寒區(qū)多孔介質中LNAPL遷移的多場耦合模擬

扶曉琴,施小清,蔣建國,吳吉春

寒區(qū)多孔介質中LNAPL遷移的多場耦合模擬

扶曉琴,施小清*,蔣建國,吳吉春

(南京大學地球科學與工程學院,表生地球化學教育部重點實驗室,江蘇 南京 210023)

建立了包含水、氣、NAPL、固(冰)四相的溫度場、流場及化學場多場耦合模型,適用于定量模擬LNAPL泄漏過程中發(fā)生凍結后的遷移分布.通過與非凍條件下LNAPL遷移模型對比,模擬結果顯示,凍結條件下因冰的形成LNAPL會發(fā)生與非凍條件下不同的遷移行為,冰的形成阻礙LNAPL下滲,并產(chǎn)生凍結勢使LNAPL向地表方向遷移.相比非凍結條件,凍結條件下滲達到穩(wěn)定時LNAPL相的質量通量偏差為-51.1%.凍結條件LNAPL溶解相在水平方向的遷移速度大于非凍結條件,凍結條件下如果不考慮凍結,下滲過程中LNAPL溶解量與揮發(fā)量最大偏差分別為2.4%、-24.9%.而凍結條件對LNAPL下滲達到穩(wěn)定時的溶解量、揮發(fā)量影響很小,僅揮發(fā)量產(chǎn)生1.8%的偏差.但會減少LNAPL的吸附量,其偏差為-6.6%.

輕非水相流體(LNAPL)；多相多場耦合；凍結勢；溶質運移

隨著石油化工業(yè)的發(fā)展,非水相有機污染物在其煉制、貯存及運輸過程中泄漏至環(huán)境,對人類健康造成嚴重威脅.建立凍結條件下飽和非飽和帶的LNAPL遷移模型有利于預測其在寒區(qū)泄漏后于土壤-地下水中的遷移分布,為LNAPL污染防控提供技術支撐[1].

NAPL根據(jù)密度大小,可分為輕非水相(Light NAPL)和重非水相(Dense NAPL),其控制方程基于多相流理論構建.數(shù)值模擬作為一種預測NAPL在土壤—地下水中遷移分布的重要手段,在NAPL污染防治及油氣開采中都得到了廣泛應用.目前關于三相流在飽和-非飽和帶中的模擬已經(jīng)相對成熟.有關在飽和帶中不同降雨速率、介質非均質性及NAPL泄漏速率、地下水流速下的NAPL兩相流模型已比較完善[2-10].在非飽和帶,相關研究也對NAPL遷移過程進行了數(shù)值模擬[11-14].而針對NAPL從非飽和帶向飽和帶遷移的過程,Lenhard等通過建立自由相、殘余相和截留相NAPL與流體水頭的函數(shù)關系式建立了遷移模型,預測了其分布[15-16].

迄今,寒區(qū)凍結條件下LNAPL的遷移研究仍相對較少,研究表明LNAPL在凍結條件下泄漏后在土壤包氣帶及地下水中的遷移因為冰晶影響會與非凍結條件下的遷移圖像有所不同,冰晶有效阻止石油垂直遷移,加強石油沿優(yōu)先流路徑下滲及在地表淺層水平流動,但即使完全冰飽和的土也表現(xiàn)出一定的冰滲透性[17-19].且在凍結條件下,土壤包氣帶伴隨凍結滯水的形成,飽和水汽壓作用減小,而毛管作用得以加強[21],地下水中神經(jīng)節(jié)狀Ganglia在凍結勢和基質勢作用下會向凍結峰積聚,且有部分LNAPL匯聚于表層[20,22].國內也有少數(shù)學者通過室內凍結箱實驗開展LNAPL于凍結條件下的遷移規(guī)律研究[22-23].然而由于凍結固相(冰)的存在,需將溫度場與LNAPL遷移所涉及的滲流場、化學場耦合,同時多相多場耦合問題求解往往不易收斂,有關凍結條件下氣相、水相、NAPL相三相運移模擬尚未見相關報道.

COMSOL Multiphysics軟件常用于多場多相問題的求解.而凍結條件下LNAPL的遷移,涉及到水、氣、NAPL三相在多孔介質中運移,是溫度場、流場及化學場多場耦合的問題.已有的COMSOL模塊設置中缺少凍結模塊,無法直接用于建立凍結條件下LNAPL遷移模型.本研究通過在COMSOL中增設凍結過程控制方程對凍結條件下LNAPL入滲過程進行模擬,建立固相-氣相-水相-NAPL相四相共存,溫度場、流場、化學場三場耦合模型,模擬凍結條件下LNAPL在飽和-非飽和帶的遷移行為及分布形態(tài),旨在克服LNAPL遷移模擬模型中未考慮冰相而無法適用于寒區(qū)的缺陷.

