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轻质非水相液体[LNAPL]污染场地迁移与分布

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地下轻质非水相液体(LNAPL)的识别和表征通常主要由在监测井中对LNAPL的测量和观测所决定。然而值得注意的是,虽然LNAPL在井中的表观厚度的测量表明了LNAPL的存在,但它很难反映在井附近LNAPL的含量、流动性和采收率。因此,还需要研究者深入了解LNAPL的特性。
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对LNAPL迁移和采收率可能产生重大影响的部分场地特定因素如下:
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土壤/岩石材质,孔隙大小和几何结构
© 环保之家[2tech.cn]& b! \* D1 t6 O( _水文地质因素,如孔隙水含量、水力传导系数、地下水位波动以及含水层类型(例如承压的、潜水的、上滞的、裂隙的基岩等)) k8 |1 j6 [* j' n! d© 2tech.cn
流体特性,如流体密度、黏度和表面张力6 {0 u0 @0 L( X9 I$ Y" ~& x© 2tech.cn
土壤-流体相互作用特性,如毛细管压力和相对渗透性,以及这些特性在具体场地的变化(如异质性)
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LNAPL的迁移

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© 环保之家[2tech.cn]4 }( D* f0 w; P2 i当石油LNAPL被排放到地表或者地下时,它会在重力作用下通过不饱和区域(包气带)向下迁移。当LNAPL通过包气带迁移时,部分LNPAL将在毛细作用力和和土壤异质性作用下被滞留、吸附、截获并在孔隙中失去流动性。如果排放足够量的石油物,LNAPL能够到达饱和区(毛细其余和地下水层),由于其密度较低且和水互不相溶,LNAPL相会先聚集并侧向扩散。在足够的水头压力下,LNAPL可填充毛细管区域并有效地挤压地下水位。LNAPL将继续垂直和水平迁移直至达到平衡态,将包气带孔隙中的空气和部分饱和带中较大孔隙中的水分挤出。% c7 v8 X3 y) c6 Z* Q1 \© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]$ t( B+ K, r# S2 t在泄漏停止以后,LNAPL主体往周围的扩散会受到其它阻力限制从而抵消其梯度压头,阻力包括浮力和毛细管力。在石油泄漏后的地下饱和区,LNAPL主体的形成可以大致分为两个阶段:1)初始短期扩散阶段,在此期间LNAPL会沿着其浓度梯度主动迁移;2)长期的稳定阶段,在LNAPL迁移的驱动力相对于反作用力减弱以后,扩散速度降低至接近于零。但是一旦地下水位或者梯度分布出现浮动,LNAPL污染羽在水平方向和垂直方向上的平衡都会被打破。
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© 环保之家[2tech.cn]3 [$ n8 A& ]& N图1:孔隙级的 LNAPL饱和度,LNAPL相分别在非饱和区,毛细管区,自由相主体内的高饱和区和自由相主体边缘的低饱和区,呈现不同的饱和度。5 F" W" @" z) g8 ?6 a© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]. l8 G! _+ J( U- T" lLNAPL饱和度$ Y3 X- n- c! y( o3 X© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]; }) Y# y& Q& _- p2 A9 wLNAPL主体的地下运移能够用LNAPL饱和度来进行部分表征。LNAPL饱和度的定义为LNAPL所占孔隙总体积的百分比(图1)。在包气带,LNAPL与空气以及水分(以土壤水分形式存在)同时存在于孔隙之中。在饱和区,孔隙间则只有LNAPL和水分。在垂直方向达到平衡下,更高的LNAPL饱和度通常出现在LNAPL主体和饱和区的顶部附近,而在毛细上升带或地下水位以下,LNAPL相对量也通常随着深度的增加而减少。LNAPL饱和度随深度变化而产生的变化被称为是饱和度分布情况。  `0 L) e% |$ S1 Z8 N© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]. G6 P  Y! Y- F) s0 v! Y1 `饱和度分布情况会因为土层分层和土壤异质性而变得不规律,并在不同空间维度产生变化。它也会随时间产生变化,因为LNAPL会根据地下水位的波动而重新分布。因为水位波动导致的LNAPL纵向再分布通常会产生一个LNAPL“涂抹带”,其厚度不低于历史水位波动的阈值。水位的波动可能会控制LNAPL在井中的出现和消失,并可能显著影响其迁移能力,补给速率以及自由相采收率。
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© 环保之家[2tech.cn]! J+ L5 f1 I1 N  Z. [3 t图2:不同土壤的饱和度分布图(假设同质土壤),可见不同的土质结构中,LNAPL在不同深度的饱和度分布。对于孔隙度较大的土质,可达到更高的饱和度,同种土质中,最大的饱和度往往在地下水饱和区的顶部。
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© 环保之家[2tech.cn]) Z, i( G! t/ S: ~0 h& F, h部分LNAPL会最终演变成受到水力隔离且与主体独立脱离的分散油滴,被滞留在孔隙和/或不规则几何空隙里。LNAPL残余饱和度被定义为在施加的梯度下无法移动的LNAPL的饱和度。LNAPL在残余饱和度以下既不会移动也不能被收集,但有技术可以通过物理或者化学方法改变LNAPL性质,来促进污染物去除。超过残余饱和度的LNAPL叫作流动相LNAPL。流动相LNAPL或可迁移,但是它在液相中是可能被回收的。
