裂隙介質(zhì)中流速及傾斜度對四氯乙烯的運(yùn)移影響研究

陸 玥，劉藝超，徐紅霞，孫媛媛，吳吉春

表生地球化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023

近年來，隨著石油化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，重非水相液體（dense non-aqueous phase liquid, DNAPL）污染事件頻發(fā)。以含氯有機(jī)溶劑為代表的重非水相液體，如四氯乙烯（perchloroethylene, PCE）、三氯乙烯（trichloroethylene, TCE）等等，在印染、電子、生物化學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用過程中泄漏進(jìn)入地下環(huán)境，導(dǎo)致土壤和地下水污染。DNAPL具有密度比水大和溶解性低等特點(diǎn)（李書鵬等, 2019），進(jìn)入地下環(huán)境后將會一直向下遷移穿過松散孔隙介質(zhì)，到達(dá)基巖裂隙含水層（高霏等, 2008），且在地下環(huán)境中難以自然降解，成為含水層中的長期性污染源。DNAPL具有強(qiáng)烈的毒性和生物效應(yīng)，存在致癌、致畸、致突變的潛在危害，嚴(yán)重威脅地下水環(huán)境以及人體健康（韓冰等, 2006）。因此研究DNAPL在裂隙含水層中的運(yùn)移行為，對于污染風(fēng)險(xiǎn)評估等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

針對裂隙介質(zhì)中DNAPL污染問題國內(nèi)外開展了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)?zāi)M等研究工作。Hansen等（2014）基于解析解與拉格朗日級數(shù)對裂隙中多組分DNAPL運(yùn)移溶解問題建立了新的數(shù)值分析方法。鄧亞平等（2015）采用T2VOC模擬DNAPL在裂隙介質(zhì)的運(yùn)移，發(fā)現(xiàn)粗糙面接觸的相關(guān)長度、各向異性比、傾角以及非均質(zhì)性程度均會對DNAPL運(yùn)移分布及污染范圍造成影響，隨傾角增大，粗糙面對DNAPL向下運(yùn)移阻力增大，使運(yùn)移速率減慢。在實(shí)驗(yàn)研究方向，國內(nèi)外研究者（O’Hara et al., 2000;Dickson et al., 2003; Elkhoury et al., 2013; Schaefer et al., 2016; 黃菀等, 2020）進(jìn)行場地或室內(nèi)小尺度實(shí)驗(yàn)時(shí)一般均使用天然形成的裂隙介質(zhì)，然而對自然形成裂隙的實(shí)驗(yàn)研究無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測和動態(tài)分析。在對孔隙介質(zhì)中非水相流體（non-aqueous phase liquid, NAPL）運(yùn)移研究的實(shí)驗(yàn)中，透射光法憑借其經(jīng)濟(jì)安全、無損、非侵入的監(jiān)測特點(diǎn)，逐漸被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)二維孔隙介質(zhì)中的流體遷移監(jiān)測過程中（Yang et al., 2013; 程洲等, 2014; 高燕維等,2015; 喬文靜等, 2015; 鄭菲等, 2016）。高燕維等（2015）使用透射光法進(jìn)行二維砂箱實(shí)驗(yàn)，研究表明地下水流速會影響DNAPL在孔隙介質(zhì)中運(yùn)移和分布過程。且天然裂隙具有強(qiáng)烈非均質(zhì)性、復(fù)雜性，因此推測地下水流速度的變化極有可能會影響裂隙介質(zhì)中PCE的運(yùn)移分布過程。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室尺度的裂隙模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，常用單裂隙簡化模擬天然裂隙。Lee等（2010）、肖岳峰等（2017）運(yùn)用裂隙翻模技術(shù)，制作具有透光性的裂隙面發(fā)現(xiàn)界面濕潤性會影響DNAPL分布過程；Yang等（2013）采用磨砂玻璃模擬天然單裂隙來研究死端孔隙中的DNAPL，發(fā)現(xiàn)DNAPL飽和度隨水油界面深度降低呈線性增加。已有國內(nèi)外研究中，針對單裂隙面中DNAPL形態(tài)分布及實(shí)時(shí)運(yùn)移過程的實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究還不足，需補(bǔ)充基礎(chǔ)水動力條件及裂隙面發(fā)育條件變化對單裂隙介質(zhì)中DNAPL的運(yùn)移分布行為的研究。

