（环境科学专业论文）渗流槽模拟地下水中有机污染物运移的实验研究.pdf

a b s t r a c t u n d e r g r o u n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o nb yo r g a n i cp o l l u t a n t si si n c r e a s i n g l ys e r i o u s ， e s p e c i a l l yi ng r o u n d w a t e r o r g a n i cp o l l u t i o ni ng r o u n d w a t e rb r i n ge n o r m o u s s e c u r i t y c h a l l e n g e s t h e r ea r es t i l lp l e n t yo fp r o b l e m sw h i c h h a v en o tb e e ni m p r o v e d ，d u et o i m ；u ：m c i e n tr e s e a r c h i n g u r g e n ts t u d yo nt r a n s p o r ta n df a t eo fo r g a n i cp o l l u t a n ti n g r o u n d w a t e ri sn e e d e d t h i sc a np r o v i d ee f f e c t i v em e a n st op o l l u t i o np r e d i c t i o na n d r i s ka s s e s s m e n to fg r o u n d w a t e r i nt h i ss t u d y , n o n - p o l a rp a h sn a p h t h a l e n e a n di t s p o t e n t i a l m e t a b o l i t e 2 - n a p h t h o lw e r eu s e da sr e p r e s e n t a t i v e so fo r g a n i cp o l l u t a n t s i ng r o u n d w a t e r , f o r r e c o g n i z i n gt r a n s p o r tc h a r a c t e r i s t i c so fo r g a n i cp o l l u t a n t si nu n d e r g r o u n ds a t u r a t e d a q u i f e r s a n dt a n kd e v i c ed e s i g n e db ym y s e l fw a s u s e df o rs i m u l a t i n gg r o u n d w a t e r t r a n s p o r tb e h a v i o r s ，i no r d e rt os t u d yt h et y p i c a lo r g a n i cp o l l u t a n t sn a p h t h a l e n ea n d 2 - n a p h t h o lm i g r a t i o n b e h a v i o r si ng r o u n d w a t e r g m ss o f t w a r ew a su s e d f o r q u a n t i t a t i v e l ys o l v i n gs o l u t et r a n s p o r tm o d e l s b a t c he x p e r i m e n t v c a sc o n d u c t e dt o s t u d ys o r p t i o nm e c h a n i s m so fo r g a n i cm a t t e ro ns a n d ya q u i f e ra n dt h ei m p a c t so f d i s s o l v e dh u m i ca c i do nt h em i g r a t i o no fo r g a n i cp o l l u t a n t s t h em a i n r e s u l t sa r ea s f c i l l o w e d ： t h i sp a p e rr e v i e w e dr e c e n tr e s e a r c h e so no r g a n i cp o l l u t a n t sm i g r a t i o n i n g r o u n d w a t e r , s u m m a r i z e dt h