武亞軍,韓亞東,唐 欣,陳 敏,陳天慧
(1. 上海大學(xué)土木工程系,上海200444;2. 上海市巖土工程檢測中心,上海200444)
土壤是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是人類生存和發(fā)展的基本自然資源。隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,大量的生活垃圾、工業(yè)廢物未經(jīng)處理就直接排放,在自然因素的影響下轉(zhuǎn)移至土壤環(huán)境中[1]。隨著時(shí)間的推移,土壤污染物大量富集在農(nóng)作物內(nèi),通過食物鏈進(jìn)入人體,嚴(yán)重危害人類健康。近年來,中國工業(yè)化進(jìn)程中土壤污染問題日益突出,國內(nèi)的污染場地?cái)?shù)量增多,造成了巨大的環(huán)境與安全危害[2]。在2014 年公布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》[3]中顯示,全國土壤污染總超標(biāo)率達(dá)到16.1%。因此,對污染土壤進(jìn)行修復(fù)亟需提上日程。
依據(jù)場地污染類型、修復(fù)藥劑的不同,注藥方式也各不相同,藥劑注入與均勻化控制技術(shù)是原位修復(fù)的關(guān)鍵,常用的藥劑注入技術(shù)有直壓式注射法、注射井法和高壓旋噴注射法等[4]。高壓旋噴注藥法是近年來應(yīng)用于污染土壤修復(fù)的一種原位注藥方式,適用于滲透性較小的粘性土壤[5],目前在上海地區(qū)已經(jīng)被應(yīng)用于一些污染土壤場地的原位修復(fù)工程中,并突顯出強(qiáng)大的生命力。高壓旋噴注藥法是將帶有特殊噴嘴的注漿管,置入預(yù)先設(shè)定的深度,以高壓射流切割土體,同時(shí)旋轉(zhuǎn)提升,土體被切割成泥餅狀(圖1),藥劑存在于相鄰泥餅之間的縫隙中,然后向泥餅內(nèi)擴(kuò)散。修復(fù)效果與藥劑的遷移和分布密切相關(guān),只有藥劑滿足一定濃度的區(qū)域才能達(dá)到最佳修復(fù)效果,藥劑濃度過高或過低都無法達(dá)到預(yù)期修復(fù)目的。目前對于修復(fù)藥劑在高壓旋噴所形成的泥餅內(nèi)擴(kuò)散規(guī)律的研究鮮有報(bào)道,工程實(shí)踐中急需相關(guān)指導(dǎo)性的研究成果。
圖1 高壓旋噴注藥后的泥餅土樣Fig.1 Mud cake soil sample after high pressure rotary spray
目前,針對修復(fù)藥劑在污染土壤中遷移的研究成果較少,在遷移擴(kuò)散過程中修復(fù)藥劑可以看作是一種溶質(zhì),探究修復(fù)藥劑在泥餅中的遷移過程類似于探究溶質(zhì)在多孔介質(zhì)中的遷移,因此,可以借鑒污染物等溶質(zhì)的研究方法對修復(fù)藥劑的遷移擴(kuò)散規(guī)律開展研究。國內(nèi)外學(xué)者采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段對污染物的遷移特性進(jìn)行了大量研究。在試驗(yàn)方面:鄭順安等[6]通過土柱模擬試驗(yàn)并應(yīng)用Hydrus-1D軟件研究了我國七種典型農(nóng)田土壤中銅的吸附解吸、遷移積累等特性。Patrick 等[7]研究認(rèn)為擴(kuò)散和固結(jié)引起的對流作用對溶質(zhì)遷移有重要影響。章明奎等[8]用室內(nèi)模擬的方法研究了兩種抗生素在7 個(gè)典型農(nóng)業(yè)土壤中的吸附和遷移行為,研究表明這兩種抗生素在粘質(zhì)農(nóng)業(yè)土壤剖面中的遷移能力較弱,砂質(zhì)土壤中較易。上官宇先、王亞平[9]通過土柱淋濾試驗(yàn)研究了不同土壤質(zhì)地對多種重金屬的吸附特性及其在土壤中的運(yùn)移特性。李小孟等[10]通過土柱吸附試驗(yàn)研究表明土壤中溶解態(tài)有機(jī)質(zhì)有利于重金屬離子向下遷移。
