地下水曝气工程技术研究——以德州胜利油田地下水石油污染治理为例

为了研究地下水石油污染现场曝气治理效果,在胜利油田石油开采区进行了地下水现场曝气治理技术研究。采用溶解氧浓度法研究了曝气操作条件(曝气深度、曝气压力和曝气流量)对地下水石油污染曝气治理技术的影响。实验结果表明:在相同曝气压力和流量下,曝气深度越大,影响半径越大,但影响区内的气流分布越稀疏;相反,曝气深度越小,则曝气影响半径越小,但在影响区内空气流线分布越密。气流分布密度和曝气影响半径随曝气压力和流量增大而增大,但存在一个最佳限值;现场曝气存在气流分布不对称现象,是由于土壤介质的渗透性不均匀所致。地下水曝气技术对地下水石油污染治理效果显著,但曝气操作条件对该技术影响较大,需根据地质条件通过现场曝气试验确定。     

甲苯在土壤地下水中迁移规律研究

石油泄漏导致甲苯等有机污染物污染土壤地下水,并且甲苯等石油类有机污染物对土壤地下水污染具有隐蔽性强、难以逆转等特点,污染治理难度大。因此,研究甲苯有机污染物在土壤地下水中运移规律是治理的关键。该文以某污染场地为研究区,以甲苯有机污染物为研究对象,考虑了淋滤、吸附的影响,采用模型计算方法,分析了甲苯在污染场地土壤地下水中迁移规律。结果表明：甲苯在土壤地下水中迁移过程中,淋滤作用对甲苯浓度变化影响显著;吸附影响下扩散作用及地下水位变化对甲苯迁移产生的影响均受到抑制。该文获得的甲苯在土壤地下水中迁移规律可为甲苯有机污染物污染场地修复提供依据。     

温度循环下压实粗粒盐渍土水盐迁移与变形响应

“一带一路”规划的高速铁路频繁穿梭于盐质荒漠区,沿线优质不含盐路基填料极其匮乏。为解决粗粒盐渍土填筑高速铁路路基面临的技术难题,结合伊朗德伊高铁建设,以现场粗粒盐渍土路基填料为对象,开展了温度循环下压实粗粒盐渍土水盐迁移与变形响应试验研究。结果表明,每次温度循环后温度波幅值由土层浅表向深层土体衰减传递,土体埋深越浅、恒温时间越长,温度波幅值越大;水盐均匀分布的压实粗粒盐渍土经历多次温度循环后逐渐演化成非均匀分布,水盐向土体表面迁移聚集,越靠近土体表面水盐增量越大;前5次温度循环中压实粗粒盐渍土产生了塑性盐胀或塑性融沉,随着温度循环次数增加,盐渍土塑性盐胀或塑性融沉显著减小甚至消失;盐渍土层上设置非盐渍土层具有迟滞盐分向上迁移和消能减胀作用,粗粒盐渍土构筑高速铁路路基宜采用结构分层技术,非盐渍土层设置厚度一般不宜小于当地温度辐射影响显著深度;粗粒盐渍土路基设计宜考虑多次温度循环后形成的水盐非均质分布及其可能诱发的盐胀与融沉增大效应,路基压实度不宜过高。研究成果将为盐渍土地区高速铁路路基工程建造起到示范参考作用。     

环境温度对石油污染滨海盐渍土强度及变形特性的影响

环境温度影响石油黏滞性,改变石油污染土的力学特性。借助无侧限抗压强度试验,研究不同温度条件下石油污染滨海盐渍土的强度及变形特性。结果证实:温度对石油污染盐渍土力学性质影响显著,温度越高,污染土抗压强度越低,20℃时,含油率15%污染土的抗压强度较未污染土下降近70%;石油污染滨海盐渍土的抗压强度随含油率的增加先增大后减小,环境温度与污染土强度峰值点处的含油率反相关,10℃、20℃、30℃条件下,强度峰值点处的含油率分别为15%、10%和5%;石油污染盐渍土表现为应变软化型破坏,含油率及环境温度影响石油污染盐渍土的抗变形能力,土样的破坏面积和裂缝宽度随含油率增加及温度升高而增大。     