四氯乙烯（PCE）是典型的揮發(fā)性鹵代烴，已被列入中國“68種水中優(yōu)先控制污染物黑名單”中（周文敏等, 1990），并于2019年被列入生態(tài)環(huán)境部同衛(wèi)生健康委制定的第一批有毒有害污染物名錄中。本文即選用四氯乙烯作為DNAPL典型污染物，采用透射光法監(jiān)測PCE在單裂隙中不同水流速度以及不同裂隙面傾斜度條件下的運(yùn)移過程和形態(tài)分布。研究結(jié)果能夠豐富單裂隙介質(zhì)中PCE運(yùn)移形態(tài)分析，為探究地下水環(huán)境中重非水相污染物入滲遷移基礎(chǔ)理論提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，為地下水中PCE污染風(fēng)險(xiǎn)評估提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選取純度99%，分析純的四氯乙烯（PCE），購于上海阿拉丁生化科技股份有限公司，作為本實(shí)驗(yàn)所用到的DNAPL試劑。為了在實(shí)驗(yàn)中能夠更加直觀地觀察到PCE的運(yùn)移過程以及污染物的擴(kuò)散范圍，用分析純濃度為0.1 g·L-1的油紅—O染色劑，購于上海瑞永生物科技有限公司，將其染成紅色，染色后的PCE理化性質(zhì)無明顯改變（Tammy et al., 2001）。將去離子水通過優(yōu)普實(shí)驗(yàn)室超純水器（UPH-Ⅳ-5/10/20T）制得的超純水作為本實(shí)驗(yàn)用水，并在使用前作除氣處理。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2.1 裂隙裝置

實(shí)驗(yàn)采用的裂隙裝置如下圖1所示,長325 mm，寬260 mm，厚40 mm（圖1a），由四塊鋁制框架以及兩片透明仿真裂隙面構(gòu)成（圖1b, c），裂隙面與鋁制框架間通過硅膠墊片與玻璃膠進(jìn)行密合，后通過六角螺絲實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的密合。實(shí)驗(yàn)設(shè)置的單裂隙面長180 mm，裂隙平均隙寬0.6 mm，深度為325 mm（圖1b）。裂隙裝置上下框各設(shè)有3個(gè)進(jìn)出水口，裝置整體通過進(jìn)、出水腔實(shí)現(xiàn)外部與裂隙裝置內(nèi)的水力聯(lián)系。進(jìn)、出水腔位于上、下部鋁塊中心凹槽，保證了流體在凹槽內(nèi)混合均勻后勻速進(jìn)入下部透明仿真裂隙內(nèi)部（圖1c）。下鋁框中心偏右1 cm處設(shè)有注樣口，注樣針外徑0.6 mm，內(nèi)徑0.4 mm，通過注樣口進(jìn)入裂隙面內(nèi)部，注樣口密封，并進(jìn)行排氣處理。裂隙裝置平臥放置（圖1d），根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需的傾斜度調(diào)整整個(gè)裝置的傾角。

圖1 （a）裂隙裝置及水流系統(tǒng)；（b）左右鋁框及裂隙截面圖；（c）進(jìn)出水腔體設(shè)計(jì)；（d）裂隙裝置系統(tǒng)示意圖Fig. 1 (a) Fracture unit and flow system; (b) Cross-sectional view of side aluminum frames and fracture unit;(c) Inlet and outlet cavity design; (d) Schematic diagram of fracture system

