（地质工程专业论文）轻非亲水物质在含水层中迁移规律的室内试验研究.pdf

摘要 摘要 随着人类生产的进步和经济的繁荣，石油类轻非亲水物质( l n a p l ) 在石油 开采、贮存、运输、加工和应用过程中泄露和排放对环境的影响日趋严重，全世 界范围内地下水环境均表现出不同的恶化趋势。 本文采用试验区尺寸为1 5 0 c m 3 4 8 c m 3 7 7 c m 的玻璃渗流槽，通过二维弥散试 验研究了对二甲苯在典型上海浅部土层( 第层土) 中的迁移吸附规律，获得对 二甲苯的迁移吸附参数( d ，；1 1 x l o 。删，d i = 7 3 x 1 0 _ 6 册，r d 一3 1 8 ) ；根 据静态吸附试验中固相吸附量随水相含油浓度变化关系，得到对二甲苯在砂质粉 土中的吸附等温线，以确定对二甲苯的吸附模式：从而模拟及预测石油类污染物 在地下水中迁移，采用有限元程序模拟污染物的迁移过程，模拟的结果与实际结 果吻合较好，由此预测了对二甲苯注入2 5 0 天、3 6 0 天后，试验模型中污染物的 迁移情况；根据对二甲苯的易挥发性及密度比水小的特点，采用砂井法进行了污 染承压含水层的修复尝试。 根据地表污染物下渗须穿越非饱和带的特征，利用非饱和土有关理论，采用 滤纸法和渗析法，获取了上海浅部土层( 第1 、2 、层土) 在0 - 1 4 0 0 k p a 范 围内、带回滞环的土水特征曲线。根据获得的土水特征曲线，得到上海浅部土层 的进气值为8 0 - - 2 0 0 k p a ，并且数值上随土颗粒粒径的增大而减小。土水特征曲线 上存在的回滞环，主要与士体中孔隙大小的不均匀性及微观结构有关。 关键词：地下水污染，对二甲苯，弥散系数，阻滞因子，非饱和土，土水特征曲 线，吸力 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ha d v a n c i n go fh u m a nm a n u f a c t u r ea n db o o m i n go fe c o n o m y , p e t r o l i c l n a p li n f l u e n c eo ne n v i r o n m e n tt e n d i n gt os e r i o u si nt h ep r o c e s so fe x p l o i t a t i o n ， r e s e r v e ，t r a n s p o r t ，m a c h i n i n g , a p p f i c a t i o no fo i l t h em o v i n ga n da d s o r b i n gl a wo fp x y l e n ew h i c hi st y p i c a ll n a p li nt h e t y p i c a ls h a n g h a is u p e r f i c i a ls o i l ( 瞧) l a y e r s ) i ss t u d i e di nt h i sp a p e rt h r o u g hp l a n a r d i s p e r s i o nt e s ta d o p t i n gv i t r e o u ss e e p a g et a n k ( 1 5 0 c m 3 4 8 c m 3 7 7 c m ) ，a n dm o v i n ga n d a d s o r b i n gp a r a m e t e ro f p - x y l e n ei sg a i n e d ( d l 一1 1 x 1 0 。5 c m ，d ri7 3 x 1 0 “硎， r a 3 1 8 ) o nt h eb a s i so ft h er e l a t i o no ft h ea d s o r p t i v ec a p a c i t yo fs o l i dp h a s ea n d o i l yc o n c e n t r a t i o no fa q u e o u sp h a s ei nt h es t a t i ca d s o r p t i v et e s t ，a d s o r p t i o ni s o t h e r m o fp x y l e n ei ns a n d ys i l ti sg a i n e d i no r d e rt oc 嘶丘n na d s o r p t i v em o d eo fp - x y l e n e t h e nm o v e m e n tp r o c e s so fc o n t a m i n a t i o ni ss i m u l a t e da n df o r e c a s t e d ，a d o p t i n gf i n i t e e l e m e n tp r o g r a mt os i m u l a t et h et r a n s p