基于均匀设计坡积土含水量与干密度对锚-土界面性能影响试验研究

为深入了解坡积土中锚杆锚-土界面剪切变形特性随土体含水量和干密度的变化规律,本文采用自主研制的基于微元法锚-土界面摩阻性能测试方法和装置,引入均匀试验设计原理设计试验方案,测得不同含水量和干密度下锚-土界面的剪应力-剪切变形全过程曲线,其形状符合三折线模型。基于试验结果,回归得到了锚-土界面峰值抗剪强度随土体含水量和干密度变化的经验关系式。同时,试验结果表明:（1）锚-土界面峰值抗剪强度随土体含水量增加而降低,且土体干密度越大其降低幅度越大;（2）峰值抗剪强度随土体干密度的减小而降低,且土体含水量越小,其降低的幅度越大。     

大气作用下浅层非饱和黄土温度变化及其影响因素研究

为了研究大气作用下西北地区浅层非饱和黄土温度场的变化规律及其影响因素。填筑一维土柱模型,在室外自然条件中做大气循环作用下的蒸发模型试验。试验结果表明:在0~10 cm深度范围内,土体温度随深度的增加而降低,在土样表层5~10 cm处温度最低;在相同的外界条件下,土体初始体积含水率越高、压实度越大,导热系数越大,温度变化幅度越大。随着深度增加和蒸发时间增长,压实度和含水率引起的导热差异叠加,使得同一深度处不同压实度和不同含水率土体的温差增大;土体初始体积含水率和压实度均对温度的迁移产生影响,相对于随压实度的变化,土体体积含水率的改变对土体温度迁移影响更显著;随着蒸发时间的增加,温度由表及里逐渐升高,在深度方向上温度先减小后增大。不同深度处土体温度增长曲线大致为"S"型递增曲线,可分为蒸发3阶段。     

多年冻土区石油污染物迁移过程试验研究

中俄原油管道原油泄漏造成的环境污染和环境岩土工程问题是目前迫切需要解决的重要问题。通过淋滤作用下的石油污染物迁移过程室内模拟试验,研究了石油污染物在冻土区的迁移过程和迁移特征,研究发现：石油污染物在迁移过程中,油、水、气三相流体存在一个动态的平衡过程,其三者共同占据土样中的孔隙空间;石油污染物在冻土区迁移主要经历3个过程：吸附、迁移和聚集;石油污染物在迁移过程中,其各个成分和各烃类化合物迁移能力都有所不同,烃类化合物中碳数和烃类结构影响其迁移速度;冻土层对石油污染物的迁移具有明显的阻碍作用,可有效防治土壤深层次污染。研究成果为冻土区石油污染物多相流（油、水、气）水热质迁移动力学模型的建立以及石油污染引起的岩土工程特性变化等研究奠定了重要的基础     

冻融循环对多年冻土区石油迁移影响试验研究

多年冻土区石油污染物迁移过程和特点、污染定量评价、防治和治理措施研发,都是目前寒区经济发展和能源开发迫切需要解决的重要课题.通过室内试验对土体温度场分布、水分分布和石油总量分布的监测分析,研究了冻融循环作用对迁移过程的影响机制.试验结果表明,冻融循环作用通过影响石油污染物本身的物理性质、土颗粒对石油污染物的吸附作用和土体内水相的分布和相状态,影响了石油污染物的迁移过程.原油黏度随温度的降低逐渐增加,使得原油在土体中的迁移能力降低.冻融循环是油水迁移的主要驱动力之一,随着冻融循环的增加,石油污染物和水分向上迁移并聚集,石油随土样高度增加逐渐减小,而水分随高度增加而增加且在一定的位置聚集.研究成果可为多年冻土区石油污染迁移过程和定量评价及防治治理提供重要基础和参考.     