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© 环保之家[2tech.cn]3 `6 a( `7 E9 [; n) A" T  ~图3. LNAPL饱和度大于残余饱和度1 I1 I* ~' L: w1 K, i+ H5 S: O© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]  U; I  a/ c& r7 S  l0 _1 D 环保之家4.JPG " ^8 J3 ]  s# i8 v" p4 {© 2tech.cn
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图4: LNAPL饱和度小于残余饱和度
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© 环保之家[2tech.cn]" [5 G% {! @% H- v# Y监测井中的LNAPL1 Y" u3 ]' u) \; |© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]* H2 O5 `$ J; X% b$ ^: Z' E: b. f如果在采样点检测到LNAPL的存在,则表示LNAPL在监测点附近有潜在的流动性, 但是并不意味着LNAPL正在迁移。发生在LNAPL主体边缘的迁移,需要通过迁移作用力,例如LNAPL梯度(水头压力)驱使LNAPL侧向迁移,并且必须克服孔隙中的反作用压力。在LNAPL主体锋面某点,在没有很强的LNAPL梯度或者持续的LNAPL污染源时,反作用力会阻止LNAPL继续迁移。因此,LNAPL主体会最终在某种(作用力)条件下达到空间上的稳定,即使超过了残余饱和度,LNAPL也可能仍然呈聚集、非流动状态。LNAPL主体通常在泄漏源停止泄漏后,和(水头)驱动力消散后,变得稳定。3 Z. b( l* W' z0 |6 E* v© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]$ I1 e7 j$ G% r! G" o由地下水位波动引起的LNAPL的涂抹作用会重新分布LNAPL相量,因此LNAPL会逐渐变得缺少流动性,回收率变小。例如,无限含水层环境中,在一个先上升后下降的地下水位波动情况下:流动相LNAPL部分会在水位升高时顺着水位向上移动(图5), 但是这些上升的LNAPL一部分将会在水位下降时被孔隙束缚。因此,LNAPL的垂直分布产生了变化,LNAPL主体的移动性减小。季节性的地下水位波动可以重新分布流动相的LNAPL,同时也可能通过生物降解、溶解和挥发作用来减少LNAPL的质量,逐渐减少了流动相LNAPL,直到全部的LNAPL变成残余相。# I) w2 j' v$ m© 2tech.cn
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图5.土层中和监测井(a-e)内观察到的非限含水层水位波动和LNAPL厚度关系的概念性描述(ITRC 2009),水位的上升下降在涂抹带造成不同的残余相含量,使井内的油厚有差别,另外,水位下降时,部分LNAPL并未随下降水位下降,而是被截留在上部土壤中并排入监测井中,监测井内油厚度上升,水位上升时,水阻断了自由相排入监测井的路径,且进入监测井,因此监测井内的油厚减少。" a0 t/ V, I1 s  L0 g© 2tech.cn
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正如下文所讨论的非限含水层,承压层,上滞层和裂隙基岩中地下水位的波动,与地层中的流动相LNAPL的实际厚度相比,井中的表观LNAPL厚度通常被夸大。
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© 环保之家[2tech.cn]7 U  u% J1 r/ i1 U非限制含水层条件
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在非限制含水层条件下,随着地下水位下降,部分LNAPL不随水位下降而是排入井内,监测井中的LNAPL厚度可能会增加。随着地下水位的升高,LNAPL滞留在在饱和层土壤中,水流入井中,因此井中的表观LNAPL厚度减小。当非限含水层条件处于平衡状态时,井中的表观LNAPL厚度将与监测井周围的流动相LNAPL的平衡厚度非常接近。
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承压条件; _9 [# R0 s% ^) S© 2tech.cn
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在承压条件下,监测井中的LNAPL厚度通常随着压头上升而增加,随着压头面下降而减少。通常,与在地层内的流动相LNAPL的厚度相比,在井中观察到的LNAPL厚度可能被夸大。
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© 环保之家[2tech.cn]3 Y. p; n# c5 _) v, `' \# F/ Q上滞条件6 W  R: l" l% V© 2tech.cn
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在上滞条件下,与相邻的流动相的LNAPL相比,监测井中的LNAPL厚度可能被夸大。如果井延伸穿过滞留层进入承压层中,则会导致纵向流将LNAPL往下带入下至下面的含水层。* ^0 o; F9 l5 T* G8 X8 w0 r6 g- S© 2tech.cn
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裂隙水条件9 I: I4 h# ]9 }! p, R% Q© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]  I! v, r9 U  o2 X在裂隙水存在优先流的路径条件下,由于压头面和井内相交的裂缝之间的关系,可能导致比流动相LNAPL夸大的井内油层厚度。裂隙和优先途径所产生的毛细管压力差使LNAPL密闭在其所形成的大孔隙网络中。这些裂隙和优先路径条件可能包括基岩或干燥土壤中的开放裂隙,被黏土包住的砂,还有大矿石。