在數(shù)值模擬方面:林青等[11]用Freundlich 方程對鎘在粉壤中運(yùn)移過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了不同土壤對鎘運(yùn)移的阻滯能力。許增光等[12]針對緩慢注氧修復(fù)技術(shù)開發(fā)了相應(yīng)程序,結(jié)果表明注氧井離污染源越近能達(dá)到更好的修復(fù)效果。趙栗笠等[13]應(yīng)用Visual Modflow 軟件對存在滲油的加油站進(jìn)行場地模擬分析,建立了甲基叔丁基醚(Methyl tert-butyl ether,MTBE)的三維羽狀污染模型,分析污染源強(qiáng)度并預(yù)測其對周圍區(qū)域產(chǎn)生的影響。
從以上研究可以看出,室內(nèi)試驗(yàn)中的土樣通常采用常規(guī)土壤,在取土檢測過程中不僅會(huì)對土壤產(chǎn)生擾動(dòng)影響分析結(jié)果;而且還無法連續(xù)觀測土體內(nèi)部溶質(zhì)遷移的全過程。為解決這一問題,近年來透明土試驗(yàn)技術(shù)被引入到巖土工程中來??拙V強(qiáng)等[14]應(yīng)用熔融石英砂、混合油制成透明土試樣,進(jìn)行電滲模型試驗(yàn),研究得到滲透率與福建標(biāo)準(zhǔn)砂的滲透率接近。Iskander、Liu[15]采用無定形二氧化硅和與其折射率相匹配的孔隙液體制配出透明土,發(fā)現(xiàn)其巖土工程性質(zhì)與黏土相似。宮全美等[16]應(yīng)用15 號(hào)白油和正十二烷混合溶液與無定型硅粉組成透明土進(jìn)行了常規(guī)固結(jié)壓縮試驗(yàn),驗(yàn)證了其模擬粘土的可行性。White 等[17]將透明土與粒子圖像測速法(Particle image velocimetry,PIV)技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了可視化地觀測土體內(nèi)部的變形。隋旺華等[18]應(yīng)用透明土試驗(yàn)技術(shù)揭示了水砂混合物在巖體裂縫和破碎巖體中的運(yùn)移規(guī)律。
本文將透明土材料應(yīng)用于污染土壤旋噴修復(fù)藥劑的擴(kuò)散研究,進(jìn)行了兩方面的工作,首先使用無定型硅粉和白油配置成的透明土試樣進(jìn)行了修復(fù)藥劑遷移的室內(nèi)試驗(yàn),通過外接攝像設(shè)備記錄下土壤內(nèi)部修復(fù)藥劑遷移的全過程,結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)研究了泥餅中修復(fù)藥劑的遷移規(guī)律;然后采用數(shù)值模擬手段考慮了土體性質(zhì)、泥餅高度、水力邊界、溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)和藥劑初始濃度分布形式等因素對藥劑遷移過程的影響。
為了模擬上海地區(qū)的粘性土,采用無定型二氧化硅、2號(hào)白油和正十二烷制配透明土。
制配好透明土試樣并進(jìn)行了大量土工試驗(yàn),通過對比透明土與上海粘性土在固結(jié)、滲透等基本性質(zhì)的相似性,表明如表1 所示的透明土試樣可模擬滲透系數(shù)為1.5×10-7cm·s-1的土體,能夠用來模擬修復(fù)藥劑的遷移特性研究。
表1 透明土組成成分Tab.1 Composition of transparent soil
試驗(yàn)中所用的儀器與設(shè)備包括馬氏瓶、流量計(jì)、滲透儀器、數(shù)碼相機(jī)等(圖2)。該裝置可以實(shí)現(xiàn)如下功能:通過改變土樣組分中硅粉各目數(shù)之間的比例關(guān)系,控制土體滲透系數(shù);通過改變馬氏瓶的位置,控制水力邊界,研究不同性質(zhì)土體、不同土壤壓力條件下的修復(fù)藥劑遷移規(guī)律。試驗(yàn)過程中通過流量計(jì)監(jiān)測流速,均勻布置背景光源,降低外部光源對試驗(yàn)的影響,外置相機(jī)實(shí)時(shí)記錄土樣中藥劑遷移的全過程。
