（水文学及水资源专业论文）时间矩方法确定多孔介质中乙醇及btex行为参数的初步研究.pdf

l 兰竺二查j 生! l 主二蔓耸掣掣哕叼f 哕磐f 掣掣 - - 一 o 竺o “：o ：“l j | | | l l i i | | i l i i l t 、1 r r e 上1 m l n a r yr e s e a r c ho nd e t e r m i n i n g b e h a v io rp a r a m e t e r so fe t h a n o la n db t e x i np o r o u sm e d iab y t e m p o r a lm o m e n t m e t h o d m 旬o r ：h y d r o l o g ya n dw a t e rr e s o u r c e s d i r e c t i o no fs t u d y ： a s s e s s m e n ta n dr e m e d i a t i o no f g r o u n d w a t e re n v i r o n m e n t a ls y s t e m g r a d u a t es t u d e n t ：l il i a n g s u p e r v i s o r ：p r o f c h e ny r u d a o d e p a r t m e n to fr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g g u i l i nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y f e b l l j a 吼2 0 0 9t oa p r i l ，2 0lo 桂林理工大学硕士毕业论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的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谓 的地方外，论文中不包含他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者( 签字) ：乏量盔 签字日期：逆! ! ：鱼! 丝 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印刷本和电子版本，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。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：冬袭 签字日期：护fd 年f 月，幻 桂林理工大学硕士毕业论文 捅要 汽油中的苯、甲苯、乙苯、二甲苯及其同分异构体( b t e x ) 的污染已引起 了当今世界的关注，该污染对我国水资源可能造成一定程度的影响，尽管我国还 少见对此污染相关的报道。 为了了解这些污染质的运移与归宿，在实验室中建立模拟含水层的砂槽，分 期开展向砂槽中投注含有乙醇的汽油饱和溶液与示踪剂( b r ) 和不含乙醇的汽油 饱和溶液与示踪剂( b r - ) 实验，监测污染物浓度随时间的变化关系，利用时间矩 方法分析计算污染物在该含水层中运移相关的行为参数，对比有无乙醇情况下 b t e x 污染物在模拟含水层中的运移行为。研究得到以下结论： 1 、在模拟含水层中，对不含乙醇的汽油污染情形，b t e x 的运移速度均小 于水流的速度；b t x 在含水层中的弥散系数在0 0 0 5 0m 2 d o 0 0 5 6m 2 d 之间； t e x 的降解能够抑制苯的降解，同时加快了苯在含水层运移过程中的弥散；苯 系物的一级降解速率的大小顺序为h h k 驴x 加x 磙b 。 2 、对含有乙醇的汽油污染情形，乙醇及b t e x 的运移速度均小于水流的速 度；b t e x 在含水层中的弥散系数在o 0 1 4m 2 ( 1 o 0 2 5m 2 d 之间，乙醇的弥散系数 为0 0 0 3 3m 2 d ；乙醇及苯系物的一级降解速率的大小顺序为九e t 枷 h 硅 k ，p - x 硒x 硪b 。 3 、通过对比含有乙醇的汽油饱和溶液与不含乙醇的汽油饱和溶液在模拟含 水层的运移实验的行为参数可知，当含有乙醇时，b t e x 在模拟含水层中的流速 大于不含有乙醇的汽油饱和溶液的流速，且运移时较分散；其弥散系数大于不含 乙醇的汽油饱和溶液的弥散系数，并且已接近于一个数量级，这说明了乙醇加速 了b t e x 的弥散，而本身的弥散速度并没有增加，同时说明乙醇起到了“润滑 剂”的作用；b t e x 在含水层中的一级降解速率均小于不含乙醇的汽油饱和溶液 的一级降解速率，这说明了乙醇抑制了b t e x 的降解速率( m + p x 除外) 。 