石油类轻质非水相液体（LNAPL）在多孔介质中迁移行为的定量评估：实验与数值模拟研究

第一作者及机构
本研究的通讯作者为Yuanbo Yin和Yuxing Li，来自中国石油大学（华东）管道与土木工程学院及山东省油气储运安全重点实验室。论文于2025年发表在Journal of Hydrology（第651卷，文章编号132619），由主编Corrado Corradini和副编辑Frédéric Huneau负责审稿。

学术背景

研究领域与动机
石油类轻质非水相液体（Light Non-Aqueous Phase Liquid, LNAPL）如柴油、汽油等，因其不溶于水且密度低于水，泄漏后会在地下多孔介质中形成复杂的多相迁移系统，长期污染土壤和地下水。全球每年因储罐和管道泄漏导致约1×10¹² kg石油类污染物进入地下环境，其中中国占比约6×10⁹ kg。现有研究多关注高密度非水相液体（DNAPL）对地下水的影响，而对LNAPL迁移行为的定量分析缺乏系统性。

研究目标
本研究通过二维可视化实验和T2VOC数值模拟，量化LNAPL的迁移特征，建立适用于实际泄漏场景的预测模型，为污染源定位和修复策略提供理论依据。

研究方法与流程

1. 二维砂箱实验

实验材料与装置
- 多孔介质：选用乳白色石英砂（80目、100目、200目、325目），其透光性利于观察LNAPL迁移路径（表1）。
- 污染物：0#柴油（密度0.858 g/mL，粘度4.87 mm²/s），染色后增强对比度（染色剂不影响物化性质）。
- 设备：自制二维砂箱（52.4 cm×38 cm×1 cm），配备蠕动泵控制泄漏速率（2–10 rpm），工业相机实时记录迁移过程（图1）。

实验方案
- 泄漏速率影响：在100目石英砂中设置4组泄漏速率（2.0669×10⁻⁶–1.0287×10⁻⁵ kg/s）。
- 介质粒径影响：固定泄漏速率（2 rpm），测试不同粒径石英砂（80–325目）。
- 非均质性影响：设计分层（上下异质）和平面（左右异质）介质组合（表4）。

数据分析
- 图像处理：通过Image J量化垂直迁移距离、污染面积及空间矩（零阶矩表总泄漏量，一阶矩定位质量中心）。
- 动力学分析：建立迁移距离与时间的对数关系（式30）及污染面积的线性模型（式31）。

2. 数值模拟（T2VOC）

模型构建
- 小尺度模型：与实验砂箱尺寸一致，网格划分为50×40（图6a），校正参数包括相对渗透率（Stone-3模型）和毛细压力（Parker模型）（表5）。
- 大尺度模型：模拟实际场地（10 m×5 m），网格100×80（图6b），引入异质性修正系数（α=0.88，β=0.8）。

验证方法
对比实验与模拟的污染面积和体积（RMSE），优化参数后验证模型准确性（图7-9）。

主要结果

1. 实验发现

• 泄漏速率影响：高泄漏速率（10 rpm）下，柴油垂直迁移距离增加（图12），但相同泄漏总量下，低速率（2 rpm）因迁移时间更长导致最终污染面积更大（图13）。
  
• 介质粒径影响：大粒径（80目）介质中迁移距离（30.724 cm）和污染面积（1009.84 cm²）显著高于小粒径（325目）（10.935 cm，378.053 cm²）（图16-17）。
  
• 非均质性影响：在分层介质中，柴油倾向于在小粒径介质中积累（图18）；平面异质介质中，毛细力主导小粒径区域的优先迁移（图20）。
  

2. 数值模拟与预测公式

通过小尺度模型校正，得到迁移距离（式36）和污染面积（式37）的定量方程，大尺度验证显示预测误差（垂直距离2.8%，面积-5.5%）在可接受范围（图26）。

结论与价值

科学价值
1. 揭示了泄漏速率和介质结构对LNAPL迁移的协同影响机制，填补了LNAPL定量评估的空白。
2. 提出的异质性修正系数提升了预测模型在实际场地应用的准确性。

应用价值
- 为石油泄漏事故的应急响应和修复设计（如污染范围划定、修复技术选择）提供理论支持。
- 通过迁移动力学方程（如s = 11.4αt⁰.¹³¹·v⁻⁰.⁰⁶⁶⁸·φ⁰.⁸⁴⁵），可快速评估污染扩散趋势。

研究亮点

1. 创新方法：结合二维可视化实验与T2VOC多尺度模拟，首次系统性量化LNAPL迁移的时空分布。
   
2. 异质性处理：通过分层和平面异质实验，明确了毛细力主导的优先迁移路径（图18-21）。
   
3. 工程适用性：修正后的预测公式可直接应用于实际场地（如埋地管道泄漏场景）。
   

其他贡献
- 实验验证了染色剂对柴油迁移无干扰（Yin et al., 2023），为后续可视化研究提供方法参考。
- 空间矩分析（式2-5）为污染羽空间变异评估提供了新思路。

（全文约2000字）