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环保之家6.JPG * D  D4 d4 g6 P© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]/ z/ D" ~4 v5 I5 D- @$ o& u图6:在不同地质条件下,监测井中发现LNAPL的四种情况* d" e; J$ ~9 e/ c4 h© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]- w8 j' l3 V; M  {一般来说,如果在低水位时期在监测井内没有收集到LNAPL,泄露现场很可能没有流动相的LNAPL。任何出现的LNAPL都应被视为非流动相残留。如果监测井中收集到了LNAPL,LNAPL很有可能在监测井附近的土壤中流动。但LNAPL污染羽或羽流体可能会也可能不会在场地范围内流动或迁移。判断流动相LNAPL是否存在和其是否在场地内迁移的最有效方法之一,就是定期测量监测井。监测井的井筛需要包括地下水水位的浮动阈值区域,并且最好在LNAPL的主体和羽流区域边缘分别部署监测点。
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© 环保之家[2tech.cn]5 |1 M6 m1 [5 n# s% O' P进行LNAPL回收工作时,在回收井观察到的LNAPL是由回收井相邻区域的LNAPL经由土壤孔隙排出去的。回收井附近的LNAPL在保持流动性的情况下,由浓度梯度为驱动力,自然流到收集点或者通过泵抽等工程控制吸入至收集点中。当饱和度降到残余饱和度时, 在液相时如果不改变残余LNAPL的物理或化学性质,液压回收原理将无法继续回收LNAPL。残余饱和度是泵抽类采收系统的理论终点,并且几乎不可能在实际工程中达到。达到残余饱和时, 除非通过其它LNAPL修复技术改变其物理或化学性质, 否则LNAPL将无法流动。
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© 环保之家[2tech.cn]+ V0 Z* Z5 i5 F7 P* J( Y& \图7:残余饱和度是泵抽类采收系统的理论终点,此饱和度在实际回收工程中几乎不可能达到。
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LNAPL指标

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© 环保之家[2tech.cn]+ c. [8 ~& y1 w2 Y+ D# D在石油泄漏场地,如果怀疑自由相的存在,但LNAPL并没有被直接观察到,判断LNAPL是否存在则需要通过多条证据链来验证。通过监测井来监测LNAPL是否存在很有帮助,但是,这并不能作为评估的唯一工具。如果在一座监测井中发现LNAPL,可以假设周围的含水层存在LNAPL。然而,如果在监测井中没有观测到LNAPL,该情况无法作为土壤中没有LNAPL的证据。同样,采用工程措施后,如果监测井中的LNAPL消失,并不能由此断定周围地下土层中不含LNAPL。在这两种情况下,LNAPL可能存在于不连续的土壤孔隙中。它的饱和度不足以使其横向迁移或者流动到监测井中。
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© 环保之家[2tech.cn]; j1 ]+ k( d6 j2 i  C% D表1 列出了在疏松土壤介质中可能指示LNAPL存在的指标。更重要的是,这些指标只能被当做证据链,而不是绝对的指标。; F4 k3 ?1 _. R4 i( R) T© 2tech.cn

© 环保之家[2tech.cn]/ d: R! Z2 d  o* D+ i# ?# q9 r1 b0 F表一: 潜在的LNAPL指标6 H/ s! b; W1 j! W! m© 2tech.cn
& q) ]5 n# f; B5 D$ g+ N7 K© 2tech.cn
指标
限制
地下水
·         特定成分的有效溶解度:
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大于溶解度1%~10% (例如,汽油)
·         苯:>1−5 mg/L
·         总石油烃(汽油):> 30 mg/L
·         苯系物:> 20 mg/L
·         当前或历史上LNAPL相的存在(包括是否发现油渍光泽)
因为不同的泄漏物类型和侵蚀程度,在地下水中没有特定的石油烃化合物浓度用来定义LNAPL。
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土壤
·         当前或历史上LNAPL的存在(包括光泽油膜,污渍)
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·         苯:>10 mg/kg2
·         总石油烃(汽油)> 250−500 mg/kg2
·         总石油烃(柴油)>10−30 mg/L5 mg/kg
·         紫外线荧光(UV)或激光诱导荧光(LIF)对LNAPL的反应
·         光电离检测器(PID)或氢火焰离子化检测器(FID)检测读数> 500 ppm
使用总石油烃土壤浓度数据作为LNAPL的指标需要谨慎。注意这个表中的信息可能并不能应用于某些介质,包括沉积物或裂隙介质。, P7 B4 u8 h6 V3 ]4 s8 k0 }© 2tech.cn
总石油烃土壤浓度会受土壤中的有机物质影响。
总石油烃土壤浓度与土壤蒸汽的TPH和O2的关联并不大。
有机土壤蒸汽的数值取决于具体成份。对于更早期的泄漏,即便LNAPL存在,PID/FID的读数会很低。
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相对于泄漏地点的位置
邻近 (例如6米以内)已知的或可疑LNAPL泄漏区或石油设施
离已知的或可疑的泄漏区越近,遇到LNAPL的可能性越大
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