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《兰州理工大学》 2012年
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多年冻土区石油污染物迁移试验研究

李兴柏  
【摘要】:我国分布着面域广大的多年冻土和季节冻土。冻土是一种对温度十分敏感且性质不稳定的特殊土体。由于国民经济的发展和能源战略的需要,石油管道建设逐渐向寒区扩展,已经投入运营的中俄原油管道工程,正是修建在我国东北地区多年冻土区和季节冻土区上的一项重要的能源战略工程。 在冻土区石油的开采、炼制、集贮、运输和使用等过程中,原油及其制品会抛洒或者泄漏在地面或地下,被石油污染的岩土体,其物理化学及热学力学特性均会发生显著的变化,进而引起一系列严重的岩土和环境问题。研究多年冻土区石油污染物的迁移问题,有助于解决多年冻土区石油管道建设中的岩土和环境问题,还可以拓展对冻害形成、冻土退化和冻土区环境恶化等过程的机理性认识。 本文以中俄原油管道工程为背景,在考虑多年冻土区特殊性的基础上,通过一系列室内试验,进行了石油污染物在多年冻土区土-水系统中迁移的试验研究,包括:迁移过程的模拟试验,淋滤、温度梯度和冻融循环等因素对迁移过程的影响,重力和毛细力作为驱动力的模拟试验,石油污染土体的导热系数和冻结温度的变化规律研究,并利用扫描电镜直观分析了石油污染土体的细观结构。 主要结论如下: 1.石油污染物在多年冻土区迁移的大致过程是:原油泄漏后,污染物在重力作用下下渗,进入多年冻土活动层,部分污染物被土颗粒吸附;部分污染物随水继续向下迁移;最后,大部分污染物受到冻土层的阻碍,在冻融界面处聚集。溶解态油相会随着水分的迁移而迁移。石油烃类在迁移过程中,烷烃迁移速率最大,接着依次为极性化合物(非烃)、芳烃和沥青质。淋滤作用下,碳数越大的烷烃,迁移能力越强,带有支链的烷烃迁移能力较碳数相近的正构烷烃强。 2.多年冻土区的淋滤、温度梯度和冻融循环等作用会对迁移过程产生显著影响,温度-水分-石油之间存在密切的关系。温度梯度作用和冻融循环作用,二者的影响机制是一致的。温度梯度作用通过影响石油污染物本身的物理性质、土颗粒对石油污染物的吸附作用和土体内水相的分布和相状态影响了石油污染物的迁移过程。冻融循环作用的影响分两个部分:冻结作用和融化作用。冻结作用机制近似于单独的温度梯度作用;融化作用下,油品的黏度减小;土颗粒对油相的吸附能力下降;土柱顶部冻结的水分融化,并在重力作用下向下迁移。融化作用会削弱冻结作用积累的效果。 3.石油污染物在多年冻土区迁移的驱动力主要包括:重力作用、毛细作用、温度作用、淋滤作用和浓度梯度作用等。毛细力和重力影响下,土体内水相的分布规律同油相的分布规律恰好相反,重力作用下油相的自由迁移会驱替土体内水相使水相产生重分布。油水两相间的相互作用的机制为:分布在土体中的水相对油相的迁移是种阻碍;土柱内水相赋存状态的改变会影响油相的迁移;分布在土体中的油相对水相的重分布是种阻碍;油水两相共存于土骨架间隙,二者之一的重新分布需要打破已有的油-水平衡状态才能实现。 4.石油污染土体导热系数的大小取决于土-水-油系统中各相的赋存位置、相对含量、相状态和各相的导热性能。污染土体导热系数随含水量的增加而增大,含水量相同时,负温土体导热系数较正温大;污染土体导热系数随污染强度的增加呈现先减小后突然增加后又减小的变化趋势,土样湿相饱和时的导热系数最大;温度对污染土体导热系数的影响主要取决于该温度区间水相的赋存状态,受油相赋存状态的影响较小;污染土体导热系数随湿相饱和度的增加而增大,湿相饱和度相同时,水油相间的相互作用会弱化对方对土体导热系数的影响;接近湿相饱和时,水油相间的相互作用对导热系数的影响会减弱。石油污染土体的冻结温度随污染强度的增大而降低。 5.电镜扫描的试验结果显示,土体受石油污染后,土骨架间隙增大,土颗粒被挤压成团,分散度增加;未受污染土体扫描图像中土骨架颗粒形态多为凝块,排列紧密,孔隙较少。石油污染物进入土体同土体内的水相和气相共存于土骨架颗粒的间隙中,外部作用使油相在孔隙中对土相产生了包裹和挤压,使土颗粒团聚现象明显,扩充了土颗粒间隙。
【学位授予单位】:兰州理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:X131.3

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【参考文献】
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