4 、通过t h e n n a ld e c a y 的模拟发现，该含水层属于较均质的含水层，模拟 所得的流速、阻滞系数均与时间矩的计算保持一致。 本次实验较好的模拟了乙醇对汽油中b t e x 污染物在含水层中运移行为参 数的影响，为乙醇混合汽油污染控制提供了科学的依据，同时为水资源安全提供 科学依据。 关键词：时| 日j 矩；多孔介质；乙醇；b t e x ；行为参数 挂林理工大学硕士毕业论文 a b s t r a c t m o n o a r o m a t i ch y d r o c a r b o ns u c ha sb e n z e n e ，t 0 1 u e n e ，e t h y l b e l l z e n e ，x y l e n ea n d i t si s o m e r s ( r e f e ra st ob t e x ) i n c l u d e dg a s o l i n eh a sb e e nc o n c e m e dt h o u g h o u tt h e w o 订da sc o n t a m i n a t i o n s i ti sp o s s i b l eb ep o l l u t e db yt h e s em a t e r i a l si nac e r t a i n d e g r e eo fi n n u e n c e ，b u tt h i sp o l l u t i o n r e l a t e d c a s e sa r es e l d o mr e p o n e di no u r c o u n t r y mo r d e rt oi n t e 印r e tt h e s ec o n t a m i n a t i o n st r a n s p o r ta n df a t e ，as a n da q u i f 旨t a m 【 i nt h el a b o r a t o 哆w a ss e tu p ，t h e np u ti n t oc o n t 锄i n a t i o n ss u c ha sg a s o l i n es a m r a t i o n s 0 1 u t i o nc o n t a i n i n ge m a n 0 1w i t h 仃a c e r ( b r o m i d e ) a n dg a s o l i n es a t u r a t i o ns 0 1 u t i o n w i mt r a c e r ( b r o m i d e ) ，m o n i t o rt h ec o n t a m i n a t i o n sc o n c e n t r a t i o nc h a n g ew i t ht i m e ， c r e a t ed a t a b a s ea n ds o o n t h e n ，t e m p o r a l m o m e n ti su s e dt oc o m p u t e rt 1 1 e s e c o m 锄i n a t i o n s 仃a 1 1 s p o r t b e h a v i o r p a r a m e t e r s c o m p 删 t ot h e s eb e h a v i o r p a 砌m e t e r s ，a 1 1 dg e ts o m ec o n c l u s i o r i sa sf o l l o w s ： 1 ，1 1 1t h es a l l da q u i f 打m o d e l ，b t e xf l o wr a t ei s1 e s st h a nt h em i g r a t i o nr a t eo f w a t e rf o rf r e e e t h a n o lg a s o l i n ec o n t a m i n a n t s ；t h ed i n h s i o nc o e 衔c i e n to fb t xi nt h e a q u i 断b e t w e e n0 0 0 5 0m 2 da n do 0 0 5 6m 2 d ；t e xd e 伊a d a t i o nc o u l di n h i b i tm e d e 伊a d a t i o no f b e n z e n ea n da c c e l e r a t e dt h ed i f 如s i o no f b e n z e n ei nt h ea q u i f e ri nt h e p r o c e s sa tt h es 锄et i m e ；a 1 s ob es h o w e d 丘。