轻非水相液体污染物渗漏扩散运移特征与GPR探测方法研究

Soil and groundwater contamination by light non-aqueous phase Liquids (LNAPLs) is a worldwide problem. It has a great significance in theory and in practice to understand the diffusion and migration of LNAPL leakage in the subsurface. In this study, based on the theory of multiphase flow, the migration mechanism of LNAPLs in unsaturated soil will be demonstrated by a numerical simulation of a multi-phase mathematical model and laboratory experiments; then ground penetrating radar (GPR) will be used to investigate the LNAPL contamination. The GPR data will be acquired by a step-frequency GPR system and time domain GPR systems with multi-offset. The electrical attributes will be extracted from the GPR data by data processing and analysis. Combined with the estimation of hydrogeological and electrical parameters of the medium, and constrained by LNAPL infiltration, the preliminary quantitative interpretation of LNAPL contamination will be given.

由轻非水相液体（LNAPLs）引起的土壤和地下水污染是一个世界范围的环境问题，开展LNAPLs渗漏扩散对环境污染行为的研究具有重大的理论意义和实际意义。本项目从多相流理论出发，初步建立LNAPLs污染物渗漏扩散运移的数学模型，并进行数值模拟计算；在此基础上开展探地雷达（GPR）探测方法研究。采集和分析多频和多偏移距探地雷达数据，提取介质属性信息，初步开展LNAPLs渗漏扩散污染程度的定量分析和解释。

由轻非水相液体（LNAPLs）引起的土壤和地下水污染是一个世界范围的环境问题，开展LNAPLs渗漏扩散对环境污染行为的研究具有重大的理论意义和实际意义。LNAPLs在非饱和土壤介质中迁移属于变饱和度多相流问题。根据质量守恒原理，在特征单元体上推导了各相迁移的控制方程，并使用有限元配置法对控制方程求解。数值模拟分析了LNAPLs泄漏速率、泄漏量、以及土壤固有渗透系数对LNAPLs迁移的影响。研究了LNAPLs泄漏到土壤包气带后，随着其迁移扩散，土壤相对介电常数的变化情况。当土壤中有LNAPLs泄漏时，LNAPLs首先会在重力作用下向下迁移，当LNAPLs迁移到达毛细水带处，会受到毛细力的作用发生明显的横向迁移。而由于LNAPLs的密度比水的密度小，它会漂浮在水面上，并随着聚集量的增多使水面下凹。LNAPLs在土壤中迁移会受到泄漏量的影响，泄漏量越大，迁移范围和浓度分布越广。会受到泄漏速率的影响，泄漏速度小会在短期内有明显的迁移，但后期迁移范围会小于泄漏速率大的情况。土壤固有渗透系数越小，LNAPLs迁移范围越小。LNAPLs的泄漏会使土壤的相对介电常数减小，而由于LNAPLs的迁移会驱使土壤中残余水向两侧迁移，进而形成明显地“山形”。.在实验室内，通过将不同比例的柴油、水和石英砂进行混合模拟LNAPLs污染土壤，使用开口同轴法在200 MHz～8.5 GHz频率内测量污染土壤的介电常数，分析了其变化规律。石英砂在达到饱和状态前相对介电常数伴随体积含水量和含油量的增大而增大，饱和后增加体积含油量对相对介电常数的影响不显著；相对介电常数随着污染时间的延长呈现出先增大最后趋于稳定的趋势。通过修正现有经验公式，得到了关于油、水体积含量与相对介电常数之间的关系模型。在LANPLs污染场地开展了探地雷达探测。结合数据处理与解释，初步开展了对LNAPLs污染土壤的定量分析，给出了土壤污染范围。