楊建豐，俞曄偉，吳文宇，朱根民，潘玉英，楊金生，田麗娜

（1.浙江海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院，浙江舟山 316022；2.臨港石油天然氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，浙江舟山 316022；3.浙江海洋大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316022）

柴油主要是由原油蒸餾、催化裂化、熱裂化等過(guò)程生產(chǎn)的柴油餾分調(diào)配而成的一種混合輕質(zhì)油。一旦柴油在運(yùn)輸和使用過(guò)程中發(fā)生泄漏，輕者會(huì)污染土壤，重者柴油下滲到地下水，擴(kuò)大污染范圍，對(duì)人們身體健康和生態(tài)環(huán)境具有一定威脅。2001-2007年，在我國(guó)危險(xiǎn)化學(xué)品引發(fā)的重大環(huán)境事故中，其中石油及芳香烴類(lèi)產(chǎn)品泄漏造成的突發(fā)事故占總數(shù)的8.16%[1]。2009年12月30日凌晨，在赤水河發(fā)現(xiàn)大量泄漏的柴油，并流入渭河[2]，進(jìn)而影響河岸的土壤。柴油在地表發(fā)生泄漏后，首先絕大部分在重力作用向下運(yùn)移（其余一小部分會(huì)揮發(fā)到空氣中去），其中部分柴油被截留在土壤孔隙中或被土壤顆粒吸附，達(dá)到受力平衡，被截留的柴油稱(chēng)為殘留態(tài)柴油，在地下水位波動(dòng)或降雨條件下會(huì)重新釋放，成為土壤的長(zhǎng)期污染源[3]。因此對(duì)柴油在非均質(zhì)土層中運(yùn)移及重分布過(guò)程的研究意義重大。

柴油密度比水小，屬于輕非水相流體（LNAPLs）。國(guó)外針對(duì)LNAPLs泄漏形成的多相流問(wèn)題，通常只考慮氣、油、水而不考慮固相介質(zhì)，逐步開(kāi)展了機(jī)理研究、k-s-p關(guān)系（毛細(xì)壓力-飽和度-相對(duì)滲透系數(shù)關(guān)系）及數(shù)學(xué)模型等方面的研究。SCHROTH，et al[4]等研究表明，LNAPLs在斜面附近的運(yùn)移和分布會(huì)受到細(xì)砂層中水的飽和度影響。WIPFLER，et al[5]在試驗(yàn)中用二維試驗(yàn)槽可視化觀測(cè)LNAPLs在層狀多孔介質(zhì)中的重分布曲線。KUMAR[6]研究發(fā)現(xiàn)殘余非水相流體（NAPLs）飽和度取決于含水層性質(zhì)（孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙大小、介質(zhì)滲透性）和流體性質(zhì)（密度、粘度、界面張力和毛細(xì)管壓力），其相對(duì)滲透率為0，而聚集態(tài)NAPLs代表了連續(xù)的流動(dòng)相流體分布，具有有限的相對(duì)滲透率。國(guó)內(nèi)，張雪麗[3]對(duì)柴油在不同類(lèi)型土壤中的垂向遷移及殘留的主控因子研究中，發(fā)現(xiàn)平衡遷移距離在不同類(lèi)型的土壤中差異較大，與分形維數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)。王冰等[7]在柴油污染含水層自然衰減作用的研究中，發(fā)現(xiàn)柴油受到含水層的截留作用后，會(huì)在含水層中逐漸形成穩(wěn)定的污染暈，在此過(guò)程中含水層對(duì)柴油的截留作用逐漸減弱。楊賓等[8]利用數(shù)碼圖像分析技術(shù)，全過(guò)程記錄NAPLs的遷移鋒面，發(fā)現(xiàn)NAPLs的遷移特性受介質(zhì)性質(zhì)和流體特性的共同影響。朱振慧等[9]以紫外分光光度計(jì)為測(cè)量手段，通過(guò)簡(jiǎn)易一維土柱實(shí)驗(yàn)裝置模擬了不同條件下柴油在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移，發(fā)現(xiàn)柴油在兩種不同粒徑的砂土中垂向遷移的規(guī)律大致相同。李慧穎等[10]選取不同性質(zhì)的4種NAPLs流體，建立可視化砂箱模型，比較4種流體在不同粒徑石英砂中指流形態(tài)差異，并引入分形理論對(duì)遷移形態(tài)進(jìn)行定量描述，發(fā)現(xiàn)NAPLs流體指進(jìn)過(guò)程屬于毛細(xì)管指進(jìn)，主要驅(qū)動(dòng)力為毛細(xì)力。