o mt h e s ep a r a m e t e r so fm o n o a r o m a t i c h y d r o c a r b o nf i r s t o r d e rd e 伊a d a t i o nr a t ec o n s t a n ta sf o l l o w i n g ：入ph k + p x k x 九b ； 2 ，i l lt 1 1 es a n da q u i f 旨m o d e l ，b t e xf l o wr a t ei sl e s st h a nt h em i 鲈a t i o nr a t eo f w a t e ra n de t h a l l o l ；1 1 1 ed i 勖s i o nc o e 衔c i e n to fb t e xi nt h ea q u i f e rb e t w e e no 0 1 4 m 2 da 1 1 do 0 2 5m 2 d ，e x c 印tf o re t h a n o lw l l i c hd i f j 瞰s i o nc o e 衢c i e n ti s0 0 0 3 3m 2 d ； c o m p a r e dt ot h ed i f m s i o nc o e 衔c i e n to fb t e xa n de t h a n o l ，w ec a ns h o we t h a n o la s s o l v e n ta sw a t e ro n l y a l s o ，e t h a n 0 1a 1 1 db t e xf i r s t o r d e rd e 伊a d a t i o nr a t ei si nt h e o r d e r ：九e t - o h 九r 九e h ，p x k x 九b 3 ，c o m p a r e dt ot h e 铆ot r a c e rt e s t sa ss h o w ：i nt h es a n da q u i f e rm o d e l ，t h ef l o w r a t eo fb t e xw h i c hc o n t a i ne t h a n o la r ea m p l i f i e d ，a n dt h e s en o wr a t ea r e 伊e a t e r t h a nt h et e s tw h i c ht h ee t h a n o l - 行e e ，t h ef i r s t o r d e rd e 伊a d a t i o nr a t e ( e x c e p tm + p - x ) a r eg r e a t e ra tt h es a m et i m e ，t h ed i 肌s i o nc o e 伍c i e n to fb t e xa r eg r e a t e rt h a nt h e t e s tw h i c he t h a n o l 一行e e s ot h ee t h a n o ls i m u l a t eb t e xm o v i n g ，a n de t h a n 0 1c a nb e c a l l e d1 u b 打c a n t 4 ，1 1 1 et h e m a ld e c a yo fs o r w a r es i m u l a t i o nf o u n dt h a tt h ea q u if e ri sr e la t i v e l y h o m o g e n e o u s ；t h en o wr a t ea n dr e t a r d a t i o nc o e m c i e n tk e 印w i t hc a l c u l a t i o no f 桂林理工大学硕士毕业论文 一一_ t e m p o r a lm o m e n t f m mt h ee x p 舐m e n t ，t h eb e h a v i o rp a r a m e t e r so ft h ec o n t 锄i n a t i o n s ( b t e x ) a r ea c c u r a t ef i t t e da n dt h ei n f l u e n c eo ft