石油污染物在地下环境系统中运移的多相流模型研究

发布时间：2020-08-06 07:41

【摘要】：石油污染物造成的环境污染问题已引起了国内外水文地质学者和环境学者的广大关注，并成为地下环境污染控制研究中的热点和焦点问题。石油污染物对地下环境系统的污染是一个极其复杂的动力学过程，由于研究所涉及的问题是多学科的交叉点，加之问题的复杂性，所以，以往的研究多侧重于实验机理和污染治理方面的研究，很少从多相流流体理论和溶质运移动力学理论角度出发，对污染物质在土壤－水环境系统迁移转化的动力学行为进行定量化研究。为此，本文基于前人研究成果基础之上，借助相关学科的研究成果，深入研究了石油污染物在地下环境系统中迁移转化的规律、时空分布特征、控制多相流系统的本构模型以及污染去污过程滑逸耦合模型等方面的问题，从理论上建立油水气多相流动的渗流场和有机污染物迁移转化的浓度场耦合作用条件下动力学数学模型，并给出了数值解法，实现耦合系统的软件化，并以此为工具，来预测预报有机污染迁移转化的动态及过程，对于更科学地、更有效地控制石油泄漏带来的环境污染问题具有更重要的理论意义和实际意义。本论文的研究摘要有以下四个方面：采用室内土柱实验，开展了石油污染物在不同质地土壤介质中驱替实验以及含油废水淋滤物理模拟实验研究，揭示了石油污染物在土壤中淋滤深度与土壤质地之间有着密切的关系，在砂性土壤的石油污染物截留率为45.8%，而粘性土壤中其截留率为76.4%，这对于定量化研究石油污染物在土壤水环境系统中迁移转化规律提供基础资料。油气水多相流体系中毛细压力－饱和度－相对渗透率之间关系曲线的确定是研究石油污染物在地下环境系统中驱替机理和数值模型的关键性技术。本文应用渗流力学和参数反演最优化理论，给出了控制多相流系统之间的参数本构模型，采用约束变尺度方法对模型参数进行反演辨识，得出了待求参数的最优估计值。通过计算结果可以得出，采用本文数值方法求得的数值优化结果与实验测试结果吻合较好，表明文中所建立的数值方法是可行和可靠的，有效地克服了数值结果对参数初值的敏感性问题。在综合考虑有石油污染物在地下环境体系中扩散、吸附解吸、界面间分配以及微生物降解等化学反应条件下，建立了有机污染物在多孔介质迁移转化的多组分多相渗流动力学模型，并采用特征有限差分方法和隐式压力显式饱和度方法对耦合模型进行数值离散，编制了相应的计算软件（MCTS1.0）；利用该软件对石油污染物在地下环境系统中运移机制进行定量化研究，研究结果表明：石油污染物在地表泄漏以后，将在重力和毛细力的作用下，产生水平位移和垂直位移，但其总体趋势为向下迁移。当污染物迁移到地下毛细管区后，其向下的运动将整体受到毛细张力的阻碍，污染 WP=5 物要想进入毛细饱和带必须克服油－水界面的进气压力，这时污染物在毛细饱和带顶部聚集以期获取压力，同时将产生以水平方向为主的迁移，最终随着污染物的压力超过其进气压力，导致污染物进入毛细饱和带，到达地下水位，此时污染物将沿地下水水流方向横向扩展开来，并在地下水水位上形成一个透镜体,这为定量研究石油污染物在地下环境系统中分配与归宿提供了可靠的理论依据，同时为土壤环境质量评价及污染预测、预报与污染防治提供科学的根据与途径。考虑气体滑脱效应条件下，提出了挥发性有机污染物去污过程的滑逸耦合模型，并给出了耦合动力学模型的有限差分格式。采用所建立的数值模型对抽排状态下有机污染物的释放过程进行数值模拟，并对不同质地的土壤和土壤含水率进行灵敏度分析。同时，对于挥发性污染物横向迁移问题采用摄动法及积分变换法进行了解析求解，定量研究填埋气体的压力分布特征。数值模拟结果表明：滑脱效应对污染气体释放过程有较大影响，抽气量越大，其差别越明显，在连续抽排条件下污染气体的分布范围和浓度均明显减小，抽排前期对气体浓度分布和气体产量有较大的影响，并且所得到的滑脱解与实测数值吻合较好，因此，研究挥发性污染气体释放时不能忽略滑脱效应。这不仅对于污染气体抽排系统工程设计及环境预测评价提供基础理论依据，而且可为油气田开发过程中污染的治理与恢复具有重要的参考价值。本文的研究成果不仅对于定量化研究有机污染物在地下环境系统中迁移归宿、环境质量评价及污染预测、预报与污染防治提供科学的理论根据与途径，而且对于完善和丰富地下水动力学、溶质运移动力学以及多孔介质渗流力学等理论做出贡献。
【学位授予单位】：辽宁工程技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：X523
【图文】：

状态图,地下环境,运移,有机污染物

而且绝大多数有机物的挥发和溶解都是十分缓慢的，自由态污染物本身重力作用下的迁移也会使污染范围进一步扩大，因此自由态有机污染物的存在被视作一个长期的污染源。当然由于污染物的量相对较少，在渗漏的过程中全部都被吸附、截留或是由于长期的溶解、挥发；（2）气态有机污染物。目前在石油泄漏事故中所出现的大多数有机污染物都属于挥发性有机污染物，一旦泄漏后就会不断地挥发，进入周围的土壤气中,并由于浓度梯度造成进一步的扩散；（3）溶解态有机污染物。地层中的有机污染物会因为降雨淋滤、灌溉以及与地下水的直接接触等途径不断地溶解进入地下水中，并跟地下水一起移流并扩散，形成被污染的地下水的羽状体；（4）残余固态有机污染物。指由于吸附作用或是毛细作用而残留在孔隙介质中的有机污染物，它们虽然也以液态的形态存在，但是不能在重力的作用下自由运动。其残余饱和度的大小与孔隙介质的污染物有密切的关系，这部分有机污染物是地下环境系统中难以清除的部分。

垂直分布,迁移行为,有机污染物,介质

程技术大学博士学位论文划分成四“相”：空气、水溶液、固体、生物体，在这四“相”之间分配趋势的制约。土壤中的有机表径流污染附近的地表水；吸附于土壤固相表面或移，通过土壤剖面形成垂直分布，直至渗滤到地下解；作物吸收。有机污染物在土壤水环境系统中迁仅随着地下水而迁移转化，同时也在土壤固体颗粒类

接触角,流体驱替,毛细管,静止状态

29依靠毛管力就可驱替非湿润流体。假如将一图 3.19 毛细管中静止状态时接触角θ，湿润流体驱替非湿润流体条件下接触角1θ，非湿润流体驱替湿润流体条件下接触角2θFig.3.19 Contact angle distribution under differentdisplacement conditions

【引证文献】