劉漢樂(lè)，郝勝瑤，馬建初

(1.桂林理工大學(xué)廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004;2.桂林理工大學(xué)廣西巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004)

重非水相液體(dense nonaqueous phase liquid，DNAPL)密度比水大，常見的有三氯乙烯(Trichloroethylene，TCE)、四氯乙烯(Perchloroethylene，PCE)等含氯有機(jī)溶劑。隨著石油工業(yè)及其相關(guān)有機(jī)化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這類污染物進(jìn)入地下環(huán)境污染土壤和地下水，因難溶或微溶于水而以單獨(dú)的相存在，已經(jīng)成為土壤和地下水污染的長(zhǎng)期污染源。DNAPL具有低水溶性、弱遷移性、難降解性，相較于輕非水相液體(LNAPL)，它能穿透含水層而滯留在含水層底部,運(yùn)移行為十分復(fù)雜，為修復(fù)治理增加了難度。因此，研究DNAPL的污染遷移過(guò)程與分布特性對(duì)預(yù)防和治理這類污染物有著重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量室內(nèi)砂箱試驗(yàn)探討DNAPL在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移特征，從不同機(jī)理分析影響DNAPL運(yùn)移路徑的主要因素及其作用機(jī)制[1-3]。Held等[4]研究了DNAPL在飽和均質(zhì)三維砂槽中的運(yùn)移規(guī)律，發(fā)現(xiàn)DNAPL的指進(jìn)現(xiàn)象與多孔介質(zhì)的顆粒大小、DNAPL的性質(zhì)及泄漏條件相關(guān)。Chambers等[5]采用電阻抗成像法對(duì)室內(nèi)砂柱飽水帶中的DNAPL運(yùn)移過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，得到不同時(shí)刻DNAPL運(yùn)移的電阻率圖像，清晰描繪出DNAPL的運(yùn)移特征及范圍。Khalifa等[6]通過(guò)建立孔隙模型并應(yīng)用于均質(zhì)砂柱室內(nèi)試驗(yàn)，模擬研究飽和介質(zhì)排水過(guò)程中DNAPL與水兩相流的重力驅(qū)散指進(jìn)現(xiàn)象，再現(xiàn)了流體相對(duì)給定流動(dòng)模式及流速變化的重新分布，但卻沒有考慮介質(zhì)的非均質(zhì)性。Deng等[7]結(jié)合運(yùn)用高密度電阻率成像法與光透射可視化方法研究了DNAPL在非均質(zhì)介質(zhì)中的入滲行為，電阻率成像法監(jiān)測(cè)到高滲透性透鏡體周圍的污染羽流范圍比低滲透性透鏡體的要大，表明低飽和度DNAPL區(qū)域的電阻率增加不夠明顯。D’Aniello等[8]采用γ射線法監(jiān)測(cè)非均質(zhì)介質(zhì)中飽水條件下DNAPL的遷移特征，表明非均質(zhì)性顯著影響DNAPL的運(yùn)移路徑及空間分布。Earning等[9]從數(shù)值模擬角度出發(fā)，對(duì)比非均質(zhì)性因素，研究地下水流速對(duì)DNAPL在均質(zhì)介質(zhì)中運(yùn)移行為的影響，得出不同流速對(duì)DNAPL運(yùn)移的位置、結(jié)構(gòu)和幾何特征的影響更為敏感。相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)在此方面的研究起步較晚。鄭菲等[10]采用光透射可視化(LTV)方法監(jiān)測(cè)DNAPL在隨機(jī)非均質(zhì)介質(zhì)內(nèi)的遷移行為并定量分析DNAPL的飽和度，在非均質(zhì)介質(zhì)中四氯乙烯(PCE)繞開細(xì)砂透鏡體，沿著粗砂透鏡體構(gòu)成的優(yōu)勢(shì)通道運(yùn)移，運(yùn)移路徑的不規(guī)則性及飽和度分布的空間變異性增強(qiáng)。郭健等[11]利用光透法和高密度電阻率法監(jiān)測(cè)二維均質(zhì)孔隙介質(zhì)中DNAPL遷移過(guò)程的電阻率值，再利用Archie公式獲得DNAPL飽和度的空間分布，與光透法結(jié)合后的高密度電阻率成像法能定量監(jiān)測(cè)飽和孔隙介質(zhì)中DNAPL的入滲過(guò)程，克服了傳統(tǒng)方法獲取β值時(shí)存在的困難。喬文靜等[12]通過(guò)開展二維砂箱實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用光透法對(duì)非均質(zhì)孔隙介質(zhì)中兩相流進(jìn)行了定量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)DNAPL運(yùn)移在透鏡體處無(wú)法克服介質(zhì)毛細(xì)壓力，停止垂向入滲并在其表面堆積，開始橫向遷移，繞過(guò)透鏡體后繼續(xù)向下遷移，最終在砂槽底部形成連續(xù)DNAPL污染池。目前，這些研究大多數(shù)僅考慮均質(zhì)介質(zhì)或含有層狀透鏡體的情境，對(duì)于非均質(zhì)介質(zhì)突變交界面的DNAPL運(yùn)移特征研究尚未見報(bào)道[13]。