e o r i e so n t h ea d s o r p t i o no fo r g a n i cp o l l u t a n t st om i n e r a l ， o u t l i n e dt h ei m p a c t so fd i s s o l v e dh u m i ca c i do nt h em i g r a t i o no fo r g a n i cp o l l u t a n t s ， a sw e l la so r g a n i cp o l l u t a n t st r a n s p o r tb e h a v i o r si ng r o u n d w a t e r s e l f - d e s i g n e dt h r e e d i m e n s i o n a l s a n dt a n kd e v i c ew h o s ec o n d i t i o n sc a nb e c o n 仃o l l e dw a sb u i l t t r a c e re x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e dt os i m u l a t eg r o u n d w a t e r t r a n s p o r t g m s ( m o d f l o w , m o d p a t h ，m t 3 d ) s o f t w a r ew a s u s e da sat o o lf o r s 0 1 v i n gs o l u t et r a n s p o r tm o d e l s ，i no r d e rt os i m u l a t es a n dt a n k sh y d r a u l i cf l o w f i e l d ， a sw e l la st r a c e rc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o na n dt r a n s p o r tb e h a v i o r s m i n e r a ls u r f a c es o r p t i o np l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ns o r p t i o no fn a p h t h a l e n ea n d 2 - n a p h t h o lo ns a n dw h i c hc o n t a i n e dl i t t l eo r g a n i cm a t t e r f o r2 - n a p h t h o l ，t h i sc a n a b s t r a c t p l a y al e a d i n gr o l e t h es o r p t i o nb e h a v i o r so fn a p h t h a l e n ea n di t s p o t e n t i a l m e t a b o l i t e s ，2 - n a p h t h o l ，h a v eg r e a td i f f e r e n c e s f r o me n v i r o n m e n t a lr i s kp o i n to f v i e w ，i tc a nb es a i dt h a tn a p h t h a l e n ec a l ld e g r a d et o2 - n a p h t h o lw h i c hi sa d s o r b e d m o r ee a s i l y , h a sl e s se n v i r o n m e n t a lr i s k s s o r p t i o no fd i s s o l v e dh u m i ca c i d i t s e l fo ns a n di s s t r o n g s o l i d - l i q u i d d i s t r i b u t i o nc o e f f i c i e n ti s2 2 4 5 ，a n ds o r p t i o nf o l l o wt h el i n e a rt y p e a n da l s o ，t h e d i s s o l v e dh u m i ca c i dd i dn o ts h o wg r e a ti n f l u e n c eo ns o r p t i o no fn a p h t h a l e n ea n d 2 - n a p h t h o lo ns a n d ，t h eh y d r o p h o b i cc h a r a c