地下水位升降条件下饱和和非饱和土层中污染物运移规律研究

发布时间：2014-12-26 11:41

 

【摘要】 土层中污染物运移已成为环境岩土工程的研究重点之一。而地下水位不是稳定不变的，尤其在岩土工程建设中常常导致地下水位上升和下降，如：基坑降水引起水位下降；地下隧道建设导致地下水位抬升，地下水位升降必然会引起土层中水分和溶质变化。因此考虑地下水位升降对土层中污染物运移规律影响，大大提高污染物运移分布预测的准确性，对于环境安全评价以及地下水污染防治有重要的理论价值和实际意义。选取典型污染物硝酸盐和重金属镉为研究对象，基于国内外土层中污染物运移研究成果，模拟土层中地下水位升降的室内模拟试验。试验研究了水位升降条件下饱和-非饱和土层中两种污染物运移规律；最后选取河南洛阳地区为现实案例，考虑现实情景，根据搜集的场地水文地质、地下水动态指标等资料，分析该研究区水位升降对含水层中地下水硝酸盐运移规律影响。室内试验包括两部分，即试验一：水位升降条件下土层中重金属镉运移规律及土壤颗粒级配对重金属镉吸附-解吸规律影响；试验二：分别将水位升降、降水条件和不同土壤介质作为主要因子，考察土层中硝酸盐运移的试验研究。通过室内试验及现场实例分析得出以下主要结论。（1）土壤颗粒级配对镉吸附、解吸有显著影响。少量镉离子在土层中主要以吸附作用为主，水位升降对土层中镉离子运移影响不明显；大量镉离子在土层内，水位升降主要通过对流作用对镉离子运移产生影响。（2）无降水条件时水位升降能够显著影响土层中硝酸盐运移。水位下降，饱和土层及非饱和土层中硝态氮含量增大，铵态氮含量减小；水位上升硝态氮含量减小，铵态氮含量增大；亚硝态氮含量变化规律不明显；同时，水位升降促使土层中硝酸盐的纵向迁移，加重地下水硝酸盐污染，但促进铵态氮去除，其对硝酸盐污染的影响不容忽视；水位升降条件下，中砂土层较粉土土层更易造成硝酸盐污染；考虑降水条件时，水位稳定相对上升更易造成硝酸盐污染，而水位上升较易造成氨氮污染；（3）实际场地中，水位升降对地下水特征指标有一定程度影响，且对饱和土层地下水铵态氮和硝态氮含量变化有显著影响规律。因此在野外地下水研究中，需将地下水位变化作为重要影响因素考虑在内。此外，在地下水污染风险评价，控制及修复硝酸盐污染地下水的工作中，也应将地下水位变化考虑其中。 还原

第一章  绪  论

根据研究场地钻孔揭露的不同埋深介质的 TPH 测试结果显示，在污染源区附近，水位变动带上部带富集了较高含量的石油烃污染物，而含水层中石油烃含量则相对较低，并且通过长期监测发现，地下水中石油烃含量，并非随时间呈现单纯降低趋势，而是与地下水水位升降呈正相关关系。相比之下，在远离污染源的区域内，介质TPH含量和地下水TPH含量并无这种规律。该场地漏油井于2009年进行注浆封堵，污染源切断后，原本处于连续态的 LNAPL在运移的过程中会由于压力的消失逐渐分解为孤立的岛状体或小球，并逐渐成为相对不可流动的物质残留在细颗粒介质中。随着地下水水位体现出年际变动与季节性变动，在低水位期，地下水与上部污染严重的粉质粘土层接触减少，稀释、吸附占主导作用，同时水位变动带通气量增加，促进微生物降解反应的发生，笔耕文化推荐期刊，也使得地下水中 TPH含量降低；而在高水位期，地下水与上部污染严重的粉质粘土层接触，以介质中污染物的解吸作用为主，污染物再次进入地下水，同时形成厌氧环境，微生物作用受到抑制，导致地下水中 TPH 含量升高。可见，水位变动带的存在及其中石油烃污染物的迁移转化影响着整个地下水系统中的污染物分布，是多个复杂动态过程的组合。
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第二章   研究区概况

2.1   自然地理位置
研究场地所在区域隶属于我国东北某油田区，场地长约 100m，宽约 80m，面积为 8000m2。场地以外东南、西北部各有 1 口作业采油井，相距约 110m。公路将场地分为南北两部分，北部为耕地，东北部为加压泵房，场地内分布有民房三座，民井两眼。东南部另有一口废弃的采油井，由于采油井油水分离器破坏（图2.1），导致原油进入含水层系统，直接污染地下水，并且在该油井西南侧地势较低地带形成一个面积约  100m2的石油坑。受废弃井冒油泄漏、污油坑渗漏、人类活动及石油开采区域背景等影响，研究场地的地下水土环境中存在石油类组分超标的现象，对当地居民生产生活及生态环境健康构成严重威胁，亟待对环境污染开展评价与修复方面的科学研究。

 

2.2   地形地貌
研究区所在区域地形较为平坦，自东南向西北略有降低，海拔高程范围在 130.18~132.46 m。按照地貌成因划分，污染场地处于河流的河谷冲积平原上，并位于冲积平原一级阶地与冲洪积高平原微波状岗地的交界处的陡坎附近，陡坎高差约15~20 m。研究场地所在区域属中温带大陆性季风气候，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季凉爽早霜，冬季寒冷漫长，多年平均气温 4.7℃，1 月份最冷，月平均气温-17.4℃，极端最低气温-37.8℃；7 月份最热，月平均气温 23.3℃，极端最高气温37.5℃。年平均日照数 2879.8 小时，无霜期 142 天左右，冻结期 11 月初至翌年4 月中旬，长达 150 天以上，冻结厚度 2m 左右。多年平均相对湿度为 64%，其中 4 月份最小为 47%，8 月份最大为 77%。多年平均降雨量 437.82mm，年际变化较大，达150-350mm，且年内分配不均匀，6-8月占全年降水量的 70%。年蒸发量1694mm，5月最大，为318.5mm[29]。研究区内无地表水系发育。

