污染土壤高壓旋噴修復藥劑遷移透明土試驗及數值模擬

武亞軍，韓亞東，唐 欣，陳 敏，陳天慧

（1. 上海大學土木工程系，上海200444；2. 上海市巖土工程檢測中心，上海200444）

土壤是生態系統的重要組成部分，是人類生存和發展的基本自然資源。隨著經濟高速發展，大量的生活垃圾、工業廢物未經處理就直接排放，在自然因素的影響下轉移至土壤環境中［1］。隨著時間的推移，土壤污染物大量富集在農作物內，通過食物鏈進入人體，嚴重危害人類健康。近年來，中國工業化進程中土壤污染問題日益突出，國內的污染場地數量增多，造成了巨大的環境與安全危害［2］。在2014 年公布的《全國土壤污染狀況調查公報》［3］中顯示，全國土壤污染總超標率達到16.1%。因此，對污染土壤進行修復亟需提上日程。

依據場地污染類型、修復藥劑的不同，注藥方式也各不相同，藥劑注入與均勻化控制技術是原位修復的關鍵，常用的藥劑注入技術有直壓式注射法、注射井法和高壓旋噴注射法等［4］。高壓旋噴注藥法是近年來應用于污染土壤修復的一種原位注藥方式，適用于滲透性較小的粘性土壤［5］，目前在上海地區已經被應用于一些污染土壤場地的原位修復工程中，并突顯出強大的生命力。高壓旋噴注藥法是將帶有特殊噴嘴的注漿管，置入預先設定的深度，以高壓射流切割土體，同時旋轉提升，土體被切割成泥餅狀（圖1），藥劑存在于相鄰泥餅之間的縫隙中，然后向泥餅內擴散。修復效果與藥劑的遷移和分布密切相關，只有藥劑滿足一定濃度的區域才能達到最佳修復效果，藥劑濃度過高或過低都無法達到預期修復目的。目前對于修復藥劑在高壓旋噴所形成的泥餅內擴散規律的研究鮮有報道，工程實踐中急需相關指導性的研究成果。

圖1 高壓旋噴注藥后的泥餅土樣Fig.1 Mud cake soil sample after high pressure rotary spray

目前，針對修復藥劑在污染土壤中遷移的研究成果較少，在遷移擴散過程中修復藥劑可以看作是一種溶質，探究修復藥劑在泥餅中的遷移過程類似于探究溶質在多孔介質中的遷移，因此，可以借鑒污染物等溶質的研究方法對修復藥劑的遷移擴散規律開展研究。國內外學者采用試驗和數值模擬等手段對污染物的遷移特性進行了大量研究。在試驗方面：鄭順安等［6］通過土柱模擬試驗并應用Hydrus-1D軟件研究了我國七種典型農田土壤中銅的吸附解吸、遷移積累等特性。Patrick 等［7］研究認為擴散和固結引起的對流作用對溶質遷移有重要影響。章明奎等［8］用室內模擬的方法研究了兩種抗生素在7 個典型農業土壤中的吸附和遷移行為，研究表明這兩種抗生素在粘質農業土壤剖面中的遷移能力較弱，砂質土壤中較易。上官宇先、王亞平［9］通過土柱淋濾試驗研究了不同土壤質地對多種重金屬的吸附特性及其在土壤中的運移特性。李小孟等［10］通過土柱吸附試驗研究表明土壤中溶解態有機質有利于重金屬離子向下遷移。

在數值模擬方面：林青等［11］用Freundlich 方程對鎘在粉壤中運移過程進行了數值模擬，研究了不同土壤對鎘運移的阻滯能力。許增光等［12］針對緩慢注氧修復技術開發了相應程序，結果表明注氧井離污染源越近能達到更好的修復效果。趙栗笠等［13］應用Visual Modflow 軟件對存在滲油的加油站進行場地模擬分析，建立了甲基叔丁基醚（Methyl tert-butyl ether，MTBE）的三維羽狀污染模型，分析污染源強度并預測其對周圍區域產生的影響。

