（环境工程专业论文）多孔介质中石油残留及其水动力效应研究.pdf

旧y1黜,i r n l i i i i i i i i rl必lilllihiill8 2 8 2 6 3 。 多孔介质中石油残留及其水动力效应研究 学位论文完成日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 伽7 ，午1 ， 翠，i 雠夕 竹j 纫，哆厶 7i 一i 巷乞 i 州侈秒y 愀磁 偿黼 午 ，j ；j 。? 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得或其他教育机 构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：弛| 主土签字日期：叫口年易月t 7 f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论丈在解密后适用本授权书)一 ” 学位论文作者签名：划量 导师签字： 签字日期：纠才年6 月。7 日签字日期：砂扣年6 戌日 多孔介质中石油残留及其水动力效应研究 - - 摘要 石油污染物进入多孔介质后，受到介质颗粒的静电引力而吸附在介质 表面。同时，又受到毛细孔隙产生的毛细力作用而呈不连续的指状残留于多孔介 质孔隙中。这会导致多孔介质的水动力特性发生很大变化，从而严重影响各种地 下水污染原位治理( 抽出处理、渗透性反应墙、生物降解和淋溶冲洗) 过程中 的水流状态和营养供应。因此，研究多孔介质中石油污染残留及其水动力效应， 揭示控制水动力效应变异的机制，对于石油污染场地的评估、控制和原位修复具 有重要的科学意义和应用价值。为此，本文选取了柴油和机油两种性质差异较大 的油品，以粗砂和粉砂为代表性多孔介质，对油品和介质的理化性质进行了测定。 在此基础上，利用一维和二维水动力弥散试验装置测定了不同含油率下多孔介质 的水盐动力学参数，分析了多孔介质中石油的残留状态，进而探讨了残留油的 水动力效应，得出结论如下： ( 1 ) 饱和渗流状态下，粗砂中柴油的稳定残留量为2 左右，机油的稳定残 留量介于4 8 之间；粉砂中柴油的稳定残留量在3 4 之间，而机油稳定残留量 则为1 0 左右。 ( 2 ) 粗砂和粉砂的有效孔隙度均随石油含量的增加呈线性减小，而且柴油引 起的砂土有效孔隙度的减小比机油更加显著。 ( 3 ) 随着石油含量的增加，砂土的渗透性逐渐降低，且降低的趋势逐渐变缓。 当柴油含量由o 增加到2 时，粗砂的渗透系数由1 9 0 x 1 0 。2 c 州s 下降至 4 7 0 x l o c 1 1 1 $ ，降低了7 5 2 6 ；当机油含量由o 增加到4 时，渗透系数由 1 9 0 x l o 2 c l i f f s 下降到1 2 6 x 1 0 乏c m s ，降低了3 3 6 8 。当柴油含量由o 增加到2 时，粉砂的渗透系数由2 6 0 x 1 0 4 c “s 减小到6 8 8 x 1 0 一c m s ，降低了7 3 5 4 ；当 机油含量增加至8 时，粉砂的渗透系数降至3 7 6 x 1 0 一c l i f f s ，相对于清洁砂降低 了8 5 5 4 。各含油率下粉砂的渗透系数普遍比相同含油率的粗砂低2 至3 个数 量级。 ( 4 ) 不同含油率粗砂的弥散系数值较为接近，而且弥散度变化也不显著；清 洁粗砂的弥散度略高于含油粗砂，而粉砂的弥散度随石油含量的增加而增大。此 外，相同含油率下粉砂的水动力弥散系数都比粗砂的低一个数量级，主要是由于 粉砂中孔隙水流速小于粗砂中的孔隙水流速，机械弥散作用不如粗砂显著。 ( 5 ) 二维水动力弥散试验的示踪剂穿透曲线发现，在纵向上示踪剂浓度峰 值的达到时间和峰值浓度的大小主要取决于孔隙水流速的大小，孔隙水流速越 大，示踪剂达到浓度峰值的时间越短，且峰值浓度越大；反之，示踪剂达到浓度 峰值的时间越长，峰值浓度越低。此外，示踪剂在横向上的扩散范围随其纵向运 移距离的增加而增大。 ( 6 ) 二维弥散试验测得含机油粗砂的纵向弥散度小于清洁粗砂，而含柴油 粗砂的纵向弥散度大于清洁粗砂。不同含油率粗砂的纵向弥散度变化范围为 0 1 3 3 0 3 6 3 c m ，横向弥散度变化范围为9 8 3x1 0 。3 - - 4 6 4 1 0 。2 c m ，纵向弥散度均 大于其横向弥散度。另外，由于瞬时注入的示踪剂浓度较大，其密度大于含水层 中的自来水，所以示踪剂还会在重力作用下垂直于地下水流向发生迁移，这等效 于增强了横向弥散的强度，导致横向弥散度的计算值偏大。 