o r tp r o c e s so fc o n t a m i n a t i o n s t i m u l a n tr e s u l t s t a l l yw i t ha c t u a lr e s u l t s t h e nm i g r a t o r ys t a t u so fc o n t a m i n a t i o ni nt e s tm o d e li s f o r e c a s t e d2 5 0a n d 3 6 0d a y sa f t e ri n j e c t i n gp - x y l e n e s a n dw e l li sa d o p t e dt or e p a i r p o l l u t e db e a r i n ga q u i f e r , b a s i n go nt h ev o l a t i l i t ya n dd e n s i t yo fl n a p l a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e rt h a tc o n t a m i n a t i o nw i l li n f i l t r a t et h r o u g hn o n s a t u r a t e dz o n e ，t h es o i l - w a t e rc h a r a c t e r i s t i cc u l v c 8f o rd e s o r p t i o na n ds o r p t i o no ft h e t y p i c a ls h a n g h a is o i l ( l ，2 ，l a y e r ) i nt h er a n g eo f0 1 4 0 0 k p aa r em e a s u r e d u s i n gt h ef i l t e rp a p e rm e t h o da n do s m o s i sm e t h o do nt h eb a s i so fu n s a t u r a t e ds o i l t h e o r y u s i n gt h es o i l - w a t e rc h a r a c t e r i s t i cc u r v e s ，t h ea i r - e n t e rv a l u eo fs h a n g h a i s u p e r f i c i a ls o i li sb e t w e e n8 0 2 0 0 k p a a n di td e c r e a s e sw i t ht h ea g g r a n d i z e m e n to f s o i lg r a i ns i z e t h ec i r c l ei nt h es o i l - w a t e rc h a r a c t e r i s t i cc u r v e sh a v es o m e t h i n gt od o w i t hi r r e g u l a r i t yo fh o l es i z ei ns o i la n dm i c r o s t m c t u r e k e yw o r d s ：g r o u n d w a t e rp o l l u t i o n ，p - x y l e n e ，d i s p e r s i o nc o e f f i c i e n t ，r e t a r d a n t ， u n s a t u r a t e ds o 1 s o f t 、珊e r c h a r a c t e r s t c c u r 、，e ( s w c c ) ，s u c t i o n “ 第章绪论 第一章绪论 本章概述了石油类轻非亲水物质( l n a p l ) 对环境的危害及其现状：介绍 了非亲水物质在含水层中的迁移方式；回顾了国内外在这个领域的研究现状。鼻是 出这篇论文所要解决的问题。 一、引言 由于人类活动的长期影响，在全世界范围内地下水环境均表现出不同的恶化 趋势。同本环境厅对全国地下水进行了调查，结果发现很多地方的地下水中三氯 乙烯和四氯乙烯的含量已严重超过世界卫生组织所规定的饮用水标准【”。而我国 的污染情况更不容乐观。据中国统计年鉴( 1 9 9 6 年) ，我国每年排放的工业 废水、污水总量2 0 5 9 亿吨。这些废水、污水的7 5 左右未经处理直接排放入水 域。同时，随着地表水体的污染、下渗，许多城市附近，如北京、天津、太原、 郑州、许昌、淄博等，地下水污染日益严重，浅层地下水已不能饮用1 9 j 。 幽1 - 1 污染物向地f 含水层的泄2 i i ； 全世界大规模开采石油是从2 0 世纪仞丌始的，1 9 0 0 年全世界消费量约2 0 0 0 力吨，1 0 0 年来这一数量已增长百余倍，石油已成为人类最主要的能源之一。