光學(xué)圖像分析法具有較高的空間和時(shí)間分辨率，能夠快速、準(zhǔn)確、非侵入地一次性獲取整個(gè)區(qū)域上的動(dòng)態(tài)流體分布[14-15]。本文通過(guò)二維砂槽研究DNAPL在非均質(zhì)介質(zhì)中的運(yùn)移行為，選擇三氯乙烯(TCE)作為特征污染物，采用數(shù)碼照相機(jī)拍照獲取TCE的遷移過(guò)程并結(jié)合圖像得到鋒面變化曲線，探討非均質(zhì)介質(zhì)界面對(duì)DNAPL污染物遷移行為特征的影響，以期為DNAPL污染的污染源調(diào)查、修復(fù)治理提供理論參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

砂槽材料選用無(wú)色透明的有機(jī)玻璃，尺寸為長(zhǎng)×寬×高=80 cm×3 cm×60 cm，在距離底部5 cm處設(shè)置注水小孔。砂槽由上至下分別為細(xì)砂、中砂、粗砂、礫石、卵礫石，每層高10 cm，一共分為5層，布置及相關(guān)參數(shù)如表1。

表1 介質(zhì)分布及相關(guān)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

首先使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的篩砂網(wǎng)取一定量的細(xì)砂、中砂、粗砂、礫石、卵礫石。分選好砂子后，開始裝砂，用燒杯裝取一定質(zhì)量的砂填入裝置內(nèi)，層層壓實(shí)。首先裝入約10 cm高的卵礫石層，依次裝入礫石、粗砂、中砂、細(xì)砂，每層高均為10 cm，裝至離砂槽頂部約10 cm處，停止裝砂(圖1)。

圖1 二維砂槽試驗(yàn)裝填示意圖(單位：cm)Fig.1 Schematic diagram of the sand box (cm)

本試驗(yàn)選用三氯乙烯(TCE)作為DNAPL污染物的代表物。用溶于有機(jī)溶劑不溶于水的蘇丹紅作為染劑將其染色，提高DNAPL與砂土的對(duì)比度。將砂槽靜置 2 d后開始注入DNAPL污染物，每小時(shí)平均注入約為125 mL，歷時(shí)4 h。注入總量約為500 mL。

在注入DNAPL污染物開始之前，將數(shù)碼照相機(jī)架好放置于砂槽之前，整個(gè)砂槽在數(shù)碼照相機(jī)的拍攝范圍內(nèi)，讓數(shù)碼照相機(jī)能完全記錄整個(gè)砂槽內(nèi)DNAPL的遷移入滲情況；將試驗(yàn)室內(nèi)的燈光關(guān)閉，將兩盞臺(tái)燈放在裝置的兩側(cè)供給光源，保證拍攝的圖像清晰。每次拍攝的平均間隔時(shí)長(zhǎng)為5 min，在遷移到多孔介質(zhì)界面時(shí)縮短間隔時(shí)間，拍攝多組DNAPL入滲到界面的圖像。

