石油污染组分在包气带土壤中运移的数值仿真模型及应用_薛强

• 2590 •
系统仿真学报
Vol. 17 No. 11 Nov. 2005
面空气在水的驱动下，水气同时流动，由此而产生了对水流 的阻滞作用。因此，很有必要对石油组分在土壤包气带内迁 移转化的多组分多相渗流规律进行深入研究。
本文基于多孔介质流体力学和溶质动力学理论，建立了 石油组分在土壤包气带内传输的仿真动力学模型，并给出了 相应的数值模型，定量化研究石油组分苯和正戊烷在土壤中 的迁移归宿及在水相和气相中质量分配，预测预报有机污染 迁移转化的动态及过程，这不仅对于定量化研究有机污染物 在地下环境系统中迁移归宿、环境质量评价及污染预测、预 报与污染防治提供科学的理论根据与途径，而且对于更科学 地、更有效地控制石油泄漏带来了环境污染问题具有更重要 的理论意义和实际意义。
摘 要：基于多孔介质流体力学和溶质动力学理论，建立了石油组分在土壤包气带内传输的数值仿
真模型，初步探讨了石油组分苯和正戊烷在土壤中的迁移归宿及在水相和气相中质量分配，预测预
报石油污染物泄漏后在包气带内迁移转化的动态及过程。仿真结果表明：苯和正戊烷在水相和气相
中的浓度分布规律几乎相同，随着时间的延长，污染面积和范围逐渐增大，并且释放在水相、气相
中正戊烷的质量大于苯的质量。这不仅对于定量化研究有机污染物在地下环境系统中迁移归宿、环
境质量评价及污染预测、预报与污染防治提供科学的理论根据与途径，而且可为地下环境系统中石
油组分的质量监测以及地下水资源的开发利用和科学管理提供技术支持。
关键词：石油污染物；包气带；苯和正戊烷；耦合数学模型；数值模拟
文章编号：1004-731X (2005) 11-2589-04
中图分类号：X53
文献标识码：A
Numerical Simulation of Petroleum Components Transport
in Unsaturated Zone and Its Application
XUE Qiang1,2, LIANG Bing3, LIU Jian-jun1, LIU Lei3
=
∇
•
⎡ ⎢ ⎣
kk rw ρ W εS w µ W
∇PW
− γ W ∇Z
⎤ ⎥+
RW
⎦
( ) ( ) ∂ εSN ρ N ∂t
=
∇
•
⎡ ⎢ ⎣
kk rN εS N
ρ µ
N N
∇P N
−γ
N ∇Z
⎤ ⎥
+
RN
⎦
( ) ( ) ∂ εSG ρ G ∂t
=
∇
•
⎡ ⎢ ⎣
kkrG ρ G εSG µ G
∇P G
为地下水有机污染及数值仿真。
题具有重要的意义。 作为联结地面污染源与地下含水层的枢纽土壤包气带
是含有水、固、气三相的特殊流体系统，它是地下含水层降 雨补给的必经之地，几乎所有的污染物都必须经过包气带传 输到地下水系统。石油组分在包气带中流动过程实质是多孔 介质中油－水-气多相互不容混流体相互驱替的过程。在以 往的研究中，只考虑了考虑包气带中水的运动和污染物在水 中的迁移，忽视了气相的作用，将气相压力作为常数来计算， 但近几年来，人们发现在许多情况下，气相的存在对水相的 运动产生较大的影响。Green 等首先认识到包气带中气相的 作用，并把它考虑进一个一维两相有限差模型中去[2]。唐海 行等人通过大量的实验资料和野外观测指出：非饱和带中空 气对水流入渗有明显的影响，并采用了折减的饱和渗水系数 方法，考虑了气压势作用[3]。其主要原因是，一方面当空气 不能自由排出时，以泡沫的形式存于水中，气体被压缩压力 增大，增加了水的流动阻力从而降低了水的渗透率；另一方
（4）多组份气体组份方程：
（10） （11） （12）
∑ ρG = CiMi /1000
（13）
∑ ∑ ( ) µ G =
n⎡
n
⎢χiµi /
⎤ χ i Ωij ⎥
i=1 ⎣
j =1
⎦
（14）
其中 Ci 、M i 分别为石油污染组份 i 的摩尔浓度和质量；χi
为组份 i 在石油污染组份中中所占的比例；n 为石油污染组
−γ
G ∇Z
⎤ ⎥
+
RG
⎦
（3） （4） （5）
为了满足控制方程系统质量平衡，还需要附加几个约束
方程：
（1）流体相总的饱和度 STw方程
STw = SW + SN = 1− SG
（6）
其中下标分别表示：水相（W），NAPL 相（N），气相（G）。
（2）毛管压力方程（S—P 模型）
各相的湿润顺序依次：水＞NAPL＞气
(1 Institute of Porous Mechanics, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023,China; 2 Institute of Rock and Soil Mechanics, The Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071,China; 3Department of Mechanics and Engineering Sciences, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)
∂C
W n
∂x j
⎤ ⎥ ⎥⎦
−
qW
∂C
W n
∂xi
−
λW
C
W n
+ M W （15）
气相：
εS G
∂C
G n
∂t
=
∂ ∂xi
⎡
⎢εS
G
D
G ij
⎢⎣
∂C
G n
∂x j
⎤ ⎥ ⎥⎦
−
qG
∂C
G n∂xi−λG NhomakorabeaC
G n
+ M G （16）
其中
C
α n
表示为污染物在 α