圖2 試驗(yàn)裝置簡圖Fig.2 Schematic diagram of test device
試驗(yàn)前先將所需各目數(shù)的硅粉充分混合,為使壓樣效果更好,邊攪拌邊滴入白油,攪拌均勻后放入制樣器中,用千斤頂進(jìn)行壓樣,壓制完成后放入裝滿白油的容器中進(jìn)行真空飽和,當(dāng)試樣完全飽和后,取出進(jìn)行藥劑遷移試驗(yàn)。因不同污染類型對應(yīng)的藥劑存在差異性,本文選取油溶性示蹤劑代替修復(fù)藥劑完成室內(nèi)試驗(yàn)。
試驗(yàn)選取的水頭高度h 分別為1 m 和2 m,底部邊界出流,相機(jī)采集到兩種情況下不同時(shí)刻的示蹤劑分布圖像,如圖3所示。由圖中可以看出,水頭越高,示蹤劑遷移速度越快,當(dāng)水頭h=1 m 時(shí),如圖3a~3c,試驗(yàn)進(jìn)行到第9 日,示蹤劑遷移至試樣盒底部;當(dāng)水頭h=2 m 時(shí),如圖3d~3e,試驗(yàn)進(jìn)行到第6日,示蹤劑已遷至盒底。另外,在示蹤劑向下遷移過程中,兩組試驗(yàn)中示蹤劑遷移覆蓋區(qū)域逐漸增大;水頭越高,示蹤劑分布區(qū)域越大,且較為分散。
圖3 不同水頭示蹤劑遷移過程Fig.3 Migration process of tracer in different water heads
配置1~1 000 g·m-3濃度區(qū)間內(nèi)的示蹤劑溶液,借助MATLAB 平臺(tái),標(biāo)定濃度C 與灰度Q 的對應(yīng)關(guān)系,曲線擬合得到式(1)。將遷移圖像輸入MATLAB平臺(tái),即可獲得對應(yīng)的等濃度線圖。
圖3 中水頭h=1 m 時(shí)的圖像經(jīng)過MATLAB 處理后得到的等濃度線圖如圖4所示,第3日時(shí)示蹤劑遷移至泥餅高度三分之一處,濃度值范圍為500~900 g·m-3,第6 日時(shí)示蹤劑遷移至泥餅高度3/4 處,濃度值范圍為400~600 g·m-3,第9 日時(shí)示蹤劑遷移至泥餅底部,濃度值范圍為300~500 g·m-3。當(dāng)水頭h=2 m 時(shí),第3 日時(shí)濃度值范圍為400~700 g·m-3,第6 日時(shí)濃度值范圍為200~600 g·m-3。由于篇幅所限,這里沒有給出h=2 m時(shí)的等濃度線圖。
圖4 示蹤劑遷移等濃度線圖Fig.4 Tracer migration equal concentration line diagram
溶質(zhì)在土壤中的遷移基本通過兩種形式:一是對流遷移,即溶質(zhì)伴隨土壤溶液的滲流而產(chǎn)生遷移;二是水動(dòng)力彌散,即溶質(zhì)在自身濃度梯度和土壤孔隙系統(tǒng)的作用下遷移。由此,溶質(zhì)在土壤中遷移可建立對流-彌散模型。
應(yīng)用Geostudio 軟件中的SEEP/W、CTRAN/W 模塊首先對第1 節(jié)的室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬,由于當(dāng)采用透明土模擬天然粘性土?xí)r,土工試驗(yàn)測得透明土的滲透系數(shù)比實(shí)際值高1~2個(gè)數(shù)量級(jí)[19]。擴(kuò)散系數(shù)為體積含水量的函數(shù),體積含水量一定時(shí),擴(kuò)散系數(shù)為常數(shù),在擴(kuò)散試驗(yàn)過程中透明土試樣的體積含水量是不變的,因此,認(rèn)為擴(kuò)散系數(shù)也是不變的。根據(jù)相同時(shí)間內(nèi)藥劑最大遷移距離相同的原則,由數(shù)值模擬與擴(kuò)散試驗(yàn)結(jié)果一致來確定數(shù)值模擬參數(shù),對數(shù)值模擬中的擴(kuò)散系數(shù)和滲透系數(shù)進(jìn)行了修正,計(jì)算結(jié)果表明采用修正參數(shù)獲得的數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)圖像經(jīng)MATLAB 處理后得到的結(jié)果基本一致。證明透明土材料可以應(yīng)用于污染土修復(fù)藥劑遷移特性的研究,之后采用修正后的模型參數(shù)對復(fù)雜工況下修復(fù)藥劑的遷移規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬。