柴油污染含水层的自然衰减作用

柴油污染对人类健康和生态环境具有很大危害。自然衰减以其经济、易操作、对人危害小和降解污染物彻底等优点,成为国内外比较常用的水土污染修复方式之一。采用室内实验的方式,以柴油作为修复对象,模拟了含水层系统中柴油污染物随地下水迁移转化的过程,以自然衰减作为修复方式,研究其修复机理。通过分析计算总石油烃(TPH)污染晕的变化规律,计算修复时间和截留率等方法,研究了柴油污染含水层中的自然衰减强度及修复效能。结果显示,柴油进入含水层后,逐渐形成了稳定的污染晕,并在地下水流场中沿各个方向不断迁移并衰减,其迁移速率由快变慢,并趋于稳定,且沿流向上的迁移作用最强,垂向上次之;"断源"后,含水层中的TPH浓度随时间呈明显的下降趋势,自然衰减作用变得明显;结合一阶反应动力学方程,计算出下部含水层的修复时间为1.0~1.5a,表层注油点位置地下水的修复时间约为2.6a;含水层对柴油具有截留作用,截留作用初期较为稳定,近饱和后作用渐弱,停止注油后,截留作用重新渐变明显;自然衰减可作为修复地下水柴油污染的有效方式。     

淋滤条件下Zn2+污染对红黏土强度损伤特征试验研究

长久以来有色金属矿山的开采对矿山周围土体造成了严重的重金属污染问题。使用自制的重金属淋滤污染装置,制备室内重金属Zn2+污染土,进行固结不排水三轴剪切试验,研究淋滤条件下重金属Zn2+对桂林红黏土强度及其强度损伤规律的影响。试验结果表明:重金属Zn2+对桂林红黏土的强度损伤行为是明显的,抗剪强度平均下降了30.61% ~56.6%不等,应力-硬化关系均呈现应变硬化型,损伤变量D在0.478~0.566之间。淋滤条件下重金属Zn2+对桂林红黏土强度的损伤主要是由于Zn2+对红黏土胶结结构以及土颗粒的双电层结构产生了不可逆的侵蚀破坏,降低土体内部的联结强度,随着浓度的增大,其强度呈现出下降的趋势,其损伤变量亦有所增长,但相差较小。这是因为在长时间的淋滤过程中,红黏土对Zn2+具有一定的吸附作用,导致尽管是在低浓度的污染溶液淋滤作用下,土体的累积损伤和高浓度的效果相近似。     

季节性冻土区人工盐化路基冻胀模型试验

以青藏铁路西格段季节性冻土区路基冻害为研究背景,在室内分普通和盐化两个试验段填筑路基实体模型,进行封闭系统中反复冻融循环条件下的模型试验,分析冻融循环条件下普通路基和人工盐化路基的温度和位移规律,并探讨水分、盐分的迁移规律。结果表明:路基土体温度与环境温度变化趋势一致,路基土体的温度滞后于环境温度约36 h;越靠近冷端的位置,温度波动范围越大,温度随着深度的增加逐渐减小,温差也随之减小,路基土体温度的波动范围约为环境温度波动的一半;温度是影响水分迁移的主要因素,水分迁移在路基顶面以下一定的范围内达到最大,越靠近冷端,水分迁移量越大;路基土盐化之后冻胀量减小约73.9%,说明人工盐化路基土的方法可以整治季节性冻土区路基冻害。     

