裂隙介质中LNAPL污染物迁移研究进展

（河海大学地球科学与工程学院，江苏 南京 211100）

0 引言

近年来，随着城市化和工、农业的快速发展，超负荷的开发利用使地下水污染逐渐加重，特别是以石油类污染物为代表的有机物污染己成为国际科学界的研究热点和难点[1-6]。造成地下水石油类污染的主要原因是各类污染源的防渗措施不到位，污染源主要有垃圾填埋场、石油加油站、各类输油管线、储油罐和各种农业污水沟塘等[7]。石油类污染物一般为不溶于水的持久性有机污染物，毒性高、难降解、密度比水小，多属轻非水相流体（Light Non-aqueous Phase Liquid，简称LNAPL）。据统计，全球每年有1 ×1012kg 的石油类污染物通过各种途径进入环境中，并通过雨水或地表水下渗导致许多地区地下水的严重污染，我国每年大约有6.0 × 109kg 的石油进入环境大气、水体及土壤中造成了严重的污染[7]。石油产品的污染问题已经成为我国广泛关注和亟待解决的重要环境安全问题之一。

目前大多数LNAPL 污染物迁移的研究主要集中在孔隙介质中，而在裂隙介质中，LNAPL 污染物的迁移属于多相流问题，其渗透率、饱和度和毛细压力等均随时间和空间发生变化，使得LNAPL 污染物的迁移在重力、水压力和毛细压力等共同作用下变得尤为复杂[8]。本文以地下水的开发利用与污染修复为背景，从裂隙介质中LNAPL 的迁移规律和监测方法2 个方面综述LNAPL 在裂隙介质中迁移的研究进展，从机理、模型以及数值模拟等角度系统分析最新研究成果，并对未来发展进行展望，以期为LNAPL 在裂隙岩体中的迁移预测和修复提供科学依据。

1 多相流迁移数学模型

在裂隙介质非饱和带中，涉及水相、LNAPL 相以及气相等多个组分的迁移问题属于多相流问题，多相流方程基于各组分的质量守恒定律、达西定律、热量守恒定律以及力平衡定律等。若不考虑温度和非平衡力的影响，由质量守恒定律和达西定律可得各组分i 的控制方程为[9]：

式中：ρo，ρw和ρg分别为非水相液体、水和气体的密度；kro，krw和ksg分别为非水相液体、水和气体的相对渗透率；k 为介质的绝对渗透率；μo，μw和μg分别为非水相液体、水和气体的动力粘度；Po，Pw和Pg和分别为非水相液体、水和气体的压力；n 为空隙度；So，Sw和Sg和分别为介质中非水相液体、水和气体的饱和度；Rs为标准状态下从非水相液体中逸出的气体体积与非水相液体的体积之比，即气体在非水相液体中的溶解度；Rsw为标准状态下从水中逸出的气体体积与水的体积之比，即气体在水中的溶解度。

2 迁移规律研究

2.1 迁移机理

石油类污染物发生泄漏时，在下渗进入地下的过程中主要受到重力、毛细压力、粘滞力以及浮力等的影响。LNAPL 下渗进入地下时，由于比水轻，现有研究大多认为会在地下水面聚集，并在地下水位上方形成LNAPL 池。但当在地下水面聚集时，垂直裂隙发育的岩体中LNAPL 的压力会压低地下水位，从而驱替水流促使LNAPL 进入地下水位以下的裂隙网络中[10]。同时，裂隙岩体中裂隙的走向和裂隙网络发育特征会影响LNAPL 所受浮力大小，从而影响LNAPL 在饱和裂隙岩体中迁移和分布特征，目前尚未建立裂隙系统中LNAPL 污染物的现场研究方法[11]。DOU Z 等[12]利用LBM 法探究了充填单裂隙中NAPL 的迁移机理，并在随后的研究中分析了填充物非均质性引发的拖尾效应；HUANG Y 等[13]通过室内裂隙模拟研究了水平单裂隙对LNAPL 迁移的影响，并详细分析了LNAPL 迁移过程中的电阻率变化；卢斌等[14-15]选取甲苯作为LNAPL 的代表污染物，在页岩透明仿真裂隙中开展了变隙宽条件下LNAPL 的迁移和残留研究，分别揭示了LNAPL 残留分布规律以及“裂隙-水-LNAPL”系统内的相互影响机制：自由相的LNAPL 主要沿着裂隙中的狭长通道迁移到内部，在隙宽较小的区域有少量孤立的LNAPL 液滴残留，LNAPL 会随着地下水位的上升而向上迁移；肖岳峰等[4]设计了二维有机玻璃的单裂隙模型，用以研究LNAPL 在含裂隙层状非均质地层中优先流现象；HUANG Y 等[16]通过裂隙-孔隙介质模型的砂槽试验验证了优先流现象，并且通过驱替试验揭示了LNAPL 迁移和修复机理。

