地学前缘 ›› 2021, Vol. 28 ›› Issue (5): 90-103.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2021.2.14
沈晓芳1,2(), 万玉玉3, 王利刚4, 苏小四2,3, 董维红2,3,*()
收稿日期:
2020-05-24
修回日期:
2020-08-05
出版日期:
2021-09-25
发布日期:
2021-10-29
通讯作者:
董维红
作者简介:
沈晓芳(1996—),女,博士研究生,地质工程专业。E-mail: shenxf18@mails.jlu.edu.cn
基金资助:
SHEN Xiaofang1,2(), WAN Yuyu3, WANG Ligang4, SU Xiaosi2,3, DONG Weihong2,3,*()
Received:
2020-05-24
Revised:
2020-08-05
Online:
2021-09-25
Published:
2021-10-29
Contact:
DONG Weihong
摘要:
监测自然衰减(monitoring natural attenuation,MNA)技术是目前普遍认可的去除地下水中挥发性有机污染物(volatile organic compounds,VOCs)的技术。但受其修复周期长、监测费用昂贵等因素的影响,实地开展MNA技术修复污染场地具有一定的局限性。基于此,本研究运用多相流数值模拟手段识别了某石油污染场地内典型VOCs污染物(苯、甲苯、萘)在地下水中的自然衰减过程并评估了其自然衰减能力。结果表明:采用TMVOC所建立的多相流数值模拟模型能较好地预测和识别VOCs在地下水中的衰减规律;在研究区中,苯、甲苯和萘由于理化性质差异,在地下水中的污染羽分布特征不同,其自然衰减过程受挥发、吸附和生物降解作用的影响程度也不同;挥发和生物降解作用对VOCs自然衰减的影响程度均为苯>甲苯>萘,而吸附作用对VOCs自然衰减的影响程度为萘>甲苯>苯;在污染源被阻断的前提下,苯、甲苯和萘分别在泄漏发生7.0、6.5和6.0年后通过自然衰减达到理想去除效果。本文研究成果可以为水文地质条件类似的VOCs污染场地MNA修复方案的制定和修复效果评估提供理论支撑。
中图分类号:
沈晓芳, 万玉玉, 王利刚, 苏小四, 董维红. 基于多相流数值模拟的某石油污染场地地下水中VOCs自然衰减过程识别及能力评估[J]. 地学前缘, 2021, 28(5): 90-103.
SHEN Xiaofang, WAN Yuyu, WANG Ligang, SU Xiaosi, DONG Weihong. Multiphase flow modeling of natural attenuation of volatile organic compounds (VOCs) in a petroleum contaminated sit[J]. Earth Science Frontiers, 2021, 28(5): 90-103.
参数 | 干密度*/(kg·m-3) | 孔隙度* | 绝对渗透率(水平)/m2 | 绝对渗透率(垂直)/m2 |
---|---|---|---|---|
黏土 | 2 600 | 0.31 | 4.0×10-14 | 1.0×10-14 |
细砂 | 2 650 | 0.31 | 8.0×10-11 | 8.0×10-10 |
中粗砂 | 2 660 | 0.30 | 4.0×10-10 | 1.0×10-10 |
含砾中粗砂 | 2 670 | 0.30 | 4.0×10-10 | 1.1×10-10 |
砂砾石 | 2 660 | 0.32 | 8.0×10-10 | 5.0×10-10 |
表1 含水层水文地质参数
Table 1 Hydrogeological parameters of the aquifer
参数 | 干密度*/(kg·m-3) | 孔隙度* | 绝对渗透率(水平)/m2 | 绝对渗透率(垂直)/m2 |
---|---|---|---|---|
黏土 | 2 600 | 0.31 | 4.0×10-14 | 1.0×10-14 |
细砂 | 2 650 | 0.31 | 8.0×10-11 | 8.0×10-10 |
中粗砂 | 2 660 | 0.30 | 4.0×10-10 | 1.0×10-10 |
含砾中粗砂 | 2 670 | 0.30 | 4.0×10-10 | 1.1×10-10 |
砂砾石 | 2 660 | 0.32 | 8.0×10-10 | 5.0×10-10 |
图3 含水层初始静水压强分布(a)和水位拟合曲线(b)
Fig.3 Distribution of initial hydrostatic pressure in the aquifer (a) and plots of simulated (red) and measured (black) water levels at each well location (b)
有机物 名称 | 分子式 | 标准沸 点/K | 摩尔质量/ (g·mol-1) | 临界温 度/K | 临界 压强/bar | 临界体积/ (cm3·mol-1) | 密度/ (g·cm-3) | 溶解度 常数 (摩尔分数) | 分配系数 Koc/ (m3·kg-1) | 分配系数 Kd/ (mL·g-1) | 生物降解 衰变常数 /s-1 | 介质中的 有机碳分数 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