1 凍結條件下多孔介質中LNAPL遷移的數(shù)學模型

1.1 數(shù)學模型的建立

凍結條件下多孔介質LNAPL遷移因有凍結固相(冰)存在,需要在以往三相流運移方程的水相運移質量守恒方程中加入冰相,并通過未凍水和凍結冰的經(jīng)驗關系式實現(xiàn)溫度場和流場的耦合.

凍結條件下LNAPL的遷移包括兩個過程,一是LNAPL自由相在水-氣-LNAPL-冰四相共存時的毛細壓力作用下遷移,二是溶于水的LNAPL及其揮發(fā)在空氣中的LNAPL的溶質遷移過程,以對流-彌散作用為主.該過程涉及水-冰相變、水-氣-NAPL三相流遷移、多孔介質溫度傳導及溶質運移模型耦合,其控制方程如下:

1.1.1 水-氣-NAPL-固(冰)四相控制方程 據(jù)各相的質量守恒定律[16,24]得到:

自由相LNAPL在水中的溶解過程用式(4)表達[26]:

自由相LNAPL揮發(fā)于空氣可用式(5)表達[26]:

溶于水的LNAPL揮發(fā)于空氣可用式(6)表達[26]:

溶于水中的LNAPL吸附于土壤骨架可用式(7)表示[27]:

式中:oc為土體中有機碳的質量分數(shù);oc為有機碳分配系數(shù).

而對于毛管壓力CNW、CGN以及相對滲透率rW、rN、rG,需構建--關系式.本模型-關系將van Genuchten方程拓展到三相流[28],得到:

而對于飽和滲透率,它隨凍結過程孔隙度的變化而變化(將冰視為土壤固體骨架來實現(xiàn)水-氣-NAPL-固四相向水-氣-NAPL三相的轉換),采用Kozeny-Carman模型[29],表達式如下:

式中:為顆粒直徑.

1.1.2 多孔介質傳熱 多孔介質傳熱方程即熱量守恒方程如下:

式中:為流體密度;p為比定壓熱容;為達西流速;為溫度;eff為熱導率;f為融化潛熱[24].

為了實現(xiàn)溫度場與三相流場的耦合,一方面需要引入凍結條件下未凍水和凍結冰的經(jīng)驗比例關系式[30](式16),另一方面,通過將冰視為土壤固體骨架來實現(xiàn)水-氣-NAPL-固四相向水-氣-NAPL三相的轉換,即凍結過程中固體骨架的孔隙度將隨冰的形成而不斷變化,且傳熱方程中的比熱容和導熱系數(shù)是水-氣-NAPL-固四相體積占比的加權函數(shù).

凍結場和三相流場的耦合關鍵即未凍水與凍結冰的經(jīng)驗比例式如下:

式中:()為比例系數(shù);f為起始凍結溫度(絕對溫度);系數(shù)1.1為水與冰的密度之比.

1.1.3 溶解相-揮發(fā)相LNAPL質量平衡方程 LNAPL溶解相的溶質運移方程為:

LNAPL揮發(fā)相的溶質運移方程為:

式中:為LNAPL的物質的量質量分數(shù);W、G為水動力彌散系數(shù).

非凍結條件下LNAPL遷移的控制方程除水相運移方程(式1)不包含含冰項及無需進行多孔介質溫度傳導模塊設置外,其余控制方程與凍結條件下LNAPL遷移控制方程一致.

1.2 模型求解

采用COMSOL Multiphysics的多孔介質多相流模塊、多孔介質溫度傳導模塊、多孔介質物質傳遞模塊及達西定律模塊輸入并求解凍結條件下LNAPL遷移控制方程.COMSOL Multiphysics是一款強大的多物理場耦合軟件,常用于多場多相問題的求解.而凍結條件下LNAPL的遷移,涉及到水、氣、NAPL三相在多孔介質中運移,是溫度場、流場及化學場高度耦合的問題.COMSOL中水相方程并未包含冰相,故在模擬凍結時需要在水相質量守恒方程中加入冰相隨時間變化(式1).而氣相、LNAPL相則采用其內置方程(式2～3).COMSOL內置的多孔介質相傳遞模塊可用來模擬三相流運移,但其未考慮四相質量轉換過程,需要在模塊中增設(式4～8).毛管壓力以及相對滲透率也需要在COMSOL中自行構建其與相對飽和度間的關系式(式9～13).多孔介質溫度傳導模塊可用來模擬介質傳熱,但其熱傳導方程缺少冰的融化潛熱項,需要在源項增設(式15).而且其缺少凍結方程設置模塊,需將凍結條件下未凍結水和凍結冰的經(jīng)驗比例關系式(式16)在COMSOL中進行設置.