1.2.2 透射光監(jiān)測系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)使用透射光系統(tǒng)來監(jiān)測PCE的運(yùn)移行為，系統(tǒng)包括CCD（charged coupled device，CCD）相機(jī)（AP2E, Apogee Instruments, Aburn, CA），尼康鏡頭（PC-NIKKOR 1:2.8 f=35 mm, Nippon Kogaku Japan）以及相關(guān)驅(qū)動軟件（Maxlm DL, Ottawa,ON）。采用高精度平行光源作為整個(gè)光透射系統(tǒng)中的唯一穩(wěn)定光源，平行光透過燈箱與CCD相機(jī)之間平行放置的裂隙裝置，被與計(jì)算機(jī)相連的CCD相機(jī)捕捉，經(jīng)過相關(guān)軟件分析處理光強(qiáng)值將轉(zhuǎn)化為PCE飽和度，以直觀的形式展現(xiàn)。裂隙裝置放置于LED燈箱前0.2 m處，另一邊CCD相機(jī)距離其1.8 m，并且為了保證LED燈箱為整個(gè)系統(tǒng)唯一穩(wěn)定的光源，系統(tǒng)整體用木制的遮光板封閉，光透射系統(tǒng)內(nèi)光源、溫度、氣壓恒定。實(shí)驗(yàn)過程中， CCD相機(jī)每3 s一次拍照記錄裂隙裝置各處的光強(qiáng)變化，以實(shí)現(xiàn)對PCE入滲過程進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

裂隙裝置安裝完成后，用蠕動泵（LSP01-2A,保定蘭格恒流泵有限公司）以定速注入超純水，待裝置完全飽水穩(wěn)定后，自然排干，并測量排水體積。多次重復(fù)以上操作得到多次排水后的平均體積為裂隙的體積。求得裂隙平均隙寬值為0.6 mm。由此方法得到的裂隙體積沒有考慮裂隙面附著的薄膜水的影響，本實(shí)驗(yàn)研究PCE在飽水介質(zhì)中的運(yùn)移只考慮裂隙空間以及空間內(nèi)可自由流動的水體（Kunstmann et al., 2000），因此這種體積測量方式適用于本實(shí)驗(yàn)。

使用蠕動泵將除氣后的純水由下端進(jìn)水口注入裂隙裝置，控制流速為20 m·d-1，模擬天然條件下的裂隙水流，對注樣針進(jìn)行排氣處理，并連接氣密性裝置，調(diào)整裂隙裝置傾斜角度、相機(jī)與裂隙面燈箱之間的相對距離。用CCD相機(jī)記錄背景光強(qiáng)值，連接自動進(jìn)樣器和氣密注射器以0.2 mL·min-1的恒定速率從頂部注樣口注入PCE，連續(xù)注入5 min。在PCE注入及結(jié)束后的再分布過程中，使用CCD相機(jī)對裂隙面光強(qiáng)值每間隔3 s記錄一次其光強(qiáng)值，曝光時(shí)間設(shè)置為0.01 s，持續(xù)記錄裂隙面光強(qiáng)值的變化，直至污染物分布穩(wěn)定，即飽和度不再隨時(shí)間發(fā)生變化。

為探討地下水流速及裂隙面傾斜度θ對PCE運(yùn)移影響，設(shè)計(jì)兩組實(shí)驗(yàn)（表1）。第一組控制裂隙面傾斜度為10°及裂隙裝置其他性質(zhì)不變，改變裂隙平均流速為10 m·d-1、20 m·d-1、80 m·d-1，實(shí)驗(yàn)分別記為V-10、V-20、V-80；第二組控制平均流速為20 m·d-1，改變傾斜度為3°、6°、10°，實(shí)驗(yàn)分別記為θ-03、θ-06、θ-10。

表1 變流速與變傾斜度實(shí)驗(yàn)條件Table 1 Experimental conditions of variable velocity and variable inclination experiments

為維持裂隙裝置以及裂隙面各處裂隙寬度穩(wěn)定，完成單次試驗(yàn)完整周期觀察后，不進(jìn)行裝置的拆洗，用50%的乙醇溶液沖洗裂隙裝置以及注樣針12小時(shí)，再用純水沖洗24小時(shí)。在沖洗過程中，使用CCD相機(jī)對裂隙裝置進(jìn)行飽和度分布監(jiān)測，確認(rèn)裂隙面各處光強(qiáng)值回到記錄背景值，則認(rèn)為清洗干凈，可繼續(xù)進(jìn)行不同條件下的PCE運(yùn)移試驗(yàn)。