l 矧 当今世界上石油的总产量，每年约有2 2 亿吨，其中1 7 5 亿吨是由陆地油田生产 的。随着石油丌采和使用量的增加，大量的石油及其加工品进入环境，不可避免 第一章绪论 地对环境造成了污染，给生物和人类带来危害。在石油化工生产区、加油站等地， 由于落地油、含油生产污水排放和输油管道渗漏等原因，使大量石油类污染物进 入十- 层( 见图1 1 ) ，导致石油污染物成为全球性的一大环境问题。每年全世界育 8 0 0 万吨石油污染物进入环境，而我国每年有近6 0 万吨进入环境。i i i l 石油是一种含有多种烃类r 正烷烃、支链烷烃、芳烃、脂环烃) 及少量其他有 机物( 硫化物、氮化物、环烷酸类等) 的复杂混合物。有的石油样品可古2 0 0 - 3 船0 种烃类，分子量从1 6 至1 0 0 左右，其物理状态包括气体、挥发性液体、高沸点 液体以及固体。 石油类轻非亲永物质的危害主要表现为以下几点：( 1 ) 对人类及动物而占。 石油污染物中芳香烃类物质对人及动物的毒性较大，尤其是多环和三环为代表的 芳烃。多环芳烃类物质可通过呼吸、皮肤接触、饮食摄入方式进入人或动物体内， 影响肝、肾等器官的j 下常功能，甚至引起癌变。石油中的苯、甲苯、酚类等物质， 如果经较长时间较大浓度接触，会引起恶心、头疼、眩晕等症状。( 2 ) 对植物而 占。被污染的植物发芽出苗率降低，生育期限推迟。贪青晚熟，结实率下降，抗 倒伏、抗病虫害的能力降低等。( 3 ) 对土壤物理化学性质的影晌。堵塞了土壤孔 隙，改变土壤有机质的组成和结构，引起土壤有机质的碳氮比( c n ) 和碳磷比( c p ) 的变化。( 4 ) 石油类物质还通过地下水的污染以及污染的转移构成对人类生 存环境多个层面上的不良胁迫。目前，石油类轻非亲水物质的污染问题已成为世 界各国普遍关注的闷题。 石油类轻非亲水物质在勘探、开采、运输以及储存过程中泄漏进入地下，其 在土层中的迁移方式包括几个方面：饱和土中的对流弥散、非饱和土中的对流弥 散以及三相置换，如图1 2 所示。 r 纛换 l 、。饱和十，：耄弥散 | 鳘i1 2 污染物在饱和l 十和1 # 饱嗣i 十中的迁移方式 2 第一章绪论 二、研究现状 由于石油在丁r 采、储运和炼制的过程中常会发生外泄事故，渗漏的成品油会 对地下水土壤造成严重的污染。于是国外学者把注意力转向了包括石油在内的 k 亲水相液体( n o n a q u e o u sp h a s el i q u i d ，简称n a p l ) 。 根掘非亲水物质迁移途径的不同，对污染物的迁移研究分成以下几个方向： 1 污染物在饱和土中的对流弥散吸附 污染物在地下水中运移的模拟及预测。利用室内或野外试验测定相关参数， 结合数学模型，为地下水资源管理和已污染含水层的修复提供定量依据。 污染物在饱和土中的对流弥散主要是针对溶解在地下水中的污染物而言。大 多数非亲水物质在地下水中的溶解度很小，对地下水的污染似乎可以忽略不计。 可正出于其溶解度较小，通过含水层滞留下来的污染物形成潜在的污染源，对含 水层构成很大的威胁。 国外对污染物在地下水中运移的研究和应用从二十世纪初即已开始了【1 7 l 。 许多学者研究了多维弥散、重力分异、吸附效应等水动力弥散问题。，对n a p l 在地下水中的运移、控制、修复等方面开展了大量的研究工作( 如表1 1 所示) 。 综合表1 - 1 所列出的内容，可看出目前国外对n a p l 进行的研究工作主要包 括以下几个方面： 污染物组成对迁移和吸附的影响； 利用离心机研究污染物在含水层中的运移； 污染物含量及组成对含水层渗透性的影响； 非饱和土中污染物的迁移与吸力关系研究； 防止污染源扩散采取的措旌研究； 受污染含水层的修复研究。 试验时选择n a p l 作为污染物时要考虑以下几点：( 1 ) 试验的可重复性和 对比性。由于在市场上买来的石油类( 如煤油、汽油等) 化合物组分含量不确定， 因而通常采用单组分的溶剂，如对二甲苯、三氯乙烯：( 2 ) 挥发性。n a p l 的挥 发性通常较大，应采取适当的措施( 如土层上铺设土工靠或降低室内温度等) 减 小污染物的挥发：( 3 ) 对坏境的危害性，这决定了这个试验的使用价值；( 4 ) 毒 性。n a p l 是否会对试验人员身体造成危害。 国外弥散试验不仅研究分层土，还包括含有央层、阻挡物的土层 ( 1 l l a n g a s e k a r e ，a r m b r u s t e r l l l 等，1 9 9 5 ) 。但多孔介质一般也还是采用渗透系数 较大的砂土，这与在粘土层中做弥散试验通常需要半年甚至更长时问有关。 3 筇一章绪论 山于n a p l 的野外试验耗资大且会对环境造成污染，对于它的研究通常是 通过室内弥散试验进行的。从表1 1 中还可看出国外使用的弥敞槽大致可分为两 种，平面二维弥散 巷和垂直二：维弥救槽，以模拟n a p l 的水平二维弥散和垂直 二维弥散。垂直二维弥散槽研究n a p l 在含水层中的重力分异问题。 表1 - i 国外对n a p l 在地f 水中的迁移规律的研究 参考 研究者弥散槽多扎介质污染物酬究内容 文献 1 2 0 6 9 3 7 c a t l a a d u l 】i e n 。