2 結(jié)果與討論

試驗(yàn)過(guò)程中，采用數(shù)碼照相機(jī)拍攝DNAPL污染物在層狀多孔介質(zhì)中的入滲遷移過(guò)程，得到圖2。

在DNAPL污染物垂直下滲4 mm時(shí)，出現(xiàn)橫向擴(kuò)散。入滲50 min后，DNAPL污染物到達(dá)細(xì)砂與中砂界面(第一界面，以此類推)，DNAPL在細(xì)砂層中的入滲速度為0.2 cm/min。DNAPL污染物在界面處滯留90 min，入滲140 min時(shí)在第一界面橫向擴(kuò)散寬度達(dá)到25 cm，顏色不斷加深，由于介質(zhì)結(jié)構(gòu)突變使DNAPL污染物遷移方式發(fā)生了明顯改變，遷移鋒面線密集，主要表現(xiàn)為橫向擴(kuò)散。入滲155 min，DNAPL污染物發(fā)生突進(jìn)，垂向入滲3 cm，第一層界面橫向擴(kuò)散寬度達(dá)到37.2 cm；入滲170 min，DNAPL污染物到達(dá)第二層界面，DNAPL污染物在中砂層中的入滲速度為0.33 cm/min，此時(shí)第一層界面橫向擴(kuò)散寬度達(dá)48 cm。DNAPL污染物在第二層界面滯留時(shí)間為10 min，橫向擴(kuò)散寬度為8 cm。180 min時(shí)DNAPL污染物開始在粗砂層中呈“指狀”入滲，200 min時(shí)DNAPL污染物入滲到達(dá)第三界面，DNAPL污染物在粗砂層中的遷移速度為0.5 cm/min，此時(shí)DNAPL污染物在第一界面橫向擴(kuò)散寬度達(dá)到58 cm。在第三界面滯留約15 min并不斷地橫向擴(kuò)散，擴(kuò)散寬度達(dá)到24 cm。215 min時(shí)DNAPL污染物開始下滲，在礫石層遷移10 min后即225 min時(shí)污染物通過(guò)礫石與卵礫石層界面，在礫石層中DNAPL污染物遷移的速度約為1 cm/min。介質(zhì)粒徑變大后，顆粒間的孔隙度變大，DNAPL污染物流動(dòng)速度也相應(yīng)變大。注完污染物后DNAPL在入滲270 min時(shí)，第一界面最終橫向擴(kuò)散寬度達(dá)到72.5 cm，第二界面達(dá)到33 cm，第三界面達(dá)到39 cm，第四界面達(dá)到15 cm。

將數(shù)碼照相機(jī)拍攝到的圖像導(dǎo)入AutoCAD2014制圖軟件內(nèi)，繪制不同時(shí)刻的DNAPL污染物遷移過(guò)程的鋒面變化曲線，然后將不同時(shí)刻DNAPL的鋒面曲線重疊到一幅圖上，得到整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中DNAPL鋒面的空間變化圖(圖3)。由圖可知，鋒面曲線形狀不規(guī)則，呈現(xiàn)為指狀擴(kuò)散。DNAPL污染物主要在重力和毛細(xì)作用力下遷移入滲，以垂向入滲為主，局部區(qū)域孔喉尺寸的大小決定了遷移路徑。在不同粒徑介質(zhì)界面介質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，DNAPL遷移鋒面線曲率也相應(yīng)變大，此時(shí)DNAPL的遷移呈現(xiàn)“凸”型特征。

圖2 DNAPL污染物入滲過(guò)程Fig.2 DNAPL infiltration process image

圖3 DNAPL遷移鋒面曲線(單位：cm)Fig.3 Migration front curve of DNAPL (cm)

隨著時(shí)間的推移，DNAPL污染范圍逐漸擴(kuò)大，可以明顯地看到其在界面的分布以及滯留寬度。在每個(gè)層DNAPL污染物運(yùn)移的時(shí)間、速度以及界面橫向擴(kuò)散寬度具體見表2。