綜上，國(guó)內(nèi)外對(duì)柴油在非均質(zhì)土層中的運(yùn)移和重分布研究并不透徹，尤其是成層性土層界面處的運(yùn)移情況，運(yùn)移影響因素分析也不全面。本研究通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)裝置建立物理模型，模擬柴油在非均質(zhì)土層中的泄漏及重分布過(guò)程。探究了土壤質(zhì)地、初始含水率、土質(zhì)界面對(duì)柴油在成層性非均質(zhì)土層中運(yùn)移的影響和水位升降、降雨對(duì)柴油在非均質(zhì)土層中重分布的影響。試驗(yàn)結(jié)果可為柴油等LNAPLs污染物在土壤中的運(yùn)移及重分布過(guò)程研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，進(jìn)而為柴油污染的監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持，最終為土壤被柴油污染后的治理和修復(fù)提供理論依據(jù)和參考，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置包括自制的透明有機(jī)玻璃水槽（70 cm×6 cm×65 cm）、龍口瓶和有機(jī)玻璃材質(zhì)模擬降雨器。透明水槽由中間的試驗(yàn)區(qū)和兩側(cè)的水位調(diào)節(jié)區(qū)兩部分組成，其間由2塊孔徑為0.5 cm的透明隔板隔離并進(jìn)行水力聯(lián)系。水槽兩側(cè)壁上分別設(shè)有8個(gè)水位調(diào)節(jié)孔，孔間距5 cm，通過(guò)止水夾和膠皮管控制水量作為水位調(diào)節(jié)器。龍口瓶的作用是控制污染物的泄漏速度和泄漏量。降雨器為底部設(shè)有多個(gè)小孔的長(zhǎng)方體型有機(jī)玻璃容器，尺寸為（71 cm×7 cm×5 cm），孔徑為 0.1 cm，模擬降雨。試驗(yàn)裝置示意如圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Experimental device model

1.2 供試材料

試驗(yàn)用土取自舟山砂質(zhì)岸灘，為制備不同粒徑的土樣，過(guò)1 mm篩，除去大顆粒和其他雜質(zhì)，再過(guò)0.5 mm篩，分別代表粗粒徑和細(xì)粒徑，粗砂粒徑范圍為0.5～1 mm，原始砂土和細(xì)砂粒徑組成如表1，委托中國(guó)海洋大學(xué)巖土工程試驗(yàn)室測(cè)定。從舟山當(dāng)?shù)氐闹惺佑驼举?gòu)得柴油，并委托國(guó)家海洋局第一海洋研究所采用色譜法測(cè)定此柴油揮發(fā)1個(gè)月前后各組分含量變化，結(jié)果如表2所示，其中柴油1為揮發(fā)前樣品，柴油2為揮發(fā)后樣品。柴油運(yùn)動(dòng)粘度為2.5～8.0 mm2·s-1（20℃）。為了使柴油的運(yùn)移路徑更易可視化，加入蘇丹紅Ⅳ（阿拉丁試劑有限公司）進(jìn)行染色，質(zhì)量為柴油質(zhì)量的0.01%。

