滲透系數級差對污染物在低滲透透鏡體中的遷移影響研究

趙勇勝,韓慧慧,遲子芳*,李 琴,康學赫,劉茹雪

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滲透系數級差對污染物在低滲透透鏡體中的遷移影響研究

趙勇勝1,2,韓慧慧1,2,遲子芳1,2*,李 琴1,2,康學赫1,2,劉茹雪1,2

(1.吉林大學,地下水資源與環境教育部重點實驗室,吉林 長春 130021；2.吉林大學新能源與環境學院,吉林 長春 130021)

利用二維模擬槽研究非均質含水層中滲透系數級差對低滲透透鏡體內污染物遷移的影響,確定不同滲透系數級差下污染物在透鏡體中的波及效率和去除效率,建立低滲透透鏡體內波及/去除效率、入滲/反沖時間和滲透系數級差三者之間的定量關系.結果表明:在污染過程中,污染物的遷移速度隨滲透系數級差的增大而減小;在0.5m/d的地下水流速下,當滲透系數級差從3增大至52時,污染物波及效率達到100%所需要的時間從8h上升至360h;污染物的波及效率與入滲時間成正相關關系與滲透系數級差mn呈負相關關系,其函數關系為=(109.623/mn2+1.035/mn+0.447).在模擬抽出處理的過程中,污染物的去除速度隨滲透系數級差的增大而減小;當滲透系數級差從3增大至52時,污染物的去除效率達到100%所需的時間從13h升高至480h;污染物在透鏡體中的去除效率’與反沖時間和滲透系數級差mn的函數關系為’=(54.999/mn2+6.605/mn+0.098).對比兩個過程可發現,污染物在非均質含水層中的污染和修復過程在時間方面呈現出不可逆性.隨著滲透系數級差的增大,污染和去除過程中低滲透透鏡體內波及/去除效率達100%的時間差值從5h逐漸增大至120h,“拖尾”效應越來越明顯.

滲透系數級差；低滲透透鏡體；波及效率；去除效率

近年來,地下水污染問題日益嚴重[1-4],污染場地的修復和治理得到了高度重視,為了制定經濟有效的修復方案,必須掌握污染物在地下遷移的規律,預測污染范圍及其遷移路徑.非均質含水層中污染物的遷移情況更為復雜[5-6],特別是在地下廣泛存在的低滲透透鏡體的修復過程中,修復試劑在高滲透區易形成“優先流”在低滲透區易形成“繞流”現象,導致其在低滲透介質中的遷移效率低;并且當高滲透區的污染物濃度降低后,低滲透區的污染物在濃度梯度的作用下會持續不斷的向高滲透區擴散釋放,導致污染物的“拖尾”效應.因此,確定非均質含水層中滲透系數級差對污染物的滯留及遷移影響對非均質含水層的污染修復具有重要意義.

室內二維模擬槽目前已成為研究多相流遷移、污染物遷移及修復[7-8]等問題的重要工具.圖像分析法是模擬槽實驗中考察溶質運移過程的一種常用方法[9-11],該方法具有直觀性、圖像易采集性、費用低等優點.亮藍因背景值低、毒性低、溶解度高,與含水層介質顏色形成鮮明對比,具有良好的移動性和可視性,因此被大量研究采用[12-16].目前已有大量學者對非均質含水層中污染物的遷移規律進行研究[17-20].Brendan等[21]以1.32mL/min的流速注水反沖洗預先飽和染料的二維模擬槽,研究非均質中低滲透區的溶質運移問題,研究發現,當滲透系數級差為6時染料主要發生宏觀彌散不產生拖尾效應,滲透系數級差為300時染料運移以對流為主并產生拖尾效應,滲透系數級差達到1800時染料主要發生分子擴散,并且拖尾現象最為明顯.陳震等[22]研究發現在滲透系數級差為80和150的非均質條件下亮藍在模擬槽內的最大貯存質量與滲透系數級差呈負相關關系,與注入速度呈正相關關系.程洲等[23]在表面活性劑原位沖洗修復試驗中發現透鏡體內TCE的修復效率隨滲透系數級差的增大而減小.Yang等[24-26]發現在粗砂/粘土高滲透系數級差下染料會在低滲透區發生緩慢的反向擴散,形成二次污染源.現有研究主要是針對滲透系數級差與污染物運移規律的定性研究,并沒有給出污染物的遷移規律與滲透系數級差和時間的定量關系.因此本實驗在前人研究的基礎上,以亮藍代替可混溶的非反應性污染物,通過室內二維模擬槽實驗研究不同滲透系數級差條件下低滲透透鏡體中污染物的遷移規律,建立污染物的波及效率和去除效率與滲透系數級差和入滲/反沖時間的定量關系,以期為非均質污染含水層中低滲透地層污染范圍和抽出處理時間的確定提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置選用尺寸為500×400×50mm的二維有機玻璃槽,兩側設有20mm布水隔室,如圖1所示.實驗采用濕法填砂[27],避免干法填砂后期飽水時產生氣泡而改變介質的滲透性.在模擬槽正中間裝填一個長25cm、寬5cm、高10cm的低滲透透鏡體.裝填過程中,保持砂箱中水位高于石英砂1~2cm,每裝填2cm石英砂后用鋁錘夯實,保證介質完全飽水且填充均勻.裝填外圍介質時,控制相同質量石英砂裝填高度相同,使每組實驗中相同外圍介質的滲透系數不變.

