非饱和带柴油入渗实验研究及HSSM模拟

宋兴龙,赵勇胜,李璐璐,秦传玉,杜鹏程 (吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室,吉林 长春 130021)

非饱和带柴油入渗实验研究及HSSM模拟

宋兴龙,赵勇胜*,李璐璐,秦传玉,杜鹏程 (吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室,吉林 长春 130021)

通过土柱模拟实验研究了柴油在不同含水率、不同粒径砂土中的入渗及残留特征,并采用HSSM(Hydrocarbon Spill Screening Model)模拟了柴油在含水率为 6%中砂介质中的入渗过程.结果表明:随着介质含水率增加,柴油在介质中湿润锋推进速度先增大后减小,最快速度对应含水率处于相应介质最大残余含水率40%～50%范围内,残余柴油量随介质含水率增大而减小.在细砂、中砂和粗砂3种介质,柴油入渗平均湿润锋推进速度分别为0.42,0.52,0.73cm/min;平均残余柴油量分别为98.10,68.70,48.79mL. 湿润锋推进速度及残余柴油量均与介质粒径呈负相关.HSSM 拟合柴油在含水率为 6%中砂介质中的湿润锋推进速度为 0.5832cm/min,与实验值 0.5689cm/min相比,相对误差为2.51%.HSSM能较好的模拟柴油在非饱和带入渗过程,对于土壤及地下水污染预报具有重要意义.

柴油；非饱和带；入渗；模拟

在石油开采、炼制、运输和使用过程中,难免会产生溢出和泄漏事故[1].石油类污染物泄漏后,会对土壤造成污染,严重时还会污染地下水,给人体健康带来很大危害[2].研究石油类污染物在非饱和带中的运移机制,选用合适、高效、便捷的模型来预测污染物在非饱和带的运移速度、污染范围及到达地下水的时间,对土壤、地下水污染预报及实际修复具有重要意义.

柴油在非饱和带中入渗属于复杂的多孔介质、多相流问题[3-5],国外研究者通过实验及理论研究,先后建立了许多多相流运移模型.根据复杂程度,这些模型可以分为2类[2],一类是复杂模型,主要包括MISER[6]、STOMP[7-8]、TOUGH-2[9-10]、NAPL simulator[11]等.另一类是筛选模型,主要有API-LNAST[12]、OILSFSM[13]、HSSM[14-16]等.

复杂模型往往需要大量的物理化学参数,使用起来较为困难;而筛选模型将复杂的多相流问题简化,需要的参数较少且能获取污染物在环境中运移的主要信息[2].其中,HSSM 不仅能模拟LNAPL泄漏过程,还能模拟 DNAPL泄漏过程

[14-16],且软件成熟,使用方便,具有较好的应用前景.刘玉兰[2]等基于HSSM建立了NAPL泄漏事故场地地下水污染风险快速评估与决策方法.Yoon[17]等曾将 HSSM 用于识别北美地区LNAPLs泄漏导致的地下水土污染,并取得了很好的效果.实验室条件下,关于HSSM模拟效果的研究未见报道.

虽然目前建立了许多多相流模型来研究柴油在非饱和带中的运移,但是含水率对柴油在非饱和带运移的影响研究较少,且研究结果存在差异[1,18-20],国内对于筛选模型的研究和运用也鲜见报道[2].本文采用模拟柱实验研究介质含水率及粒径对柴油在非饱和带入渗和残留特征的影响规律,并运用HSSM对其迁移过程进行模拟.

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验用柴油为-10#柴油,购自中国石油天然气股份有限公司吉林长春销售分公司.实验所用非饱和带介质为石英砂,经过筛分为细砂、中砂、粗砂3种,实验用砂物理参数见表1.

表1 实验用砂物理参数Table 1 Properties of sands used in experiments

1.2 实验装置

实验所用有机玻璃模拟柱内径为 5cm,长为60cm,实验装置如图1所示.

图1 实验装置示意Fig.1 Experimental setup

1.3 实验方法

为研究介质含水率及粒径对柴油在非饱和带入渗的影响,分别设置了细砂含水率为 0%(烘干砂)、2%、4%、6%、8%、10%,中砂含水率为0%、2%、4%、6%、8%、10%和粗砂含水率为0%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%共20组实验.将配置好含水率的石英砂装入模拟柱中,每装填2cm夯实一次.石英砂装填高度为54cm,利用蠕动泵向柱中连续滴入已用苏丹红(300mg/L)染色的柴油,柴油流量为2mL/min.

在渗漏开始后的60min内,每隔5min记录柴油湿润锋深度,渗漏60min后每隔10mim记录湿润锋深度.当湿润锋面到达模拟柱底部时,停止供油.静置24h,收集从模拟柱底部流出的柴油.模拟柱顶部进入的柴油量减去底部收集的柴油量即为残余柴油量.比较不同介质粒径及含水率条件下柴油迁移速度及残余量,分析介质粒径及含水率对柴油入渗特征的影响.