关键词：含油多孔介质；水动力弥散；渗透系数；有效孑l 隙度 h t h er e s i d u ao fo i lp o l l u t a n t sa n di t sh y d r o d y n a m i ce f f e c t so n p o r o u sm e d i u m - 一- 一一一 一一一 a b s t r a c t a f t e re n t e r i n gt h ep o r o u sm e d i u m ，t h eo i lp o l l u t a n t sc a na d s o r bo nt h es u r f a c eo f t h em e d i u mp a r t i c l e su n d e rt h ei n f l u e n c eo fe l e c t r o s t a t i ca t t r a c t i o ng e n e r a t e db yt h e m e d i u m a tt h es a m et i m e ，t 1 1 e yc a na l s oe x i s ti nt h ep o r e sw i t hd i s c r e t es t a t et h r o u g h t h ee f f e c t so fc a p i l l a r yf o r c ep r o d u c e db yt h ec a p i l l a r yp o r e s t h eh y d r o d y n a m i c p r o p e r t i e so ft h ep o r o u sm e d i u mc a nb ec h a n g e dd r a m a t i c a l l yb y t h e s eb e h a v i o r so f t h eo i lp o l l u t a n t s ，w h i c hc a l la f f e c tt h ef l o ws t a t eo fw a t e ra n dn u t r i t i o ns u p p l yd u r i n g i n s i t u g r o u n d w a t e rt r e a t m e n t ( p u m p t r e a t ，p e r m e a b l e r e a c t i v e b a r r i e r , b i o d e g r a d a t i o na n df l u s h i n g ) t h e r e f o r e ，t h es t u d yo ft h er e s i d u ao fo i lp o l l u t a n t sa n d i t sh y d r o d y n a m i ce f f e c t sh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nf o rt h ee v a l u a t i o n ， c o n t r o la n di n - s i r er e m e d i a t i o no fo i l - c o n t a m i n a t e df i e l d s i nt h i ss t u d y , d i e s e la n d e n g i n eo i la r et a k e na st e s t i n go i l s ，c o a r s es a n da n ds i l t ys a n da r et a k e na sp o r o u s m e d i a t h ep r o p e r t i e so fs a n ds a m p l e sa n do i l s a m p l e s w e r et e s t e d f i r s t l y o n e d i m e n s i o n a la n dt w o - - d i m e n s i o n a lh y d r o d y n a m i cd i s p e r s i o na p p a r a t u sw e r eu s e d t om e a s u r et h ew a t e r - s a l th y d r o d y n a m i cp a r a m e t e r so ft h es a n ds a m p l e s 、7 l ，i t l ld i f f e r e n t o i lc o n t e n t s t h er e s i d u a ls t a t eo ft h eo i li nt h es a n ds a m p l e sw a sa n a l y z e d ，a n di t s h y d r o d y n a m i ce f f e c t sw e r ed