[发明专利]一种模拟季节冻土中有机污染物运移的模型试验方法

说明书

本发明公开了一种模拟季节冻土中有机污染物运移的模型试验装置及方法，属于环境岩土工程技术领域范畴，本发明包括试验土样室、真空隔热系统、恒温系统、污染物入渗系统、供水系统、冻胀量测系统和数据采集系统，可模拟真实地层条件。本发明通过恒温系统，对试验土样室中试样的顶部和底部施加恒温边界条件；通过真空隔热系统阻止试样与外界环境进行热量交换；通过污染物入渗系统和供水系统模拟场地的污染水文地质条件；通过冻胀量测系统量测冻融过程中试样的胀缩量；数据采集系统对污染物运移进行定时拍照，对试样中测点温度进行定时量测，记录污染物运移锋面和冻结锋面的变化情况。

技术领域

本发明涉及环境岩土工程技术领域，特别是一种模拟季节冻土中有机污染物运移的模型试验装置及方法。

背景技术

近年来，随着中国经济的快速增长、城镇化进程的加速推进和产业升级，大量位于人口密集区的石化企业搬迁，遗留的许多工业污染场地再度利用为居住用地。由于化工品在生产、运输、排放的过程中存在泄漏等原因，许多有毒有害物质进入土壤和地下水。其中，有机物作为一类污染范围广、危害程度重的工业污染物，日益受到重视。有机污染物有很多种类，例如石油烃、多环芳烃、硝基苯、氯苯等。有机污染物进入地层后，会与土壤发生一系列物理、化学和生物作用，使土壤的各项性质劣化。当前，许多发达国家将石油烃等有机污染物列为优先控制污染物，这也是我国环境保护中需要特别重视的一类污染物。

大部分有机污染物在水中的溶解度小，与水的理化性质差别很大，称为非水相液体(Non-aqueous Phase liquid, NAPLs)，也称不混溶液体(Immiscible Liquids)。根据比重大小NAPLs分为两类，比重小于1的称为轻非水相液体(Light Non-aqueous PhaseLiquids: NAPLs)，比重大于1的为重非水相液体(Dense None-aqueous Phase Liquids:DNAPLs)。LNAPLs主要包含石油碳氢液体，如汽油、柴油、煤油等，DNAPLs主要包括三氯乙烯(Trichloroethylene: TCE)和四氯乙烯(Tetrachloroethylene: PCE）等。

NAPLs泄露进入地层后，主要以非水相流体形式存在，并以水-NAPL两相流或水-NAPL-空气三相流形式运移，是多孔介质多相流过程。NAPLs泄露后首先达到包气带，此时为四相阶段：水相-气相-固相-非水相。随着在包气带的入渗，NAPLs在垂直运移的路径中留下残余，用残余饱和度表示。由于土壤毛细作用以及低渗透带的影响，污染物还会发生侧向扩散。当污染物遇到隔水层时，会形成污染物聚集层并成为二次污染源，不断污染地下水。一部分挥发的污染物还会向上形成污染物气体羽。污染物继续下渗达到土壤饱和带，在饱和带中为三相系统：水相-固相-非水相。由于DNAPLs比水重，除形成残留带以外，会迁移到地下水位以下，从而污染地下水。当遇到低渗透带时，污染物同样会发生侧向迁移。进入地下水位的NAPLs少部分溶解，大部分继续迁移，DNAPLs最终会在地下水位以下的隔水层形成污染物的聚集，LNAPLs则会漂浮在地下水面上。NAPLs迁移还受到地下水流方向的影响，在水流方向的下方将形成污染区。

我国季节冻土分布广泛，面积约513.7×104 km²，约占全国陆地面积的53.3%。由于许多地区冻结发生在地表2~3 m的范围内，主要是非饱和土的冻融问题。在季节冻土区，许多工程危害与冻融土中水分迁移有密切关系。冬季温度降低，土中的水分向上迁移，是上层土体中水分富集，形成冰晶或冰夹层。进入春季，冻土有表及里逐渐融化，冻结面逐步退向深处，土中的水分（主要来源为土体中冰的融化和坡面上融化的积雪）逐渐向下渗透。冻结土层不透水，土中渗透下来的水分在冻结面上聚集，使冻结面上方的土体的含水率显著增大甚至达到饱和。对于有机物污染土，孔隙液包含水和有机污染物，二者一般不相溶，冰点差异大，导致冻融条件下有机污染土的污染物运移比常温条件下的污染物运移复杂得多。污染物运移研究对预测污染场地演化、评价污染程度以及污染场地修复至关重要，而目前的研究大多没考虑到冻融对水分场和污染物场的影响，往往与实际情况相差较大。因此，进行季节冻土地区有机物污染场地污染物运移具有重要的科学意义和工程时间价值。