6 q- U% g' ?/ o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。
3 O7 s6 |& R1 ?( b2 u+ J* y+ z# l5 B+ g
% F6 l3 @2 r$ T; ]' `( b
0 {5 f# ?' c6 \/ V9 C
# d- ?3 \1 k/ p N- M+ c
1 I+ p# {$ p+ F' B" x2 c# C; X R0 k& D% L6 ?
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:
; r; J& R t u5 K! `) I% j- W* P
土壤/岩石材质,孔隙大小和几何结构+ b; r% S) _" D# U$ r
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)
4 v% {% M* O' R$ K! A流体特性,如流体密度、黏度和表面张力
3 a8 ^+ a) a% [, m1 s8 k2 d- m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)
* z. P* t3 v2 y
- t1 z: X) N) e2 ]8 d5 O
7 J9 n& L8 Q6 B+ B" ?8 ]% ]" s2 [% Z2 L& [1 v3 F
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。
2 J7 @8 k& J0 J) {) C2 D; p" D- u5 n1 C. x" h
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。
; N' m8 x l3 P, b/ a) L1 i
! m7 F# i1 i& e$ W5 i& G
! |8 _% C9 _# V, c. ^3 K9 s4 Z0 `" S* W9 R, v( g/ l
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。& m$ o R2 g0 V `4 L
) m% t- R) \# M, r/ Z
LNAPL饱和度7 @ n% `4 C8 o$ D. v: J
4 g1 H; D0 z& c9 PLNAPL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。/ @5 u8 s( c4 l# c+ q$ c
y! s3 n* B+ e3 G" h
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。$ d6 n5 m8 g- h" T h
' b! ^$ d/ i: k, p! j
/ J. k9 L. {' P' V6 F! u$ V0 y3 v9 F2 f; J3 H
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。
: [9 {3 J0 K- z( \
' O( q8 N9 X3 V0 K6 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。4 X: D Z* W7 Q+ g9 e
9 C5 \! n$ r& f/ B
" ^) m$ @1 z& B6 X3 ~/ L2 q e6 y. I; c4 C
图3. LNAPL饱和度大于残余饱和度+ b) b% Q( m5 A# { A8 n4 K5 V2 A
9 g7 y6 \( V3 r, s! u& b" S3 `
5 `3 R _& s; B. D" r, i, a9 V* E1 r, s# P$ {9 Q% S* C
图4: LNAPL饱和度小于残余饱和度; q/ I& S0 [# S- ] |9 M$ K
* i1 H' N3 H: o( J' W# J监测井中的LNAPL
1 O% Z5 _& ]. }) J8 X/ L# u
5 V& M8 a% U& b' s3 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。
* b, Y6 ^7 G+ J" d% l Q1 V" l2 I7 h; A' e. v5 ~: b
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。3 m$ _/ m- |5 v( E% D# [
7 S" i* H; f- c4 w$ R- t
! d6 I1 `+ ]' Z" ]; Q
2 V+ E {! c% ~" q! d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。# ^& K; ^1 k* |# E6 d% q- ?
: c" u4 M8 c+ S4 u, Y- ~3 {! y. s
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。
/ l, e! h! g0 L5 K% e8 k! g7 {. z
" B, R& N& L. q- P/ c6 T6 W8 [# F$ l# m, @非限制含水层条件. a8 p5 {! |, c
! p0 X7 Z3 T9 } F0 A7 C: o
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。
$ S2 ]# d1 }* U, i. w {! f0 f3 A! W K4 `; [7 F4 S2 y9 `+ K7 d
承压条件- V/ n; M- E1 D# _/ S
# O5 t; K/ k$ n6 P9 B) _* m
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。
4 B- ]. F) w4 r4 ?3 t/ M: A" t1 r* S6 \+ b M4 @' O
上滞条件
9 [& \, V/ `6 f X9 S, D: | ]
" |( b- F2 D6 _1 h+ Y" g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。: ]5 F/ ~4 f% B, G0 Y. |$ E5 i+ K* u
; Y+ E4 K8 [4 L% p+ x }3 i: V裂隙水条件
3 H9 i. h5 K# W3 Q9 {' P1 ]- B0 g3 ?( R8 j: O/ j% h
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。, T* Z) a7 \' E) ]2 Z5 E3 |7 z' M
: g! W! r2 \$ s8 ]% o8 @: I6 g! m
) d) `1 q4 n% v* F2 d& M& C
( `6 x, p, y2 V9 l图6:在不同地质条件下,监测井中发现LNAPL的四种情况* ^# [2 p0 P7 S& l9 ~: b
' Q3 ]+ S9 l8 }0 _' F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。; d! y! c2 S, O R; K
" h% C1 j: O/ e1 Q) V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。
, B, y+ L9 J; H# m- C& r" U" u
0 j, E* Y5 l+ X8 e5 X
8 Q$ S7 |- q' S; `2 m8 @! S; Z3 C r4 T; M$ e, |2 [
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。
. @ R+ ~& g0 T# o, s6 S' E/ \) P+ z$ R' T# h
; w+ {0 q# w7 E5 ^: u. x
( I% E$ @1 R1 ?$ {# V' j$ `
# } @- x8 P7 \1 e' v, l. a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。
* i4 _# m8 s. D3 b+ Z6 B
, a" z, d2 c( s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。, y. K" k0 z% h0 E
* o6 `6 U6 [8 n7 c1 E表一: 潜在的LNAPL指标# E: ?* {; p- q& n! x
$ r4 ~& A6 W+ G7 I6 G$ n
指标 | 限制 | 地下水 | · 特定成分的有效溶解度:
/ n* U# i3 N5 f% Q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。# F. R' A5 r1 C6 B
4 w) H+ h) b8 @% J: n. ^7 ` | 土壤 | · 当前或历史上LNAPL的存在(包括光泽油膜,污渍); [. F+ U3 Y; B: e
· 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。
5 i3 Z- u" a7 _0 |9 L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。 | , K* H" q o+ P
| 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 | % j+ W3 D* D, o$ |8 {# u: A0 q d
|
© 声明:本文仅表作者或发布者个人观点,与环保之家[2TECH.CN]无关。其原创性及陈述文字、内容、数据及图片均未经证实,对本文及其全部或部分内容、图片、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺,仅做参考并自行核实。如有侵权,请联系我们处理,在此深表歉意。
|