圖1 實驗裝置示意

a.染料b.蠕動泵c.模擬槽

1.2 實驗材料

實驗采用可食用的亮藍染料代替可混溶的非反應性污染物;為了便于觀察污染物的遷移過程,采用含泥量低、染色效果明顯的白色石英砂模擬含水層介質(購自新沂市明亮石英砂廠).6種介質巖性及其物理特性如表1所示.

表1 模擬含水層介質物理特性

1.3 實驗方法

二維模擬槽高滲透區裝填介質粒徑為2~ 3.5mm,低滲透透鏡體分別選用5種介質,粒徑分別為1~2mm、0.5~1mm、0.25~0.5mm、0.1~0.5mm、0.1~0.25mm.設置地下水流速為0.5m/d,利用蠕動泵以6.5mL/min的速度注入100mg/L的亮藍溶液,以染料剛接觸透鏡體邊緣為起始點,染料完全穿透透鏡體為終點計時,在相同時間間隔下在二維模擬槽上對透鏡體中染色的區域鋒面畫線記錄,以用來分析透鏡體的整個污染過程,同時拍攝照片,利用GMS軟件對圖片進行后期處理,計算每個時間段染料進入透鏡體中的面積,研究不同滲透系數級差下低滲透透鏡體中污染物的遷移規律.每組實驗監測的時間間隔根據染料在透鏡體中的遷移速度設置,具體設計如表2所示.待整個二維模擬槽完全染色后,以相同的流速注清水反向沖洗(模擬抽出處理技術),以注入水剛接觸染色透鏡體邊緣為起始點,透鏡體中染料被完全沖出為終點計時,采用上述方法畫線記錄染料的遷出過程并拍攝照片,利用GMS軟件求出每個時間段染料從透鏡體中的遷出面積,研究不同滲透系數級差下低滲透透鏡體中污染物的去除規律.

表2 實驗方案一覽表

2 結果與討論

2.1 滲透系數級差對非均質含水層污染過程的影響

不同滲透系數級差下不同時刻污染物進入透鏡體的遷移情況如圖2所示,圖中黑色矩形內為低滲透透鏡體區域,矩形外圍為高滲透區域,黑色標記線為相同時間間隔下污染物的遷移范圍.

圖2 不同滲透系數級差下染料進入透鏡體的遷移過程

雖然污染物的注入方式和速度相同,但受介質的非均質性影響,污染物在低滲透透鏡體中的遷移行為表現出顯著差異.如圖所示,當滲透系數級差為3時,污染物完全穿透透鏡體需要8h,滲透系數級差為7時需要40h,滲透系數級差為13時需要90h,滲透系數級差為52時所需時間上升至360h,而此時滲透系數級差為105的透鏡體中污染物的波及效率僅達到87.14%.滲透系數級差越大,污染物進入低滲透區越慢,在低滲透區的遷移速度越小.當mn=52和105時,透鏡體中污染物的濃度低于高滲透區的濃度,滲透系數級差越大,進入透鏡體中染料的顏色越淺,濃度越低.污染物在低滲透區既有橫向遷移又有縱向遷移,并且縱向遷移在開始注入污染物一段時間后才開始顯現,這是因為橫向遷移時主要受水動力作用,而縱向遷移主要受分子擴散作用的影響.由于擴散作用力小于水動力作用力,所以縱向遷移速度低于橫向遷移速度.

利用GMS軟件分析一定時間內污染物在低滲透透鏡體中的遷移面積,并計算其占低滲透區域總面積的比例,將其定義為波及效率,計算公式如(1)所示.

式中:為波及效率;1為透鏡體中被染料染色區域的面積,cm2;2為透鏡體的總面積,cm2;不同滲透系數級差的非均質介質中,污染物在透鏡體中的波及效率隨時間變化如圖3所示.

