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《西北农林科技大学》 2004年
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非水相流体在土壤中运移规律研究

王锐  
【摘要】:随着工业的发展和地下水污染的日益严峻,不溶于水的非水相流体对地下水的污染已成为近20多年来世界各发达国家和地区地下水污染研究中的热点,但我国在这方面的研究相对滞后,可见的研究报道较少。 NAPL的潜在污染对象就是地下水体,因而研究其在土壤中的运移规律有重要意义。本文围绕非水相流体对土壤以及可能引起的地下水污染问题,选用两种不同质地类型的土壤,以四氯乙烯PCE为代表性非水相污染物,通过试验了解其在土壤中的运移行为,应用多相流理论,综合分析不同类型和结构土壤对NAPL入渗和再分布过程的影响机制,以及模拟灌溉或降水条件影响下NAPL的运动和残留含量,为解决地下水污染问题提供理论依据,同时也推动多相流理论在环境土壤物理中的应用和发展。本研究主要取得如下成果: 1.借鉴石油开采工程中建立的多相流基本理论以及土壤水动力学的研究方法,对水-气、PCE-气以及PCE-水两相间的毛管压力和饱和度关系进行试验测定,指出对于湿润性流体,其束缚饱和度与介质质地有关,质地越粘重,束缚饱和度越大;而非湿润性流体,由于受介质颗粒表面吸附作用相对较弱,其残余饱和度更大程度地受介质孔隙空间结构的影响。 2.以重壤土和砂壤水-气、PCE-气两相系统为例,通过将PCE-气两相间毛管压力乘以折算系数的方法,在四种容重下其折算毛管压力与PCE有效饱和度关系曲线可以与水-气两相的很好地统一到一条曲线上来。引入Leverett函数,对毛管压力头进行处理后,同一流体或不同流体在不同质地和容重土壤中的毛管压力和饱和度关系同样可以归并为一条曲线。由此可根据Leverett假定,利用易于测定的两相毛管压力与饱和度资料求得任意其它两相和三相情况下的关系,并推导出相对渗透率与饱和度的关系。 3.研究发现在重壤土和砂壤中入渗结束后土柱剖面内PCE饱和度分布在土表以下存在均匀的较饱和含量略低的延伸层,其下的湿润层很短,饱和度随深度增加而减小,直到入渗锋面。入渗锋面具有明显的突变界面。比较两种质地土壤,在相同容重下在砂壤中PCE的饱和度较重壤土中的大。应用Green-Ampt公式和Kostiakov经验公式均能较好的表征PCE入渗速率、入渗量和入渗时间之间的关系。但在入渗刚开始的准确记录也有一定困难,应用Green-Ampt公式拟合结果可能影响随后的分析和预测。Kostiakov经验公式拟合的精度相当高,相关系数在0.975以上。重壤土和砂壤在不同容重下,入渗深度以及入渗量与入渗时间的关系均可由幂函数表示,相关系数在0.996以上。 4. 随着再分布时间的增加,土体内PCE的饱和度降低。当再分布时间较短时,剖面内PCE的饱和度呈先增后降的弓形或者其间有一相对均匀的过渡区的趋势。同一容重下,砂壤较重壤土可以滞留更多的PCE。PCE再分布过程中,向下入渗深度和时间之间的关系可以由两种形式描述。在入渗及入渗结束较短时间内,可以由幂函数形式描述, WP=6 而随着再分布的继续进行,由对数函数拟合效果相当好。 5. 土柱上端加水,模拟降水或灌溉对进入土体中的PCE的影响。研究发现,受水置换作用的影响,表层土体内PCE饱和度明显降低,被置换的PCE向下迁移,饱和度在下层增加;PCE的再分布速度也因此而增大。水分经过土体,小部分PCE被水分分割包蔽呈不连续的孤岛状闭蓄体,成为长期的污染源;而大部分将继续向下迁移,扩大污染范围。
【学位授予单位】:西北农林科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:X523

【参考文献】
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