1.4 分析方法

本研究采用光透射法監(jiān)測染色PCE在裂隙裝置中的運(yùn)移分布過程，使用飽和度、污染物形狀參數(shù)、污染物前端鋒面位置、離散程度等參數(shù)來分析PCE的運(yùn)移過程以及污染源結(jié)構(gòu)特征。采集到的光強(qiáng)位圖用MATLAB R2016a進(jìn)行程序編譯處理，將光強(qiáng)值轉(zhuǎn)換為飽和度值。并定義前后時(shí)段的污染物光強(qiáng)值不再出現(xiàn)變化時(shí)，即為PCE在此裂隙裝置中達(dá)到穩(wěn)定分布。實(shí)驗(yàn)過程中裂隙裝置飽水，只考慮DNAPL和水兩相系統(tǒng)。之前的研究已經(jīng)給出了兩相系統(tǒng)各種的DNAPL的飽和度與光強(qiáng)值的轉(zhuǎn)換關(guān)系，計(jì)算公式為（Fagerlund et al., 2007）：

式中：IS和IO是在完全飽水和完全飽油條件下每個(gè)位點(diǎn)的光強(qiáng)值，SO為DNAPL的飽和度，I為透射光光強(qiáng)。通過對不同時(shí)刻飽和度的疊加計(jì)算可以得到不同時(shí)刻的PCE污染物團(tuán)塊面積。

為驗(yàn)證光透法測算的準(zhǔn)確性，比較實(shí)驗(yàn)過程中PCE觀測體積與實(shí)際注入體積，污染物注入速率為0.2 mL·min-1，結(jié)果如下圖2所示。開始注入后，PCE體積均勻增加，注入階段停止后，PCE體積停止增長并穩(wěn)定在1 mL，經(jīng)一段時(shí)間后，PCE運(yùn)移到達(dá)裝置底部并逐漸流出裝置體系，此階段觀測值不斷降低，最終體系內(nèi)仍有少量PCE殘留。比較注入階段光透法的測算結(jié)果與真實(shí)注入污染物的量，兩者結(jié)果精確擬合，故測算方法可用于本實(shí)驗(yàn)對于污染物量以及運(yùn)動軌跡的計(jì)算。

圖2 PCE入滲與再分布過程中PCE總體積的觀測值與真實(shí)值Fig. 2 The observed value and ture value of PCE in the process of infiltration and redistribution

通過對運(yùn)動過程中的PCE污染物分塊分析，研究運(yùn)移過程中PCE污染物形態(tài)。PCE在脫離注樣針后呈橢圓狀向下運(yùn)移，對此過程中不相連的團(tuán)塊狀污染物進(jìn)行橢圓擬合，得出近似離心率e及團(tuán)塊污染物面積F。

通過空間矩法對團(tuán)塊狀PCE污染物的質(zhì)心位置以及展布范圍進(jìn)行分析（Kunstmann et al., 2000;章艷紅等, 2014）?？臻g矩的定義如下：

式中：x0、x1、y0、y1分別為x、y坐標(biāo)積分的上下限；Sn為DNAPL飽和度；i，j分別為x，y方向上的階數(shù)。當(dāng)i=0，j=0時(shí)，M00為零階矩，表示污染物的總量。一階矩（σx，σy）表示團(tuán)塊狀污染物的質(zhì)心位置；二階矩（σxx，σyy）也就是協(xié)方差，表示DNAPL圍繞質(zhì)心的分布范圍。

2 結(jié)果與討論

2.1 PCE運(yùn)移過程中飽和度空間分布

圖3為裂隙裝置中PCE在不同時(shí)刻的飽和度分布情況，分別時(shí)傾斜度為10°時(shí)，V-10、V-20、V-80實(shí)驗(yàn)組（圖3a）；定流速20 m·d-1時(shí)，θ-03、θ-06、θ-10實(shí)驗(yàn)組（圖3b）。

圖3 PCE運(yùn)移不同時(shí)刻飽和度分布Fig. 3 Saturation distribution at different time points of PCE migration

根據(jù)V-20實(shí)驗(yàn)組的PCE飽和度分布，入滲期（t=1 min）PCE在注樣針附近匯集并呈現(xiàn)水滴狀，隨著PCE的繼續(xù)注入，逐漸呈橢圓狀并脫離注樣針向下運(yùn)移。PCE持續(xù)注入過程中（t=3 min,t=5 min)，在注樣針下面不斷形成新的污染物團(tuán)塊且彼此之間不連續(xù)，而后形成的污染物團(tuán)塊在下滲過程中將迅速接近并融入前期團(tuán)塊，形成形狀相似面積更大的橢圓形污染物，污染物前端飽和度較小，后端飽和度較大。在污染物注入停止后（t=7 min,t=10 min），部分PCE以離散液滴形態(tài)殘留在裂隙裝置內(nèi)，不再隨時(shí)間移動（高燕維等， 2015）。