i s c u s s e d t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) u n d e rt h ec o n d i t i o no fs a t u r a t e ds e e p a g e ，t h er e s i d u a lc o n t e n to fd i e s e li n c o a r s es a n di sa b o u t2 w h i l et h a to fe n g i n eo i li sb e t w e e n4 a n d8 t h er e s i d u a l c o n t e n to fd i e s e li ns i l t ys a n di sb e t w e e n3 a n d4 ，w h i l et h a to fe n g i n eo i li sa b o u t 1 0 ( 2 ) t h ee f f e c t i v ep o r o s i t yo f t h es a n dd e c r e a s e sl i n e a r l yw i t l lt h ei n c r e a s eo fo i l c o n t e n t ，a n dt h ed e c r e a s ei n d u c e db yd i e s e li sg r e a t e rt h a nb ye n g i n eo i l ( 3 ) t h ep e r m e a b i l i t yo fs a n da l s od e c r e a s e s 谢t l lt h ei n c r e a s eo fo i lc o n t e n 4a n d t h ed e c r e a s i n gt r e n dt e n t st om i t i g a t i o n t h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to fc o a r s es a n d d e c r e a s e sf r o m1 9 0 x10 2 伽“st o4 7 0 x10 3 c 1 】i sa st h ed i e s e lc o n t e n to fw h i c h i n c r e a s e sf r o m0t o2 ，r e d u c e db y7 5 2 6 t h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to fc o a r s e 1 1 1 s a n dd e c r e a s e sf r o m1 9 0 x 1 0 - 2 b i n st o1 2 6 x 1 0 2 a 1 1 sa si t se n g i n eo i lc o n t e n t i n c r e a s e sf r o m0t o4 ，r e d u c e db y3 3 6 8 t h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to fs i l t ys a n d d e c r e a s e sf r o m2 6 0 x10 4 c m s 。佑6 8 8x10 。5 e m sa st h ed i e s e lc o n t e n t 。o fw h i c h i n c r e a s e sf r o m0t o2 ，r e d u c e db y7 3 5 4 t h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to fs i l t ys a n d w i t h8 o fe n g i n eo i li s3 7 6 x 1 0 一e m s ，w h i c hd e c r e a s e sb y8 5 5 4 c o m p a r e dw i t h p u r es i l t ys a n d t h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t so fs i l t ys a n da l e2t o3o r d e r so f m a g n i t u d es m a l l e rt h a nt h o s eo fc o a l s es a n du n d e rt h es a m eo i lc o n t e n t ( 4 ) o i lc o n t a m i n a t i o nh a sn op r o