1 9 9 5并向异性 s o l t r 0 11 0 0 ( 苏通) 掺复( 砾石排水) 2 5 c h e v a l i e r ，w a l l a c e 锌， 9 0 ) ( 9 0 5荐向同性g a s o l i n e ( 汽油)修复( 表面活性剂) 【3 8 】 1 9 9 6 1 4 1 0 5 【3 9 i c h u s a l e h z a d e h 等1 9 9 6并向异性d o d e c b m e ( t - 二烷)修复( 表面活性剂) 0 2 5 c o u m o u l o s ，s o g a 等，2 0 0 09 0 6 0 5椒砂，符向t r i e h l o r o e t h a n e ( t c )枉非饱和士中迁移过【4 9 】 ( 垂向)同性( 兰氯乙烯)程气胍饱和度的变化 e s p o s i t o a i l e r s m a 等，m o t o r o i l ( 电动机润滑用士工离心机上模拟 【4 8 1 2 0 0 0 3 3 3 x 6 细砂， 油)l n a f l 洛流 l l l a n g a s e a r e e w i n g ，1 9 9 65 7 ) ( 6 3 3 ( 1 2 2 1 8 3 )砂了各向含水层备向异性时( 分 h r m b r u s t e r lii 。等，1 9 9 5s o l t r o l2 2 0 x 5 0 8 ( 垂 异性层、砒捎物等) 的迁移 向) i1l a n g a s e k a r e tt a r e k 2 2 0 x if o x 砂于，备向尺度散心、集总质蓝传 【6 2 s a b a 等，2 0 0 0 p - x y l e n e ( 对_ 二r f l 苯) 5 0 8 ( 垂向)i 司性播系数的变化 1 8 0 0 x 1 2 0 0 3 6 k e c h a v a r z i s o g a 等，2 0 0 0砂于，再向以1 f 饱和t 中迁移过 s o l t r o l2 2 08 i 卅性程气k 饱和虚的变化 ( 垂向) 砂了，再向t 丁离心机l ：模拟【5 1 】 s 0 1 t r o i2 2 0 s o g a k e c h a v a r z l 等，2 0 0 07 3 1 5 2 5l 一性再向l n a p l n1 n 饱年n 十中 异性的流中运移 我国2 0 世纪8 0 年代初爿丌始研究污染物在含水层中运移。1 9 8 0 年初山东 地质局、长春地质学院、地质部水文地质研究所、山东大学等单位在济南市郊区 进行了为预测地下水污染发展趋势的地下水质模拟试验研究工作。随后更多研究 单位开展了大量的地下水质模拟试验研究工作，特别是对地下水环境污染数学模 型研究中的弥散系数的研究，由于弥敖系数具有尺度效应，图内的弥散试验重点 4 第一章绪论 大都集中在准确地确定弥散系数上。表1 2 归纳了近年来国内部分室内野外弥散 试验研究工作。 从表1 2 中可看出国内室内弥散试验中所用到的污染物辛要以可溶性物质为 主。而对n a p l 在地下水中的研究甚少。 表i - 2 国内弥散试验研究 参芍 研究青试验抬( c m )扎陈介质含水层性质污染物研究内容 文献 张明泉。高洪宣等， f 1 8 6 ，长1 0 2 n a c l弥敞系数 【2 9 l 1 9 9 3 ( 一维渗流柱) 维 祁敏等，一缱中细砂、各向同性， 【1 3 l c r弥散系数 弥 1 9 9 6 ( 儿寸无)中扭砂非承压 散 郑两束，钱会等f 1 0 ，长1 0 0 人庆潜水含扦向同性 石油 分配系数和 室 1 9 9 8( 一维i 奎流柱)水层，粉细砂非承压i 虬滞恻t - r d f 3 1 】 内 弥 散 径 试 向 冯绍元，r = 3 m , 0 = - 3 0 。兴带少量泥备向同性，径向弥敞度和 c 1 【4 】 验 弥 1 9 8 9( 辐射流)质细粉砂非承雎| l l i 滞闻子r d 散 张蜘泉，曾正中等， 3 4 0 x g o x 6 0砂石、卵石 各向同性，【3 0 】 n i t c l 弥散系数 维 1 9 9 3非承压 弥 陈建峰，王政发， 二维 备向同性 萤光豢 【2 】 散 中细砂豫散系数 2 0 0 0( j t 寸无)非承压钠盐 参考 研究者场地孔隙介质含水层性质污染物研究内容 文献 刘永棋，丁厚灿等， 成都平躁巢地 n a c l弥教系数 1 1 0 】 1 9 9 8 乃贤弼、刘兆只等北京东郊商碑 细、中砂为 主。砂砾卵缸浅层水层氚弥散系数 【1 2 1 1 9 9 0 店污灌区 扶之 野 吴耀固、奋声等冲、目e 积砂砾 弥教系数驶3 t j 禽 外 奉钢邦家t 乜 潜水龠水层c l f水层单，i 体人小的 【2 1 1 弥雏 1 9 9 5古水层 散弥 关粟 试散 蔡结贻、陈i9 j 佑等，洛阳南部椠水 泣层潜水禽 【1 1 验 砂石、卵。 