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非水相流体在土壤中运移规律研究

非水相流体在土壤中运移规律研究

作者：王锐西北农林科技大学

学位级别：硕士

随着工业的发展和地下水污染的日益严峻，不溶于水的非水相流体对地下水的污染已成为近20多年来世界各发达国家和地区地下水污染研究中的热点，但我国在这方面的研究相对滞后，可见的研究报道较少。 NAPL的潜在污染对象就是地下水体，... 详细信息

随着工业的发展和地下水污染的日益严峻，不溶于水的非水相流体对地下水的污染已成为近20多年来世界各发达国家和地区地下水污染研究中的热点，但我国在这方面的研究相对滞后，可见的研究报道较少。 NAPL的潜在污染对象就是地下水体，因而研究其在土壤中的运移规律有重要意义。本文围绕非水相流体对土壤以及可能引起的地下水污染问题，选用两种不同质地类型的土壤，以四氯乙烯PCE为代表性非水相污染物，通过试验了解其在土壤中的运移行为，应用多相流理论，综合分析不同类型和结构土壤对NAPL入渗和再分布过程的影响机制，以及模拟灌溉或降水条件影响下NAPL的运动和残留含量，为解决地下水污染问题提供理论依据，同时也推动多相流理论在环境土壤物理中的应用和发展。本研究主要取得如下成果： 1.借鉴石油开采工程中建立的多相流基本理论以及土壤水动力学的研究方法，对水－气、PCE－气以及PCE－水两相间的毛管压力和饱和度关系进行试验测定，指出对于湿润性流体，其束缚饱和度与介质质地有关，质地越粘重，束缚饱和度越大;而非湿润性流体，由于受介质颗粒表面吸附作用相对较弱，其残余饱和度更大程度地受介质孔隙空间结构的影响。 2.以重壤土和砂壤水－气、PCE－气两相系统为例，通过将PCE－气两相间毛管压力乘以折算系数的方法，在四种容重下其折算毛管压力与PCE有效饱和度关系曲线可以与水－气两相的很好地统一到一条曲线上来。引入Leverett函数，对毛管压力头进行处理后，同一流体或不同流体在不同质地和容重土壤中的毛管压力和饱和度关系同样可以归并为一条曲线。由此可根据Leverett假定，利用易于测定的两相毛管压力与饱和度资料求得任意其它两相和三相情况下的关系，并推导出相对渗透率与饱和度的关系。 3.研究发现在重壤土和砂壤中入渗结束后土柱剖面内PCE饱和度分布在土表以下存在均匀的较饱和含量略低的延伸层，其下的湿润层很短，饱和度随深度增加而减小，直到入渗锋面。入渗锋面具有明显的突变界面。比较两种质地土壤，在相同容重下在砂壤中PCE的饱和度较重壤土中的大。应用Green-Ampt公式和Kostiakov经验公式均能较好的表征PCE入渗速率、入渗量和入渗时间之间的关系。但在入渗刚开始的准确记录也有一定困难，应用Green-Ampt公式拟合结果可能影响随后的分析和预测。Kostiakov经验公式拟合的精度相当高，相关系数在0.975以上。重壤土和砂壤在不同容重下，入渗深度以及入渗量与入渗时间的关系均可由幂函数表示，相关系数在0.996以上。 4. 随着再分布时间的增加，土体内PCE的饱和度降低。当再分布时间较短时，剖面内PCE的饱和度呈先增后降的弓形或者其间有一相对均匀的过渡区的趋势。同一容重下，砂壤较重壤土可以滞留更多的PCE。PCE再分布过程中，向下入渗深度和时间之间的关系可以由两种形式描述。在入渗及入渗结束较短时间内，可以由幂函数形式描述，而随着再分布的继续进行，由对数函数拟合效果相当好。 5. 土柱上端加水，模拟降水或灌溉对进入土体中的PCE的影响。研究发现，受水置换作用的影响，表层土体内PCE饱和度明显降低，被置换的PCE向下迁移，饱和度在下层增加;PCE的再分布速度也因此而增大。水分经过土体，小部分PCE被水分分割包蔽呈不连续的孤岛状闭蓄体，成为长期的污染源;而大部分将继续向下迁移，扩大污染范围。

