非均质条件下土壤—地下水系统中重非水相液体（DNAPLs）运移行为及其数值模拟研究

土壤和地下水有机污染特别是DNAPLs污染是当前国际上地下水污染控制的热点问题。DNAPLs能穿过非饱和带土层进入饱和含水层，对地下水环境危害极大，掌握DNAPLs在土壤与地下水中的运移行为对于选择相应有效的污染防治措施至关重要，国外已有不少相关研究成果，国内研究相对很少。野外实际含水介质复杂的非均质性使DNAPLs在其间的运移行为更为复杂。当DNAPLs在非均质土壤-地下水系统中运移时，介质非均质性变化、饱和度变化及胶体的作用均会显著影响DNAPLs的运移行为。本项目拟通过室内外实验和数值模拟手段，研究含水介质的非均质性、饱和度变化及不同类型胶体对典型DNAPLs运移行为的影响机理和影响程度，以及非均质土壤-地下水系统中DNAPLs运移行为的数值模型和模拟方法。可为准确预测土壤-地下水系统中的DNAPLs污染提供科学手段，为采取相应有效防治措施方案提供科学依据。国内外未见同类报道。

本项目针对性开展非均质条件下饱和—非饱和地下水系统中典型DNAPLs的运移行为及其数值模拟研究，通过室内外实验和数值模拟手段，研究含水介质的非均质性变化、饱和度变化及不同类型胶体的存在对DNAPLs运移行为的影响机理和影响程度，以及非均质条件下饱和—非饱和地下水系统中DNAPLs运移行为的数值模拟方法。已按计划完成了项目研究工作，还进行了一些拓展延伸研究。主要研究进展与成果包括：1）建立了光透法定量多孔介质和裂隙中多相流饱和度的适用模型，实现了室内模拟实验过程的实时定量监测，获得了一批地下水系统中介质非均质性和饱和度变化对DNAPLs运移不同影响的试验结果:DNAPLs的运移和最终分布受不同尺度的地质结构非均质特征控制，较大尺度的非均质特征如透镜体等直接控制DNAPLs的分布，形成DNAPLs池，较小尺度的非均质特征形成“指流”或“绕流”等现象；饱和度对DNAPLs的运移和分布影响明显，饱和度增大有利于最终形成DNAPLs池，饱和度减小会造成含水介质中DNAPLs的残留。2）证实了胶体的存在导致胶体易化运移作用明显，且受环境条件和土壤性质影响大：室内柱实验表明，不同环境条件对不同性质土壤的胶体释放、以及胶体促使下污染物的运移产生不同影响；野外lysimeter实验表明，环境因素可能影响胶体易化运移作用，麦季lysimeter柱渗滤液证实胶体易化运移作用的存在，稻季lysimeter柱则不存在此现象。3）证实了生物膜和气泡对多孔介质地下水中DNAPLs运移影响较大：生物膜的存在减小了多孔介质的渗透系数，从而影响DNAPLs的运移；DNAPLs倾向于绕过气体饱和度大的区域。4）提出了多种数值模拟方面的有效新方法，实现了不同尺度实验过程的数值模拟：发现了均质多孔介质中的弱反常现象，提出了可变权重的粒子追踪方法模拟溶质的反常运移；提出了模拟对流弥散问题的简便有效新方法—格子行走方法等。作为主要创新之一获批2014年度教育部科技进步一等奖。5）野外快速探测技术获得突破：尝试应用数据融合技术获取地下水含水系统的空间结构及含水层渗透系数的空间分布规律，效果良好；现场研究表明，野外实际场址DNAPLs 的实际分布和运移情形要复杂得多。已发表论文60篇（其中SCI 38篇、EI 8篇），获批国家发明专利4项、软件著作权1项，提交环保部“有机污染场地地球物理调查技术规范”初稿1部。