表1 供試土樣粒徑組成Tab.1 Particle size composition of the tested soil

表2 揮發(fā)前后柴油組分Tab.2 Composition of diesel before and after volatilization

由表2可知烷烴含量減少了47.31 μg·mL-1，多環(huán)芳烴減少了1.58 μg·mL-1，而生物標(biāo)志物則增加了 0.03 μg·mL-1。由此看出柴油揮發(fā)前后的質(zhì)量變化主要在于短鏈烷烴的揮發(fā)。試驗(yàn)所用柴油量為400 mL，在不考慮其他影響因素的情況下，柴油揮發(fā)1個(gè)月的總損失量約為20 mg，對(duì)本試驗(yàn)的影響可忽略不計(jì)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)土層巖性組合為粗砂層夾細(xì)砂層，其初始地下水位控制在最下層粗砂層，如圖2。試驗(yàn)過(guò)程中，為了方便快捷地記錄試驗(yàn)現(xiàn)象，試驗(yàn)開(kāi)始前先在水槽表面覆蓋一層透明的PET聚酯膜，在其上用記號(hào)筆標(biāo)記坐標(biāo)（笛卡爾平面直角坐標(biāo)系）和刻度，并繪出不同土層分界線，原點(diǎn)和XY軸的位置如圖2。對(duì)柴油泄漏時(shí)及水位變動(dòng)后柴油滲透過(guò)程產(chǎn)生的運(yùn)移路徑及變化用記號(hào)筆準(zhǔn)確分時(shí)段描繪。

圖2 巖性組合示意圖Fig.2 Lithological composition model

1.4 試驗(yàn)過(guò)程

先往水位調(diào)節(jié)區(qū)加水至形成穩(wěn)定的不飽和帶、飽和帶和毛細(xì)帶，并用記號(hào)筆標(biāo)記初始水位線和毛細(xì)帶上緣。柴油的泄漏量和泄漏速率通過(guò)龍口瓶的開(kāi)關(guān)控制，由于經(jīng)過(guò)染色，柴油泄漏后由于重力滲透作用形成的運(yùn)移鋒面能夠清晰的透過(guò)PET聚酯膜觀察，然后用記號(hào)筆分時(shí)段描繪運(yùn)移路徑。待柴油泄漏停止并在土層中穩(wěn)定后，依據(jù)穩(wěn)定后的終水位，對(duì)試驗(yàn)依次按照升高水位、降低水位的順序進(jìn)行水位變動(dòng)的模擬。最后勻速向自制的降雨器加定量水，進(jìn)行降雨模擬，觀察污染土層的柴油重分布變化過(guò)程，得出結(jié)論。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3～6所示。

表3 柴油泄漏過(guò)程試驗(yàn)安排Tab.3 Test arrangement of diesel leakage process

表4 升高水位過(guò)程試驗(yàn)安排Tab.4 Test arrangement of water level rise process

表5 降低水位過(guò)程試驗(yàn)安排Tab.5 Test arrangement of water level drop process

表6 模擬降雨過(guò)程試驗(yàn)安排Tab.6 Test arrangement of simulated rainfall process

2 結(jié)果與討論

2.1 運(yùn)移特征分析

模擬土層分3層，由上至下分別為粗砂、細(xì)砂和粗砂，每層厚度如圖2，模擬成層性土壤和不同界面。自然泄漏過(guò)程安排如表3，泄漏量為400 mL，保持流速恒定。將通過(guò)透明水槽側(cè)壁描繪得到的運(yùn)移圖經(jīng)Photoshop處理，最后得到數(shù)字化柴油泄漏運(yùn)移路徑和范圍如圖3。

圖3 柴油泄漏鋒面Fig.3 Migration front of diesel leakage

從圖3可以看出，柴油最先出現(xiàn)在表層下方10～15 cm處，這是由于粗砂粒徑大，孔隙大，柴油滲透快，擴(kuò)散并未達(dá)到玻璃槽的寬度，只在土層內(nèi)部運(yùn)移。當(dāng)滲透到粗-細(xì)砂交界面時(shí)，垂向擴(kuò)散速度變慢，柴油在此聚集，此時(shí)上部的柴油才慢慢在水槽表面顯現(xiàn)。在細(xì)砂層，柴油垂向擴(kuò)散速度變慢，導(dǎo)致側(cè)向擴(kuò)散范圍變大，擴(kuò)散至細(xì)-粗砂交界面時(shí)達(dá)到局部極值。接著到達(dá)粗砂層后，垂向擴(kuò)散速度再次加快，側(cè)向擴(kuò)散范圍縮小。到達(dá)初始水位線上方后，由于水的浮力作用，垂向擴(kuò)散停止，柴油在此聚集，向側(cè)方擴(kuò)散。最終柴油的垂向擴(kuò)散止于初始水位上部，在右側(cè)向下擴(kuò)散的程度稍大于左側(cè)，積聚的柴油繼續(xù)向兩邊擴(kuò)散，透過(guò)隔板進(jìn)入兩邊的水位調(diào)節(jié)區(qū)，漂浮在水面上。