對于非凍條件下LNAPL遷移模型,可采用COMSOL的多孔介質多相流模塊、多孔介質稀物質傳遞模塊及達西定律模塊輸入并求解LNAPL遷移控制方程.同樣將四相質量轉換過程在多孔介質相傳遞模塊中進行增設.而三相流運移控制方程均采用COMSOL內置方程.

COMSOL通過有限單元法離散上述模型,以求解凍結、非凍結條件下LNAPL遷移的非穩(wěn)定問題.凍結、非凍結條件下LNAPL遷移模擬輸出結果中自由相LNAPL的含量用飽和度表示,溶解相及揮發(fā)相LNAPL含量用質量濃度表示.

2 算例驗證

2.1 算例概述及初始邊界條件

算例改自文獻[26]所建立的數(shù)值模擬算例,文獻[26]中的算例研究了LNAPL定點泄漏后于土壤多孔介質中的遷移行為.本文采用與該算例相同的水文地質條件和污染物泄漏條件建立凍結條件下LNAPL遷移模型.為驗證本次所構建凍結條件LNAPL遷移模型的可靠性,首先利用所建立的模型開展非凍結條件下模擬,并與文獻[26]中結果進行對比驗證.進而在非凍條件下LNAPL遷移模型中加入冰相、溫度場和流場的耦合方程及凍結相關邊界條件進行了凍結條件下LNAPL在多孔介質中的二維遷移模擬.

建立的凍結條件下LNAPL在非飽和帶中二維遷移數(shù)值算例見圖1.研究區(qū)為二維剖面,長1.5m,厚1.5m,下部0.5m為地下水飽和區(qū),取地下水面為基準面.區(qū)域網(wǎng)格剖分采用COMSOL的物理場細化網(wǎng)格剖分.

至于初始條件,對于非飽和帶與飽和帶分別進行如下設置:

模型的邊界條件如下設置:

(1)流場

(2)化學場

(3)溫度場

初始邊界條件如圖1.對于非凍結條件下,無需設置溫度場邊界及初始條件,流場和溶質場邊界條件及初始條件與凍結條件下保持一致.

2.2 基本參數(shù)

模型中采用的參數(shù)值如表1,包括土壤、水、LNAPL、冰的特征參數(shù)以及三相質量轉換的相關參數(shù).LNAPL在此以甲苯為模擬對象.

表1 模型相關參數(shù)

2.3 情景設置

設置凍結條件與非凍結條件LNAPL下滲2種情景進行模擬,通過模擬結果對比來探究凍結條件對LNAPL遷移影響.非凍結條件下除溫度場外,其它條件與凍結條件下保持一致.

3 結果與討論

3.1 溫度場

凍結過程中溫度隨凍結時間增長在地表淺層由0℃逐漸降低至-14℃(圖2),冰飽和度在地表淺層逐漸增加,凍結12h時,地表淺層冰飽和度達到0.8(圖3).因為溫度只在上部薄層發(fā)生變化,下部恒為5℃,故取土壤表層0.1m厚的溫度場模擬結果進行分析.可知凍結場在很短時間內達到穩(wěn)定,溫度在土壤表層驟降,在土壤表層會形成薄冰層.這再現(xiàn)了低溫條件下多孔介質LNAPL、水遷移實驗所得實驗結果:低溫環(huán)境中LNAPL相遷移時高溫區(qū)域面積較大,等溫線在土壤表層較為密集,溫度梯度變化較快[23].說明LNAPL泄漏會對土壤的對流傳熱產(chǎn)生影響,對土壤起保溫作用.LNAPL流經(jīng)薄冰層時,順著薄冰層做水平方向流動.而當流體做水平方向流動時,在垂直于流動方向的熱量傳遞,主要以熱傳導方式進行.LNAPL流體的導熱系數(shù)較小,傳熱熱阻主要集中在該層中,溫差也集中在該層[31].且達西數(shù)較小時,也會明顯削弱對流傳熱[32].

