LNAPLs在包氣帶中運移機理及模擬研究.pdf

1、輕非水相液體(LNAPLs)屬典型的有機污染物,其泄漏后進入包氣帶,對土壤及地下水污染嚴重,已成為當前地下水環(huán)境保護中的核心課題。本文以多孔介質流體動力學、溶質運移動力學和水文地質學理論為指導,以柴油作為代表污染質,從物理模擬試驗入手,模擬 LNAPLs在包氣帶的污染行為,重點研究 LNAPLs在包氣帶中的運移規(guī)律,并從三相流角度建立了 LNAPLs在包氣帶運移的多相流數(shù)學模型,定性定量研究 LNAPLs在包氣帶中運移問題,揭示了 LN

2、APLs在包氣帶中的運移機理,主要研究成果如下:
　　 1)利用自制物理模擬試驗裝置,開展了 LNAPLs在不同介質中的油水驅替試驗,揭示了 LNAPLs在包氣帶中的運移規(guī)律及特征。得出 LNAPLs在滲漏初期主要受重力作用驅動,鋒面尚未到達地下水毛細區(qū)上邊緣時,其運動以垂向遷移為主,并保持規(guī)則的、圓弧形移動,當鋒面到達毛細區(qū)上邊緣以后,柴油沿著毛細區(qū)上邊緣橫向擴展,垂向進入毛細區(qū)和地下水中的部分有限；在不同介質中油流鋒面具有不

3、同分布特征,即均質介質油流鋒面可分為殘余油區(qū)及毛細帶聚集油區(qū),上細下粗型介質為聚集區(qū)-殘余油區(qū)-聚集油區(qū)組合形式,含夾層型介質為殘余油區(qū)及聚集油區(qū)交替出現(xiàn)型；影響油流鋒面分布特征的因素主要有包氣帶巖性、初始水相壓力、流場變化等；鋒面最大發(fā)育寬度受孔隙度及介質滲透性能限制,當存在弱滲透性介質時,鋒面橫向發(fā)育加大尤為明顯,反映出弱滲透性介質對污染物的阻滯作用,上述規(guī)律為揭示機理奠定基礎。
　　 2)利用砂性漏斗試驗裝置所獲取的兩相系

4、統(tǒng)各流體對之間的s-p關系,并借助F.F.Fagerlund折算理論將兩相系統(tǒng) k-s-p關系擴展到三相系統(tǒng),系統(tǒng)研究了三相系統(tǒng)中 k-s-p關系。三相系統(tǒng)中,油、水兩相的k～s曲線形狀均為上凹型,各相相對滲透率曲線變化在小于等滲點飽和度之前,水相相對滲透率增加較慢而油相氣相相對滲透率減小較快,當大于等滲點飽和度后,水相相對滲透率增加較快而油相緩慢減少至零。上述研究為分析多相流動以及對多相流問題進行數(shù)學模擬奠定基礎。
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5、借助油氣藏滲流力學理論,從多相流角度出發(fā)構建了描述LNAPLs在包氣帶運移的多相流動力學模型,并運用TOUGH2軟件求解模型,反演后參數(shù)與實測參數(shù)基本吻合,為LNAPLs的污染預測及機理分析提供了定量支撐。
　　 4)基于物理模擬試驗及數(shù)學模型,定性定量研究了LNAPLs在包氣帶中的遷移機理。得出在一定滲漏量下,均質介質顆粒越粗,LNAPLs越易到達毛細帶。而進入毛細帶中則以橫向遷移為主,其中粗粒相橫向遷移面積大于細粒相遷移面積

6、,但在細粒相中LNAPLs聚集區(qū)的飽和度大于粗粒相。不論哪種砂性介質,油相發(fā)生橫向遷移時水相飽和度為0.45。對于以砂性介質為主的非均質結構地層,弱滲透性介質存在對油相下移盡管有一定阻滯作用,但對于長期泄漏源,弱滲透夾層存在不足以完全阻滯油相下移,故應該重視輸油管道泄漏等問題。
　　 本文研究對于定量化研究有機污染物在地下環(huán)境系統(tǒng)中遷移、污染預測提供理論依據(jù)和試驗支持,對于確保地下水資源的可持續(xù)利用以及有效控制及修復LNAPLs