2.2 土壤質(zhì)地及初始含水率對(duì)運(yùn)移路徑及速度的影響

試驗(yàn)選用粗砂和細(xì)砂，粗砂的粒徑和孔隙大于細(xì)砂。土層含水穩(wěn)定后，初始毛細(xì)帶上緣為22 cm（圖3），故由表層至下層分為干砂區(qū)、毛細(xì)區(qū)和飽和區(qū)，初始含水率從0逐漸增加至飽和。土壤質(zhì)地的差異即土粒的粒徑及孔隙大小對(duì)柴油的地下運(yùn)移有著重要影響。根據(jù)一些學(xué)者研究得知的LNAPLs地下運(yùn)移的理論[11-14]，在多相流體存在的多孔介質(zhì)中，由于界面張力的作用，不同流體相界面存在毛細(xì)力，毛細(xì)力總是指向非潤(rùn)濕相。土層中油相為非潤(rùn)濕相，毛細(xì)管壓力指向油，因此會(huì)造成油相的側(cè)向擴(kuò)散。通常情況下，細(xì)粒土的毛細(xì)力大于粗粒土，初始含水率越大毛細(xì)力越小，飽和區(qū)毛細(xì)力為0[14]。目前最常用的描述兩相流毛管壓力與飽和度關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式是Brooks-Corey的關(guān)系式和van Genuchten的關(guān)系式[15-16]。

圖4 不同時(shí)間柴油遷移速度Fig.4 Migration velocity of diesel in different time

以x=30 cm為中線測(cè)出柴油的垂向運(yùn)移速度，以y=50 cm、y=43 cm和y=25 cm為基線測(cè)出柴油在不同土層中的側(cè)向遷移速度，如圖4所示，自然泄漏鋒面運(yùn)移速度顯示時(shí)刻為09：06-09：51，共計(jì)45 min。由圖4可見(jiàn)，柴油整體的垂向遷移速度大于側(cè)向遷移速度。側(cè)向上，y=43 cm處的遷移速度大于y=50 cm處的遷移速度，這是由于43 cm處于細(xì)砂層，50 cm處于粗砂層，細(xì)砂區(qū)的毛細(xì)壓力大于粗砂區(qū)。柴油遷移到細(xì)-粗界面（17 min）時(shí)，其垂向遷移速度快速上升，而側(cè)向遷移速度減慢。29 min時(shí)，柴油遷移到了初始水位線上方，垂向擴(kuò)散被水層阻隔，停止垂向遷移，在地下水的浮力及毛細(xì)力作用下柴油向兩邊側(cè)向擴(kuò)散。

2.3 土質(zhì)界面對(duì)柴油運(yùn)移范圍的影響

試驗(yàn)設(shè)定了2個(gè)土層界面，從上至下分別為粗-細(xì)界面和細(xì)-粗界面。柴油在土壤中的擴(kuò)散不僅受到重力作用，還會(huì)受到土壤毛細(xì)壓力的作用。當(dāng)細(xì)砂和粗砂交互成層時(shí)，粗細(xì)介質(zhì)的毛細(xì)壓力不同。在細(xì)介質(zhì)中，粗的夾層對(duì)輕非水相液體的遷移起“促進(jìn)”作用；而在粗介質(zhì)中，細(xì)的夾層對(duì)其起“阻滯”作用[17]。由于細(xì)砂的孔徑小于粗砂的孔徑，根據(jù)拉普拉斯（Laplace）公式可知，細(xì)砂的毛細(xì)壓力大于粗砂[14]。當(dāng)柴油擴(kuò)散至粗-細(xì)砂交界面時(shí)，柴油的油壓不能及時(shí)達(dá)到細(xì)砂的進(jìn)入壓力，所以一般會(huì)在交界處發(fā)生一定的聚集現(xiàn)象，易在下界面產(chǎn)生側(cè)向擴(kuò)散并殘留。相反，當(dāng)柴油擴(kuò)散至細(xì)-粗砂交界面時(shí)，由于在細(xì)砂里的側(cè)向擴(kuò)散大于粗砂，所以界面上下的鋒面寬度會(huì)出現(xiàn)顯著變化，在上界面易形成透鏡狀聚集體。具體試驗(yàn)現(xiàn)象如圖5。在粗-細(xì)砂交界面上，由于細(xì)砂的毛細(xì)壓力大于粗砂，柴油在細(xì)砂中的垂向擴(kuò)散速度較慢，所以發(fā)生顯著的側(cè)向擴(kuò)散。在細(xì)-粗砂交界面，側(cè)向擴(kuò)散的范圍則快速縮小，在界面上部柴油聚集形成一定范圍的聚集體這是由于在粗細(xì)介質(zhì)交互層存在毛細(xì)屏障，能阻擋流體的垂向擴(kuò)散，形成積聚。重分布完成后，柴油的最大側(cè)向擴(kuò)散位置出現(xiàn)在細(xì)-粗界面（y=30 cm）處，擴(kuò)散寬度為45 cm。由此可見(jiàn)，無(wú)論是粗-細(xì)界面還是細(xì)-粗界面，柴油均聚集在界面處的細(xì)砂區(qū)。