在近地表凍層處取坐標為(0.75m,0.98m)的點A(圖1)為代表性點進行進一步分析,該點處空隙里的水組分和冰含量隨溫度變化的情況如圖4(a)所示.隨溫度降低至凍結溫度0.3℃時,冰飽和度由0逐漸增加,而水飽和度隨溫度降低逐漸減小.溫度達到-10℃時,水飽和度僅為0.17,而冰飽和度達到0.80.而該點處的水相、冰相隨時間的變化及由水冰相變造成的潛熱變化如圖4(b)所示.水飽和度在未凍結前期隨LNAPL下滲水壓增大而增加,后趨于穩(wěn)定(圖4(c)).而隨溫度下降至0攝氏度時(圖4(a)),即在第2h時冰飽和度由0逐漸增加,同時水飽和度減小,水相轉化為冰相.而潛熱伴隨這一過程釋放,達到峰值后下降,隨凍結速度變慢而降低,當?shù)竭_12h時,凍結達到穩(wěn)定,潛熱趨于零(圖4(b)).

圖2 溫度場隨時間的演變過程

圖3 含冰率隨時間的演變過程

3.2 流場

3.2.1 凍結條件下LNAPL遷移特征 如圖5(a)所示,凍結前5h LNAPL在重力作用下向下遷移,在含冰層下端有突變界面,LNAPL含量在泄漏點的凍層處聚集.對凍結層點A處(圖1)的孔隙率和滲透率進行分析,可知當溫度隨時間增長降至凍結溫度時,由于水相轉換為冰,介質孔隙度變小,而滲透率隨孔隙度的減小而降低(圖6),即凍層對LNAPL的下滲有明顯阻擋作用.而隨著凍結作用增強,LNAPL不再繼續(xù)向下遷移.凍結5h后,其在凍結勢的作用下克服重力勢作用向上遷移[21],遷移程度較小,隨后達到穩(wěn)定.而對于包氣帶中的水分,其在凍結前1h內向上運移(圖5(b)),由圖5(c)壓力分布及流線圖,地表土層處水壓逐漸升高,流線向上,可知趨使水分向上運移的是隨LNAPL下滲產(chǎn)生的壓力變化.隨后其飽和度隨LNAPL污染暈的移動而變化,含冰層處水分轉化為冰,水飽和度相對較低(圖5(b)).包氣帶中的氣體則隨LNAPL的下滲逐漸向邊緣擴散,直至整個區(qū)域被LNAPL和水分填充.且其在含冰層下部出現(xiàn)模擬高值,發(fā)生聚集(圖5(d)).

如圖7所示,由凍結5h和凍結12h的量分布剖面圖可知,LNAPL向下泄漏,其量由泄漏表面至深部逐漸減少.而且LNAPL從凍結5h至凍結12h量分布曲線上移,剖面上LNAPL量均有不同程度減小,在凍結勢作用下向地表方向遷移,暴露在表層.以凍結層濃度減小最明顯,最高可達5mg/L.而在凍結層下部量減少較小,這是因為下部LNAPL向上遷移,會受到凍層阻滯,形成累積,這與李興柏等[22]對凍結條件下的石油遷移試驗結果一致.故下部遷移的LNAPL累積量抵消了部分LNAPL的向上遷移量.由模擬結果計算得凍結條件下前5h LNAPL向下遷移量為21.24mL,而凍結5h～凍結12h LNAPL向上遷移至土壤表層的量為1.04mL.

圖6 滲透率及孔隙度隨時間變化

圖7 LNAPL運移量的垂向分布

3.2.2 非凍結條件下LNAPL遷移特征 如圖8所示,LNAPL隨時間推移逐漸向下滲透,前5h變化程度大,隨后達到區(qū)域飽和穩(wěn)定狀態(tài).非凍結條件下LNAPL運移5和12h相比的量分布差異以及向下泄漏量分布剖面變化如圖7所示,可知LNAPL在非凍結條件下在重力勢作用下向下滲,其量同樣由泄漏表面至深部逐漸減少.在第5h～第12h,上部土壤水帶和中間帶LNAPL濃度略有減少,LNAPL向下遷移,在下部地下水飽和帶以及毛細水帶累積,而且泄露源對上部土壤水帶和中間帶的補給量小于其向地下水飽和帶及毛細水帶的下滲量.由模擬結果計算得非凍結條件下前5h LNAPL向下遷移量為38.59mL,至第12h達到41.30mL.

非凍結條件與凍結條件下LNAPL下滲模擬結果相比,因其不存在凍結層的阻擋作用,下滲速度快,下滲量遠大于凍結時下滲量.12h后地下水面處體積分數(shù)可達0.040(圖8),而凍結條件下地下水面土壤處LNAPL體積分數(shù)僅達0.016(圖5(a)).非凍結條件LNAPL向地下水面遷移,不存在向上遷移現(xiàn)象,而凍結條件下LNAPL在凍結5h后在凍結勢作用下發(fā)生向上遷移(圖7).凍結條件下LNAPL相的下滲量相比非凍結條件下的量產(chǎn)生-51.1%偏差.