在相同時(shí)刻，流速越大PCE團(tuán)塊前端鋒面運(yùn)移距離越大（圖3a）。比較θ-06、θ-10實(shí)驗(yàn)組，裂隙面傾斜度較小時(shí)PCE團(tuán)塊前端鋒面的運(yùn)移速度相應(yīng)較小，且θ-06的前端PCE團(tuán)塊飽和度小于θ-10的前端PCE團(tuán)塊飽和度（圖3b）。這是因?yàn)閮A斜度增大使得重力分量增大，促進(jìn)了PCE的垂向運(yùn)移。值得注意的是，在裂隙面傾斜度為3°時(shí)，PCE未進(jìn)行垂向運(yùn)移，而是沿注樣針回溯分布，在觀測期3小時(shí)內(nèi)，飽和度分布未發(fā)生明顯變化，這是因?yàn)镻CE向下運(yùn)移需要在自身重力影響下克服毛管壓力，驅(qū)替裂隙水，而傾斜度為3°時(shí)，PCE無法克服毛管壓力向下運(yùn)移（章艷紅等, 2014）。

2.2 PCE運(yùn)移過程中污染物形態(tài)分析

對不同時(shí)刻不連續(xù)污染物分塊進(jìn)行橢圓擬合，測算污染物面積F和離心率e。每次實(shí)驗(yàn)中，首個(gè)脫離注樣針的PCE污染物團(tuán)塊面積，定為Fs。

V-10、V-20、V-80實(shí)驗(yàn)組中初始污染物面積Fs分別為1.45 cm2、1.5 cm2和1.63 cm2，離心率e為0.53、0.50和0.46。θ-06、θ-10實(shí)驗(yàn)組中Fs分別為1.45 cm2和1.5 cm2，離心率e為0.53、0.50。在入滲初期（t=1min內(nèi)），PCE在重力作用下克服摩擦力、毛管壓力向下運(yùn)移。在其他條件相同時(shí)，水流速度越大，初始污染物面積Fs越大，近橢圓的PCE離心率e越?。涣严睹鎯A斜度越大，初始污染物面積Fs越小，近橢圓的PCE離心率e越小。

PCE注 入 期（t=1 min至t=5 min），團(tuán) 塊 狀PCE面積F與離心率e均明顯下降，這是由于后續(xù)PCE入滲路徑沿初始污染物入滲方向，而裂隙介質(zhì)表面性質(zhì)發(fā)生改變，阻滯系數(shù)減小所導(dǎo)致的（王青海等, 2008）。在此期間，團(tuán)塊狀PCE面積與水流速度呈現(xiàn)良好的相關(guān)性，即水流速度越大，團(tuán)塊狀PCE的面積越大；離心率e不呈明顯相關(guān)性。同時(shí)段的變傾斜度實(shí)驗(yàn)組，團(tuán)塊狀PCE面積也保持穩(wěn)定。小傾斜度θ=6°，F(xiàn)穩(wěn)定在1.474 cm2；大傾斜度θ=10°，F(xiàn)穩(wěn)定在0.834 cm2。認(rèn)為此時(shí)段（t=1 min至t=5 min）為穩(wěn)定入滲階段。傾斜度越大，穩(wěn)定入滲后，團(tuán)塊狀PCE的面積越?。ㄍ跚嗪５? 2008）；傾斜度變化對離心率e無明顯影響。

圖4 塊狀PCE面積及離心率隨時(shí)間變化Fig. 4 Square and eccentricity of block PCE change with time

