NAPLs地下运移控制因素及监测技术研究

论文摘要

目前非水相液体（NAPLs）土壤污染治理困难,污染周期长,对于NAPLs在土体中运移特征及控制因素还不是很清楚,且其污染范围及污染程度也难以确定,对NAPLs地下运移规律和监测技术的研究将为修复工作提供宝贵的基础数据与实验支持,使修复措施更加经济高效。本文模拟了轻非水相液体（LNAPLs）和重非水相液体（DNAPLs）在不同岩性组合下的运移,分析了规律及控制因素；同时以LNAPLs为例研究了不同类型污染土壤的电性反应特征及机理,并建立了电阻率公式,提出了导电性模型；另外开展了LNAPLs地下污染垂向迁移过程的电阻率法动态监测；最后探讨了LNAPLs地下三维运移过程的电阻率监测技术。旨在形成对不同控制因素下NAPLs运移过程及机理的系统认识,探讨LNAPLs污染地下含水介质的电性规律、监测方法及不同迁移过程的电性反映,以进一步研究NAPLs污染及残留机制。所开展的具体工作和主要成果如下：（1）利用柴油和四氯乙烯并选定三种不同岩性组合进行NAPLs运移室内水槽模拟试验,系统分析了自由相NAPLs运移路径及速度的控制因素,提出了土层不同分区中油柱界面毛细压力平衡模型及分区运移理论。结果显示NAPLs种类、土壤初始含水量、低渗透透镜体、泄漏位置和岩性突变界面对NAPLs运移路径和速度影响规律不同,对于NAPLs运移规律需按照初始含水量分区表达,即干土区、毛细区和饱水区。NAPLs垂向运动和横向扩展是相互关联的,泄漏起始阶段以垂向迁移为主,当遇到局部低渗透透镜体、岩性突变界面或毛细带上缘时,横向发育阻碍了垂向迁移。垂向运移减速的原因主要有孔隙阻力、NAPLs残留和横向扩展；横向扩展速度增加的原因有垂向速度降低以及浮力的增加。（2） NAPLs重力渗透平衡后进行升高水位、降低水位和降雨过程模拟,研究了水位波动和降雨淋滤对于NAPLs重分布的影响,并对NAPLs最终空间分布特征进行多谱图像分析。结果显示,水位波动对于两相流饱和区产生NAPLs截获,对于两相流非饱和区使残留NAPLs重新释放。降雨主要通过入渗驱替与抬升水位两种机理影响NAPLs重分布。NAPLs污染后以迁移体为中心向两侧浓度减小,局部低渗透透镜体上部和岩性突变界面上下位置污染较重。（3）取砂土、粉土、粉质亚粘土三种土壤和机油、柴油、汽油三种LNAPLs,采用Miller Soil Box法研究含水饱和度、含油饱和度、孔隙率对LNAPLs污染土电阻率的影响；通过灰色关联度分析得出LNAPLs污染土电阻率控制因素主次;并将混合孔液饱和度引入Archie公式：提出了LNAPLs污染土导电性模型。结果显示,LNAPLs污染土电阻率随含水饱和度的增加呈幂函数降低,符合Archie公式,判定系数达99%。不同初始含水率下LNAPLs污染土电阻率随污染程度变化规律不同,5%含水率时污染土电阻率变化复杂,出现LNAPLs污染低阻异常;15%含水率污染土随含油饱和度增大电阻率先降低后升高。LNAPLs污染土结构因子F和水饱和度指数n均降低,各因素对电阻率的影响大小依次为含水饱和度>含油饱和度>孔隙率。将混合孔液饱和度引入Archie公式后,计算值和实测值更接近。（4）利用课题组自主开发研制的电阻率探杆自动监测系统,模拟监测了LNAPLs垂向扩散动态过程,并利用小波分析确定了不同时刻运移锋面位置。结果显示,不同含水饱和度砂层中柴油入渗造成的电阻率变化趋势不同,通过电阻率变化曲线可以估算浮油带厚度。可用小波分析确定LNAPLs运移前锋位置,计算值和观测值具有很好的一致性,相对误差在0.8%-1.6%之间。（5）利用自制三维渗流水槽和高密度微电极排模拟监测了LNAPLs地下三维运移,讨论了高密度电阻率法对于LNAPLs运移过程的反映能力；并探究了电阻率探杆自动监测系统对多点同时测量LNAPLs空间运移的探测效果。结果显示,Pole-pole装置对NAPLs污染过程的反映较全面,视电阻率剖面能够反映出LNAPLs污染的高阻异常,但是不能够分辨其污染范围,需要对电阻率剖面进行反演重建。视电阻率对数反演后数值偏大,但是能够很好地反映LNAPLs不同时刻的迁移范围和降雨过程的油水驱替情况。三维电阻率图像可反映出水文地质条件改变后LNAPLs污染大致空间范围,与化学分析所得结果基本一致。可实现多个探杆同时监测,数据同步传输,互不干扰。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 选题依据和背景
• 1.2 NAPLs地下运移特征及控制因素研究现状
• 1.2.1 试验研究
• 1.2.2 模型研究
• 1.3 NAPLs地下运移监测技术研究现状
• 1.3.1 NAPLs地下运移监测技术评述
• 1.3.2 NAPLs地下运移电阻率监测技术研究现状
• 1.4 研究中尚待解决的主要科学问题
• 1.5 研究目的和意义
• 1.6 研究内容、方法和技术路线
• 1.6.1 研究内容和方法
• 1.6.2 研究技术路线
• 2 地下介质性质对NAPLs运移控制研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验装置与材料
• 2.2.1 试验装置
• 2.2.2 试验材料
• 2.3 试验设计
• 2.3.1 试验土体岩性组合
• 2.3.2 试验方法及过程
• 2.4 试验结果
• 2.4.1 不同介质油水驱替试验油流运移锋面