关键词：非水相流体毛管压力相对渗透率饱和度残留饱和度 Leverett函数

非水相流体点源泄漏及地下水曝气修复过程分析

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非水相流体点源泄漏及地下水曝气修复过程分析

2015年全国工程地质学术年会

作者：方伟刘志彬刘松玉陈乐东南大学岩土工程研究所江苏省城市地下工程与环境安全重点实验室

采用非均质多孔介质三相非等温流动数值模拟方法,分析了轻、重两种非水相流体点源泄漏、运移和地下水曝气修复全过程。结果表明,溶解相苯的质量分数分布范围比三氯乙烯(TCE)要大,且浓度也比TCE高。苯和TCE在地下水位以上约1m均存在浓度... 详细信息

采用非均质多孔介质三相非等温流动数值模拟方法,分析了轻、重两种非水相流体点源泄漏、运移和地下水曝气修复全过程。结果表明,溶解相苯的质量分数分布范围比三氯乙烯(TCE)要大,且浓度也比TCE高。苯和TCE在地下水位以上约1m均存在浓度的峰值区。另外,苯主要集中在含水层上部以及非饱和带而TCE则在含水层下部有明显的分布,相同情况下TCE的最大运移深度约为苯的5倍。短时间(1d)连续曝气后去除率随着曝气井深度的增大略有增大,随着曝气井间距的增大有较大的降低,而随着曝气流量的增大有明显的升高。在规范给定的修复标准下,苯和TCE污染的地下水分别需使用曝气修复60d和30d,TCE所需的修复时间短于苯。此外,引用不同文献试验研究成果对上述理论分析规律的合理性进行了验证。

关键词：非水相流体点源污染曝气污染物运移多相流数值模拟

来源： cnki会议评论

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地下水中非水相流体污染运移的三维有限元法

岩石力学与工程学报 2008年第12期27卷 2509-2516页

作者：李宏 RANJITH P G 阿尔伯塔研究院碳和能量管理部门莫那什大学土木工程系

介绍孔隙介质中二相流三维有限元的开发,此法可用于地下非溶混污染物渗流输运问题。阐述其基本原理和数值离散格式,以及采用混合形式的表达方程来解决由依赖饱和度的变量在时间演化中的较强的非线性所引起的数值逼近上的困难,说明了同... 详细信息

介绍孔隙介质中二相流三维有限元的开发,此法可用于地下非溶混污染物渗流输运问题。阐述其基本原理和数值离散格式,以及采用混合形式的表达方程来解决由依赖饱和度的变量在时间演化中的较强的非线性所引起的数值逼近上的困难,说明了同步解法的有效性和改善计算效率的办法。给出2个算例以验证程序的正确性和展示其初步的可应用性。

关键词：数值分析二相流有限元法混合格式非水相流体

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多孔介质中非水相流体运移的数值模拟

岩土力学 2007年第5期28卷 951-955页

作者：胡黎明邢巍巍吴照群水沙科学与水利水电工程国家重点实验室/清华大学水利水电工程系北京100084

针对多孔介质中水、气和非水相流体(NAPLs)的多相流动特点,建立了非水相流体(NAPLs)污染物迁移模型,分析了非水相流体在土壤非饱和区和地下水系统中的运移规律。通过有限元数值解对轻非水相流体和重非水相流体在土壤系统中的迁移过程进... 详细信息

针对多孔介质中水、气和非水相流体(NAPLs)的多相流动特点,建立了非水相流体(NAPLs)污染物迁移模型,分析了非水相流体在土壤非饱和区和地下水系统中的运移规律。通过有限元数值解对轻非水相流体和重非水相流体在土壤系统中的迁移过程进行模拟,得到了污染物的时空分布特征和污染范围。计算结果表明,数值模拟方法能够合理地描述非水相流体的运移过程和污染特征。土体渗透性和污染物残余饱和度是其重要影响因素。

关键词：非水相流体数值模拟污染物迁移环境岩土工程

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多孔介质中非水相流体迁移与分布特征的研究

多孔介质中非水相流体迁移与分布特征的研究

作者：张胜南山东理工大学

学位级别：硕士

多孔介质中的非水相流体（NAPLs）污染问题已成为当前国际关注的热点。已有研究多是对NAPLs迁移形态的定性分析与数值模拟,而对NAPLs污染界面参数的定量分析较少。本研究以石英砂（粗砂、中砂、细砂）和东营土为多孔介质,以柴油、二甲苯... 详细信息

