基于TMVOC模型的石油有机污染组分在水位波动带中的分异演化机理研究

发布时间：2014-12-20 09:27

 

【摘要】 本文依托国家自然科学基金项目“地下水位波动带内BTEX在天然和空气扰动修复下的分异演变机理(41272255)”，基于野外石油污染场地中的污染物特征和环境条件，通过不同尺度的室内模拟实验、借助计算机模拟方法、综合运用渗流和溶质运移等理论，系统地研究了石油污染组分在地下环境中不同运移赋存形态的形成机理、变化特征和相互转化过程。针对环境因素变化最为活跃的水位波动带，提出了不同污染组分基于物质性质和土壤介质性质差异而导致的不同分布规律，研究了不同水位波动条件下污染组分赋存形态及多相流运移分异演变机理，阐述了在这一过程中其他环境因素的响应机理，并采用TMVOC模型对水位波动带中的多相流过程进行了详尽模拟。研究成果有助于理解石油污染组分在地下环境中的分布演变规律，为有针对性地选择高效低耗的土壤和地下水污染修复技术，提供坚实的理论基础和现实指导。 

第 1 章 绪论

总体上看，目前我国的地下水污染已经呈现由东部向西部扩展、由城市向农村蔓延的趋势；污染物组分则由无机向有机发展，危害程度日趋严重；地下水污染面积不断扩大，污染程度不断加重。监测资料结果表明，目前全国约97%的地下水受到污染[3]，且污染仍在继续。根据现代医学研究成果发现，80%的人类疾病与水质有关，受到污染的地下水通过食物链进入人体后，就可能造成不同程度的疾病[4]。可见，地下水是维系人类生存与全球经济发展的重要资源。 在众多的工业污染中，石油作为必需能源的大量使用而造成的污染问题尤为突出。石油在开采、炼制、运输和使用过程中发生的跑、冒、滴、漏现象使多种毒性大且疑有“三致”效应的有机物质进入环境中，对浅层地下水和土壤环境造成极为严重的污染，例如，我国某水源地的浅层地下水中石油类检出率高达44~64%；炼油厂区地下水含油量不断增加，笔耕文化推荐期刊，平均达到了 0.2mg/L，远超过了水质标准所规定的 0.05mg/L 的限值。另外，突发性石油泄漏污染事故也频繁发生：松花江石化爆炸污染、墨西哥湾原油泄漏均给区域生态环境带来了巨大灾难。据不完全统计，全世界每年因各种原因泄漏的原油高达 1000万吨，油田开采过程中排放的各种含油废水达 3000 万吨。
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第 2 章 石油污染物在水位波动带运移基础理论

2.1 石油污染物类型划分
石油及其产品(汽油、柴油、煤油等)是由成千上万种复杂有机物组成的混合体，多为非水溶性液体(NAPL)。这些有机物之间的物化性质存在较大差异，导致这些性质差异的关键因素是物质的特征官能团。在有机化学研究领域中，物质分类就主要是根据物质的官能团特征进行的[126,127]。 在具体实际环境污染过程中，虽然污染物所处地域、环境条件、时间空间均不相同，但污染物的类型却是相对稳定的。在中国东北某石油开采污染场地调查中发现，原油类污染的地下环境中有机类污染物最为齐全，几乎包含了所有主要有机物类型。根据采样测试，这些污染物类型见表2.1。

2.2 污染物在水位波动带中存在形态及特征
前已述及，NAPL 可根据与水的密度差异分为轻质(LNAPL)和重质(DNAPL)两类[136,137]，其中 LNAPL 包括汽油、煤油和 BTEX 等，DNAPL 包括沥青、三氯乙烯、煤焦油、MTBE 等。当 NAPL 散落于地表后，会在重力作用下进入非饱和土壤并向下迁移，部分在土壤吸附作用下滞留于土壤孔隙中。其余部分到达地下水面后将漂浮在地下水面之上形成透镜体，并沿水平方向运移，少部分会溶解进入地下水中[138,139]。由于地下水位不断上下波动，漂浮在地下水面之上的 LNAPL必然也随着地下水位的波动而上下运移，所到之处都将有 LNAPL 残留在含水层介质中。因此 LNAPL 常常呈垂直方向分布[140]。DNAPL 由于密度比水大，在地表泄漏后会在重力作用下穿透地下水位进入饱和含水层，除极少部分会溶解进入地下水之外，连续向下运移碰到颗粒较细的土壤时可能无法穿透这些细质土层，将堆积在其上形成停滞的DNAPL[141-143]。