圖8 常溫條件下LNAPL飽和度變化

3.3 化學場

3.3.1 凍結條件LNAPL溶解揮發(fā)相遷移特征 如圖9(a)所示,隨LNAPL下滲,其在水中的溶解度逐漸增加,隨后趨于穩(wěn)定狀態(tài).凍結1h時,LNAPL溶解相分布圖像呈橢圓型,在地下水中濃度達116.5mg/L.遷移1h時,LNAPL揮發(fā)相在包氣帶中濃度可達118.7mg/L.凍結穩(wěn)定后,在LNAPL以0.138cm/min的泄漏速度下,其在包氣帶中濃度可達186.7mg/L (LNAPL在水中的溶解度為515mg/L).而凍結條件下LNAPL揮發(fā)相隨氣相逐漸向兩邊擴散(圖9(b)),在土壤表層濃度可達101.0mg/L(LNAPL在空氣中的溶解度為139mg/L).

模擬可得凍結條件下不同狀態(tài)LNAPL含量關系圖,如圖10所示.可知凍結條件下凍結1h時總溶解量為0.304mL,揮發(fā)量為0.195mL.凍結穩(wěn)定時LNAPL總下滲量為23.74mL,溶于水的量為0.48mL,氣相LNAPL含量為0.165mL,而LNAPL吸附量為2.71mL(圖10(a)).凍結條件下12h時可自由移動LNAPL量(溶解相LNAPL與自由相LNAPL的和)為20.68mL,其含量在凍結前5h逐漸增加,從凍結5h后的21.72mL逐漸減少,減少量為凍結勢作用下向土壤表層遷移量.而吸附量隨凍結時間增長增加到2.71mL后保持穩(wěn)定(圖10(b)).

3.3.2 非凍結條件LNAPL溶解揮發(fā)相遷移特征 如圖11(a)所示,水中的溶解相隨LNAPL下滲逐漸增加,隨后穩(wěn)定.遷移1h時,LNAPL溶解相分布圖像呈楔形,其在垂直方向擴散速度大于水平方向,在地下水飽和區(qū)濃度可達117.2mg/L.遷移1h時,LNAPL揮發(fā)相在包氣帶中濃度可達143.2mg/L.下滲穩(wěn)定后,在LNAPL以0.138cm/min的泄漏速度下,LNAPL溶解相在包氣帶中濃度可達185.8mg/L(LNAPL在水中的溶解度為515mg/L).而非凍結條件下LNAPL揮發(fā)相隨氣相逐漸向兩邊擴散(圖11(b)),在土壤表層濃度可達101.9mg/L(LNAPL在空氣中的溶解度為139mg/L).

圖9 凍結條件下LNAPL溶解相和揮發(fā)相濃度分布

圖10 凍結條件不同狀態(tài)LNAPL含量變化

非凍結下不同狀態(tài)LNAPL含量關系圖如圖12所示.溶解相LNAPL、揮發(fā)相LNAPL及吸附相LNAPL隨凍結時間增長逐漸增多,達到穩(wěn)定時含量吸附相LNAPL遠大于溶解相,而揮發(fā)相最少(圖12(a)).可知非凍結條件下下滲1h時總溶解量為0.196mL,揮發(fā)量為0.251mL.穩(wěn)定后LNAPL總下滲量為41.30mL,溶于水的量為0.48mL,氣相LNAPL含量為0.168mL,LNAPL吸附量為2.90mL(圖12(a)).吸附量占泄漏總量7%,吸附量大于溶解量,這也與Kim和Corapcioglu 的LNAPL泄漏實驗結果吻合[33].非凍結條件LNAPL從泄漏點開始不斷下滲,至第7h達到38.43mL穩(wěn)定狀態(tài),吸附量隨凍結時間增長增加到2.90mL后保持穩(wěn)定(圖12(b)).而可移動的LNAPL相(包括溶解相和自由相)略有減少后趨于穩(wěn)定.