多孔介质中的非水相流体（NAPLs）污染问题已成为当前国际关注的热点。已有研究多是对NAPLs迁移形态的定性分析与数值模拟,而对NAPLs污染界面参数的定量分析较少。本研究以石英砂（粗砂、中砂、细砂）和东营土为多孔介质,以柴油、二甲苯、1,2-二氯乙烷和三氯乙烯为代表性NAPLs,通过一系列二维砂箱实验,借助软件Arc GIS9.3并结合光反射法和图像分析技术探究不同多孔介质和NAPLs性质及NAPLs注入速率对污染物在多孔介质中迁移与分布特征的影响,并对污染界面面积、周长和垂向迁移距离与时间的关系,污染界面分形维数以及NAPLs饱和度空间分布的动态变化进行量化分析。主要研究结果如下:（1）利用软件ArcGIS可以快速、准确、非侵入的计算得到NAPLs在二维砂箱中的饱和度分布状况以及污染界面的量化信息,实现了对NAPLs污染状况实时动态的记录与分析,为NAPLs污染的识别、预测以及修复和治理提供技术支撑和决策服务。（2）NAPLs迁移锋面特征的研究表明,在相同实验条件下,柴油在粗砂多孔介质中的迁移锋面更不稳定,指流现象更明显,并且在相同时间内的垂向迁移距离更大,其环境污染风险明显大于细砂多孔介质。在NAPLs持续注入的情况下,NAPLs的黏度越大,向下迁移时需要克服的压力越大,垂向迁移速率越小,会潜在加剧NAPLs在横向上的运移。不同多孔介质和注入速率的综合作用,致使柴油迁移锋面形态更为复杂。（3）NAPLs污染界面面积、周长和垂向迁移距离与时间关系的研究表明,NAPLs入渗迁移过程中的污染界面面积、周长和垂向迁移距离与时间具有良好的线性关系。多孔介质的平均粒径(D50)、不均匀系数（Cu）和曲率系数（Cc）任意一者的变动都会显著影响NAPLs污染界面面积和周长。NAPLs污染界面面积增长率、周长增长率和垂向迁移速率与D50、NAPLs密度及注入速率(Vinjection)呈正相关。此外,NAPLs的黏度越大,其在向下迁移的过程中受到的阻滞力越大,从而垂向迁移的速率也就相对减小。（4）NAPLs在多孔介质中饱和度空间分布特征的研究表明,在相同实验条件下,垂向迁移相同深度区域多孔介质中,柴油在细粒径多孔介质中的饱和度比在粗粒径多孔介质中高。在NAPLs持续注入的条件下,相同时间内,轻非水相流体较重非水相流体的污染强度更高,但其入渗深度却小于重非水相流体。增大Vinjection,多孔介质中NAPLs饱和度的最大值和高饱和度区域面积也随之明显增大。在较小的Vinjection（1.00～3.00 m L/min）下,多孔介质的局部非均质性潜在加剧了NAPLs饱和度空间分布的不均匀性。而在较大的Vinjection（4.85～9.00 m L/min）下,多孔介质的局部非均质性对NAPLs饱和度空间分布影响微弱,且随着Vinjection的增大,NAPLs在横向上的扩展范围也会相应增大。（5）NAPLs污染界面分形维数的研究表明,NAPLs污染界面满足分形假说,并具有很好的分形特征。NAPLs动力黏度与污染界面分形维数呈正相关,而D50则与污染界面分形维数呈负相关。进一步综合考虑介质和Vinjection对柴油污染界面分形维数的作用,则有D50越大,柴油污染界面分形维数随其注入速率变化的幅度越大。

关键词：非水相流体多孔介质迁移分布图像分析

多孔介质中NAPLs流体毛细管指进形态及分形表征

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环境科学 2013年第10期34卷 4058-4065页

作者：李慧颖杜晓明杨宾伍斌徐竹史怡房吉敦李发生北京师范大学地下水污染控制与修复教育部工程研究中心北京100875 中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室北京100012

非水相流体(non-aqueous phase liquids,NAPLs)如石油烃类和有机溶剂类污染土壤和地下水引起了广泛关注.不同粒径多孔介质中不同性质流体入渗形态的识别是确定污染范围、有效修复土壤和地下水的前提.本研究选取不同性质的4种NAPLs流体,... 详细信息

非水相流体(non-aqueous phase liquids,NAPLs)如石油烃类和有机溶剂类污染土壤和地下水引起了广泛关注.不同粒径多孔介质中不同性质流体入渗形态的识别是确定污染范围、有效修复土壤和地下水的前提.本研究选取不同性质的4种NAPLs流体,建立可视化砂箱模型,比较4种流体在不同粒径石英砂中指流形态差异,并引入分形理论对迁移形态进行定量描述.结果表明,NAPLs流体指进过程属于毛细管指进,主要驱动力为毛细力;同种污染物或同一黏度数量级污染物之间指流宽度和渗流面积变化趋势与毛细管数和邦德数变化趋势呈负相关;指流宽度和渗流面积随着介质粒径的减小和流体黏度的增大而增加;指流宽度和渗流面积与渗流面的质量分形维数呈正相关,质量分形维数可以作为指流宽度和渗流面积的指示指标.