乾安碳酸型盐渍土的孔隙特征

为了研究盐渍土的孔隙特征,在乾安地区选择冻深范围内的代表性剖面,取样并进行盐渍土基础物理性质测试和压汞试验,得到地表以下冻深范围内不同深度处土体基本性质及孔隙分布特征。试验结果表明：盐渍土的原状剖面表观形态、粒度成分、土体孔隙分布特征均呈现一致的三层分带;天然状态下碳酸型盐渍土的孔径可分为微、小、中、大与超大孔隙5级,界限孔径依次为0.040、0.400、4.000、40.000 μm;随着深度增大,3层土体的孔隙分布曲线峰值个数减少,各深度土体的孔隙以大孔隙为主,中孔隙次之,超大孔隙体积分数仅在表层较高但整体低于中孔隙,微、小孔隙体积分数较低且在小范围波动。分析认为自重应力对土体结构的压密作用、蒸发淋滤产生水分及细粒的迁移、气候变换导致的冻融循环作用是影响研究区孔隙分布特征的三大因素。     

石油类污染物在包气带土层中的水化学迁移率测定

水化学迁移率是反映污染质在水-土孔隙介质中迁移锋面速度的参数,参数值的大小与土壤介质性质、水流状态、污染物质的物理化学性质有关。利用淋滤土柱的动态平衡试验法,模拟自然降雨入渗条件下,石油类污染物在吉林油田区包气带土层中的迁移转化过程。试验结果表明,其水化学迁移过程可分为淋溶阶段、吸附阶段和平衡阶段;微生物分解作用比较弱;不同厚度土层的淋滤液浓度衰减曲线趋势极为相似。考虑室内实验与野外自然环境之间存在的尺度效应,合理确定了阻滞因子、水化学迁移率。     

分形结构土体强度研究

分形结构是土体中普遍存在的一种现象,通过对分形结构连接部位所占据的影响域（Voronoi域）的分析,将颗粒连接承载能力换算为影响域上的应力强度,由此获得了一些有益的结果。土体颗粒系统结构分维值的大小对土体强度有着明显的影响;基本结构单元的颗粒数越多,形成的环的长度越长,占据的空间就越大,从力学上讲就越不稳定,因此,其强度越低;土体中分形结构的级数实际上决定了土体中最大孔隙的尺寸,分形结构的级数越多,其相应的最大孔隙越大,等效应力强度会越低;发现偶应力强度与基本结构单元的面积（二维）成反比,即基本结构体越大,偶应力强度就越小,由此可推论出：在其他条件相同的情况下,颗粒越大,偶应力强度就会越低。     

硫酸钠盐渍土冻结温度计算模型构建及验证

土的冻结温度是使土体物理力学性质发生显著变化的关键温度,盐渍土中由于盐分存在使冻结温度的预测变得困难。本文提出了一种适用于硫酸盐渍土有盐分析出时的冻结温度计算模型,分别对硫酸钠自由溶液、硫酸钠盐渍土及石英砂的冻结温度变化规律展开了研究。首先,依据固液两相平衡时化学势的规律、冰晶表面曲率影响以及盐分结晶析出对溶液浓度的影响,构建了自由溶液、盐渍土及石英砂的冻结温度预测模型;然后,开展室内冻结试验得到了冻结温度测量值,通过计算测量值与计算值二者的均方根误差(RMSE)、显著性水平(α)及一致性系数(LA),验证了本文模型的精度与适用性。结果表明:土样中初始含水率越小,土样表面的毛细作用和吸附作用越强,使土样冻结温度越低。在土样孔隙中盐溶液有效浓度越大,冻结温度越小。由于盐分结晶的影响,有效浓度随盐浓度增大先增大后减小,然后保持不变。土样孔隙半径越小,冰晶表面曲率影响越大,冻结温度越低。该研究成果能为盐渍土盐冻胀变形及人工冻结中的温度参数分析提供一种新的方法。     

包气带中原油的迁移和降解研究

在石油的开采和集输过程中,常常有大量的原油抛洒和泄漏,这对土壤和植物地造成严重污染,本文通过大量野外和室内的原油渗透试验,含油地层的淋滤试验和石油的生物降解试验,来研究石油污染物在包气带中迁移,转化和降解规律,从而地下水石油污染的潜在性作出科学的评价。     