圖5 兩界面處柴油擴(kuò)散現(xiàn)象Fig.5 The phenomenon of diesel diffusion at the two interfaces

2.4 水位升降對(duì)柴油在非均質(zhì)土層中重分布的影響

升高和降低水位過(guò)程安排分別如表4和表5，升高水位3次，降低水位4次，以10 cm為間隔，位置選取界面附近或污染比較嚴(yán)重處。水位升降前后柴油的分布如圖6和7所示。

圖6 升高水位前后柴油分布Fig.6 The diesel oil distribution before and after the water level rise

圖7 降低水位前后柴油分布Fig.7 The diesel oil distribution before and after the water level drop

升高水位的過(guò)程也是毛細(xì)水上升的過(guò)程，與此同時(shí)，柴油也會(huì)隨之進(jìn)行重分布遷移。在試驗(yàn)中，毛細(xì)水在毛細(xì)作用下，填充粗砂的孔隙，驅(qū)替污染區(qū)一部分柴油向上運(yùn)移，為柴油的向上遷移運(yùn)動(dòng)提供了途徑和通道。由圖6可見(jiàn)，水位升高至污染區(qū)時(shí)，柴油由于被水驅(qū)替及頂托被上部較為潔凈的砂粒吸附，導(dǎo)致上部截獲的柴油濃度較高。這些高濃度的柴油在濃度梯度勢(shì)作用下擴(kuò)散，促進(jìn)了柴油污染區(qū)面積的增大。在這個(gè)過(guò)程中，污染的柴油朝著上下兩個(gè)方向運(yùn)移，在原毛細(xì)區(qū)的柴油依靠擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)下移，被下部潔凈的粗砂吸附；在干砂區(qū)的柴油由于毛細(xì)水向上運(yùn)動(dòng)的攜帶作用，其上移程度較大[18]。因此，重分布后的柴油主要分布在土層上部，在浮力作用下，進(jìn)一步向上運(yùn)移，且始終保持在變動(dòng)后的水位線高度處，處于漂浮狀態(tài)，形成漂浮帶的污染面積，而水位線下部的濃度與原來(lái)相比減小，且分布更均一，表現(xiàn)出了上升水位過(guò)程促進(jìn)污染物的垂向運(yùn)移。

水位下降時(shí)，毛細(xì)帶自上而下下降。由圖7可見(jiàn)，水位線以上的污染區(qū)在重力的作用下，柴油下移同時(shí)介質(zhì)中的水從孔隙中釋放，導(dǎo)致水位線下部污染區(qū)的面積增大，且濃度增高。相比之下，下降水位對(duì)柴油重分布運(yùn)移的影響比上升水位更大，但兩者均引起污染面積的增大。水位的下降和油水驅(qū)替過(guò)程并非同時(shí)完成，而是在下降后一段時(shí)間才出現(xiàn)柴油的流出，這一現(xiàn)象即土壤運(yùn)移的“滯后效應(yīng)”[19-20]。柴油在水位波動(dòng)前期的運(yùn)動(dòng)，以自由態(tài)運(yùn)移為主，因此與水的驅(qū)替較劇烈。后期在土壤的吸附解析作用下，部分自由相柴油呈“滴”或“舌”狀被截獲在土層中，驅(qū)替作用減弱。因此，在污染物泄漏初期往往對(duì)地下環(huán)境系統(tǒng)的滲入量最多，波及范圍最廣，后期殘留態(tài)隨水位波動(dòng)運(yùn)移能力減弱。