從以上研究可以看出，室內試驗中的土樣通常采用常規土壤，在取土檢測過程中不僅會對土壤產生擾動影響分析結果；而且還無法連續觀測土體內部溶質遷移的全過程。為解決這一問題，近年來透明土試驗技術被引入到巖土工程中來。孔綱強等［14］應用熔融石英砂、混合油制成透明土試樣，進行電滲模型試驗，研究得到滲透率與福建標準砂的滲透率接近。Iskander、Liu［15］采用無定形二氧化硅和與其折射率相匹配的孔隙液體制配出透明土，發現其巖土工程性質與黏土相似。宮全美等［16］應用15 號白油和正十二烷混合溶液與無定型硅粉組成透明土進行了常規固結壓縮試驗，驗證了其模擬粘土的可行性。White 等［17］將透明土與粒子圖像測速法（Particle image velocimetry，PIV）技術相結合，實現了可視化地觀測土體內部的變形。隋旺華等［18］應用透明土試驗技術揭示了水砂混合物在巖體裂縫和破碎巖體中的運移規律。

本文將透明土材料應用于污染土壤旋噴修復藥劑的擴散研究，進行了兩方面的工作，首先使用無定型硅粉和白油配置成的透明土試樣進行了修復藥劑遷移的室內試驗，通過外接攝像設備記錄下土壤內部修復藥劑遷移的全過程，結合數字圖像處理技術研究了泥餅中修復藥劑的遷移規律；然后采用數值模擬手段考慮了土體性質、泥餅高度、水力邊界、溶質擴散系數和藥劑初始濃度分布形式等因素對藥劑遷移過程的影響。

1 透明土藥劑遷移試驗

1.1 試驗方案

為了模擬上海地區的粘性土，采用無定型二氧化硅、2號白油和正十二烷制配透明土。

制配好透明土試樣并進行了大量土工試驗，通過對比透明土與上海粘性土在固結、滲透等基本性質的相似性，表明如表1 所示的透明土試樣可模擬滲透系數為1.5×10-7cm·s-1的土體，能夠用來模擬修復藥劑的遷移特性研究。

表1 透明土組成成分Tab.1 Composition of transparent soil

試驗中所用的儀器與設備包括馬氏瓶、流量計、滲透儀器、數碼相機等（圖2）。該裝置可以實現如下功能：通過改變土樣組分中硅粉各目數之間的比例關系，控制土體滲透系數；通過改變馬氏瓶的位置，控制水力邊界，研究不同性質土體、不同土壤壓力條件下的修復藥劑遷移規律。試驗過程中通過流量計監測流速，均勻布置背景光源，降低外部光源對試驗的影響，外置相機實時記錄土樣中藥劑遷移的全過程。

圖2 試驗裝置簡圖Fig.2 Schematic diagram of test device

試驗前先將所需各目數的硅粉充分混合，為使壓樣效果更好，邊攪拌邊滴入白油，攪拌均勻后放入制樣器中，用千斤頂進行壓樣，壓制完成后放入裝滿白油的容器中進行真空飽和，當試樣完全飽和后，取出進行藥劑遷移試驗。因不同污染類型對應的藥劑存在差異性，本文選取油溶性示蹤劑代替修復藥劑完成室內試驗。

1.2 試驗結果

試驗選取的水頭高度h 分別為1 m 和2 m，底部邊界出流，相機采集到兩種情況下不同時刻的示蹤劑分布圖像，如圖3所示。由圖中可以看出，水頭越高，示蹤劑遷移速度越快，當水頭h=1 m 時，如圖3a～3c，試驗進行到第9 日，示蹤劑遷移至試樣盒底部；當水頭h=2 m 時，如圖3d～3e，試驗進行到第6日，示蹤劑已遷至盒底。另外，在示蹤劑向下遷移過程中，兩組試驗中示蹤劑遷移覆蓋區域逐漸增大；水頭越高，示蹤劑分布區域越大，且較為分散。

圖3 不同水頭示蹤劑遷移過程Fig.3 Migration process of tracer in different water heads

1.3 濃度的圖像處理方法

配置1～1 000 g·m-3濃度區間內的示蹤劑溶液，借助MATLAB 平臺，標定濃度C 與灰度Q 的對應關系，曲線擬合得到式（1）。將遷移圖像輸入MATLAB平臺，即可獲得對應的等濃度線圖。