h ee t h a n o li ss e e nb yt h e s ep a r a l n e t e r sw h i c h c a np r o v i d eab a s i so fs c i e n t i f i c ，w h i l et h ep a r a m e t e r s a r eg o o da ts a f e t yo fw a t e r r e s o u r c ef o rp r o t e c t i o n k e yw o r d s ：t e m p o m lm o m 朗t s ；p o r o u s m e d i a ；e t h a n o l ；b t e x ；b e h a v i o rp a r a l l l e t e r 桂林理工大学硕士毕业论文 目录 第1 章 引言一l 1 1 课题来源l 1 2b t e x 及乙醇混合b t e x 研究现状2 1 3 时间矩国内外研究现状3 1 4 研究的目标、内容、技术路线及创新点5 1 4 1 研究的目标5 1 4 2 研究的内容5 1 4 3 研究的技术路线5 1 4 4 研究的创新点6 第2 章时间矩的原理一8 2 1 对流作用8 2 2 水动力弥散9 2 3 一维对流一弥散模型9 2 4 时间矩的定义1 2 2 5 时间矩的标准曲线一1 4 2 6 时间矩的误差分析1 4 第3 章实验模型l6 3 1 含水层模型描述l6 3 1 1 含水层结构16 3 1 2 含水层物质来源17 3 1 3 含水层相关参数1 7 3 2 实验方法1 8 3 2 1 水力条件18 3 2 2 投注液配制18 3 2 3 投注过程1 9 3 3 取样与分析方法1 9 3 3 1 取样方案1 9 3 3 2 样品的制备与分析方法2 0 3 3 2 1 有机物分析方法2 0 3 3 2 2 无机物分析方法2 0 3 3 2 3 环境化学指标分析方法2 0 第4 章结果与讨论2 2 4 1 不含乙醇的汽油饱和溶液投注实验2 2 4 1 1c 卜4 5 的b t e x 饱和溶液的参数估计2 2 4 1 。2c 2 4 5 的b t e x 饱和溶液的参数估计2 5 4 1 3c 卜4 5 与c 2 4 5 的b t e x 饱和溶液的估计参数对比2 6 4 2 含乙醇的汽油饱和i 容液投注实验2 8 4 3 含乙醇与不含乙醇时的参数比较3 0 第5 章 t h e r m ai d e c a y 对多孔介质中污染物运移的模拟3 3 5 1t h e r m al d e c a y 的原理3 3 5 1 1 浓度数据系列的标准化3 4 5 1 2 示踪历史的去卷积3 4 5 2 观察数据在时间上的外推3 5 挂林理工大学硕士毕业论文 5 2 1 计算平均滞留时间3 6 5 2 2 确定孔隙体积3 6 5 2 3 计算水流几何关系一3 7 5 2 4 估计介质的均匀性- 3 8 5 3 t h e r 帕id e c a y 的应用3 8 第6 章结论与建议4 8 6 1 利用时间矩公式计算所得的分析结果4 8 6 2 利用t h e r m ald e c a y 软件模拟结果分析4 8 6 3 建议4 9 致谢5 0 参考文献一5l 2 挂林理工大学硕士毕业论文 1 1 课题来源 第1 章引言 “一个国家工业的发展状况，就要看该国对石油及硫酸消耗量的多少”以及 “石油是工业的血液 等，这都说明了石油的重要性。然而随着世界各国工业化 的进程，石油的消耗也在日益增加，石油污染也成为当今世界最严峻的问题之一。 石油的污染主要发生在其开采、运输、储存及其使用过程中。这些污染物的产生 在当今世界处处可见。 据统计，美国有2 0 0 万地下汽油储藏罐，其中大约有1 0 4 0 万油罐存在向 土壤或直接向地下水泄漏的现象n 1 。石油储藏罐使用的年限一般为2 0 年，超出 这个年限的储油罐随时都有泄漏的可能。而我国在7 0 年代开始大量使用石油储 存罐，至今已超出了2 0 年的使用年限。尽管我国少有类似的报道，但是石油的 泄漏时时存在，并且影响着水资源的安全。 石油有关的产品，尤其是汽油，一旦进入地下水将会造成严重的污染。主要 是因为汽油中的苯、甲苯、乙苯和二甲苯( b e n z e n e ，t o l u e n e ，e t h y l b e n z e n e ，x y l e n e ， 通常统称为b t e x ) 等单环芳香烃溶解度相对于其它有机污染物大，而且b t e x 能够滞留在地下形成非溶解相液体( n o n a q u e o u sp h a s el i q u i d s ，缩写为n a p l ) ， 具有毒性、致畸致癌等性质。