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多孔介质中DNAPLs运移及模拟研究

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李燕

摘要：重非水相流体（DNAPLs）污染特性及在介质中运移分布规律研究是开展场地污染风险评估与修复治理的必要前提。本文阐述了多孔介质中DNAPLs污染特性及运移过程中三相分配与转化，总结了影响DNAPLs运移及空间分布的因素，论述了介质非均质性及水文地质条件的影响机理，综合分析了DNAPLs污染模型的应用特性。

关键词：DNAPLs;多孔介质;运移;模型

Abstract： Studying the pollution characteristics of dense non-aqueous phase fluids （DNAPLs） and the law of transport distribution in the medium are necessary prerequisites for site pollution risk assessment and remediation. The paper described the contamination characteristics of DNAPLs in porous media and their three-phase distribution and transformation during the migration， summarized the factors influencing the migration and spatial distribution of DNAPLs， and then discussed the influencing mechanism of media heterogeneity and hydrogeological conditions， finally comprehensively analyzed the application characteristics of DNAPLs pollution model.

Keywords： DNAPLs;porous media;migration;model

有機化工试剂在生产使用过程中进入自然环境，会污染水环境、大气环境、土壤环境，各地地下水中氯代烃有机物、多氯联苯、石油类等DNAPLs频繁检出。相对于水来说，DNAPLs密度较大，但是可溶性低，具有穿透性强、黏滞性低、毒性强以及“三致”特性，土壤-地下水系统中，DNAPLs通过呼吸道、皮肤接触等途径影响人体健康。场地土-水系统中，有机物污染与治理是开展城市土地利用与经济建设的必要前提。国内外对典型DNAPLs在多孔介质中污染特性、空间分布、运移特性及影响因素进行了研究，本文总结归纳多孔介质中DNAPLs污染与运移分布影响因素和研究模型等内容，为今后深入研究DNAPLs污染机理与修复治理技术提供参考，以期为污染场地风险评估和应急预案制定提供支撑。

1 DNAPLs污染特性

一般密度大于1.01 g/cm3、溶解度（水）小于20 g/L的有机污染物被称为DNAPLs，多具有化学性质相对稳定、水溶性低、密度大、黏滞性低、密度大于水等特点，常见的DNAPLs污染物有氯代烃化合物、多氯联苯、煤焦油、杂酚油和重油等。其中，有机氯代烃化合物是最常见的DNAPLs污染物，广泛用于洗剂、脱脂剂、有机溶剂和杀虫剂等。氯代烃化合物密度较大（1.46 kg/L）、水溶性较高，在疏水性土体中运移吸附量小，其溶解态较易溶入水相与孔隙水中形成污染羽。

DNAPLs进入环境后发生迁移、三相分配（液相、吸附相、气相）和自然降解。其中，迁移以重力作用下的垂向向下为主，并优先通过根孔、裂缝等较大孔隙形成的优势通道。DNAPLs在非饱和带中挥发进入土壤和水中成为气相和溶解相[1]，DNAPLs-水相之间的分配受其溶解度影响，DNAPLs化合物在地下水中的浓度远低于其溶解度;蒸气压和沸点影响DNAPLs-土壤间分配，在水-土壤间的分配关系服从Henry定律[2]。DNAPLs污染运移主要有非饱和带、穿越非饱和带沿弱透水层运移、多层污染与岩石或黏土层裂缝四种情况（见表1）。

2 DNAPLs运移影响

DNAPLs在多孔介质中运移受其溶解度、密度、挥发性、湿润性、饱和度、相对渗透率等自身性质与污染物源强、降雨（地表水）补给速率以及土体的均质性等多因素影响[3]。DNAPLs的运动黏度对其迁移渗流有决定性作用，黏度与渗流达西规律成反比，黏度越大，其达西性越弱。此外，多孔介质的孔隙大小、孔隙通道几何结构及其连通性影响DNAPLs运移速度，孔隙结构直接决定同一流体在不同多孔介质中渗流特征的不同[4]。例如，石油污染物在多孔介质中的渗流状况更为复杂多变，渗流速度与压力梯度存在非线性关系，偏离达西定律[5]。在各类影响因素中，地下水流速和介质的均质性是影响DNAPLs运移分布的关键。

2.1 流速对DNAPLs运移的影响

由于低黏滞性、低溶解性和难降解性等特点，场地DNAPLs污染修复已成为国内外研究热点。国内外通过室内试验与数值模拟研究了地下水流速对DNAPLs运移分布的影响。在静水和动水条件下，NDAPLs（HFE-700）均因毛细压力作用无法进入低渗透性含水层。动水条件下，孔隙水-HFE间毛细压力减小，侧向水流促进HFE的垂向运移;地下水较大流速促进低黏滞性DNAPLs水平和垂向运移以及再分布过程，减小其残余饱和度及残余捕获量，且流速与非均质共同作用可明显影响DNAPLs（如PCE）的运移途径及污染源的空间位置。

