿真裂隙為主，并通過數(shù)碼相機(jī)等定性分析和數(shù)值模擬處理，會造成結(jié)果的失真，缺乏實(shí)驗(yàn)室地下水流場條件下針對LNAPL 在真實(shí)裂隙巖體中的遷移機(jī)制研究和定量分析，LNAPL 在裂隙巖體中遷移引起的壓力值變化還不明確，缺少統(tǒng)一認(rèn)識。

（3）LNAPL 的遷移不僅與裂隙隙寬、粗糙度以及飽和度有關(guān)，同時(shí)還受到LNAPL 的密度、粘滯性、表面張力以及溫度等的影響，遷移機(jī)理較為復(fù)雜，且開展污染場地現(xiàn)場試驗(yàn)的成本很高，針對復(fù)雜工況下LNAPL 在裂隙巖體中的遷移往往通過數(shù)值模擬來完成。國內(nèi)對于LNAPL 遷移的相關(guān)研究開展較晚，且大多集中在孔隙介質(zhì)領(lǐng)域和實(shí)驗(yàn)室中，少有真實(shí)裂隙巖體污染場地的研究，國外已經(jīng)采用了CompFlow，HGS，STOMP 以及DUMUX 等模型模擬污染場地中NAPL 的遷移和分布。但上述模型大多都存在模型條件苛刻、裂隙數(shù)量有限、數(shù)據(jù)工作量大以及參數(shù)校正困難等問題，應(yīng)用Monte-Carlo 算法推算裂隙端點(diǎn)坐標(biāo)的隨機(jī)裂隙網(wǎng)絡(luò)生成技術(shù)對真實(shí)裂隙網(wǎng)絡(luò)的反映具有良好的效果。

（4）目前地球物理方法在污染物探測領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在孔隙介質(zhì)中，針對裂隙巖體，基于過程可視化與電阻率參數(shù)響應(yīng)污染溶質(zhì)對于充填裂隙地下水滲流和運(yùn)移特性研究及有效信息提取等方面的應(yīng)用研究還很少，在應(yīng)用過程中，容易出現(xiàn)探測效果不好，遷移范圍不明確，不同程度的LNAPL 低阻異常問題?？紤]到裂隙網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，監(jiān)測LNAPL 的遷移具有很多的不確定性，尋求多種方法的聯(lián)合使用可能是未來的發(fā)展方向。