这些难降解的单环芳香烃，传统的处理方法是抽出 一处理方法口1 。但单环芳香烃及一些有机物在含水层中本身具有吸附性和滞后性， 再加上地下水具有流动性以及多孔介质参数的不确定性，使得抽出一处理方法耗 费资源多；并且抽出一处理方法相对于生物处理技术的方法处理费用高、而且不 彻底，易产生二次污染。目前对单环芳香烃的处理方法最常用的是生物降解法， 这种方法具有降解彻底、只需要在原位就可以做到并且不会产生二次污染等优 点。 即使是生物降解方法，对现场的复杂性同样也很难摸清。为了更好的对汽油 中b t e x 以及乙醇混合汽油中b t e x 在地下水中行为参数的研究，本次研究是 在实验室中建立浅层含水层模型，投放污染物并对污染物中b t e x 进行一定频率 的检测，建立数据库后再用时间矩( t 锄p o r a lm o m e n t ) 对检测的b t e x 数据进 行行为参数分析，研究汽油中的b t e x 以及乙醇混合汽油中b t e x 的降解机理， 为进一步增强生物的修复提供依据，可对已受到石油严重泄漏的区域饮水资源保 护提供科学依据。 本研究得到了国家自然科学基金的资助，项目名称为乙醇混合汽油污染地 桂林理工大学硕士毕业论文 下水中乙醇的环境效应及修复( 编号为4 0 6 7 2 2 0 0 ) ；同时得到广西地质工程 中心重点实验室主任基金( 桂科能0 7 1 0 9 0 11 z 0 0 5 ) 的资助。 1 2b t e x 及乙醇混合b t e x 研究现状 尽管对b t e x 的研究很早就有了丌始，但到目前为止还没有形成一个统一的 标准。这些研究主要是在实验室通过微元体实验、砂柱实验及含水层的模拟来 研究b t e x 的归宿与运移。 对于石油烃的污染研究，目前主要是对b t e x 等单环芳香烃的研究，因为 b t e x 具有毒性、相对于其它有机物其溶解度大、难降解等特点。一般普遍认为 b t e x 在有氧条件下均能降解h 1 ，在厌氧条件下，b t e x 降解主要以硝酸盐、硫酸 盐及三价铁离子作为电子受体瞄1 。p a u l 3 通过加入h 2 0 2 与硝酸盐去除b t e x ，结 果表明在加入h 2 0 2 的砂柱中b 与t 降解达到9 5 ，对二甲苯与间二甲苯( m ， p x ) 降解大于8 0 ，邻二甲苯( o x ) 降解大于2 5 ；而硝酸盐还原条件下只有 t 降解达到9 0 。 尽管生物修复可以很好的降解b t e x ，但是场地的不同会直接影响到b t e x 的生物降解。a c t o n ，d w a n db a r k j f 盯3 通过对比三种场地类型的实验，发现 不同场地对生物降解修复影响很大。b a r b a r oe ta 1 碑3 通过野外实验与实验室微元体 实验的对比，发现在野外b t e x 完全降解需要3 0 0 天，而实验室的微元体的完全降 解要4 5 2 天。研究还发现场地的不同对于b t e x 的降解速率也是不同的。一般认为 b t e x 降解速率的排序为甲苯 乙苯 苯 邻二甲苯，甲苯的降解速率最快四 1 0 川。但是，也有报道乙苯的降解速率最快2 j 。 随着社会的发展，燃料的短缺及其需求量的日益增加，巴西在2 0 世纪7 0 年代 就丌始在汽油中加入乙醇用来代替原有的添加剂甲基叔丁基醚n 引，就形成了 乙醇汽油( g a s o h 0 1 ) 。当乙醇作为添加剂加入汽油之后，一旦含乙醇混合汽油泄 漏到生活环境中，含乙醇的汽油就迅速溶到水循环系统中。这是因为传统的添加 剂及其b t e x 与水不具有共溶性( c o s o l v e n c y ) ，而作为添加剂的乙醇与汽油形成 的乙醇汽油( g a s o h 0 1 ) 与水具有共溶性，并且已证实乙醇含量的多少与b t e x 的 溶解成j 下比关系。一般认为乙醇的浓度越大，b t e x 所溶解的量就越大1 。最早 研究醇类混合汽油降解的人是b a r k e re ta l n 引，他通过在现场实验中加入甲醇，并 证明了甲醇抑制了b t e x 的生物降解。h e n 巧e ta l 。等还研究了乙醇汽油在有氧与 厌氧两种条件下对b t x 降解的影响，发现不管是在有氧还是厌氧情况下，乙醇总 是对b t x 的降解起到抑制作用，但乙醇在硫酸盐还原条件下可以促进甲苯的降 解。 在我国石油烃污染研究起步较晚，主要始于“八五”期间。对于b t e x 的研 2 桂林理工大学硕士毕业论文 究主要有赵丽辉，陈梅雪等( 1 9 9 6 ) n 7 1 、蒋亚萍，陈余道等1 8 3 、豆俊峰和刘翔( 2 0 0 6 ) n 引、并且得出b t e x 的降解速率是基本一致的甲苯的降解速率是最快的，但 不同的方法，除甲苯以外的其他单环芳香烃等苯系物降解速率的次序略有变化。 