c r “弥散系数 1 9 9 3源地水层 丁家r 、李樟苏粉质粘十，粉 潜水奈水 1 3 】 山东某地层，乐h 含 弥散系数 1 9 9 8砂七 水层 桔十、耪质粘 弥散系数、 岳梅2 0 0 2准南市区潜水含水层 氟 十，粉细砂 弥散度 【2 7 l 国内弥散试验大都是以砂予或更粗的卵石为孔隙介质，部分野外试验介质是 粘土、砂土分层分布( 岳梅，2 0 0 2 ) ，但污染物主要从透水性较好的砂层中通过。 以砂土为弥散介质避免了粘土层中取样的困难同时减少了试验时问。但由于污 蚺一章绪论 染物在粘七巾扩散的机理不同，吸附效应显著，把污染物在砂土中的研究成果直 接应用于粘土中是不尽合理的。污染物在粘土中的弥散试验在国内尚未见报道。 所模拟的含水层大都是各向同性的饱和土层，这只是一种理想状态。实际上 天然状态的含水层大都是非饱和的，土层分层分布，有时还存在央层或弱透水层。 这时污染物的扩散机理显然与理想状态存在差异，有待进一步研究。 同时，弥散试验大都是一维弥散，采用渗流柱作为弥散装置。孔隙介质通常 是细砂或粗砂【3 1 1 ( 郑西来，1 9 9 8 ) ，渗流速度可达1 0 一r i d s 一1 0 m s ，渗流柱长 度一般采用l o o c m 左右；经验表明，对渗流柱直径的选择，不能太小避免渗流 柱侧壁对污染物运移的影响，也不能太大避免渗流柱中产生二维流，一般取 1 0 c m - 2 0 c m 。 袭1 3 已求得解析解的典型弥散问题 弥散污染物注 流场流场几何性质町求解析觯的参数 维数入方式 连续注入一维半无限长砂柱，不承压，均质、并向同性弥散度和砒滞闻于 j 维 瞬时注入一维半无限长砂柱，不承k 均质、吾向l i 司性( 求解困难) 弥 散 瞬时注入静止流场渗流区域三维，无限、均质、备向同性( 求解困难) - 二 瞬时注入 一维 承压不承压，均质、各向异性弥教度 维 弥 连续注入一维承压不承压，均质、再向异性( 求解困难) 教 径 径向弥散度和阻滞因 向连续注入静止流场承雎不承艇，均质、备向同性 弥 了 散 饱和土中污染物迁移研究大多建立在水动力弥散方程解析解的基础上，利用 已求得的解析解，计算水动力弥散系数及阻滞因子。虽然由于尺度效应的存在， 不能把试验所得参数直接应用于现场。但是可以为数值分析污染物的运移提供参 数，并将计算出的参数反代旧解析解中验证数值解的可靠性。 但由于水动力弥散方程定解问题的复杂性，实际上只有在极为理想的条件 下，力能求得弥敞方程定解问题的精确解的表达式，并且由解析解也还不一定能 求出弥散系数及阻滞因子，这限制了弥散试验的研究。已求得的几种典型弥散问 题的解析解归纳如表1 3 所示。除此之外，还可利用叠加原理求解些比较复杂 情况的解析解，详见地下水污染地下水水质模拟方法1 1 7 1 。 第章绪论 2 污染物在非饱和= ：中的对流弥散吸附 石油类非轻水物质进入地下后，有相当。部分残田在非饱和上巾，成为长期 的污染源。同时，垃圾在地下水流速较低的i i ! 障卜长年通过弥散阳外污染地下水。 囚而非饱和土中非轻水物质的运移成为国内外岩f = i ：程界、水利工程界和地球环 境界的研究者和实践工程师们关注的焦点。c o n c a 和w r i g h t ( 1 9 9 0 ) 、b a d v 和 r o w e o 其解析解为： 巾小归蔬每唧卜等一剖 忽略孔隙介质中的分了扩散，并将“c2 亍，5 亍带入( 2 2 4 ) 式得： d?dt 忽略孔隙介质中的分了扩散，并将。 v， v 带入( 2 一) 式得： c o ，y ，f ) 一 m | n 轨v t 、 a a r唧卜错一南 考虑吸附作用。：2 鲁，。；。鲁，v 。2 考，将上式改写成 翦：章i t 木婵论 咖归而m 鬲n 唧卜饼一南 沼 对式( 2 - 2 5 ) 等号两边取i n ，并对t 求导，得： 一1 d c 一! + 乓一旦+ 乓 ( 2 2 6 ) 一， co tt 4 8 ，v t 24 a ，4 a ，v t 2 当t = t i n , x 时，c = c 一，尝i 一一= o ，代入支( 2 - 2 6 ) , 2 6 ) 同时由于”。意r ，时，。一，i l 一。u ，代入式同时由于 。， 式( 2 2 6 ) 化为： ( 言+ 毒) 笋一出一等一鲁；。 c 蚴， 同时，忽略孑l 隙介质中的分子扩散作用，( 2 2 4 ) 式改写为： 蛳小赢m 雨n 唧( - 错一南】 。；三 考虑吸附作用(r 一) 将上式中v 用v 代替，即： 啪力= 赢m 鬲n 唧 _ 错一南】她勰， 引入以下几个参数： cc 。82 c n u x 。m n v t t r = c t ， 厍x 否y 代入式( 2 - 2 8 ) ，可得观测孔( x ，y ) 处污染物的相对浓度为： 嘣吲小制一等】 ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 第二章挂本理论 肼如k 一唧( 訾h 一厢棚啦试只一 个无量纲参数a ，因此可根据不同a 值，在啦对数坦标纸上，以。一为纵坐标，一 为横坐标( 取对数尺度) ，绘出一族。一l g t r 标准曲线( 见图2 4 ) 。 