m i n e n ti n f l u e n c eo nh y d r o d y n a m i cd i s p e r s i o n c o e f f i c i e n ta n dd i s p e r s i v i t y t h ed i s p e r s i v i t yo fp u r ec o a r s es a n di ss l i g h t l yh i g h e rt h a n t h a to fc o a r s es a n dc o n t a m i n a t e db yo i l ，w h i l et h ed i s p e r s i v i t yo fs i l t ys a n di n c r e a s e s 、i mt h ei n c r e a s eo fo i lc o n t e n t m o r e o v e r , t h eh y d r o d y n a m i cd i s p e r s i o nc o e f f i c i e n t so f s i l t ys a n da l eo n eo r d e ro fm a g n i t u d es m a l l e rt h a nt h o s eo fc o a r s es a n du n d e rt h es a i n e o i lc o n t e n t t h i si sb e c a u s et h ep o r ew a t e rv e l o c i t yi nt h es i l t ys a n di sm u c hl o w e rt h a n t h a ti nt h ec o a r s es a n d ，s ot h em e c h a n i c a ld i s p e r s i o ni nt h es i l t ys a n di sw e a k e rt h a n t l l a 土i nt h ec o a r s es a n d ( 5 ) t h et r a c e rb r e a k t h r o u g hc u r v e so f t w o d i m e n s i o n a lh y d r o d y n a m i cd i s p e r s i o n t e s t ss h o wt h a tb o t ht h ep e a kt i m eo ft r a c e rc o n c e n t r a t i o na n dt h ep e a kc o n c e n t r a t i o n i nt h el o n g i t u d i n a ld i r e c t i o nd e p e n d m a i n l yo nt h ep o r ew a t e rv e l o c i t y t h eg r e a t e rt h e p o r ew a t e rv e l o c i t yi s ，t h es h o r t e rt h ep e a k t i m eo ft r a c e rc o n c e n t r a t i o n ，a n dt h eh i g h e r t h ep e a kc o n c e n t r a t i o n ；c o n v e r s e l y , t h el o n g e rt h ep e a kt i m eo f t r a c e rc o n c e n t r a t i o n ， t h el o w e rt h ep e a kc o n c e n t r a t i o n m o r e o v e r , t h ed i f f u s i o nr a n g eo ft h et r a c e ri nt h e t r a n s v e r s ed i r e c t i o ni n c r e a s e sw i mt h ei n c r e a s eo ft r a c e rm i g r a t i o nd i s t a n c e ( 6 ) t h er e s u l t so ft w o d i m e n s i o n a lh y d r o d y n a m i cd i s p e r s i o nt e s t ss h o wt h a tt h e l o n g i t u d i n a ld i s p e r s i v i t yo fc o a r s es a n dc o n t a m i n a t e db ye