t e r i s t i c so fp o l l u t a n t sa n dd i s s o l v e dh u m i c a c i dm a yp e r f o r mm a i nr e a s o n k e yw o r d s ：n a p h t h a l e n e2 - n a p h t h o l s a n dt a n kd i s s o l v e dh u m i ca c i d t r a n s p o r t i 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：h 2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 2 0 年月日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 姓 名学号 答辩日期年月 目 论文类别博士口学历硕士口硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所 专业 联系电话 e m a i l 通信地址( 邮编) ： 备注：是否批准为非公开论文 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 第一章绪论 第一章绪论帚一旱硒比 第一节地下水的有机污染 1 1 1 地下水有机污染概述 随着社会生活和生产的不断发展，有机产品大量生产和使用，有机污染物 进入土壤以及地下水环境中，造成了广泛影响。地下水有机污染问题日益突出， 开展污染地下水的研究工作，己成为一种迫切的需要。 地下水污染是指因某种物质或能量的介入，而导致地下水的物理、化学、 生物以及放射性等方面特性的改变，造成地下水质恶化现象【l 】。 由于地下水环境缺氧、无光照、微生物作用微弱、温度相对较低、流速和 混合速率缓慢，且无挥发过程等特点，有机污染物一旦进入地下水中，很难通 过与地表环境中类似的自然降解过程去除，而可能长期存在并发生累积，从而 可能带来严重的人体健康风险。地下水污染有其自身的特点：具有隐蔽性， 潜伏性；不可逆性和长期性；后果的严重性。地下有机污染往往通过食物 链危害动物和人体健康。现在，无论是发展中国家还是发达国家，加强研究受 污染的地下水已成为不可避免的问题。 1 1 2 地下水的有机污染物 土壤和地下水中污染物种类繁多，按照污染物的性质，一般可以分为三类： 无机污染物、有机污染物、放射性污染物。一般而言，地下水中主要的有机污 染物有氯代溶剂、汽油烃、有机氯农药、多环芳烃、合成洗涤剂、增塑剂、多 氯联苯等。下表1 1 将地下水中有机污染物分为四类： 表1 1 地下水中有机污染物种类 地下有机污染物主要来源 卤代烃重要化工原料和有机溶剂，广泛应用于金属清洗、脱脂和干 洗等现代工业中，因泄露、废水排放等途径进入地下水环境。 单环芳烃燃料油储存、加工、运输过程中的跑、冒、滴、漏污染。 第一章绪论 地下水有机污染带来巨大的环境风险，已经引起一些国家的高度重视。美 国通过严格立法限制有机污染物在水源水和饮用水中的存在和浓度。e p a 于 1 9 7 9 年公布了1 2 9 种优先控制污染物“黑名单，其中有机污染物达l1 4 种，占 总数的8 8 2 1 。1 9 8 6 年美国国会通过了安全饮用水法( s a f ew a t e ra c t ) ，对 全美饮用水制定了8 3 项标准，其中有机5 3 项，1 9 9 6 年对安全饮用水法再 次修订，总指标数扩大到1 0 0 项，主要增加了有机指标6 4 项。世界卫生组织 ( w h o ) 同样对有机污染给予了高度重视，1 9 7 1 年w h o 推荐的2 9 项水质指 标，其中有机2 项，到1 9 9 3 年w h o 推荐水质指标扩大到1 1 6 项，有机增至8 7 项。我国1 9 8 5 年颁布的生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 8 5 ) 共计5 3 项，其中有 机5 项。从某种意义上看，水质指标中有机项目所占的份额，反映了饮水中有 机污染的潜在风险。 我国有关部门曾先后在京津唐地区、苏锡常地区、内蒙包头、山东淄博等 地进行了地下水污染调查，我国4 4 个城市的地下水调查中，有4 2 个城市地下 水受到污染，并检出数百种有毒有机物【3 】。松花江肇源河段居民地下饮用水中定 性检出1 1 大类1 3 3 种有机物，其中多环芳烃2 1 种。山东省某河水中共检出醇类、 酯类、烷烃、酮类、酚类、胺类、醚类、多环芳烃和杂环等有机污染物4 2 种， 该河旁地下水中检出酚类、酯类、醇类、多环芳烃、烷烃和酮类等有机污染物 1 0 种【3 1 。 1 1 3 地下水的有机污染源 我国的地下水研究工作起步较晚，污染调查评价工作至少落后1 5 年，这与 我国当前严峻的地下水污染形势是不匹配的。对于地下水有机污染源来说，国 外的调查研究结果能够给我们极大的借鉴。