标准苗线 l0 0 0 ，0 o 、8 0 0t 0 06 0 60 5 0 0 4 0 03 0 0 2 0 01 0 o 0 0 尸六了o x ，、7 弋一、厂、厂、八n xvx1 ( 八vx 士e a 知、f v y n 八抖 秘人 八，年i 毕s d f 乒s八x f 3 气v ，1i 举e y 八v 八v 1 j n 、 jyi | f 力| , 2 八u 叭八，x 八 a = 、j 入八a i 态潋x父、 1 0 t r 图2 - - 4 。 一l g t r 标准曲线 水流j丫 ；，_ ； - ? b ( a ，y b ) 监测井飞 三 、l 、 一三 p 。污染物注入孔 。h “o ) j 一 ； 幽2 - 5 解析解求解示意图 第一章丛木殚沧 l g f 月：l g ( 旦) + l g fc 月：三 对( 2 3 0 ) 式等号两边取对数，得： “ ，【i jr 。m a 、，因 i g f 而r 叫g t r 曲线形状与。一x曲线相同，与标准曲线对比把拟合最佳的a 值 记f 。 第一步，取观测孑l 4 b 。，o ) 点处。由( 2 3 1 ) 式得： 口l ：蔓 ( 2 3 3 ) a 其中4 a 为a 点观测孔的污染物穿透曲线所对应的a 值。 第二步，取观测孔口g 。，y 。) 点( b 点与a 点横坐标相同) 处。由( 2 3 1 ) 式得： 驴最专 眈出， 其中口a 为b 点观测- t t , 的污染物穿透曲线所对应的a 值。 由( 2 3 3 ) 、( 2 3 4 ) 两式可求出口l 、唧，再将b 1 孔坐标代入( 2 2 7 ) 即可 求解一元二次方程，即可得到r 一值。 第二：章室内一维弥敞试验研究 第三章室内二维弥散试验研究 本试验通过室内二维弥散试验得到轻非亲水物质( l n a p l ) 肘二二f f ，苯在 上海典型饱和承压砂质粉层中的弥散系数、阻滞因子、分配系数等相关参数： 根据静态实验中国相吸附量随水相含油浓度变化关系，得到砂质粉土吸附对i - 甲 ， 苯污染物吸附等温线，以确定对二甲苯的吸附模式：从而模拟及预测石油类污染 物在地下水中迁移。 一、试验材料及设备 】弥散槽 弥散槽的选择应遵循以下几条原则：( 1 ) 长宽足够大以模拟多维地下水流： ( 2 ) 同时又不能太大，使试验在一定的时间内完成；( 3 ) 使用毒性相对小的化 学试剂及砂土，以减小试验对环境和试验人员影响 ( 4 ) 观测孔间距以可确定土 层性质在空间上的变化为准：( 5 ) 布置有测压孔，测定各点水头值；( 6 ) 可收集 土样做水质分析和土样分析，且不影响试验水流流向；( 7 ) 可精确控制边界条件 和初始条件，包括两头水位：( 8 ) 可用现场测试技术收集数据，如饱和土中压力 和饱和度的量测。 本次试验所采用的弥散槽是由玻璃渗流槽改造而成的。试验槽是由试验区、 缓冲池、水箱及侧压管组成( 见图3 1 、图3 - 2 、图3 - 3 ) 。试验区尺寸为 1 5 0 c r n x 4 8 c m 7 7 c m ，玻璃壁厚1 2 c m ：缓冲池用网眼为0 5 m m 的钢丝纱网与 试验区域隔开，接缝用硅胶固定，防止土颗粒流入缓冲池中：在试验槽侧壁上涂 有硅胶，并经过摩擦粗糙减少污染物沿侧壁渗透( 见图3 4 ) ；水箱可自动调节高 度；侧压管连接到水箱及试验区侧壁上，可直接读取水头差( 见图3 5 ) 。 过滤网 形 名、喇 e 基霞h 名匿 孓 錾萋萋霞鋈 餐矿蠢 驴 譬 罗c ， | 璺i3 - 1 弥散精构造示意幽 砂 第二章室内一维弥敞试验研究 污染物观；：i 孔污；物注入孔 黼区域( 承压区l l i 。 1 甲 q ，过跨网， 一 一一i 辞 测压孔 、= !、 一 ， l 七i d i 。 石英砂 5 c o，5 c ol 】s c ” 加。n ，口一l f s h ， 幽3 - 2 弥散横剖面示意图 图3 - 3 弥散槽照片 i 笙l3 _ 4 涂有硅胶的弥敞槽侧面 第二章室内_ 二维弥散试验研究 幽3 - 5 测压管照片 2 检测设备一红外分光油分析仪 水体中的石油类物质的测定一直是一个困难而又重要的问题，长期以来油类 物质对水体的污染也一直是全球关注的焦点，同时油类物质的测定方法又长期没 能统一。1 9 8 6 年底以来，国际标准化组织将它作为一个议题，并先后向各成员 因发送了水体中石油类物质含量测定方法的讨论稿和后续的改稿( i s 0 d p 9 3 7 7 ) ，该方法明确了油类物质测定时所用的萃取剂是四氯化碳，其后续检出 方法为红外分光光度法及重量法：并首先定义了石油烃( h y d r o c a r b o no i l ) ，即指 在方法测定的条件下，能被”陋萃取著能通过特定活性f l o r i s i l 柱的物质：在红 外吸收光谱中，不但考虑了亚甲基( c h 2 ) 基团中c h 键的伸缩振动( 波数为 2 9 3 0 c m d ) ，甲基( c h 3 ) 基团中c h 键的伸缩振动( 波数为2 9 6 0 c m 4 ) ，也考虑 了芳香环中c - h 键的伸缩振动( 波数为3 0 3 0 0 c m 。1 ) 。 