n g i n eo i li ss m a l l e rt h a n t h a to fp u r ec o a r s es a n d ，w h i l et h el o n g i t u d i n a ld i s p e r s i v i t yo fd i e s e l c o n t a m i n a t e d c o a r s es a n di sb i g g e rt h a nt h a to fc o a l s es a n d t h el o n g i t u d i n a ld i s p e r s i v i t yv a l u e so f c o a l s es a n dw i t hd i f f e r e n to i lc o n t e n t sr a n g ef r o m0 13 3 e r at o0 3 6 3 e m ，w h i l et h e t r a n s v e r s ed i s p e r s i v i t yv a l u e s ，w h i c ha l es m a l l e rt h a nt h el o n g j 【t u d i n a l d i s p e r s i v i t y v a l u e s ，r a n g ef r o m9 8 3 10 。3 t i nt o4 6 4x10 之c m i na d d i t i o n ，d u et ot h eh i g h c o n c e n t r a t i o no f t h et r a c e rd u r i n gi n s t a n t a n e o u si n j e c t i o n ，i t sd e n s i t yi sb i g g e rt h a nt h e a q u i f e rw a t e r s oi tt e n d st om i g r a t ev e r t i c a l l yu n d e rt h ei n f l u e n c eo fg r a v i t y , w h i c hi s e q u i v a l e n tt oe n h a n c i n gt h ee x t e n to ft r a n s v e r s ed i s p e r s i o n ，r e s u l t i n gi nt h ec a l c u l a t e d v a l u e so ft r a n s v e r s ed i s p e r s i v i t ys l i g h t l yl a r g e r k e y w o r d s ：o i l - c o n t a m i n a t e dp o r o u sm e d i u m ；h y d r o d y n a m i cd i s p e r s i o n ； p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t ；e f f e c t i v ep o r o s i t y v 目录 1 绪论。1 1 1 研究背景与研究意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 石油残留2 1 2 2 多孔介质中水动力参数测定。5 1 2 3 多孔介质中含油量的测定7 1 3 研究内容和技术路线8 2 供试样品的组成、性质及分析方法1 1 2 1 供试样品的组成及性质1 1 2 1 1 多孔介质1 1 2 1 2 油品。11 2 2 含油多孔介质的制备1 2 2 3 多孔介质中含油率测定1 2 2 3 1 油标准曲线的绘制1 3 2 3 2 测定方法一1 4 2 3 3 油烘干损失率的测定1 5 3 多孔介质中石油残留状态与水动力效应1 7 3 1 材料与方法17 3 1 1 试验装置1 7 3 1 2 试验材料18 3 1 3 试验方法18 3 2 多孔介质中石油残留状态分析2 0 3 2 1 粗砂中石油的残留状态2 0 3 2 2 粉砂中石油的残留状态2 l 3 3 水盐动力学参数计算方法2 3 3 4 结果与分析2 9 3 4 1 有效孔隙度3 2 3 4 2 渗透系数3 5 3 4 3 水动力弥散系数与弥散度3 7 3 5 小结一3 9 4 含油多孔介质二维弥散特性的初步研究4 l 4 1 材料与方法4 1 4 1 1 试验仪器与装置4 1 4 1 2 试验材料4 2 4 1 3 试验方法4 2 4 2 二维弥散参数的计算方法4 4 4 3 结果与讨论4 8 4 3 1 水盐动力学参数的计算4 8 4 3 2 水盐动力学参数分析5 5 4 4d 、结：5 8 5 结论与建议。