1 3 时间矩国内外研究现状 矩分析( m o m ) 应用是普遍存在的。它在物理、数学、化学等自然学科中均 得到广泛的应用。利用矩分析对地下水中污染物的研究，不仅只对实验数据或是 理论的研究，而且使得该学科得到更加充分的应用。矩分析可以进一步解决污染 物质的运移问题。尽管地下水流动具有许多不确定性，并且每个区域有不同的水 文地质条件，但是矩分析均可以分析污染物在这些区域地下水中运移的问题，目 前矩分析方法是最准确有效的一种方法啪1 。 概率密度分布函数在矩分析中起到很重要的作用。不仅因为它可以提供矩分 析方法的基本方程，它还可以应用于理论运移模型。溶解运移方程可以通过拉布 拉斯( l a p l a c e ) 或傅罩叶( f o u r i e r ) 转换，使之转换成与矩分析相应的矩分析方 程。 矩分析目前多数用来分析一维流妇，但也可用于多维流的分析乜引。它可以 模拟计算污染物在含水层的行为参数，如流速、阻滞系数、一级降解率等。而评 估计算的这些行为参数可直接用于实际生活中。所以只要知道污染物在任何某一 区域运移的行为参数和污染物质的量，以及通过对污染物进行定期的检测，就可 以很好的控制该污染物动态，为人们生活饮用水资源的安全提供保障。 目前对于矩分析的应用主要有两种：空问矩分析和时间矩分析。 空间矩分析是在1 9 5 6 年首先被a n s 用来研究管流中的弥散瞳引，之后被许多 学者用来研究不反应物质的运移心乱2 引。1 9 7 1 年h o m 对a r i s 使用的方法加以补充 修j 下，h o m 把a s 的内容研究范围扩大到可以研究地层较深部静止和运动的平 均污染浓度的运移1 。 然而，在众多的研究中，时洲矩分析比空间矩分析更准确、更合理。f s t a 印i t t i e t a l 型。通过对比矩分析方法r 订j 知时i 、日j 矩方法用于计算污染物参数最为简 洁有效。时问矩仅仪只需要利用污染物穿透曲线( b r e a k t h r o u 曲c u r v e s 简称b t c s ) 的零阶矩、一阶矩、二阶矩就可以计算出所需要的参数。时间矩不仅可以用于非 反应的物质在地下水中的运移，如b r 等示踪剂，也可以用于可反应物质在地下水 中的运移，如b t e x 等污染物。但是s u m i tm u l ( h o p a d h y a y 和j o l h lh c u s h m a n 2 7 1 研究发现运用时问矩所得到污染物的行为参数( 对流、弥散、吸附及一级降解率 等) 受污染物运移机制的影响。 时i 、日j 矩早期用于农业中肥料溶质的运移，之后被逐步应用到对地下水污染物 挂林理工大学硕士毕业论文 运移的研究。时间矩方法具有耗资少、运算方便等优点。前人在时间矩的应用与 研究上主要有： j i a nl u oe ta l ( 2 0 0 7 ) 瞄刚通过抽水注水实验，利用时间矩方法来分析实验所 得的b t c s 曲线，不仅很容易的计算出阻滞系数，而且还表明流场能改变示踪剂 的运行周期。 j v a n d e r b o r g h t 与h v e r e e c k e n ( 2 0 0 1 ) 幽1 利用溴离子作为示踪剂，通过用时间 矩对溴离子的b t c 曲线得出溴离子的运移速度，然后在用时间矩对污染物质运移 b t c s 曲线进行处理，得出污染物质在一维流下的流速、弥散系数等。 l i p i n gp a n g e ta l ( 2 0 0 3 ) 心们在砂柱中投入阿特拉津( a t r a z i n e ，一种除草剂) 、 环嗪酮( h e x a z i n o n e ) 及荧光粉( r h o d 锄i n e 、胛) 进行实验，再利用时间矩的方 法，得出这些运移物质的行为参数，如流速、弥散系数、阻滞系数及一级降解率 在盘 号手o n o m a sp t a l ( e ta l ( 2 0 0 4 ) m 1 为了更好的得出地层的特征及相关的参数，通过 在含水层与水井中投入示踪剂进行实验。他们用时间矩方法及其他的方法对可反 应物质与不可反应物质进行分析，获得地层中相应的特征及参数值。 x i n g r uw u e ta l ( 2 0 0 5 ) 口1 1 通过示踪实验，发现在生产中示踪剂浓度分布的一 阶时间矩用于计算孔隙水体积是很有效的，同样，时间矩对于计算流速及相关的 水文地质参数是很有效的。 s t e f 撕g 6 d e k ee ta l ( 2 0 0 6 ) 口钉利用荧光粉、溴离子及甲苯( 一般认为甲苯的阻 滞系数很小，基本接近于1 ，不考虑甲苯的溶解、吸附等等状况) 做为示踪剂， 然后再利用时间矩的计算，就可以很好的得出该处的水文地质特性及相关的参 数。 