1 9 8 8 年，美国e p a 提交国会报告国 家水质量调查中列出了不同污染源和不同污染类型相对重要性的数据。调查 显示，地下水中最主要的污染源为地下储存罐、污染废弃地、农业活动、腐烂 罐、地表蓄水池和垃圾填埋场，其他污染源还包括工业垃圾、注射井、危险废 物处理地、海水入侵以及来自石油和天然气井的污染【4 】。据美国e p a ( 2 0 0 0 ) 资 2 第一章绪论 料表明：美国约有18 亿个地下储油罐，其中2 8 0 ，0 0 0 个存在不同程度的泄漏， 并且有2 5 直接造成地下水严重污染嘲。 地下环境中的疏水性有机化合物，如多环芳烃，主要来源于地表污染水体 的渗透或补给、污水灌溉、固体废物处理场地及污染场地的渗漏等由人类生 产活动释放的多环芳烃严重威胁着土壤环境及地下水的安全。 1 1 4 地下有机污染途径 地下水污染途径指污染物从污染场地进入地下水中所经过的路径。除了少 部分液体污染物，可以直接通过岩石裂隙进入地下水外，大部分污染物会随着 补给地下水的水源一道进入地下水中。地下水污染途径与地f 水的补给来源有 密切的关系。 图1i 地下水污染源以及污染示意图【4 l 有机污染物可通过不饱和含水层渗入到地下水中，从而造成污染。有机污 染物进入地下水系统要经过三个阶段：通过不饱和含水层的渗漏；由不饱和含 水层进一步向饱和含水层扩散；进入饱和含水层中随地下水迁移。通过不饱和 含水层渗入又可分为连续渗入和断续渗入。连续渗入是指污染物从废水坑、地 下储存罐等污染源通过不饱和含水层不断渗漏进入到地下水中；断续渗入是堆 第一章绪论 放在地面的工业废渣等被降雨淋滤，污染物通过不饱和含水层下渗污染地下水。 污染程度主要与不饱和含水层厚度和含水层多孔介质性质，污染物的种类和性 质，以及污染下渗源的多少等因素有关。 1 1 4 1 随n a p l s 迁移至地下水中 有机污染物也会以非水相液体( n o n - a q u e o u sp h a s el i q u i d ，n a p l s ) 形式污 染土壤和地下水。n a p l s 以流体形式存在但不易在水中溶解。按照比重的大小 可分为轻非水相液体( l m 廿l s ) 和重非水相液体( d f 垤l s ) ，它们都可以在地 下环境中存在数年，并且降解缓慢，是地下水的长期污染源。n a p l s 中污染物 具有种类繁多，毒害性大，降解缓慢，中间产物复杂等特点，给污染的控制和 治理带来很多困难【4 】。 例如，多环芳烃等有机污染物会以成分复杂的n a p l s 形式，进入到地下含 水层中，造成地下水的污染【6 j 。很多工业废弃场地的土壤和地下水广受有机化合 物( 如，p a h s ) 的污染，诸如人工制气厂、木材处理厂、煤炭焦化厂以及石油 化工原场地等，其中p a h s 随n a p l s 迁移成为至关重要的途径。泄漏在地下环 境中含有大量p a h s 的n a p l s ，会对环境以及人类健康构成极大风险【1 7 。引。 n a p l 水 图1 2 有机污染物n a p l w a t e r 相体系扩散示意图 e p a 于1 9 8 5 年报道，在全美国约有1 5 0 0 家人工制气厂( m a n u f a c t u r e dg a s p l a n t ) ，而h a t h c w a y 统计发现，包括运行不到十年的人工制气厂，服务于私人工 厂的人工制气厂，以及服务于社会公共事业的人工制气厂等，工厂存在的数字 4 第一章绪论 不小于3 2 0 0 0 家。无论实际数字更接近美国环保局的统计还是h a t h e w a y 的统计， 都说明，存在大量的潜在的p a h s - n a p l s 污染源。p a h s n a p l s 由上百种有机化 合物组成【引。p e t e r s 和l u t h y 9 】用g c m s 分析s 仰u d s b u r g ，p a 煤焦化厂的污染物组 成，研究发现，n a p l s 中所包含的p a h s 化合物种类非常多，包括4 0 多种特定的 化合物，且重量比约占整个n a p l s 质量的4 6 。在煤炭地下气化过程中，会产 生一个主要的副产品，煤焦油，其为黏稠状的n a p l s ，富含大量的p a h s ，质量 甚至可占到整个n a p l s 的7 5 。 1 1 4 2 溶解性有机质促进有机污染物的转运 地下水中的胶体( 溶解性腐殖酸) 可促进疏水性有机污染物的迁移，已成 为有机污染物进入地下水中的潜在途径【6 1 。一般来说，由于疏水性有机物的强疏 水性、低水溶性等特点而导致其在土壤中被土壤固相强烈吸附，阻止了其向地 下深层的迁移，但是研究发现，在土壤深层和地下水中能检测出p a h s 【1 1 1 。f l u r y 等发现，草萘胺和扑草净在土壤中实际向下迁移的深度甚至超过了模型的预测 【1 2 】。这可能与地下多孔介质中有机载体( 如d o m ) 提高了有机污染物在土层中 的移动性有判1 3 】。