相中的浓度；Dα
为α
相的弥散
系数张量； λα 表示石油组份在 α 相中的降解速率系数；
控制方程:
( ) [ ] ∂ εSα ρ α ∂t
= −∇ • εSα ρ α qα + R α
（2）
其中 ε 为介质的孔隙度；Sα 表示α 相的饱和度；ρα 表示α
相的密度；qα 表示α 相的平均流速； Rα 表示系统源汇项。
将式（1）代入到式（2）中去可得，各相流体渗流过程
的控制方程:
( ) ( ) ∂ εSw ρ W ∂t
份数。
1.2 石油组分运移的控制方程
有机污染质石油泄漏后在土壤包气带中浓度场分布主 要由两个控制方程来描述：一是非水相流体在水相中浓度； 一是非水相流体在气相中浓度方程。同样，结合连续性方程， 可得到非水相流体在水相和气相中浓度分布的控制方程： 水相：
εSW
∂C
W n
∂t
=∂ ∂xi
⎡ ⎢εSW DWij ⎢⎣
引 言1
石油主要是由烃类物质组成的一种复杂混合物，其主要 组成是烃类（烷烃、环烷烃、芳香烃），其次是数量不多的 非烃组分（含氧化合物、含硫化合物、含氮化合物、胶质和 沥青质）。这些有机组分的释放不仅对生态环境造成危害， 而且其中许多有机污染物对人体健康有严重影响，具有三致 作用，即致畸作用、致突变作用和致癌作用。就污染物的种 类、污染的范围以及对人类健康的危害而言，地下水中有机 污染物排在所有污染物的首位[1]。近年来，地下水有机污染 给公众所造成巨大的健康风险，已经引起一些国家政府的高 度重视。为此，研究石油组分对生态环境造成的环境污染问
方程为[4]:
qα = − kkrα • (∇Pα − γ α∇z)
ε Sαµα
（1）
其中 Pα 为α 相（α = W , N,G ，分别表示石油组分、水、
气）压力；γ α = ρ α g 为α 相比重；k 为绝对渗透率； krα
为相对渗透率。
假定土壤多孔介质是由石油组分、水、气三相流体组成，
且不考虑介质的变形，根据连续性方程可得多相流体渗流的
M α 表示由于各相之间的相互溶解、挥发和吸附引起的源
Pcαβ = Pα − P β
（7）
其中 Pcαβ 为毛管压力；α 为非湿润相； β 为湿润相，由 S—
P 模型可得
( ) PcNW = PcNW SW = P N − PW
（8）
( ) PcGN = PcGN STw = PG − P N
（9）
（3）相对渗透率控制方程[5]（K—S 模型）
( ) krW = k rW SW ( ) k rN = k rN SW , STw ( ) krG = krG STw
Abstract: The coupled dynamic model of the petroleum pollutant transport and migration in unsaturated zone was established based on the theory of porous media hydrodynamic and solute transport theory. The characteristic finite difference method and implicit pressure explicit saturation method were adopted to discrete the coupled model. The mass distribution of benzene and pentane in water and gas were discussed. The numerical model was utilized to predict the temporal and spatial distribution features of contaminant transportation and transformation in unsaturated soil. Numerical simulation results show the concentration distribution law of benzene is similar to pentane distribution law, the pollution range caused by petroleum pollutant leaching has a trend of increase with time, and the mass distribution of benzene released in the water and soil has larger than the mass distribution of pentane. It provides theory evidence for studying distribution and inclination of organic pollutant transport in subsurface environment, and the technology supporting are provided for petroleum components quality monitoring and groundwater resource exploitation. Key words: petroleum pollutant, unsaturated zone, benzene and pentane; coupled dynamic model; numerical simulation