從圖6和7還可以發(fā)現(xiàn)水位波動(dòng)后柴油分布的高濃度區(qū)往往是在不同介質(zhì)的交界面處。但柴油在粗細(xì)砂中的重分布過(guò)程不同：粗砂的孔隙大，柴油能夠迅速滲入土層，但運(yùn)動(dòng)過(guò)程紅色以散點(diǎn)狀的形式呈現(xiàn)，缺乏整體性。這種入滲方式可稱(chēng)為“對(duì)流式的涌入”[21]，相比之下，在細(xì)砂的入滲較慢，但整體浸潤(rùn)，逐漸彌散。滲透環(huán)境的不同，對(duì)柴油的運(yùn)移過(guò)程必然造成影響。柴油在粗砂運(yùn)移時(shí)速度較大，進(jìn)入細(xì)砂時(shí)，滲透性突然減小使污染組分運(yùn)移受阻而積留。這也使得在粗細(xì)砂分界面中的柴油分布面積比均質(zhì)介質(zhì)顆粒大。且由于粗砂的進(jìn)入壓力小于細(xì)砂，水位波動(dòng)過(guò)程柴油不易進(jìn)入細(xì)砂層[14]，故在粗砂中的重分布面積比細(xì)砂大。

2.5 降雨對(duì)柴油在非均質(zhì)土層中重分布的影響

模擬降雨量為3 000 mL，水量一次性加入降雨器，降雨歷時(shí)45 s，歷時(shí)較短，具體安排如表6，裝置如圖1。模擬降雨前后柴油的分布如圖8所示。

圖8 模擬降雨前后柴油分布Fig.8 The diesel oil distribution before and the simulated rainfall

比較圖8中降雨前后污染區(qū)分布的特征和位置，發(fā)現(xiàn)1區(qū)顏色變淺至與周?chē)嗤?區(qū)向兩側(cè)擴(kuò)散，且柴油的分布更集中于2區(qū)。降雨過(guò)程細(xì)砂局部出現(xiàn)紅色區(qū)域，但最終穩(wěn)定分布時(shí)消失，至與周?chē)嗤?。此時(shí)，柴油主要集中在細(xì)-粗砂巖性界面及以下區(qū)域，且該區(qū)的殘余飽和度也更大。最后分布穩(wěn)定在粗-細(xì)砂界面以下至降雨前油聚區(qū)底部。整體看來(lái)，降雨造成了油聚區(qū)的上移并在下部細(xì)-粗巖性界面處分布密集，飽和度較高。

自然界中降雨過(guò)程，先是填補(bǔ)水分的空缺，多余的水分才能下滲，在下滲水作用下地下水位抬高，砂礫質(zhì)土中主要以“活塞式”（即入滲水鋒面的整體下移），粘性土則還伴有“捷徑式”（即新水的下滲）的發(fā)生[21]。柴油的粘滯性較大、溶解度較小，在降雨作用下重分布過(guò)程會(huì)與土壤顆粒間產(chǎn)生粘滯力，阻礙下滲作用[22]。同時(shí)，連續(xù)降雨增加了土體的不安全系數(shù)和不穩(wěn)定性，并造成邊坡變形、塑性剪切等力學(xué)行為[23-24]。因此，類(lèi)似降雨濾淋作用導(dǎo)致的水位波動(dòng)會(huì)改變這種粘滯作用造成混合稀釋的效果。國(guó)外有學(xué)者認(rèn)為[18,25]，降雨通過(guò)以下兩個(gè)階段影響污染物的分布：一是污染物與下滲水接觸并進(jìn)入包氣帶，二是在降雨的沖刷作用下污染物以自由態(tài)的形式入滲。本試驗(yàn)中，降雨的淋濾及降雨后的水位抬升造成下部細(xì)-粗界面處的柴油聚集面積增大，截獲的柴油濃度升高。