圖3 不同滲透系數級差下污染物在透鏡體中的波及效率

Fig.3 The sweep efficiency of dyes in the lens under different permeability ratio

當滲透系數級差從3逐漸升高到52時,污染物波及效率達到100%所需要的時間從8h大幅度上升到360h.這是因為介質粒徑越小,滲透系數越小,透水性越弱,當污染物運移到透鏡體界面時,需要克服的阻力變大,形成阻擋屏障,因此發生繞流現象.滲透系數級差越大的透鏡體阻力越大,繞流現象越明顯.由圖3還可見,當滲透系數級差為3、7、13時,波及效率與時間呈線性相關關系,當滲透系數級差為52、105時,明顯不是線性關系,為了獲得波及效率的變化速率,對曲線前半段(￡192h)進行線性擬合,其擬合方程及相關系數如表3所示.隨著時間延長,波及效率直線的斜率略有減小,且滲透系數級差越大,曲線斜率變化趨勢越緩,說明污染物在透鏡體中的遷移速度變小.這是因為污染物在透鏡體中遷移時,對流作用隨著遷移距離增大而減小,污染物遷移的有效動力變小.

表3 污染物的波及效率Z與時間t關于Z=bt線性擬合方程

圖4 b關于Knm的二次多項式方程擬合

圖5 污染物在透鏡體中遷移的三維模型

不同滲透系數級差非均質含水層中污染物波及效率直線方程的斜率相差較大,考察其與mn的關系,發現與mn的倒數nm正相關,建立與nm的函數關系,如圖4所示.將與mn函數關系帶入污染物波及效率方程,得到污染物波及效率與滲透系數級差mn及入滲時間的函數關系:=(109.623/mn2+1.035/mn+0.447),三維模型表達如圖5所示.將原始數據帶入進行模型擬合,發現實驗數據與模型具有較好的擬合效果,說明此模型可以模擬污染物在非均質含水層中的遷移情況.

2.2 滲透系數級差對非均質含水層中污染物遷移的影響

待二維模擬槽完全染色,以相同的流速注清水反向沖洗模擬抽出處理技術,不同滲透系數級差下不同時刻透鏡體中污染物的去除情況如圖6所示,黑色標記線為相同時間間隔下污染物的去除范圍.

圖6 不同滲透系數級差下污染物在透鏡體中的去除路徑

圖7 污染物在不同滲透級差透鏡體中的去除效率

從圖6可以看出,污染物的去除路徑最后都形成了羽狀,發生了拖尾效應.當滲透系數級差為3、7時拖尾現象不夠明顯,當級差增大至13、52、105時,拖尾現象越來越明顯.當滲透系數級差為3時,污染物全部去除需要13h,滲透系數級差為7時需要49h,滲透級差為13時需要108h,滲透系數級差為52時大幅度上升至480h,而此時滲透系數級差為105的透鏡體中污染物的去除效率僅達到74.67%.滲透系數級差越大,污染物越難從透鏡體中去除.

利用GMS軟件計算一定時間內污染物從透鏡體中的遷出面積,不同滲透系數級差的非均質介質中,污染物在透鏡體中的去除效率隨時間變化如圖7所示.

由圖7可知,滲透系數級差越大,染料被完全沖出透鏡體所需要的時間越長,速度越慢.這是因為染料主要靠水動力被去除,滲透系數級差越大,低滲透區滲透系數越小,水進入透鏡體需要克服的阻力越大,透鏡體中染料獲得的有效動力越小,越難被去除,拖尾現象越明顯.污染物的去除效率與時間呈線性相關關系,其擬合方程及相關系數如表4所示

同理,考察與mn的關系,建立與nm的函數關系,如圖8所示.將與mn函數關系帶入污染物去除效率方程,得到污染物去除效率’與滲透系數級差mn及反沖時間的函數關系:’=(54.999/mn2+ 6.605/mn+0.098),三維模型表達如圖9所示.將原始數據帶入進行模型擬合,發現實驗數據與模型具有較好的擬合效果,說明此模型可以模擬抽出處理過程中非均質含水層中污染物的去除情況.依據此模型,為抽出處理的時間確定提供理論依據.

表4 污染物的去除效率Z’與時間t關于Z’=bt線性擬合方程

圖8 b關于Knm的二次多項式方程擬合

圖9 污染物從透鏡體中去除的三維模型

2.3 滲透系數級差對非均質含水層中污染物滯留的影響

將上述污染物在非均質含水層中的遷入和遷出方程建立三維模型,如圖10所示.

