前沿动态轻质非水相液体[LNAPL]污染场地迁移与分布

查看全部 · 发表于 2021-4-6 15:20:39

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：

土壤/岩石材质，孔隙大小和几何结构
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）
流体特性，如流体密度、黏度和表面张力
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）

01

LNAPL的迁移

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。

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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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。

LNAPL饱和度

LNAPL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。

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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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。

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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图3. LNAPL饱和度大于残余饱和度

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图4： LNAPL饱和度小于残余饱和度

监测井中的LNAPL

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。

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。

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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。

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。

非限制含水层条件

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。

承压条件

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。

上滞条件

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。

裂隙水条件

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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图6：在不同地质条件下，监测井中发现LNAPL的四种情况

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。

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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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。

02

LNAPL指标

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。

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。

表一：潜在的LNAPL指标

指标	限制
地下水
· 特定成分的有效溶解度：$ x+ S2 e, J. s- s) L: e 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。+ }! G9 {$ {$ H6 d ; f: w9 T3 B. x A
土壤
· 当前或历史上LNAPL的存在（包括光泽油膜，污渍）5 C$ I0 H4 D7 s w. u9 n2 i9 B · 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。) v0 x# `6 I" \|9 N3 r3 B' x& f d* F 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