在SEEP/W 模塊中,分析類型為穩(wěn)態(tài)分析。具體參數(shù)按照透明土樣土工試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行設(shè)置,泥餅高度為0.04 m,滲透系數(shù)為1.5×10-7cm·s-1,水頭邊界為1 m,并用四邊形單元作為有限元分析的單元形式。滲流模型建立以后,應(yīng)用CTRAN/W模塊把滲流模型作為父項(xiàng)分析,即以滲流模型計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ),建立對流-彌散模型模擬示蹤劑在透明土體中的遷移過程,擴(kuò)散系數(shù)為關(guān)于體積含水量的常函數(shù)1×10-10m2·s-1,上邊界初始濃度C(單位:g·m-3)設(shè)置為分段函數(shù),見式(2),下部為出流邊界。
經(jīng)計(jì)算得到藥劑遷移的濃度等勢圖(圖5)。將其與遷移試驗(yàn)采集到的圖像(圖3)進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn),示蹤劑遷移到底部的時(shí)間為9日,隨著時(shí)間的推移,示蹤劑的濃度值變化與等濃度線圖(圖4)中基本一致。示蹤劑不斷向下遷移,最高濃度由3 d時(shí)的600 g·m-3逐漸減小至320 g·m-3,且示蹤劑遷移覆蓋的區(qū)域逐漸擴(kuò)大。藥劑的遷移規(guī)律、特定時(shí)間下的最大遷移距離以及遷移至泥餅底部所需的時(shí)間基本與試驗(yàn)結(jié)果相符。當(dāng)水頭為2 m 時(shí),數(shù)值模擬的規(guī)律同樣與遷移試驗(yàn)一致。因此,應(yīng)用Geostudio數(shù)值模擬軟件對土樣中藥劑遷移規(guī)律進(jìn)行研究是可行的。
圖5 藥劑遷移濃度等勢圖Fig.5 Concentration equipotential diagram of medicament migration
高壓旋噴污染土壤修復(fù)藥劑遷移的實(shí)際工況往往更為復(fù)雜,同時(shí)很難進(jìn)行大量的重復(fù)性現(xiàn)場試驗(yàn),為此,這里在之前數(shù)值模型與參數(shù)已經(jīng)確定的基礎(chǔ)上,考慮泥餅高度、溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)和初始濃度分布等因素進(jìn)行了多種工況的數(shù)值模擬。
不同泥餅高度、不同壓力邊界條件工況如圖6所示。取泥餅高度H 為0.04、0.06、0.1 m,滲透系數(shù)為2×10-7cm·s-1,單位體積含水量為0.688 m3·m-3,上邊界壓力P1分別為10、50、100 kPa,邊界濃度C函數(shù)依據(jù)式(3);下邊界壓力P2和濃度均為0。
圖6 不同泥餅高度、不同壓力邊界下的模擬工況Fig.6 Simulation conditions of different mud cake height and different pressure boundary
