学术研究报告：毛细带中LNAPL污染物的流动行为与阻滞机制

第一作者及研究机构
本研究由北京师范大学水科学学院的Rui Zuo、Chenxi Huang、Kexue Han（通讯作者）等团队完成，合作单位包括教育部地下水污染控制与修复工程研究中心和中国地质调查局中国地质环境监测院。论文发表于《Journal of Hydrology》2025年第655卷，题目为《Flow behavior and retarding mechanism of LNAPL pollutants in capillary zone》。

学术背景与研究目标
研究领域为地下水与土壤污染修复，重点关注非水相液体（LNAPL, Light Non-Aqueous Phase Liquid）在包气带（vadose zone）毛细带（capillary zone）中的迁移规律。LNAPL（如柴油）从地表渗入地下水的过程涉及多相流（NAPL-水-气），而毛细带作为包气带的关键组成部分，其高含水率特性会显著影响LNAPL的迁移行为。然而，现有研究对毛细带中LNAPL流动的阻滞机制尚未系统阐明。本研究旨在通过实验和理论分析，揭示毛细带中水分含量（moisture content）和固有渗透率（inherent permeability）对LNAPL流动的定量控制关系，为污染场地修复提供理论依据。

研究流程与方法
1. 实验设计
- 砂箱模拟装置：采用透明有机玻璃砂箱（长140 cm×宽10 cm×高120 cm）模拟包气带地层剖面，内置水位控制区和泄漏槽（表1）。
- 介质选择：以细砂（fine sand, 粒径0.105–0.212 mm）和粉砂（silty sand, 粒径0.053–0.105 mm）为研究对象，其孔隙率分别为0.44和0.46（表2）。
- 污染物释放：选用0#柴油（密度0.846 g/cm³）作为典型LNAPL，并用苏丹红IV染色以追踪流动前沿。

1. 实验步骤

   • 介质填充与水位设定：分层压实介质至与实际场地密度一致，通过连接孔控制水位以形成毛细带（细砂毛细带高度63.0 cm，粉砂92.6 cm）。
     
   • 污染物释放与监测：通过泄漏槽释放柴油，利用色差识别法记录污染锋面（pollution front）的迁移轨迹，并定期采集土壤样品测定总石油烃（TPH）浓度。
     
   • 数据采集：通过水分监测孔实时记录含水率变化，结合砂箱侧壁采样孔（水平间距15 cm，垂直间距7.5–10 cm）分析污染物空间分布。
     

2. 理论分析

   • 多相流方程筛选关键参数：基于Parker-Van Genuchten模型，推导毛细压力-饱和度关系，明确水分含量和固有渗透率为核心控制参数（表S1）。
     
   • 阻滞变量（retardation variable）与浓度变化率计算：通过纵向流速衰减和TPH浓度变化定量表征阻滞效应（表3）。
     
   • 多元耦合分析：建立流动参数（流速、阻滞变量、TPH变化率）与水分含量的定量关系（公式1）。
     

主要结果
1. 流动行为差异
- 细砂介质：LNAPL污染锋面最终停滞在地下水水位上方20.0–40.0 cm范围内，对应含水率25.7%–29.7%。
- 粉砂介质：停滞范围扩大至30.0–50.0 cm，含水率26.1%–31.0%（图3）。
- 机理解释：毛细带高含水率导致NAPL相相对渗透率（kro）降低，纵向流速随水分含量增加呈对数衰减（表6）。

1. 阻滞机制定量分析

   • 水分含量的半定量影响：当LNAPL进入毛细带后，需驱替孔隙中的水相，毛细力上升导致流速下降（图4）。细砂介质因固有渗透率较高（1.92×10⁻⁷ cm²/s），污染锋面迁移速度快于粉砂（0.65×10⁻⁷ cm²/s）。
     
   • 微观结构模型：固有渗透率降低减少了渗流通道，导致NAPL相绕流现象（图9）。粉砂介质中TPH浓度在阻滞起始点（40 cm处）的上升滞后于细砂（图8）。
     

2. 多元耦合关系

   • 纵向流速（v）与水分含量（θ）的定量关系为：细砂（v = 0.020–0.006·ln(θ–12.082), R²=0.939），粉砂（v = 0.016–0.004·ln(θ–14.875), R²=0.973）（表6）。
     

结论与价值
1. 科学价值：首次系统揭示了毛细带中水分含量与固有渗透率对LNAPL流动的协同阻滞机制，建立了流动参数的定量表达模型。
2. 应用意义：为污染场地中LNAPL的监测技术开发和修复方案设计（如毛细带阻截技术）提供了理论支撑。

研究亮点
1. 创新方法：结合砂箱实验与多元耦合分析，实现了阻滞效应的半定量-定量解析。
2. 关键发现：明确了LNAPL在毛细带中的停滞阈值（细砂20–40 cm，粉砂30–50 cm），填补了可变含水率条件下迁移机理的研究空白。

其他价值
- 补充材料中提供了多相流方程的详细推导过程（表S1）及污染锋面空间分布图（图S1-S3），增强了结果的可重复性。