6 0 5 i 结论一6 0 5 2 创新性6 2 5 3 建议6 2 参考文献6 3 致谢。6 8 n 多孔介质中石油残留及其水动力效应研究 l 绪论 1 1 研究背景与研究意义 水是人类和一切生物赖以生存的物质基础。水是可以更新的自然资源，能通 过自己的循环过程不断的复原。地球上海洋、河流、冰川融化水、地下水、湖泊、 大气含水、土壤水和生物水，在地球周围形成了一个紧密联系、相互作用，又相 互不断交换的水圈。 全球总储水量估计为1 3 9 亿k m 3 , 但其中淡水总量仅为o 3 6 亿k m 3 ，仅占总 水量的2 5 9 。除冰川和冰帽外，可利用的淡水总量不足世界总储水量的1 ， 其中地下水仅占总储水量的0 5 9 2 t 。作为供人类饮用的最好水源，地下水以 其水量稳定、水质甘甜和处理费用低的优点而备受人们青睐，世界上有条件的国 家都把地下水作为饮水水源的首选目标。许多国家的饮用水中，地下水所占的比 例很高，如法国是6 5 ，德国是7 2 ，瑞士是8 4 ，奥地利则高达9 0 以上。 我国有4 0 0 个城市开采地下水，地下水的供给量已经占到了全国总供水量的2 0 ，北方缺水地区占到了5 2 ，在华北和西北城市供水中占到了7 2 和6 6 t 2 1 。 然而，地下水系统的本征特性之一是脆弱性。这一概念是由法国学者m 州e t 子1 9 6 0 年首次提出的【3 1 。它表征地下水系统的水质对人为和自然作用的敏感性。 随着经济的发展和科技的进步，人类改造自然的能力日渐增强，人类活动对自然 的影响也日益增大。人类生产和生活活动所产生的各种有害物质可通过各种途径 进入地下水系统，导致其水质恶化。 地下水污染物包括无机污染物( 重金属、放射性元素、酸、碱、盐等) 和有 机污染物( 有机农药、杀虫剂、石油、多氯联苯等) 。其中，石油是重要的有机 污染物。石油种类繁多，组成复杂，而且性质也变化很大，石油烃中含有很多有 毒有害物质。现已确认，在具有致癌、致畸和致突变潜在性的化学物质中，有许 多就是石油或石油制品中所含的物质【4 】( 如3 ，4 苯并芘、苯并葸等) 。石油进入 水环境后，可以使水体中植物体内的叶绿素及其脂溶性色素在植物体外或细胞外 溶解析出，使之无法进行光合作用而大量死亡，破环水体生态系统的平衡；石油 进入人体后，能溶解细胞膜、干扰酶系统，引起肾和肝等内脏发生病变【5 】。 多孔介质中石油残留及其水动力效应研究 地下水石油污染的来源是多方面的【6 】。其一，可能发生在石油勘探、开采、 运输、炼制加工、储存及使用的各个环节中，以油田周围的落地原油污染和偶发 事件中油罐的泄露为主。据文献报道【7 】，1 9 9 3 年石油巨头壳牌公司在英国11 0 0 家加油站中有1 3 对地下水系统造成污染。2 0 0 0 年调查资料表明，在美国有2 8 万 个地下储油罐存在泄漏状态，并且有2 5 直接造成地下水严重污染。我国北京某 地也曾出现过柴油泄漏事件。柴油在一周内全部渗入包气带和潜水含水层，致使 附近的水源井遭受严重污染，水厂被迫停产，影响供水范围波及3 6 k i n 2 【引。其二， 污染来源于油页岩矿渣的堆放和施用过程，在矿渣堆放过程中，经降水的冲刷、 淋洗后，石油通过包气带进入含水层。其三，油污水灌溉对地下水石油污染也有 一定贡献。 在大多数情况下，由于石油溢出或泄漏量有限，一些油品( 特别是原油) 粘 性大，或包气带厚度较大，通过包气带入渗的油品主要残留在非饱和带浅层，但 是，如果发生大量的石油( 特别是低粘度的各种燃料油) 溢出或泄漏，油品可以 继续向下运移，直至达到地下水面。在水面以上形成的自由油体趋于沿毛细带上 缘侧向扩展，并在含水层的地下水流方向形成可溶性石油污染羽状体。 土壤包气带和饱和带中的含水介质多为多孔介质，石油污染物进入多孔介质 后，受到介质颗粒的静电引力而吸附在介质表面。同时，又受到毛细孔隙产生的 毛细力作用而呈不连续的指状残留于多孔介质孔隙中。这会导致多孔介质的渗透 系数、有效孔隙度、水动力弥散系数和弥散度等水动力参数发生很大的变化，从 而严重影响各种地下水污染原位治理( 抽出处理、渗透性反应墙、生物降解和 淋溶冲洗) 过程中的水流状态和营养供应。因此，研究石油污染多孔介质的水动 力效应，揭示控制水动力效应变异的机制，对于石油污染场地的评估、控制和原 位修复具有重要的科学意义和应用价值，进而对地下水资源的治理与恢复产生积 极的作用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 石油残留 进入土壤等多孔介质后，石油会发生吸附、挥发、入渗和降解。一般情况下， 2 多孔介质中石油残留及其水动力效应研究 由于降解而减少的石油污染物量较少，因此在研究短期内石油污染物在多孔介质 中的残留时不将降解作为主要因素。