地下水污染试验研究进展_地下水污染研究进展
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地下水污染试验研究进展
叶为民，金麒，黄雨，唐益群
（同济大学岩土工程重点实验室）
由于人类活动的长期影响，在全世界范围内地下水环境均表现出不同的恶化趋势。为此，国内外许多学者对污染物在含水层中的运移、控制、修复进行了大量的研究工作。其中包括：
（1）污染物在地下水中运移的模拟及预测。利用室内或野外试验测定相关参数，结合数学模型，为地下水资源管理和已污染含水层的修复提供定量依据。
（2）防止污染源扩散的方案设计。通过计算分析，选择最佳治理方案。
（3）海水入侵问题。对人工开采地下水后海水与地下水过渡带的运移分析。
（4）高辐射性核废料处置库的选址问题。选择合适的处理库使核废料在其半衰期内与人类生存空间及环境隔离。
（5）饱气带中污染物的运移问题。评价农田施用化肥、农药、污水回灌对地下水水质的影响，以及了解土壤盐碱化过程，并确定排盐改碱过程。
（6）已污染含水层的修复研究。包括工程措施（客土、换土、隔离法、清洗法、热处理和电化法等）、施加改良剂（沉淀作用、抑制剂、吸附剂等）、农业措施（增施有机肥、控制土壤水分、选择合适形态的化肥等）、生物修复技术。
一、国外研究现状
国外对污染物在地下水中运移的研究和应用从20世纪初即已开始了。许多学者研究了多维弥散、重力分异、吸附效应等水动力弥散问题。由于石油在开采、储运和炼制的过程中常会发生外泄事故，渗漏的成品油会对地下水土壤造成严重的污染。目前这已经成为世界普遍关心的问题，于是国外学者把注意力转向了包括石油在内的非亲水相液体（简称NAPL），对NAPL在地下水中的运移、控制、修复等方面开展了大量的研究工作（如表1 所示）。
1、试验用污染物（NAPL）选择
NAPL 在地下水系统中的迁移是一个十分复杂的物理、化学及生物综合作用的过程，与一般和水混溶的无机污染物不同。由于NAPL 在地下水中存在明显的重力分异现象，根据其比重与水的差别分为轻非亲水相液体
（LNAPL）和重非亲水相液体（DNAPL）。轻非亲水相液体（LNAPL），如石油、煤油、对二甲苯（p-ylene）等，通过非饱和土层后，以自由态漂浮在地下水的表面；重非亲水相液体（DNAPL），如杂酚油、柏油、氯化烃等，由于溶解度较小，通过含水层滞留下来的污染物形成潜在的污染源，对含水层构成很大的威胁。
表1国外NAPL 在地下水中的迁移规律研究
在选择NAPL作为污染物时要考虑以下几点：（1）试验的可重复性和对比性。由于在市场上买来的石油等有机物组分含量不确定，因而通常采用单组分的溶剂，如对二甲苯、三氯乙烯；（2）NAPL的挥发性。NAPL的挥发性通常较大，应采取适当的措施(如土层上铺设土工布或降低室内温度等)减小污染物的挥发；（3）NAPL与水在不同比例下动力黏滞系数的变化。
2、孔隙介质及含水层
国外弥散试验不仅研究分层土，还包括含有夹层、阻挡物的土层。但多孔介质一般也还是采用渗透系数较大的砂土，这与黏土层中做弥散试验通常需要半年甚至更长的时间有关。
3、弥散试验装置
由于NAPL的野外试验耗资大且会对环境造成污染，对于它的研究通常是通过室内弥散试验进行的。国外使用的弥散槽大致可分为两种，平面二维弥散槽和垂直二维弥散槽，以模拟NAPL的水平二维弥散和垂直二维弥散。垂直二维弥散槽研究NAPL 在含水层中的重力分异问题。
4、研究内容
综合表1所列出的内容，可看出目前国外对NAPL进行的研究工作主要包括以下几个方面：（1）污染物组成对迁移和吸附的影响；（2）利用离心机研究污染物在含水层中的运移；（3）污染物含量及组成对含水层渗透性的影响；（4）非饱和土中污染物的迁移与吸力关系研究；（5）防止污染源扩散采取的措施研究；（6）受污染含水层的修复研究。
二、国内研究现状