圖11 常溫條件下LNAPL溶解相和揮發(fā)相濃度分布

圖12 常溫條件不同狀態(tài)LNAPL含量變化

對比LNAPL于凍結、非凍結條件下1h時溶解相、揮發(fā)相濃度分布可知,LNAPL溶解相在凍結條件下在水平方向上擴散速度大于非凍結條件,地下水飽和區(qū)溶解相濃度差為0.7mg/L,土壤非飽和帶中LNAPL揮發(fā)相最大濃度之差為24.6mg/L.在下滲過程中LNAPL溶解量與揮發(fā)量凍結條件相比非凍結條件會產(chǎn)生2.4%、-24.9%的最大偏差.穩(wěn)定時LNAPL在水中及空氣中的溶解擴散量濃度差別在1mg/L內,其受冰凍層影響小.又由不同狀態(tài)LNAPL含量變化圖可知兩種情景下LNAPL溶于水的量相等,而氣相LNAPL含量差僅為0.003mL,偏差為-1.8%.即含冰層對LNAPL的溶解量和揮發(fā)量造成的影響很小,這是因為凍結條件下溶解量和揮發(fā)量主要通過分子擴散作用通過冰晶孔隙,含冰層的存在對分子擴散作用影響小.而對比吸附量,非凍結條件LNAPL吸附量高于凍結條件LNAPL吸附量,偏差為-6.6%.這是因為一方面LNAPL在非凍結條件下下滲量大于凍結條件,另一方面土壤表面被冰包裹會減少土壤的比表面積從而降低其吸附性能.

3.4 模型驗證

所建模型未加入凍結模塊時,與文獻[26]建立的水文地質條件及污染物泄漏條件設置一致.故可用文獻[26]的模擬結果與本模型模擬結果進行對比以驗證所建模型可靠性.由圖13可以看出,兩者模擬結果一致,驗證了所建模型在非凍結條件下的正確性.

圖13 模型與Kacem案例不同相態(tài)LNAPL含量變化對比

所建模型在凍結條件下的可靠性,由于相關研究較少,難以找到相關實驗數(shù)據(jù)直接驗證.后續(xù)可開展凍結條件下多相流遷移實驗來進一步驗證模型.

4 結論

4.1 本文在COMSOL Multiphysics的多孔介質相傳遞、多孔介質溫度傳導、多孔介質物質傳遞模塊的基礎上,通過增設相關模塊構建了包含水、氣、LNAPL、冰四相的溫度場、流場及化學場三場耦合模型.可用于模擬及定量刻化LNAPL泄漏過程中發(fā)生凍結后LNAPL的遷移分布,為寒區(qū)LNAPL泄漏后的修復提供參考.

4.2 LNAPL在地表淺層的泄漏會影響土壤與環(huán)境的熱量傳導過程.在靠近薄冰層處總有一薄層流體順著薄冰層做水平流動,而冰層介質的達西數(shù)較小,會明顯削弱土壤的對流傳熱,形成熱阻層,使得溫度驟變界面在薄冰層產(chǎn)生.

4.3 凍結條件下LNAPL遷移及水分運移受重力勢、基質勢及凍結勢的控制,LNAPL先在重力勢下向下遷移,隨凍結時間增長,凍結勢和重力勢平衡后在凍結勢作用下發(fā)生一定程度的向上遷移.凍結條件下LNAPL相的下滲量相比非凍結條件下的量產(chǎn)生-51.1%的偏差.

4.4 凍結條件LNAPL溶解相在水平方向遷移速度大于非凍結條件,下滲過程中凍結條件LNAPL溶解量與揮發(fā)量相比非凍結條件會產(chǎn)生2.4%、-24.9%的最大偏差,下滲達到穩(wěn)定時僅揮發(fā)量產(chǎn)生1.8%的偏差.溶解量和揮發(fā)量主要通過分子擴散作用通過冰晶孔隙,含冰層的存在對分子擴散作用影響小.而含冰層的存在對吸附量存在影響,凍結條件下LNAPL吸附量略低于非凍結條件下LNAPL吸附量,偏差為-6.6%.

[1] 李國玉,馬 巍,李興柏,等.多年凍土區(qū)石油污染物遷移過程研究回顧與展望 [J]. 冰川凍土, 2011,33(4):947-952.

Li G Y, Ma W, Li X B, et al. Migration of the petroleum pollutants in permafrost regions: Review and prospect [J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2011,33(4):947-952.

[2] 施小清,吳吉春,劉德朋,等.飽和介質中重非水相液體運移的數(shù)值模擬及敏感性分析 [J]. 南京大學學報(自然科學版), 2011,47(3):299- 307.

Shi X Q, Wu J C, Liu D P, et al. Numerical simulation of transportation of dense nonaqueous phase liquids in the subsurface environment [J]. Journal of Nanjing University (Natural Sciences), 2011,47(3):299-307.

[3] Yang Z B, Zandin H, Niemi A, et al. The role of geological heterogeneity and variability in water infiltration on non-aqueous phase liquid migration [J]. Environmental Earth Sciences, 2013,68(7): 2085-2097.

[4] 王 涵,盧文喜,李久輝,等.地下水DNAPLs污染多相流的隨機模擬及其不確定性分析 [J]. 中國環(huán)境科學, 2018,38(7):2572-2579.