m c c a r t h y 等报道，p a h s 等疏水性有机污染物易与d o m 的疏 水性组分结合，导致p a h s 等有机污染物在环境中的迁移，加速其在地下介质中 移动1 0 1 。 研究者认为，土壤饱和流条件下，与d o m 结合的有机污染物渗滤速度很快， 能迁移出土体，进入地下水，虽然流出的有机污染物只占土壤中有机污染物施 入量的很小一部分，但与缓慢渗入地下水的有机污染物相比，它们更可能成为 地下水有机污染的主要来源【1 4 1 。传统的方法因未考虑到溶解性有机大分子在促 使污染物运移中的作用，从而过低地估计了污染物运移所能达到的距离。 1 1 5 研究现状 有机污染物在地下环境中迁移转化问题实质上是污染物在气液固三相间 进行质量传递的过程。其主要过程包括：平流、吸附、弥散和生物降解等过程【4 j 。 地下水中可移动的疏水性有机化合物( h y d r o p h o b i co r g a n i cc o m p o u n d s ) 包 括溶解态有机化合物和胶体态有机化合物。其中，胶体态有机化合物是指有机 污染物吸着在可移动的腐殖质大分子、生物分泌物、胶束、微生物、纳米到微 米级固相悬浮物( 有机质包裹的高岭土) 上，随之一起在地下水中转运( 如图 5 第一章绪论 13 ) 。有机污染物迁移到地下水中的风险因此也增大【i ”。t o t s c h e 等人对非饱和 矿质土壤中p a h s 的移动性进行研究，发现d o m 促进p a h s 在土壤中的滞留。 其原因有两种解释：共吸附和累积吸附。所谓共吸附即p a h s 优先吸附到土壤 d o m 的一个或多个组分上，形成络台物和d o m 同时被吸附到土壤颗粒上。累 积吸附是指d o m 的一个或多个组分优先吸附到土壤颗粒上，土壤由于对d o m 吸附量的增加而增强了对p a h s 的吸附能力。可见，d o m 对土壤有机污染物 环境行为的影响程度和作用方向，取决于它们自身的性质特征以及相互作用的 介质条件。 图13 、肢体促进污染物转运示意图 现阶段，对疏水性有机污染物在地下含水层中运移的实验研究主要采用柱 实验进行研究。采用柱试验模拟低有机碳含水层对比研究发现溶解性腐殖 酸的存在可以促进多环芳烃蒽和苯并( a ) 蒽的解吸，而且污染物的转运性能提 高【i ”。有机污染物在含水层中的运移与环境条件有关，如p h 、离子强度、温度 等。s c h l a u t m a n t 等人研究发现，多环芳烃蒽、芘、花与天然溶解性腐殖酸作用 力随溶液p h 的升高( 离子强度一定) 而降低，随离予强度的升高( p h 一定) 而降低w 。x i n g 等人8 u j 研究发现，脂肪族结构特征在吸附疏水性有机污染物时 起到重要作用，与h a 相比，脂肪碳含量最高、极性最弱的胡敏素表现出高的吸 附能力和非线性。富含脂肪族的腐殖物质极性越弱，相对吸附能力就越强所以 腐殖物质的极性强弱很可能是控制疏水性有机物吸附的一个重要参数。因此不 同类型的含碳官能团在吸附时的作用是各不相同，也说明了吸附机理的复杂 第一章绪论 仍需要进一步的证实。 第二节课题研究目的、意义、技术路线 1 2 1 污染物的选取 表1 2 萘和2 萘酚的物理属性 本论文选择萘和2 萘酚作为目标有机污染物，研究有机污染物在地下水环 境中的迁移性能，原因在于： ( 1 ) 萘是一种己知的动物致癌物，被怀疑对人类也有致癌作用。 ( 2 ) 萘是一种典型p a h s 有机污染物，在地下水环境中检出率非常高，具 有很好的代表性。2 萘酚是萘的代谢产物，研究萘和2 萘酚的迁移性能，可评估 地下环境中萘及其代谢产物2 萘酚可能的环境生态风险，具有指导意义。 ( 3 ) 萘与2 萘酚从结构上相似，性质差异非常大，萘属于非极性有机化合 物，而2 萘酚为极性有机化合物。表1 1 显示出萘和2 萘酚的物理属性。 1 2 2 课题的研究内容 本文分析研究极性有机污染物以及非极性有机污染物在地下饱和含水层中 的迁移归趋特性，研究地下环境中有机污染物的迁移。通过静态b a t c h 实验研究 污染物在砂质含水层上的吸附特性，采用中试渗流槽物理模拟装置模拟地下水 7 第一章绪论 运移特征，研究典型有机污染物萘、2 一萘酚在地下环境中的运移机制，并用g m s 软件模型进行有限元求解，以期对砂槽中萘以及2 萘酚的迁移特性进行相关研 究。具体内容如下： ( 1 ) 研究有机污染物在砂上的吸附行为 将典型砂子作为模拟地下含水层的介质，将其作为吸附剂，研究典型极性 有机污染物2 萘酚和非极性有机污染物萘在砂上的吸附行为。 ( 2 ) 砂槽中试运移研究 建立三维砂槽实验装置，模拟研究地下水动态运移规律，观测地下水运移 特征。本文选用了石英砂作为地下典型的含水层多孔介质，通过实验测定砂槽 的物化参数以及弥散系数等，作为模拟分析的基本参数。 ( 3 ) 软件模型求解 通过对污染物在地下多孔介质中迁移的物理过程描述，综合考虑平流、弥 散、吸附等物理过程，分析构建萘以及2 萘酚在地下环境中迁移的物理数学模型， 指出模型中需要求解的模型参数。