关键词：指流分形维数非水相流体毛细力黏滞力重力

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地下水污染源识别的数学方法研究进展

水科学进展 2017年第6期28卷 943-952页

作者：王景瑞胡立堂北京师范大学水科学研究院北京100875 地下水污染控制与修复教育部工程研究中心北京100875

地下水污染源识别模型可利用有限的观测资料估计污染源位置、污染物泄露强度及其泄露过程,是制定地下水污染修复方案的依据。在阐明地下水污染源识别基本问题基础上,综述了污染源识别研究的两大类数学方法,一类为直接方法,包括反向追踪... 详细信息

地下水污染源识别模型可利用有限的观测资料估计污染源位置、污染物泄露强度及其泄露过程,是制定地下水污染修复方案的依据。在阐明地下水污染源识别基本问题基础上,综述了污染源识别研究的两大类数学方法,一类为直接方法,包括反向追踪法和基于正则化的方法;另一类为间接方法,包括基于优化的方法和基于概率统计的方法。同时指出了当前污染源识别数学方法应用中存在的主要问题:地下水污染源识别问题的复杂性、地下水有机污染问题和模型求解效率的低下性。对土壤-地下水的联合管理、基于物联网的地下水污染监测、对非水相流体(Non-aqueous Phase Liquid,NAPL)类污染源识别以及基于图形处理器(GPU)的异构并行计算将是未来研究的重点方向。

关键词：地下水污染源识别非适定性优化算法贝叶斯推理非水相流体

NAPLs污染物指进锋面形态的指间距离预测

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环境科学研究 2013年第8期26卷 844-850页

作者：李慧颖杜晓明伍斌杨宾马妍李政李发生北京师范大学地下水污染控制与修复教育部工程研究中心北京100875 中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室北京100012

选取4种不同性质的NAPLs(非水相流体)污染物,分别应用分形维数方法和毛细压力函数方法对NAPLs迁移过程中有效界面张力和指进过程中指间距离的大小进行预测,同时建立二维可视化砂箱模型,模拟污染物在多孔介质中的非稳态指进迁移过程,获... 详细信息

选取4种不同性质的NAPLs(非水相流体)污染物,分别应用分形维数方法和毛细压力函数方法对NAPLs迁移过程中有效界面张力和指进过程中指间距离的大小进行预测,同时建立二维可视化砂箱模型,模拟污染物在多孔介质中的非稳态指进迁移过程,获得指进迁移形态影像75幅.结果表明,与试验观测值比较,对于相同迁移过程中的指间距离,毛细压力函数方法预测误差绝对值介于1%～93%,分形维数方法预测误差绝对值介于2%～25%,分形维数方法的预测误差小于毛细压力函数方法.毛细压力函数方法对指间距离的预测随着NAPLs密度的增加而增大,对DNAPLs(重非水相流体)的预测误差明显增加,更适用于预测密度与水的密度相差不大的物质;分形维数方法的预测值与观测值呈显著线性相关(R2=0.957),相比于传统毛细压力函数方法,分形维数方法对指间距离的预测更准确,更适合用来预测不同密度NAPLs污染物的指进距离参数.

关键词：指流非水相流体分形维数多孔介质

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非饱和土中多相流动的试验研究和数值模拟

工程力学 2008年第11期25卷 162-166页

作者：胡黎明邢巍巍周小文清华大学水利水电工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084 华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室广州510641

针对多孔介质中水、气和非水相流体的多相流动特点,建立了描述非水相流体污染物迁移问题的数学模型。采用离心模型试验和数值分析的方法模拟了土壤非饱和区中的多相流动过程,得到了污染物的时空分布特征和污染范围。模型试验和数值分析... 详细信息

针对多孔介质中水、气和非水相流体的多相流动特点,建立了描述非水相流体污染物迁移问题的数学模型。采用离心模型试验和数值分析的方法模拟了土壤非饱和区中的多相流动过程,得到了污染物的时空分布特征和污染范围。模型试验和数值分析结果表明,轻非水相流体在地表泄漏后,会在重力作用下进入非饱和土体并向下迁移,部分滞留于土体孔隙中;到达地下水位时会浮在水面上并且继续侧向运移;水文地质条件对非饱和土中多相流动特征有重要的影响。

关键词：非水相流体离心模型试验数值模拟多相流动环境岩土工程