石油污染物的存在会导致多孔介质的水动力 特性发生变化。因此，研究石油污染物在多孔介质中的残留机制和水动力效应， 对掌握石油污染多孔介质中的水分运移规律具有重要意义。 1 2 1 1 吸附 石油分子易于到达且极易粘附于多孔介质颗粒表面，使多孔介质的性质发生 变化。 影响多孔介质对石油污染物吸附作用的因素有：介质颗粒的粒径、有机质含 量、p h 值和温度【9 1 。吴俊文等【1 0 1 研究了砂土粒径对可溶性油吸附量的影响，发 现砂土对可溶性油的吸附量随其粒径的减小而增大。有学者研究发现 1 1 , 1 2 】，土壤 有机质含量越高就越容易吸附石油类污染物。土壤有机质是一种复杂的天然高分 子化合物混合体，含有多种疏水性、亲水性的官能团，它们对石油类污染物的吸 附过程起着重要作用，有机质凭借疏水作用和氢键组成的规则的集合体区域是土 壤的最佳吸附位。温度是影响石油乳化程度、粘滞系数和水溶性的主要因素。一 般来讲，在相同条件下，随着温度增高，单位质量多孔介质的平衡吸附量有略微 减小的趋势。导致这种现象的原因有两方面：一方面，吸附是放热过程，所以温 度升高通常会对吸附产生抑制作用，从而减少固相吸附量；另一方面，溶解度是 影响石油吸附的重要因素之一，温度越高溶解度越大，相应地多孔介质上吸附量 减小【1 3 1 。李静【1 2 】采用振荡平衡法研究了石油类污染物在土壤中的吸附和解吸行 为，发现线性吸附关系可较好地描述原油在土壤中的吸附特征；史红星实验 表明石油类在黄土中的吸附符合线性吸附模式，黄土对其吸附速度很快；郑西来 【1 4 】发现土壤对可溶性油的吸附平衡时间为2 0 - 2 4h ，而且不同土样的吸附等温 线均为直线型理想吸附。王东海等人【1 5 】的研究表明，石油类在砂砾石中的吸附 符合i _ n n g m u i r 吸附模式；砂砾石对石油类的吸附量较小，迟滞因子为1 0 6 。 1 2 1 2 挥发 挥发是轻质石油组分在多孔介质中衰减的主要途径。石油污染物在多孔介质 中的挥发程度取决于其的挥发速率和挥发时间。油品挥发性的强弱取决于其中轻 质组分的含量。汽油挥发性很强，柴油和煤油挥发性则较弱，而机油等润滑油则 3 多孔介质中石油残留及其水动力效应研究 几乎不挥发。影响油品挥发速率的因素主要有温度、油类组分与埋深、风速、太 阳辐射及多孔介质质地。ga _ l m 1 6 】以煤油为例研究了细砂、中砂和粗砂中不同初 始含油量下挥发和渗透性的关系，发现挥发过程中煤油逐渐失去c 9 c 1 3 的低碳 组分且粘滞性增加，砂样中油的渗透性降低。f i n g a s 1 7 ，墙】研究表明，石油的挥发 速率取决于环境温度与挥发时间。黄廷林、史红星【1 9 】模拟了石油类污染物在黄 土区的土壤和水体表面的挥发迁移并研究了其动力学过程。结果表明，温度和风 速是影响石油类污染物挥发的最重要因素，温度升高和风速增大都可使挥发速度 提高0 5 。5 倍。李玉瑛【2 0 】研究了柴油、煤油、汽油和混合芳烃的挥发量与挥发时 间的关系，发现柴油和煤油的挥发量随着挥发时间延长而增加缓慢，二者之间的 拟合曲线呈二次多项式关系；9 0 # 汽油的挥发量与挥发时间呈对数关系；混合芳 烃( 由4 种易挥发芳香烃组成) 的挥发量与挥发时间呈线性关系。 1 2 1 3 入渗 石油类污染物可随水流垂向迁移或发生水平方向的扩散，而吸附于颗粒物上 的部分在土层未被破坏的情况下基本不发生迁移。石油类污染物沿垂向迁移主要 受到重力作用，水平扩散主要在毛细力的作用下发生。土壤颗粒的吸附量有限， 大量未被吸附的石油类污染物存在于土壤孔隙中，一旦发生降水，部分会在入渗 水流的作用下加速向土壤深层渗透。经过较长时间，在淋滤、重力等作用下，经 过扩散和混合，石油类会逐渐形成更加稳定的状态【2 1 ，2 2 】。 郑西来等【2 3 】通过大量野外和室内试验发现，在原油渗透和降雨淋滤作用下， 原油绝大部分集中在o 3 0 e m 深度的土壤中，在5 0 7 0 e m 土层内几乎所有试验结 果均达到或接近研究区域的石油背景值。原油的高粘滞性、低溶解度是影响其在 包气带迁移的内在因素。李颖等【2 4 】通过室内原油淋滤试验发现土柱中平均有8 5 的原油残留在0 1 0c m 土层内，有9 0 残留在2 0 c m 土层内，2 0c m 以下土层含 油量基本和对照土柱相同；石油以液态进入土壤后，在2 0c m 表层土壤中的残留 率为8 4 ；原油覆盖在土壤表面时，虽加清水淋滤，但其下渗深度相对较小，2 0 c m 表层内石油残留率为9 4 。赵东风等【2 5 】通过淋滤实验和渗透实验对原油在土 壤中的迁移渗透规律和截留率进行了研究。由渗透试验得出，当粘土层厚度在 0 2 5 c m ( 或3 0 e r a ) 时，土壤对原油的截留率在9 0 以上；而砂质土壤对原油的截 留率明显低于粘性土壤，仅在3 0 左右；原油在土壤中的下渗速率平均为 4 多孔介质中石油残留及其水动力效应研究 0 1 2 e m h 。