铜矿采矿废石重金属环境污染的淋溶实验研究——以安徽铜陵凤凰山矿田药园山铜矿床为例

本文基于凤凰山铜矿田药园山矿床采矿废石的淋溶实验研究,着重探索表生环境下影响重金属淋滤迁移的因素,分析重金属在采矿废石中迁移转化的机制。动态淋滤实验考查了重金属从两种采矿废石中淋出的浓度与淋溶液的pH值、淋滤时间以及淋出液酸度的关系。结果表明,采矿废石中重金属淋滤强度随酸度的增加而逐渐增强,而淋滤出的重金属浓度并不总是随时间的延长而递减,同时实验研究也表明,淋溶采矿废石的排放水不一定都是酸性的。因此,在评价矿山环境污染以及治理过程中要对当地雨水的平均pH值、所排放采矿废石的岩性以及废石的堆放时间进行综合考虑。     

冻结作用下考虑补水层影响的水分迁移试验

冻融协同淋洗修复污染土壤的过程中,为了提高淋洗效率,须使土体在冻结过程中吸收更多的水分或淋洗液。因此,通过室内大尺寸单向冻结水分迁移试验,开展了开放系统下温度梯度、冻结速率及补水方式对水分迁移的影响研究。试验结果表明：冻结过程中土中水分迁移与温度梯度的变化速率有关,变化速率越大水分迁移量越大;可以通过边界温度控制冻结锋面推移速度进而影响土中水分的迁移,当冻结锋面推移速度为0.5 cm·d^-1左右时,补水速率最大;距离冻结锋面越近水分迁移量越大,当距离冻结锋面10 cm左右时,水分迁移量开始增大,可通过在土体中添加多层补水层的方式让土体吸收更多的水分;有外界水源的补给下土体含水量整体增加,但上层土体含水量增加较多,下层土体含水量增加较少。     

污染泥堆场处置中自重固结与污染物迁移的耦合分析

基于一维固结方程和对流-弥散方程,提出了一种用于污染泥堆场处置中自重固结与污染物迁移耦合问题的求解方法,其中,自重固结方程由解析解直接求解,污染物迁移方程由显示差分法求解。在自重固结方面,新方法可考虑线性的压缩关系和渗透关系;在污染物迁移方面,新方法能够考虑对流、扩散、机械弥散、线性和非线性吸附以及孔隙率相依的有效扩散系数。新方法与CST1数值模型进行了对比,验证了新方法的正确性。基于所提出的解,分析了固结效应、压缩系数、渗透系数和污染物初始分布形式对污染物在淤泥中迁移过程的影响。计算结果表明:固结效应、压缩性、渗透性和污染物的初始分布形式对污染物的迁移过程有着显著的影响;固结效应能显著地加速污染物的流出;土体的压缩系数越大其污染物累计流出质量越大;土体的渗透系数越大其污染物累计流出质量越大;污染物的初始分布形式对污染物的流出速率影响较大。     

温度变化条件下重塑黄土水分迁移试验

土体内部由于所处环境差异会造成水分场的不均匀分布,为了探究不同影响因素下重塑黄土水分迁移的规律,配置不同干密度、初始含水率水平的重塑土样,在不同温度梯度、不同温度水平下进行重塑黄土水分迁移室内试验,分析在4种不同因素变化下黄土体内部水分场的变化规律及机理。结果表明:土样两端施加的温度梯度越大,水分迁移速率就越快,温度势是引起土体内部水分迁移的主要驱动力;土样的干密度越大,基质势越大,同时渗透系数越小,阻碍了水分的迁移,故水分迁移速率越慢;当土样含有较大的含水率时,由于渗透系数较小,造成迁移速率较小,当土样初始含水率较小时,由于总土水势较小,造成迁移速率较小,当初始含水率在一定范围内时,其迁移速率较快;在土样两端施加的温度水平越低,导致总土水势越大,故水分迁移速率越快。