經(jīng)計(jì)算,選取各邊界條件下泥餅底部最早達(dá)到最大濃度的時(shí)間為結(jié)束時(shí)間,泥餅高度為0.04 m,上邊界壓力為10、50、100 kPa時(shí),分別在第5日、第1.5日、第0.75 日時(shí)泥餅底部濃度達(dá)到最大值,其中壓力條件為10 kPa下的濃度等勢圖如圖7所示。再依次對泥餅高度為0.06、0.1 m的模型進(jìn)行分析,控制除泥餅高度外其余參數(shù)與高度為0.04 m 的設(shè)置保持一致,泥餅高度為0.06 m 時(shí),邊界壓力為10、50、100 kPa 時(shí),分別在第10 日、第3.5 日、第1.5 日時(shí)完成;泥餅高度為0.1 m時(shí),則分別在第23日、第6日、第3.5日時(shí)完成??梢?,在同一泥餅高度下,土壤所處的壓力越大,藥劑到達(dá)泥餅底部的時(shí)間越短,且遷移速度表現(xiàn)出加快的趨勢。
圖7 濃度等勢圖(第5日)Fig.7 Concentration equipotential diagram (Day 5)
選取泥餅高度為0.04 m,土壤壓力為100 kPa時(shí),泥餅底部藥劑濃度達(dá)到最大值時(shí)的時(shí)間步(即第0.75 日時(shí)),作土樣中部豎向剖面節(jié)點(diǎn)的濃度-高度關(guān)系曲線,如圖8所示。由圖中可以看出,頂部壓力為100 kPa時(shí),泥餅底部已經(jīng)達(dá)到藥劑濃度的最大值,而10 kPa 和50 kPa 時(shí)的最大濃度僅分別遷移至泥餅頂部和1/4高度處。
圖8 中部豎向剖面節(jié)點(diǎn)濃度隨泥餅高度的變化圖Fig.8 Variation of node concentration in middle vertical section changing with mud cake height
選取泥餅高度為0.04 m,土壤壓力為10 kPa時(shí),泥餅底部達(dá)到最大濃度值時(shí)的時(shí)間步(即第5日),考察不同泥餅高度下泥餅中部豎向剖面節(jié)點(diǎn)的濃度變化,如圖9 所示,此時(shí),泥餅高度為0.06、0.1 m 的濃度最大值僅分別遷移至泥餅的中部、1/5 處,且泥餅高度越高,濃度最大值越小。因此實(shí)際修復(fù)工程中,泥餅高度的設(shè)定即高壓旋噴參數(shù)的選取對修復(fù)效果及效率有重要影響。
圖9 不同泥餅高度下豎向剖面濃度對比(第0.75日)Fig.9 Comparison of vertical profile concentration at different mud cake heights (Day 0.75)
圖10 所示為不同擴(kuò)散系數(shù)下的模擬工況示意圖,泥餅高度H=0.04 m,P1=20 kPa;P2=15 kPa;邊界濃度函數(shù)見式(3)。
圖10 不同擴(kuò)散系數(shù)下的模擬工況Fig.10 Simulation conditions with different diffusion coefficients
在旋噴施工后,影響藥劑遷移速度的最主要參數(shù)是土中擴(kuò)散系數(shù),取擴(kuò)散系數(shù)D 為1.00×10-10、5.00×10-10和10.00×10-10m2·s-1分別計(jì)算,泥餅底部濃度分別在第8.5、6、4.5 日時(shí)達(dá)到最大,其中擴(kuò)散系數(shù)為1.00×10-10m2·s-1的泥餅在第8.5日時(shí)濃度分布如圖11 所示,隨著時(shí)間推移,擴(kuò)散系數(shù)較大的泥餅中,高濃度值覆蓋區(qū)域更寬。
第4.5日時(shí)不同擴(kuò)散系數(shù)下泥餅中心豎向剖面節(jié)點(diǎn)濃度隨泥餅高度分布如圖12 所示,此時(shí),擴(kuò)散系數(shù)為10.00×10-10m2·s-1的泥餅底部濃度已經(jīng)達(dá)到最大值,而擴(kuò)散系數(shù)為1.00×10-10、5.00×10-10m2·s-1泥餅中最大濃度值僅遷移至泥餅高度的1/2 位置處,可見擴(kuò)散系數(shù)越大,遷移速率越快;擴(kuò)散系數(shù)為1.00×10-10m2·s-1的泥餅中心與頂部、底部的藥劑濃度相差較大,而擴(kuò)散系數(shù)為5.00×10-10、10.00×10-10m2·s-1的泥餅濃度隨高度的變化較小,且前者泥餅中心的濃度接近后兩者的兩倍。