圖3 中水頭h=1 m 時的圖像經過MATLAB 處理后得到的等濃度線圖如圖4所示，第3日時示蹤劑遷移至泥餅高度三分之一處，濃度值范圍為500～900 g·m-3，第6 日時示蹤劑遷移至泥餅高度3/4 處，濃度值范圍為400～600 g·m-3，第9 日時示蹤劑遷移至泥餅底部，濃度值范圍為300～500 g·m-3。當水頭h=2 m 時，第3 日時濃度值范圍為400～700 g·m-3，第6 日時濃度值范圍為200～600 g·m-3。由于篇幅所限，這里沒有給出h=2 m時的等濃度線圖。

圖4 示蹤劑遷移等濃度線圖Fig.4 Tracer migration equal concentration line diagram

2 數值模擬模型參數驗證

溶質在土壤中的遷移基本通過兩種形式：一是對流遷移，即溶質伴隨土壤溶液的滲流而產生遷移；二是水動力彌散，即溶質在自身濃度梯度和土壤孔隙系統的作用下遷移。由此，溶質在土壤中遷移可建立對流-彌散模型。

應用Geostudio 軟件中的SEEP/W、CTRAN/W 模塊首先對第1 節的室內試驗進行數值模擬，由于當采用透明土模擬天然粘性土時，土工試驗測得透明土的滲透系數比實際值高1～2個數量級［19］。擴散系數為體積含水量的函數，體積含水量一定時，擴散系數為常數，在擴散試驗過程中透明土試樣的體積含水量是不變的，因此，認為擴散系數也是不變的。根據相同時間內藥劑最大遷移距離相同的原則，由數值模擬與擴散試驗結果一致來確定數值模擬參數，對數值模擬中的擴散系數和滲透系數進行了修正，計算結果表明采用修正參數獲得的數值模擬結果與室內試驗圖像經MATLAB 處理后得到的結果基本一致。證明透明土材料可以應用于污染土修復藥劑遷移特性的研究，之后采用修正后的模型參數對復雜工況下修復藥劑的遷移規律進行了數值模擬。

在SEEP/W 模塊中，分析類型為穩態分析。具體參數按照透明土樣土工試驗結果進行設置，泥餅高度為0.04 m，滲透系數為1.5×10-7cm·s-1，水頭邊界為1 m，并用四邊形單元作為有限元分析的單元形式。滲流模型建立以后，應用CTRAN/W模塊把滲流模型作為父項分析，即以滲流模型計算結果為基礎，建立對流-彌散模型模擬示蹤劑在透明土體中的遷移過程，擴散系數為關于體積含水量的常函數1×10-10m2·s-1，上邊界初始濃度C（單位：g·m-3）設置為分段函數，見式（2），下部為出流邊界。

經計算得到藥劑遷移的濃度等勢圖（圖5）。將其與遷移試驗采集到的圖像（圖3）進行對比可以發現，示蹤劑遷移到底部的時間為9日，隨著時間的推移，示蹤劑的濃度值變化與等濃度線圖（圖4）中基本一致。示蹤劑不斷向下遷移，最高濃度由3 d時的600 g·m-3逐漸減小至320 g·m-3，且示蹤劑遷移覆蓋的區域逐漸擴大。藥劑的遷移規律、特定時間下的最大遷移距離以及遷移至泥餅底部所需的時間基本與試驗結果相符。當水頭為2 m 時，數值模擬的規律同樣與遷移試驗一致。因此，應用Geostudio數值模擬軟件對土樣中藥劑遷移規律進行研究是可行的。

3 不同旋噴工況數值模擬

圖5 藥劑遷移濃度等勢圖Fig.5 Concentration equipotential diagram of medicament migration

高壓旋噴污染土壤修復藥劑遷移的實際工況往往更為復雜，同時很難進行大量的重復性現場試驗，為此，這里在之前數值模型與參數已經確定的基礎上，考慮泥餅高度、溶質擴散系數和初始濃度分布等因素進行了多種工況的數值模擬。