2.2 试验模型

裂隙岩体的渗透性能取决于裂隙的发育特征，裂隙隙宽决定着水流和LNAPL 污染物进入裂隙的能力。在裂隙岩体渗流方面，国内外很多专家和学者做了大量的研究工作，总结现有的研究成果，主要有以下4 种[11]：①等效连续介质模型：把岩体视为等效连续地质体，引入渗透系数张量的概念；②离散裂隙网络模型：忽略岩块的渗流，岩体基质视为不透水，仅研究地下水流在裂隙网络中的流动；③双重介质模型：将裂隙岩体分为大裂隙导水和孔隙及小裂隙储水2 部分，认为主干-分枝裂隙广泛存在于整个研究区域；④离散介质-连续介质耦合模型：用离散裂隙网络模型描述主干裂隙中的水运动，用等效连续介质模型描述次要裂隙和孔隙中的水运动，由次要裂隙和孔隙等效成的连续介质充满整个研究区域，离散的主干裂隙按实际产状分布于连续介质中。裂隙网络是由众多单条裂隙组成的，单一裂隙是构成岩体裂隙网络的基本元素，所以研究其渗流基本规律是岩体水力学的基本任务，一般通过立方定律来描述。在非饱和裂隙岩体中，对于水平不连通的裂隙，流体压力水头为0 m，LNAPL 不发生迁移；对于垂直裂隙，裂隙倾角为90°，重力影响大，会成为LNAPL 向地下水面迁移的主要通道。当LNAPL 污染物到达地下水面时，在饱和裂隙岩体中的迁移取决于流体的密度差、流体界面张力、裂隙隙宽和流体压力等。同时，需要指出的是，立方定律的适用条件为光滑单裂隙，对于实际工程应用中的粗糙裂隙，可能符合超立方定律和次立方定律。研究LNAPL 在裂隙介质中迁移所需的一些关键参数见表1。

2.3 数值模拟

由于LNAPL 的运动不仅与裂隙隙宽、粗糙度以及饱和度有关，同时还受到LNAPL 的密度、粘滞性、表面张力以及温度等的影响，迁移机理较为复杂。传统的室内物理模型仅能模拟一般工况下LNAPL 的迁移过程和规律，对于复杂工况下的LNAPL 的迁移预测需要通过数值模拟来完成。最早应用于NAPL在土壤中迁移的二相流数值模型表明大部分污染物集中在浅层地表；考虑到LNAPL 迁移的不确定性，可以构建不混溶流体的二维模型模拟了饱和以及非饱和2 种条件下的迁移特征；SOOKHAK L K 等[17]综合LNAPL 迁移的特点，对污染场地的模型构建方法和修复技术的模拟优化提供了一定参考；AHMED W 等[20]为查明LNAPL 的渗透率和回收率，通过多相流DUMUX 模型模拟了NAPL、水和空气三相条件下的流动，随后使用改进的Bouwer-Rice 法验证了该模型；根据现场地层特征和水文地质条件，采用API/Charbenau 模型预测分析了LNAPL 羽流的分布，进而验证LNAPL 修复去除的可行性；岩体基质进入压力对于非水相液体在裂隙岩体中迁移的重要性，可通过CompFlow 模型模拟垂直单裂隙以及某场地的非水相液体迁移过程；利用CompFlow 模型预测分析某白云岩区非水相液体污染物的分布，与监测数据吻合度很高，运用HGS 模型对场地内8 口抽提井的修复效果进行了模拟评估。卢斌等[14]在单裂隙室内试验的基础上，运用FEFLOW 模拟了粗糙单裂隙中LNAPL 的迁移过程以及LNAPL 残留态对水流运动的影响；为研究包气带中裂隙对LNAPL 迁移和分布的影响，赵科峰等[6]构建了室内试验模型和TOUGH2 数值模型，并对其进行分析预测；肖岳峰等[4]通过PetraSim 模拟预测了LNAPL 在含裂隙层状非均质地层中的运移。

多年来，裂隙网络系统模型的建立主要通过现场实测统计完成，包括裂隙的组数、产状、裂隙间距以及迹线长度等，进而建立统计模型。自20 世纪50年代开始，许多学者致力于裂隙网络系统的模拟技术研究。应用在计算机裂隙网络模拟上的Monte-Carlo 方法得到快速发展，按照已知的密度函数进行随机抽样，从而得到与实际分布函数相似或相对应的人工随机变量，进而推算出每条裂隙的端点坐标，研究通过建立多层次的Monte-Carlo 方法，在三维裂隙网络的流量计算中表现良好。