圖9 土樣含油率/含水率Fig.9 Oil content/water content of soil samples

2.6 水位波動(dòng)及降雨后含油率及含水率分布的化學(xué)分析驗(yàn)證

整個(gè)試驗(yàn)結(jié)束后，選擇污染區(qū)代表性點(diǎn)位，對(duì)土層進(jìn)行分層取樣，對(duì) S1（5，20）、S2（20，25）、S3（20，35）、S4（25，45）、S5（35，15）、S6（40，25）6 個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)附近的土樣進(jìn)行含油率和含水率的化學(xué)分析。土樣經(jīng)風(fēng)干后，取0.5 g利用紫外分光光度法進(jìn)行含油率測(cè)定[26]，為減少柴油的揮發(fā)，含水率的測(cè)定采用風(fēng)干法，自然通風(fēng)條件下風(fēng)干60 d后測(cè)定，結(jié)果如圖9。

結(jié)合圖8和圖9，可見(jiàn)含油率試驗(yàn)結(jié)果與上述降雨試驗(yàn)之后通過(guò)圖像觀察所得柴油分布特征基本吻合，含水率和含油率均較高的位置位于界面處，可見(jiàn)巖性突變界面會(huì)造成石油和水等孔隙流體的聚集。橫向分析點(diǎn)S1、S2和S6的含油率和含水率，可知泄漏源中心位置處的含油率最高，降雨區(qū)中心的含水率最高，然后橫向遞減?？v向分析點(diǎn)S4、S3、S2和S5的含油率和含水率，含油率基本規(guī)律是離泄漏源最近處和界面處濃度較高，含水率從上到下總體呈升高趨勢(shì)，但點(diǎn)S3的含水率異常偏高。在此提出假設(shè)，含水率偏高除了與界面處聚集有關(guān)，還可能含油率有關(guān)。通常油水互不相溶，在土壤的毛細(xì)孔隙中油水互相驅(qū)替。但這是在土壤孔隙飽和的情況下，如果土壤孔隙不飽和，油水并不會(huì)互相驅(qū)替，甚至含油率越高，含水率越高，這就造成了點(diǎn)S3含水率偏高。

3 結(jié)論

利用柴油、細(xì)砂、粗砂和有機(jī)玻璃水槽等建立物理模型，模擬了柴油在成層性非均質(zhì)土層中的泄漏和重分布過(guò)程，探究了土壤質(zhì)地、土質(zhì)界面、水位升降及降雨等要素對(duì)柴油泄漏及重分布的影響。具體結(jié)論如下：

（1）土壤質(zhì)地的差異對(duì)柴油運(yùn)移范圍和速度有很大影響。土?？紫对酱螅裼痛瓜蜻\(yùn)移速度越快，橫向運(yùn)移范圍越?。煌亮？紫对叫。裼痛瓜蜻\(yùn)移速度越慢，橫向運(yùn)移范圍越大。

（2）當(dāng)柴油運(yùn)移到土質(zhì)界面時(shí)，并不會(huì)立刻向下運(yùn)移，而是先在界面處聚集，并在界面處側(cè)向運(yùn)移，擴(kuò)大了污染面積，無(wú)論粗-細(xì)界面還是細(xì)-粗界面，側(cè)向擴(kuò)展范圍較大的一側(cè)均位于細(xì)砂區(qū)。

（3）水位升降過(guò)程中，隨著水位升高毛細(xì)水上升，大部分柴油在毛細(xì)水的驅(qū)替作用下向上運(yùn)移，并被潔凈介質(zhì)吸附擴(kuò)大污染面積。少部分柴油滯留在原區(qū)域，還有部分柴油被土質(zhì)界面所截獲，在界面下少量聚集。隨著水位降低毛細(xì)水下降，柴油下移，污染區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，在毛細(xì)水位上方聚集較高濃度柴油。

（4）降雨條件下，水從上而下填補(bǔ)土壤空隙，驅(qū)替土層中滯留的柴油向下運(yùn)移。隨著降雨量增加，毛細(xì)水上升，又驅(qū)使柴油向上運(yùn)移，使得柴油在重分布過(guò)程中，污染面積再次擴(kuò)大。

致謝：感謝唐旖、吳啟樂(lè)、殷智承、童森煒、楊楠檸同學(xué)在實(shí)驗(yàn)和制圖方面的幫助。