注入DNAPL污染物初期，介質(zhì)上方污染物堆積量少，細(xì)砂層中受到較強(qiáng)的毛細(xì)作用力，其滲流面積與指流擴(kuò)散寬比其它層大，測(cè)得污染物在介質(zhì)層橫向擴(kuò)散寬度達(dá)26.7 cm，遷移歷時(shí)50 min，遷移速度0.2 cm/min。對(duì)比在中砂層與粗砂層DNAPL污染物的遷移特征，首先從運(yùn)移時(shí)間方面分析，污染物在中砂層運(yùn)移時(shí)間為30 min，在粗砂層運(yùn)移時(shí)間為20 min，表明粒徑越大運(yùn)移速度越快。其次在遷移形態(tài)方面，進(jìn)入中砂層后，污染物以面狀向下遷移，指流寬度大，滲流面積大；相比較進(jìn)入粗砂層后，污染物則是呈指狀入滲向下遷移，指流較細(xì)，滲流面積小，說(shuō)明粒徑變化使得污染物遷移形態(tài)也發(fā)生了明顯的改變。再次在作用力影響方面，觀察140～170 min(中砂層)與180～200 min(粗砂層)的運(yùn)移過(guò)程圖可以發(fā)現(xiàn)，140 min時(shí)污染物開始向下遷移，經(jīng)過(guò)15 min(即155 min)觀察到遷移橫向距離為14.8 cm，比垂向距離長(zhǎng)8.1 cm，明顯反映出毛細(xì)力占主導(dǎo)作用為主要驅(qū)動(dòng)力；相比較粗砂層，180 min時(shí)污染物開始下滲，主要遷移方式以垂向遷移為主，經(jīng)過(guò)5 min(即185 min)觀察到污染物已經(jīng)形成一道向下的指狀流，表明重力占主導(dǎo)作用為主要驅(qū)動(dòng)力。單獨(dú)每層作為不同粒徑的均質(zhì)介質(zhì)我們發(fā)現(xiàn)，同樣的注入速率下，粒徑越大，污染物滲流面與指進(jìn)擴(kuò)散寬度越小，逐漸表現(xiàn)出指狀遷移形態(tài)，即重力作用明顯增強(qiáng)，毛細(xì)作用逐漸減弱，污染物遷移速度由0.2 cm/min增加到1 cm/min，呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)。

通過(guò)表2可知，DNAPL污染物在第一界面的橫向擴(kuò)散寬度最大，滯留時(shí)間最久。對(duì)比第二界面與第三界面，污染物在第二界面滯留時(shí)間與寬度比第三界面要稍短，這可能是由于污染物在細(xì)砂層及第一界面處長(zhǎng)時(shí)間堆積產(chǎn)生較強(qiáng)壓力，在第二界面滯留10 min后重力作用力成為主要驅(qū)動(dòng)力使其向下遷移。隨著污染物到達(dá)第三界面，來(lái)自上方堆積量的壓力也逐漸削弱。由于所選礫石與粗砂粒徑差值為1.7 cm，大于中砂與粗砂粒徑差值(0.3 cm)，因而毛細(xì)作用力有明顯差異，且礫石層粒徑大小在0.9～4.0 cm之間，分選性較差，在界面處的礫石層介質(zhì)相對(duì)密實(shí)，從而污染物主要受到界面處粗砂層介質(zhì)相對(duì)較強(qiáng)的毛細(xì)作用力，在第三界面滯留時(shí)間比第二界面久，遷移擴(kuò)散寬度(39 cm)也長(zhǎng)于第二界面(33 cm)。與第一界面相比，第二界面與第三界面污染物遷移擴(kuò)散寬度可看作相當(dāng)，第四界面污染物遷移擴(kuò)散寬度最短。隨著介質(zhì)毛細(xì)作用力逐層減弱，DNAPL污染物在界面的擴(kuò)散寬度由72.5 cm縮短至15 cm，總體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

表2 砂層及界面DNAPL遷移特征相關(guān)參數(shù)

3 結(jié)論

(1)介質(zhì)結(jié)構(gòu)影響DNAPL的遷移形態(tài)。介質(zhì)粒徑逐層增大，DNAPL污染物的滲流面積與指進(jìn)擴(kuò)散寬度逐層減小，擴(kuò)散方式由面狀變?yōu)榱鳡?。在不同粒徑介質(zhì)界面介質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，DNAPL遷移鋒面線曲率也相應(yīng)變大，此時(shí)DNAPL的遷移呈現(xiàn)“凸”型特征。

(2)DNAPL在遷移過(guò)程中主要受到重力與毛細(xì)力的控制，污染物在界面遷移時(shí)毛細(xì)作用力起主導(dǎo)作用為主要驅(qū)動(dòng)力。毛細(xì)力隨著介質(zhì)粒徑的增大逐層降低，重力作用逐漸起主導(dǎo)作用為主要驅(qū)動(dòng)力，使得污染物入滲速度逐層增大。

(3)DNAPL在遷移過(guò)程中向下入滲的同時(shí)，界面處也發(fā)生較快的橫向擴(kuò)散現(xiàn)象，鋒面曲線密集。不同的界面橫向擴(kuò)散寬度不同，隨著介質(zhì)粒徑的增大，界面的橫向擴(kuò)散寬度相對(duì)變短，其中第一界面橫向擴(kuò)散寬度最長(zhǎng)，為72.5 cm，第四界面最短，為15 cm。