轻非水相液体(LNAPL)污染土壤多相流实验研究

摘要

轻非水相污染物(LNAPL)进入地下环境后会造成地下环境系统的污染，给人类的生存环境带来巨大危害。研究LNAPL在地下环境中的运移机制对有效的控制LNAPL引起的环境污染问题有重要的意义。 鉴于LNAPL污染地下环境方面研究中模型研究较多而实验研究较少的特点，本文以实验研究为主。实验包括砂性多孔介质不溶混两相流体饱和度与毛细压力关系实验和非饱和带中LNAPL运移的模拟实验。模拟实验中以粗砂和中砂代表均质多孔介质，中砂-粗砂组合以及粗砂中含有细砂夹层代表层状非均质多孔介质，选用柴油代表LNAPL. 在砂性多孔介质不溶混两相流体饱和度与毛细压力关系实验中，采用根据张力计原理设计的装置成功地获取了一系列两相系统饱和度与毛细压力关系曲线。实验结果表明，在相同容重下的同一种介质中，水-油、油-气与水-气两相的非湿润相单调驱替湿润相过程相似，可用土壤水分特征曲线形式表示，任意两相系统的饱和度与毛细压力关系都可以用Van公式拟合，实验结果与拟合结果有很好的一致性。选用VGM模型，采用由F.F.Fagerlund验证过的三种折算方法将两相系统P-S曲线扩展到三相，由三相系统P-S曲线得到三相同时流动时的K-S-P曲线为数值模拟提供参数。 在二维有机玻璃砂槽中模拟LNAPL在非饱和带中运移，利用数码照相机成功的记录了染色后的柴油在多孔介质中的运移过程；利用压力监测系统成功监测到柴油入渗过程中各相压力变化。通过实验得到如下结论： (1)均质多孔介质中，在柴油入渗的初始阶段，油流锋面保持规则的圆弧形向下移动，水平扩散明显弱于垂直运移；当油流锋面到达毛细区上边缘时，油流锋面形状开始变得不规则，并以饼状形式横向扩展。在非均质各向异性多孔介质中，两种不同岩性介质接触面的存在影响柴油垂向运移使得油流锋面出现不规则形状。 (2)介质岩性和层状非均质性影响LNAPL在地下环境中的运移和分布。LNAPL污染源泄漏点下部的介质岩性对LNAPL的运移影响很大，它决定LNAPL锋面的位置和分布。 (3)地下水位变动能够改变水、气和LNAPL之间的平衡，进而影响LNAPL在地下环境中的运移和分布。 (4)柴油的入渗引起多孔介质中水相的运移，同时多孔介质中水相饱和度的高低也会影响柴油在多孔介质中的垂向运移，柴油在水相饱和度高的地方垂向运移受阻。而在柴油入渗过程中，气相基本没有发生变化。 (5)实验中所测得三相流数据为现有的多相流数学模型的检验提供实验资料。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1问题的提出

1.2国内外研究进展

1.2.1国外研究进展

1.2.2国内研究现状

1.2.3国内外研究中存在的问题

1.3本文的研究目的和内容

第二章轻非水相液体在非饱和带运移的基础理论

2.1 LNAPL迁移的宏观现象

2.2 LNAPL迁移的微观机理

2.2.1对流作用

2.2.2弥散作用

2.2.3吸附作用

2.2.4降解作用

2.2.5挥发作用

2.2.6溶解作用

2.2.7滞留作用

2.3多孔介质中水油气三相流运动基本方程及主要参数关系

2.3.1多孔介质中水油气三相流运动基本方程

2.3.2重要概念

2.3.3毛细压力、相对渗透率与饱和度之间的关系

2.4 小结

第三章 毛细压力-饱和度-相对渗透率曲线实验测定

3.1实验目的

3.2实验装置及原理

3.3实验方法

3.3.1实验步骤

3.3.2实验结果计算

3.4实验结果和分析

3.4.1水-气两相系统的实验结果

3.4.2油-气两相系统的实验结果

3.4.3油-水两相系统实验结果

3.4.4同种介质任意两相系统实验结果

3.5三相系统K-S-P关系曲线计算

3.5.1两相系统中毛细压力-饱和度关系向三相系统中的推导

3.5.2三相系统中K-S曲线计算

3.5.3讨论

3.6 小 结

第四章柴油在非饱和带渗流物理模拟实验

4.1试验目的

4.2实验装置和仪器

4.2.1二维有机玻璃槽设计

4.2.2负压计

4.2.3数据采集系统

4.3准备工作

4.3.1基本参数测定

4.3.2砂槽的装填

4.3.3陶土头亲水性改亲油性处理

4.3.3调试负压变送器

4.4实验步骤

4.4.1形成稳定的饱水带和毛细区

4.4.2柴油入渗

4.4.3实验观测

4.4.4调节地下水位

4.5实验结果处理及分析

4.5.1实验结果处理

4.5.2进油之前介质中水吸力分布

4.5.3粗砂实验结果分析

4.5.4中砂实验结果分析

4.5.5上层中砂下层粗砂实验结果分析

4.5.6夹层实验结果分析

4.6 LNAPL在非饱和带中运移的机理分析

4.7 LNAPL在非饱和带中运移和分布的影响因素

4.7.1介质岩性及非均质性对LNAPL运移和分布的影响

4.7.2地下水位波动对LNAPL运移和分布的影响

4.7.3水、油、气三相同时流动时相间的相互影响

4.8 小 结

结论与建议

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