繪制PCE前端鋒面隨時(shí)間變化的運(yùn)移距離曲線（圖5）。從圖中可看出，相同時(shí)刻PCE前端鋒面的運(yùn)移距離隨水流速度、裂隙面傾斜度的增大而增大。10 m·d-1、20 m·d-1、80 m·d-1實(shí)驗(yàn)中污染物到達(dá)裂隙底端的時(shí)間分別為7.8 min，6.9 min，4.7 min，注入停止后t=7 min時(shí)，V-10實(shí)驗(yàn)中PCE前端鋒面入滲深度為24.22 cm，V-20中PCE前端鋒面入滲深度為27.38 cm，而V-80中PCE前端鋒面已經(jīng)達(dá)到裂隙底部。在6°、10°傾斜度實(shí)驗(yàn)中，PCE前端到達(dá)裂隙底端的時(shí)間分別為8.2 min，6.9 min。PCE在裂隙介質(zhì)內(nèi)需在重力作用下克服毛管壓力和摩擦力，驅(qū)替水相以向下運(yùn)移，增大的水流流速減小了驅(qū)替水相的阻力（高燕維等, 2015），而增大傾斜度會使PCE獲得更大重力分量，均會促進(jìn)PCE 的垂向運(yùn)移。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水流速度及裂隙面傾斜度增大均會促進(jìn)PCE 的垂向入滲。高燕維等（2015）在變化流速下對多孔介質(zhì)中PCE進(jìn)行運(yùn)移模擬，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示水流速度越大，PCE垂向運(yùn)移速度越大；鄧亞平等（2015）通過綜合模擬退火算法對變化傾角在DNAPL運(yùn)移過程中的影響進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)隨傾角增大，DANPL向下運(yùn)移速率減小，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖5 污染物前端鋒面垂向運(yùn)移距離Fig. 5 Vertical migration distance of front of pollutant front

2.3 污染羽飽和度頻率分布直方圖

飽和度分布直方圖可以描述不同飽和度區(qū)間PCE的體積分?jǐn)?shù)，能夠更好地表示PCE 飽和度在空間分布上的規(guī)律。以飽和度為橫坐標(biāo)，飽和度間隔0.01，以縱坐標(biāo)表示此區(qū)間內(nèi)的PCE體積分?jǐn)?shù)，繪制V-10、V-20、V-80及θ-03、θ-06、θ-10實(shí)驗(yàn)組的PCE飽和度分布直方圖（圖6，圖7）。

在PCE入滲1 min后，飽和度直方圖均顯示為單峰，V-10、V-20、V-80實(shí)驗(yàn)組飽和度峰值區(qū)間分別為0.95~0.97、0.87~0.90、0.86~0.89，峰值隨水流速度增大而減小（圖6）。這是因?yàn)楦吡魉俅龠M(jìn)了PCE迅速向下運(yùn)移并促使污染物源區(qū)PCE飽和度下降，使得飽和度峰值減小。高燕維等（2015）的研究表明，水流速度增大促進(jìn)了多孔介質(zhì)中DNAPL遷移下滲，使得飽和度峰值減小。比較θ-06、θ-10組的飽和度分布直方圖（圖7），在PCE入滲期（t=1 min）均顯示為單峰，飽和度峰值區(qū)間分別為0.84~0.86、0.87~0.89，飽和度峰值隨傾斜度增大而增大。因小傾斜度使得PCE向下游運(yùn)移速度變慢，加速了污染源區(qū)PCE飽和度下降過程，使得飽和度峰值減小。結(jié)果表明了水流速度的增大會促進(jìn)PCE 的展布，傾斜度的增大會阻礙PCE展布。

圖7 不同傾斜度下PCE飽和度頻率分布直方圖Fig. 7 Histogram of PCE saturation under different dip angles

入滲階段飽和度峰值不斷向低飽和度的方向移動，且飽和度值的分布范圍不斷變大（圖6，7）。這是由于體系內(nèi)PCE垂向運(yùn)移的同時(shí)污染物源區(qū)飽和度不斷下降，使飽和度分布區(qū)間不斷擴(kuò)大，飽和度的峰值區(qū)間不斷降低。值得注意的是，在V-10實(shí)驗(yàn)中，t=7 min時(shí)，PCE污染物飽和度值出現(xiàn)了雙峰，峰值分別為0.77~0.80、0.68~0.71，這是因?yàn)榇竺娣e的團(tuán)塊污染物產(chǎn)生了前后兩端不同運(yùn)移狀態(tài)的部分，前端鋒面飽和度較小，而后端飽和度較大，形成了飽和度分布值的雙峰現(xiàn)象。