• 2.4.2 不同介质油水驱替试验油流运移特征分析
• 2.5 NAPLs地下运移控制因素分析
• 2.5.1 多孔介质中多相流油水驱替的理论基础
• 2.5.2 NAPLs种类对运移路径的影响
• 2.5.3 土壤初始含水量对NAPLs运移路径及速度的影响
• 2.5.4 低渗透透镜体对NAPLs运移路径及速度的影响
• 2.5.5 泄漏位置对NAPLs运移路径及速度的影响
• 2.5.6 岩性突变界面对NAPLs运移路径及速度的影响
• 2.6 小结
• 3 降雨及地下水位变动对NAPLs运移控制研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验装置与材料
• 3.3 试验过程
• 3.4 升高水位对NAPLs重分布的影响
• 3.5 降低水位对NAPLs重分布的影响
• 3.6 模拟降雨对NAPLs重分布的影响
• 3.7 NAPLs空间分布特征多谱图像分析
• 3.7.1 NAPLs纵向空间分布特征
• 3.7.2 NAPLs横向空间分布特征
• 3.8 小结
• 4 LNAPLs对土体电阻率影响研究
• 4.1 引言
• 4.2 试验材料及性质
• 4.2.1 供试LNAPLs的选取和性质测定
• 4.2.2 供试土样的选取和性质测定
• 4.2.3 不同土样的表面微观形态
• 4.3 试验方法与过程
• 4.3.1 电阻率控制因素初步筛选
• 4.3.2 LNAPLs污染土样的制备
• 4.3.3 LNAPLs污染土电阻率测试及数据处理
• 4.4 LNAPLs污染土电阻率主控因素初步分析
• 4.5 未污染土电阻率随含水饱和度的变化规律
• 4.6 含水饱和度对LNAPLs污染土电阻率影响研究
• 4.7 含油饱和度对污染土电阻率影响研究
• 4.8 孔隙率对污染土电阻率影响研究
• 4.8.1 LNAPLs污染饱和土电阻率随孔隙率的变化
• 4.8.2 LNAPLs污染不饱和土电阻率随孔隙率的变化
• 4.9 LNAPLs污染土电阻率控制因素灰色关联度分析
• 4.9.1 LNAPLs污染粉土电阻率控制因素灰色关联度分析
• 4.9.2 LNAPLs污染粉质亚粘土电阻率控制因素灰色关联度分析
• 4.9.3 LNAPLs污染砂土电阻率控制因素灰色关联度分析
• 4.10 LNAPLs污染土电阻率公式及相关参数研究
• 4.10.1 不同油水比孔液电阻率变化特征
• 4.10.2 污染土电阻率公式及相关参数
• 4.11 LNAPLs污染土导电性模型
• 4.11.1 电阻率降低导电性模型
• 4.11.2 电阻率升高导电性模型
• 4.12 LNAPLs污染土电阻率随时间变化研究
• 4.13 小结
• 5 电阻率法监测LNAPLs垂向迁移研究
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 试验土样来源与制备
• 5.2.2 试验仪器和试剂
• 5.2.3 电阻率监测系统及wenner工作原理
• 5.2.4 LNAPLs污染土含水率和含油率的测定
• 5.3 模拟监测过程
• 5.3.1 试验装置的组装与固定
• 5.3.2 非饱和含水层的形成与各层含水率的测定
• 5.3.3 柴油入渗过程
• 5.3.4 加水淋滤过程与稳定后分层取样分析
• 5.4 柴油渗透过程整体电阻率空间变化规律
• 5.5 柴油渗透过程运移锋面位置的确定 #i01
• 5.6 不同土层柴油渗透过程中电阻率变化
• 5.6.1 包气带
• 5.6.2 毛细过渡带
• 5.6.3 饱和带
• 5.7 监测数据有效性验证
• 5.8 小结
• 6 电阻率法监测LNAPLs地下三维运移研究
• 6.1 引言
• 6.2 高密度电阻率探测技术
• 6.2.1 高密度电阻率法探测原理
• 6.2.2 二维高密度电阻率法测量装置形式及对比
• 6.2.3 三维高密度电阻率法测量装置形式
• 6.2.4 电阻率探杆自动监测技术
• 6.3 试验装置与材料
• 6.3.1 试验装置
• 6.3.2 试验材料
• 6.4 试验方法与过程
• 6.4.1 LNAPLs地下运移物理过程模拟
• 6.4.2 LNAPLs地下运移过程的电阻率监测
• 6.4.3 取样和样品化学性质的测定
• 6.4.4 数据处理
• 6.5 LNAPLs污染过程高密度电阻率法测量装置的选取
• 6.6 二维电阻率剖面对污染过程的反映
• 6.6.1 视电阻率剖面对污染过程的电异常反映
• 6.6.2 监测结果反演方法的选取
• 6.6.3 反演重建剖面对污染过程电异常反映
• 6.7 三维视电阻率剖面对污染区的反映
• 6.7.1 不同深度水平视电阻率剖面对污染区的反映
• 6.7.2 LNAPLs污染后三维空间分布的视电阻率图像反映
• 6.8 油污染断面含油饱和度分布
• 6.9 多个电阻率探杆同时监测对于LNAPLs迁移的反映能力
• 6.10 不同水文地质条件下污染土化学性质的改变
• 6.11 小结
• 7 结论、创新点和进一步研究工作
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 进一步研究工作
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 个人简历
• 攻读博士学位期间撰写及发表（录用）的论文
• 发明专利
• 获奖情况
• 博士期间参与的科研项目