用g m s ( m o d f l o w 、m o d p a t h 、m t 3 d ) 软 件的有限元程序对模型进行求解，模拟渗流槽中有机污染物分布及浓度变化， 以验证模型的准确性。 1 2 3 课题的研究意义 有机污染物，对地下环境尤其是地下水造成了越来越严重的污染，使我国 地下水资源安全面临巨大威胁。我国对于地下介质中有机污染物运移过程的研 究起步较晚，与国外差距较大，迫切需要针对地下水中有机物污染物的迁移以 及归趋过程进行研究，以明确有机污染物随地下水运移的控制因素及潜在风险。 本文研究萘以及2 萘酚在地下水环境中的迁移行为和归趋机制，为研究污 染物在地下水中环境行为提供重要理论依据，同时也为有机污染修复提供必要 的技术支持。因此，开展关于极性有机污染物以及非极性有机污染物的环境行 为研究具有深远的、重大的理论意义和现实意义。 1 2 4 技术路线 本研究，首先紧紧围绕“地下水中有机污染物运移行为”这条主线，查阅 了国内外大量的专业文献，了解了本领域的研究现状，充分收集资料，系统分 8 第一章绪论 析资料，制定详尽的实验方案。其次，选取典型的地下饱和含水层材料砂 以及典型的有机污染物( 非极性有机污染物萘及其可能的代谢产物极性有机污 染物2 萘酚) ，通过静态b a t c h 实验研究其在砂上的吸附行为，并引入溶解性腐 殖酸，探讨其对污染物在砂上吸附行为的影响。结合实验目的，自行设计模拟 地下含水层的渗流槽中试装置，通过室内动态示踪模拟试验研究水力运移特征， 并通过软件模拟其水力特征，预测在砂上吸附行为不同的污染物的运移行为。 9 第二章砂槽设计及参数测定 第二章砂槽设计及参数测定 第一节砂槽设计 地下水中污染物质的种类以及分布是污染场址的典型性质，可以通过吸附 迟滞作用评价污染物的迁移能力，研究污染物在地下环境中的环境行为，进而 评估潜在环境风险。通常情况下，中试实验模拟和数学模拟是研究地下水污染 的两种手段【4 j ： 中试实验模拟是指在实验室可控条件下评价污染物的迁移以及归趋等环境 行为，通过获得与污染区域相似的实验条件进行研究。在实验中，模拟污染场 地的水文以及地质条件，定期采样，计算污染物的吸附迟滞系数、降解速率等。 当然，通过实验室研究难以完全模拟原污染区域场址各种信息。 应用数学模型可模拟污染物在地下含水层中迁移以及转化等行为，且需 要将水力运移模型和污染物运移水质模型耦合起来，求出污染物浓度的时空 变化规律，以此来预测地下水污染的瞬时动态与运移范围，为制定合理有效 的地下水污染防治措施，以及选择最佳治理方案提供科学依据。 本研究通过自行设计渗流中试装置，模拟典型的地下砂质含水层，意在 研究疏水性有机污染物萘及其可能的降解产物2 一萘酚在含水层中的运移规律， 进而评价污染物的生态环境风险，能够为理论预测污染物的迁移速度和污染 范围提供指导和验证，为后续环境治理工作提供参考和借鉴。 2 1 1 砂槽设计建造 研究采用渗流槽模拟有机污染物在地下饱和砂质含水层中的运移，渗流槽 模拟是将自然界中某种结构和边界条件按照一定比例缩小制成模型来进行研究 的一种实验室方法。通过对模型中各运动要素进行观测，然后按比例放大而得 到自然界渗流的各个相应要素。 经参阅文献参考以及自行设计，建造适合本实验的“模拟地下含水层中 试装置，渗流槽具体设计参数如下【2 1 。2 2 】： 渗流槽由5 c m 厚的钢板制作而成，结实耐用而且防止发生形变造成边 1 0 第二章砂槽设计及参数测定 界条件的改变；内外层均涂上防锈漆，防止砂槽生锈。 尺寸：2m ( 长) x1m ( 宽) 1 2m ( 高) 。 渗流槽中砂层厚度约为1m ，砂子粒径小于0 8i l 吼。 槽内布有4 列3 行共记1 2 组取样井，每组4 口井，且4 口井的滤网 ( s c r e e n ) 置于4 个不同的深度( 1c m 1 5c m ，2 6e r a - - 4 0e m ，5 1c m - - 一6 5c m ，7 6 e m - - 9 0e r a ) 。 砂槽两侧分别安装进水控制水头装置以及出水控制水头装置。 进水孔在砂槽左侧面中间距下边沿l o o m 处，出水孔在砂槽右侧面中间 距下边沿1 0g m 处。 砂槽正面还布有四组显示地下水水位的测压管。 口 l 寸 几 q 二二_q 二二 n x - 7 l 寸 几 4 r n 一o 一n 一 l l 寸 c n n l 寸 n l 寸 几 4 nr _ n4 n 广n 一一 4 n 广n4 f l 厂n 4 n 广n 一 第二章砂槽设计及参数测定 图21 ，砂槽侧面示意图和实图 第二章砂槽设计及参数测定 图2 2 、砂槽俯视示意图和实图 井# 1 井# 2 井# 3井# 4 图2 3 、砂槽中取样井设计 注：井高1 0 5 c m ，砂子装填高度i o o c m 滤网( s c r e e n ) 的长度为1 4 c m ( 图中黑色线段代表) 1 3 第二章砂槽设计及参数测定 2 1 2 砂槽设计参数 对于本渗流槽的设计，现予以具体说明： 2 1 2 1 边界条件( 尺寸设计) 渗流槽由5 c m 厚的钢板制作而成，确保砂槽能够承载足够重量的砂子而槽 体不变形，砂槽内外层均涂上防锈漆，确保不会因为钢板生锈而影响实验的进 行，同时砂槽也会更经久耐用。 