LNAPLs在包气带中运移机理及模拟研究

摘要

轻非水相液体(LNAPLs)属典型的有机污染物,其泄漏后进入包气带,对土壤及地下水污染严重,已成为当前地下水环境保护中的核心课题。本文以多孔介质流体动力学、溶质运移动力学和水文地质学理论为指导,以柴油作为代表污染质,从物理模拟试验入手,模拟 LNAPLs在包气带的污染行为,重点研究 LNAPLs在包气带中的运移规律,并从三相流角度建立了 LNAPLs在包气带运移的多相流数学模型,定性定量研究 LNAPLs在包气带中运移问题,揭示了 LNAPLs在包气带中的运移机理,主要研究成果如下:
　　 1)利用自制物理模拟试验装置,开展了 LNAPLs在不同介质中的油水驱替试验,揭示了 LNAPLs在包气带中的运移规律及特征。得出 LNAPLs在渗漏初期主要受重力作用驱动,锋面尚未到达地下水毛细区上边缘时,其运动以垂向迁移为主,并保持规则的、圆弧形移动,当锋面到达毛细区上边缘以后,柴油沿着毛细区上边缘横向扩展,垂向进入毛细区和地下水中的部分有限；在不同介质中油流锋面具有不同分布特征,即均质介质油流锋面可分为残余油区及毛细带聚集油区,上细下粗型介质为聚集区-残余油区-聚集油区组合形式,含夹层型介质为残余油区及聚集油区交替出现型；影响油流锋面分布特征的因素主要有包气带岩性、初始水相压力、流场变化等；锋面最大发育宽度受孔隙度及介质渗透性能限制,当存在弱渗透性介质时,锋面横向发育加大尤为明显,反映出弱渗透性介质对污染物的阻滞作用,上述规律为揭示机理奠定基础。
　　 2)利用砂性漏斗试验装置所获取的两相系统各流体对之间的s-p关系,并借助F.F.Fagerlund折算理论将两相系统 k-s-p关系扩展到三相系统,系统研究了三相系统中 k-s-p关系。三相系统中,油、水两相的k～s曲线形状均为上凹型,各相相对渗透率曲线变化在小于等渗点饱和度之前,水相相对渗透率增加较慢而油相气相相对渗透率减小较快,当大于等渗点饱和度后,水相相对渗透率增加较快而油相缓慢减少至零。上述研究为分析多相流动以及对多相流问题进行数学模拟奠定基础。
　　 3)借助油气藏渗流力学理论,从多相流角度出发构建了描述LNAPLs在包气带运移的多相流动力学模型,并运用TOUGH2软件求解模型,反演后参数与实测参数基本吻合,为LNAPLs的污染预测及机理分析提供了定量支撑。
　　 4)基于物理模拟试验及数学模型,定性定量研究了LNAPLs在包气带中的迁移机理。得出在一定渗漏量下,均质介质颗粒越粗,LNAPLs越易到达毛细带。而进入毛细带中则以横向迁移为主,其中粗粒相横向迁移面积大于细粒相迁移面积,但在细粒相中LNAPLs聚集区的饱和度大于粗粒相。不论哪种砂性介质,油相发生横向迁移时水相饱和度为0.45。对于以砂性介质为主的非均质结构地层,弱渗透性介质存在对油相下移尽管有一定阻滞作用,但对于长期泄漏源,弱渗透夹层存在不足以完全阻滞油相下移,故应该重视输油管道泄漏等问题。
　　 本文研究对于定量化研究有机污染物在地下环境系统中迁移、污染预测提供理论依据和试验支持,对于确保地下水资源的可持续利用以及有效控制及修复LNAPLs污染具有一定的理论价值和实际意义。