毛细带水分含量对轻质非水相液体污染物迁移动力学阻滞作用及机制研究

作者及机构
本研究报告来自北京师范大学水科学学院的Kexue Han、Rui Zuo（通讯作者）团队，联合昆明理工大学国土资源工程学院的Ronggao Qin（通讯作者）以及中国地质调查局中国地质环境监测院的Donghui Xu等合作者。研究成果发表于《Journal of Hazardous Materials》第487卷（2025年），文章编号137266。

一、研究背景与科学问题

研究领域：土壤与地下水有机污染防控，聚焦轻质非水相液体（Light Nonaqueous-Phase Liquids, LNAPLs）在包气带毛细带中的迁移行为。
背景知识：
- LNAPLs（如柴油）是土壤和地下水有机污染的主要来源，具有低水溶性、高毒性及长期残留特性。
- 毛细带（Capillary Zone）作为地下水最后的天然屏障，其水分梯度变化显著影响LNAPLs的迁移路径和滞留机制，但具体作用机理尚不明确。
研究目标：
1. 量化毛细带水分含量对LNAPLs迁移的阻滞效应；
2. 揭示水分含量影响LNAPLs迁移的微观机制；
3. 为LNAPL污染场地修复策略提供理论依据。

二、研究方法与流程

1. 实验设计

研究对象：
- 介质：细砂（Fine Sand）和粉砂（Silty Sand），采集自北京通州张家湾实验场，按粒径比例（细砂45%、粉砂35%）填充砂箱。
- 污染物：苏丹IV染色的0#柴油（密度0.83 g/cm³，表面张力17.12 mN/m），模拟典型LNAPL泄漏场景。

实验装置：
- 定制透明有机玻璃砂箱（150 cm × 10 cm × 120 cm），内置毛细带模拟系统（图1）。
- 创新点：
- 采用77组在线监测孔实时测定水分含量（θ）和电导率（EC）；
- 结合光传输可视化技术记录污染锋面迁移过程。

实验步骤：
1. 毛细带形成：稳定水位10 cm，监测毛细带上升高度及水分分布（细砂最大高度63 cm，粉砂92.6 cm）。
2. LNAPLs释放：以1.8 mL/min速率持续注入柴油72小时，记录污染锋面时空分布。
3. 数据采集：通过图像分析（CorelDRAW软件）和电阻率监测量化污染物迁移范围。

2. 数值模拟

模型构建：
- 基于TOUGH2软件TMVOC模块，建立水-油-气三相流模型（图S3）。
- 关键方程：
- 多相流达西定律（式1-3）及Stone模型计算相对渗透率（式14-18）；
- 初始条件：实验测得的水分饱和度（Sw=θ/ø）转换为模型输入参数。

模拟场景：
- 对比毛细带变水分（XMC/FMC）与固定水分（XMV/FMV）模型，分析水分含量对污染物迁移路径的影响。

三、主要研究结果

1. 毛细带水分分布特征

• 水分梯度：从地下水位向上，细砂和粉砂的水分含量分别由44.0%、46.0%降至16.5%、15.3%（图2a）。
  
• 粉砂因更小的粒径和更高的基质势，水分保持能力显著强于细砂。
  

2. LNAPLs迁移行为

• 阻滞效应：
  
  • 细砂中，污染锋面滞留于水分含量23.8%-29.9%的区间；粉砂中为23.8%-30.0%（图3）。
    
  • 水分增加导致NAPL相相对渗透率（kro）下降（图8b），迁移速率降低。
    
• 迁移模式：
  
  • 纵向迁移受阻时，横向扩散范围扩大（图4 vs 图6），XMC模型中横向污染范围比XMV模型大30%。
    

3. 机制解析

• 微观机制：水分占据孔隙空间，LNAPLs需克服毛细压力（式14-15）才能置换孔隙水（图8a）。
  
• 宏观表现：水分含量每增加10%，kro下降约40%，导致迁移停滞（式19）。
  

四、结论与价值

科学意义：
1. 首次量化毛细带水分梯度对LNAPLs迁移的动力学阻滞效应；
2. 提出“水分-相对渗透率-迁移速率”的定量关系模型，弥补了传统迁移理论的空白。

应用价值：
- 指导污染场地修复：针对高水分毛细带区域，可优化抽提技术或注入生物修复剂的时机。
- 预测工具：开发的TOUGH2-TMVOC耦合模型可用于实际场地LNAPLs迁移模拟。

五、研究亮点

1. 方法创新：
   
   • 结合砂箱实验与微观孔隙构建方法，揭示了水分影响kro的物理机制；
     
   • 开发了高精度污染锋面追踪算法（相对误差%）。
     
2. 理论突破：明确了毛细带水分含量是控制LNAPLs滞留的关键参数，优于单一介质渗透性指标。
   

其他贡献：
- 公开了实验数据集（可通过DOI:10.1016/j.jhazmat.2025.137266获取），支持后续研究验证。

（注：文中图表编号与原文保持一致，补充材料参见原文附录。）