2.2 介质非均质性对DNAPLs运移影响

渗透性是表征自然土体非均质性的重要参数。研究表明，空间非均质性的渗透系数服从正态分布，粗砂和细砂明显影响DNAPLs（如四氯乙烯）的空间运移分布，DNAPLs的垂向入渗深度是含水层厚度的30%～60%。在完全干燥的粗砂中，NAPL相表现为湿润相，砂层中残余大量的DNAPLs;相应的细砂层中DNAPLs运移至粗砂层后亦表现为湿润相，并在介质界面聚集后明显朝水平方向迁移扩散，同时存在DNAPLs通过优势通道绕流至渗透率较大的粗砂层，绕流运移路径的不规则性和饱和度空间变异性增大。介质非均质性对DNAPLs运移分布的影响与土壤含水率也有直接关系，明显的非饱和带影响大于饱和带，且渗透率与DNAPLs的下渗总量、深度、迁移扩散范围大小成正比，但与相关长度变化反向。

3 DNAPLs运移模型

目前，介质中DNAPLs多相流研究多结合采用物理试验与数值模型，模型主要有半理论模型、分型模型、数值模型，如表2所示。其中，参数毛细压力P、相对渗透率K与饱和度S及其相互间关系（K-S-P）研究是关键。数学模型模拟复杂的DNAPLs多相流需要多个参数，可通过试验确定毛细压差（P-S）关系，利用数值模型模拟计算K。

试验是验证理论模型、研究介质中DNAPLs运移机制最行之有效的手段，用一维柱和二维箱式试验可直接测定流体和介质相关参数，但常存在限制运移路径、饱和度等测定困难的问题，这也是室内物理试验研究的主要障碍。由于DNAPLs组成多样、理化性质差异较大，DNAPLs污染区域范围大、水文地质条件（如地下水类型、介质非均质性）复杂等因素，试验或物理模型应用有一定的局限性，而数值模型能够较好地模拟、预测DNAPLs在土壤（饱和/非饱和带）与地下水中的运移分布，例如，T2VOC程序模拟分析DNAPLs在非均质介质中的迁移扩散：泄露量一定时，泄露速率与对其运移的影响程度成反比;介质粗糙面接触的相关性越差，污染范围越大，DNAPLs向下运移的速率越大[6]。此外，DNAPLs的非扩展性影响其非水相液体的残余分布，且受介质非均质性与污染物理化性质等多因素影响，数值模型尚无法准确预测其残余分布。

分形几何理论是研究石油开发中驱油剂、原油等非牛顿流体渗流与多孔介质水的有效工具。结合分形理论与毛细管束模型，可建立无经验常数、参数明确的多孔介质渗透率模型，介质分形维数直接用“计盒法”测量，或通过孔隙率与空隙尺寸推导获取[7]。分形理论应用于多孔介质运移研究较多，却鲜少在DNAPLs污染场地运移模拟和风险评估等领域应用[8]。因此，以场地DNAPLs污染运移机制研究为基础，建立大尺度多孔介质DNAPLs性质及流体参数间的定量关系，模拟分析DNAPLs运移影响机制，为场地污染诊断、风险评估、修复治理及应急预案制定提供有力支撑。

4 结论

本文综述了DNAPLs污染特性及在土壤和地下水中的迁移分布和三相分配，分析了影响多孔介质中DNAPLs运移和转化因素，其中地下水流速和多孔介质的非均质性DNAPLs可明显改变其运移途径、运移速率、残余量和空间位置。同时，本文归纳了应用于DNAPLs运移分布及影响因素研究的主要模型理论及其适用性，其中分形模型在场地污染与修复治理及突发事故应急中具有重要应用价值。

参考文献：

[1]刘汉乐，周启友，吴华桥.基于高密度电阻率成像法的轻非水相液体饱和度的确定[J].水利学报，2008（2）：189-195.

[2]US Army corps of engineers.engineering and design：Soil vapor extraction and bioventing[Z].2002.

[3]Myers C E，Green K E.Overview of the Interstate Technology & Regulatory Council's Technical and Regulatory Guidance for Surfactant/Cosolvent Flushing of DNAPL Source Zones （DNAPL-3）[J].Environmental Claims Journal，2003（3）：375-385.

[4]Hartog N，Cho J，Parker B L，et al.Characterization of a heterogeneous DNAPL source zone in the Borden aquifer using partitioning and interfacial tracers：Residual morphologies and background sorption[J].Journal of Contaminant Hydrology，2010（1）：79-89.

[5]蔡建超.低渗透油藏非达西渗流特性的分形研究[D].武汉：华中科技大学，2007.

[6]马艳飞，郑西来，冯雪冬，等.均质多孔介质中石油残留与挥发特性[J].石油学报，2011（6）：141-147.

[7]Yu B，Lee L J，Cao H.A fractal in-plane permeability model for fabrics[J].Polymer Composites，2002（2）：201-221.

[8]戴葉.多孔介质相对渗透率的耦合模型[D].武汉：华中科技大学，2011.

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