j i a nl u oe ta l ( 2 0 0 6 ) 【3 3 j 得出了截点( 截点就是指在运移物质在该点未到达零 而停止了检测或者是目前技术不能达到检测的要求) 对时间矩有影响的结论。对 于截点的b t c s 曲线，般把普通步长或脉冲步长作为输入的模型，这种输入是 最基本、最直接、对于截断的b t c s 曲线计算所得到的结果是最准确的。因此， 在对于运移物质的检测时要有频率多次的检测。 b m d a v i se ta 1 ( 2 0 0 2 ) 【3 4 j 用时间矩的方法对不同饱和状态下的三氯乙烯 ( t c e ) 进行b t c s 曲线进行计算，得出了不同的阻滞系数。当三氯乙烯的饱和 状态为o 2 o 9 ，其阻滞系数为1 1 1 5 之间；当三氯乙烯的饱和状态为6 5 时， 其阻滞系数为5 o 。 在国外，较早开始进行研究的是运用时间矩方法对污染物运移及参数的评 估，而且也取得了一定的成效。而我国目前运用时问矩方法对污染物运移的应用 与研究较少，特别是对b t e x 等单环芳香烃污染物的研究更少。 4 桂林理工大学硕士毕业论文 1 4 研究的目标、内容、技术路线及创新点 1 4 1 研究的目标 本研究通过在室内建立含水层模型，并在该含水层中投入汽油饱和溶液及含 乙醇的汽油饱和溶液，以溴离子作为示踪剂，在加入或不加入乙醇的条件下，研 究汽油组分b t e x 的运移参数( 如流速、一级降解率、阻滞系数及弥散系数等) 的变化情况以及乙醇存在对b t e x 迁移行为的影响。 1 4 2 研究的内容 本研究的主要内容包括： ( 1 ) 实验方案的确定。优化含水层的水文地质条件，确定含水层背景值， 稳定的水头压力以及流速，以最优的实验方案使得该含水层达到一维流的标准。 ( 2 ) 投入含有乙醇的汽油饱和溶液，以溴离子作为示踪剂。该溶液在实验 室模拟含水层中运移时，进行定频率( 建议改为定期) 的检测。分析运移过程 b t e x 与e t o h 的b t c s 曲线，并进行模拟计算，得出各物质在该含水层中相关 的参数。 ( 3 ) 投入不含乙醇的汽油饱和溶液，以溴离子作为示踪剂。研究b t e x 运 移的b t c s 曲线，然后进行模拟计算，得出各物质在该含水层中相关的参数。 ( 4 ) 通过对加入和不加入乙醇时的汽油饱和溶液中b t e x 在该含水层中运 移的行为参数( 流速、阻滞系数、一级降解率及弥散系数) 结果进行对比分析， 得出乙醇对汽油中b t e x 的影响情况。 1 4 3 研究的技术路线 5 桂林理工史学硕士毕业论文 本次实验的主要研究路线为： 分析污染物在多孔介质中的行为参数，确定污染物的 运移过程，及时的对环境污染作出评价。 1 4 4 研究的创新点 本研究的主要创新点如下： ( 1 ) 本实验研究不同于砂柱与微元体的研究，通过对浅层地下水含水层进 行模拟，能更好地反映野外汽油泄漏现场的特征，可为解决汽油污染含水层提供 参考依据。 ( 2 ) 利用时间矩对b t e x 等污染物在含水层中的行为参数参数进行分析。 时间矩分析污染溶解质的运移上世纪5 0 年代在国外开始应用，而在我国目前对 时问矩分析污染溶解质运移的相关报道较少。即便在国外，使用时间矩来分析 b t c s 曲线一般评价三个溶解运移物质的行为参数( 流速、弥散系数、阻滞系数) ， 或有时对通过时间矩的计算评价含水层介质的均匀性，但很少同时计算出四个及 6 挂林理工大学硕士毕业论文 一。 四个以上的( 流速、弥散系数、阻滞系数、一级降解率及含水层特性) 参数。本 文采用时间矩的计算与模拟，得出b t e x 在该含水层中的行为参数，同时评价该 含水层的几何特征参数。 ( 3 ) 本文通过对汽油中的b t e x 运移行为参数与乙醇混合汽油中b t e x 运移 的行为参数进行比较分析，得出汽油在加入乙醇之后，b t e x 运移参数相关的变 化，同时还可以确定乙醇对b t e x 的运移与归宿的影响。 7 桂林理工大学硕士毕业论文 第2 章时间矩的原理 前人研究表明，用时间矩方法来分析污染物穿透曲线( b t c s ) 所得到的污 染物在多孔介质中的行为参数是较准确的，在应用上也有显著的效果瞳引。污染物 穿透曲线( b t c s ) 与其通过土层孔隙的总量( 零阶矩) 、平均值的趋势( 一阶矩) 、 以及污染物在土层孔隙中的混合度( 二阶矩) 是相关的。因此，时间矩方法分析 污染物的b t c s 所得到的时间是污染物在土壤中运移的一个时间平均值的趋势， 该值并不是实际的时间。 通过利用对流弥散理论公式与检测出污染溶质的运移数据所形成的污染物 穿透曲线( b t c s ) ，时间矩就可进行较全面的分析。