渗流中试砂槽采用三维矩形设计，模拟地下实际含水层，渗流槽长宽高要 求足够大以模拟三维地下水流，同时又不能太大。尺寸设计需考虑模拟的地下 水流流速，地下环境中典型地下水流速为0 3 8 m d a y ，进行中试实验研究，需尽 可能与实际水流流速一致，并综合考虑实验可能的周期( 砂槽太大，典型地下 水流速下实验周期可能太长) 以及整个砂槽的安放等因素。砂槽尺寸最终建造 为：2m ( 长) 1m ( 宽) 1 2m ( 高) ，这样可减少甚至避免渗流槽壁对于地下水 水流的影响。 2 1 2 2 定水头溢水装置的设计 渗流槽的槽首槽尾分别设置供水溢水装置和排水溢水装置，从而调节供水 水量以及砂槽动态水位。进水端溢水装置由自行设计的溢水水箱、储循环水的 水槽以及水泵组成，出水端溢水装置不设水泵，直接流入储水瓶( 封口避免挥 发作用的影响) 。通过设计溢水装置，渗流槽可以自由设定进水水头高度以及出 水水头高度，同时在进水端通过循环水系统，还能达到节约用水的目的。砂槽 上的溢水水箱被带孔的隔板分成两个隔间，一侧隔间上边安装有水龙头进水， 底部设孔并通过p v c 管连接在砂槽的底端进水口处，水可进入砂槽箱体，此侧 隔间的最高水位只能到隔板孔下边沿，否则水将通过隔板孔进入另一个隔间， 通过p v c 管，流入储循环水的水槽。开启水泵，可以将水重新泵入进水溢水水 箱，自此可恒定水头高度，确保地下水流场稳定。 2 1 2 3 渗流槽测压管的设计 砂槽正面设置测压管，对砂槽箱体水位进行观测。在砂槽的正面等距设置4 4 水位孔，通过水位孑l 连通砂槽内部与观测水位的测压管，以便从外面即可观 1 4 第二章砂槽设计及参数测定 察到砂槽箱体中的水位实时高度，同时配上标尺，玻璃管上端开口下端用橡胶 管与水位孔相连，采用连通器原理，保证玻璃管中的水位高度与砂槽中的水位 高度相同，由此读出砂槽箱体水位的具体水位读数。实验过程中，根据水位的 变化模拟实时的流场。 2 1 2 4 渗流槽取样井的设计 砂槽箱体中布有4 列3 行共记1 2 组取样井，每组4 口井，且4 口井的滤网 置于4 个不同的深度( 1c m 1 5c m ，2 6c m - 4 0c m ，5 1e m - 6 5c m ，7 6c m - - 9 0 c m ) 。同一位置不同深度的滤网设计，可确保在一定时间内只取含水层某一高度 的水样，可以分析砂槽内示踪剂以及污染物质的垂向弥散特性。同理，砂槽在 横向以及纵向设计的取样井，也可以计算出砂槽横向弥散系数以及纵向弥散系 数。通过取样井可取不同位置实时的样品，以此获得污染物迁移形成的污染羽 的实时信息，确定污染物的浓度，从而得到运移速度。 2 2 1 砂槽的装填 第二节砂槽参数测定 砂槽模拟地下均质含水层，采用海砂进行装填，装填高度为lm ( 砂槽高度 为1 2m ) 。砂槽中砂子采取分层装填的方式：将砂子晾干并过0 9i n n l 筛，得到 实验所需的细砂。每次取定量进行装填，每次装填高度保持在5e m 左右，将其 铺平，洒水，湿砂含水量保持在6 8 ，均匀夯实。砂槽最后共装填砂约为5 吨，装填高度约为lm 。 装填完毕，水经底部进水管慢慢渗入装置中，当到达砂层底部之上5c m 时， 停止提升水位，稳置一段时间。然后将水位再提升5c m ，重复以上过程直到水 最终浸没砂层表面。使浸润速度保持很慢是为了获得最大水饱和度，减少在水 渗入期间被捕获空气的数量。试样的浸润过程大约持续2 天。 2 2 2 砂槽参数测定 2 2 2 1 砂子容重的测定 1 5 第二章砂槽设计及参数测定 砂子容重是指在未破坏砂子结构的情况下，单位容积中砂子的质量。砂子 容重的大小与砂子质地、结构、有机质含量、砂子紧实度等有关。测定砂子容 重的方法很多，本实验采用环刀法，具体步骤如下： ( 1 ) 修平砂子表面，重复采样三个； ( 2 ) 将环刀托放在已知重量的环刀上，环刀内壁擦上凡士林，将环刀刃口 向下垂直压入土中，直至环刀筒中充满样品为止； ( 3 ) 用修土刀切开环刀周围的土样，取出已装土的环刀，细心削去环刀两 端多余的土，并擦净环刀外面的土，同时在同层采样处，用铝盒取样，测定含 水量； ( 4 ) 把装有样品的环刀两端加盖，以免水分蒸发，随即称重； ( 5 ) 计算公式： 蚝= 蔫 ( 2 1 ) 其中，蚝一砂子容重： g 一环刀内湿样重； y 一环刀容积； 形一样品含水率。 