为研究HSSM对柴油在非饱和带迁移的模拟效果,HSSM模拟了柴油在含水率为6%中砂介质入渗过程,并比较了模拟结果与实测值的差异,分析了可能的误差来源.

2 结果与分析

2.1 含水率对柴油入渗特征的影响

如图2所示,随着时间的推移,柴油在砂性介质中的入渗深度不断增加,入渗深度与时间基本呈线性关系,这与张博闻[18]、WANG[21]等的研究结果幂函数关系不同.这可能是由于当介质含水率较低时,介质只有表面和少数孔隙被水分占据,剩余孔隙通道较多,柴油下渗驱替水分遇到的阻力较小,主要受到重力作用和介质对柴油的吸附作用,下渗速度相对稳定[19-20].

图2 柴油在不同含水率介质中入渗过程Fig.2 The infiltration process of diesel in sandy soil with different soil moistures

入渗深度与入渗时间拟合方程的斜率K代表单位时间内湿润锋前进的距离,即湿润锋推进速度.湿润锋推进速度随含水率的变化如图3所示.

表2 柴油入渗深度与入渗时间线性拟合方程Table 2 The functional relationship between infiltration depth and time

图3 湿润锋推进速度随介质含水率的变化Fig.3 The effect of soil moisture on migration velocity of soil wetting front

从图 3可以看出,柴油在粗砂中入渗时,介质含水率从0%提高到4%,加快了湿润锋推进速度,介质含水率从 4%提高到 7%,降低了湿润锋推进速度;柴油在中砂和细砂中入渗也具有相似规律,分别在介质含水率为6%和8%时出现最大湿润锋推进速度.最大湿润锋推进速度对应含水率均处于相应介质最大残余含水率 40%～50%之间.这主要是由于,介质中的水一方面占据了介质中的部分孔隙,减小了介质的孔隙度,对柴油入渗有阻碍作用;另一方面,水分子可以覆盖介质表面,和柴油竞争在介质颗粒中的极性吸附点位,降低了介质对柴油的吸附作用,对柴油入渗有促进作用[18-20].因此,含水率对柴油在非饱和带湿润锋推进速度的最终影响是这两种因素共同作用的结果.

图4 残余柴油量随介质含水率变化Fig.4 The effect of soil moisture on the amount of residual diesel

由图4可以看出,柴油在细砂中入渗时,当含水率从 0%提高到 10%,残余柴油量从 142.7mL下降到59.3mL,柴油在中砂和粗砂中入渗也具有相似规律.这是因为,含水率增加导致水分子逐渐在介质表面形成水膜,使得柴油吸附位点减少,介质对柴油的吸附作用减弱,残留在介质中的柴油量逐渐减少.

2.2 介质粒径对柴油入渗特征的影响

如图3所示,柴油在砂性介质中入渗时,随着介质粒径增大,湿润锋推进速度增大.细砂、中砂和粗砂中平均湿润锋推进速率分别为 0.42,0.52, 0.73cm/min.这是因为介质粒径越大,孔隙度越大,柴油在下渗过程中的通道越大,所受阻力越小,湿润锋推进越快.李永涛[22]研究表明柴油在粗砂中迁移速度快于中砂,与本实验结果相似.

如图4所示,柴油在砂性介质中入渗时,随着介质粒径增大,残余柴油量下降. 细砂、中砂和粗砂中平均柴油残余量分别为 98.10,68.70, 48.79mL.这是由于介质粒径越大,比表面积越小,可供柴油吸附的位点越少.这与李永霞[20]的研究结果相类似.

3 HSSM对柴油在非饱和带入渗过程的模拟

3.1 HSSM原理介绍

Charbeneau等[15-16]在1995年建立了HSSM (Hydrocarbon Spill Screening Model),用于预测LNAPL泄漏导致的土壤和地下水污染.Willson等[23]在2006年完善了HSSM,使得HSSM也能用于预测DNAPL泄漏导致的污染.

HSSM将LNAPL在地下环境中的运移过程概化为3个阶段,并分别由3个模块实现.第1阶段为 LNAPL从地表面垂直下渗到毛细带边缘,由KOPT(Kinematic Oily Pollutant Transport)模块模拟;第2阶段为LNAPL在毛细带边缘扩展形成透镜体并向地下水中溶解,由OILENS模块模拟;第 3阶段为溶出的污染组分随地下水流迁移至特定受体,由 TSGPLUME(Transient Source Gaussian Plume Model)模块模拟[16].