试验采用的i p o a 2 0 0 1 红外分光油分析仪，如图3 - 6 。可用于地表水、地下 水、生活污水和工业废水中的石油类和动、植物油的测定，也可用于测定空气红 的油烟。其测量范围为o 1 0 0 0 r ”i 鲫，检出限为0 3 m 鲫( c c l 4 中混合油标浓度) 、 0 1m g l ( c c l 4 中烷烃类浓度) 。 本试验所测定的污染物浓度为石油类污染物和动、植物油浓度的总和。 i f 3 - 6 红外分光油分析仪 第章宅山维弥放试验研究 i p o a 2 0 0 1 红外分光油分析仪即可通过操作面板操作，也可通过e u r o t e c h 红外分析软件控制。在2 9 3 0 e m 、2 9 6 0 c m 、3 0 3 0 c m 1 处进行三波数测油并可 显示吸光度、透过率和浓度。 3 ，砂质粉土、隔水粘土、石英砂的置备及试验用水本底含量的量测 试验土层采用承压含水层模型。分三层，上下均j 鄣高水粘土，中阳j 为砂质粉 土。 砂质粉土于2 0 0 3 年1 0 月2 9 同取自同济大学环境学院综合实验楼工地地表 下l m 2 m 处。见图3 7 。其颗分曲线如图3 - 8 所示，为上海第层砂质粉土。其 仞始含水量w = 3 1 8 ，初始密度为p = 1 9 2 9 c m 3 ，土粒比重g s = 2 7 3a 从而由 。g 坐坐一1s 。堕 p 得其孔隙比e o = 0 8 7 ，e = 9 9 8 。土样基本处于饱和 状念。弥散试验结束后测得其渗透系数为7 3 4 x 1 0 6 c i n s 。 j 生| 3 - 7 粉十取样现场 粒径( r i m )糊貂洽量( ) o 5 0 2 51 0 0 o 0 7 4 1 0 0 0 0 3 8 6 57 6 6 0 0 2 5 7 25 2 8 0 0 1 1 2 91 4 7 o 0 0 8 0 78 3 o 0 0 5 7 45 2 o 0 0 1 6 62 4 1 郭 黔 篓 m 0 。： 艄 剐 驯 1nt0 0 1 0 0 0 图3 - 8 粉十颗分曲线 隔水粘土于2 0 0 3 年8 月6 同取自北京西路上的新会桥广场工地地表下 4 m s 5 m 处，见图9 。其颗分曲线如图3 1 0 ，为上海第层灰色粉质粘土。其液 第二章室内：维弥敞试验研究 限为3 3 9 ，塑限为2 3 5 。弥散试验结束后测得其渗透系数为2 0 2 x 1 0 7 c m s ， 约为砂质粉土渗透系数的1 3 6 倍，可视为相对隔水层。 图3 - 9 粘土取样现场 粒径( r i m )莉粥i 含量( ) o 5 o 2 51 0 0 0 0 7 4 9 8 0 。0 3 8 6 58 5 4 0 0 2 5 7 27 5 4 0 0 1 1 2 94 1 3 o 0 0 8 0 72 9 4 o 0 0 5 7 42 0 6 0 0 0 1 6 61 1 9 甾3 1 0 秸十颗分曲线 为了扩大观测孔过水断面，并防止粉土堵塞p t f e 的进水孔在粉土层中的 观测孔周围需填埋标准石英砂。试验所使用的标准石英砂的颗分试验结果表明， 其粒径主要在0 5 m m 一o 2 5 r a m 之自j 。 红外分光法测得试验用水中，有机质浓度为0 2 2 m g ，l ，符合试验要求。砂质 粉土、粘士污染物、石英砂中的污染物本底含量见下表，均符合试验要求。 表31 污染物奉底禽盛量测结果 试验h j 水 砂质粉十粘卜 _ i 英砂 背景值( m g 1 ) 0 2 20 2 9 0 4 l 0 3 6 背景值( 扣除试验川水 | o0 70 1 90 1 4 中的有机质含链) m g 1 本试验土样为重塑士，在试验前需先经过风干、敲碎、过筛处理，如图3 一“一 图3 1 6 所示。 5；伯蚰暑舫m o 第章室内一维幽：散试验研究 图3 1 1 风干粉土图3 1 2 风干粘士 图3 1 3 敲碎粉土 幽3 1 5 过筛粉十 4 。污染物n a p l 选取 图3 1 4 敲碎粘土 幽3 1 6 过筛枯十 在选择n a p l 作为污染物对主要考虑以下几点：( 1 ) 污染物在环境巾危害 比较大。( 2 ) 试验的可重复性和对比性。由于在市场上买来的煤油、汽油等产品 有机物组分含量不确定，因而宜采用单组分的溶剂，如对二甲苯、三氯乙烯等溶 剂：( 3 ) n a p l 的挥发性。n a p l 的挥发性通常较大，应采取适当的措施( 如土 层上铺设保鲜膜或降低室内温度等) 减小污染物的挥发；( 4 ) n a p l 的毒性。在 试验时应采取相应的措施保护试验人员。 本次试验采用对二甲苯( p - x y l e n e ) 作为污染物。对二：甲苯是1 , 4 一：甲基笨 的简称，其分子式为c 6 h 4 ( c h 3 ) 2 ，是一种重耍的有机化工原料。无色液体，能与 2 7 第二章窀山维弥敞试验”f 究 乙醇、乙醚和其他有机溶剂相混溶，在水中溶解度很小。用红外分光法测得其在 水中晟大溶解度为1 7 9 m g l 。基本性质如表3 - 2 中所示。 