我国20世纪80年代初才开始研究污染物在含水层中运移。1980年初山东地质局、长春地质学院、地质部水文地质研究所、山东大学等单位在济南市郊区进行了为预测地下水污染发展趋势的地下水质模拟试验研究工作。随后更多研究单位开展了大量的地下水质模拟试验研究工作，特别是对地下水环境污染数学模型研究中的弥散系数的研究，由于弥散系数具有尺度效应，国内的弥散试验重点大都集中在准确地确定弥散系数上。表2归纳了近年来国内部分室内野外弥散试验研究工作。
1、试验用污染物选择
理想的示踪剂应当是：无毒、廉价、能随水移动，即使以痕量存在也容易被测定出来且不改变地下水的天然流向，在所需要的时间内化学性质稳定；在所研究的含水层中不被所通过的固体吸附和滤出，同时又不在地下水中大量存在。国内室内弥散试验中所用到的污染物主要以可溶性物质为主，如NaCl、Cl-、萤光素钠盐等都很好得符合了上述要求，野外弥散试验大都是利用已污染的水源地作为弥散场地，其示踪剂因污染源的不同而可能采用有毒物质，如氚、氟、Cr6 +等。
2、孔隙介质及含水层
由表2可看出国内弥散试验大都是以砂子或更粗的卵石为孔隙介质，部分野外试验介质是黏土、砂土分层分布，但污染物主要从透水性较好的砂层中通过。以砂土为弥散介质避免了黏土层中取样的困难，同时减少了试验时间。但由于污染物在黏土中扩散的机理不同，吸附效应显著，把污染物在砂土中的研究成果直接应用于黏土中是不尽合理的。污染物在黏土中的弥散试验在国内尚未见报道。
同时，国内室内弥散试验所模拟的含水层大都是各向同性的饱和土层，这只是一种理想状态。实际上，天然状态的含水层大都是非饱和的，土层分层分布，有时还存在夹层或弱透水层。这时污染物的扩散机理显然与理想状态存在差异，有待进一步研究。
3、弥散试验装置
国内室内弥散试验大都是一维弥散，采用渗流柱作为弥散装置。孔隙介质通常是细砂或粗砂，渗流速度可达10-4m/s～10-3m/s，渗流柱长度一般采用100cm左右；经验表明，对渗流柱直径的选择，不能太小避免渗流柱侧壁对污染物运移的影响，也不能太大避免渗流柱中产生二维流，一般取10cm～20cm。
二维室内弥散试验一般采用矩形弥散槽，当模拟径向弥散时也可采用辐射状弥散槽。弥散槽的选择应遵循以下几条原则：（1）长宽足够大以模拟多维地下水流；（2）同时又不能太大，使试验在一定的时间内完成；（3）使用毒性相对小的化学试剂及砂土，以减小试验对环境和试验人员影响；（4）观测孔间距以可确定土层性质在空间上的变化为准；（5）布置有测压孔，测定各点水头值；（6）可收集土样做水质分析和土样分析，且不影响试验水流流向；（7）可精确控制边界条件和初始条件，包括两头水位；（8）可用现场测试技术收集数据，如饱和土中压力和饱和度的量测。
表2国内弥散试验研究
4、理论基础及局限性
国内的污染研究大多建立在水动力弥散方程解析解的基础上，利用已求得的解析解，计算水动力弥散系数及阻滞因子。虽然由于尺度效应的存在，不能把试验所得参数直接应用于现场。但是可以为数值分析污染物的运移提供参数，并将计算出的参数反代回解析解中验证数值解的可靠性。
但由于水动力弥散方程定解问题的复杂性，实际上只有在极为理想的条件下，才能求得弥散方程定解问题的精确解的表达式，并且由解析解也还不一定能求出弥散系数及阻滞因子，这限制了弥散试验的研究。已求得的几种典型弥散问题的解析解归纳如表3 所示。除此之外，还可利用叠加原理求解一些比较复杂情况的解析解。
表3已求得解析解的典型弥散问题
三、发展与展望
总而言之，前人对地下水污染问题已进行了大量的试验研究工作，并取得了丰富的成果。但对污染物在含水层中的吸附效应、非饱和土中的运移、黏土中的运移、弥散系数的尺度效应等方面的研究还有待进一步加强。因此，细颗粒孔隙介质(粉土、黏土等)中污染物的迁移问题；污染物在含水层中的三维弥散问题；各向异性(分层、夹层等)含水层介质中污染物的迁移问题；非亲水相物质(NAPL)在含水层中迁移过程中重力分异效应问题；吸附效应，包括分配系数和阻滞因子的研究问题；非饱和土层中的污染物多相迁移和吸力的关系问题；弥散系数的尺度效应问题等应成为未来地下水污染研究的热门课题。
冯翠娥摘自《水利学报》第36卷第2期，2005年
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