3.1 不同泥餅高度和壓力邊界

不同泥餅高度、不同壓力邊界條件工況如圖6所示。取泥餅高度H 為0.04、0.06、0.1 m，滲透系數為2×10-7cm·s-1，單位體積含水量為0.688 m3·m-3，上邊界壓力P1分別為10、50、100 kPa，邊界濃度C函數依據式（3）；下邊界壓力P2和濃度均為0。

圖6 不同泥餅高度、不同壓力邊界下的模擬工況Fig.6 Simulation conditions of different mud cake height and different pressure boundary

經計算，選取各邊界條件下泥餅底部最早達到最大濃度的時間為結束時間，泥餅高度為0.04 m，上邊界壓力為10、50、100 kPa時，分別在第5日、第1.5日、第0.75 日時泥餅底部濃度達到最大值，其中壓力條件為10 kPa下的濃度等勢圖如圖7所示。再依次對泥餅高度為0.06、0.1 m的模型進行分析，控制除泥餅高度外其余參數與高度為0.04 m 的設置保持一致，泥餅高度為0.06 m 時，邊界壓力為10、50、100 kPa 時，分別在第10 日、第3.5 日、第1.5 日時完成；泥餅高度為0.1 m時，則分別在第23日、第6日、第3.5日時完成。可見，在同一泥餅高度下，土壤所處的壓力越大，藥劑到達泥餅底部的時間越短，且遷移速度表現出加快的趨勢。

圖7 濃度等勢圖（第5日）Fig.7 Concentration equipotential diagram (Day 5)

選取泥餅高度為0.04 m，土壤壓力為100 kPa時，泥餅底部藥劑濃度達到最大值時的時間步（即第0.75 日時），作土樣中部豎向剖面節點的濃度-高度關系曲線，如圖8所示。由圖中可以看出，頂部壓力為100 kPa時，泥餅底部已經達到藥劑濃度的最大值，而10 kPa 和50 kPa 時的最大濃度僅分別遷移至泥餅頂部和1/4高度處。

圖8 中部豎向剖面節點濃度隨泥餅高度的變化圖Fig.8 Variation of node concentration in middle vertical section changing with mud cake height

選取泥餅高度為0.04 m，土壤壓力為10 kPa時，泥餅底部達到最大濃度值時的時間步（即第5日），考察不同泥餅高度下泥餅中部豎向剖面節點的濃度變化，如圖9 所示，此時，泥餅高度為0.06、0.1 m 的濃度最大值僅分別遷移至泥餅的中部、1/5 處，且泥餅高度越高，濃度最大值越小。因此實際修復工程中，泥餅高度的設定即高壓旋噴參數的選取對修復效果及效率有重要影響。

圖9 不同泥餅高度下豎向剖面濃度對比（第0.75日）Fig.9 Comparison of vertical profile concentration at different mud cake heights (Day 0.75)

3.2 不同擴散系數

圖10 所示為不同擴散系數下的模擬工況示意圖，泥餅高度H=0.04 m，P1=20 kPa；P2=15 kPa；邊界濃度函數見式（3）。

圖10 不同擴散系數下的模擬工況Fig.10 Simulation conditions with different diffusion coefficients

在旋噴施工后，影響藥劑遷移速度的最主要參數是土中擴散系數，取擴散系數D 為1.00×10-10、5.00×10-10和10.00×10-10m2·s-1分別計算，泥餅底部濃度分別在第8.5、6、4.5 日時達到最大，其中擴散系數為1.00×10-10m2·s-1的泥餅在第8.5日時濃度分布如圖11 所示，隨著時間推移，擴散系數較大的泥餅中，高濃度值覆蓋區域更寬。

第4.5日時不同擴散系數下泥餅中心豎向剖面節點濃度隨泥餅高度分布如圖12 所示，此時，擴散系數為10.00×10-10m2·s-1的泥餅底部濃度已經達到最大值，而擴散系數為1.00×10-10、5.00×10-10m2·s-1泥餅中最大濃度值僅遷移至泥餅高度的1/2 位置處，可見擴散系數越大，遷移速率越快；擴散系數為1.00×10-10m2·s-1的泥餅中心與頂部、底部的藥劑濃度相差較大，而擴散系數為5.00×10-10、10.00×10-10m2·s-1的泥餅濃度隨高度的變化較小，且前者泥餅中心的濃度接近后兩者的兩倍。