Wang H, Lu W X, Li J H, et al. Stochastic simulation and uncertainty analysis of multi-phase flow of groundwater polluted by DNAPLs [J]. China Environmental Science, 2018,38(7):2572-2579.

[5] 鄭 菲,高燕維,施小清,等.地下水流速及介質非均質性對重非水相流體運移的影響 [J]. 水利學報, 2015,46(8):925-933.

Zheng F, Gao Y W, Shi X Q, et al. Influence of groundwater flow velocity and geological heterogeneity on DNAPL migration in saturated porous media [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2015,46 (8):925-933.

[6] Van Genuchten M T. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils [J]. Soil Science Society of America Journal, 1980,44(5):892-898.

[7] Brooks R H, Corey A T. Properties of porous media affecting fluid flow [J]. Journal of the Irrigation and Drainage Division, 1966,92(2): 61–90.

[8] Falta R W, Pruess K, Javandel I, et al. Numerical modeling of steam injection for the removal of nonaqueous phase liquids from the subsurface: 1. Numerical formulation [J]. Water Resource Research, 1992,28(2):433–449.

[9] Adenekan A E, Patzek T W, Pruess K. Modeling of multi-phase transport of multicomponent organic contaminants and heat in the subsurface: Numerical model formulation [J]. Water Resource Research, 1993,29(11):3727–3740.

[10] White M D, Oostrom M, Lenhard R J. Modeling fluid flow and transport in variably saturated porous media with the STOMP simulator. 1. Nonvolatile three-phase model description [J]. Advances in Water Resources, 1995,18(6):353–364.

[11] 阮冬梅,卞建民,王 倩,等.低滲透介質中輕非水相流體遷移轉化規(guī)律 [J]. 中國環(huán)境科學, 2021,41(4):1815-1823.

Ruan D M, Bian J M, Wang Q, et al. The migration and transformation of light non-aqueous fluid in silty clay [J]. China Environmental Science, 2021,41(4):1815-1823.

[12] Hofstee C, Lenhard R J, et al. Flow behavior and residual saturation formation of liquid carbon tetrachloride in unsaturated heterogeneous porous media [J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2003,64(1):93-112.

[13] Lo I M, Hu L M, Meegoda J N. Centrifuge modeling of light nonaqueous phase liquids transport in unsaturated soils [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2004,130(5):535-539.

[14] Kechavarzi C, Soga K, Lllangasekare T H. Two-dimensional laboratory simulation of LNAPL infiltration and redistribution in the vadose zone [J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2005,76(3/4): 211–233.

[15] Lenhard R J, Rayner J L, Davis G B. A practical tool for estimating subsurface LNAPL distributions and transmissivity using current and historical fluid levels in ground water wells: Effects of entrapped and residual LNAPL [J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2017,205: 1–11.

[16] Kacem M, Esrael D, Boeije C S, et al. Multiphase Flow Model for NAPL Infiltration in Both the Unsaturated and Saturated Zones [J]. Journal of Environmental Engineering, 2019,145(11):04019072.

[17] Biggar K W. Site investigations of fuel spill migration into permafrost [J]. Journal of Cold Regions Engineering, 1998,12(2):84–104.

[18] Chuvilin E M, Naletova N S, Miklyaeva E C, et al. Factors affecting spreadability and transportation of oil in regions of frozen ground [J]. Polar Record, 2001,37(202):229-238.

[19] Barnes D L, Wolfe S M. Influence of Ice on the Infiltration of Petroleum into Frozen Coarse-grained Soil [J]. Petroleum Science and Technology, 2008,26(7/8):856-867.

[20] Singh K, Niven R K. Non-aqueous Phase Liquid Spills in Freezing and Thawing Soils: Critical Analysis of Pore-Scale Processes [J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 2013, 43(6):551-597.

[21] 徐樹林,那平山,武俊英.關于凍結滯水的探討 [J]. 內蒙古林學院報, 1994,(2):46-51.

Xu S L, Na P S, Wu J Y. An approach to frozen perched groundwater [J]. Journal of inner Mongolia forestry college, 1994,(2):46-51.

[22] 李興柏,李國玉.溫度梯度對多年凍土區(qū)石油遷移影響的研究 [J]. 甘肅科學學報, 2013,25(1):73-76.

Li X B, Li G Y. Experimental study on the influence of temperature gradient on the migrating process of oil contaminants in permafrost regions [J]. Journal of Gansu Sciences, 2013,25(1):73-76.