圖11 濃度等勢圖(第8.5日)Fig.11 Concentration equipotential diagram (Day 8.5)
圖12 泥餅豎向剖面濃度隨泥餅高度分布(第4.5日)Fig.12 Distribution of vertical profile concentration of mud cake changing with mud cake height(Day 4.5)
圖13 所示為邊界濃度沿水平方向遞減時(shí)的模擬工況示意圖,泥餅高度H=0.04 m,土的擴(kuò)散系數(shù)為5.00×10-10m2·s-1,P1=20 kPa,P2=15 kPa,假定旋噴直徑為0.2 m,邊界濃度函數(shù)如圖14所示。
圖13 邊界濃度沿水平方向遞減時(shí)的模擬工況Fig.13 Simulation of boundary concentration decreasing along horizontal direction
圖14 邊界濃度示意圖Fig.14 Boundary concentration diagram
對圖14中對稱濃度邊界的左半部(0~0.1 m)進(jìn)行分析,經(jīng)計(jì)算,當(dāng)邊界濃度從噴嘴處沿徑向向外階梯形遞減時(shí)(由1 000 g·m-3降低至250 g·m-3),第1、5 日后泥餅中離噴嘴不同距離處藥劑濃度分布示意圖,如圖15 所示。從圖中可以看出,旋噴中心濃度高,邊緣濃度低,由第1日至第5日,藥劑濃度在水力梯度作用下以豎向遷移為主,水平方向的遷移不明顯,隨著邊界濃度沿水平方向的遞減,泥餅中心也呈向邊緣遞減的趨勢。
圖15 濃度隨時(shí)間變化的等勢圖Fig.15 Isopotential diagram of concentration changing with time
圖16 為第5日時(shí)離旋噴樁噴嘴不同水平距離處的泥餅中藥劑濃度沿高度分布示意圖,中心濃度分布情況基本與邊界藥劑濃度分布情況一致。噴嘴位置處濃度較高,沿泥餅高度的變化更為明顯,泥餅中心處濃度為邊界處的65%;距離噴嘴位置越遠(yuǎn),泥餅中濃度沿高度的變化越小,距噴嘴為0.025 m 處泥餅中心濃度約為邊界處的80%,距噴嘴為0.05 m處泥餅中心濃度約為邊界處的84%;距噴嘴為0.075 m 處濃度沿高度的分布更為穩(wěn)定,泥餅中心濃度與邊界初始值十分接近。由圖中可以發(fā)現(xiàn),在一定時(shí)間范圍內(nèi),泥餅中藥劑遷移以豎向遷移為主,所以為使實(shí)際工程中藥劑以高濃度均勻分布至泥餅邊緣,需保證藥劑在泥餅間隙水平方向以較高的濃度均勻分布。
圖16 藥劑濃度沿高度分布(第5日)Fig.16 Distribution of medicament concentration along height(Day 5)
本文基于透明土可視化試驗(yàn)技術(shù),對應(yīng)用高壓旋噴注藥技術(shù)后形成的泥餅進(jìn)行了修復(fù)藥劑遷移的室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬,得出如下結(jié)論:
(1)同一泥餅高度下,土樣所處的壓力越大,遷移速度越快;同一土壤條件下,泥餅高度越高,其底部達(dá)到濃度最大值所需的時(shí)間越長,且濃度最大值越小。因此實(shí)際修復(fù)工程中應(yīng)確定最佳泥餅高度。
(2)擴(kuò)散系數(shù)較大的泥餅中遷移速率較快,且高濃度值覆蓋區(qū)域更寬;在一定范圍內(nèi),擴(kuò)散系數(shù)倍數(shù)增大時(shí),濃度最大值也呈倍數(shù)增大。
(3)藥劑濃度在水力梯度作用下以豎向遷移為主,水平方向的遷移不明顯,隨著邊界濃度沿水平方向的遞減,泥餅中心也呈向邊緣遞減的趨勢,且中心濃度分布情況基本與邊界藥劑濃度分布情況一致。實(shí)際工程中需保證藥劑在泥餅間隙水平方向以較高的濃度均勻分布,才能使藥劑以高濃度遷移至泥餅邊緣。