f i n e 等人【2 6 】发现土壤的起始湿度会影响非水溶相液体和气相烃类的 纵向渗透，液态烃在砂质土壤中的渗透速率和范围随土壤湿度的增加而增大；土 壤湿度增加，气相运移速率和土壤对烃的持留能力均降低，从而导致非水溶相液 体运移的增加。刘晓艳等【2 7 】利用土柱淋滤试验模拟了大庆油田的原油对油田土 壤环境的污染状况。研究证实，大庆市典型土壤对原油具有很强的吸附截留能力， 绝大部分原油被截留在土壤表层，在模拟的6 年内原油的最大迁移深度约为 2 5 3 0 e r a ，而且9 0 以上分布于1 0 e r a 以内土壤中。黄廷林掣2 8 】配制了污染强度 为1 , 6 2 0 、6 , 7 9 6 、1 2 ，5 0 0 、1 4 ，2 0 0 和2 3 ，8 2 2m g k g 的人工石油污染土样，利用室 内土柱淋滤动态试验模拟了石油类污染物在饱水条件下在黄土中竖向迁移过程。 结果表明，黄土对石油类有很强的截留能力，黄土中可检出的石油类最大迁移深 度为3 0c m 。然而石油类以水溶相向深层土壤的微量迁移不容忽视，当土层厚度 为3 5c t t l 时，渗出水中石油类浓度最高可达3 4 8m g l 。李东艳等【2 9 1 直接用柴油 作为淋滤液，评价了其在不同粒径砂土完全干燥、残余含水和水位波动条件下的 残余饱和度，并在此基础上进行了水的淋滤实验，研究其对残余饱和度的影响和 淋滤水中总油浓度的变化。结果表明，砂土完全干燥或饱水时，柴油残余饱和度 随粒径的变化较大。初始含水量和淋滤对残余饱和度也有明显影响。连会青等【蚓 以天津地区土壤为研究对象，研究了其对柴油的静态吸附模式以及动态淋滤试验 的迁移参数，利用一维迁移模型，通过反演拟合法确定了不同岩性下柴油的迁移 模型参数。结果表明，柴油在咸水区含水层中的迁移速度高于淡水区，且迁移速 率较慢，迁移1 0 m 需要至少5 0 0 d 。 1 2 2 多孔介质中水动力参数测定 1 2 2 1 渗透系数 渗透性通常是指水在介质孔隙中流动的过程及其性质，常以渗透系数k 来 表示。渗透系数是定量研究多孔介质水动力效应的关键参数，国内外许多学者对 其进行了深入研究。 多孔介质的渗透系数受多个因素的影响，主要包括多孔介质的粒径、容重、 结构、温度和孔隙比等。唐正光等研究了碎石的渗透系数，发现它与碎石粒径成 正比，随其粒径增大而增大【3 l 】。齐名亮等通过渗透实验得出，随着细砂、中砂、 5 多孔介质中石油残留及其水动力效应研究 粗砂的顺序，渗透系数逐渐增大，粗砂的渗透系数等于稳定入渗率【3 2 1 。张宏理 进行了林地土壤渗透试验，发现其渗透系数与非毛管孔隙度以及容重均呈线性关 系，影响土壤渗透性能的主要是非毛管孔隙【3 3 1 。顾中华等研究表明土体颗粒与 孔隙的性状和排列形式以及颗粒之间的相互作用，对渗透系数存在很大影响阴】。 孙凯年认为渗透系数与空隙率及表面积存在指数关系【3 5 1 ，余斌也得到了类似的 结论，即渗透性与孔隙比呈指数关系【3 6 1 。徐增辉等认为渗透系数随着水温和岩 体温度的升高而增大【3 7 1 。h u a n gs y 等通过研究得出土体在饱和状态时的渗透系 数与压应力呈幂函数关系【3 8 1 。郝振良【3 明等得出抽水或回灌造成的有效应力变化 对渗透系数的影响较大；渗透系数随温度的升高而有所增加，但幅度不大；回灌 造成的有效应力变化对渗透系数起决定性作用。 此外，还有部分学者研究了石油污染对多孔介质渗透性的影响。m c l a c h l a n 和h a r t y 4 0 】的研究表明，原油污染后砂土的渗透性明显降低，变化的大小取决于 含油量、石油的风化状态及原油和砂的混合程度。另外，m a s h a l a h 等【4 l 】研究中 东地区原油污染砂土岩土工程性质效应时指出，渗透系数与砂土颗粒大小成正 比，与含油量成反比，石油污染后的孔隙度减小是造成渗透性变化的主要原因。 李梅等【4 2 】研究了柴油和原油对砂土和壤土渗透性的影响，发现无论对于砂土还 是壤土，原油引起的渗透系数的降低比柴油显著，主要原因是原油的粘滞系数 大大高于柴油的粘滞系数。邵辉煌【4 3 3 和武强脚】在评估石油污染场地时，测定了 场地内石油污染含水介质的渗透系数。 1 2 2 2 水动力弥散系数与弥散度 早在1 8 0 5 年，f i c k 就提出了分子扩散定律，随后在该定律的基础上逐渐形 成了溶质运移的基本理论水动力弥散理论。水动力弥散是指示踪剂进入含水层 以后，在孔隙介质中逐渐扩展，占据的范围越来越大，超过了按平均流动所预计 范围的现象。水动力弥散包括机械弥散和分子扩散【4 5 1 。相应的，水动力弥散系 数等于机械弥散系数和分子扩散系数之和。它是综合反映溶质、多