通常，时间矩应用于均质是 稳定的，一维水流饱水含水层介质中，但这种理想的条件是不可能存在的。尽管 时间矩的理论推导过程被严格的控制在一维的溶解运移情况下，但是时间矩也可 适用于三维流的矩分析心。 2 1 对流作用 在一定范围内，气体或液体的内部因为浓度( 或温度) 不同而失去平衡，结 果浓度( 或温度) 高的部分向浓度( 或温度) 低的部分流动，与此同时浓度( 或 温度) 低的部分向浓度( 或温度) 高的部分流动，这种现象叫对流。对流的最终 结果是气体或液体内部的浓度( 或温度) 趋于一致，从而达到平衡状态。 对流是地下水中溶质随地下水运移的最重要形式。由对流引起的平行于地下 水流向的线性地下水流速可表示为： v ，：一竺塑( 2 1 )v = ，ij n ，d l 式中：圪= 平均速度( m d ) ；厅= 水力传导系数( 姗，d ) ；仇= 有效孔隙度( 无 量纲) ；舢= 水力坡度( 1 “m ) 。 在地下水中的一维溶质对流弥散方程中，对流方程可以表达为： 善：，篓 ( 2 2 ) 一= 一1 ，一 ， 一、 一 式中，k = 平均速度( m d ) ；f = 污染物浓度( m 0 1 l ) ；，= 时间( d ) ：x = 运 移路径上距离( m ) 。 桂林理工史学硕士毕业论文 2 2 水动力弥散 水动力弥散是溶解污染物质传输过程中沿纵向和横向运移的过程。它包括机 械弥散和分子扩散，水动力弥散( d ) 是机械弥散和分子扩散的总和。在常规的 地下水流速条件下，机械弥散是导致水动力弥散的主要机理；而在地下水流速很 小的情况下，分子扩散才是引起水动力弥散的主要原因。 含水层中溶解污染物的扩散对污染物质的降解起到一个重要的作用。扩散一 方面使污染物浓度降低，一方面导致污染物向电子受体相对丰富的含水层横向地 段运移。 机械弥散有纵向和横向弥散之分。纵向弥散是溶质沿地下水水流方向上的扩 散，受空隙大小、摩擦力和弯曲度的影响；横向弥散是溶质沿垂直水流方向上扩 散，受孔隙介质的弯曲度影响，运移路径的弯曲变化能使溶质运移偏离溶解晕的 中心线。横向弥散又分水平横向弥散与垂直横向弥散，前者约为纵向弥散的l l o ， 后者约为水平横向弥散的1 1 0 。 溶解污染物质在地下水中的运移的浓度随着时间的变化而变化，对于这种情 况，常常用费克第二定律的一维方程式表达： 墨：d 堡 ( 2 _ 3 ) a td x 2 式中，优黝乒浓度随时间的变化( m o l d ) 。 2 3 一维对流一弥散模型 考虑水动力弥散作用后，一维对流一弥散方程可表示为： 箜：d ，箕飞箜 ( 2 4 ) ，。 b t。己x l。己x 式中：圪= 线性平均速度( 州d ) ；f = 污染物浓度( m o l l 3 ) ；历= 水动力弥散系 数( m 2 d ) ；芒= 时间( d ) ：x = 沿运移路径的距离( m ) 。 该方程考虑了对流与水动力弥散两个因素，为合理反映地下水中溶质的运移 规律，得到精确的数学模拟结果，对流弥散方程还必须考虑吸附与生物降解。 然而大多数的有机物污染物质在地下水中运移时，能够从地下水中的溶解态 转化为含水介质颗粒表面的吸附态。吸附是部分溶解性污染物从地下水中吸着到 含水介质颗粒表面的过程，其结果导致污染物运移相对于地下水平均运动速度出 现滞后现象，并引起地下水中污染物浓度降低，该过程还会影响到挥发与生物降 解。蝻1 。该过程是一个可逆的过程。当过高的有机污染溶质在地下水中运移，它就 9 桂林理工太学硕士毕业论文 会吸附到含水层的介质中，然而，当有机污染运移物质流走以后，该处的浓度就 会降低，此时，吸附的有机污染溶质就会进入到地下水中。 正是由于有机污染物质具有吸附性的特性，就导致阻滞了污染物质的向下游 的运移。假设阻滞系数蹴是表示污染物运移被阻滞的参量。对于线性吸附，阻 滞系数根据分布系数确定，其关系为： 尺：l + 丛鱼 ( 2 5 ) 式中：斤= 阻滞系数( 无量刚) ；p 6 = 含水层体积密度( m 0 1 m 3 ) ；尼= 分布 系数( m 3 m 0 1 ) ；力= 孔隙度。 污染物被阻滞后的运移速度k 由下式得出： v 。= 簧 ( 2 - 6 ) 式中：= 污染物被阻滞后的运移速度( i i l d ) ；n = 地下水平均运移速度( 珊，d ) ； 厅= 阻滞系数( 无量刚) 。 考虑溶质归宿运移过程中存在的吸附现象，一维对流一弥散方程变为： 尺詈= q 窘一匕篆 江7 ， 式中：圪= 地下水平均线性流速( n l d ) ；厅= 阻滞系数( 无量刚) ；f = 污染物 浓度( m o l m 3 ) ；级= 水动力弥散系数( m 2 d ) ；t = 时问( d ) ；x = 流动路径上的 距离( m ) 。 上述方程考虑了对流、水动力弥散和吸附( 阻滞) ，由于生物降解作用的存