[23] 吳國忠,趙文浩,呂 妍,等.多孔介質內油、水介質遷移對比低溫實驗[J]. 當代化工, 2016,45(6):1108-1111.

Wu G Z, Zhao W H, Lv Y, et al. Comparison of the migration of oil and water in porous medium with cryogenic experiment [J]. Contemporary Chemical Industry, 2016,45(6):1108-1111.

[24] Zhang M L, Wen Z, Xue K, et al. A coupled model for liquid water, water vapor and heat transport of saturated–unsaturated soil in cold regions: model formulation and verification [J]. Environmental Earth Sciences, 2016,75(8):1-19.

[25] 胡黎明,邢巍巍,吳照群.多孔介質中非水相流體運移的數(shù)值模擬 [J]. 巖土力學, 2007,28(5):951-955.

Hu N M, Xin W W, Wu Z Q. Numerical simulation of non-aqueous phase liquids migration in porous media [J]. Rock and Soil Mechanics, 2007,28(5):951-955.

[26] Kacem M, Benadda B. Mathematical model for multiphase extraction simulation [J]. Journal of Environmental Engineering, 2018,144(6): 04018040.

[27] 高彥斌,張松波,李 韜,等.飽和黏性土中重質非水相有機污染物縱向遷移數(shù)值模擬[J]. 同濟大學學報(自然科學版), 2020,48(1):24- 32.

Gao Y B, Zhang S B, Li T, et al. Numerical analysis of vertical migration of dense nonaqueous-phase liquids in saturated clay [J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2020,48(1):24-32.

[28] Parker J C, Lenhard R J, Kuppusamy T. A parametric model for constitutive properties governing multiphase flow in porous media [J]. Water Resource Research, 1987,23(4):618-624.

[29] Peng X, Yu B. Developing a new form of permeability and Kozeny–Carman constant for homogeneous porous media by means of fractal geometry [J]. Advances in Water Resources, 2008,31(1):74-81.

[30] 白青波,李 旭,田亞護,等.凍土水熱耦合方程及數(shù)值模擬研究 [J]. 巖土工程學報, 2015,37(S2):131-136.

Bai Q B, Li X, Tian Y H, et al. Equations and numerical simulation for coupled water and heat transfer in frozen soil [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015,37(S2):131-136.

[31] 劉 偉,范愛武,黃曉明.多孔介質傳熱傳質理論與應用 [M]. 北京:科學出版社, 2006:28-30.

Liu W, Fang A W, Huang X M. Theory and Application of Heat and Mass Transfer in Porous Media [M]. Beijing: Science Press, 2006:28- 30.

[32] Millington R J. Gas Diffusion in Porous Media [J]. Science, 1959,130(3367):100-102.

[33] Kim J, Corapcioglu M Y. Modeling dissolution and volatilization of LNAPL sources migrating on the groundwater table [J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2003,65(1):137–158.

Multi-field coupling simulation of LNAPL migration in cold regions.

FUXiao-qin,SHI Xiao-qing*, JIANGJian-guo, WU Ji-chun

(Key Laboratory of Surficial Geochemistry of Ministry of Education, School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023, China)., 2022,42(3)：1346～1358

A multi-field coupling model of temperature, flow and chemical fields including water, gas, NAPL, and solid (ice) phases was established to quantitatively simulate the migration and distribution of LNAPL under freezing condition during LNAPL leakage. By comparing the LNAPL flow model under non-freezing conditions, the simulated results found that LNAPL would undergo different migration behavior due to the formed ice under freezing conditions. The formed ice prevented LNAPL from infiltrating and generated freezing potential to make LNAPL migrate to the surface. The difference of LNAPL mass flux was -51.1% when the LNAPL infiltration reached stable under freezing/non-freezing conditions. Under freezing conditions, the speed of LNAPL plume in the horizontal direction was greater than that under non-freezing conditions. The maximum predicted error of LNAPL dissolved and volatilized components during the infiltration process was 2.4% and -24.9%, respectively, if freezing condition was not considered. However, the freezing condition had little effect on the dissolved and volatilized components of LNAPL when the LNAPL infiltration reached stable, and only the volatilized component had an error of 1.8%. But the adsorbed component was reduced, and the error was -6.6%.

light non-aqueous fluid (LNAPL)；multi-field multi-phase coupling；freezing potential；solute transport

X131

A

1000-6923(2022)03-1346-13

扶曉琴(1999-),女,湖南婁底人,南京大學碩士研究生,主要從事地下水動力及溶質運移方面研究.

2021-08-06

國家自然科學基金資助重點項目(41730856);國家自然科學基金資助項目(41977157)

*責任作者, 教授, shixq@nju.edu.cn