3 监测方法研究

现阶段，识别和查明LNAPL 污染物的现场监测方法主要依靠在污染场地内布设一定数量的监测井，采集井中水样分析判断LNAPL 污染羽的厚度，这对查明LNAPL 迁移过程的帮助是有限的[19-20]。目前，裂隙岩体中依靠监测井来模拟和评估LNAPL 迁移的模型主要有2 种，一种是传统的Darcy’s 定律，建立迁移速度与裂隙渗透率、梯度、粘滞系数等的函数关系；另一种是引入毛细压力-饱和度的概念，等效为孔隙介质模型处理。在离散的裂隙介质中，裂隙岩体一般渗透性很低，裂隙连通效果不详，并且LNAPL 的迁移还受到裂隙几何特性、介质特性以及LNAPL 本身性质的影响；在隙宽较大的垂直裂隙中，LNAPL 污染物并不只是存在于地下水面附近，其在重力等因素的影响下会入渗到地下水深处；通过监测井获取场地的LNAPL 污染数据，受裂隙网络连通性、裂隙与监测井的交叉角度等的制约，监测井无法切穿所有裂隙，未切穿的裂隙中存在的污染物无法被查明，并且在某种特殊情况下，监测井会同时切穿2 条本不连通的裂隙，形成了裂隙网络水流运动和污染物迁移的通道，造成更大范围的污染。因此，在复杂裂隙网络岩体中，通过监测井技术获取的污染物厚度和迁移范围很难准确反映LNAPL 的分布情况，孔隙介质模型在复杂裂隙网络介质中推广具有一定的局限性。

近年来，随着技术水平的提升，地球物理方法在土壤和地下水污染探测方面的研究越来越多，包括电法、地震勘探、探地雷达等[21-24]。许多研究从LNAPL污染介质的电阻率特性展开，通过二维或三维砂箱或水槽，探究介质组成、污染物种类、含水饱和度、含油饱和度以及水位波动等因素对污染介质电阻率的影响，进而还原LNAPL 的迁移和分布。潘玉英等[25]为深入探究柴油在滨海砂质含水层中的动态迁移过程，自行开发研制了基于Wenner 法的电阻率探杆自动监测系统，监测结果采用Archie 公式拟合，很好地估算了柴油透镜体的厚度；陶佳辉等[26]通过TOUGH 2 中的T2VOC 模块模拟研究了LNAPL 污染源区的多相流，详细模拟了泄漏量、非均质性、含水量以及潜水面周期变化等因素对LNAPL 分布的影响；尤志鑫等[27]认为污染介质的相对介电常数会随着体积含水量和含油量的增加而增大，直到达到饱和状态，逐渐趋于稳定，并且与DCLOOR 模型理论值相近；但史柏语[28]认为LNAPL 引起的介电常数变化并不明显，随后运用全极化探地雷达系统对污染场地进行了探测，运用极化偏移算法重构的效果很好；关于透镜体厚度的计算，罗凌云[29]运用BC，VG 和FX 模型分别拟合预测了LNAPL 在包气带中形成的透镜体厚度，并结合室内水槽实验在地下水位波动条件下进行了验证。获取迁移数据的一些代表性的表征方法见表2。

表2 裂隙介质中LNAPL 表征方法

4 结论与展望

（1）目前孔隙介质渗流问题的探究已建立较为系统的理论体系，并且对岩体裂隙渗流研究也取得丰富成果。但由于裂隙网络中水流运动的非均质性和各向异性，关于充填物组成对裂隙网络中水流运动影响的研究还很少，仅有少部分关于水平或垂直单裂隙的研究成果，不符合真实地质情况，对于野外大量存在的交叉充填裂隙网络的系统研究还不足。

（2）在LNAPL 迁移规律的研究方面，国内外许多学者通过室内试验和现场试验、解析法和数值法等多种手段对LNAPL 在孔隙介质中的迁移和分布进行了系统研究。但关于裂隙岩体中LNAPL 迁移的有关研究大多以多种假设条件下的实验室仿真裂隙为主，并通过数码相机等定性分析和数值模拟处理，会造成结果的失真，缺乏实验室地下水流场条件下针对LNAPL 在真实裂隙岩体中的迁移机制研究和定量分析，LNAPL 在裂隙岩体中迁移引起的压力值变化还不明确，缺少统一认识。

（3）LNAPL 的迁移不仅与裂隙隙宽、粗糙度以及饱和度有关，同时还受到LNAPL 的密度、粘滞性、表面张力以及温度等的影响，迁移机理较为复杂，且开展污染场地现场试验的成本很高，针对复杂工况下LNAPL 在裂隙岩体中的迁移往往通过数值模拟来完成。国内对于LNAPL 迁移的相关研究开展较晚，且大多集中在孔隙介质领域和实验室中，少有真实裂隙岩体污染场地的研究，国外已经采用了CompFlow，HGS，STOMP 以及DUMUX 等模型模拟污染场地中NAPL 的迁移和分布。但上述模型大多都存在模型条件苛刻、裂隙数量有限、数据工作量大以及参数校正困难等问题，应用Monte-Carlo 算法推算裂隙端点坐标的随机裂隙网络生成技术对真实裂隙网络的反映具有良好的效果。

（4）目前地球物理方法在污染物探测领域的应用主要集中在孔隙介质中，针对裂隙岩体，基于过程可视化与电阻率参数响应污染溶质对于充填裂隙地下水渗流和运移特性研究及有效信息提取等方面的应用研究还很少，在应用过程中，容易出现探测效果不好，迁移范围不明确，不同程度的LNAPL 低阻异常问题。考虑到裂隙网络的复杂性，监测LNAPL 的迁移具有很多的不确定性，寻求多种方法的联合使用可能是未来的发展方向。