表3 - 2 对_ 二甲苯的基本性质 水中溶解度蒸气压 h e n r y 常数 吸附常数 化合物 ( r a g 1 ) ( k p a )( m 3 a t r r d m 0 1 ) l o g k 。 对二甲苯1 7 91 1 76 9 1 l f f 1 6 2 5 1 3 4 1 对二甲苯的蒸气能与空气形成爆炸性混合物。一般试剂含量= 9 8 ( g c ) 。该 品为化学纯，含量- - 9 9 5 ，其中水分- - 0 0 5 。易燃，应远离火种封闭保存。对 二甲苯即可通过呼吸道被吸收，又可通过皮肤吸收，接触高浓度的二甲苯时产生 麻醉作用。其对心、肾也会有损害。长时间吸入可引发神经衰弱综合症，而且对 人体造血机能危害极大，是诱发再生障碍性贫血和白血病的主要原因。因而试验 时应在毒气柜里操作，宜戴手套口罩，避免与眼睛、皮肤接触。 从表3 3 可看出煤油石油等燃料中对二甲苯的比重很大，用对二甲苯作为污 染物具有代表性。 表3 - 3 对二甲苯在燃料中构比重 有机物 煤油( p p m 或m 鲫) p 2 j喷气机燃料( p p m ) j p - 4 燃料( p p m ) 例 苯( 1 6 8 12 5 2 1 3 7 5 0 甲苯 2 7 7 3 1 1 7 6 5 9 9 7 5 乙苯3 1 0 92 5 2 12 7 7 5 ( 对、间、邻) 8 0 6 77 5 6 3 1 7 柏0 二甲苯 5 p t f e 管穿孔及其他准备工作 i 警i3 1 7 p t f e 管与p 1 1 f e 纱网 由于p t f e 管比p v c 管稳定，不会与有机物发生化学反应影响精度，因而 本试验污染物注入孔和观测孔均采用聚四氟乙烯( p t f e ) 管，长分别为7 0 c m 、 第二章。毫内一维弥澈试验研究 6 0 c m ，直径f ：1 6 c m 。用l m m 钻头的电钻对管予处于含水层深度范围内的部分 均匀打孔，钻孔外用p t f e 纱嘲包裹两层( 网眼大小为o 5 m m ) 减少土颗粒进 入孔中。 二、试验步骤 1 吸附试验 室内二维弥散试验前先进行了污染物在试验土样中的吸附试验，以确定粉土 对污染物( 对二甲苯) 的吸附模式。吸附模式不同，阻滞因子的表达式也不同， 详见第二章第四节所述。根据得到的吸附等温式，估算分配系数和阻滞因子。 将砂质粉土风干、碾碎、筛分后，各取5 9 放于l o o m l 锥形瓶中，加入l o o m l 不同浓度的含对二甲苯的水溶液到各锥形瓶中，再加几滴1 ：l 的h 2 s 0 4 ，密封待 用。 在2 5 0 恒温的环境中，将配好的固液样品振荡1 h ，静置2 4 h ，然后取2 5 m l 上清液子5 0 m l 的分液漏斗中，用四氯化碳萃取，最后在红外分光光度计上测定 出吸附平行时水溶液中对二甲苯的浓度。同时，根据吸附试验前后液中石油浓度 的变化，确定固相的吸附量。吸附量按下式计算： 。! 虹：型 彬 ( 3 1 ) 式中：f 为吸附量，g 僖；y 为示踪剂的体积，m h 。o 为示踪剂初始浓度， m g ，l ；c - 为吸附后示踪剂浓度，m g ，l ；彬为土颗粒重量，g 。 由所测数据可以做出吸附等温线，其回归方程即为溶解油的吸附等温式，从 而出尺d 5 1 + - - 日p k 可得分配系数k d 和阻滞因子凡。 2 装填底部粘土层，定位污染物注入孔、观测孔 幽3 1 8 夯实枯十层 幽3 1 9 注入7 l 、观测孔定f t 第二章室内_ 二维弥敞试验 f 究 将过筛后的粘土倒入弥散槽中，分层夯实( 见图3 - 1 8 ) ，每层厚约l c m ，总 厚度约为1 0 e m 。并根据污染物注入孔、观测孔平面布霄( 图3 - 2 0 ) 定出注入孔、 观测孔位置( 见图3 - 1 9 ) 。观测孔依次编号为a 1 - c 4 。 位移计观测j l污染物注入孔 | 占一c 船删口 木糟。一迫一。一。一。， 水糟 。埘 口 c 4 0o c 30 c 2 oc 1 口 叠窖c 一 5 0 c n 一 一 全拿c n 一 图3 - 2 0 污染物注入孔观测孔平面布置图 3 装填粉土层，并埋设污染物注入孔和观测孔 模拟抽水井构造在污染物观测孔周围填石英砂，以扩大过水断面面积，同时 还可以防止土颗粒将p t 下e 管上的进水孔堵塞。观测孔管贯穿上部粘土层和粉土 层，抵达底部粘土层顶部。采用图3 2 1 的装置装填标准石英砂。在p v c 管外装 填粉土，粉土层不用夯实。然后一边将石英砂倒入p v c 管和p t f e 管之间的空 隙，一边慢慢提升p v c 管并上下运动捣实，直至填埋到和粉土层一个高度。图 3 2 2 为埋设好污染物注入孔和观测孔的照片。 f 一 气 r 。 十_ 一丁 车 | ! l3 - 2 1 装填t i 英砂装置示意l 笙i 第二蕈宅内一维弥教试验研究 图3 - 2 2 污染物注入孔和观测孔埋设 4 装填上部隔水粘土层，并分层夯实 埋设好污染物注入孔和观测孔后，装填上部隔水粘土层，拼分层夯实。图 3 2 3 为现场装填土样后的照片。可明显看出粉土层和粘土层的分界线。 图3 2 3 装填好十样的侧面图 3 - 2 4 排山空气前扁侧