苯 | C6H6 | 353.2 | 78.114 | 562.2 | 48.2 | 259 | 0.878 6 | 4.11×10-4 | 0.089 1 | 0.06 | 4.0×10-8 | |
萘 | C10H8 | 217.9 | 128.17 | 748.4 | 40.5 | 431 | 1.162 0 | 4.86×10-6 | 1.29 | 2.04 | 2.4×10-8 | 0.159% |
甲苯 | C7H8 | 383.8 | 92.14 | 591.8 | 41.0 | 316 | 0.866 0 | 1.01×10-4 | 0.273 | 1.007 | 2.0×10-8 |
表2 污染物理化性质参数以及自然衰减参数
Table 2 Summary of physicochemical properties and natural attenuation parameters of contaminants
有机物 名称 | 分子式 | 标准沸 点/K | 摩尔质量/ (g·mol-1) | 临界温 度/K | 临界 压强/bar | 临界体积/ (cm3·mol-1) | 密度/ (g·cm-3) | 溶解度 常数 (摩尔分数) | 分配系数 Koc/ (m3·kg-1) | 分配系数 Kd/ (mL·g-1) | 生物降解 衰变常数 /s-1 | 介质中的 有机碳分数 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
苯 | C6H6 | 353.2 | 78.114 | 562.2 | 48.2 | 259 | 0.878 6 | 4.11×10-4 | 0.089 1 | 0.06 | 4.0×10-8 | |
萘 | C10H8 | 217.9 | 128.17 | 748.4 | 40.5 | 431 | 1.162 0 | 4.86×10-6 | 1.29 | 2.04 | 2.4×10-8 | 0.159% |
甲苯 | C7H8 | 383.8 | 92.14 | 591.8 | 41.0 | 316 | 0.866 0 | 1.01×10-4 | 0.273 | 1.007 | 2.0×10-8 |
情景 | 条件设置 | 模拟目的 |
---|---|---|
情景一 | 石油以定速率3.21×10-5 kg/s泄漏6个月后切断污染源 | 了解VOCs在地下环境中的迁移距离以及分布特征,为分析情景二、三、四中各自然衰减过程对VOCs的迁移转化过程的影响提供参考 |
情景二 | 以情景一的输出结果作为初始条件,模拟在考虑挥发、溶解作用条件下,VOCs在多相间的迁移 | 分析挥发、溶解作用对VOCs自然衰减过程的影响 |
情景三 | 以情景一的输出结果作为初始条件,模拟在考虑吸附作用的条件下,VOCs在多相间的迁移 | 分析吸附作用对VOCs自然衰减过程的影响 |
情景四 | 以情景一的输出结果作为初始条件,模拟在考虑生物降解作用的条件下,VOCs在多相间的迁移转化 | 分析生物降解作用对VOCs自然衰减过程的影响 |
情景五 | 在综合考虑挥发、吸附和生物降解作用的情况下,模拟场地内VOCs的自然衰减过程 | 模拟场地内苯、甲苯和萘达到理想修复效果所需的时间 |
表3 模拟情景条件设置以及模拟目的
Table 3 Simulation scenarios and purpose
情景 | 条件设置 | 模拟目的 |
---|---|---|
情景一 | 石油以定速率3.21×10-5 kg/s泄漏6个月后切断污染源 | 了解VOCs在地下环境中的迁移距离以及分布特征,为分析情景二、三、四中各自然衰减过程对VOCs的迁移转化过程的影响提供参考 |
情景二 | 以情景一的输出结果作为初始条件,模拟在考虑挥发、溶解作用条件下,VOCs在多相间的迁移 | 分析挥发、溶解作用对VOCs自然衰减过程的影响 |
情景三 | 以情景一的输出结果作为初始条件,模拟在考虑吸附作用的条件下,VOCs在多相间的迁移 | 分析吸附作用对VOCs自然衰减过程的影响 |
情景四 | 以情景一的输出结果作为初始条件,模拟在考虑生物降解作用的条件下,VOCs在多相间的迁移转化 | 分析生物降解作用对VOCs自然衰减过程的影响 |
情景五 | 在综合考虑挥发、吸附和生物降解作用的情况下,模拟场地内VOCs的自然衰减过程 | 模拟场地内苯、甲苯和萘达到理想修复效果所需的时间 |
图4 苯、甲苯、萘实测浓度与计算浓度随距离变化对比结果
Fig.4 Comparison of measured (black) and simulated (red) concentrations of benzene, toluene and naphthalene at each well location
图8 地下水中苯、甲苯和萘在考虑吸附作用和未考虑吸附作用条件下摩尔分数分布
Fig.8 Mole fraction distribution of benzene, toluene and naphthalene in groundwater with or without adsorption effects
图10 地下水中苯、甲苯和萘在泄漏停止1年和3年后污染羽分布
Fig.10 Distribution of benzene, toluene and naphthalene plumes in groundwater one (left panel) and three-year (right panel) after oil leak stopped
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