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水位波动对包气带中苯系物运移规律的影响研究

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摘要

1.1研究目的及意义

1.1.1土体环境中石油污染的风险现状

1.1.2水位波动对包气带污染物的影响

1.2国内外研究现状

1.2.1水位波动与包气带土体的相互作用

1.2.2水位波动对污染物运移分配的影响

1.2.3水位波动带中污染物模拟模型的应用

1.3目前研究尚待解决的科学问题

1.4研究内容及技术路线

1.4.1研究内容

1.4.2技术路线

1.4.3创新点

2水位波动对苯系物运移影响的机制和理论

2.1包气带多孔介质中苯系物运移转化理论基础

2.1.1水位波动运移与环境因子间响应关系

2.1.2多孔介质中渗流方程及参数模型

2.2水位波动对苯系物运移影响的机制

2.2.1多孔介质中多相流运移及控制方程

2.2.2水位波动下不同组分运移形态特征

2.2.3多孔介质苯系物入渗过程及转化特征

2.3小结

3包气带中苯系物运移的物理模拟研究

3.1试验场地概况

3.1.1研究区域概况

3.1.2研究区域地质构成

3.1.3研究区域含水层分布

3.2试验装置与设计

3.2.1试验样品制备

3.2.2试验材料与装置

3.2.3试验方案设计

3.3试验结果分析

3.3.1水位波动对双岩性土层中苯运移的影响

3.3.2苯和甲苯在双岩性土层中运移特征的异同

3.3.3不同土层岩性介质对苯运移规律的影响

3.3.4不同波动幅度度对单岩和双岩土层中苯运移的影响

3.4小结

4水位波动中污染组分运移演化数值模拟研究

4.1 TMVOC模块原理及功能

4.1.1软件和应用进程

4.1.2 TMVoC设计原理

4.1.3多相流模拟控制方程

4.2数值模型剖分及拟合

4.2.1模型概化

4.2.2模型拟合

4.3数值模型结果及分析

4.3.1污染物初始注入时运移特点

4.3.2双岩性土壤中苯三相态间的迁移特征

4.3.3波动方式及岩性介质对苯运移规律的影响

4.4小结

5.1结论

5.2展望

参考文献

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作者简历

致谢

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摘要

近年来,地下储油罐、输油管道及油田操作区的跑冒滴漏等现象时常发生,石汽油侵入土壤或地下水中,对地下水土环境造成巨大潜在威胁。应用和发展岩土学科理论知识,解决现实中的水土环境问题,已成为研究的重要关注点。以往关于溶质运移的研究多为水溶性单相,未考虑石油等有机污染物的多相流问题,加之对于水位波动下土层构成的多样性,使得石油类污染物在土层中的演化分布更为复杂。本文通过现实表征—物理模型—数值模拟的分析方法,以苯系物(BTEX)中苯和甲苯为例,解析其气相、液相和NAPL相(非水相液体,Non-aqueous Phase Liquid)在水位波动下的赋存演化特点;通过模拟不同水位波动形式,构建单岩结构土层和双岩结构土层下室内土柱试验,分析苯和甲苯在包气带和含水层观测点位的浓度变化,总结其在不同情境下的运移特点;利用TOUGH(非饱和地下水和热量运移模拟软件,Transport ofUnsaturated Groundwater and Heat)中TMVOC模块软件,设置不同波动和岩性条件模型,实现对苯系物污染行为及演化的分析和比较,从而有效指导类似工程应用。通过研究分析,主要形成了以下结果。
  在不同岩性结构(单岩砂土结构和双岩砂土-粉土结构)、不同波动条件(水位稳定和水位波动)下,苯运移过程中及波动后期,三相的质量含量大小关系为NAPL相>气相>液相。
  因双岩土柱中粉土夹层的存在,土壤的粘粒含量增加、孔隙变小,波动初期气相、液相和NAPL相苯均分布在夹层上部,液相苯在水位升降作用下,被携带穿透夹层集聚在夹层下界面。
  苯和甲苯在整个波动周期内的运移规律较为一致,但受污染组分性质、粘滞性、溶解性以及挥发性等因素差异性的影响,苯和甲苯在双岩土层包气带中出现浓度峰值的阶段不同,且水位下降时苯透过夹层的含量大于甲苯。
  水位波动导致垂向包气带和含水层的空间位置不断变化,波动后期形成了两种苯系物聚集带,分别为夹层上下界面处和水位面附近;在波动过程中产生苯系物急剧变化的阶段大多为水位在观测点附近或以下升降时。
  应用TMVOC数值软件,模拟水位波动下苯系物分异演化过程,与室内实验对比表明:气相、液相和NAPL相在波动全过程中随水位变化的规律具有较为一致,且三者之间存在补充和相互转化的现象。总体来讲,单岩结构中水位下降时三相均随水做垂向运移,NAPL相和气相部分溶于水中;位于夹层界面处或不存在水位变化时,三相间演化、分异作用减弱。

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