石油污染含水介质的水理和力学特征研究

摘要

土壤既是人类赖以生存的主要自然资源，又是生态环境的重要组成部分。随着石油工业的迅速发展和石油及其制品的广泛使用，大量的原油及石油产品进入环境，世界范围内的土壤石油污染日趋严重，对石油污染的处理引起了人们的普遍关注。因此，深入研究石油污染含水介质的水理和力学特征，探讨污染土壤的归宿问题，可以为修复和处理土壤石油污染提供科学的选择依据，并具有实际应用价值。 本文以重大石油化工区为背景，系统研究了不同石油污染物在该区典型含水介质中的残留特征和典型石油污染土壤的水理和力学特性。首先，通过室内土柱试验研究了不同含水介质中污染物的吸附持留规律，确定了该区代表性含水介质的石油污染范围及其在土层中的分布规律。接着，在污染水平内考察了与修复相关的土壤水理性质，研究了不同石油污染物对介质持水性、毛细性和渗透性的影响规律，发现了不利于修复的因素。最后，提出石油污染土壤用于建设的出路设想并对相关特性如界限含水率、压实特性和抗剪强度与石油污染类型和水平的关系进行了探讨。另外，试验还尝试了对特定石油污染土壤含水率进行校正，并提出了含水率计算的经验公式。通过上述一系列的试验研究，得出了一些新的认识和结论，主要包括： (1)土壤含水率校正过程中发现，石油污染土壤烘干过程中水分挥发和石油挥发互不干扰，土壤质地和颗粒级配对石油挥发有显著影响，同种石油污染土壤烘干过程可挥发性油组分损失比例与含油率有很好的线性相关关系，其相关系数均≥0.99。在此基础上，提出了针对特定油品污染土壤含水率测定的校正公式并给出了经验系数。 (2)通过柴油在砂土、壤粘土中的连续入渗和瞬时入渗试验发现，砂土中柴油的表观吸附持留量可高达12％以上，粘土中表观吸附持留量可达9％左右，瞬时入渗时柴油的吸附持留量大于连续入渗。土壤含水率增加，柴油入渗速率增大，但存在临界含水率，含水率大于临界含水率，入渗速率随含水率增大而减小。污染土壤淋滤试验结果表明，水分淋滤会导致柴油在土壤中均匀分布并迁移扩散，砂土对柴油的稳定吸附持留量是表观吸附持留量的25％左右，而壤粘土则高达75％左右。污染介质含油率水平可在1％～14％之间变化。 (3)石油污染会不同程度的降低介质的持水能力。柴油污染对砂土容水度和给水度影响较小，持水度随含油率升高而减小；原油污染砂土孔隙度、持水度和给水度随含油率升高而减小。 (4)疏水性石油污染物产生所谓“莲花效应”使得土壤毛细性减弱。柴油污染砂土毛细水上升高度随时间变化关系均可用对数方程拟合，拟合度>0.92：柴油污染壤粘土毛细水上升高度随时间变化均符合乘幂关系，相关性系数>0.99。毛细水上升速率随时间变化关系可用乘幂方程拟合，经验系数随含油率升高而减小。砂土毛细水上升高度与含油率关系为负线性相关，拟合度R2=0.9956。柴油污染粘土毛细水上升高度和上升速率亦随柴油含量的增加而减小。含油量≥1％的原油污染土壤毛细水上升高度为零。 (5)柴油污染砂土渗透系数均在10-3数量级，原油污染砂土渗透系数减小至10-4数量级。石油污染对壤粘土渗透性影响显著，随含油率升高，柴油、原油污染粘土渗透系数均从10-5减小至10-8。原油含量大于8％时形成沥青质防渗层，阻碍土壤水分运移，渗透系数<10-8。渗透性减弱是石油污染物堵塞孔隙和介质流体粘滞性增大共同作用的结果。 (6)界限含水率研究结果表明，柴油污染土壤液塑限随含油率增大而减小，塑性指数不变；随着含油率的升高；原油污染土壤塑限减小，液限增大，粘度大的原油引起土壤“假性粘度”而导致液限值升高，塑性指数增大。 (7)柴油和原油均会导致壤粘土最优含水率随含油率的增加而减小，最大干密度随含油率变化规律与油品性质有关。石油污染砂土的干密度较同等含水率砂土大，原油的粘性和润滑作用可使砂土压实干密度提高到1.8g/cm3。 (8)剪切性能研究结果显示，天然容重壤粘土的粘聚力随含水率和含油率的上升显著下降，变化规律符合线性关系，原油和柴油对抗剪强度的影响明显小于水。随原油和柴油含量的升高，虽然壤粘土最大干密度而减小，但最大干密度时其粘聚力较清洁壤粘土分别提高到1.5倍和2倍以上。石油污染对非饱和砂土抗剪强度影响不显著。

目录

文摘

英文文摘

声明

0前言

1绪论

1.1研究目的和意义

1.2国内外研究现状

1.2.1石油污染物的运移与残留

1.2.2石油污染含水介质水理性质研究

1.2.3污染土的工程特性

1.3研究内容和方法

1.3.1学术构想与思路

1.3.2研究内容和技术路线

2供试样品组成和性质的测定

2.1研究区概况

2.2试验材料

2.2.1试验土壤

2.2.2试验油品

2.2.3石油污染土壤的制备

2.3石油含量的测定

2.4石油污染介质中含水率的测定

2.4.1含水率对石油污染土壤烘干损失的影响

2.4.2含油率的影响

2.5 小结

3多孔介质中石油污染物残留过程研究

3.1试验材料与方法

3.1.1材料

3.1.2装置

3.1.3方法与控制条件

3.2柴油在多孔介质中的残留特性

3.2.1连续入渗时柴油的残留

3.2.2瞬时入渗时柴油的残留

3.3结果与讨论

3.4 小结

4石油污染含水介质的水理性质研究

4.1持水性

4.1.1内容与方法

4.1.2结果与分析

4.2毛细水上升高度

4.2.1毛细作用机理

4.2.2试验内容与方法

4.2.3结果与讨论

4.3渗透性

4.3.1柴油污染砂土的渗透性

4.3.2原油污染砂土的渗透性

4.3.3柴油污染壤粘土的渗透性

4.3.4原油污染壤粘土的渗透性

4.3.5结果与讨论

4.4界限含水率

4.4.1试验方法

4.4.2结果与讨论

4.5 小结

5石油污染含水介质的力学性能研究

5.1石油污染含水介质的压实特性

5.1.1壤粘土的击实曲线

5.1.2砂土的击实曲线

5.2石油污染含水介质的剪切特性研究

5.2.1装置与方法

5.2.2控制条件与研究内容

5.2.3结果与讨论

5.3小结

6结论和建议

6.1结论

6.2创新性

6.3建义

参考文献

附图

致谢

个人简历

在学期间发表的学术论文