2 2 2 2 密度的测定 砂子密度的测量具体的测定步骤如下： ( 1 ) 事先将固体比重瓶称重，然后向比重瓶中加入预先煮沸、排除空气的 蒸馏水至瓶刻度0 - 2c m 处，记录刻度值所，用滤纸擦干后称重精确到o 1g ： ( 2 ) 称取风干砂子样品，装入5 01 1 1 l 的比重瓶中，使得比重瓶中水位上升 至上部分刻度，称重，精确到o 1g ，另称取1 0g 样品测定该砂子样品的吸湿水 含量； ( 3 ) 将比重瓶盖好盖，摇匀，使样品与水更好的接触混合； ( 4 ) 待比重瓶内液体澄清且温度稳定后，记录此时刻度值班，同时用温度 计测瓶内的水温( 精确到0 1 ) 。 ( 5 ) 计算公式 风2 嚣。 ( 2 2 ) 第二章砂槽设计及参数测定 其中，岛1 下比重瓶+ 水重； 9 21 下比重瓶+ 水重+ 样品重； k 1 下，比重瓶中水刻度值； k t 下，比重瓶中水+ 砂子刻度值； 风一砂子密度。 2 2 2 3 孔隙率的测定 砂子孔隙率是指砂槽单位容积砂粒间孔隙所占的百分数。由于砂槽中砂子 的垒结，在砂粒间形成砂子孔隙。其具体的测定步骤如下： ( 1 ) 测砂子的容重： ( 2 ) 测砂子的密度； ( 3 ) 计算公式： 其中，刀一砂子孔隙率； 以一砂子容重； 肛一砂子密度。 刀：( 1 一p , ) x l o o ( 2 3 ) 九 1 7 第三章砂槽示踪实验研究 第三章砂槽示踪实验研究 第一节砂槽水文运移研究 有机污染物在地下多孔介质中的迁移归趋问题，己成为研究地下水污染的 热点，许多学者用实验模拟或者数学模型方法来研究污染物在地下非饱和含水 层以及饱和含水层中的迁移、转化以及归趋等环境行为。通过研究，可以对地 下含水层环境质量做出更为明确的科学评价，同时还为污染预测、污染防治提 供科学依据和途径。 有机污染物进入地下水中，其主要迁移过程有：稀释( 平流、分子扩散、 机械弥散) 、吸附和化学以及生物降解。上述几种迁移机制组合能够成功预测 评价污染物的迁移，形成地下水溶质运移数学模型。 本研究采用渗流中试实验，为定性和定量分析研究有机污染物在多孔介质 中运移提供了一个必要的手段。通过砂槽示踪实验，对渗流槽水力运移特性进 行研究，确定水力运移流场( 达西流速、弥散系数) ，并为研究污染物运移规律 作前提准备。 3 1 1 溶质在饱和含水层中的转运 地下多孔介质中溶质运移机理有：平流、分子扩散、机械弥散、吸附、降 解。早在1 8 0 5 年，f i c k 就提出了分子扩散定律。1 8 5 5 年，法国人达西通过砂层 渗透实验总结并阐明了水在砂层中的渗透定律，称之为达西定律( d a r c y sl a w ) 。 1 9 0 5 年，s l i c n t e r 报道了土壤中溶质并不是以相同的速率运移的现象。此后，人 们逐渐提出并形成了溶质运移的水动力弥散理论 4 1 。 图3 1 形象地说明了地下水中溶质转运各个作用过程，揭示了平流、机械 弥散分子扩散、吸附迟滞、降解等作用机理。 1 8 第三章砂槽示踪实验研宄 s o u r c ez o n e 酽百丽蕊而勰 匠三垂f 细i 蘸懑参。f 薹灏缀缀t “：黧然：2 ：勰 “：黧黜筌器怒 + d o m d 删o n 圈3 1 地下水运移机制 3 1 1 1 稀释过程 地下水中污染物的主要稀释过程包括：平流、分子扩散和机械弥散。平流 指多孔介质中污染物以渗流速度随地下水进行运动。分子扩散指分子级的迁移 过程，溶质由高浓度区向低浓度区运动。机械弥散是由多孔介质中速度变化引 起的混合过程。 ( 1 ) 平流( a d v e c t i o n ) 污染物质的平流运动是指当地下水在多孔介质的中流动时，同时携带着的 污染物质以地下水的运移速度在孔隙中迁移，亦称推流输送。这种随水流运动 所携带污染物的量，称为污染物流量通量。 渗流速度等于多孔介质中污染物的平均线速度，是一个假想的速度；溶质 迁移方程中污染物运移的真正速度，等于达西速度除以有效孔隙度h ，与地下水 实际流动通过的孔隙有关。见式3 1 。 v 一k d h ：二 ( 31 ) 月d lh 其中，v ，为地下水的实际渗流速度；v 为地下水达西速度：h 为孔隙率；芷 为水力传导系数。 当地下水流动为达西流时，一维流量通量r 等于水流速、h 以及溶质浓度的 第三章砂槽示踪实验研究 乘积，即f , , - - v , , n c 。污染物迁移平流模型，能够估计出某些情形下，污染物迁移 的到达时间，沿流线积分即可计算到达时间。流线模型用于解决物质的到达时 间，溶质沿流线以特定的速度运动。 ( 2 ) 水动力弥散 水动力弥散包括两种运移过程：分子扩散和机械弥散。 分子扩散( m o l e c u l a rd i f f u s i o n ) 是分子布朗运动的一种现象，当液体中溶质 浓度不均匀时，就会形成化学势，于是溶质就会在浓度梯度的作用下由高浓度 区域向低浓度区域运动，从而液体中的溶质浓度趋于均匀。 分子扩散在多孔介质的整个迁移过程中永远存在。即使在地下水处于静止 状态的时候，如地下水与污水不发生相对流动时，污水中的污染物质亦会因为 有扩散作用进入地下水中。地下水中，污染物质从浓度高处向浓度低处的分子 扩散，可用f i c k 第一定律表述，分子扩散质量通量与浓度梯度存在下列关系： a r 只= 一n 兰 ( 3 2 ) 。 。苏 其中， 只为质量通量