從圖中可以看出,相同條件下,污染物在同一透鏡體的波及效率都大于其去除效率,即污染物進入透鏡體的速度大于被沖出的速度.這是因為污染物進出透鏡體過程中受到的水動力是相同的,但是進入透鏡體時,不斷注入的污染物相當于一個泄露的污染源,高滲透區污染物的濃度始終高于透鏡體中的濃度,這種較大的濃度梯度導致染料分子擴散的速度很快;而在反沖洗時,由于非均質的影響,高滲透區的污染物最先被去除,這時透鏡體中的污染物相當于污染源,在不斷的反沖下,透鏡體內污染物濃度越來越低,與高滲透區中污染物的濃度梯度越來越小,所以染料分子擴散速度變小,而且介質對污染物具有一定的吸附作用,所以污染物的遷入速度大于其遷出速度,這種在透鏡體中的易進難出表現為拖尾效應.當滲透系數級差為3時,污染物完全進入透鏡體的時間與被去除的時間相差5h,滲透系數級差為7時相差9h,滲透系數級差為13時相差18h,滲透系數級差為52時相差120h,拖尾效應隨著滲透系數級差的增大表現的更加明顯,這是因為滲透系數級差越大的非均質中低滲透區的滲透系數越小,對污染物的阻截能力越強,污染物擴散出去的速度越慢.

圖10 污染物波及效率與去除效率的關系

3 結論

3.1 非均質含水層的滲透系數級差越大,污染物進入低滲透透鏡體中所需的時間越長;污染物在透鏡體中的波及效率與滲透系數級差mn及時間的關系:=(109.623/mn2+1.035/mn+0.447),依據此方程,可以預測污染源泄露之后,污染物在低滲透介質中的波及情況.

3.2 非均質含水層的滲透系數級差越大,污染物在透鏡體中的滯留時間越長;污染物從透鏡體中的去除效率’與滲透系數級差mn及時間的關系:’=(54.999/mn2+6.605/mn+0.098),依據此模型,為污染地下水抽取處理的時間確定提供理論依據.

3.3 非均質含水層中,污染物在透鏡體中的波及效率大于其去除效率;從透鏡體中去除的時間大于其進入的時間,并且隨著滲透系數級差的增大,污染物去除和進入的時間差值從5h逐漸增大至120h,拖尾現象越明顯,需要修復時間越長.

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Study on the influence of contrasts of hydraulic conductivity on the migration of contaminants in low-permeability lens.

ZHAO Yong-sheng1,2, HAN Hui-hui1,2, CHI Zi-fang1,2*, LI Qin1,2, KANG Xue-he1,2, LIU Ru-xue1,2

(1.Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment, Ministry of Education Jilin University, Changchun 130021, China；2.College of New Energy and Environment, Jilin University, Changchun 130021, China)., 2018,38(12)：4559~4565

Two-dimensional chambers were used to study the influence of permeability on the pollutant migration in the low-permeability lens of heterogeneous aquifer, and the spreading and removal efficiency of contaminant was calcuated. Also, a quantitative relationship between the spreading/removal efficiency, the contrasts of hydraulic conductivity and the time was established as a consquence. Results showed that the dye’s migration speed got slower as the contrast of hydraulic conductivity increased, and the time of getting 100% dye’s spreading efficiency increased from 8 to 360 hours when the contrasts of hydraulic conductivity increased from 3 to 52 at a natural groundwater flow rate of 0.5m/d. The spread efficiency of the pollutant is positively correlated with the time but negatively correlated with the contrasts of hydraulic conductivity, and the function could be expressed as:=(109.623/mn2+1.035/mn+0.447). Then water was injected to flush the dye at the same flow rate of 0.5m/d to simulate the Pump-and-Treat Technique to remediate the contaminant. Results showed that the larger of the contrast of hydraulic conductivity, the faster of the removal rate. When the contrast of hydraulic conductivity increased from 3 to 52, the removal time dye increased from 13 to 480 hours, and the fuction of the spreading/removal efficiency with cont-rasts of hydraulic conductivity and time could be expressed as:’=(54.999/mn2+6.605/mn+0.098). Comparing the two processes, it can be found that the pollution and remediation process of the contaminant in the heterogeneous aquifer is irreversible in terms of time.Under the same conditions, the entry rate of the dye was always lager than the removal rate, and the time difference increased gradually from 5 to 120 hours with the increase of the contrast of hydraulic conductivity, which means the tailing effect becoming more and more obvious.

contrasts of hydraulic conductivity；low-permeability lens；spread efficiency；removal efficiency

X523

A

1000-6923(2018)12-4559-07

趙勇勝(1961-),男,內蒙達茂旗人,吉林大學環境與資源學院環境工程系教授,博士,主要從事水土污染控制與修復方面的研究.發表論文52篇.

2018-04-23

國家自然科學基金重點項目(41530636);國家自然科學基金面上項目(41772244);國家留學基金資助項目(201806175055)

* 責任作者, 副教授, chizifang@jlu.edu.cn