第三章  地下水位变动带介质中石油烃的吸附/解吸 ..................... 19
3.1  地下水位变动带石油烃吸附实验 .............................. 19
3.2  地下水位变动带石油烃解吸实验 .............................. 24
第四章  地下水位变动影响下含水层介质中石油烃土著微生物降解 ........ 30
4.1  实验目的 ............................. 30
4.2  实验环境 ............................ 30
4.3  实验方法 ............................. 30
4.4  实验结果与分析 .............. 31
第五章  地下水位变动对石油烃垂向迁移的影响 ....................... 35
5.1  毛细作用对石油烃垂向迁移的影响 ............................ 35
5.2  地下水位波动对石油烃垂向迁移的影响 ........................ 41

第六章   水位变动带石油污染物迁移转化模拟实验

6.1   实验目的
确定实验室尺度内，通过地下水、介质中的 TPH 含量变化，辅以pH、Eh等指标的测量，分析研究石油烃污染物在多重作用综合影响下在水位变动带的迁移转化规律，以及水位升降过程中，各种作用对介质中TPH 含量变化的贡献比例。

6.2 实验环境 
实验以污染场地含水层水位变动带粉质粘土、粉砂为实验介质，参考场地地下水环境特点以及实际测定结果，设置实验环境为遮光、温度 12℃，介质经过灭菌处理以排除微生物的影响，实验用水采用场地附近未受污染的地下水。实验装置长130mm，宽50mm，高100cm，上下通过法兰和有机玻璃板封闭，左右两侧有进出水槽，以保证地下水为水平层流状态，进、出水槽通过软胶管和进、出水箱连接，进、出水箱可通过两侧滑道上下调整位置并固定，侧面每间隔10cm 设置有用于监测地下水 TPH 浓度的取样口 1、2、3 如图 6.1 所示。装置外侧缠有双层不透光黑色塑胶袋。实验前用丙酮擦拭装置进行灭菌处理，通风阴干。
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第七章 结论及建议

 

7.1 主要结论
通过研究粉质粘土、粉砂两种介质的石油烃吸附/解吸实验，确定了粉质粘土吸附石油烃的能力强于粉砂，而对石油烃的解吸能力弱于粉砂。吸附/解吸能力上的差异，导致了研究场地水位变动带粉质粘土层TPH含量高于粉砂层。随着地下水位上升，上部粉质粘土中浓度较高的石油烃以解吸作用占主要地位，石油烃污染物进入地下水，导致地下水TPH  含量升高；而随着地下水位降低，地下水与上部污染的粉质粘土接触减少，地下水中的石油烃以下部粉砂介质的吸附作用为主，导致了地下水中的TPH  含量降低。 

7.2 存在的问题及建议
本文对石油烃污染物在水位变动带的迁移转化规律进行了初步的探索，取得了一定结论和成果，但由于作者研究水平和时间有限，研究中还存在着以下问题有待改进和进一步深入研究。 石油烃污染物不仅可在好氧条件下发生微生物降解作用，国内外学者研究发现厌氧条件下微生物降解菌亦能发生降解作用，下一步应针对地下水水位变动带好氧—厌氧转换条件下的微生物群落特征和生长特征进行研究，以求更加精确的刻画水位变动带的微生物降解过程。   本文旨在探索水位变动带石油烃污染物迁移转化各个作用过程特征和机理，虽然进行了水位变动带综合模拟实验，但由尺度有所差别，实际场地情况可能有所不同，并且实际场地由于多次水位变动使污染物的时空规律可能更加复杂。
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参考文献:

[1] 张鑫,李聪伟,潘恺.  地下水位波动对地基土变形特性的影响[J]. 华北水利水电学院学报. 2012(05)
[2] 丁文川,吴丹,曾晓岚,罗亭,李桥,徐洲.  不同曝气量对SBBR短程硝化微生物特性及氮转化的影响[J]. 环境科学学报. 2012(09)
[3] 于童,徐绍辉,林青.  不同初始氧化还原条件下土壤中重金属的运移研究Ⅰ.单一Cd、Cu、Zn的土柱实验[J]. 土壤学报. 2012(04)
[4] 王沛芳,胡燕,王超,周文明.  动水条件下重金属在沉积物水之间的迁移规律[J]. 土木建筑与环境工程. 2012(03)
[5] 李涛,张志红,唐保荣.  太湖疏浚底泥堆场黏土防渗层阻隔污染物的试验研究[J]. 岩土力学. 2012(04)
[6] 杨希,雷学文,孟庆山,秦月.  地下水位波动条件下粉土地基变形特性试验研究[J]. 人民长江. 2012(03)
[7] 谢海建,詹良通,陈云敏,楼章华.  我国四类衬垫系统防污性能的比较分析[J]. 土木工程学报. 2011(07)
[8] 谢小茜,李雁,夏北成,苏钰,谷庆宝.  水位波动下沙介质中饱和度-毛细压力关系滞后研究[J]. 土壤学报. 2011(02)
[9] 李绪谦,谢雪,李红艳,朱雅宁,朴明月.  pH值对弱透水层中硝酸盐迁移转化的影响[J]. 水资源保护. 2011(01)
[10] 李克斌,党艳,陈经涛,魏红.  土壤性质对其吸附莠去津和灭草松性能影响的多元统计研究[J]. 西北农林科技大学学报(自然科学版). 2010(12)


本文编号：10886