圖6 不同流速下PCE飽和度頻率分布直方圖Fig. 6 Histogram of PCE saturation at different flow rates

2.4 空間矩分析

基于光強(qiáng)值處理后的飽和度分布計(jì)算結(jié)果，用空間矩方法對PCE污染物二維的空間分布特征進(jìn)行定量分析，研究污染物注入階段PCE污染源區(qū)的質(zhì)心和空間展布隨時(shí)間的變化，繪制不同水流速度及裂隙面傾斜度條件下PCE污染物質(zhì)心（σx,σy）和展布（σxx,σyy）隨時(shí)間變化圖（圖8，圖9），注入點(diǎn)坐標(biāo)統(tǒng)一為（0, 0）。

隨時(shí)間變化PCE污染源質(zhì)心σx均不斷向右運(yùn)移（圖8）。V-10、V-20實(shí)驗(yàn)中，直至觀測結(jié)束σx均并未有明顯差異，質(zhì)心約向右運(yùn)移1.86 cm；而在V-80實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)心σx向右運(yùn)移0.23 cm（圖8），明顯小于V-10、V-20流速實(shí)驗(yàn)結(jié)果值，說明了裂隙介質(zhì)中，水流速度的增大抑制了PCE垂直于水流方向的橫向運(yùn)移。在變化傾斜度實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)心均向右運(yùn)移，且質(zhì)心橫向運(yùn)移距離隨著傾斜度增大而增大（圖8）。θ=6°時(shí)，質(zhì)心向右運(yùn)移1.12 cm；θ=10°時(shí)，質(zhì)心向右運(yùn)移1.79 cm。說明了裂隙介質(zhì)中，裂隙面傾斜度增大對于PCE的橫向運(yùn)移有促進(jìn)作用。對比變化流速與傾斜度（圖8）中的σy，發(fā)現(xiàn)其均隨著水流速度及裂隙面傾斜度的增大而增大，進(jìn)一步證明了流速及傾斜度增大能夠明顯促進(jìn)PCE的垂向運(yùn)移，使PCE的前端鋒面不斷向下推進(jìn)。值得注意的是，流速、傾斜度實(shí)驗(yàn)組中，PCE質(zhì)心σy變化幅度均明顯大于σx變化幅度，這說明了PCE的垂向運(yùn)移相較于橫向運(yùn)移，對流速、裂隙面傾斜度的響應(yīng)更加敏感。

圖8 PCE質(zhì)心位置隨時(shí)間變化Fig. 8 Center of mass PCE at different time

由于注入壓力的存在，PCE展布范圍σyy在PCE入滲開始后迅速增大（王慧婷等，2019）。在質(zhì)心展布范圍達(dá)到最大后，σyy開始下降（圖9），這是由于此時(shí)PCE的前端鋒面接近或已經(jīng)到達(dá)裂隙裝置底部，較大的水動力使得污染物迅速聚集在裂隙裝置下部，上部只有少許被捕獲的PCE殘留（O’Carroll et al., 2007），使得PCE的垂向擴(kuò)散范圍顯著下降；后PCE部分流出，展布范圍變大。比較變化流速、傾斜度條件下的PCE展布（圖9），σyy隨著水流速度、傾斜度的增大而增大。這說明了水流速度及裂隙面傾斜度的增大會促進(jìn)PCE在裂隙裝置內(nèi)部的縱向擴(kuò)散，增大PCE的污染范圍。

圖9 PCE空間展布隨時(shí)間變化Fig. 9 The spatial variance of PCE at different time

3 結(jié)論

（1）地下水流速越大，初始污染物面積Fs越大，近橢圓的PCE離心率e越小；裂隙面傾斜度越大，F(xiàn)s越小，離心率e越小。穩(wěn)定入滲后，團(tuán)塊狀PCE面積與離心率均明顯下降。

（2）地下水流速及裂隙面傾斜度θ值增大對于PCE縱向運(yùn)移具有促進(jìn)作用，使PCE污染物前端鋒面運(yùn)移速率加快，在相同時(shí)間內(nèi)更快運(yùn)移到裂隙底部。

（3）流速增大促進(jìn)PCE污染源區(qū)飽和度降低，使飽和度峰值隨水流速度增大而減小。傾斜度增大抑制飽和度下降過程，使飽和度峰值隨傾斜度增大而增大。