地下水位波动的滞后效应对VOCs多相间驱替过程的影响机理研究

The wetting-drying cycle of groundwater table fluctuation zone will change the relationship among hydraulic parameters, such as saturation and capillary pressure. The change of hydraulic parameters will generate the hysteresis effect, which has a significant impact on VOCs multiphase flow displacement process. However, the research on VOCs migration mechanism in groundwater table fluctuation zone and numerical simulation rarely consider the hysteresis effect. In this project, a groundwater table fluctuation zone simulation system will be built to simulate wetting-drying cycle by different fluctuating range and period. The saturation and capillary pressure parameters will be collected by in-situ monitoring and X-ray attenuation law means. The saturation-pressure relationship curve will be established among VOCs “gas – water - oil” phases based on Mualem theory. By comparing the change history and path of relationship curve, the response relationship between hysteresis effect and wetting-drying cycle will be illustrated. Combining with VOCs dyeing tracer and multivariate statistical analysis, to study the effect of hydraulic parameters change on VOCs “gas - water - oil” phases displacement and redistribution process. A simulation model couples the hysteresis effect and VOCs multiphase flow will be established based on the parameters of saturation. The coupling model will simulate and predict more accurately VOCs migration and distribution in groundwater table fluctuation zone, and provide scientific guidance to groundwater VOCs pollution remediation.

地下水位波动带干湿交替将导致饱和度、毛细压力等水力参数的相关关系发生变化，而由此引发的滞后效应对VOCs多相间驱替过程将产生重要影响。然而，目前有关地下水位波动带VOCs运移机理和数值模拟的研究中，考虑滞后效应影响的研究较少。本项目拟通过构建地下水位波动带模拟系统，借助原位监测、X-射线衰减法等手段，采集不同干湿交替情景下饱和度与毛细压力等水力参数，结合Mualem模型理论，确定VOCs“气-水-油”三相间饱和度-毛细压力关系曲线。通过对比关系曲线的变化历史和路径，揭示地下水位波动带干湿交替与滞后效应的响应关系。结合VOCs染色示踪法和多元统计分析，阐明水力参数改变对VOCs多相间驱替过程、重分布的影响。以VOCs各相饱和度为纽带，构建滞后效应与VOCs多相流运移的耦合模型，更准确地模拟和预测地下水位波动带VOCs的分布情况，可以为挥发性有机物污染场地的土壤地下水治理提供科学依据。

地下水位波动带干湿循环将导致饱和度-毛细压力（S-P）关系曲线滞后效应，增加了挥发性有机污染物（VOCs）多相间转化，以及污染范围的精准刻画难度，进而对污染修复技术系统设计产生影响。本研究以某石油炼化企业场地为研究区，选取苯系物（苯、甲苯、乙苯和邻二甲苯）作为代表性VOCs，通过构建地下水位波动带模拟系统，确定苯系物“气-液-NAPL”三相系统相对渗透率-饱和度-毛细压力（Kr-S-P）关系曲线，建立了考虑滞后效应的研究区苯系物多相间转化模型，利用数值模拟对苯系物在地下水位波动过程中的多相间转化进行了系统研究，并叠加土壤气相抽提技术（SVE），开展地下水位波动条件对SVE技术应用的影响研究。结果显示：（1）研究区同一土壤介质中，不同脱湿和吸湿过程开始的初始饱和度相似时，得到的S-P关系曲线基本重合，且循环次数的增加对其滞后效应的影响不显著。（2）在水位波动期间，单岩性（砂土）和双岩性（砂土和粉土）土柱中污染物总质量（气相、液相和NAPL相污染物质量之和）和NAPL相污染物质量持续下降，且NAPL相污染物质量损失高于污染物总质量损失，NAPL相污染物以0.97比0.03分别向气相和液相污染物转化。（3）研究区地下水位波动条件数值模拟研究中，滞后效应对于污染物的扩散起到了一定的阻滞作用，且污染物总质量高出不考虑滞后效应情景10.1kg。忽略滞后效应的数值模拟中，容易低估研究区地下水位波动造成的苯系物污染风险。（4）研究区地下水位波动和稳定情景下SVE技术应用模拟表明，苯系物的质量去除率相近且均高于80%，但地下水位波动情况下苯系物去除率高出11.76%。