圖11 濃度等勢圖（第8.5日）Fig.11 Concentration equipotential diagram (Day 8.5)

圖12 泥餅豎向剖面濃度隨泥餅高度分布（第4.5日）Fig.12 Distribution of vertical profile concentration of mud cake changing with mud cake height(Day 4.5)

3.3 邊界濃度沿水平方向遞減

圖13 所示為邊界濃度沿水平方向遞減時的模擬工況示意圖，泥餅高度H=0.04 m，土的擴散系數為5.00×10-10m2·s-1，P1=20 kPa，P2=15 kPa，假定旋噴直徑為0.2 m，邊界濃度函數如圖14所示。

圖13 邊界濃度沿水平方向遞減時的模擬工況Fig.13 Simulation of boundary concentration decreasing along horizontal direction

圖14 邊界濃度示意圖Fig.14 Boundary concentration diagram

對圖14中對稱濃度邊界的左半部（0～0.1 m）進行分析，經計算，當邊界濃度從噴嘴處沿徑向向外階梯形遞減時（由1 000 g·m-3降低至250 g·m-3），第1、5 日后泥餅中離噴嘴不同距離處藥劑濃度分布示意圖，如圖15 所示。從圖中可以看出，旋噴中心濃度高，邊緣濃度低，由第1日至第5日，藥劑濃度在水力梯度作用下以豎向遷移為主，水平方向的遷移不明顯，隨著邊界濃度沿水平方向的遞減，泥餅中心也呈向邊緣遞減的趨勢。

圖15 濃度隨時間變化的等勢圖Fig.15 Isopotential diagram of concentration changing with time

圖16 為第5日時離旋噴樁噴嘴不同水平距離處的泥餅中藥劑濃度沿高度分布示意圖，中心濃度分布情況基本與邊界藥劑濃度分布情況一致。噴嘴位置處濃度較高，沿泥餅高度的變化更為明顯，泥餅中心處濃度為邊界處的65%；距離噴嘴位置越遠，泥餅中濃度沿高度的變化越小，距噴嘴為0.025 m 處泥餅中心濃度約為邊界處的80%，距噴嘴為0.05 m處泥餅中心濃度約為邊界處的84%；距噴嘴為0.075 m 處濃度沿高度的分布更為穩定，泥餅中心濃度與邊界初始值十分接近。由圖中可以發現，在一定時間范圍內，泥餅中藥劑遷移以豎向遷移為主，所以為使實際工程中藥劑以高濃度均勻分布至泥餅邊緣，需保證藥劑在泥餅間隙水平方向以較高的濃度均勻分布。

圖16 藥劑濃度沿高度分布（第5日）Fig.16 Distribution of medicament concentration along height(Day 5)

4 結論

本文基于透明土可視化試驗技術，對應用高壓旋噴注藥技術后形成的泥餅進行了修復藥劑遷移的室內試驗和數值模擬，得出如下結論：

（1）同一泥餅高度下，土樣所處的壓力越大，遷移速度越快；同一土壤條件下，泥餅高度越高，其底部達到濃度最大值所需的時間越長，且濃度最大值越小。因此實際修復工程中應確定最佳泥餅高度。

（2）擴散系數較大的泥餅中遷移速率較快，且高濃度值覆蓋區域更寬；在一定范圍內，擴散系數倍數增大時，濃度最大值也呈倍數增大。

（3）藥劑濃度在水力梯度作用下以豎向遷移為主，水平方向的遷移不明顯，隨著邊界濃度沿水平方向的遞減，泥餅中心也呈向邊緣遞減的趨勢，且中心濃度分布情況基本與邊界藥劑濃度分布情況一致。實際工程中需保證藥劑在泥餅間隙水平方向以較高的濃度均勻分布，才能使藥劑以高濃度遷移至泥餅邊緣。