第 3 章 水位波动条件下环境因子对污染物运移影响机理 ................ 27

3.1  有机组分运移形态研究 .......... 27
3.2  不同含水率条件下组分变化过程 ..................... 38
3.3  不同波动条件对污染物运移影响 ....................... 47
第 4 章 水位波动条件下污染物在垂向上一维运移分异研究 ............ 57

4.1  研究方案 .................... 57
4.2  水位波动过程中污染组分变化规律 .......................... 60
4.3  混合介质中组分变化的界面效应 .............................. 68
第 5 章 二维非均质地层中污染组分运移分异机理 ....................... 75

5.1  二维混合分层水位波动运移分异实验方案 ................75

5.2 不同组分二维分布特征 ................... 77

第 7 章 水位波动带中物质分异演化机理

7.1 水-NAPL-气驱替作用机理

从图7.1中可以看出，随着水位的不断上下波动，水位波动带中的土壤含水率呈现出周期性的变化。结合水位值可以看出，在污染运移的前期，由于物质主要以自由态为主，因此具有较强的运移入渗能力，同时伴随着水位波动过程中水产生的浮力作用，被携带着在整个波动带中周期性地运移。在此过程中，由于前期的波动频率较大，且自由态较多，还没有完全被土壤所吸附，因此携带运移的污染组分含量较高，导致与水的相互驱替比较频繁和激烈，进而对原有土壤孔隙中水饱和度的影响也较大，其水饱和度值变化的幅度较高。如6h时水位线下的水饱和度值仅为0.61，说明含有大量自由态NAPL。而越往后的水位波动则趋于平缓，且经过不断的NAPL-土壤-水间的相互接触作用，能自由运移的自由态已经大部分被土壤吸附或被禁锢于土壤孔隙中，形成残留态，致使其运移受限。因此对孔隙中水的驱替作用变得微弱，最终达到三者运移的平衡状态。所以对水饱和度的影响也较小。

7.2 水文地球化学作用机理
相对而言，盐度在波动带中的变化则比较大，F1 处的变化幅度平均值为0.58g/kg(粘土)和 0.56g/kg(粗砂)；F3 处为 0.88g/kg(粘土)和 0.72g/kg(粗砂)。因此，水位持续波动导致水与土壤介质接触变得比较频繁，且存在一定的冲刷溶解作用，加强了盐分向水中溶解，从而使得水中的盐分浓度变化幅度较大。同样地，在含水率不断变化的波动带，取得水样中的电导率值也随水位波动而呈现周期性变化。且变化幅度相对较大，其中F1 处平均值变化幅度为 0.69ms/cm(粘土)和 0.67ms/cm(粗砂)和 F3 处分别为 0.79ms/cm 和0.61ms/cm。此外，在波动带中的变化也存在微生物降解的作用，因微生物降解不断消耗盐分。而在粘土中的微生物作用较强，为微生物对有机组分的代谢降解和自身的生长繁殖提供了物质支持。因此对盐分的消耗大，亦即盐分浓度变化幅度较大。
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第8 章 结论与建议

污染组分入渗会引起多种物质相互反应作用，即水和土壤介质的水岩作用，主要体现在水溶解土壤中的可溶盐类而改变水化学组成。这些溶解盐分是微生物降解污染组分所需的物质，盐度在饱水带中的变化不明显，只在水位波动时才表现出小幅度的变化，变化幅度平均值为 0.49g/kg(粘土)和 0.40g/kg(粗砂)；饱水带中的电导率值也相应较低，平均值变化幅度为0.29ms/cm(粘土)和0.26ms/cm(粗砂)。实验过程中的氧化还原作用在垂向不同位置处存在差异。处于饱水状态中的微生物降解作用较强，对氧气消耗较大而使得水中的溶解氧下降；水位波动带中的溶解氧则为水位波动控制而变化，表现为当水位升高(有新的水量进入)，则带来了新的溶解氧，浓度增大。同样地，Eh 与溶解氧变化成正比关系；饱水带中 Eh 平均变幅为 14.82mV(粘土)和 12.76mV(粗砂)；F1(25cm 处，水位波动带上层)中变化幅度分别为30.69mV(粘土)和 19.10mV(粗砂)；F3(55cm处，水位波动带下层)中变化幅度分别为 22.27mV(粘土)和19.19mV(粗砂)。

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参考文献:

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本文编号：10467