HSSM 模拟柴油在非饱和入渗,只需用到KOPT模块.KOPT模块主要是基于达西定律、相对渗透率-饱和度-毛细压力(K-S-P)关系及Green-Ampt方程,该模块可以计算LNAPL在非饱和带中的运移速度、到达含水层的时间,以及LNAPL在非饱和带中的饱和度变化[15].KOPT模块主要控制方程如下:

式中:Vi为单位水力梯度下液相i的渗流速度,m/s; Kei为液相i的有效渗透系数,m/s;Ksi为液相i的饱和渗透系数,m/s;kri为液相 i的相对渗透率,无量纲;η为孔隙度,无量纲;So为NAPL饱和度,无量纲;t为时间,s;Keo为 NAPL的有效渗透系数,m/s;Sw(avg)为年均补给量下的水饱和度,无量纲;Z为入渗深度,m; Hf为NAPL湿润锋面的毛细压力,Ν;h为毛细水头,m; Ks为NAPL饱和渗透系数,m/s;Kro为NAPL相对渗透率,无量纲.

柴油在非饱和带入渗过程模拟不涉及到OILENS模块和TSGPLUME模块,在此不展开讨论.

3.2 HSSM模拟结果分析

3.2.1 模型参数 以柴油在含水率为 6%中砂介质入渗过程模拟为例,模型模拟需要的主要参数如表3所示.

表3 HSSM主要参数Table 3 Main parameters of HSSM

图5 入渗深度与入渗时间关系HSSM模拟结果Fig.5 HSSM simulation results of infiltration depth with infiltration time

3.2.2 模拟结果分析 入渗深度随时间变化关系实验结果及HSSM模拟结果如图5所示.

从图 5可知,当入渗时间小于 70min时, HSSM 模拟结果与实验值基本一致.当入渗时间大于70min后,HSSM模拟的入渗深度稍大于实验值.HSSM 模拟的湿润锋推进速度0.5832cm/min,实验值为 0.5689cm/min,相对误差为 2.51%.HSSM 模拟的柴油湿润锋面到达模拟柱底部时间 92min,实验值为 96min,相对误差为4.17%.HSSM 模拟值与实验值之间虽然有一定的误差,但是误差较小.这可能是由于模型对入渗过程简化以及相关参数测量误差引起的.

4 结论

4.1 柴油在砂性介质中入渗时,入渗深度随时间变化可以用线性方程拟合.随着介质含水率上升,湿润锋推进速率先增加后降低,最大湿润锋推进速率对应的含水率处于相应介质最大残余含水率的 40%～50%范围内.随着介质含水率上升,残余柴油量下降.

4.2 柴油在砂性介质中入渗时,随着介质粒径增大,湿润锋推进速度增大,而残余柴油量下降.

4.3 HSSM 对柴油在非饱和带中入渗过程模拟的结果较为理想,HSSM 拟合的柴油在含水率为6%中砂介质中的湿润锋推进速度与实验值相比,相对误差仅为2.51%.

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《中国环境科学》被Ei收录

根据 Ei总部 2013年颁布的期刊收录情况,《中国环境科学》已被 Ei数据库作为源期刊收录,详见http://www.chinaeidata.com/periodical.htm

《中国环境科学》编辑部

2013-03-14

Experimental study and HSSM simulation of diesel infiltration in unsaturated zone.

SONG Xing-long, ZHAO

Yong-sheng*, LI Lu-lu, QIN Chuan-yu, DU Peng-cheng (Key Laboratory of Groundwater Resources and Environment, Ministry of Education, Jilin University, Changchun 130021, China). China Environmental Science, 2014,34(7)：1818～1823

This paper presents the results of laboratory investigation and simulation of diesel infiltration in unsaturated zone. A series of one-dimensional column experiments were conducted to study the infiltration and residue characteristics of diesel in sandy soils under varied soil moistures and media sizes. Then, Hydrocarbon Spill Screening Model (HSSM) was used to simulate the infiltration processes of diesel in medium sand with soil moisture equals to 6%. The results indicated that as soil moisture grew, the migration velocity of soil wetting front first increased and then decreased, and the fastest migration velocity corresponded to 40%～50% of maximum residue moisture content. Negative correlation was found between the amount of residual diesel and soil moisture content. In fine, medium and coarse sand, the average migration velocity of soil wetting front were 0.42, 0.52, 0.73cm/min, and the average amount of residual diesel were 98.10, 68.70, 48.79mL, respectively. The migration velocity of soil wetting front and the amount of residual diesel were negatively correlated with media size. Fitted migration velocity by HSSM of soil wetting front in medium sand with moisture content equals to 6% was 0.5832cm/min, while the experimental value was 0.5689cm/min. The relative percentage error between fitted value and the experimental value was 2.51%. HSSM can accurately simulate the infiltration process of diesel oil in the unsaturated zone, and has great significance to soil and groundwater pollution forecast.

diesel oil；unsaturated zone；infiltration；simulation

X703.1

A

1000-6923(2014)07-1818-06

宋兴龙(1990-),男,湖南湘潭人,吉林大学硕士研究生,主要从事污染场地控制与修复研究.

2013-08-13

中国地质调查局项目(1212011220987);北京市教育委员会市属高校创新能力提升计划项目----松散地层地下水污染控制与修复技术研究

* 责任作者, 教授, zhaoyongsheng@jlu.edu.cn